Font Size

Cpanel

О возможности промышленного производства углеродных нанотрубок для композитных материалов на основе спирального реактора

bochaver

В последние годы в мире наблюдается всплеск спроса на новые виды материалов, характеризующиеся, к примеру, малым весом, но более высокой стойкостью к механическим, химическим, температурным, вибрационным и т.д. нагрузкам, которые принято называть композитными. Благодаря своим уникальным свойствам они произвели настоящую революцию во многих отраслях промышленности и стали востребованными в высокотехнологичных проектах, как разработки в области ракетно- космической техники, авиации, судо- и автомобилестроении и др.

Введение

Как показывают исследования и практика, для улучшения многих свойств, и, в первую очередь, прочности композитных материалов, наиболее массовым спросом в обозримом времени будут пользоваться углеродные нанотрубки. Над возможностью их промышленного производства ряд последних лет работает, в том числе, и автор настоящей статьи К.З. Бочавер. Рассказать в настоящей публикации обо всех мытарствах компании ООО «НПП Термолиз», в которой он работает, добиться внимания и поддержки от российских государственных структур в организации промышленного производства нанотрубок не представляется возможным. 

При этом компании не помогают ни ее многочисленные патенты на изобретения по нужной теме, ни результаты проведенных испытаний реакторов непрерывного действия, ни созданная в РХТУ им. Менделеева, партнера по работе над этим проектом, установка непрерывного синтеза УНТ с получением на выходе образца продукта, который, кстати, сегодня на рынке стоит дороже серебра. А если говорить в целом, то использование материалов из углеродных нанотрубок или содержащих углеродные нанотрубки, становится новым сектором экономики. Так, согласно данным аналитического отчета компании «Markets and Markets», рынок нанотрубок в минувшем году достиг 3,3 миллиарда долларов, а его ежегодный рост составляет 12,4%.

Только вся эта впечатляющая «арифметика» для тех, кто решает вопрос о государственной поддержке инновационного проекта ООО «НПП Термолиз», выглядит неубедительно. В связи с этим возникает вопрос, какие же нужно было представить доказательства главе «Роснано» Анатолию Чубайсу для запуска производства, к примеру, «нанопродвинутого» электроскутера стоимостью около 600 тысяч рублей, и многих других убыточных проектов, о чем мы писали в предыдущем номере ЭВР. Или нам остается только констатировать, перефразируя известную пословицу: «Чем бы «Роснано» не тешилось, лишь бы ему государство на это наши с вами деньги давало». А на реальные инновационные проекты, каким является организация научно-производственным предприятием «Термолиз» промышленного производства нанотрубок, нужных средств, к сожалению, не находится. 

Реальность на сегодня такова, что созданные производства многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) оказались нерентабельными: себестоимость нанопродукта велика, а его физико-технические свойства недостаточны для оправдания высокой цены. Лишь в последнее время, в Новосибирске удалось создать технологию и оборудование, позволяющее получать однослойные нанотрубки (ОУНТ) в количестве несколько тонн в год. 

Хотя новацию и держат в секрете, однако стало известно, что проводят ее с использованием жидких металлов. Это и определяет высокую температуру процесса, и, по-видимому, не дешевое производство [1]. Создатели производства ОУНТ хотят добиться снижения цены продукта в 100 раз. Сейчас цена ОУНТ выше 150 $ /г. В перспективе предполагают опустить ее до 2 $ /г (около 120 млн руб. за тонну). Но и такая цена спровоцирует революцию в электронной и многих других отраслях науки и техники.

Исследования и результаты

Получение МУНТ при термическом разложении углеродсодержащего газа на гетерогенном катализаторе, сопровождающемся газофазным химическим осаждением (ГФХО) кристаллического наноуглерода на твердом катализаторе и при температуре 550–800 0С, значительно проще и дешевле.

 Конечно, МУНТ обладают во много раз худшими техническими свойствами, чем ОУНТ, но, все же более высокими, чем у металлов и стекловолокон. Поэтому, при дешевом производстве они нашли бы рентабельное применение. Себестоимость МУНТ на уровне цен высоких марок технического углерода (100-200 тыс. руб. за тонну) позволит широко использовать их в строительных материалах, что не менее важно, чем революция в электронике. И эффект там будет не меньше.

 Опыт мировых производителей МУНТ свидетельствует, что метод ГХФО является наиболее адаптированным к промышленному применению [2]. НО чрезвычайно большое количество вариантов реализации способа, показавших хорошие результаты в лабораторных и полупромышленных масштабах, при организации крупнотоннажного производства оказались трудноосуществимыми. 

Основным аппаратом в любом производстве углеродных наноматериалов (УНМ), является реактор синтеза. Именно принцип действия и конструктивное решение этого аппарата, определяют структуру и работу всей установки. 

Например, известна полупромышленная, периодически действующая установка производства МУНТ, с неподвижным слоем (1 мм) катализатора. Процесс организован на плоском, вращающемся диске с нагревом катализатора внутри реактора [3]. Производительность - 2 тонны МУНТ в год. Осуществление периодического процесса в тонком слое (1 мм) катализатора на горизонтальной поверхности реактора, отличается оригинальностью, стабильностью работы, но не дает возможности создать массовое производство в десятки и сотни тонн в год, а в перспективе и тысяч. Это, по-видимому, связано со сложностью изготовления реактора с поверхностью диска в сотни квадратных метров. Вызывает сомнение, как осуществляется равномерный нагрев большой вращающейся поверхности и герметизация ее, так и необходимое равномерное распределение движущегося газа по ней. При небольшой производительности МУНТ получаются достаточно дорогими и применение их нерентабельно. 

Известны установки с реакторами непрерывного действия с псевдоожиженным слоем катализатора [4]. При высокоэффективном тепло-массообмене между катализатором и газовым сырьем невозможно получить качественного продукта из-за эффекта идеального перемешивания реагентов в объемном реакторе и обеспечения строго определенного времени пребывания их в зоне синтеза. Такие же реакторы, но периодического действия, лишены этого недостатка, но зато им присущи все недостатки периодических реакторов. И не только это. В условиях псевдоожиженного слоя наночастиц нет решения проблемы уноса продукта с большим количеством псевдоожижающего агента, в особенности при наличии многократной циркуляции последнего. Создание сложной системы большой производительности проблематично.

 В РХТУ им. Менделеева создана пилотная установка непрерывного синтеза УНТ [5]. В трубчатом реакторе, при преимуществе значительно более высокого движущегося слоя катализатора имеется тот недостаток, что используемый в реакторе шнековый механизм перемещения катализатора вдоль трубы реактора, не позволяет обеспечить должный тепло-массообмен гранул катализатора с противотоком газообразного сырья, и, как следствие, выход продукта не превышал 2- 3 г в час.

В ООО «НПП Термолиз» разработаны, построены и испытаны реакторы непрерывного действия в виде спиральных транспортеров, обустроенных штуцерами для входа сырьевого газа и выхода отработавшего, а также затворами на входе сырья и выходе готового продукта [6]. По своим конструктивным и технологическим характеристикам, спиральные реакторы могут с успехом быть использованы для синтеза УНМ. Реактор – спиральный транспортер (в отличие от шнекового) сочетает в себе непрерывность действия, высокие показатели тепломассообмена между реагентами, допускает высокую теплонапряженность при подводе тепла через поверхность трубы реактора и высокую пропускную способность, как по сырью - газу, так и по твердому сыпучему реагенту – катализатору и продукту - МУНТ.

171201pic1

Рис. 1. Опытная установка для производства многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ)

Система спиральный реактор – рукавный фильтр с обратной продувкой была проверена на опытной установке низкотемпературного термолиза (НТТ) резины (Рис. 1) в течение нескольких лет и показала стабильную и надежную работу. Особо следует отметить способность такого фильтра улавливать даже очень мелкую пыль, благодаря постоянному присутствию слоя пыли на поверхности фильтрующего элемента [7].

Органичное сочетание спиральных реакторов, рукавных фильтров с коротко импульсной обратной продувкой и установкой мембранного разделения (УМР) или короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА), для вывода водорода из циркулирующего сырьевого газа, дает возможность создания крупнотоннажной установки, с широким диапазоном изменения параметров синтеза МУНТ (и, тем самым их технических свойств), варьируя состав катализатора, температуру процесса, время пребывания сырья и катализатора в реакторе, скорость нагрева катализатора, концентрацию сырья 

На рис. 2 представлен вариант схемы установки по производству многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) из углеродсодержащего газа на гетерогенном катализаторе. 

20171201pic2

Рис. 2. Схема установки по производству многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) из углеродсодержащего газа на гетерогенном катализаторе 

1 - Катализатор. 2 - Загрузочный бункер. 3 - Герметичный бункер. 4 - Спиральный транспортер – нагреватель катализатора. 5 - Спиральный транспортер – реактор синтеза УНТ. 6 - Спиральный транспортер – охладитель продуктов синтеза. 7 - Циркулирующий газ. 8 - Рукавный фильтр. 9 - Газ обратной продувки фильтрующих элементов. 10 - Теплообменник. 11 - Газовый компрессор. 12 - Подача инертного газа. 13 - Сырье – углеродсодержащий газ. 14 - Отвод тепла. 15 - Фильтрующие элементы. 16 - Полупроницаемая мембрана. 17 - Подача тепла для нагрева катализатора. 18 - Подача тепла для синтеза УНТ. 19 - Сбросной газ. 20 - Концентратор водорода. 21 - Углеродсодержащий газ. 22 - Ресивер. 23 - Электромагнитный клапан. 24 - Готовый продукт. 25 - Шлюзовой затвор. 26 - Спираль - движитель катализатора. 27 - Мотор – редуктор. 28 - Рубашка охладителя катализатора. 

Описание технологического процесса производства МУНТ

Катализатор 1, загружают в бункер 2 и через герметичный бункер 3, подают в группу последовательно соединенных реакторов 4, 5 и 6. В первом реакторе нагревают катализатор в среде инертного газа, во втором производят синтез УНТ, а в третьем охлаждают продукт. Циркулирующий газ 7 из реактора 5, пропускают через фильтр 8 с обратной короткоимпульсной продувкой 9 фильтрующих элементов 15, теплообменник 10, сжимают в компрессоре 11, и из ресивера 22 через концентратор водорода 20, пополнив свежим сырьем 13 и нагрев в теплообменнике 10, возвращают в реактор 5 в противоток к катализатору. Тепло 17 и 18, необходимое для поддержания заданной температуры процесса синтеза, нагрева катализатора, сырья и восполнения потерь тепла в окружающую среду, подводится через стенку реакторов за счет огневого нагрева, или любого другого генератора тепла. 

 Для снижения потерь сырьевого газа с удаляемым побочным продуктом – водородом (например, из одного моля метана, при его разложении, образуется два моля водорода) на линии сброса газа 19, установлен концентратор водорода 20. Избавленный от избытка водорода газ 21, возвращают в циркулирующий поток. Обратную продувку 9 фильтрующих элементов 15 производят из ресивера 22. Для управления обратной продувкой 9 установлена система электромагнитных клапанов 23. 

 Герметичность подачи катализатора и вывода твердого продукта 24, обеспечена шлюзовыми затворами 25 (в виде, например, роторных питателей и задвижек) и герметичного бункера 3. Спираль - движитель катализатора 26, приводит во вращение мотор – редуктор 27. Готовый продукт 24, смесь УНТ и отработавшего катализатора, выводят из установки для дальнейшего использования. Охлаждают его в реакторе 6 воздухом или водой 1, через стенку трубы реактора. 

 На такой установке можно использовать известное, недорогое и вполне освоенное промышленностью оборудование, что позволит производить в промышленном масштабе, ныне дорогой, но исключительно ценный продукт, и довести его себестоимость до уровня рентабельности в различных композитных материалах, в том числе строительных. 

Даже в пилотном масштабе, при производительности МУНТ в сотню тонн в год, установка окупит себя, в том числе и в качестве опытного стенда при отработке и апробации новаций и разработке исходных данных для проектирования крупнотоннажного промышленного производства. Расчеты показывают, что себестоимость УНТ на установке производительностью несколько тысяч тонн в год будет на уровне себестоимости технического углерода. 

Весомую часть в производстве МУНТ, составляют затраты на приобретение катализатора, поэтому важно иметь эффективный и дешевый катализатор. Разработки РХТУ им. Менделеева (да и других,), в этой части вполне обоснованы. Выбор и отработка параметров процесса из широкого круга известных катализаторов для производства МУНТ, а возможно и ОУНТ есть основная задача предлагаемой установки. В связи с этим рассматривается возможность создания и промышленного катализатора для получения ОУНТ в процессе ГФХО, что значительно удешевило бы продукт и позволило бы применять ОУНТ и в строительной промышленности.

Выводы

Опыт ООО «НПП Термолиз» с партнерами по организации промышленного производства МУНТ и высокопрочных и легких материалов из них свидетельствует о том, сегодня промышленное производство МУНТ и высокопрочных и легких материалов из них вполне реально. Но для этого требуется отработка технологии синтеза МУНТ на исследовательском стенде производительностью, хотя бы, 3 килограмма в час. Такая производительность обеспечит не только отработку параметров синтеза УНТ, но и даст материал для апробации УНТ в разных композитах, оптимизацию технологии изготовления композитов, выбор связующего и многое другое. 

К сожалению, экспериментальная установка со спиральными реакторами, в отсутствие финансирования, была разобрана и уже не существует. Создаются пилотные установки для разработки процессов низкотемпературного термолиза коммунальных и промышленных отходов. Но там своя специфика и использовать их для синтеза УНМ нет возможности. Для этого необходим специальный стенд. 

Проблема совершенствования, создания, использования материальных ресурсов для существования, поддержания и развития человеческого сообщества сложна, противоречива и неотвратима. Широкое внедрение наноматериалов повлечет за собой непредсказуемые последствия. Поэтому надо весьма осторожно подходить к таким новациям. Так ОУНТ биологически значительно более активны, чем МУНТ, и тем более опасны. Герметизация производства УНТ, это только одна и возможно, не самая главная охранная задача. Насыщение обитаемой среды искусственными наноматериалами может обрести глобальный и необратимый экологический эффект. Более глубокие выводы делать сложно. Но, как говорится, предупрежден, значит защищен.

Литература 

1. TUBALL – революционные углеродные нанотрубки…, дата обращения 11.11.17.

2. Меметов Н.Р. перспективы промышленного синтеза углеродных нановолокон каталитическим пиролизом углеводолодов / Н.Р. Меметов, А.А. Пасько, А.Г. Ткачев. Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования: сб. тр. VII междунар. науч. конф. – Иваново, 2005, - стр. 213–216.

3. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение, ООО «Издательство Машиностроение», 2008, глава 4, стр. 51–59.

4. Там же, стр. 51–59.

5. Там же, стр. 141–143.

6. К.З. Бочавер, применение спиральных реакторов для переработки отходов, журнал Экология производства. № 12. 2015, стр.68–72.

7. В.Ю. Орлов и др. производство и использование технического углерода для резин, Ярославль, изд. АР, 2002, стр.296–297.

К. З. Бочавер, 

к.т.н., научный руководитель, 

ООО «НПП Термолиз», 

г. Москва. 

 

ОТ РЕДАКЦИИ:

В последние годы в мире наблюдается всплеск спроса на новые виды материалов, характеризующиеся, к примеру, малым весом, но более высокой стойкостью к механическим, химическим, температурным, вибрационным и т.д. нагрузкам, которые принято называть композитными. Благодаря своим уникальным свойствам они произвели настоящую революцию во многих отраслях промышленности и стали востребованными в высокотехнологичных проектах, как разработки в области ракетно- космической техники, авиации, судо- и автомобилестроении и др.

Как показывают исследования и практика, для улучшения многих свойств, и, в первую очередь, прочности композитных материалов, наиболее массовым спросом в обозримом времени будут пользоваться углеродные нанотрубки. Над возможностью их промышленного производства ряд последних лет работает, в том числе, и автор настоящей статьи К.З. Бочавер. Рассказать в настоящей публикации обо всех мытарствах компании ООО «НПП Термолиз», в которой он работает, добиться внимания и поддержки от российских государственных структур в организации промышленного производства нанотрубок не представляется возможным.

При этом компании не помогают ни ее многочисленные патенты на изобретения по нужной теме, ни результаты проведенных испытаний реакторов непрерывного действия, ни созданная в РХТУ им. Менделеева, партнера по работе над этим проектом, установка непрерывного синтеза УНТ с получением на выходе образца продукта, который, кстати, сегодня на рынке стоит дороже серебра. А если говорить в целом, то использование материалов из углеродных нанотрубок или содержащих углеродные нанотрубки, становится новым сектором экономики. Так, согласно данным аналитического отчета компании «Markets and Markets», рынок нанотрубок в минувшем году достиг 3,3 миллиарда долларов, а его ежегодный рост составляет 12,4%.

Только вся эта впечатляющая «арифметика» для тех, кто решает вопрос о государственной поддержке инновационного проекта ООО «НПП Термолиз», выглядит неубедительно. В связи с этим возникает вопрос, какие же нужно было представить доказательства главе «Роснано» Анатолию Чубайсу для запуска производства, к примеру, «нанопродвинутого» электроскутера стоимостью около 600 тысяч рублей, и многих других убыточных проектов, о чем мы писали в предыдущем номере ЭВР. Или нам остается только констатировать, перефразируя известную пословицу: «Чем бы «Роснано» не тешилось, лишь бы ему государство на это наши с вами деньги давало». А на реальные инновационные проекты, каким является организация научно-производственным предприятием «Термолиз» промышленного производства нанотрубок, нужных средств, к сожалению, не находится.

 

Введение

Реальность на сегодня такова, что созданные производства многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) оказались нерентабельными: себестоимость нанопродукта велика, а его физико-технические свойства недостаточны для оправдания высокой цены. Лишь в последнее время, в Новосибирске удалось создать технологию и оборудование, позволяющее получать однослойные нанотрубки (ОУНТ) в количестве несколько тонн в год.

Хотя новацию и держат в секрете, однако стало известно, что проводят ее с использованием жидких металлов. Это и определяет высокую температуру процесса, и, по-видимому, не дешевое производство [1]. Создатели производства ОУНТ хотят добиться снижения цены продукта в 100 раз. Сейчас цена ОУНТ выше 150 $ /г. В перспективе предполагают опустить ее до 2 $ /г (около 120 млн руб. за тонну). Но и такая цена спровоцирует революцию в электронной и многих других отраслях науки и техники.

Исследования и результаты

Получение МУНТ при термическом разложении углеродсодержащего газа на гетерогенном катализаторе, сопровождающемся газофазным химическим осаждением (ГФХО) кристаллического наноуглерода на твердом катализаторе и при температуре 550–800 0С, значительно проще и дешевле.

 Конечно, МУНТ обладают во много раз худшими техническими свойствами, чем ОУНТ, но, все же более высокими, чем у металлов и стекловолокон. Поэтому, при дешевом производстве они нашли бы рентабельное применение. Себестоимость МУНТ на уровне цен высоких марок технического углерода (100-200 тыс. руб. за тонну) позволит широко использовать их в строительных материалах, что не менее важно, чем революция в электронике. И эффект там будет не меньше.

 Опыт мировых производителей МУНТ свидетельствует, что метод ГХФО является наиболее адаптированным к промышленному применению [2]. НО чрезвычайно большое количество вариантов реализации способа, показавших хорошие результаты в лабораторных и полупромышленных масштабах, при организации крупнотоннажного производства оказались трудноосуществимыми.

Основным аппаратом в любом производстве углеродных наноматериалов (УНМ), является реактор синтеза. Именно принцип действия и конструктивное решение этого аппарата, определяют структуру и работу всей установки.

Например, известна полупромышленная, периодически действующая установка производства МУНТ, с неподвижным слоем (1 мм) катализатора. Процесс организован на плоском, вращающемся диске с нагревом катализатора внутри реактора [3]. Производительность - 2 тонны МУНТ в год. Осуществление периодического процесса в тонком слое (1 мм) катализатора на горизонтальной поверхности реактора, отличается оригинальностью, стабильностью работы, но не дает возможности создать массовое производство в десятки и сотни тонн в год, а в перспективе и тысяч. Это, по-видимому, связано со сложностью изготовления реактора с поверхностью диска в сотни квадратных метров. Вызывает сомнение, как осуществляется равномерный нагрев большой вращающейся поверхности и герметизация ее, так и необходимое равномерное распределение движущегося газа по ней. При небольшой производительности МУНТ получаются достаточно дорогими и применение их нерентабельно.

Известны установки с реакторами непрерывного действия с псевдоожиженным слоем катализатора [4]. При высокоэффективном тепло-массообмене между катализатором и газовым сырьем невозможно получить качественного продукта из-за эффекта идеального перемешивания реагентов в объемном реакторе и обеспечения строго определенного времени пребывания их в зоне синтеза. Такие же реакторы, но периодического действия, лишены этого недостатка, но зато им присущи все недостатки периодических реакторов. И не только это. В условиях псевдоожиженного слоя наночастиц нет решения проблемы уноса продукта с большим количеством псевдоожижающего агента, в особенности при наличии многократной циркуляции последнего. Создание сложной системы большой производительности проблематично.

 В РХТУ им. Менделеева создана пилотная установка непрерывного синтеза УНТ [5]. В трубчатом реакторе, при преимуществе значительно более высокого движущегося слоя катализатора имеется тот недостаток, что используемый в реакторе шнековый механизм перемещения катализатора вдоль трубы реактора, не позволяет обеспечить должный тепло-массообмен гранул катализатора с противотоком газообразного сырья, и, как следствие, выход продукта не превышал 2- 3 г в час.

В ООО «НПП Термолиз» разработаны, построены и испытаны реакторы непрерывного действия в виде спиральных транспортеров, обустроенных штуцерами для входа сырьевого газа и выхода отработавшего, а также затворами на входе сырья и выходе готового продукта [6]. По своим конструктивным и технологическим характеристикам, спиральные реакторы могут с успехом быть использованы для синтеза УНМ. Реактор – спиральный транспортер (в отличие от шнекового) сочетает в себе непрерывность действия, высокие показатели тепломассообмена между реагентами, допускает высокую теплонапряженность при подводе тепла через поверхность трубы реактора и высокую пропускную способность, как по сырью - газу, так и по твердому сыпучему реагенту – катализатору и продукту - МУНТ.

<Рис_1>

Рис. 1. Опытная установка для производства многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ)

Система спиральный реактор – рукавный фильтр с обратной продувкой была проверена на опытной установке низкотемпературного термолиза (НТТ) резины (Рис. 1) в течение нескольких лет и показала стабильную и надежную работу. Особо следует отметить способность такого фильтра улавливать даже очень мелкую пыль, благодаря постоянному присутствию слоя пыли на поверхности фильтрующего элемента [7].

Органичное сочетание спиральных реакторов, рукавных фильтров с коротко импульсной обратной продувкой и установкой мембранного разделения (УМР) или короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА), для вывода водорода из циркулирующего сырьевого газа, дает возможность создания крупнотоннажной установки, с широким диапазоном изменения параметров синтеза МУНТ (и, тем самым их технических свойств), варьируя состав катализатора, температуру процесса, время пребывания сырья и катализатора в реакторе, скорость нагрева катализатора, концентрацию сырья

На рис. 2 представлен вариант схемы установки по производству многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) из углеродсодержащего газа на гетерогенном катализаторе.

<Рис_2>

Рис. 2. Схема установки по производству многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) из углеродсодержащего газа на гетерогенном катализаторе

1 - Катализатор. 2 - Загрузочный бункер. 3 - Герметичный бункер. 4 - Спиральный транспортер – нагреватель катализатора. 5 - Спиральный транспортер – реактор синтеза УНТ. 6 - Спиральный транспортер – охладитель продуктов синтеза. 7 - Циркулирующий газ. 8 - Рукавный фильтр. 9 - Газ обратной продувки фильтрующих элементов. 10 - Теплообменник. 11 - Газовый компрессор. 12 - Подача инертного газа. 13 - Сырье – углеродсодержащий газ. 14 - Отвод тепла. 15 - Фильтрующие элементы. 16 - Полупроницаемая мембрана. 17 - Подача тепла для нагрева катализатора. 18 - Подача тепла для синтеза УНТ. 19 - Сбросной газ. 20 - Концентратор водорода. 21 - Углеродсодержащий газ. 22 - Ресивер. 23 - Электромагнитный клапан. 24 - Готовый продукт. 25 - Шлюзовой затвор. 26 - Спираль - движитель катализатора. 27 - Мотор – редуктор. 28 - Рубашка охладителя катализатора.

Описание технологического процесса производства МУНТ

Катализатор 1, загружают в бункер 2 и через герметичный бункер 3, подают в группу последовательно соединенных реакторов 4, 5 и 6. В первом реакторе нагревают катализатор в среде инертного газа, во втором производят синтез УНТ, а в третьем охлаждают продукт. Циркулирующий газ 7 из реактора 5, пропускают через фильтр 8 с обратной короткоимпульсной продувкой 9 фильтрующих элементов 15, теплообменник 10, сжимают в компрессоре 11, и из ресивера 22 через концентратор водорода 20, пополнив свежим сырьем 13 и нагрев в теплообменнике 10, возвращают в реактор 5 в противоток к катализатору. Тепло 17 и 18, необходимое для поддержания заданной температуры процесса синтеза, нагрева катализатора, сырья и восполнения потерь тепла в окружающую среду, подводится через стенку реакторов за счет огневого нагрева, или любого другого генератора тепла.

 Для снижения потерь сырьевого газа с удаляемым побочным продуктом – водородом (например, из одного моля метана, при его разложении, образуется два моля водорода) на линии сброса газа 19, установлен концентратор водорода 20. Избавленный от избытка водорода газ 21, возвращают в циркулирующий поток. Обратную продувку 9 фильтрующих элементов 15 производят из ресивера 22. Для управления обратной продувкой 9 установлена система электромагнитных клапанов 23.

 Герметичность подачи катализатора и вывода твердого продукта 24, обеспечена шлюзовыми затворами 25 (в виде, например, роторных питателей и задвижек) и герметичного бункера 3. Спираль - движитель катализатора 26, приводит во вращение мотор – редуктор 27. Готовый продукт 24, смесь УНТ и отработавшего катализатора, выводят из установки для дальнейшего использования. Охлаждают его в реакторе 6 воздухом или водой 1, через стенку трубы реактора.

 На такой установке можно использовать известное, недорогое и вполне освоенное промышленностью оборудование, что позволит производить в промышленном масштабе, ныне дорогой, но исключительно ценный продукт, и довести его себестоимость до уровня рентабельности в различных композитных материалах, в том числе строительных.

Даже в пилотном масштабе, при производительности МУНТ в сотню тонн в год, установка окупит себя, в том числе и в качестве опытного стенда при отработке и апробации новаций и разработке исходных данных для проектирования крупнотоннажного промышленного производства. Расчеты показывают, что себестоимость УНТ на установке производительностью несколько тысяч тонн в год будет на уровне себестоимости технического углерода.

Весомую часть в производстве МУНТ, составляют затраты на приобретение катализатора, поэтому важно иметь эффективный и дешевый катализатор. Разработки РХТУ им. Менделеева (да и других,), в этой части вполне обоснованы. Выбор и отработка параметров процесса из широкого круга известных катализаторов для производства МУНТ, а возможно и ОУНТ есть основная задача предлагаемой установки. В связи с этим рассматривается возможность создания и промышленного катализатора для получения ОУНТ в процессе ГФХО, что значительно удешевило бы продукт и позволило бы применять ОУНТ и в строительной промышленности.

Выводы

Опыт ООО «НПП Термолиз» с партнерами по организации промышленного производства МУНТ и высокопрочных и легких материалов из них свидетельствует о том, сегодня промышленное производство МУНТ и высокопрочных и легких материалов из них вполне реально. Но для этого требуется отработка технологии синтеза МУНТ на исследовательском стенде производительностью, хотя бы, 3 килограмма в час. Такая производительность обеспечит не только отработку параметров синтеза УНТ, но и даст материал для апробации УНТ в разных композитах, оптимизацию технологии изготовления композитов, выбор связующего и многое другое.

К сожалению, экспериментальная установка со спиральными реакторами, в отсутствие финансирования, была разобрана и уже не существует. Создаются пилотные установки для разработки процессов низкотемпературного термолиза коммунальных и промышленных отходов. Но там своя специфика и использовать их для синтеза УНМ нет возможности. Для этого необходим специальный стенд.

Проблема совершенствования, создания, использования материальных ресурсов для существования, поддержания и развития человеческого сообщества сложна, противоречива и неотвратима. Широкое внедрение наноматериалов повлечет за собой непредсказуемые последствия. Поэтому надо весьма осторожно подходить к таким новациям. Так ОУНТ биологически значительно более активны, чем МУНТ, и тем более опасны. Герметизация производства УНТ, это только одна и возможно, не самая главная охранная задача. Насыщение обитаемой среды искусственными наноматериалами может обрести глобальный и необратимый экологический эффект. Более глубокие выводы делать сложно. Но, как говорится, предупрежден, значит защищен.

Литература

1. TUBALL – революционные углеродные нанотрубки…, дата обращения 11.11.17.

2. Меметов Н.Р. перспективы промышленного синтеза углеродных нановолокон каталитическим пиролизом углеводолодов / Н.Р. Меметов, А.А. Пасько, А.Г. Ткачев. Теоретические и экспериментальные основы создания нового оборудования: сб. тр. VII междунар. науч. конф. – Иваново, 2005, - стр. 213–216.

3. Мищенко С.В., Ткачев А.Г. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение, ООО «Издательство Машиностроение», 2008, глава 4, стр. 51–59.

4. Там же, стр. 51–59.

5. Там же, стр. 141–143.

6. К.З. Бочавер, применение спиральных реакторов для переработки отходов, журнал Экология производства. № 12. 2015, стр.68–72.

7. В.Ю. Орлов и др. производство и использование технического углерода для резин, Ярославль, изд. АР, 2002, стр.296–297.