碳纳米管制备装置及方法

权利要求书： 1.一种碳纳米管制备装置，其特征在于，所述装置包括流化反应器，所述流化反应器的主体外侧设有拆卸式加热组件，所述加热组件与流化反应器主体并列设置，沿水平方向移动；所述加热组件纵向设置，加热组件的顶部和底部设有滑轮和定位轨道，所述滑轮带动加热组件沿定位轨道移动；

所述流化反应器上部出口连接有气固分离器，所述气固分离器下部连接有接料装置，所述气固分离器上部设有反吹气孔；所述流化反应器下部出口连接有产品出料管路，所述产品出料管路内设有流动载气。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述流化反应器包括反应段和剥离段，所述反应段位于下部，所述剥离段位于上部，所述反应段的外侧设有拆卸式加热组件。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述加热组件至少设有2个，沿流化反应器周侧均匀布置。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述气固分离器至少设有2个，所述气固分离器并联设置。

5.根据权利要求4所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，每个气固分离器内至少设有

1个呼吸器。

6.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述气固分离器的排气管路与流化反应器的进气管路构成换热管路。

7.根据权利要求6所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述气固分离器的排气管路上还设有冷却器。

8.一种采用权利要求1?7任一项所述的装置制备碳纳米管的方法，其特征在于，所述方法包括：将催化剂置于流化反应器后加热升温，然后通入有机碳源气体和载气，发生反应，反应后气体经气固分离后排出，固体产物负压出料，得到碳纳米管。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述催化剂包括过渡金属催化剂。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述催化剂为镍系、钴系、铁系、铜系或稀土金属催化剂中任意一种或至少两种的组合。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述催化剂加入前，先采用载气进行吹扫，排出空气。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机碳源气体包括丙烯、甲烷、丙烷或乙炔中任意一种或至少两种的组合。

13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述载体包括氮气、氦气、氖气或氩气中任意一种或至少两种的组合。

14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述有机碳源气体与载气的体积比为(0.6～3):1。

15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反应的温度为600～1000℃。

16.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反应的时间为60～90min。

17.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述反应后的气体经过气固分离后与进气管路中的有机碳源气体进行换热。

18.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述负压出料时，产品出料管路中载气的压力为0.1～0.8MPa，产品物料的流量为20～180L/min。

19.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述流化反应器停机清洗时，气体在排气管路与流化反应器内循环，经过流化反应器后的气体由冷却器进行循环降温。

说明书： 一种碳纳米管制备装置及方法技术领域[0001] 本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种碳纳米管制备装置及方法。背景技术[0002] 碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有体积密度小、比表面积大、力学性能优异、导热导电性能好等优点，其中碳纳米管的结构虽然与高分子材料相似，但结构稳定性明显优于后者，是目前具有最高比强度的材料之一，一直受到人们的广泛关注，在结构复合材料、能源、催化及功能器件等领域具有广阔的应用前景。[0003] 目前，碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等，其中较成熟的方法是化学气相沉积法。化学气相沉积法，又称碳氢气体热解法，是通过含碳气体在催化剂作用下裂解得到碳纳米管，产率较高，但化学气相沉积法由于固有的反应温度低，使得碳纳米管结晶程度低，导致化学气相沉积法制备的碳纳米管缺陷含量高，从而使得导电性等性能受到极大限制。[0004] CN110217777A公开了一种碳纳米管制备装置及方法，该装置由催化剂蒸发腔、化学气相沉积腔和气固分离腔串联而成，利用电弧焰产生的高温和冲击，将催化剂蒸发腔内的催化剂直接蒸发成超细催化剂，通过连接通道进入化学气相沉积腔，同时载气和碳源气分别由催化剂蒸发腔和化学气相沉积腔通入，催化剂与高温裂解的有机碳源发生反应，生成碳纳米管，进而通过气固分离装置分离收集。该装置所需反应温度较高，即反应能耗高，对催化剂的稳定性要求较高，且装置规模较小。[0005] 碳纳米管的制备经常会使用到流化床反应器，由于碳纳米管的结构特性，其容易团聚，使用流化床反应器生产碳纳米管时，随着碳纳米管的生产，容易团聚在内壁上形成堆积，放料时难以随气流带出。CN205761066U公开了一种用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，包括具有反应室的流化床反应器本体以及设于反应室内的旋转装置，旋转装置包括沿反应室中心纵向设置的旋转轴以及与旋转轴连接的旋转体，反应室设有流入口和流出口，旋转轴与流入口连通，旋转体上设有正对反应室的内壁且与旋转轴连通供气体流出的若干气孔该装置主要是对反应室物料粘壁问题做出的相应改进，但对于目前存在的堵料、降温慢、拆卸困难等问题并未涉及。[0006] 综上所述，碳纳米管制备装置的设计与改进，需要能够提高生产效率，缩短生产周期，并使其结构适合反应的进行，降低能耗，适于大规模应用。发明内容[0007] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米管制备装置及方法，所述装置通过对流化反应器加热、分离等组件的改进，便于加热组件的移动、安装与拆卸，同时能够使产物快速分离，装置不易堵塞，可有效缩短停炉时间，提高生产效率。[0008] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：[0009] 一方面，本发明提供了一种碳纳米管制备装置，所述装置包括流化反应器，所述流化反应器的主体外侧设有拆卸式加热组件，所述加热组件与流化反应器主体并列设置，沿水平方向移动；[0010] 所述流化反应器上部出口连接有气固分离器，所述流化反应器下部出口连接有产品出料管路。[0011] 本发明中，所述装置的主体为流化反应器，通过将加热组件与流化反应器分体安装，加热组件的移动式设计，便于反应条件的控制，同时可单独进行拆卸，极大降低成本；出料管路的设置，便于固体产物的出料，避免容易堵塞的问题，而气体产物的分离，便于尾气的再利用，降低能耗。[0012] 以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。[0013] 作为本发明优选的技术方案，所述流化反应器包括反应段和剥离段，所述反应段位于下部，所述剥离段位于上部，所述反应段的外侧设有拆卸式加热组件。在剥离段中，可以初步剥离气体，并固定粉料。[0014] 作为本发明优选的技术方案，所述加热组件纵向设置，加热组件的顶部和底部设有滑轮和定位轨道，所述滑轮带动加热组件沿定位轨道移动。[0015] 本发明中，为了加热组件的移动，在流化反应器外部设置定位轨道，使加热组件能够沿定位轨道水平方向移动，调节与反应器的距离，从而能够控制反应条件。[0016] 优选地，所述加热组件至少设有2个，例如2个、3个、4个或5个等，具体数量的选择与流化反应器与加热组件的大小及反应需要来确定，沿流化反应器周侧均匀布置，便于反应器内物料加热、反应均匀，保证碳纳米管产物的均一性。[0017] 作为本发明优选的技术方案，所述气固分离器至少设有2个，所述气固分离器并联设置。[0018] 本发明中，气固分离器至少设置2个，并联设置，且每个气固分离器前设有截止阀，以便于交替使用，在其中一个堵塞后清理过程中，另一个可以继续使用，保证连续生产效率，延长停机保养的周期，其中截止阀在高温条件下可正常使用。[0019] 优选地，每个气固分离器内至少设有1个呼吸器，例如1个、2个、3个或4个等。[0020] 优选地，所述气固分离器下部连接有接料装置，所述气固分离器上部设有反吹气孔。[0021] 本发明中，在生产过程中呼吸器上会有小颗粒附着，当呼吸器堵料不严重时，可由反吹气孔吹入气体，进行简单清理，吹下的粉料由接料装置收集再利用。[0022] 作为本发明优选的技术方案，所述气固分离器的排气管路与流化反应器的进气管路构成换热管路。[0023] 本发明中，反应后排出气体的温度仍较高，约为400℃，直接排出造成热量浪费，还可能带来热损伤，通过将其与反应进气进行换热，即将反应原料气进行预热，缩短进入反应器后的升温时间，从而提高反应速率。[0024] 优选地，所述气固分离器的排气管路上还设有冷却器。[0025] 本发明中，停机后可以通过气体的循环使反应器快速降温，而在排气管路上设置冷凝器，可以将升温的气体携带的热量带走，以便于气体的循环使用，缩短降温周期，减少停炉时间。[0026] 作为本发明优选的技术方案，所述产品出料管路内设有流动载气。[0027] 本发明中，通过载气的快速流动使得出料管路中的压力低于反应器出口处，从而实现反应产物的射流式负压出料，避免正压出料时物料粉体容易在出口处被压实而导致堵料的问题。其中载气可选择氮气或惰性气体等不易与产品发生反应的气体。[0028] 另一方面，本发明提供了一种采用上述装置制备碳纳米管的方法，所述方法包括：[0029] 将催化剂置于流化反应器后加热升温，然后通入有机碳源气体和载气，发生反应，反应后气体经气固分离后排出，固体产物负压出料，得到碳纳米管。[0030] 作为本发明优选的技术方案，所述催化剂包括过渡金属催化剂，优选为镍系、钴系、铁系、铜系或稀土金属催化剂中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：镍系催化剂和钴系催化剂的组合，钴系催化剂和铁系催化剂的组合，镍系催化剂、铜系催化剂和稀土金属催化剂的组合等。[0031] 优选地，所述催化剂加入前，先采用载气进行吹扫，排出空气。[0032] 优选地，所述有机碳源气体包括丙烯、甲烷、丙烷或乙炔中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：丙烯和甲烷的组合，丙烯和丙烷的组合，甲烷、丙烷和乙炔的组合，丙烯、甲烷和丙烷的组合等。[0033] 本发明中，有机碳源气体在催化剂作用下发生裂解反应，得到碳纳米管。[0034] 优选地，所述载体包括氮气、氦气、氖气或氩气中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：氮气和氦气的组合，氦气和氖气的组合，氦气、氖气和氩气的组合等。[0035] 优选地，所述有机碳源气体与载气的体积比为(0.6～3):1，例如0.6:1、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1或3:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

[0036] 本发明中，反应过程中载体和有机碳源气体共同通入，载气的通入可以有效降低碳源气体的浓度，避免反应气体因分压过高而容易发生副反应，影响产物的收率与纯度。[0037] 作为本发明优选的技术方案，所述反应的温度为600～1000℃，例如600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃或1000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

[0038] 优选地，所述反应的时间为60～90min，例如60min、65min、70min、75min、80min、85min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

[0039] 作为本发明优选的技术方案，所述反应后的气体经过气固分离后与进气管路中的有机碳源气体进行换热。[0040] 优选地，所述负压出料时，产品出料管路中载气的压力为0.1～0.8MPa，例如0.1MPa、0.2MPa、0.2MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa或0.8MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；产品物料流量20～180L/min，例如20L/min、40L/min、60L/min、80L/min、100L/min、120L/min、140L/min、160L/min或180L/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

[0041] 优选地，所述流化反应器停机清洗时，气体在排气管路与流化反应器内循环，升温后的气体由冷却器进行循环降温。[0042] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0043] (1)本发明所述装置通过对流化反应器加热以及分离组件的改进，便于加热组件的移动、安装与拆卸，极大的降低了维修成本，同时能够使产物快速分离，装置不易堵塞，提高装置生产效率；[0044] (2)本发明固体产物的出料方式可有效避免正压出料时，粉体容易被压实而导致堵塞的问题；[0045] (3)本发明中换热与降温管路的设置，有效提高了热量的利用率，减少能源消耗，同时缩短装置的降温周期，减少停产的时间。附图说明[0046] 图1是本发明实施例1提供的碳纳米管制备装置的结构示意图；[0047] 其中，1?流化反应器，2?加热组件，3?滑轮，4?定位轨道，5?气固分离器，6?呼吸器，7?产品出料管路，8?冷却器。

具体实施方式[0048] 为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。[0049] 本发明具体实施方式部分提供了一种碳纳米管制备装置及方法，所述装置包括流化反应器1，所述流化反应器1的主体外侧设有拆卸式加热组件2，所述加热组件2与流化反应器1主体并列设置，沿水平方向移动；[0050] 所述流化反应器1上部出口连接有气固分离器5，所述流化反应器1下部出口连接有产品出料管路7。[0051] 所述方法包括：将催化剂置于流化反应器1后加热升温，然后通入有机碳源气体和载气，发生反应，反应后气体经气固分离后排出，固体产物负压出料，得到碳纳米管。[0052] 以下为本发明典型但非限制性实施例：[0053] 实施例1：[0054] 本实施例提供了一种碳纳米管制备装置，所述装置的结构示意图如图1所示，包括流化反应器1，所述流化反应器1的主体外侧设有拆卸式加热组件2，所述加热组件2与流化反应器1主体并列设置，沿水平方向移动；[0055] 所述流化反应器1上部出口连接有气固分离器5，所述流化反应器1下部出口连接有产品出料管路7。[0056] 所述流化反应器1包括反应段和剥离段，所述反应段位于下部，所述剥离段位于上部，所述反应段的外侧设有拆卸式加热组件2。[0057] 所述加热组件2纵向设置，加热组件2的顶部和底部设有滑轮3和定位轨道4，所述滑轮3带动加热组件2沿定位轨道4移动；所述加热组件2设有2个，沿流化反应器1外侧对称布置。[0058] 所述气固分离器5设有2个，所述气固分离器5并联设置；每个气固分离器5内设有3个呼吸器。[0059] 所述气固分离器5下部连接有接料装置，所述气固分离器5上部设有反吹气孔。[0060] 所述气固分离器5的排气管路与流化反应器1的进气管路构成换热管路；所述气固分离器5的排气管路上还设有冷却器8。[0061] 所述产品出料管路7内设有流动氮气，使流化反应器1出口处的物料射流喷出。[0062] 实施例2：[0063] 本实施例提供了一种碳纳米管制备装置，所述装置包括流化反应器1，所述流化反应器1的主体外侧设有拆卸式加热组件2，所述加热组件2与流化反应器1主体并列设置，沿水平方向移动；[0064] 所述流化反应器1上部出口连接有气固分离器5，所述流化反应器1下部出口连接有产品出料管路7。[0065] 所述流化反应器1包括反应段和剥离段，所述反应段位于下部，所述剥离段位于上部，所述反应段的外侧设有拆卸式加热组件2。[0066] 所述加热组件2纵向设置，加热组件2的顶部和底部设有滑轮3和定位轨道4，所述滑轮3带动加热组件2沿定位轨道4移动；所述加热组件2设有4个，沿流化反应器1外侧均匀布置。[0067] 所述气固分离器5设有3个，所述气固分离器5并联设置；每个气固分离器5内设有2个呼吸器。[0068] 所述气固分离器5下部连接有接料装置，所述气固分离器5上部设有反吹气孔。[0069] 所述气固分离器5的排气管路与流化反应器1的进气管路构成换热管路；所述气固分离器5的排气管路上还设有冷却器8。[0070] 所述产品出料管路7内设有流动氖气，使流化反应器1出口处的物料射流喷出。[0071] 实施例3：[0072] 本实施例提供了一种碳纳米管制备方法，所述方法采用实施例1的装置进行，包括以下步骤：[0073] 采用氮气对流化反应器1进行吹扫，排出空气，然后加入Ni/Y/Cu三元催化剂，启动加热组件2升温至800℃，通入体积比为1.5:1的丙烯和氮气，反应80min，反应后的气体经过气固分离进入排气管路与进气管路中的丙烯进行换热，固体产物负压出料，产品出料管路7中氮气的压力为0.4MPa，其中产品物料的流量为100L/min，经过分离得到碳纳米管；[0074] 在流化反应器1停机后，采用氮气在排气管路与流化反应器1内循环，进行反应器的降温，氮气吸收的热量由冷却器8带走。[0075] 本实施例中，经过反应，丙烯的转化率可达到65％，碳纳米管管径分布均匀，管壁洁净；所述装置理论上不切换产品就无需停炉清洗，停止运行后降温速率快，降温时间可缩短60％以上。[0076] 实施例4：[0077] 本实施例提供了一种碳纳米管制备方法，所述方法采用实施例1的装置进行，包括以下步骤：[0078] 采用氩气对流化反应器1进行吹扫，排出空气，然后加入Ni/Ce/Cu三元催化剂，启动加热组件2升温至1000℃，通入体积比为0.6:1的丙烯和氩气，反应60min，反应后的气体经过气固分离进入排气管路与进气管路中的丙烯进行换热，固体产物负压出料，产品出料管路7中氮气的压力为0.1MPa，其中产品物料的流量为30L/min，经过分离得到碳纳米管；[0079] 在流化反应器1停机后，采用氩气在排气管路与流化反应器1内循环，进行反应器的降温，氩气吸收的热量由冷却器8带走。[0080] 本实施例中，经过反应，丙烯的转化率可达到68％，碳纳米管管径分布均匀，管壁洁净；所述装置理论上不切换产品就无需停炉清洗，停止运行后降温速率快，降温时间可缩短70％以上。[0081] 实施例5：[0082] 本实施例提供了一种碳纳米管制备方法，所述方法采用实施例2的装置进行，包括以下步骤：[0083] 采用氖气对流化反应器1进行吹扫，排出空气，然后加入Co/Ce复合催化剂，启动加热组件2升温至600℃，通入体积比为3:1的丙烯和氖气，反应90min，反应后的气体经过气固分离进入排气管路与进气管路中的丙烯进行换热，固体产物负压出料，产品出料管路7中氖气的压力为0.8MPa，其中产品物料的流量为180L/min，经过分离得到碳纳米管；[0084] 在流化反应器1停机后，采用氩气在排气管路与流化反应器1内循环，进行反应器的降温，氩气吸收的热量由冷却器8带走。[0085] 本实施例中，经过反应，丙烯的转化率可达到71％，碳纳米管管径分布均匀，管壁洁净；所述装置理论上不切换产品就无需停炉清洗，停止运行后降温速率快，降温时间可缩短50％以上。[0086] 综合上述实施例可以看出，本发明所述装置通过对流化反应器加热以及分离组件的改进，便于加热组件的移动、安装与拆卸，极大的降低了维修成本，同时能够使产物快速分离，装置不易堵塞，提高装置生产效率；固体产物的出料方式可有效避免正压出料时，粉体容易被压实而导致堵塞的问题；换热与降温管路的设置，有效提高了热量的利用率，减少能源消耗，同时缩短装置的降温周期，减少停产的时间。[0087] 申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细装置与方法，但本发明并不局限于上述详细装置与方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细装置与方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明装置的等效替换及辅助装置的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。