ВУЗ:
Составители:
следующие выводы. Хотя трубчатый и ёмкостной реакторы цилиндрической формы являются наиболее технологичными, с
точки зрения изготовления, и обеспечивают равномерные температурные деформации материала конструкции, однако с
точки зрения масштабирования и создания промышленных установок с высокой производительностью, более выгодным
оказывается использование реакторов ёмкостного типа. В этом случае при высоком выходе готового продукта
обеспечивается малый объём реакционной зоны, а следовательно, и габариты реактора. Например, для создания установки
производительностью 15 кг/ч реакционная зона трубчатого реактора составляет около 60 м
3
, а для ёмкостного – всего 3 м
3
.
При этом не требует доказательств вертикальное исполнение ёмкостного реактора.
Интересен сравнительный анализ вариантов организации условий контактирования порошкообразных катализаторов с
газовой фазой в процессе формирования кристаллического наноуглерода в аппаратах ёмкостного типа.
Альтернативой неподвижному слою катализатора является его ожиженное состояние за счёт восходящих потоков
углеродсодержащих газов или вибрационного воздействия.
Способность взвешенных в потоке частиц расходиться друг от друга приводит к саморегулированию и поддержанию
постоянства потери напора при изменении скорости потока. При этом значительно
D
α
h
L
т
D
h
L
е
а
)
б
)
Рис. 18. Схема размещения катализатора:
а
– в трубчатом;
б
– емкостном реакторах
увеличивается поверхность контакта взаимодействующих фаз. Интенсивное перемешивание подвижных,
обладающих большой объёмной теплоёмкостью, твёрдых частиц катализатора приводит к выравниванию температуры
практически по всему объёму даже крупногабаритного аппарата и к высоким значениям коэффициентов теплоотдачи. Это
обстоятельство сильно облегчает проведение именно в ожиженном слое теплонапряжённых и температурочувствительных
процессов, к которым относится CVD-процесс.
Вместе с тем столкновения движущихся частиц катализатора и продуктов синтеза друг с другом и со стенками аппарата
приводят к их механическому измельчению и уносу. Увеличение высоты слоя при повышении расхода газа, а также меры,
предотвращающие унос мелкой фракции, требуют значительного увеличения общего объёма аппарата. При этом возникает
необходимость обеспечения постоянства скорости газа по сечению аппарата, так как в противном случае наблюдается
проскок газовых пузырей из-за неравномерности распределения катализатора в реакционном объёме.
Однако наиболее сложная проблема организации CVD-процесса в условиях ожижения катализатора связана с тем, что в
процессе синтеза УНМ на порядок изменяется объём реакционной массы (пропорционально росту кристаллического
наноуглерода), а также её физико-механические характеристики (плотность, теплоёмкость, гранулометрический состав и
т.д.). Этот факт требует синхронного увеличения расхода газового потока для поддержания режима ожижения, что не
позволяет обеспечить стабильность технологических параметров, оптимальных с точки зрения качества УНМ, и усложняет
процессы контроля и управления синтезом.
Таким образом, не ставя под сомнение потенциальную возможность использования аппаратов с ожиженным слоем
катализатора для получения УНМ в больших объёмах, в качестве первого шага к созданию промышленного производства
представляется более целесообразным использование реакторов с неподвижным слоем катализатора.
Данное решение существенно влияет на выбор варианта организации CVD-процесса с позиций установления способа
подвода сырья (катализатор + углеводород) и отвода готового продукта (УНМ). Очевидно, что организовать работу реактора
в непрерывном режиме в этом случае невозможно. Что касается периодического процесса, то его реализация несомненно
упрощает конструкцию реактора, но не выдерживает критики, с точки зрения достигаемой производительности.
Обеспечение периодической подачи катализатора в зону реакции и выгрузки готового продукта без разгерметизации
аппарата и охлаждения реакционной зоны до предпиролизной (500°С) температуры позволило сделать выбор в пользу
полунепрерывного режима организации работы реактора.
Важным, с точки зрения стабильности эндотермического процесса, является выбор способа обеспечения температурных
условий синтеза УНМ. В известных конструкциях реакторов, в особенности трубчатого типа, используется наружный
обогрев корпуса как наиболее просто реализуемый. При этом тепло от наружной стенки корпуса передаётся
преимущественно конвективным путём к газовой среде и в меньшей степени – катализатору кондуктивным и
терморадиационным путями.
Достоинством такого способа является высокая удельная (на единицу объёма реакционного пространства) площадь
поверхности теплообмена. Недостаток – преимущественный обогрев углеродсодержащих газов, вызывающий объёмный
пиролиз, провоцирующий образование сажи, загрязняющей УНМ.
В связи с вышеизложенным, внешний обогрев реактора ёмкостного типа представляется нерациональным. Более
эффективным является размещение нагревательных элементов внутри реактора, обеспечивающее, в основном,
терморадиационный теплоподвод (вследствие более высокой температуры и меньшей наружной поверхности нагревателей,
чем при обогреваемом корпусе). При этом возможен преимущественный обогрев катализатора, а не газовой среды, что
позволяет осуществить термический пиролиз вблизи поверхности катализатора, имеющего более высокую температуру, чем
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- …
- следующая ›
- последняя »
