[发明专利]产生用于碳纳米材料生产的一氧化碳的联合方法

说明书

相关申请交叉参考

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2007年6月6日提交的美国专利申请序列第60/933599号、2007年6月6日提交的美国专利申请序列第60/933600号、2007年6月6日提交的美国专利申请序列第60/933598号的优先权，这些申请的全部内容通过参考结合于此。

技术领域

本揭示内容一般涉及制造碳纳米材料的方法，更具体地说，涉及根据共同进料的部分氧化产生一氧化碳和使用如此产生的一氧化碳制造碳纳米材料的联合方法。

发明背景

包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和碳纳米纤维的各种碳纳米材料可以使用合适的商用方法通过Boudart反应由一氧化碳生产。这种方法可以包括将一氧化碳和保持低于催化剂前体分解温度的催化剂前体气体供应至混合区。可用的另一种方法包括通过在反应器单元中使金属催化颗粒与有效量的含碳气体在足以催化生产碳纳米管的温度下接触而生产碳纳米管。得到的碳纳米管包括主要部分的单壁碳纳米管，可用的金属催化颗粒包括第VIII族金属或第VIb族金属。还可使用其他利用Boudart反应的方法来生产碳纳米材料。

上述方法的特征在于存在某些缺点和不足。例如，高毒性和易燃性一氧化碳进料气体的储备和操作产生许多安全问题。另外，这些方法通常导致大量温室气体排放，例如生产每吨碳纳米材料要排放约四吨二氧化碳。

要避免或减轻上述不足的影响，并且为了改善总体方法效率的目的，需要使用更好的方法来生产碳纳米材料。

发明概述

在一些实施方式中，提供了获得碳纳米材料的方法。一种方法包括配混烃类物流、二氧化碳流和氧流以形成配混物流，在转化反应器中，使配混物流中的烃类经过转化过程形成包含氢、一氧化碳、二氧化碳、未反应部分的氧和未反应部分的烃类的转化气流，然后使转化气流经过脱氧去除转化气流中未反应部分的氧，产生包含氢、一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的脱氧气流。可以在脱氧设备中进行去除未反应部分氧的步骤。

然后可以例如使用单级或多级膜分离器、或者利用变压(pressure-swing)吸附过程，从脱氧气流分离氢，形成主物流和副产物流，其中，主物流包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类，副产物流包含氢。

然后可将主物流导至碳纳米材料生产单元，制备碳纳米材料，而二氧化碳，一氧化碳可再循环并导至转化反应器。或者，可使主物流经过进一步分离去除大部分二氧化碳和未反应部分烃类，形成基本纯净的一氧化碳流，然后导至碳纳米材料生产单元。这种主物流纯化将有利于制备某些种类的碳纳米材料，尤其是单壁碳纳米管。

还可利用分离脱氧气流的其他方法，包括但并不限于深冷分离方法.在一种实施方式中，分离这种物流的方法将主要取决于生产规模和碳纳米材料制备方法要求的一氧化碳纯度.

在一种实施方式中，本发明提供生产碳纳米材料的设备，该设备包括将烃类、二氧化碳和氧的混合物转化成包含氢、一氧化碳、二氧化碳、未反应部分氧和未反应部分烃类的转化气流的转化反应器，以及与转化反应器流体连通的脱氧单元。可使用该脱氧单元去除转化气中的未反应部分氧，制备包含氢、一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的脱氧气流。

该设备可进一步包括与脱氧单元流体连通的单级或多级膜分离器，所述分离器用于从脱氧气流分离氢，并形成包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的主物流。

在一种实施方式中，代替膜分离器，该设备可进一步包括与脱氧单元流体连通，用于从脱氧气流分离氢，并形成包含一氧化碳、二氧化碳和未反应部分烃类的主流的变压吸附单元或深冷分离单元。

该设备可进一步包括与膜分离器流体连通的碳纳米材料生产单元，其中，该碳纳米材料生产单元制备碳纳米材料和二氧化碳流，该设备还包括与碳纳米材料生产单元流体连通的、用于再循环一氧化碳、用于将二氧化碳流导至转化反应器的装置。

附图简要说明

图1是根据本发明一种实施方式的制备碳纳米材料的设备示意图。

图2是根据本发明另一种实施方式的制备碳纳米材料的设备示意图。

图3是根据本发明又一种实施方式的制备碳纳米材料的设备示意图。

详细说明

下文使用以下定义和缩写，除非有另外的描述：

术语“单壁碳纳米管”定义为中空、基本为圆柱形的管，其由基本化学纯的碳制造，直径约为0.4-4纳米。

术语“多壁碳纳米管”定义为同轴排列的、紧密间距的、基本为圆柱形的管，其由基本化学纯的碳制造，外直径约为3-100纳米。