[发明专利]半连续生产碳纳米管反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产碳纳米管反应器，尤其是涉及一种半连续生产碳纳米管反应器。

背景技术

碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，长度可达数微米。1991年，日本NEC公司的Iijima教授第一次在石磨棒放电形成的阴极沉积物中发现了多壁碳纳米碳管，由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有重大应用前景，引起了众多科学家的极大关注，现已成为纳米技术中最热门的研究对象之一。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，使碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备及应用方面取得了突破。2010年全球碳纳米管市场需求超过19亿美元，平均增长率超过80％，预计2012年亚太地区市场需求将突破25亿美元。

碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法、激光蒸发法和催化热解法等，其中催化热解法又叫化学气相沉积法(chemical vapour deposition，CVD)，是近年来发展起来的碳纳米管的制备方法，其成本低、产量高，是大批量生产碳纳米管的首选方法。目前，CVD法主要有3种工艺，分别是固定床工艺、移动床工艺及流化床工艺，对应的反应器主要有3种：移动床、固定床和流化床。移动床为移动的固定床，存在温度梯度和移动速度方面的问题。流化床工艺是目前高质量、批量生产CNTs的最有前景的工艺之一。固定床工艺装置简单，操作灵活方便，设备投资少，但存在温度和传质梯度，且只能间歇操作，不适宜批量生产CNTs。流化床中气固接触好，温度梯度和传质阻力小，催化剂利用率高，并且能够根据需要进行产品的移出及催化剂的连续添加，可间歇操作也可连续生产。如在公开号为CN101049927A的中国专利申请中公开一种连续化生产碳纳米管的方法及装置，给出一种多级逆流釜式反应器，可连续生产CNTs，但工艺控制困难。因为催化裂解制备碳纳米管这类固体气象沉积过程中，会出现一维纳米材料并易产生粘结，极易造成生产过程中的流化困难，从而使床内出现结块，局部温度、浓度不均匀或因碳在颗粒间沉积而无法正常操作。因此，至今尚未见有关利用流化床进行连续化工业中试批量生产碳纳米材料的文献报道。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)报道了震动管式流化床反应器，设备简单，产量高，但为间歇操作，难以实现批量生产。上述流化床反应器皆为小试阶段。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)报道了中试规模的流化床管式反应器，但为间歇操作。

发明内容

本发明的目的在于克服现有碳纳米管制备连续流化床的工艺控制难，间歇流化床工艺周期长、操作不易，难以实现碳纳米管大批量生产的难点，提供一种不仅具有操作方便、结构简单、操作周期短、能耗低、设备时空利用率高等优点，而且可解决固体产品在高温工况下快速移出反应器的半连续生产碳纳米管反应器。

本发明设有反应器本体、匣钵、碳纳米管床层、气体预热器、冷却器和匣钵升降气泵；所述反应器本体的顶部设有热电偶的导出点和尾气出口，反应器本体的上部设有加热层；匣钵设于反应器本体内；碳纳米管床层设于匣钵内；气体预热器的一侧设有原料气入口，气体预热器内放置有加热电偶棒，气体预热器设于反应器本体的下部一侧并与反应器本体连为一体；冷却器设于反应器本体下部并与反应器本体和气体预热器构成竖梯形结构；匣钵升降气泵设于冷却器内。

所述匣钵在反应器本体内可升降移动；碳纳米管床层设于匣钵内并构成碳纳米管的反应生长区。所述气体预热器与反应器本体呈L形。所述冷却器可平移脱离反应器本体，便于匣钵装卸。

所述反应器本体可采用催化裂解炉。