УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ Российский патент 2008 года по МПК C01B31/02 B82B3/00 

Описание патента на изобретение RU2341452C1

Изобретение относится к области процессов и аппаратуры для синтеза фуллеренов и может быть использовано в технологическом цикле получения фуллеренов С60, C70 и высших фуллеренов.

Впервые синтез фуллеренов из фуллеренсодержащей сажи, основанный на электродуговом испарении графита в среде гелия, описан в Kraetsmer, et.al. "Solid C60: A new form of carbon", Nature, Vol.247, p.354-357, Sep.27, 1990, US 5227038, 1993.

Авторы установили, что оптимальной средой для испарения графитовых стержней в электрической дуге является гелий с парциальным давлением 100 торр. Выход фуллеренов в этом случае достигает 13%. Однако существенным недостатком описанной установки является малая производительность (5 г/ч).

Наиболее широко применяемым в настоящее время способом получения фуллеренсодержащей сажи является испарение графитовых электродов в электродуговом разряде в среде инертного газа, например гелия. Это наиболее простой и эффективный способ. На качество и количество получаемых из сажи фуллереновых продуктов влияют несколько параметров процесса, такие как сила тока, состав инертной среды и УФ-излучение, возникающее в результате действия электродугового разряда и разрушающего фуллерены (Г.А.Дюжев и др. «Разработка и оптимизация плазменных методов получения фуллеренов», Инф. Бюлл. РФФИ, 1995, т.3, №2, с.21). Для того чтобы убрать образовавшуюся в результате сгорания графита в дуге сажу из зоны сгорания, увеличивают скорость потока инертного газа (гелия), который уносит ее в ловушку, где она и осаждается.

Известны установки, реализующие описанный выше способ.

Примерами таких установок являются установки, описанные в патентах US №5227038 (кл. С01В 31/00, 1993 г.), заявка JP №05-009013 (кл. С01В 31/02, 1993, реферат на английском языке), патент RU №2259942 (кл. С01В 31702, 2005 г.).

Известные установки включают охлаждаемую герметичную камеру, заполненную инертным газом, содержащую корпус, верхний и нижний фланцы, диаметрально установленные на корпусе камеры, в которой размещены два графитовых стержневых электрода, установленных в анодном и катодном токовводах на противоположных сторонах корпуса камеры соосно друг другу. Анодный и катодный токовводы подключены к электрическому блоку питания.

Каждая из этих установок может быть выбрана за прототип. Авторы за прототип выбрали установку (реактор), описанный в патенте RU №2259942 (С01В 31/02, 2005 г.). Установка для получения фуллеренсодержащей сажи содержит охлаждаемую герметичную камеру, заполненную инертным газом, включающую корпус, верхний и нижний фланцы, диаметрально установленные на корпусе камеры, а также загрузчик стержней, в камере размещены два графитовых стержня, установленных в токовводах на противоположных сторонах корпуса соосно друг другу, нижний фланец подсоединен к накопителю сажи. Графитовые стержни заключены в коаксиальный им полый корпус, установлены в анодном и катодном токовводах, подключенных к блоку питания. Сжигаемый графитовый электрод неподвижно установлен в анодном токовводе, а графитовый электрод катодного токоввода установлен с возможностью перемещения и регулирования расстояния между электродами с образованием между ними разрядного промежутка. Полый корпус выполнен с открытыми торцами и установлен с возможностью поворота и установки его продольной оси перпендикулярно оси электродов и вдоль оси верхнего и нижнего фланцев, при этом на верхнем фланце размещена ось с поршнем на конце с возможностью продольного перемещения и ввода внутрь корпуса. Анодный токоввод выполнен с возможностью замены электрода из загрузчика стержней, совмещенного с камерой. Режимы работы установки: ток - 120 А, производительность установки составляет - 30 г/час, время непрерывной работы установки - 15 часов, выход фуллеренов - от 12 до 15%.

Известные установки являются малопроизводительными вследствие того, что в камере происходит горение одного стержня с перерывами во времени для подачи каждого следующего. Кроме того, режим горения дуги меняется во времени из-за образования и роста катодного нароста, что меняет условия синтеза, не позволяя, тем самым, поддерживать оптимальные параметры процесса во времени.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в повышении производительности установки и оптимизации параметров ее работы.

Указанный технический результат достигается тем, что в установке для получения фуллеренсодержащей сажи, содержащей охлаждаемую герметичную камеру, заполненную инертным газом, включающую корпус, верхний и нижний фланцы, диаметрально установленные на корпусе камеры, а также загрузчик стержней, в камере размещены два графитовых стержня, установленных в токовводах на противоположных сторонах корпуса соосно друг другу, нижний фланец подсоединен к накопителю сажи, согласно изобретению в камере размещен третий графитовый электрод, выполненный в форме диска, расположенный между двумя сжигаемыми графитовыми стержнями с образованием разрядного промежутка с каждым из них, при этом диск неподвижно установлен в катодном токовводе, размещенном на верхнем фланце камеры с возможностью вращения диска в плоскости, параллельной плоскости фланца, графитовые стержни установлены в анодных токовводах с возможностью их перемещения в зону разрядного промежутка, анодные токовводы подключены к отдельным источникам питания и установлены в корпусе камеры с помощью двух портов, к которым снаружи присоединены вакуумируемые загрузчики стержней с возможностью непрерывной подачи стержней через анодные токовводы.

Катодный токоввод, согласно изобретению, снабжен ножами для исключения возможности образования нароста на дисковом электроде. Также, согласно изобретению, каждый загрузчик стержней состоит из крышки, присоединяемой к соответствующему порту, внутри которой размещен виброукладчик, вмещающий запас стержней, устройство подачи стержня через анодный токоввод в зону разрядного промежутка и шаговый привод.

Устройство подачи, согласно изобретению, выполнено в виде замкнутой цепной подачи с зубьями-толкателями.

Введение в установку вращающегося графитового электрода, выполненного в форме диска и служащего катодом, позволяет в одной камере организовать два дуговых процесса, и, тем самым, удвоить производительность установки при непрерывной подаче сжигаемых стержней (анодов) в зону разрядного промежутка. Наличие ножей на катодном токовводе позволяет исключить образование и рост нароста на дисковом электроде и, тем самым, обеспечить сохранение параметров разрядного промежутка и, следовательно, режима горения во время всего рабочего цикла. Использование виброукладчика позволяет компактно разместить большое количество стержней в минимальном объеме загрузчика стержней и, тем самым, увеличить продолжительность работы без разгерметизации установки. Замкнутое устройство подачи с соответствующим количеством зубьев-толкателей, управляемое шаговым двигателем, позволяет организовать бесперебойную подачу стержней в зону разрядного промежутка и, тем самым, повысить производительность установки.

На чертеже изображен общий вид установки для получения фуллеренсодержащей сажи.

Установка для получения фуллеренсодержащей сажи состоит из охлаждаемой герметичной камеры, включающей корпус 1, верхний 2 и нижний 3 фланцы, диаметрально установленные на корпусе камеры. Корпус 1 может иметь цилиндрическую форму и выполняться, например, из нержавеющей стали. В камере, на противоположных стенках корпуса 1 с помощью двух портов 4 и 5 установлены анодные токовводы 6 и 7, в которых соосно друг другу установлены электроды в форме стержней 8 и 9. Токовводы 6 и 7 подключены к отдельным источникам питания (на фиг.1 не показаны). Между стержнями 8 и 9 расположен графитовый электрод в форме диска 10 с образованием разрядного промежутка с каждым из них. Диск 10 неподвижно установлен в катодном токовводе 11, который размещен на верхнем фланце 2 камеры и подключен к электродвигателю 12 для обеспечения возможности вращения диска 10 в плоскости, параллельной плоскости фланца 2. Сжигаемые стержни 8 и 9 установлены в анодных токовводах 6 и 7 с возможностью их перемещения в зону разрядного промежутка. К портам 4 и 5 снаружи присоединены вакуумируемые загрузчики стержней 13. Каждый из загрузчиков стержней 13 состоит из крышки 14, присоединяемой к соответствующему порту 4 или 5, внутри которой размещены виброукладчик 15, вмещающий запас стержней, устройство подачи, выполненное, например, в виде замкнутой цепной подачи 16 с зубьями-толкателями 17 с возможностью захвата и перемещения стержня 8 или 9, и шаговый привод 18. Катодный токоввод 11 снабжен ножами 19 для исключения возможности образования нароста на диске 10. Нижний фланец 3 подсоединен к накопителю сажи 20.

К верхнему фланцу 2 и крышкам 14 подведены газовводы устройства вакуумирования, к фланцу 2 подведен, также, газоввод подачи инертного газа (гелия) (не показаны). Диск 10 и стержни 8 и 9 целиком выполнены из графита. Смена стержней при их сгорании осуществляется из загрузчика стержней 13 непрерывно в течение всего цикла работы.

Устройство работает следующим образом:

После вакуумирования (откачка осуществляется до 10-3 торр) и заполнения определенным объемом гелия рабочего объема камеры на анодные токовводы 6, 7 и катодный токоввод 11 подается напряжение, включается шаговый привод 18 и электродвигатель 12 для вращения диска 10. При этом из каждого виброукладчика 15 на соответствующую цепную подачу 16 поступает по одному стержню 8 и 9, которые захватываются зубьями-толкателями 17 и перемещаются через анодные токовводы 6 и 7 в направлении к диску 10 до возникновения дугового разряда между диском 10 и каждым из стержней 8 и 9. С помощью ножей 19 происходит очистка диска 10 от образования нароста в процессе горения дуги. После сгорания стержней на их место из виброукладчика 15 поступают новые стержни. Непрерывная подача стержней обеспечивается замкнутой цепной подачей 16, что обеспечивает бесперебойную работу установки без разрыва дуги. В процессе работы происходит постоянное охлаждение корпуса 1 камеры, например, с помощью водяной рубашки. При этом объем гелия остается неизменным в течение всего рабочего цикла, а его движение в реакционном объеме осуществляется в виде конвекционных потоков. Сажа, образующаяся после сжигания стержней и очистки диска 10, попадает в накопитель сажи 20.

Режимы работы установки: ток - 160 А, производительность установки составляет - 60 г/час, время непрерывной работы установки - 15 часов, выход фуллеренов - от 12 до 15%.

Таким образом, использование предложенной установки позволяет повысить ее производительность, при этом качественные и количественные показатели получаемого продукта сохраняются.

Похожие патенты RU2341452C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ $$$ И $$$ И РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ 2003
  • Раснецов Л.Д.
  • Шварцман Я.Ю.
  • Лялина И.К.
  • Карнацевич В.Л.
  • Кириллов А.И.
  • Каверин Б.С.
  • Лопатин М.А.
RU2259942C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА 2009
  • Намазбаев Валерий Ислямович
  • Неймарк Марк Соломонович
  • Чарыков Николай Александрович
RU2418741C2
УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ 2007
  • Болстрен Николай Николаевич
  • Ойченко Владимир Максимович
  • Дружинин Геннадий Николаевич
  • Белов Валерий Александрович
RU2343111C1
СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Болстрен Николай Николаевич
  • Басаргин Игорь Владимирович
  • Богданов Александр Алексеевич
  • Седов Анатолий Иванович
  • Филиппов Борис Михайлович
RU2341451C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2001
  • Дюжев Г.А.
  • Басаргин И.В.
  • Филиппов Б.М.
  • Алексеев Н.И.
  • Афанасьев Д.В.
  • Богданов А.А.
RU2234457C2
Устройство для получения фуллеренсодержащей сажи 2018
  • Пониматкин Владимир Павлович
  • Кириллов Николай Геннадьевич
RU2705064C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ 2004
  • Абдугуев Р.М.
  • Алехин О.С.
  • Герасимов В.И.
  • Лосев Г.М.
  • Некрасов К.В.
  • Никонов Ю.А.
  • Сорока А.И.
  • Чарыков Н.А.
RU2256608C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САЖИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ, ИЗ ГАЗООБРАЗНОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ 2012
  • Тахаутдинов Рустем Шафагатович
  • Галеев Ильгиз Гатуфович
  • Тимеркаев Борис Ахунович
  • Гисматуллин Наиль Камилевич
  • Зиганшин Дамир Ильгисович
  • Мухамедзянов Рустем Бельгиорович
RU2531291C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САЖИ, СОДЕРЖАЩЕЙ ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2012
  • Тахаутдинов Рустем Шафагатович
  • Галеев Ильгиз Гатуфович
  • Тимеркаев Борис Ахунович
  • Гисматуллин Наиль Камилевич
  • Зиганшин Дамир Ильгисович
  • Мухамедзянов Рустем Бельгиорович
RU2511384C2
УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР ИЗ УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА, ВКЛЮЧАЯ ПОПУТНЫЙ НЕФТЯНОЙ ГАЗ 2009
  • Мальцев Василий Анатольевич
  • Нерушев Олег Алексеевич
  • Новопашин Сергей Андреевич
RU2425795C2

Реферат патента 2008 года УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ

Изобретение предназначено для химической промышленности. Установка содержит охлаждаемую герметичную камеру, заполненную гелием. На противоположных стенках корпуса 1 камеры с помощью портов 4 и 5 установлены анодные токовводы 6 и 7, в которых соосно друг другу размещены электроды в форме стержней 8 и 9. Токовводы 6 и 7 подключены к отдельным источникам питания. Между стержнями 8 и 9 расположен графитовый электрод в форме диска 10 с образованием разрядного промежутка с каждым из них. Диск 10 неподвижно установлен в катодном токовводе 11, размещенном на верхнем фланце 2 камеры, и подключен к электродвигателю 12 для обеспечения возможности вращения диска 10 в плоскости, параллельной плоскости фланца 2. Сжигаемые стержни 8 и 9 установлены с возможностью перемещения в зону разрядного промежутка. К портам 4 и 5 снаружи присоединены вакуумируемые загрузчики стержней 13, каждый из которых состоит из крышки 14, присоединяемой к соответствующему порту 4 или 5, виброукладчика 15, вмещающего запас стержней, устройство подачи, выполненное, например, в виде замкнутой цепной подачи 16 с зубьями-толкателями 17 с возможностью захвата и перемещения стержня 8 или 9, и шаговый привод 18. Катодный токоввод 11 снабжен ножами 19 для исключения возможности образования нароста на диске 10. Нижний фланец 3 подсоединен к накопителю сажи 20. Изобретение позволяет удвоить производительность установки при непрерывной подаче сжигаемых стержней в зону разрядного промежутка за счет организации в одной камере двух дуговых процессов. 3 з.п ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 341 452 C1

1. Установка для получения фуллеренсодержащей сажи, содержащая охлаждаемую герметичную камеру, заполненную инертным газом, включающую корпус, верхний и нижний фланцы, диаметрально установленные на корпусе камеры, а также загрузчик стержней, в камере размещены два графитовых стержня, установленных в токовводах на противоположных сторонах корпуса соосно друг другу, нижний фланец подсоединен к накопителю сажи, отличающаяся тем, что в камере размещен третий графитовый электрод, выполненный в форме диска, расположенный между двумя сжигаемыми графитовыми стержнями с образованием разрядного промежутка с каждым из них, при этом диск неподвижно установлен в катодном токовводе, размещенном на верхнем фланце камеры с возможностью вращения диска в плоскости, параллельной плоскости фланца, графитовые стержни установлены в анодных токовводах с возможностью их перемещения в зону разрядного промежутка, анодные токовводы подключены к отдельным источникам питания и установлены в корпусе камеры с помощью двух портов, к которым снаружи присоединены вакуумируемые загрузчики стержней с возможностью непрерывной подачи стержней через анодные токовводы.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что катодный токоввод снабжен ножами для исключения возможности образования нароста на дисковом электроде.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый загрузчик стержней состоит из крышки, присоединяемой к соответствующему порту, внутри которой размещен виброукладчик, вмещающий запас стержней, устройство подачи стержня через анодный токоввод в зону разрядного промежутка и шаговый привод.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что устройство подачи выполнено в виде замкнутой цепной подачи с зубьями-толкателями.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2341452C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ $$$ И $$$ И РЕАКТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ 2003
  • Раснецов Л.Д.
  • Шварцман Я.Ю.
  • Лялина И.К.
  • Карнацевич В.Л.
  • Кириллов А.И.
  • Каверин Б.С.
  • Лопатин М.А.
RU2259942C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНОВ 1996
  • Петрик Виктор Иванович
  • Кириков Андрей Дмитриевич
RU2085484C1
ТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНОВ 2000
  • Бурангулов Н.И.
  • Плугин А.И.
  • Сулима В.В.
  • Дюжев Г.А.
  • Войтко С.А.
RU2184700C2
УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ 2000
  • Азизов А.М.
  • Асланов И.М.
  • Курицын А.Г.
  • Плугин А.И.
RU2184701C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2001
  • Дюжев Г.А.
  • Басаргин И.В.
  • Филиппов Б.М.
  • Алексеев Н.И.
  • Афанасьев Д.В.
  • Богданов А.А.
RU2234457C2
US 5227038 A, 13.07.1993
US 5587141 A, 24.12.1996
US 6902655 B2, 07.06.2005
Способ приготовления мыла 1923
  • Петров Г.С.
  • Таланцев З.М.
SU2004A1
KASUMOV M.M
et al
Controlled Synthesis of Nanostructures in Arc Discharge, Fullerenes and Atomic

RU 2 341 452 C1

Авторы

Раснецов Лев Давидович

Шварцман Яков Юделевич

Карнацевич Владимир Леонтьевич

Кириллов Александр Иванович

Каверин Борис Сергеевич

Даты

2008-12-20Публикация

2007-04-11Подача