一种人造金刚石合成装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种金刚石生产装置，具体地说是一种人造金刚石合成装置。
【背景技术】
[0002] 金刚石也称钻石，在生活中及工业中均有较大的特殊需求。天然金刚石资源较缺， 远远不能满足人们的需求，在工业史上人们进行了各种人造金刚石方法的探索。
[0003] 在二十世纪五十年代，终于开发出了在高温高压（T :1300~1400 °C ;P: 6X106~7X106 KPa)和有催化剂的条件下，可以使石墨转化为金刚石的方法。但使用该方 法合成的金刚石粒度小，仅适于研磨材料等较小范围应用，而且这种静止的高温高压合成 工艺不能连续生产，效率低，成本高，在工业应用上受到极大限制。
[0004] 随着现代信息业的发展，金刚石已被证明具有优良的半导体导热性能，并具有稳 定性及抗辐射性能，其各方面性能均优于常规使用的硅半导体，使金刚石成为替代硅的新 一代信息工业材料。经过长期研宄，目前已探索出了一种气相合成金刚石薄膜的生产方法。 其原理是在气相中使碳原子直接堆砌成金刚石薄膜。该工艺过程是，在直流电解条件下通 入稀有气体（H 2+Ar)形成气相环境，同时加入石墨，在电解及气相作用下，形成等离子体，沉 积于950°C的基体上，合成为金刚石薄膜。该技术可为信息工业应用的人造金刚石的生产开 辟出一条新途径。但这一新工艺操作难度大，技术及设备尚不成熟，还在进一步的研宄开发 之中。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的就是提供一种人造金刚石合成装置，为人造金刚石的生产提供 良好的生产条件，实现人造金刚石的工业化生产。
[0006] 本实用新型是这样实现的：一种人造金刚石合成装置，包括：
[0007] 搅拌式输料罐，与高压泵相接，用于配置原料水浆并向所述高压泵供料；
[0008] 高压泵，分别与所述搅拌式输料罐和换热器组相接，用于对原料水浆进行加压；
[0009] 换热器组，由第一换热器和第二换热器连接组成，所述第一换热器与所述高压泵 相接，所述第二换热器与反应装置相接；所述第一换热器为初级加热，利用系统余热可将原 料水浆加热至100~200°c，并可接受来自分离器的水蒸汽的换热；所述第二换热器为二级 加热，利用外来加热能量可将初级加热的原料水浆加热至350~450°C ;
[0010] 加氢装置，与反应装置相接，用于将液氢加压后输入到反应装置中；
[0011] 反应装置，分别与所述第二换热器、所述加氢装置、贮存罐和分离器相接，通过温 度、压力、催化剂和氢热反应等条件，将原料水浆反应生成金刚石晶体和烃类混合气体；
[0012] 贮存罐，与所述反应装置相接，用于贮存由反应装置排出的金刚石晶体；以及
[0013] 分离器，分别与所述反应装置和所述第一换热器相接，用于接受来自所述反应装 置的烃类混合气体，并进行烃类混合物液体与水蒸汽的分离。
[0014] 所述反应装置底端出口处以及所述贮存罐底端出口处均安装有出料阀。所述反应 装置的直径与高度比例为1:20。
[0015] 所述加氢装置包括液氢贮罐和与所述液氢贮罐连接的加氢机。
[0016] 根据金刚石的地球超临界成矿学说，在早期地壳运动中，金刚石的形成是在地球 内部极大的压力下，使处于地球深部的水与岩浆混合同时产生极高的温度和压力，并形成 超临界流体，在扩散运动中，伴随氢热反应，使碳类(石墨）物质在该条件下发生结构型转 化，并熔解于超临界流体中，随流体在岩石缝隙中流动，当运动的流体上升于地壳表面较近 位置时，因减压停止扩散，在流体中聚集沉积的金刚石单质成为晶体固化于岩石中。天然金 刚石是在地壳运动中产生一系列物理和化学变化的结果。基于以上原理，将碳元素(石墨） 还原于金刚石成矿的环境条件，制造出天然型金刚石是可行的。本实用新型的超临界流体 合成金刚石装置可以实现这一设想。
[0017] 水在超临界状态（T>374°C，P>22. IMPa)下，具有较高的扩散能力及溶解能力。在 极短时间内，可将矿物中的金属、部分无机物和所有有机物等溶解或转化。利用超临界水这 种优良特性，设计出可将含石墨水浆加压至40~55MPa，加热至600~750°C的超超临界范围， 在催化剂的催化和氢气供给下，产生催化氢化反应，在该反应状态下，石墨可在l~4min内 发生结构性转变，由石墨单质转化为金刚石单质晶体，同时，晶体被高温高压下的超超临界 水熔融并聚集成珠沉积，而其它有机物与水的混合气体从反应容器上部分离。
[0018] 其整体反应原理为：
[0019]
[0020] 由于超临界水的极强扩散力、溶解力和亲和力作用，以及前期工艺处理、催化剂催 化、氢化还原等各项物理化学性过程的转化作用，使原来旧方法所需温度与压力条件被大 大降低，而转化时间也大大缩短。石墨的结构性质转化后，产生熔融和聚集是分子间发生相 互作用力的结果，所产生的范德华力，可在此温度压力条件下，使晶体达到预想的质量和粒 度。
[0021] 本实用新型中的搅拌式输料罐，用于原料水浆的配置，并在搅拌中向高压系统供 料。高压泵采用了隔膜式高压泵，适于带料水浆的加压，加压范围l~60MPa。换热器组包括 第一换热器和第二换热器，第一换热器为初级加热，可将原料水浆加100~200°C，并可接受 来自分离器的水蒸汽换热，第二换热器为二级加热，可将原料水浆加热至350~450°C。加氢 装置包括相连的液氢贮罐及加氢机，可将液氢加压至l~60MPa。反应装置为多层套筒式高 压容器，反应装置的直径与高度比例为1:20,该比例适于物料的反应时间，反应装置底端出 口处设出料阀门，可进行间歇出料。本实用新型中的贮存罐为耐高压(常温)罐体，用于贮存 排入的物料，贮存罐底端出口处设置出料阀门；分离器为减压分离装置，用于烃类混合物的 分离，分离器内的结构为换热式设计，分离器内部的下半部设有换热排管，可促进水蒸汽与 烃类混合物液体的分离。
[0022] 因超临界水可连续流动的性质，能够使物料运载的流体不间断，形成连续性生产， 并适于自动化控制。本实用新型的设计采用了供料、加压、加氢、反应及分离系统的组合形 式，各自独立，相互连接，相互配合。
[0023] 本实用新型具有如下优点：
[0024] (1)本系统的超高温高压及耐氢蚀条件，能够符合三类容器的正常制造范围；
[0025] (2)本系统整体设计合理，占地面积小，设备紧凑，可实现自动化控制，可连续生 产；
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