[发明专利]一种用于碳纳米管生产的卧式搅拌反应器

说明书

本发明涉及纳米材料技术和化工设备技术领域，提供一种用于碳纳米管生产的卧式搅拌反应器。本发明的反应器，包括具有反应室的卧式反应器本体，包括设于反应室中的搅拌装置，包括与反应室相连通的工艺管道，其特点在于还包括在反应室中低于反应温度的区域设置有填充物，这样可以减少生产碳纳米管的催化剂落入低于反应温度区域，提高催化剂利用率和生产效率。本发明的卧式搅拌反应器可以大型化，适应多种密度催化剂，催化剂和碳纳米管保持非流化状态也可以操作，反应室内的搅拌装置可以强化传热和传质，是具有工业化前景的新型碳纳米管生产反应器。

技术领域

本发明属于纳米材料技术和化工设备技术领域，是涉及一种用于碳纳米管生产的卧式搅拌反应器。

背景技术

碳纳米管是一种新型化工材料，最早于1991年由日本NEC公司电子显微镜专家Sumio Iijima公开报道。碳纳米管是由石墨片卷曲而成的无缝中空管子，多个管子同轴嵌套就构成了碳纳米管，碳纳米管的外径1-100纳米，长度几微米到上百微米。根据层数和直径的不同，碳纳米管分单层、双层、多层碳纳米管。按1996年诺贝尔化学奖得主RichardE.Smalley(发现了富勒烯)的说法，碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的分子，同时也是最好的热和电的分子导体之一。单根碳纳米管的理论物性非常好，导热性是铜的5倍；它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度是钢的1/6。

碳纳米管在一些对价格不敏感的高附加值领域初步实现了小规模的产业化。在中国市场，每年有几百吨、甚至可能更多的碳纳米管被使用在锂电池领域，主要是把碳纳米管使用在锂电池上作为提高电池性能的导电剂。要想把碳纳米管广泛应用在更大宗的工业领域，例如轮胎、金属复合材料、碳纤维复合材料等领域，需要解决碳纳米管的大量生产和成本问题。这就需要大吨位低成本的生产出巨大量的碳纳米管，这样碳纳米管的工业推广才具有更坚实的基础。

大容积的反应器才能大量生产碳纳米管，降低单位重量碳纳米管的生产成本。在保证反应所需要的温度、反应气、压力等工艺要求下，反应器的反应室越大，碳纳米管的生产能力越大。碳纳米管生产常见的反应器类型包括：固定床反应器、流化床反应器和旋转窑反应器等方式。固定床反应器虽然可以做的很大，但是在固定床反应器中，催化剂和气态原料接触困难，反应器内传热、传质困难，导致催化剂的利用率低下，反应不充分，反应时间长，效率低下。旋转窑设备虽然也可以做的很大，但是大型旋转窑设备存在反应器尺寸越大两个端头密封越困难，长期高温下使用反应炉管容易变形等缺陷。目前，碳纳米管行业相对常见的反应器设备是立式流化床。立式流化床反应器的不足在于：1、立式流化床对催化剂的密度和粒度范围有严格要求，催化剂的密度太高或者粒度太大，催化剂容易沉积在反应器底部，影响正常流化操作条件。催化剂的粒度太小或者密度太低，催化剂容易被吹飞出反应器正常反应区域，导致催化剂的利用率低。流化床反应器对催化剂的普遍适用性不够好，只能适应特定要求和种类的催化剂，限制了催化剂的选择范围，增加了催化剂的成本；2、理论上碳纳米管立式流化床可以长周期连续运行，实际上流化床反应器的内壁容易积炭和粘附碳纳米管，随着反应的进行，反应器内壁粘附的碳产物越来越厚，影响反应器的传热、传质和流化状态，导致流化床的生产效率和催化剂转化率下降；3、立式流化床反应器呈立式布置，高度较高。生产上常见的内径500mm立式流化床反应器，加上各种附件和预留空间，总高度超过10米，施工、保养和维修不够方便；4、流化床反应器不能按比例放大，大型流化床的设计困难，较多的依赖实践经验的总结和具体反应器的实际优化。