旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及碳纳米管制备技术领域，具体一种利用旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及其制备方法。本发明专利技术方法包括催化剂的预热处理、催化裂解和、冷却收集三个步骤。本发明专利技术利用废气热预活化催化剂后，大大减少能耗，进入催化裂解炉，旋转炉管内搅板在炉管旋转时将催化剂在炉管内扬洒，对炉管内碳源气体的碳氢键裂解，碳原子以催化剂活性金属为晶核沉积生长，最终制备得到碳纳米管；本发明专利技术依靠搅板扬洒催化剂与碳源气体充分接触，炉管与搅板设置成的倾斜度实现物料推进，碳纳米管生长环境中只有碳源气体，无其他辅助气体，碳源气体可充分裂解制备碳纳米管，得以充分利用；本发明专利技术实现不同催化剂及不同碳源气体，制备各种碳纳米管，一台设备通用。

Carbon nanotubes, devices and methods for catalytic cracking of hydrocarbons by rotating method

【技术实现步骤摘要】
旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及方法
本专利技术涉及碳纳米管制备
，具体一种利用旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、装置及其制备方法。
技术介绍
碳纳米管作为一维纳米材料，其重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。由于碳纳米管具有中空的结构，可以用作微型模具。即在其内部可填充金属、氧化物等物质，制备出最细的纳米尺度的导线等，用于未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中。还可制作碳纳米管增的塑料、碳纳米管增强陶瓷复合材料、金属基复合材料，还可以做最细的试管以及能称量单个原子质量的“纳米秤”等等。目前已经报道的碳纳米材料包括碳纳米纤维、石墨烯、纳米碳球等，而碳纳米管是作为世界公认的最细的纤维；这些材料由于具备良好的导电性、高机械性能和高比表面积，在电化学催化和储能等可再生能源转换
中占据着重要角色。目前碳纳米管的宏量制备方法主要是化学气相沉积法，化学气相沉积法是利用催化剂裂解碳氢化合物，以活性金属原子为催化剂晶核，碳原子以该核沉积生成碳纳米管。根据化学气相沉积法的原理可以知道，催化剂活性组分与碳源气体接触越充分，碳氢键裂解产生的碳原子就越多的沉积生长在活性金属表面，生长的碳纳米管就越多，生长形貌就越好。化学沉积法在工程化生产中，其实现手段主要有移动法和沸腾法（又称流化床法）。移动法利用料舟作为载具，将催化剂放入料舟在管式炉炉管内移动，在条件具备区域内，生长碳纳米管；移动法生产过程中，催化剂固定在料舟内，完全依靠碳源气体在料舟催化剂堆放表面及渗透进入接触催化剂，也就是说，催化剂是被动与碳源气体接触，因此存在催化剂与碳氢化合物接触不充分，影响碳纳米管生长等缺点，导致只能用于低倍率的碳纳米管制备，通常以甲烷作为碳源。为了克服移动床的上述缺点，出现了沸腾法（又称流化床法）生产碳纳米管，沸腾法利用氮气将催化剂吹悬浮于充满碳氢化合物的井式炉内，碳源气体与催化剂活性金属实现充分接触，更好的生长碳纳米管。例如申请号为200780013608.6的中国专利技术专利，专利技术名称为流化床制备碳纳米管的方法，公开了一种在流化床反应器中通过碳氢化合物在多相催化剂上分解制备碳纳米管的方法，其中反应器可间歇或连续地操作，并且在连续操作的情况下，可经过筛选或不筛选进行卸料。但是，沸腾法也存在氮气压力不稳定，导致生长过程难控制等缺点，同时在碳源气体环境中大量冲入氮气，稀释碳源气体，为保证碳纳米管生长就必须大过量冲入碳源气体，一方面井式炉内压力不能太高，为了保持一定压力，就要大量排出炉内气体，导致大量碳源气体没有裂解就排出，造成碳源气体转化率低，环境污染大等缺点，沸腾法只能用于小管径碳纳米管制备，通常以丙烯作为碳源。移动法和沸腾法对催化剂的制备有各自的特殊要求，催化剂无法通用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提出了公开了一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备的碳纳米管、制备装置及制备方法，解决了现有技术中碳纳米管的制备方法与装置制备的碳纳米管规格单一，不能采用同一装置，通过控制不同原料加入量和工艺来制备不同规格的碳纳米管，且现有方法制备的碳纳米管质量较差的技术问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，包括以下步骤：（1）、催化剂的预热预活化处理；将碳纳米管催化剂通过预热炉顶部的加料阀口装入预热炉内，由单独的电加热和旋转炉内裂解碳纳米管时产生的裂解废气混合加热，进行预活化处理，混合加热的温度为500～600℃；本专利技术利用碳纳米管制备过程中碳源气体反应后产生的高热量废气作为碳纳米管催化剂的主要预热热源，可以大大节约制备成本，减少资源浪费；催化剂预热的有益效果在于：碳源气体在炉管内裂解产生碳原子和氢原子，碳原子在旋转炉管内沉积生成碳纳米管，氢原子生成氢气，进入预热炉内预活化催化剂中活性金属氧化物，在500～600℃左右与氢气发生还原反应，生成单质金属和水，水以气态随废气排除；预热炉内任然有较低浓度的碳氢化合物气氛，含单质活性金属的催化剂在进入旋转炉炉管前初生长成碳纳米管胚芽，更利于在旋转炉炉管内的适量浓度的碳氢气态气氛中生长碳纳米管；（2）、催化裂解：将步骤（1）预活化后的碳纳米管催化剂加入旋转炉炉管内，将碳源气体由旋转炉下端碳源进气阀口通入，与旋转炉炉管中的碳纳米管催化剂反应后，再经由废气管通过预热炉内，然后由预热炉顶部的废气阀口排出，反应过程中还需采用设置在炉管内壁的搅板对进入旋转炉炉管内的碳纳米管催化剂进行舀捧扬撒，碳纳米管催化剂一边在炉管内扬撒，一边利用搅拌与炉管设置的倾斜角度，螺旋推料的方式从旋转炉上端至下端推进，其过程中与碳源气体充分接触，增加碳源气体与碳纳米管催化剂的接触机会，使得充分接触反应进行完全，碳氢键充分裂解，碳原子以碳纳米管催化剂活性金属晶核为核沉积生长成碳纳米管；裂解过程中产生的裂解废气进入催化剂预热炉继续预热催化剂，使得余热得以充分利用；裂解产生的氢气预活化碳纳米管催化剂；（3）、冷却收集：旋转炉炉管内生成的碳纳米管从炉管尾端冷却后由收料装置下端的排料阀排出，得到碳纳米管。进一步的，所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，可以实现根据不同碳纳米管催化剂或不同碳源气体，调节旋转炉炉管的旋转速度及裂解温度，制备不同规格碳纳米管。进一步的，所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，步骤（1）中所述碳纳米管催化剂为镍基催化剂、铁基催化剂或钴基催化剂中的至少一种；所述预热装置加热温度为500～600℃，其中旋转炉内裂解碳纳米管时产生的裂解废气为主要加热源，电加热为辅助加热源。进一步的，所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，步骤（2）中所述旋转炉加热温度为600～800℃，所述旋转炉炉管的转速为4～8r/min，所述碳源气体为甲烷、丙烯或乙烯中的至少一种，所述碳源气体的流量为1～5m3/h，所述预热的碳纳米管催化剂的进料量为1～3g/min。具体的，可以通过如下工艺参数的设置，制备不同规格的碳纳米管。进一步的，所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，所述碳纳米管催化剂为镍基催化剂；所述预热装置加热温度为580℃；所述旋转炉加热温度为790℃，所述旋转炉炉管的转速为4.5r/min，所述碳源气体为甲烷，所述碳源气体的流量为2.5m3/h，所述预热的碳纳米管催化剂的进料量为2g/min，最终得到直径为40～50nm的中空纤维状的碳纳米管。进一步的，所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，所述碳纳米管催化剂为铁基催化剂；所述预热装置加热温度为500℃；所述旋转炉加热温度为660℃，所述旋转炉炉管的转速为8r/min，所述碳源气体为丙烯，所述碳源气体的流量为1.7m3/h，所述预热的碳纳米管催化剂的进料量为1g/min，最终得到直径为10～15nm的中空纤维状的碳纳米管。进一步的，所述一种旋转本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）、催化剂的预热活化处理；将碳纳米管催化剂通过预热炉顶部的加料阀口装入预热炉内，由单独的电加热和旋转炉内裂解碳纳米管时产生的裂解废气混合加热，混合加热的温度为500～600℃；/n（2）、催化裂解：将步骤（1）预热活化后的碳纳米管催化剂加入旋转炉炉管内，将碳源气体由旋转炉下端碳源进气阀口通入，与旋转炉炉管中的碳纳米管催化剂反应后，再经由废气管盘绕通过预热炉内，然后由预热炉顶部的废气阀口排出，反应过程中还需对进入旋转炉炉管内的碳纳米管催化剂进行舀捧扬，碳纳米管催化剂一边在炉管内扬洒，一边利用搅拌与炉管设置的倾斜角度，螺旋推料的方式从旋转炉上端至下端推进，其过程中与碳源气体充分接触，碳氢键裂解，碳原子以碳纳米管催化剂晶核为核沉积生长成碳纳米管；裂解过程中产生的裂解废气进入催化剂预热炉继续预活化催化剂；/n（3）、冷却收集：旋转炉炉管内生成的碳纳米管从炉管尾端冷却后由收料装置下端的排料阀排出，得到碳纳米管。/n

【技术特征摘要】
1.一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、催化剂的预热活化处理；将碳纳米管催化剂通过预热炉顶部的加料阀口装入预热炉内，由单独的电加热和旋转炉内裂解碳纳米管时产生的裂解废气混合加热，混合加热的温度为500～600℃；
（2）、催化裂解：将步骤（1）预热活化后的碳纳米管催化剂加入旋转炉炉管内，将碳源气体由旋转炉下端碳源进气阀口通入，与旋转炉炉管中的碳纳米管催化剂反应后，再经由废气管盘绕通过预热炉内，然后由预热炉顶部的废气阀口排出，反应过程中还需对进入旋转炉炉管内的碳纳米管催化剂进行舀捧扬，碳纳米管催化剂一边在炉管内扬洒，一边利用搅拌与炉管设置的倾斜角度，螺旋推料的方式从旋转炉上端至下端推进，其过程中与碳源气体充分接触，碳氢键裂解，碳原子以碳纳米管催化剂晶核为核沉积生长成碳纳米管；裂解过程中产生的裂解废气进入催化剂预热炉继续预活化催化剂；
（3）、冷却收集：旋转炉炉管内生成的碳纳米管从炉管尾端冷却后由收料装置下端的排料阀排出，得到碳纳米管。


2.根据权利要求1所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，根据不同碳纳米管催化剂或不同碳源气体，调节旋转炉炉管的旋转速度及裂解温度，可以制备不同规格碳纳米管。


3.根据权利要求1或2所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（1）中所述碳纳米管催化剂为镍基催化剂、铁基催化剂、钴基催化剂中的至少一种；所述预热装置加热温度为500～600℃，其中旋转炉内裂解碳纳米管时产生的裂解废气为主要加热源，电加热为辅助加热源。


4.根据权利要求1～3任一项所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，步骤（2）中所述旋转炉加热温度为600～800℃，所述旋转炉炉管的转速为4～8r/min，所述碳源气体为甲烷、丙烯或乙烯中的至少一种，所述碳源气体的流量为1～5m3/h，所述预热的碳纳米管催化剂的进料量为1～3g/min。


5.根据权利要求3或4所述一种旋转法催化裂解碳氢化合物制备碳纳米管的方法，其特征在于，所述碳纳米管催化剂为镍基催化剂；...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳凡钦，唐瑞，
申请(专利权)人：成都科汇机电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51