МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТУРНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И ПОЛУПРОДУКТОВ НА ИХ ОСНОВЕ
Аннотация
С позиций системного анализа и теории оптимального проектирования предложен подход к разработке аппаратурного оформления промышленного производства углеродных нанотрубок и полупродуктов на основе их функционализированных форм. Функционализация осуществляется посредством окисления нанотрубок концентрированной азотной кислотой и их последующего модифицирования стеаратом титана. Функционализированные данным способом углеродные нанотрубки обладают повышенными гидрофобными свойствами и являются полупродуктами для применения в составе композитов на основе неполярных матриц. Проанализированы материальные потоки производства нанотрубок и полупродуктов на их основе, установлены взаимосвязи между ними. В качестве глобального экономического критерия оптимальности использована себестоимость продукта. Выполнена трехуровневая декомпозиция технологической схемы производства нанотрубок и их функционализированных форм по принципу «производство – стадия производства – аппаратурное оформление стадии». На втором уровне декомпозиции выделены следующие стадии: получение катализатора; подготовка углеродсодержащего сырья; синтез нанотрубок; утилизация газообразных продуктов пиролиза; обработка материала после синтеза; окисление нанотрубок; модифицирование окисленных нанотрубок стеаратом титана. Для них определены экономические критерии оптимальности с учетом возврата побочных продуктов со стадий очистки углеродных нанотрубок и обезвреживания газообразных продуктов пиролиза на стадии получения катализатора и подготовки исходного углеродсодержащего сырья соответственно. Установлена взаимосвязь информационных и координирующих сигналов первого и второго уровня задачи проектирования нового производства. Показана корреляция исходных данных проектирования (качественный состав углеродсодержащего сырья, мощность производства, комплексный показатель качества углеродных нанотрубок и их морфологические характеристики) и основных конструктивных и режимных параметров аппаратурного оформления промышленного производства углеродных нанотрубок и полупродуктов на их основе. Поставлена задача проектирования нового производства с учетом совмещенного выпуска очищенных от катализатора и функционализированных углеродных нанотрубок с использованием одного и того же аппаратурного оформления.
Литература
De Volder M.F.L., Tawfick S.H., Baughman R.H., Hart A.J. Carbon nanotubes: present and future commercial applications. Sci-ence. 2013. V. 339. P. 335-339. DOI: 10.1126/science.1222453.
Sahoo N.G., Rana S., Cho J.W., Li L., Chan S.H. Polymer nano-composites based on functionalized carbon nanotubes. Progr. Pol-ymer Sci. 2010. V. 35. P. 837-867. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2010.03.002.
Rukhov A.V. Processes and reaction equipment for the production of carbon nanomaterials. М.: Akademiya Estestvoznaniya. 2013. 134 p. (in Russian).
Rakov E.G. Preparation of thin carbon nanotubes by catalytic pyrolysis on a support. Russ. Chem. Rev. 2007. V. 76. P. 1-22. DOI: 10.1070/RC2007v076n01ABEH003641.
Bobrinetskii I.I., Nevolin V.К., Simunin M.M. Production of car-bon nanotubes by catalytic gas-phase pyrolysis of ethanol. Theor. Found. Chem. Eng. 2007. V. 41. N 5. P. 639-643. DOI: 10.1143/S0040579507050326.
Aladinskiy А.А., Rukhov А.V., Tugolukov Е.N., Dy-achkova Т.P. Process improvement and equipment de-sign of carbon nanomaterial “Taunit” Synthesis. Vest.TSTU. 2014. V. 20. N 3. P. 572-578 (in Russian).
An J., Zhan Z., Zheng L. Controllable Synthesis of Car-bon Nanotubes. Industrial Applications of Carbon Nano-tubes. 2016. P. 1-45. DOI: 10.1016/B978-0-323-41481-4.00001-0.
Dyachkova Т.P., Rukhov А.V., Tugolukov Е.N., Ala-dinskiy А.А. Kinetic features of carbon nanofibers syn-thesis by gas-phase chemical deposition. Nanostructures in condensed media: Coll. of presentations Conf. "Fuller-enes and nanostructures in condensed media». – Minsk: A.V. Lykov Institute for Heat and Mass Transfer of the National Academy of the Republic of Belarus. 2014. P. 106-109 (in Russian).
Rukhov A., Tugolukov E., Juboori S., Brankin K., Rukhov An. Mathematical modeling of alkyde resin paint modified by carbon nanotubes. IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 2018. 1084. P. 012003. DOI:10.1088/1742-6596/1084/1/012003.
Tkachev A.G., Tarov D.V., Tarov V.P., Shubin I.N. Technologi-cal bases of functionalization of multiwalled carbon nanotubes by ti-tanium stearate for subsequent production of composites. Vest. TSTU. 2016. V. 22. N 3. P. 501-509 (in Russian). DOI: 10.17277/vestnik.2016.03.
Dyachkova Т., Burakova Е., Tarov D., Khan Y., Chapaksov N., Galunin E., Alekseev S., Tkachev A. Modification of Oil Compositions with Carbon Nano-materials. AIP Conference Proceedings. 2018. V. 2041. P. 020008. DOI: 10.1063/1.5079339.
Rukhov A., Dyachkova T., Tugolukov E., Besperstova G. Macrokinetics of carbon nanotubes synthesis by the chemical vapor deposition method. AIP Conference Pro-ceedings. 2017. V. 1899. P. 020019. DOI: 10.1063/1.5009844.
Das R., Das Tuhi S. Carbon nanotubes synthesis. Carbon Nanostructures. 2018. P. 27-84 DOI: 10.1007/978-3-319-95603-9_3.
Chen Q., Grossmann I.E. Recent developments and challenges in optimization-based process synthesis. Ann. Rev. Chem. Biomolec. Eng. 2017. V. 8. P. 249-283. DOI: 10.1146/annurev-chembioeng-080615-033546.
Borisenko А.B., Karpushkin S.V. Hierarchy of tasks of hardware design of technological systems of multi-assortment chemical pro-ductions. Izv. RAN. Teor. Sist. Uprav. 2014. N 3. P. 113-123 (in Russian). DOI: 10.7868/S0002338814030044.
Karpushkin S.V., Krasnyansky М.N., Borisenko А.B. Optimiza-tion of existing equipment for multiproduct batch [lants in new product release. Vest. TSTU. 2016. V. 22. N 2. P. 238-254 (in Rus-sian). DOI: 10.17277/vestnik.2016.02.pp.238-254.
Samoilov N.A. Modeling in chemical engineering and calculation of reactors. М.: Monografiya. 2005. 112 p. (in Russian).
Zakgeim A.Y. Introduction to modeling of chemical and technolog-ical processes. М.: Khimiya. 1982. 288 p. (in Russian).
Gartman T.N., Klushin D.V. Bases of computer simula-tion of chemical processes. М.: Akademkniga. 2006. 416 p. (in Russian).
Dyachkova T.P., Tkachev A.G. Methods of functionali-zation and modification of carbon nanotubes. М.: Spektr. 2013. 152 p. (in Russian).
Rukhov A.V. Basic processes of synthesis of carbon nanotubes with method of chemical gas-phase deposition. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 9. P. 117-121 (in Rus-sian).
