Расчеты материальных балансов всех стадий лабораторного и промышленного получения керамического композитного материала Al2O3-УНТ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 004.946

А. С. Шанёва, Н. А. Федосова, Э. М. Кольцова*

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: kolts@muctr.ru

РАСЧЕТЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ БАЛАНСОВ ВСЕХ СТАДИЙ ЛАБОРАТОРНОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Al2Oз-УНТ

На основе экспериментальных исследований по разработке пути получения керамического композиционного материала Al2O3-yHT выделены основные этапы и стадии процесса. Проведён расчёт материальных балансов стадий получения керамоматричного композита Al2O3-YHT (5 % об. и 30 % об.) для производства объемом 600 тонн в год. Разработана программа позволяющая проводить расчёт материальных балансов для композиционного материала Al2O3-YHT с указанной производительностью и составом.

Ключевые слова: оксид алюминия; композит; углеродные нанотрубки; технологическая схема.

Проведены экспериментальные исследования по получению керамоматричного композита Al2O3-УНТ двумя методами спекания: спекание в вакууме без приложения давления, искровым плазменным спеканием с приложением давления. Для первого метода содержание углеродных нанотрубок (УНТ) находилось в интервале (3-24 % об.), во втором -(20-50 % об.). На основании результатов экспериментальных исследований и

математического моделирования этих процессов найдено оптимальное количество УНТ и для них найдены оптимальные режимы спекания для содержания УНТ - 5 % об. (спекание в вакууме) и 30 % об. (искровое плазменное спекание) [1,2].

Процесс получения состоял из следующих стадий: диспергирование УНТ, гомогенизация суспензии Al2O3-УНТ, сушка и гранулирование композитного порошка, спекание.

Произведен расчет материального баланса получения композита А1^3-УНТ (5 и 30 % об. УНТ) по лабораторным данным.

Провели расчет необходимого исходного количества порошка оксида алюминия (марки ГЛМК) в количестве 100 г.

Исходные характеристики компонентов: плотность углеродных нанотрубок - 2,0 г/см3; насыпная плотность углеродных нанотрубок - 0,05 г/см3; плотность оксида алюминия - 4,0 г/см3; насыпная плотность оксида алюминия - 0,43 г/см3.

На стадии диспергирования используется водный раствор (1 %) поливинилового спирта для ультразвуковой обработки УНТ. Необходимый объем водного раствора поливинилового спирта определялся из расчета соотношения объема раствора к объему УНТ как 5 : 1. Исходя из концентрации водного раствора поливинилового спирта 1 %, был рассчитан объем воды и объем поливинилового спирта.

На стадии гомогенизации суспензии УНТ и порошка А1^3 рассчитали объем композитной суспензии, учитывая объем водного раствора поливинилового спирта, объем УНТ, объем порошка оксида алюминия.

Результаты расчетов для стадий диспергирования и гомогенизации представлены в таблице 1.

Для стадии сушки принимали допущение, что конечная влажность порошка составляет 5 %масс. Рассчитали массу полученного порошка, массу испарившейся воды. Считаем, что количество поливинилового спирта для данной стадии не изменяется.

При спекании порошка композита происходит испарение воды и разложение поливинилового спирта. Рассчитали конечное количество композита Al2O3-УНТ после спекания.

Результаты расчетов для стадии сушки и спекания представлены в таблице 2.

Таблица 1. Результаты расчетов стадий диспергирования и гомогенизации _для лабораторного получения композита Al2Oз-УНТ

Стадии Диспергирование Гомогенизация

~~ —-—Компонент Состав ' —-— Объем ПВС (см3) Объем воды (см3) Масса УНТ (г) Объем оксида алюминия (см3) Объем суспензии УНТ (см3)

AbO3-yHT (5 % об. УНТ) 2,63 260,5 2,63 25 264,5

AbO3-yHT (30 % об. УНТ) 21,43 2121,43 21,42 25 2153,6

Таблица 2. Результаты расчетов стадий процесса сушки и спекания для лабораторного получения композита А12О3-УНТ

Стадии Сушка Спекание

Компонент Масса AI2O3-УНТ (г) Масса исп. Объем композитной суспензии (см3) Масса Al2O3- Масса исп.воды (г) Масса ПВС (г)

Состав воды (г) УНТ(г)

А12О3-УНТ (5 % об. УНТ) 111,33 254,96 289.5 102,63 5,57 3,13

А12О3-УНТ (30 % об. УНТ) 154,66 2113,7 2178.6 121,43 7,73 25,5

После проведения расчетов материального баланса по лабораторным данным был проведен расчет процесса получения керамического композита для промышленного производства мощностью 600 т/год. Проведено масштабирование лабораторных данных, полученных при расчете материального баланса для стадий производства композиционного материала А120з-УНТ с использованием технологии спекания в вакууме и искрового плазменного спекания.

При расчете материального баланса для промышленного производства композита А1203-УНТ примем следующее:

- размер композитных плиток - 300x300x15 мм (спекание в вакууме композита с содержанием УНТ 5 % об.);

- плотность композита А1203-УНТ с содержанием 5 % об. УНТ - 3,83 г/см3;

- плотность композита А1203-УНТ с содержанием 30 % об. УНТ - 3,86 г/см3;

- общая мощность производства - 600 т/год.

Исходя из заданной годовой производительности

600 т/год (—151,8 кг/ч при 247 рабочих днях по 2 восьмичасовые смены), рассчитано необходимое количество композитных плиток.

Рассчитали исходное количество компонентов (УНТ и оксид алюминия) для производства плиток композита А12О3-УНТ (5 % об. УНТ) с производительностью 29,595 шт/ч и композита А1203-УНТ (30 % об. УНТ) с производительностью 37,115 шт/ч.

Результаты расчетов для стадий диспергирования и гомогенизации представлены в таблице 3.

Спекания композита составом А1203-УНТ (5 % об. УНТ) производилось в вакууме, а составом А1203-УНТ (30 % об. УНТ) - искровое плазменное спекание. Результаты расчетов для стадии сушки и спекания представлены в таблице 4.

Для промышленного производства плиток композитного материала А1203-УНТ с содержанием УНТ 5 % об. и производительностью 600 т/год (151,6 кг/ч) необходимо обеспечить расход исходного порошка оксида алюминия в количестве 147,7 кг/ч, расход УНТ в количестве 3,89 кг/ч, расход воды в количестве 0,385 м3/ч, расход поливинилового спирта в количестве 0,00389 м3/ч.

По результатам оптимизации процесса спекания композиционного порошка А1203-УНТ в вакууме провели расчет материальных балансов для содержания УНТ 5 % об. (производительности 600 т/год).

Рассчитали материальные балансы количества входных и выходных веществ для каждой стадии технологической схемы получения композита Al203-УНТ с содержанием УНТ 5 % об. и 30 % об.

Для повышения точности расчетов материальных балансов и снижения временных затрат была написана программа с графическим интерфейсом на языке Delphi позволяющая произвести расчеты по лабораторным данным и расчеты для промышленного производства (рис. 1).

Таблица 3. Результаты расчетов стадий диспергирования и гомогенизации _для промышленного производства композита А12О3-УНТ

Стадии Диспергирование Гомогенизация

Состав Объем ПВС (м3) Объем воды (м3) Масса УНТ (кг) Объем оксида алюминия (м3) Объем суспензии УНТ (м3)

A^^m (5 % об. УНТ) 0,004 0,385 3,89 0,037 0,391

Al^-УНТ (30 % об. УНТ) 0,027 2,65 26,77 0,031 2,69

Таблица 4. Результаты расчетов стадий сушки и спекания для промышленного производства композита А12О3-УНТ

Стадии Сушка Спекание

Компонент Состав Объем композитной суспензии (м3) Масса порошка Al20з-УНТ (кг) Масса исп.воды (кг) Масса ПВС (кг) Масса исп.воды (кг) Масса Al203-УНТ (кг)

A^^m (5 % об. УНТ) 0,4 164,5 376,7 4,6 8,2 151,6

Al^-УНТ (30 % об. УНТ) 2,7 193,2 2640,5 31,85 69,6 151,7

^JöJxJ

Рис. 1. Интерфейс программы для расчета материальны балансов

Данная программа позволяет производить расчет материального баланса каждой стадии процесса получения композитного порошка при заданных входных данных.

По результатам расчётов материальных балансов были построены технологические схемы промышленного производства керамоматричного

композита А1203-УНТ в программном пакете Honeywell UniSim Design. Данная схема может быть использована в качестве основы при построении линии производства композитного материала.

Работа выполнена в рамках проекта РНФ 14-1900522.

Шанёва Анна Сергеевна, студентка 1 курса магистратуры факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Федосова Наталья Алексеевна, ведущий программист кафедры Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Керамический композиционный материал с углеродными нанотрубками, полученный по технологии искрового плазменного спекания / Федосова Н.А. [и др.]. Стекло и керамика. 2015. № 1. С. 14-17.

2. Моделирование свойств конструкционного композитного материала, армированного углеродными нанотрубками, с использованием перцептронных комплексов / Дударов С.П. [и др.]. Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 2. С. 253-262.

Shaneva Anna Sergeevna, Fedosova Natalia Alekseevna, Koltsova EleonoraMoiseevna* D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: kolts@muctr.ru

CALCULATION OF MATERIAL BALANCES ALL STAGES OF LABORATORY AND INDUSTRIAL PRODUCTION OF CERAMIC COMPOSITE AhO3-CNT

Abstract

The main stages of the process are highlighted on the basis of experimental research to develop ways of obtaining a ceramic composite Al2O3-CNT. Calculation of material balances held production steps ceramic matrix composite Al2O3-CNT (5% vol. and 30% vol.) for the production of 600 tons per year. The program allows to carry out the calculation of material balances for the composite Al2O3-CNT with the specified performance and composition.

Key words: alumina; composite; carbon nanotubes; technology system.