用于产生固体碳材料的反应器和方法技术

本发明专利技术公开一种用于产生固体碳材料的反应器，其包括至少一个反应室，所述至少一个反应室被配置成在至少一种催化剂材料的存在下通过至少一种碳氧化物与至少一种气态还原材料之间的还原反应来产生固体碳材料和水蒸汽。本发明专利技术还描述了另外的反应器和产生固体碳材料的相关方法以及形成用于产生固体碳材料的反应器的相关方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 优先权声明 本申请要求2012年11月29日提交的美国临时专利申请序列号61/731，314 "用 于产生固体碳材料的反应器和相关方法"的申请日的权益，其公开内容特此以引用方式并 入本文。
本公开的实施方案总体上涉及用于产生固体碳材料的反应器，并且涉及相关方 法。更具体而言，本公开的实施方案涉及用于经由碳氧化物催化转化产生固体碳材料的反 应器和方法。
技术介绍
本申请建立在2011年10月6日提交的共同待决的USSN 13/263,311的公开内容 上，所述USSN 13/263,311 是2010年4月5日提交的国际申请号PCT/US2010/029934 的进 入国家阶段版本并且英文公布为国际专利号WO 2010/120581，所述WO 2010/120581自身 根据35U.S.C. § 119(e)要求USSN 61/170, 199的权益，它们各自的公开内容以引用方式并 入本文。 固体碳具有许多商业应用。这些应用包括例如碳黑和碳纤维在轮胎、油墨等中用 作填充剂材料的长期用途、各种形式石墨的许多用途（例如，热防护屏中的热解石墨的用 途）以及巴克敏斯特富勒烯、碳纳米管以及纳米钻石的创新性和新兴应用。制造各种形式 固体碳的常规方法通常涉及在合适催化剂的存在下进行烃的热解。烃用作碳源是归因于烃 的历史上丰富的可获得性和低成本。在固体碳的生产中使用碳氧化物作为碳源在很大程度 上未得到利用。 碳氧化物，尤其二氧化碳，是可以从点源排放物如烃燃烧的排出气体或从一些过 程废气中提取的丰富气体。二氧化碳还可以从空气中提取。因为点源排放物具有比空气高 得多的浓度的二氧化碳，它们通常是收获二氧化碳的经济来源。然而，通过从空气中的二氧 化碳来本地制造固体碳产物，可消除运输成本，因此空气的直接可获得性可以提供成本抵 消。 当目标是通过捕捉和后续封存二氧化碳（例如，通过注入地质岩层中）来减少或 消除二氧化碳排放到大气中时，二氧化碳作为发电和化学过程的副产物日益变得可获得和 廉价。举例来说，捕捉和封存二氧化碳是一些"环保"烧煤发电站的基础。在当前实践中， 捕捉和封存二氧化碳需要大量成本。 可以使碳、氧和氢反应以形成固体碳产物和水的方式的数量是有限的。存在涉及 这三种元素的一系列反应，其中已鉴别出产生各种固体碳的同素异形体和形态以及其混合 物的各种平衡。烃热解涉及有利于固体碳产生的氢与碳之间的平衡，其中通常几乎没有或 没有氧存在。鲍多尔德（Boudouard)反应，也称为"一氧化碳歧化反应"是有利于固体碳产 生的碳与氧之间的平衡范围，其中通常几乎没有或没有氢存在。波许（Bosch)反应处于所 有碳、氧和氢在也有利于固体碳产生的反应条件下都存在的平衡范围内。 烃热解、鲍多尔德和波许反应之间的关系可以根据如图35中所示的C-H-O平衡图 来理解。图1的C-H-O平衡图示出固体碳，包括碳纳米管（"CNT"）的各种已知途径。烃热 解反应处于连接&与（：的平衡线上（即，三角形的左边缘）。这条线上的名称是已公布结 果验证这条线上的各个点处形成CNT的少数几个研宄者。鲍多尔德，或一氧化碳歧化反应 处于连接氧〇2和C的平衡线上（即，三角形的右边缘）。横贯此图的不同温度的平衡线显 示固体碳将会形成的大致区域。对于每个温度，固体碳可以在相关平衡线上方的区域中形 成，但是总体上不会在平衡线下方的区域中形成。 CNT和其它形式的纳米碳由于其独特的材料特性，包括强度、电流承载能力以及 热和电导性而为有价值的。CNT的当前批量使用包括在制造复合物中用作树脂的添加剂。 对于CNT的应用的研宄与开发是非常活跃的，并且已有各种各样的应用在使用中或在考虑 中。CNT的广泛使用的一个障碍是制造成本。因此，希望提供可以用于以更有效的方式产生 固体碳材料如CNT的反应器和方法。
技术实现思路
本文描述的实施方案包括用于产生固体碳材料的各种类型和结构的反应器设备 (下文为"多个反应器"或"反应器"）以及用于产生固体碳材料的相关方法。例如，根据一 个实施方案，用于产生固体碳材料的反应器包括至少一个反应室，所述至少一个反应室被 配置成在至少一种催化剂材料的存在下通过至少一种碳氧化物与至少一种气态还原材料 之间的还原反应来产生固体碳材料和水蒸汽。 在另外的实施方案中，用于产生固体碳材料的反应器包括至少一个反应室，所述 至少一个反应室被配置成在至少一种催化剂材料的存在下通过至少一种碳氧化物与至少 一种气态还原材料之间的还原反应来产生固体碳材料和水蒸汽；以及至少一个冷却室，所 述至少一个冷却室与所述至少一个反应室操作性地相关联并且被配置成使水蒸汽冷凝。 在另外的实施方案中，用于产生固体碳材料的反应器包括外壳，所述外壳包括至 少一个反应气体入口、至少一个反应产物出口、至少一个催化剂材料入口以及至少一个催 化剂材料出口；至少一个反应室，所述至少一个反应室至少部分地由所述外壳界定并且被 配置成在至少一层催化剂材料的存在下通过至少一种碳氧化物与至少一种气态还原材料 之间的还原反应来产生固体碳材料和水蒸汽；以及至少一个多孔材料结构，所述多孔材料 结构在所述至少一个反应室内耦接至所述外壳的表面并且被配置成支承所述至少一层催 化剂材料。 在另外的实施方案中，用于产生固体碳材料的反应器包括外壳，所述外壳包括至 少一个反应气体入口、至少一个反应产物出口、至少一个催化剂材料入口以及至少一个催 化剂材料出口；至少一个反应室，所述至少一个反应室至少部分地由所述外壳界定并且被 配置成在至少一种催化剂材料结构的至少一部分的存在下通过至少一种碳氧化物与至少 一种气态还原材料之间的还原反应来产生固体碳材料和水蒸汽；以及传送机构，所述传送 机构被配置成将所述至少一种催化剂材料结构运输穿过所述至少一个反应室。 在另外的实施方案中，产生固体碳材料的方法包括将至少一种碳氧化物和至少一 种气态还原材料引入到反应器的至少一个反应室中，所述至少一个反应室被配置成在至少 一种催化剂材料的存在下通过所述至少一种碳氧化物与所述至少一种气态还原材料之间 的波许反应、鲍多尔德反应以及甲烷还原反应中的至少一种来产生至少一种固体碳材料和 水。所述至少一种碳氧化物和至少一种还原剂在所述至少一个反应室中反应以产生所述至 少一种固体碳材料和水。 在另外的实施方案中，形成用于产生固体碳产物的反应器的方法包括形成界定至 少一个反应室的外壳，所述至少一个反应室被配置成在至少一种催化剂材料的存在下通过 所述至少一种碳氧化物与所述至少一种气态还原材料之间的波许反应、鲍多尔德反应以及 甲烷还原反应中的至少一种来产生至少一种固体碳材料和水。【附图说明】 图1至图3是根据本公开的实施方案的用于产生固体碳材料的反应器的简化剖视 图； 图4A和图4B是根据本公开的另一个实施方案的用于产生固体碳材料的另一个反 应器的简化侧视图和剖视图； 图5A和图5B是根据本公开的又另一个实施方案的用于产生固体碳材料的另一个 反应器的简化侧视图和剖视图； 图6A和图6B是根据本公开的又另一个实施方案的用于产生固体碳材料的另一个 反应器的简化侧视图和剖视图； 图7A和图7B是根据本公开的又另一个实施方案的用于产生固体碳材料的另一个 反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生固体碳材料的反应器，其包括：至少一个反应室，所述至少一个反应室被配置成在至少一种催化剂材料的存在下通过至少一种碳氧化物与至少一种气态还原材料之间的还原反应来产生固体碳材料和水蒸汽。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·B·诺伊斯，
申请(专利权)人：赛尔斯通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US