УДК 672.86

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОПРОДУКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ

Зеленев Илья Николаевич1, Польшиков Виталий Юрьевич2, Алекторов Артем Андреевич3, Добросоцкий Алексей Александрович4, Баранов Андрей Алексеевич5
1Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
2Тамбовский государственный технический университет, аспирант
3Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
4Тамбовский государственный технический университет, магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»
5Тамбовский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов»

Аннотация
Представлены сведения о синтезе нанопродуктов с использованием технологии пульсирующего горения. Показаны перспективы использования пульсирующего горения для синтеза наноразмерных катализаторов, углеродных нанотрубок газофазным химичесим осаждением, для термической очистки и сушки нанопродуктов. Приведена схема синтеза углеродных наноструктурных материалов в пламени аппарата пульсирующего горения.

Ключевые слова: катализатор, нановолокна, нанотрубки, пульсирующее горение, синтез в пламени, углеродные наноструктурные материалы


TECHNOLOGIES AND EQUIPMENT FOR SYNTHESIZING OF NANOPRODUCTS USING PULSE COMBUSTION

Zelenev Ilya Nikolaevich1, Polshikov Vitaly Jurevich2, Alektorov Artyom Andreyevich3, Dobrosotskiy Alexey Aleksandrovich4, Baranov Andrey Alekseevich5
1Tambov State Technical University, master student of the Technics and technology of production nanomaterials department
2Tambov State Technical University, postgraduate student
3Tambov State Technical University, master student of the Technics and technology of production nanomaterials department
4Tambov State Technical University, master student of the Technics and technology of production nanomaterials department
5Tambov State Technical University, Ph.D, Associate Professor of the Technics and technology of production nanomaterials department

Abstract
Provided are data on the synthesis of nanoproducts using the technology of pulse combustion. The prospects of using pulse combustion for synthesis of nanoscale catalysts, carbon nanotubes by CVD method, for thermal cleaning and drying of nanoproducts. Presented the scheme of the synthesis of carbon nanostructured materials in the flame of pulse combustion apparatus.

Keywords: carbon nanostructured materials, catalyst, flame synthesis, nanofibers, nanotubes, pulse combustion


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Зеленев И.Н., Польшиков В.Ю., Алекторов А.А., Добросоцкий А.А., Баранов А.А. Технологии и оборудование для синтеза нанопродуктов с использованием пульсирующего горения // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 6 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/06/24961 (дата обращения: 02.06.2017).

Бурное развитие производства наноматериалов, в частности углеродных, вызывает необходимость исследовать их влияние на здоровье человека и состояние окружающей среды. При этом важно оценить экологический ущерб и безопасность получения нанопродуктов в промышленных масштабах. При организации производства необходимо учесть токсичность, пожаро- и взрывоопасность, химическую агрессивность, воздействие на атмосферу исходных веществ и ингредиентов, выделяющихся в процессе синтеза и обработки наноматериалов.

На сегодняшний момент предварительные результаты показывают, что риск, связанный с производством наноматериалов, меньше или сравним с риском, связанным со многими другими видами промышленной деятельности. В связи с чем, производство нанопродуктов должно, в первую очередь, удовлетворять общим санитарно-гигиенические требованиям, нормативам по пожаровзрывобезопасности и экологическим стандартам, регламентирующим количество выбросов и отходов производства.

В последнее время наибольшие успехи достигнуты в исследованиях углеродных наноструктурных материалов (УНМ) в виде нанотрубок и нановолокон. Эти два класса наноструктур в наибольшей степени приблизились к переходу от опытного к массовому промышленному производству и применению. Поэтому они в первую очередь должны рассматриваться с точки зрения обеспечения технологической и экологической безопасности. В этой связи, весьма эффективным будет использование на всех стадиях производства новых энерго- и ресурсосберегающих технологий, которые обеспечат минимизацию вредных выбросов.

Наиболее простыми теплообменными устройствами, которые на сегодняшний момент широко используются в схемах синтеза УНМ, являются теплообменники с внутренними источниками теплоты, т.е. различного типа электронагреватели. Их достоинствами являются простота устройства и монтажа, а также удобство регулирования. Недостатком – большие эксплуатационные затраты, из-за высокой стоимости электроэнергии.

Одной из доступных альтернатив электрическому нагреву, обеспечивающих необходимые температурные диапазоны в процессах получения катализатора, синтеза УНМ, и на вспомогательных стадиях, может служить использование различного рода горелочных устройств, в которых используется энергия органического топлива. Однако использование традиционных методов сжигания имеет существенные недостатки: невысокий кпд, малая теплонапряженность, экологическая нагрузка за счет высокого содержания в продуктах сгорания монооксида углерода CO, окислов азота NxOy, алифатических и ароматических углеводородов CxHy. Поэтому применительно к нанотехнологиям необходимо развитие высокоэффективной теплотехники, обеспечивающей требуемый уровень экологической безопасности. В этом направлении весьма перспективным представляется реализация процессов пульсирующего горения в аппаратах специальной конструкции. Такой режим горения позволяет обеспечить максимальную полноту тепловыделения топлива, существенно интенсифицировать тепло-массообменные процессы и повысить теплонапряженность. При таких условиях очевидно уменьшение металлоемкости конструкции, сокращение затрат на монтаж и обслуживание технологического оборудования. Кроме того, продукты сгорания отвечают самым жестким экологическим требованиям.

Конструктивно аппараты пульсирующего горения (АПГ) достаточно просты и включают камеру сгорания, в полости которой реализуется объемное горение топлива, аэродинамический клапан, обеспечивающий подачу воздуха в камеру сгорания в режиме самовсаса без внешних дутьевых устройств, и резонансную трубу, из которой происходит высокоскоростное истечение продуктов сгорания. Аэродинамический клапан, камера сгорания и резонансная труба образуют акустическую систему. На первой собственной частоте этой системы происходит процесс пульсирующего горения в резонансном режиме. Наружные стенки камеры сгорания и резонансной трубы могут служить поверхностями рекуперативного теплообмена для нагрева исходного углеродсодержащего газа при получении УНМ методом газофазного химического осаждения углерода в присутствии катализатора, а горючие газообразные выбросы, выделяющиеся в процессе синтеза, могут быть утилизированы сжиганием в АПГ [1]. Высокоскоростной пульсирующий поток продуктов сгорания может быть использован для получения оксидных катализаторов термическим методом [2]. При смешении продуктов сгорания с воздухом и снижении температуры полученный теплоноситель может использоваться для термической очистки УНМ от неструктурных форм углерода и в качестве сушильного агента на завершающей стадии сушки после операций кислотной отмывки и нейтрализации [3]. Использование АПГ позволяет также осуществлять нагрев технологических жидкостей. В частности, в рубашке или змеевике, установленном на АПГ можно подготавливать теплоноситель для интенсификации процессов приготовления катализаторного прекурсора и очистки полученного продукта.

В настоящее время с успехом развиваются технологии синтеза углеродных наноструктурных материалов непосредственно в пламени при реализации горения богатых топливных смесей в присутствии катализаторных систем [4, 5]. Обзор литературы и патентный поиск не дали результатов по установлению уровня техники и технологии в области синтеза углеродных наноструктур в пламени аппаратов пульсирующего горения. Это обстоятельство достаточно легко объяснить. Теоретически, в ряде работ [6, 7], показано, что пульсирующее горение можно организовать как в области богатых топливных смесей (с недостатком окислителя), так и в области обедненных (с избытком окислителя). Традиционные теплотехнические процессы выгодно вести с избытком окислителя, обеспечивая тем самым полноту сгорания топлива и малую эмиссию вредных составляющих продуктов сгорания. Поэтому устройства пульсирующего горения традиционно проектируют на обедненные топливные смеси, на которых легко реализуется устойчивое пульсирующее горение в режиме самовсаса без постоянно действующих источников зажигания.

Для организации синтеза УНМ в пламени наоборот необходим недостаток окислителя. В этом случае возникают определенные трудности. В частности, нами предприняты попытки модернизации аппарата пульсирующего горения мощностью 20 кВт, работающего на пропан-бутановой смеси с коэффициентом избытка воздуха a=1,7 – 2. В качестве мероприятий по снижению количества потребляемого воздуха исследовались следующие технологические и конструктивные решения:

1) форсированная подача горючего;

2) установка сменных диафрагм в аэродинамическом клапане;

3) уменьшение площади сечения аэродинамического клапана за счет организации кольцевого канала.

Все перечисленные методы оказались неэффективными, поскольку в первом случае горение прекращалось после некоторого порогового расхода горючего, соответствующего a=0,8 – 1. Во втором и третьем случае автоколебательное пульсирующее горение не реализовывалось без внешнего воздушного дутья.

Тем не менее, необходимые условия для получения углерода в конденсированной фазе с использованием аппаратов пульсирующего горения можно реализовать.

Рисунок 1 – Схема установки для синтеза углеродных наноструктурных материалов в аппарате пульсирующего горения: 1 – камера сгорания, 2 – резонансная труба, 3 – аэродинамический клапан, 4 – запальник, 5 – стартовый вентилятор, 6 – катализаторная емкость, 7 – подложка-саженакопитель

Для этого предлагается организовать дополнительный подвод горючего в резонансную трубу АПГ (рис. 1). В этом случае высокотемпературные продукты сгорания обедненной топливной смеси будут вызывать реакцию крекинга дополнительно поданного углеводорода, а при наличии катализаторных систем, приводить к образованию наноструктурного углерода.

Предложенная конструкция установки на базе АПГ позволит провести комплекс запланированных исследований и определить перспективы использования пульсирующего горения для синтеза наноструктурного углерода.


Библиографический список
  1. Чуриков М.С. Синтез углеродных наноструктурных материалов в лабораторном реакторе на базе аппарата пульсирующего горения / М.С. Чуриков, Т.Ю. Долгополова, А.В. Максименко, А.А. Баранов // Труды ТГТУ. Тамб. гос. техн. ун-т. – Тамбов, 2009. Вып. 22. С. 93 – 97.
  2. Ткачев А.Г., Баранов А.А. Получение катализатора синтеза углеродных наноструктурных материалов в аппарате пульсирующего горения / Химическая технология. 2007. Т.9. №1. С. 12 – 16.
  3. Долгополова Т.Ю. Использование эжекционных теплогенераторов пульсирующего горения для термической очистки и сушки углеродных наноструктурных материалов / Т.Ю. Долгополова, А.А. Баранов, О.Н. Бычков, А.П. Смоляк // Труды Тамбовского государственного технического университета: сборник научных статей / Тамб. гос. техн. ун-т. – Тамбов, 2010. Вып. 23. С. 214-218.
  4. Vander Wal. Flame synthesis of substrate-supported metal-catalyzed carbon nanotubes, Chem. Phys. Lett. 324:217–223 (2000).
  5. Польшиков В.Ю., Баранов А.А. Проблемы и перспективы синтеза углеродных нанотрубок при сжигании углеводородов // Молодой учёный. № 5 (28) / 2011, Том I. С. 31-32.
  6. Авакумов А.М., Чучкалов И.А., Щелоков Я.М. Нестационарное горение в энергетических установках. – Л.: Недра, 1987. 159 с.
  7. Северянин В.С. Пульсирующее горение – способ интенсификации теплотехнических процессов: Автореферат Дис. … докт. техн. наук. – Саратов: Саратовский политехн. ин-т, 1987.


Все статьи автора «Баранов Андрей Алексеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: