Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Процессы и реакционное оборудование производства углеродных наноматериалов

Рухов А В,

4.4.4. Примеры проектирования основного реакционного оборудования синтеза УВНМ

Рассмотрим технологический расчет основных конструктивных и режимных параметров периодического реакционного аппарата синтеза углеродных нанотрубок (производительностью 300 кг/год) с избирательно-комбинированным способом нагрева катализатора, имеющим индукционную составляющую.

Исходные данные для технологического расчета представлены в табл. 4.3  

Таблица 4.3

Исходные данные технологического расчета

В расчете принимается количество рабочих дней, равное 248, норма времени на техническое обслуживание, плановый и внеплановый ремонт 15 суток, при условии, что время вспомогательных операций равно времени синтеза углеродных наноструктур.

Результаты технологического расчета основных конструктивных и режимных параметров реактора, обеспечивающего заданную производительность при минимальном расходе углеводорода, представлены в табл. 4.4.

Расчетная кинетическая зависимость изменения массы синтезируемого УВНМ представлена на рис. 4.9.

Расчетное поле концентрации углеводорода в газовом потоке представлено на рис. 4.10.

Таблица 4.4

Результаты технологического расчета

Рис. 4.9. Изменение массы синтезируемого УВНМ во времени

Результат расчета коэффициента мощности представлен на рис. 4.11.

Результаты технологического расчета приняты к реализации в ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова» и ООО «Нано Тех Центр». Ожидаемый общий экономический эффект за счет уменьшения себестоимости 1 кг УВНМ составляет 226,7 тыс. руб. в год (в ценах 2007 года.

Рис. 4.10. Поле концентрации углеводорода в газовом потоке

С использованием выражения (4.18) при определенных условиях можно оценить максимальное значение удельного выхода УВНМ по катализатору, являющейся характеристикой полной отработки катализатора.

Для процессасинтеза УВНМ на NiO-MgOкатализаторе, реализуемого в промышленном реакторе (рис. 5.40) при температуре 630 °С и расходе углеводорода 5 л/мин (коэффициент эффективной массоотдачи βс = 2,6·10–5 м/с), построена зависимость коэффициента активности поверхности катализатора KFm от удельного выхода углерода по катализатору , представленная на рис. 4.12. Линейная аппроксимация экспериментальной зависимости формулой представленной в табл. 4.1 и нахождение ее пересечения с осью абсцисс дает значение максимального удельного выхода по катализатору.  

Рис. 4.11. Расчетное значение коэффициента мощности

Расчет, выполненный с использованием разработанной методики, показал, что время синтеза необходимое для достижения рассчитанного значения удельного выхода УВНМ по катализатору ( = 53,4) при значении коэффициента эффективной массоотдачи βс = 2,6·10–5 м/с составляет 506 мин. С целью проверки расчетных данных в промышленных условиях был эксперимент
при условиях:

– температура в реакционной зоне – 630 °С;

– углеводород – пропан- бутановая смесь;

– объемный расход углеводорода 5 л/мин;

– катализатор NiO–MgO (90–10 %);

– масса катализатора 40 г;

– начальная температура углеводорода 150 °С;

– время синтеза 480 мин с подачей углеводорода и 26 мин вытеснение инертным газом (аргон) при включенном нагреве.

Рис. 4.12. Зависимость коэффициента активности поверхности катализатора от удельного выхода УВНМ по катализатору

В результате эксперимента, полученная масса материала составила 1723 г. Рассчитаное экспериментальное значение удельного выхода УВНМ по катализатору, которое составило  = 52,1. Расхождение экспериментального и расчетного значения удельного выхода менее 3 %.

С использование разработанной методики создан эскизный проект реактора синтеза УВНМ непрерывного принципа действия.

Исходные данные для технологического расчета представлены в табл. 4.5

Определены основные конструктивные и режимные параметры на основе которых разработан эскизный проект, переданный на конструирование и изготовление в ОАО «Тамбовский завод «Комсомолец» им. Н.С. Артемова». Элементы эскизного проекта представлены на рис. 4.13.

Таблица 4.5

Исходные данные технологического расчета

Рис. 4.13. Эскизный проект реактора синтеза УВНМ непрерывного принципа действия, мощностью 1300 кг/год

Оптимизация работы существующего реакционного оборудования синтеза УВНМ, с использованием разработанной методики, может включать определение только режимных параметров обеспечивающих минимальную себестоимость продукта.

Для промышленного реактора с обогреваемой подложкой поставлена и решена задача минимизации себестоимости УВНМ при варьировании следующих параметров:

– время синтеза;

– объемный расход углеводорода и инертного газа как функция времени.

Исходные данные для оптимизационного расчета представлены в табл. 4.6

Таблица 4.6

Исходные данные технологического расчета

Концентрация углеводорода определялась соотношением объемного расхода углеводорода и инертного газа и рассчитывалась из соображения постоянного массового потока углеводородных радикалов к поверхности катализатора с учетом условия его пассивации. Зависимости объемных расходов углеводорода и инертного газа от времени выражены линейными функциями.

Расчетная зависимость себестоимости УВНМ и объемных расходов углеводорода и инертного газа, обеспечивающих минимальную себестоимость, от времени синтеза представлены
на рис. 4.14.

а б

Рис. 4.14. Зависимость от времени:
а – себестоимости УВНМ; б – объемных расходов углеводородов и инертного газа

Удельный выход УВНМ по катализатору при минимуме его себестоимости составляет  = 34,3. В результате внедрения результатов оптимизационного расчета удалось снизить себестоимость УВНМ на 3,5 руб./г и повысить производительность реактора в 3 раза за счет увеличения регламентного удельного выхода наноматериала и довести до 900 кг/год. Результаты расчета внедрены в ООО «НаноТехЦентр».