[發明專利]半連續生產碳納米管反應器

無效

• 申請號: 201210043245.3
• 申請日: 2012-02-24
• 公開（公告）號: CN102530921A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 湯培平;朱麗;林國棟;張鴻斌;劉宏宇;金燕紅;李競菲;林康英
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種生產碳納米管反應器，尤其是涉及一種半連續生產碳納米管反應器。

背景技術

碳納米管是一種具有獨特結構的一維量子材料，由石墨碳原子層卷曲而成，管直徑一般為幾納米到幾十納米，管壁厚度僅為幾納米，長度可達數微米。1991年，日本NEC公司的Iijima教授第一次在石磨棒放電形成的陰極沉積物中發現了多壁碳納米碳管，由于擁有潛在的優越性能，碳納米管無論在物理、化學還是在材料科學領域都將有重大應用前景，引起了眾多科學家的極大關注，現已成為納米技術中最熱門的研究對象之一。近年來，美國、日本、德國和中國等國家相繼成立了納米材料研究機構，使碳納米管的研究進展隨之加快，并在制備及應用方面取得了突破。2010年全球碳納米管市場需求超過19億美元，平均增長率超過80％，預計2012年亞太地區市場需求將突破25億美元。

碳納米管的制備方法主要有電弧放電法、激光蒸發法和催化熱解法等，其中催化熱解法又叫化學氣相沉積法(chemical?vapour?deposition，CVD)，是近年來發展起來的碳納米管的制備方法，其成本低、產量高，是大批量生產碳納米管的首選方法。目前，CVD法主要有3種工藝，分別是固定床工藝、移動床工藝及流化床工藝，對應的反應器主要有3種：移動床、固定床和流化床。移動床為移動的固定床，存在溫度梯度和移動速度方面的問題。流化床工藝是目前高質量、批量生產CNTs的最有前景的工藝之一。固定床工藝裝置簡單，操作靈活方便，設備投資少，但存在溫度和傳質梯度，且只能間歇操作，不適宜批量生產CNTs。流化床中氣固接觸好，溫度梯度和傳質阻力小，催化劑利用率高，并且能夠根據需要進行產品的移出及催化劑的連續添加，可間歇操作也可連續生產。如在公開號為CN101049927A的中國專利申請中公開一種連續化生產碳納米管的方法及裝置，給出一種多級逆流釜式反應器，可連續生產CNTs，但工藝控制困難。因為催化裂解制備碳納米管這類固體氣象沉積過程中，會出現一維納米材料并易產生粘結，極易造成生產過程中的流化困難，從而使床內出現結塊，局部溫度、濃度不均勻或因碳在顆粒間沉積而無法正常操作。因此，至今尚未見有關利用流化床進行連續化工業中試批量生產碳納米材料的文獻報道。2004年Zavarukhin，S.G等(Zavarukhin，S.G，Kuvshinov?G.G.The?kinetic?model?of?formation?ofnanofibrous?carbon?fromCH₄-H₂?mixture?over?ahigh-loaded?nickel?catalyst?with?consideration?for?the?catalyst[J].AppliedCatalysis，2004，272(1-2)：219-227)報道了震動管式流化床反應器，設備簡單，產量高，但為間歇操作，難以實現批量生產。上述流化床反應器皆為小試階段。Philippe，R(AuroreMorancais，Massimiliano?CorriasCatalytic，et?al.Production?of?carbon?nanotubes?by?fluidized-BedCVD[J].Midi-Pyrenees?Chemical?Vapor?Deposition，2007，13(9)：447-457)報道了中試規模的流化床管式反應器，但為間歇操作。

發明內容

本發明的目的在于克服現有碳納米管制備連續流化床的工藝控制難，間歇流化床工藝周期長、操作不易，難以實現碳納米管大批量生產的難點，提供一種不僅具有操作方便、結構簡單、操作周期短、能耗低、設備時空利用率高等優點，而且可解決固體產品在高溫工況下快速移出反應器的半連續生產碳納米管反應器。

本發明設有反應器本體、匣缽、碳納米管床層、氣體預熱器、冷卻器和匣缽升降氣泵；所述反應器本體的頂部設有熱電偶的導出點和尾氣出口，反應器本體的上部設有加熱層；匣缽設于反應器本體內；碳納米管床層設于匣缽內；氣體預熱器的一側設有原料氣入口，氣體預熱器內放置有加熱電偶棒，氣體預熱器設于反應器本體的下部一側并與反應器本體連為一體；冷卻器設于反應器本體下部并與反應器本體和氣體預熱器構成豎梯形結構；匣缽升降氣泵設于冷卻器內。

所述匣缽在反應器本體內可升降移動；碳納米管床層設于匣缽內并構成碳納米管的反應生長區。所述氣體預熱器與反應器本體呈L形。所述冷卻器可平移脫離反應器本體，便于匣缽裝卸。

所述反應器本體可采用催化裂解爐。