УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ФУЛЛЕРЕНСОДЕРЖАЩЕЙ САЖИ Российский патент 2009 года по МПК C01B31/00 B82B3/00 

Изобретение относится к производству фуллеренсодержащей сажи - продукта, содержащего новую форму элемента углерода, представляющую собой электронодефицитный супералкен со слабосопряженными двойными связями, в том числе соединения со строго определенным молекулярным, а не только кристаллическим строением, в том числе супералкены с замкнутой структурой - фуллерены, которые находят применение в химии, физике, технике, энергетике, электронике, биологии, медицине и других областях.

Для получения фуллеренсодержащей сажи используют различные устройства, основанные, например, на испарении графита, пиролизе углеводородов, однако не все устройства могут быть использованы для промышленного производства из-за непроизводительных расходов сырья, низкого выхода целевых продуктов и трудностей масштабирования.

Известно устройство для производства фуллеренсодержащей сажи (см. патент RU 2085484, опубликован 27.07.1997), включающее эмиттер, установленный с возможностью перемещения внутри вакуумного сосуда, систему нагрева эмиттера, а также сборники сажи и коллекторы для разделения фуллеренов.

Недостатками указанного устройства являются отсутствие возможности удаления сажи, не содержащей фуллеренов, в ходе процесса и прекращение процесса из-за заполнения реактора сажей.

Известно устройство для получения фуллеренсодержащей сажи (см. патент RU 2184700, МПК С01В 31/02, опубликован 10.07.2002), включающее корпус, содержащий рабочую камеру, соединенную с каналом для отвода продукта, средство для подачи углеродсодержащего материала и блок управления процессом. Корпус снабжен тонкостенным цилиндром в виде стакана, размещенным в рабочей камере, днище которого имеет отверстие, соединенное с полым конусом для отвода и сбора фуллеренсодержащего материала. В основании цилиндра установлен подшипниковый узел, имеющий дистанционный магнитный привод в виде обкладок электромагнитов, закрепленных снаружи стенок корпуса. Средство подачи углеродсодержащего материала приспособлено для его подачи порциями и выполнено в виде магазина-держателя с гнездами для графитовых стержней, расположенными по его окружности, с возможностью его осевого вращения и оборудовано узлом зажима и фиксации графитовых стержней в рабочей камере. Полость конуса оснащена фильтром для отлавливания и аккумулирования частиц фуллеренов. Узел зажима и фиксирования графитовых стержней выполнен в виде винтовых подпружиненных захватов и продольных кольцевых направляющих. Отлавливание и накопление частиц фуллеренов осуществляют за счет расположения фильтра в полости цилиндра и конуса; в качестве материала фильтра берут многослойную мелкоячеистую сетку с прослойками фольги, имеющей поры.

Недостатками указанного устройства являются неподвижность второго электрода, что приводит к осаждению катодного депозита, и невозможность удаления из реакционного объема твердых остатков графита без разборки устройства.

Известно устройство для получения фуллеренсодержащей сажи (см. заявку RU 98105520, МПК С01В 31/02, опубликована 27.01.2000), содержащее источник электрического тока, полюса которого соединены с первым и вторым электрическими вводами с закрепленными в них электродами, один из которых выполнен из углеродсодержащего материала, например графита, а также охлаждаемую первую герметичную камеру, соединенную с помощью первого газохода с вакуумным насосом и с помощью второго - с блоком подачи инертного газа в герметичную камеру. В стенке камеры с внутренней стороны установлен вакуумноплотный первый электрический ввод с электродом в виде стержня, напротив которого, соосно с ним, на стенке герметичной камеры установлен второй электрический ввод с электродом в виде стержня, закрепленный в вакуумном уплотнении, установленном на стенке герметичной камеры. Стержни установлены торцами навстречу друг другу, а второй электрический ввод имеет возможность перемещения вдоль своей геометрической оси относительно первого электрического ввода с электродом. С внешней стороны герметичной камеры второй электрический ввод соединен с блоком его перемещения вдоль своей оси при сохранении разрядного промежутка между стержнями. Герметичная камера выполнена в виде полого тела с отношением ширины полости к ее длине, равным 0,02-1,0, причем первый электрический ввод соединен с положительным полюсом источника электрического тока, отрицательный полюс которого соединен со вторым электрическим вводом, а первый и второй электрические вводы со стержнями установлены вдоль длины полости в герметичной камере.

В известном устройстве необходимо прерывать процесс для выведения сажи из реактора и удаления остатков электродов. К недостаткам устройства следует также отнести большие потери испаренного углерода (до 50%) на образование катодного депозита на одном из электродов и низкий выход фуллеренов при использовании катализаторов.

Известно устройство для производства фуллеренсодержащей сажи (см. патент на полезную модель RU 39129, МПК С01В 31/00, опубликован 20.07.2004), включающее плазменный реактор в виде герметичной цилиндрической камеры с размещенными по оси камеры двумя графитовыми стержневыми электродами - анодом и катодом, закрепленными в охлаждаемых токоподводах, при этом анод снабжен средством осевого перемещения, реактор снабжен средством для подачи инертного газа и закручивания потока вдоль оси электродов, которое может быть выполнено с обеспечением возможности подвода инертного газа со стороны катода в виде патрубка, ориентированного тангенциально к боковой поверхности камеры или в виде сопла, которые обеспечивают закручивание газового потока вдоль боковой стенки камеры. Установка может быть снабжена емкостью для сбора шлаков, сообщающейся с нижней частью камеры, и устройством контроля величины зазора между электродами, а средство осевого перемещения анода выполнено с обеспечением возможности регулирования скорости его перемещения с сохранением постоянства зазора между электродами. Катод может быть снабжен средством реверсивного вращения относительно оси.

Недостатками известного технического решения являются необоснованное усложнение конструкции различными воздействиями на дугу и реакционный объем, возможность прожигания камеры в результате экстремальных воздействий (особенно на пике нагрузок), невозможность удаления образующегося катодного депозита без остановки процесса, изменение геометрического положения дуги, возможность срыва дуги закрученным потоком инертного газа и, как следствие, нестационарный характер процесса и невысокий выход фуллеренов в указанном устройстве.

Известно устройство для производства нанотрубок, фуллеренов и их производных (см. патент US 7125525, МПК B01J 19/08, опубликован 24.10.2006), включающее вакуумный реактор, снабженный патрубками входа и вакуумирования; графитовый электрод, установленный в вакуумном реакторе; средства для испарения указанного электрода и одновременно формирования высокотемпературной плазмы вокруг указанного графитового электрода, которые содержат катушку индуктивности, установленную внутри вакуумного реактора, генератор мощности, связанный с ней и предназначенный для создания высокочастотного электромагнитного поля с вихревыми потоками, и источник инертного газа, установленный так, чтобы газ обтекал вокруг катушки индуктивности и графитового электрода.

Недостатками известного устройства являются сложность практической реализации, связанная с наличием катушки индуктивности внутри вакуумного реактора, т.е. в зоне процесса, и затрудненностью ее функционирования при образовании сажи, а также невозможность выведения из реакционного объема остатков электродов.

Известно устройство для производства углеродных наноструктур (см. патент US 6902655, МПК B01J 19/08, опубликован 07.05.2005), состоящее из двух противоположных электродов, узла для создания напряжения между ними и узла для создания магнитного поля, разнонаправленные линии которого пересекают направление подачи напряжения.

Недостатками указанного устройства являются необходимость прерывания его работы для установки новых электродов взамен испаренных, удаления сажи и остатков электродов из реактора, осаждение на одном из электродов катодного депозита (до 50% от испаренного углерода) и низкий выход фуллеренов при использовании катализаторов.

Известно устройство для производства фуллеренсодержащей сажи (см. патент US 6358375, МПК Н05Н 1/42, опубликован 20.07.2004), включающее плазменный реактор и расположенные последовательно нисходящие обогреваемый и охлаждаемый сепараторы.

Недостатками указанного устройства являются отсутствие дегазации электродов, осаждение на неподвижном электроде катодного депозита (потери испаренного углерода до 50%), осаждение большого количества сажи в реакторе, необходимость остановки устройства для замены сгоревших электродов и удаления из реакционного объема осколков электродов, причиной возникновения которых обычно считают неоднородность электродов и высокое падение напряжения в плазме.

Известно устройство для непрерывного получения углеродных нанотруб и фуллеренов (см. заявку US 20050019245, МПК D01F 9/12, опубликована 27.01.2005), представляющее собой замкнутую систему и включающее герметичную водоохлаждаемую камеру, состоящую из секции дугового разряда с зоной генерации паров между двумя графитовыми электродами, секции подачи анода с устройством для автоматического соединения отдельных графитовых электродов и постепенной подачи их в зону генерации паров и секции подачи катализатора с устройством для непрерывной подачи катализатора через центральное отверстие в теле катода в зону генерации паров. Секция подачи анода включает сменный герметичный патрон, содержащий несколько графитовых электродов для обеспечения непрерывной работы. Секция подачи катализатора включает сменный герметичный патрон, содержащий катализатор в виде металлической проволоки или металлического порошка для обеспечения непрерывной работы устройства. Устройство также содержит средство для поддержания оптимальной температуры поверхности анода и оптимальной концентрации паров углерода в зоне генерации паров, содержащие по крайней мере одно газовое сопло и по крайней мере один газораспределитель, размещенные внутри секции дугового разряда герметичной камеры. Кроме того, устройство содержит средство для транспортировки газом конденсирующихся паров и рециркуляции инертного газа; теплообменник для поддержания постоянной температуры потока циркулирующего инертного газа, содержащий средства для непрерывной очистки внутренних стенок теплообменника от конденсирующихся паров; фильтр для отделения конденсирующихся паров от потока инертного газа, включающий в себя средства для автоматической самоочистки фильтра; а также накопительный бункер для отфильтрованного конденсата паров, включающий в себя устройство для автоматической выгрузки конденсата паров из накопительного бункера.

Недостатками указанного устройства являются отсутствие дегазации электродов, необходимость прерывания процесса для периодической очистки стенок теплообменника и удаления из реакционного объема осколков электродов, отсутствие автоматической самоочистки фильтра и невозможность удаления катодного депозита.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому техническому решению является установка для получения фуллеренсодержащей сажи (см. RU 2234457, МПК С01В 31/02, опубликован 10.06.2003), включающее плазменный реактор в виде герметичной цилиндрической камеры с системой циркуляции инертного газа со средством улавливания фуллеренсодержащей сажи, с размещенными по оси камеры двумя графитовыми стержневыми электродами, один из которых неподвижно закреплен в охлаждаемом токовводе, а другой установлен во втором охлаждаемом токовводе с возможностью осевого поступательного перемещения. Реактор дополнительно снабжен камерой обезгаживания подвижного графитового электрода тлеющим разрядом, система циркуляции инертного газа снабжена кольцевым щелевым соплом, размещенным коаксиально электродам, а средство улавливания фуллеренсодержащей сажи снабжено электрофильтром, установленным на входе системы циркуляции инертного газа.

В известной установке-прототипе обеспечивается дегазация одного из электродов. К ее недостаткам относится осаждение катодного депозита на втором электроде, что вызывает разрушение материала при изменении полярности, относительно невысокая производительность по саже и фуллеренам при значительных затратах энергии, недостаточно полное удаление фуллеренсодержащей сажи из объема реактора в ходе процесса.

Задачей настоящего технического решения является разработка такой установки для производства фуллеренсодержащей сажи, которая бы обеспечивала более высокую производительность по саже и фуллеренам при минимальных затратах энергии, достаточно полное удаление фуллеренсодержащей сажи в ходе процесса.

Поставленная задача решается тем, что установка для производства фуллеренсодержащей сажи включает горизонтальную герметичную разрядную камеру с размещенными по оси камеры двумя установленными в охлаждаемых токовводах графитовыми стержневыми электродами и с выходным патрубком, противолежащим межэлектродному зазору, систему циркуляции инертного газа со средством улавливания фуллеренсодержащей сажи, по меньшей мере одну камеру обезгаживания тлеющим разрядом. Разрядная камера выполнена в виде соединенных широкими основаниями двух усеченных конусов, закрытых сферическими крышками. По меньшей мере один из электродов установлен с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения. Подключенная к выходному патрубку система циркуляции инертного газа снабжена по меньшей мере двумя соплами, установленными у торцовых стенок разрядной камеры по касательной к ее боковой стенке и лежащими в плоскостях, перпендикулярных оси электродов.

Как показали проведенные заявителем исследования, определяющее значение для производительности устройства и качества получаемого продукта имеет газодинамика процесса в разрядной камере. При подаче инертного газа вдоль оси электродов или закручивании потока вдоль электродов, что имеет место в установке-прототипе, имеется опасность срыва дуги закручиваемым потоком газа и нарушения работоспособности устройства. Кроме того, часть закручиваемого потока захватывает генерируемый углеродный пар и осаждает его на боковых стенках камеры. Поток, направленный или закручиваемый вдоль оси электродов, перемещает пар и сажу к крышке камеры с вмонтированным токоподводом. Кроме того, линейная скорость газа вдоль камеры изменяется, что также вносит свой вклад в нестационарный характер процесса испарения углерода и таким образом уменьшает производительность устройства по фуллеренсодержащей саже и фуллеренам. Эти недостатки преодолены в заявляемой установке подачей инертного газа из боковой стенки через сопла по меньшей мере из двух точек по касательной с закручиванием потока с двух сторон области дуги. Генерируемый в электрической дуге углеродный пар захватывается потоком газа в области образования фуллеренов, т.е. в торе с радиусом, составляющим 8-10 радиусов электрода, и перемещается к расположенному против межэлектродного зазора выходному патрубку. Также было установлено, что оптимальной формой разрядной камеры является форма, близкая к сфере. Учитывая технологические трудности изготовления сферической камеры, она была выполнена в виде соединенных широкими основаниями двух усеченных конусов, закрытых сферическими крышками, что в большей степени приближает ее форму к сферической.

Система циркуляции инертного газа может быть снабжена двумя парами сопел, при этом упомянутые пары сопел отстоят друг от друга по окружности на 180°.

Стенки разрядной камеры могут быть выполнены охлаждаемыми.

По меньшей мере один из электродов может быть установлен с возможностью осевого вращения.

Горизонтальное расположение разрядной камеры позволяет сочленить с ней в области дуги сборник остатков электрода, направленный вертикально вниз, что также увеличивает период работы устройства до его разгрузки.

Сборник остатков графита может быть выполнен охлаждаемым.

Сборник остатков графита может быть снабжен вакуумно-плотной заслонкой. В этом случае нет необходимости останавливать работу установки для удаления из реакционного объема осколков электродов.

Средство улавливания фуллеренсодержащей сажи может быть выполнено в виде одного или нескольких циклонов с тангенциальным вводом газа, установленных на входе системы циркуляции инертного газа.

По меньшей мере один циклон может быть выполнен охлаждаемым (первый по ходу газа, который имеет высокую температуру на выходе из разрядной камеры).

Циклоны могут быть снабжены вакуумно-плотной заслонкой, что позволяет их разгружать без остановки устройства.

Дополнительно средство улавливания фуллеренсодержащей сажи может быть снабжено на выходе рукавным фильтром для полного улавливания сажи при возможном проскоке ее через циклон при большой производительности установки.

Установка может быть снабжена по меньшей мере одним устройством подачи графитового электрода в разрядную камеру.

Камера обезгаживания может быть снабжена смотровым окном на боковой поверхности.

Разрядная камера может быть снабжена смотровым окном, расположенным напротив зоны электрической дуги.

Установка может быть снабжена по меньшей мере одним устройством подачи графитового электрода в разрядную камеру для автоматизации работы устройства.

Оба графитовых электрода могут быть установлены с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения.

Средство улавливания фуллеренсодержащей сажи может быть выполнено в виде двух или трех последовательно соединенных циклонов с тангенциальным вводом газа.

Заявляемое изобретение поясняется чертежом, где

на фиг.1 показан общий вид установки для производства фуллеренсодержащей сажи, вид сверху;

на фиг.2 показан вариант параллельного оси электродов потока газа в установке-прототипе;

на фиг.3 приведен вариант потока газа, закрученного вдоль электродов, в установке-прототипе;

на фиг.4 показан характер движения потока газа в заявляемой установке;

на фиг.5 дан продольный разрез разрядной камеры;

на фиг.6 показан разрез разрядной камеры по А-А;

на фиг.7 изображена одна из камер обезгаживания, вид сбоку в разрезе;

на фиг.8 показан вид сверху на камеру, изображенную на фиг.7;

на фиг.9 приведен вид сзади на токоввод;

на фиг.10 показан разрез токоввода по В-В;

на фиг.11 приведен вид циклона сбоку в разрезе;

на фиг.12 показан разрез циклона по С-С;

на фиг.13 приведена таблица с данными экспериментов, где а - массовое содержание фуллеренов; разница до 100% относится к осколкам графита.

Установка для производства фуллеренсодержащей сажи (см. фиг.1, 5) включает горизонтальную герметичную разрядную камеру 1, в которой по ее оси размещены два графитовых стержневых электрода 2, 3; узлы 4, 5 подачи графитовых электродов 2, 3; которые могут быть дополнены камерами 6, 7 обезгаживания тлеющим разрядом; охлаждаемые токовводы 8, 9; систему 10 циркуляции инертного газа (преимущественно гелия), включающую газовый нагнетатель 11 для создания потока инертного газа и подачи его в разрядную камеру 1, трубопровод 12, подводящий инертный газ, трубопровод 13, отводящий фуллереновую сажу и газ, и средство 14 улавливания фуллеренсодержащей сажи, например, в виде трех циклонов 15, 16 и 17 с тангенциальным вводом инертного газа, установленных на входе системы 10 циркуляции инертного газа. На выходе средства 14 может быть установлен известный рукавный фильтр (на чертеже не показан). Электроды 2, 3 могут быть установлены с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, а могут также вращаться вокруг своей оси. Разрядная камера 1 (см. фиг.5, 6) содержит корпус 18 в виде соединенных широкими основаниями двух усеченных конусов, например, с двойными боковыми стенками 19, 20, закрытых съемными выпуклыми сферическими крышками 21, 22 соответственно с фланцами 23, 24. В центре крышек 21, 22 выполнены соответственно окна 25, 26 для прохода электродов 2, 3. Внутренняя стенка 19 может быть снабжена двумя разнесенными относительно оси электродов 2, 3 на 180° парами тангенциально входящих в стенку 19 через стенку 20 сопел 27, 28 и 29, 30, соединенных с трубопроводом 12. Устья сопел 27, 28 и 29, 30 отстоят от оси электродов 2, 3 на расстоянии R>45 мм. Между парами сопел 27, 28 и 29, 30 в стенку 19 напротив межэлектродного зазора врезан выходной патрубок 31 для удаления из разрядной камеры 1 образовавшейся фуллеренсодержащей сажи потоком газа в трубопровод 13 и далее в циклоны 15, 16, 17. Разрядная камера 1 может быть снабжена охлаждаемым смотровым окном 32 для наблюдения за электрической дугой и проведения измерений температуры дуги. Стенка 20 и фланцы 23, 24 могут быть снабжены штуцерами 33, 34, 35, 36 для подачи охлаждающего агента, например воды, в пространство между стенками 19 и 20, в полости между крышками 21, 22 и соответственно фланцами 23, 24 с целью охлаждения разрядной камеры 1. Снизу камера 1 соединена охлаждаемым патрубком 37 со сборником 38 остатков. Сборник 38 остатков может быть снабжен вакуумно-плотной заслонкой (на чертеже заслонка не показана) для выгрузки остатков без остановки работы устройства. Электроды 2 и 3 могут проходить соответственно в камеры 6, 7 обезгаживания тлеющим разрядом (см. фиг.7, 8) через известные уплотнения 39, 40 Вильсона (см., например, Данилин Б.С., Минайчев В.Е. Основы конструирования вакуумных систем. - М.: Энергия, 1971, с.221), обеспечивающие герметичность полостей камер 6, 7. Каждая камера 6, 7 (см. фиг.7, 8) содержит цилиндрический корпус 41, по оси которого установлен перфорированный цилиндрический электрод 42, обеспечивающий равномерное объемное распределение плазмы. Штуцер 43 соединен с вакуумной системой (на чертеже не показан). Каждая камера 6, 7 может быть снабжена смотровым окном 44 для наблюдения за состоянием тлеющего разряда, а также оборудована патрубками 45, 46 соответственно для подачи и отвода инертного газа (предпочтительно аргона), штуцером 47 для откачки внутренних полостей уплотнений 40 Вильсона и выводом 48 в изолирующем корпусе 49 для соединения с положительным выводом источника 50 питания тлеющего разряда (см. фиг.1). Клеммы 51, 52 токовводов 8, 9 подключены через коммутатор 53 к источнику 54 питания дуги. Коммутатор 53 позволяет изменять полярность электродов 2, 3. Выходы источника 54 питания дуги изолированы от земли. Узлы 4, 5 подачи графитовых электродов 2, 3 могут быть любой известной конструкции (например, в виде барабанного магазина-держателя, как в патенте RU 2184700, МПК С01В 31/02, опубликован 10.07.2002; кассетного типа, как патенте RU 39129, МПК С01В 31/00, опубликован 20.07.2004, в заявке US 20050019245, МПК B01F 9/12, опубликован 27.01.2005). Каждый из токовводов 8, 9 (см. фиг.9, 10) содержит металлическую шайбу 55, размещенную между двумя фигурными кольцевыми изоляторами 56, 57. Шайба 55 электрически соединена с коммутатором 53 с помощью соответственно клемм 51, 52 (см. фиг.1). Набор: изолятор 56, шайба 55 и изолятор 57 зажаты с помощью шпилек 58 с гайками 59 между фланцем 60 и фланцем 61 проставки 62. К шайбе 55 жестко прикреплена нижняя призматическая направляющая 63 с ограничителем 64. Верхняя подвижная призматическая направляющая 65 прикреплена к шайбе 55 пружинным подвесом 66 Г-образной формы с помощью болта 67. Подвес 66 выполнен из набора тонких пластин, жестко скрепленных по торцам, и обеспечивает вертикальное и горизонтальное перемещение верхней подвижной призматической направляющей 65 относительно нижней призматической направляющей 63. В шайбе 55 выполнены каналы 68, соединенные со штуцерами 69, 70 для подачи и отвода охлаждающего агента. По центру шайбы 55 выполнено центрирующее отверстие 71 для прохода электрода (2 или 3). Проставка 62 может быть снабжена смотровым окном 72 и подсветкой 73 для визуального контроля над расположением направляющих 63, 65. Циклон 15 (см. фиг.11, 12) может содержать охлаждаемый внешний корпус 74 с входным патрубком 75, охлаждаемый внутренний корпус 76 с выходным патрубком 77 и охлаждаемый приемник 78. Приемник 78 может быть снабжен вакуумно-плотной заслонкой (на чертеже не показана) для выгрузки сажи без остановки работы устройства. Так как температура инертного газа на входе в циклоны 16 и 17 уже не такая высокая, как на входе в циклон 15, то циклоны 16 и 17 уже могут не потребовать принудительного охлаждения. Штуцеры 79, 80, 81, 82, 83, 84 и 85 предназначены для подачи охлаждающего агента во внешний корпус 74, внутренний корпус 76 и приемник 78 и отвода из них охлаждающего агента.

Производство фуллеренсодержащей сажи на заявляемой установке осуществляют следующим образом. В токовводы 8, 9 из узлов 4, 5 подают соответственно графитовые электроды 2 и 3. Производят откачку внутреннего объема камеры 1, системы 10 циркуляции инертного газа, внутренних полостей уплотнений Вильсона 39, 40 и камер 6, 7 до давления 4·10^-2 торр с использованием форвакуумного насоса, снабженного ловушкой с жидким азотом. Затем внутренний объем камеры 1 и системы 10 циркуляции инертного газа установки заполняют инертным газом или смесью инертных газов при давлении от 50 торр до атмосферного (предпочтительнее до давления 50-300 торр). В камерах 6, 7 через патрубки 45, 46 устанавливают динамическое давление инертного газа (предпочтительно аргона) от 0,1 до 10 торр (предпочтительнее 1 торр). На цилиндрические электроды 42 камер 6, 7 подают плюс источников 50 тлеющего разряда и зажигают тлеющий разряд с током от 1 до 100 мА (предпочтительнее 10 мА). Откачку внутренних полостей уплотнений Вильсона 40 производят непрерывно в течение всего процесса получения сажи. Подаваемые в токовводы 8, 9 из узлов 4, 5 соответственно графитовые электроды 2 и 3 проходят зону тлеющего разряда в камерах 6, 7. Электроды 2 и 3 фиксируются верхней подвижной призматической направляющей 65 и нижней призматической направляющей 63. Материалом электродов 2 и 3 обычно служат круглые графитовые стержни диаметром 12 мм и длиной 400 мм. Включают газовый нагнетатель 11, при этом выходящий из сопел 27, 28 и 29, 30 инертный газ закручивается по обе стороны от межэлектродного зазора в два кольцевых потока. Подают охлаждающий агент в токовводы 8, 9 и в полости между стенками 19 и 20 крышками 21, 22 и фланцами 23, 24. На один из электродов 2 и 3 подают напряжение отрицательной полярности, а на другой - положительной полярности от источника 53 питания дугового разряда. В качестве источника питания может быть использован сварочный выпрямитель с реверсом тока. Зажигают дуговой разряд между электродами 2, 3 и устанавливают рабочий режим горения (заданный ток разряда и расстояние между электродами 1,0-5,0 мм), наблюдая через смотровое окно 32. С помощью узла 4 или 5 (в зависимости от полярности электрода) подают соответственно графитовый электрод 2 или 3 (например, электрод 2), задают скорость подачи, необходимую для поддержания межэлектродного зазора постоянным, и поступательно перемещают электрод 2, компенсируя его испарение в дуговом разряде. Одновременно можно вращать его со скоростью 0,2-3,0 оборота/мин (можно при этом вращать в другую сторону и электрод 3). Углерод, испарившийся с электрода 2, покидает зону дуги в радиальном направлении и может частично осаждаться на электроде 3. Через определенное время (предпочтительно в интервале 2-30 мин) меняют полярность электродов 2 и 3 для испарения электрода 3, при этом останавливают узел 4 и включают узел 5. Время перемены полярности горения разряда выбирают таким, чтобы не образовывался депозит на электродах 2, 3. После этого полярность электродов 2, 3 вновь меняют, останавливают узел 5, включают узел 4 и процесс повторяют. Так как электроды 2, 3 выполнены из графитовых стержней конечной длины, то по мере испарения электродов 2, 3 к их внешним торцам прикрепляют следующие графитовые стержни (с этой целью на одном конце каждого стержня выполняют, например, цилиндрический паз, а на другом конце - соответствующий этому пазу выступ). Таким образом обеспечивают непрерывную работу устройства. Электроды 2, 3 в процессе своих перемещений, проходя через камеры 6, 7, могут обезгаживаться в тлеющем разряде. Продукты обезгаживания удаляют из камер 6, 7, прокачивая инертный газ через патрубки 45, 46. Кольцевые потоки инертного газа, выходя из сопел 27, 28 и 29, 30, подхватывают образовавшиеся продукты трансформации атомов углерода и через выходной патрубок 31 переносят их из разрядной камеры 1 в трубопровод 13 и далее в циклоны 15, 16, 17, где они осаждаются в виде фуллеренсодержащей сажи в приемниках 68. При снабжении сборника 38, циклонов 15, 16, 17 вакуумно-плотными заслонками выгрузку остатков графита и фуллеренсодержащей сажи можно производить без остановки установки.

Примеры

На установке, такой же как на фиг.1, но с двумя циклонами 15, 16, были проведены эксперименты по получению фуллеренсодержащей сажи. В качестве электродов 2, 3 в экспериментах использовали графитовые стержни диаметром 12 мм. Испарение графита проводили при потоке энергии 120-180 Вт/мм², в качестве инертного газа использовали гелий при давлении 100 Торр, межэлектродное расстояние изменяли в интервале 1,0-5,0 мм и вне этого интервала. Скорость потока гелия на выходе из сопел не превышала 5 м/с. Электроды проходили через камеры 6, 7, в которых происходило их обезгаживание в тлеющем разряде. Электроды вращали вокруг оси со скоростью 0,2-3,0 оборота/мин, а в ряде экспериментов не вращали. Количество сажи, собранной в циклонах 15, 16 и в разрядной камере 1, определяли весовым методом. Содержащиеся в фуллеренсодержащей саже фуллерены извлекали исчерпывающей экстракцией, а их концентрацию определяли спектрофотометрическим методом. Результаты экспериментов приведены в таблице, приведенной на фиг.13.

Одновременно проводили сравнительные испытания заявляемой установки и имевшейся у заявителя экспериментальной установки-прототипа по патенту РФ №2234457. Заявляемая установка работает несколько месяцев в штатном режиме и останавливается только для профилактического осмотра. Установку-прототип приходилось выключать 2-3 раза в день из-за срыва дуги. На второй день работы установка-прототип вышла из строя из-за прогорания разрядной камеры. Производительность заявляемой установки оказалась выше в 2 раза по сравнению с установкой-прототипом.

Как видно из данных таблицы, при потоке энергии 120-180 Вт/мм² и указанной выше подаче газа достигается достаточно полное удаление фуллеренсодержащей сажи из камеры в циклоны и стабильно высокий выход фуллеренов. При этом не отмечено срыва дуги и прожога стенок камеры в течение длительной эксплуатации заявляемой установки. По сравнению с цилиндрической разрядной камерой заявляемая разрядная камера в виде соединенных широкими основаниями двух усеченных конусов, закрытых сферическими крышками, обеспечивает лучшую газодинамику процесса, что эффективно сказывается на производительности установки и сводит к минимуму осаждение продукта на стенки камеры.

Изобретение может быть использовано в химии, физике, энергетике, электронике, биологии, медицине. В горизонтальной герметичной разрядной камере 1, снабженной сборником остатков, размещают соосные графитовые электроды 2, 3, установленные в охлаждаемых токовводах 8, 9. Фуллеренсодержащую сажу получают в электрической дуге между электродами 2, 3. По меньшей мере один из электродов 2, 3 установлен с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения. По меньшей мере один из электродов 2, 3 может быть выполнен с возможностью осевого вращения. Разрядная камера 1 выполнена в виде соединенных широкими основаниями двух усеченных конусов, закрытых сферическими крышками. Система 10 циркуляции инертного газа снабжена двумя парами сопел, установленными у торцовых стенок разрядной камеры 1 по касательной к ее боковой стенке и лежащими в плоскостях, перпендикулярных оси электродов 2, 3. Средство 14 улавливания фуллеренсодержащей сажи выполнено в виде по меньшей мере одного циклона 15, 16 или 17 с тангенциальным вводом газа. Повышается производительность по саже и фуллеренам при минимальных затратах энергии, фуллеренсодержащая сажа полностью удаляется в ходе процесса. 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Установка для производства фуллеренсодержащей сажи, включающая горизонтальную герметичную разрядную камеру с размещенными по оси камеры двумя установленными в охлаждаемых токовводах графитовыми стержневыми электродами и с выходным патрубком, противолежащим межэлектродному зазору, систему циркуляции инертного газа со средством улавливания фуллеренсодержащей сажи, при этом разрядная камера выполнена в виде соединенных широкими основаниями двух усеченных конусов, закрытых сферическими крышками, по меньшей мере один из электродов установлен с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, подключенная к упомянутому выходному патрубку система циркуляции инертного газа снабжена по меньшей мере двумя соплами, установленными у торцовых стенок разрядной камеры по касательной к ее боковой стенке и лежащими в плоскостях, перпендикулярных оси электродов.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установка дополнительно включает по меньшей одну камеру обезгаживания упомянутых электродов тлеющим разрядом.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из электродов установлен с возможностью осевого вращения.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система циркуляции инертного газа снабжена двумя парами сопел, при этом упомянутые пары сопел отстоят друг от друга по окружности на 180°,5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что стенки разрядной камеры выполнены охлаждаемыми.6. Установка по п.1, отличающееся тем, что разрядная камера снабжена сборником остатков графита.7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что сборник остатков графита выполнен охлаждаемым.8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что сборник остатков графита снабжен вакуумно-плотной заслонкой.9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средство улавливания фуллеренсодержащей сажи выполнено в виде по меньшей мере одного циклона с тангенциальным вводом газа, установленного на входе системы циркуляции инертного газа.10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что по меньшей мере один циклон выполнен охлаждаемым.11. Установка по п.9, отличающаяся тем, что по меньшей мере один циклон снабжен вакуумно-плотной заслонкой.12. Установка по п.1, отличающаяся тем, что разрядная камера снабжена смотровым окном, расположенным напротив зоны электрической дуги.13. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним устройством подачи графитового электрода в разрядную камеру.14. Установка по п.1, отличающаяся тем, что камера обезгаживания снабжена смотровым окном на боковой поверхности.15. Установка по п.1, отличающаяся тем, что средство улавливания фуллеренсодержащей сажи снабжено на выходе рукавным фильтром.