Design and Optimization of Carbon Nano Tubes Production in Chemical Vapor Deposition Reactor. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Design_and_Optimization_of_CNT_using_CVD_Reactor-After_Oral_Defense.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تم دراسة عوامل التشغيل بمفاعل مستمر يعمل بترسيب البخار الكيميائي من أجل إنتاج انتقائي لأنابيب الكربون متناهية الصغر. التجارب المعملية تمت باستخدام مفاعل عمودي لترسيب الأبخرة الكيميائية حيث ثبت وقت التفاعل لمدة ساعة واحدة وتحت درجات حرارة تشغيل مختلفة ( 700-1000 CO)، و معدلات تدفق الهيدروجين ( 100-3000 مل / دقيقة ) ومعدلات تدفق للبرازايلين ( 5 -40 مل / ساعة). أستخدم محفز الفيروسين 2 Fe] C5H5))] في العملية على شكل مسحوق مخلوط ومذاب مع البرازايلين (C8H10) بنسبة 1 ٪ من الحديد (50 مل مذيب ، 1.6 غرام الفيروسين) إلى الهيدروكاربون. البرازايلين كمصدر هيدروكاربوني تم تكسيره بالهيدروجين في حين أستخدم غاز الأرجون لمنع الأكسدة بالمفاعل للمعادن المحفزة تحت درجات حرارة التفاعل. الآثار المترتبة على مختلف معايير التشغيل لإنتاجية الأنابيب متناهية الصغر مثل درجة الحرارة ، ومعدلات تدفق النفط والهيدروجين تم عرضها في هذه الدراسة. تم التحقق من تأثير ظروف التفاعل المختلفة على إنتاج وأبعاد الأنابيب النانوية الكربونية. برنامج لتوليد وتقييم التصاميم التجريبية الإحصائية تم استخدامه لتصميم التجارب وتطوير النموذج الرياضي بحيث أعتمد منهج تصميم مضروب الإحصائية لتصميم العمليات التجريبية لدراسة وتحسين ظروف التشغيل من خلال نموذج تحسيني لإكتشاف مستويات التشغيل المثلى. أستخدمت متعددة الانحدار الخطي لتناسب النموذج الرياضي بواسطة برنامج تصميم التجارب. تم فحص الأشكال التضاريسية من الأنابيب النانوية الكربونية بواسطة المجهر الإلكتروني في درجات حرارة النمو المختلفة لتضاريس سطح العينات وأستخدم محلل الجاذبية لتحليل نقاوة العينات. تم استخدام تصميم محسن التجربة لإيجاد الظروف المثلى لإنتاج الأنابيب متناهية الصغر حيث وجد أن العائد الأمثل يكون عند درجة حرارة من 892 س0 ومعدل تدفق الهيدروجين 1497 مل / الدقيقة والبرازايلين 5 مل/ الساعة. وبالمقابل للتحكم بجودة الإنتاج، فإن علينا النظر لتدفق أعلى ل H2 (3000 مل /الدقيقة) لتحسين متوسط الأقطار ونسبة الطول للقطر للأنابيب المتناهية الصغر المنتجة.

English Abstract

The Chemical Vapor Deposition (CVD) parameters were studied to selectively synthesize Carbon Nano Tubes (CNT’s). Experimental runs using Vertical Chemical Vapor Deposition (CVD) reactor were performed at a fixed reaction time of one hour and different operating temperatures (700-1000 Co), hydrogen flow rates (100-3000 mL/mint) and P-xylene flow rates (5-40 mL/hr). Ferrocene [Fe (C5H5)2] catalyst was used in the process in the form of powder which is mixed and dissolved with P-xylene (C8H10) at a ratio of 1% of Fe (50 mL solvent, 1.6 g Ferrocene) to the hydrocarbon. The P-xylene as the source of the hydrocarbon was cracked by hydrogen while argon gas was used to flush the CVD reactor to prevent oxidation of the catalytic metal at the reaction temperatures. Effects of the various operating parameters on the yield and quality of CNT’s such as temperature and the flow rates of hydrocarbon and hydrogen are presented in this study. The effects of the different reaction conditions on the CNT’s yield and various dimensions of the CNTs formed were also investigated. A design of experiment package was used for the generation and evaluation of statistical experimental designs. A 3k statistical factorial design approach was adopted to develop the mathematical models in order to study and optimize the operating conditions. Multiple Linear Regression (MLR) was used to fit the mathematical models. The morphologies of the CNTs were characterized and examined by Scanning Electron Microscopy (SEM) at different growth temperatures for the surface morphology of the samples and Thermal Gravity Analyzer (TGA) was used to analyze purity of CNT’s. A design of experiment optimizer was used to find the optimum conditions for the yield and quality of CNT’s where optimum yield was found to be at a temperature of 892 Co and H2 flow rate of 1497 mL/mint with P-xylene rate of 5 mL/hr. However, to control quality, higher H2 flow rate (3000 mL/mint) need to be considered to improve average diameters and aspect ratios of the produced CNT’s.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Al Mutairi, Eid
Committee Co-Advisor:	Atieh, Muataz
Committee Members:	Al Juhani, Abdul-Hadi and Al Shammari, Abdullah and Taher, Laoui
Depositing User:	NASER HAMM AL-HAMMAD (g198202590)
Date Deposited:	16 Apr 2014 06:07
Last Modified:	01 Nov 2019 15:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139146