ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Проблема взаємодії природи і суспільства набула особливої ??гостроти на сучасному етапі. Сьогодні зрозуміло, що завдання збереження навколишнього середовища та економічного розвитку взаємопов'язані: руйнуючи і виснажуючи природне середовище неможливо забезпечити стали економічний розвиток.Ідея екологічної безпеки технологій і виробництв, що виникла в результаті усвідомлення людством обмеженості природно-ресурсного потенціалу для економічного зростання,а також небезпеки, що насувається необоротних негативних змін у навколишньому середовищі, знайшла широке визнання у світі. Багато дослідників сходяться на думці, що розвиток нанотехнологій дозволить значною мірою вирішити названі проблеми за рахунок підвищення рівня ресурсозбереження в багатьох галузях промисловості.

Є багато відомостей про синтез вуглецевих наноматеріалів (ВНМ),зокрема вуглецевих нанотрубок (ВНТ), за допомогою різних методів (електродугове осадження,CVD-синтез, каталітичний піроліз на поверхні підкладок з каталізатором та інш.). Однак, для вибору найбільш оптимальних умов роботи кожного реактора, необхідно проводити дослідження впливу різних технологічних параметрів на інтенсивність протікання базових реакцій розкладання вуглеводню, так, наприклад, багато досліджень довели,що значення тиску в реакторі може значною мірою визначити швидкість процесу синтезу, діаметр утворюються нанотрубок і показники їх якості.

Магістерська робота присвячена розробці експертної системи для аналізу діагностики гідродинамічних параметрів і систем для створенняможливостей промислового синтезу вуглецевих нанотрубок методом каталітичного піролізу,не маючи в апаратній частині стаціонарних витратомірів і газоаналізатора. У відмінності від зазначених вище методів, володіє рядом переваг, таких як: низька енергоємність процесу; застосування дешевої і доступного вуглецьвмісного сировини;  "м'які" технологічні параметри синтезу; простота конструкцій ітехнологічність виготовлення використовуваної апаратури; відсутність необхідності дорогого очищення від домішок.

1. Загальні відомості

Вуглецеві нанотрубки - це протяжні циліндричні структури діаметром 1 .. 10 нанометрів і довжиною до декількох сантиметрів, що складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин і закінчуються зазвичай напівсферичної головкою, яка може розглядатися як половина молекули фулерену.Вуглецеві нанотрубки були відкриті в 1991 році японським дослідником Іджімой.Перша нанотрубка була отримана шляхом розпилення графіту в електричної дузі.Вимірювання, виконані за допомогою електронного мікроскопа, показали, що діаметр таких ниток неперевищує декількох нанометрів, а довжина від одного до декількох мікрон.

Розрізавши нанотрубку уздовж поздовжньої осі, було виявлено, що вона складається з одного або декількох шарів, кожен з яких представляє гексагональну сітку графіту,основу якої складають шестикутники з розташованими у вершинах кутів атомами вуглецю.У всіх випадках відстань між шарами одно 0,34 нм, тобто таке ж, як і між шарами вкристалічному графіті. Верхні кінці трубочок закриті напівсферичними кришечками, кожен шаряких складений з шести-і п'ятикутників, що нагадують структуру половинки молекули фулерену.

Нанотрубки є членами сім'ї фулеренів, яка також включає в себе сферичні фулерени.  Діаметр нанотрубки на порядок декількох нанометрів (приблизно 1/50, 000 ширини людської волосини),  в той час як вони можуть бути до 18 сантиметрів у довжину (станом на 2010).  Прикладна квантова хімія, зокрема, орбітальна гібридизація найкраще описує тип хімічної  зв'язку в нанотрубках. Хімічні зв'язку нанотрубок повністю складаються з SP2 зв'язку, подібної графіту.  Ці зв'язки сильніше, ніж SP3, вони і забезпечують нанотрубки їх унікальною силою. Крім того, нанотрубки  природно об'єднуються "канати" утримуються разом силами Ван-дер-Ваальса.

2. Опис системи діагностики гідродинамічних умов роботи реакторів ВНМ.

На рис.1 представлена ??одна з традиційних схем реактора періодичної дії для синтезу ВНМ на підкладках з каталізатором: циліндричний реактор (1) має патрубки для підведення і відведення газоподібних середовищ, в нижній частині реакційної зони встановлений електричний нагрівач (2),що дозволяє підтримати задану температуру, яка контролюється за допомогою спеціальної термопари (4).  На цю схему згідно завданню дослідження нанесені такі елементи КВП і управління як термопари,  датчики тиску. На зворотному і підвідному трубопроводах є регулятори тиску -   дросельні клапани. Кути повороту дросельних клапанів перетворюються в електричний сигнал за допомогою  сельсин датчиків. Усі сигнали від датчиків передаються на контролер.

Рис. 1. Структурна схема системи діагностики гідродинамічних умов роботи реактора ВНМ

(1 - реактор; 2 - електричний нагрівач; 3 - контролер; 4 - термопара в реакційній зоні; 5 - датчики діелектричної проникності реакційного простору; 6 - реостат, для управління тепловою потужністю, що виділяється на нагрівачі реактора; 7 - прилад для заміру потужності, споживаної нагрівачем; 8 - патрубок підведення вуглеводню; 9 - патрубок відводу газоподібних продуктів; 10 - термопари; 11 - датчики тиску; 12-дросельні клапани; 1-1, 2-2, 3-3 - сигнали від відповідних чутливих елементів ).

Основним компонентом газової суміші, що покидає реактор, є водень, інші компоненти представлені недоразложенимі вуглеводнями. Для значної частини існуючих реакторів стаціонарний газоаналізатордля вивчення складу г азоподібного середовища, що покидає реактор, не встановлено. У даній роботі створено алгоритм, що дозволяє визначати склад минає середовища для реакторів, що не мають у складі КВП стаціонарного газоаналізатора і витратомірів. В основі досліджуваного процесу лежить підсумкове рівняння піролітичного розкладання вихідного вуглеводнів:

СmH2n = mCунт + nH2

Вважаючи, що каталітичному розкладанню піддається тільки частина вуглеводню, а інша у своєму початковому стані переходить в кінцевий склад газів, що залишають установку, маємо наступне відсоткове співвідношенняі водню:

де χ– частка вуглеводню, яка визначається як:

де V1,V2 -витрата газового потоку на вході і на виході з реактора.

Таким чином, аналіз складу газів, що йдуть, дозволяє судити про кількість виділившегося в реакторі вуглецю і оцінювати можливі шляхи використання цих газів: повторне направлення в реактор, спалювання, заправка балонів.Ми розробляємо модель реактора, в якій будуть відсутні газоаналізатори й витратоміри, що в свою чергу знизить його вартість, але отримані результати будуть мати значення близькі до значень отриманими при стандартному наборі датчиків.

Висновки

Розроблено алгоритм роботи експертної системи для проведення аналізу гідродинамічних параметрів реакторів піролітичного синтезу ВНМ, в апаратній частині якої не використовуються газоаналізатори й витратоміри. Застосування даної системи дозволить знизити вартість реактора, при цьому в результаті розрахункової обробки сигналів від інших датчиків будуть отримані досить достовірні дані про склад газів та їх витраті. Таким чином створюються перспективи для більш широко виробництва ВНМ та їх використання, що сприяє створенню нових, екологічно безпечних, шляхів вирішення проблеми використання природних копалин.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: січень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: Учебн. Пособие. – М.: Университетская книга, Логос, 2006.– 376 с.
  2. Ткачев А.Г. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур / А.Г. Ткачев, И.В. Золотухин. – М.: Машиностроение-1, 2007.– 316с.
  3. Мищенко С.В. Углеродные наноматериалы. Производство, свойства, применение / С.В. Мищенко, А.Г.Ткачев.–М.: Машиностроение, 2008.–320 с.
  4. Ткачев, А.Г. Опытно-промышленный реактор для синтеза углеродных наноструктурных материалов газофазным осаждением на катализаторе / А.Г. Ткачев // Химическое и нефте-газовое машиностроение. – 2007. – № 6. – С. 3-5.
  5. Создание катализаторов для производства углеродных нанотрубок / А.Г. Ткачев, З.А. Михалева, С.В. Рыбкин, О.В. Долгова // Известия вузов. Химия и химическая технология. –32 2008. – Т. 51. – Вып. 1. – С. 86 – 90.
  6. Гідрогазодинаміка у теплотехніці: Навчальний посібник / Ю.Л. Курбатов, М.С. Масс, В.В. Кравцов та ін. — Донецьк: Норд-Прес, 2009.– С. 186.