ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Проблема взаимодействия природы и общества приобрела особую остроту на современном этапе. Сегодня стало очевидным, что задачи сохранения окружающей среды и экономического развития взаимосвязаны: разрушая и истощая природную среду невозможно обеспечить устойчивое экономическое развитие. Идея экологической безопасности технологий и производств, возникшая в результате осознания человечеством ограниченности природно-ресурсного потенциала для экономического роста, а также надвигающейся опасности необратимых негативных изменений в окружающей среде, нашла широкое признание в мире. Многие исследователи сходятся во мнении, что развитие нанотехнологий позволит в значительной мере решить названные проблемы за счёт повышения уровня ресурсосбережения во многих отраслях промышленности.

Имеется множество сведений о синтезе углеродных наноматериалов (УНМ), в частности углеродных нанотрубок (УНТ), при помощи различных методов (электродуговое осаждение, CVD-синтез, каталитический пиролиз на поверхности подложек с катализатором и т.д.). Однако, для выбора наиболее оптимальных условий работы каждого реактора, необходимо проводить исследование влияния различных технологических параметров на интенсивность протекания базовых реакций разложения углеводорода, так, например, многие исследования доказали, что значение давления в реакторе может в значительной мере определить скорость процесса синтеза, диаметр образующихся нанотрубок и показатели их качества.

Магистерская работа посвящена разработке экспертной системы для анализа диагностики гидродинамических параметров и систем для создания возможностей промышленного синтеза углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза, не имея в аппаратной части стационарных расходомеров и газоанализатора. В отличии от указанных выше методов, обладает рядом преимуществ, таких как: с равнительно низкая энергоемкость процесса; применение дешевого и доступного углеродсодержащего сырья; "мягкие" технологические параметры синтеза; простота конструкций и технологичность изготовления используемой аппаратуры; отсутствие необходимости дорогой очистки от примесей.

1. Общие сведения

Углеродные нанотрубки — это протяженные цилиндрические структуры диаметром 1..10 нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена. Углеродные нанотрубки были открыты в 1991 году японским исследователем Иджимой. Первая нанотрубка была получена путем распыления графита в электрической дуге. Измерения, выполненные с помощью электронного микроскопа, показали, что диаметр таких нитей не превышает нескольких нанометров, а длина от одного до нескольких микрон.

Разрезав нанотрубку вдоль продольной оси, было обнаружено, что она состоит из одного или нескольких слоёв, каждый из которых представляет гексагональную сетку графита, основу которой составляют шестиугольники с расположенными в вершинах углов атомами углерода. Во всех случаях расстояние между слоями равно 0,34 нм, то есть такое же, как и между слоями в кристаллическом графите. Верхние концы трубочек закрыты полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из шести- и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена.

Нанотрубки являются членами семьи фуллеренов, которая также включает в себя сферические фуллерены. Диаметр нанотрубки на порядок нескольких нанометров (примерно 1 /50, 000 ширины человеческого волоса), в то время как они могут быть до 18 сантиметров в длину (по состоянию на 2010). Прикладная квантовая химия, в частности, орбитальная гибридизация лучше всего описывает тип химической связи в нанотрубках. Химические связи нанотрубок полностью состоят из SP2 связи, подобной графиту. Эти связи сильнее, чем SP3, они и обеспечивают нанотрубки их уникальной силой. Кроме того, нанотрубки естественно объединяются "канаты" удерживающиеся вместе силами Ван-дер-Ваальса.

2. Описание системы диагностики гидродинамических условий работы реакторов УНМ

На рис.1 представлена одна из традиционных схем реактора периодического действия для синтеза УНМ на подложках с катализатором: цилиндрический реактор (1) имеет патрубки для подвода и отвода газообразных сред, в нижней части реакционной зоны установлен электрический нагреватель (2), позволяющий поддержать заданную температуру, которая контролируется при помощи специальной термопары (4). На эту схему согласно задаче исследования нанесены такие элементы КИП и управления как термопары, датчики давления. На отводящем и подводящем трубопроводах имеются регуляторы давления – дроссельные клапаны. Углы поворота дроссельных клапанов преобразуются в электрический сигнал с помощью сельсин датчиков. Все сигналы от датчиков передаются на контроллер.

Рис. 1. Структурная схема системы диагностики гидродинамических условий работы реактора УНМ

(1 – реактор; 2 – электрический нагреватель; 3 – контроллер; 4 – термопара в реакционной зоне; 5 – датчики диэлектрической проницаемости реакционного пространства; 6 – реостат, для управления тепловой мощностью, выделяемой на нагревателе реактора; 7 – прибор для замера мощности, потребляемой нагревателем; 8 – патрубок подвода углеводорода; 9 – патрубок отвода газообразных продуктов; 10 – термопары; 11 - датчики давления; 12 –дроссельные клапаны; 1-1, 2-2, 3-3– сигналы от соответствующих чувствительных элементов).

Основным компонентом газовой смеси, покидающей реактор, является водород, остальные компоненты представлены недоразложенными углеводородами. Для значительной части существующих реакторов стационарный газоанализатор для изучения состава газообразной среды, покидающей реактор, не установлен. В данной работе создан алгоритм, позволяющий определять состав уходящей среды для реакторов, не имеющих в составе КИП стационарного газоанализатора и расходомеров. В основе изучаемого процесса лежит итоговое уравнение пиролитического разложение исходного углеводорода:

СmH2n = mCунт + nH2

Полагая, что каталитическому разложению подвергается только часть углеводорода, а остальная в своем начальном состоянии переходит в конечный состав газов, покидающих установку, имеем следующее процентное соотношение углерода и водорода:

где χ– доля прореагировавшего углеводорода, которая определяется как:

где V1,V2 - расход газового потока на входе и на выходе из реактора.

Таким образом, анализ состава уходящих газов, позволяет судить о количестве выделившегося в реакторе углерода и оценивать возможные пути использования этих газов: повторное направление в реактор, сжигание, заправка баллонов. Мы разрабатываем модель реактора, в которой будут отсутствовать газоанализаторы и расходомеры, что в свою очередь снизит его стоимость, но полученные результаты будут иметь значения близкие к значениям полученными при стандартном наборе датчиков.

Выводы

Разработан алгоритм работы экспертной системы для проведения анализа гидродинамических параметров реакторов пиролитического синтеза УНМ, в аппаратной части которой не используются газоанализаторы и расходомеры. Применение данной системы позволит снизить стоимость реактора, при этом в результате расчётной обработки сигналов от остальных датчиков будут получены достаточно достоверные данные о составе газов и их расходе. Таким образом создаются перспективы для более широко производства УНМ и их использования, что способствует созданию новых, экологически безопасных, путей решения проблемы использования природных ископаемых.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  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.