Способ получения углеродных нановолокон

Классификация по МПК: C01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2350555
Дата публикации: 
Пятница, Март 27, 2009
Начало действия патента: 
Четверг, Апрель 26, 2007

Изобретение может быть использовано для производства сорбентов, носителей катализаторов, ферромагнитных чернил, графитовых пигментов для копирования, наполнителей углеродных и полимерных композитов, восстановителей при выплавке сталей и в порошковой металлургии. Газ, образующийся при электрокрекинге жидких углеводородов, содержащий ацетилен и водород, с расходом 1400-1700 час-1, подвергают термокаталитическому разложению при 250-300°С на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы. Изобретение позволяет повысить производительность процесса, снизить температуру и увеличить скорость образования углерода, повысить выход целевого продукта, 1 табл.


Изобретение относится к технологии производства углеродных нановолокон, которые используются для производства сорбентов и носителей катализаторов, катализаторов, ферромагнитных чернил, графитовых пигментов для копирования. Также они могут применяться как наполнители углеродных и полимерных композитов, восстановитель при выплавке сталей и в порошковой металлургии.

Известен способ получения углеродных нановолокон [Robertson S.D. Carbon formation from pyrolysis over some transition metal surfaces. Nature and properties of the cerbou forwed. 1970, v.3, p.365-374] пропускание метана над массивным катализатором [Fe, Co, Ni] при температуре 650-720°С и атмосферном давлении. Его недостатками являются относительно невысокий общий выход углерода, быстрая дезактивация катализатора, низкая производительность.

Наиболее близким к заявляемому является следующий [заявка Японии 2001048512 А С01В 31/02, С23С 16/26, 16/511, 2001 г.]. Согласно ему процесс проводят при 500-750°С, используя в качестве сырья газовые смеси ацетилена с водородом. Содержание ацетилена в газовой смеси 10-50 об.%.

Недостатком указанного метода являются необходимость приготовления газовой смеси, высокие температуры процесса и не достаточно высокий выход целевого продукта (90-95 мас.%).

Техническим результатом изобретения является повышение производительности процесса (отказ от стадии смешения водорода с ацетиленом, снижение температуры и повышение скорости образования углерода) и повышение выхода целевого продукта.

Данный технический результат достигается тем, что в реактор загружают катализатор на основе карбидообразующих металлов VIII группы, продувают реактор инертным газом и разогревают до 250-300°С. После достижения заданной температуры, в реактор начинают подавать с объемной скоростью 1400-1700 час-1 газ электрокрекинга. Углеродные нановолокна образуются при термокаталитическом разложении газа электрокрекинга. Газ электрокрекинга образуется при разложении углеводородов в электрических разрядах и имеет состав, об.%: водород - 55-65, ацетилен - 15-30, алканы C1-C4 - 3-7, алкены С24 - 8-12 [Песин О.Ю. Исследование разложения органических продуктов в расплавленных средах и электрических разрядах и разработка на их основе процессов получения низших олефинов и ацетилена: Дис.... докт. техн. наук. - М.: МИТХТ, 1980. 535 с.]. Для получения газа электрокрекинга можно использовать отходы химических и нефтехимических производств

Примеры, иллюстрирующие изобретение

Пример 1

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе железа, продувают реактор инертным газом, нагревают до 250°С и подают с объемной скоростью 1400 час-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге дизельной фракции нефти состава, об.%: водород - 58, ацетилен - 23, алканы C1-C4 - 7, алкены С24 - 12.

Скорость образования углерода в этих условия составляет 3.23 мг/мин на 1 г катализатора, при этом доля УНВ в образовавшемся продукте - 99.1 мас.%.

Пример 2

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе никеля, продувают реактор инертным газом, нагревают до 300°С и начинают подавать с объемной скоростью 1700 час-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге отработанных индустриальных минеральных масел состава, об.%: водород - 61, ацетилен - 27, алканы C1-C4 - 4, алкены С24 - 8.

Скорость образования углерода в этих условия составляет 4.44 мг/мин на 1 г катализатора, а доля УНВ в образовавшемся продукте - 98.5 мас.%.

Пример 3

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе кобальта, продувают реактор инертным газом, нагревают до 300°С и начинают подавать с объемной скоростью 1700 час-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге бензиновой фракции нефти состава, об.%: водород - 55, ацетилен - 29, алканы C1-C4 - 4, алкены С24 - 12.

Скорость образования углерода в этих условия составляет 4.21 мг/мин на 1 г катализатора, а доля УНВ в образовавшемся продукте - 98.9 мас.%.

Пример 4

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе железа, продувают реактор инертным газом, нагревают до 200°С и подают с объемной скоростью 1400 час-1 газ, образовавшийся при электрокрекинге дизельной фракции нефти состава, об.%: водород - 59, ацетилен - 24, алканы C1-C4 - 6, алкены С24 - 11.

Образования углерода не установлено.

Пример 11

В реактор загружают ˜2 г катализатора на основе железа, продувают реактор инертным газом, нагревают до 350°С и подают с объемной скоростью 1400 час-1 газ по прототипу.

Образования углерода не установлено.

Эксперименты 5-10 выполнены на катализаторе на основе железа. Условия синтеза углеродных нановолокон и выходные показатели процесса представлены в таблице.

Из сопоставительного анализа таблицы видно, что использование газа электрокрекинга жидких углеводородов позволяет в 2-2.5 раза снизить температуру синтеза углеродных нановолокон, в 3-4.5 раза увеличить производительность процесса и в 3.5-5.5 раз снизить выход побочных продуктов. При этом для получения углеродных нановолокон может использоваться газ, образующийся при электрокрекинге отходов химических и нефтехимических производств, что позволяет более рационально использовать ценное органическое сырье и решать экологические проблемы.








Условия синтеза углеродных нановолокон и выходные показатели процесса
Пример, № Условия синтеза Скорость образования углерода, мг/мин на 1 г катализатора Содержание углеродных нановолокон в продукте, %
Используемый газ Расход газа, час-1 Температура синтеза, °С
1 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти 1400 250 3.23 99.1
2 Газ электрокрекинга отработанных индустриальных минеральных масел 1700 300 4.44 98.5
3 Газ электрокрекинга бензиновой фракции нефти 1700 300 4.21 98.9
4 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти 1400 200 Образования углерода не установлено
5 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти 900 250 2.11 99.2
6 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти 2000 300 5.06 86.3
7 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти 1700 350 4.61 90.0
8 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти, обогащенный водородом 1500 300 0.96 99.7
9 Газ электрокрекинга дизельной фракции нефти, обогащенный ацетиленом 1600 250 8.11 74.2
10 Газ по прототипу 1600 750 9.52 19.3
11 Газ по прототипу 1400 350 0.98 92.3 д