用于制造纳米碳的方法和制造装置制造方法及图纸

低级烃和氧气被供应至流化催化剂（1）以形成流化床，并且使用纳米碳制造装置通过伴随低级烃和氧气自燃的低级烃分解反应来生产纳米碳和氢气，该纳米碳制造装置具有：流化床反应器（2），其容纳有流化催化剂（1）并且被供应有低级烃和氧气，使得低级烃和氧气能够自燃；气体供给部（5），其连接至流化床反应器（2）并且将低级烃和氧气供应至流化床反应器（2）中；排放气体通道（8），其连接至流化床反应器（2），并且将流化床反应器（2）中的排放气体排放到外部；以及供应部（2a），其连接至流化床反应器（2），并且将流化催化剂（1）供应至流化床反应器（2）中。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造纳米碳的方法和制造装置
本专利技术涉及纳米碳的生产方法和生产装置，其中，通过使用流化催化剂或结合流体介质使用的流化催化剂来分解低级烃而生产纳米碳和氢气。
技术介绍
诸如碳纳米纤维、碳纳米管或洋葱状碳的纳米碳具有诸如高导电性质和优良电磁波吸收性质的功能，并且被预期应用在多个领域中。作为使用低级烃作为原料来生产纳米碳的方法，例如，已经知道通过弧放电方法、通过CVD（化学气相沉积）方法、通过使用流化床反应器的方法等的生产方法。例如，在专利文献1中公开了通过弧放电方法的生产方法。例如，在专利文献2和专利文献3中公开了通过CVD方法的生产方法。例如，在专利文献4中公开了使用流化床反应器的生产方法。图7是示出了通过在专利文献1中公开的弧放电方法生产碳纳米管的装置的示意图。如该图中所示，上法兰101、下法兰102、前法兰103和后法兰104连接至反应器（真空室）100。在反应器100中，作为碳电极的棒状阴极105和用于生产碳纳米管的棒状电极（阳极）106被放置成朝向彼此，其包含碳和非磁性过渡金属。阳极106通过进退结构107被放置成距离阴极105恒定的距离。阴极105连接至阴极端子108，并且阳极106连接至阳极端子109。这些阴极端子108和阳极端子109连接至直流电源（在图中未绘出）。在图7所示通过弧放电方法的生产装置中，在用氦气置换的反应器100中在阳极106与阴极105之间产生弧放电。由此，阳极106的尖端蒸发，并且生成碳蒸汽和非磁性过渡金属的喷雾状细粒子。由此所产生的喷雾状细粒子凝聚并且沉淀/积聚，并且因此在例如阴极105根部周围的外表面上积聚单层碳纳米管。此外，图8是示出专利文献2中公开的通过CVD方法来合成碳纳米管的装置（水平电炉）的示意图。如该图所示，用于加热反应管200的电热器201被放置在反应管200的周围。在反应管200中，放置包含铁盐202作为主催化剂的基板，并且放置包含钼酸盐203作为助催化剂的基板。在图8所示的通过CVD方法的生产装置中，反应管200的内部被加热到特定温度。然后，诸如甲烷气体的碳源在反应管200中被供给诸如氩气的惰性气体，并且在特定温度下反应，并且由此气相沉积碳纳米管。此外，图9是示出使用专利文献4中公开的流化床反应器来生产纤维纳米碳的装置的示意图。如该图所示，用于生产纤维纳米碳的装置具有：流化床反应器301，其具有用于加热内部的加热单元300；第一气体供应单元303，其用于将还原性气体302供应至流化床反应器301；碳材料供应单元305，其用于以气态供应流化床反应器301中的碳材料304；第二气体供应单元307，其用于将不包括碳的惰性气体306供应至流化床反应器301；以及排出线309，其用于从流化床反应器301排出包括气体G和所获得的纤维纳米碳的分散粒子308。流化床反应器301由用于形成流化床的流化床部301A和在流化床部301A上的自由板部301B构成，自由板部301B处于连接至流化床部301A的状态。此外，流化床反应器301用催化剂流体材料310填充，负载催化剂的载体借助粘结剂结合到催化剂流体材料310。此外，用于收集粒子的粒子收集单元311连接至排出线309。在图9所示的生产装置中，还原性气体302通过第一气体供应单元303被供应至流化床反应器301，并且催化剂被制成金属的形式。接着，碳材料304在气态下由碳材料供应单元305供应至流化床反应器301，并且纤维纳米碳在特定反应温度下被沉积在催化剂上。然后，通过由加热单元300将流化床反应器301内部的温度升高到高于反应温度，形成催化剂流体材料310的粘结剂通过热分解等而成细粉，并且失去作为流体材料的功能。已经失去流动性功能的材料变成载体的聚集体或其结合主体，并且成细粉。然后，它随来自流化床反应器301的自由板部301B的外部的气体G借助排出线309作为分散粒子308被排出。所排出的分散粒子308由粒子收集单元311收集。纤维纳米碳与由此收集的分散粒子308分离。引用列表专利文献专利文献1：JP-A-2000-95509专利文献2：JP-A-2005-343726专利文献3：JP-A-2010-18498专利文献4：JP-A-2003-342840
技术实现思路
技术问题然而，用于生产纳米碳的上述相关技术方法具有如下的问题：为了生产纳米碳，诸如电力或热量的大量能量是必需的。也就是，在通过弧放电方法的生产方法中，大量的电力对于促使电极之间的弧放电是必需的。此外，在通过CVD方法的生产方法和使用流化床反应器的生产方法中，必须从外部提供大量的能量，以将其中生产纳米碳的反应管或流化床反应器中的温度升高至特定反应温度。考虑到燃烧，不优选使用燃料提供热量，因为燃料的燃烧产生大量的二氧化碳。此外，在用于生产纳米碳的相关方法中，生产的纳米碳是昂贵的，因为需要大量的能量，并且还难以大量生产纳米碳。因此，存在的问题是，通过相关生产方法生产的纳米碳难以商业化。在此处，当借助低级烃的接触热分解生产纳米碳时，不仅获得作为目标物质的纳米碳，而且无定形碳有时沉淀在催化剂上。当无定形碳沉淀在催化剂上时，催化剂的活性下降，并且导致纳米碳的生产效率下降。认为是通过以气相的低级烃的非接触热分解或自由基反应，或通过在低级烃和催化剂的接触面上的副反应，而沉淀这样的无定形碳。在通过接触热分解生产纳米碳的相关技术方法中，难以充分地防止上述无定形碳的沉淀。因此，存在如下的问题：纳米碳的生产效率下降，并且生产装置的可靠性和持久性下降。本专利技术是在上述情况作为背景的情况下完成的；并且旨在提供纳米碳的生产方法和生产装置，其保持低的生产所需能量，能够实现纳米碳的大量生产，并且能够减小所产生的二氧化碳的量。此外，本专利技术旨在提供纳米碳的生产方法和生产装置，其：防止无定形碳的沉淀，该沉淀在低级烃接触热分解期间使催化剂的活性下降；能够实现纳米碳的有效的大量生产；并且能够减小所产生的二氧化碳的量。技术方案即根据本专利技术的第一方面，用于生产纳米碳的方法包括：通过将低级烃和氧气供应至流化催化剂或结合流体介质使用的流化催化剂来形成流化床；以及通过伴随低级烃和氧气自燃的低级烃分解反应而生产纳米碳和氢气。根据本专利技术的第二方面，在根据第一方面的用于生产纳米碳的方法中，其中，在低级烃和氧气中的氧气以25体积%或更小的比率供应。根据本专利技术的第三方面，在根据第一或第二方面的用于生产纳米碳的方法中，其中，在来自所述分解反应的排放气体中包括的二氧化碳的量是10体积%或更小，并且在来自所述分解反应的排放气体中包括的水的量是20体积%或更小。根据本专利技术的第四方面，在根据第一至第三方面中的任一方面所述的用于生产纳米碳的方法中，其中所述流化催化剂包含：包括1μm至200μm的二氧化硅载体和相对于该载体以50质量%或更小的量的镍细粒子的流化催化剂；或包括1μm至200μm的氧化铝载体和相对于该载体以50质量%或更小的量的铁细粒子的流化催化剂。根据本专利技术的第五方面，在根据第一至第四方面中的任一方面所述的用于生产纳米碳的方法中，其中将如下的流体介质添加至所述流化催化剂，该流体介质包含从200μm或更小的沙粒子、二氧化硅粒子和氧化铝粒子选择的一种或二种或更多种，并且所述流化床由该流化催化剂形成。根据本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产纳米碳的方法，包括：通过将低级烃和氧气供应至流化催化剂或结合流体介质使用的流化催化剂来形成流化床；以及通过伴随所述低级烃和所述氧气自燃的所述低级烃的分解反应来生产纳米碳和氢气。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.05.10 JP 2011-1052671.一种用于生产纳米碳的方法，包括：通过将低级烃和氧气供应至流化催化剂来形成流化床；对供给到流化床反应器的低级烃和氧气的混合气体进行加热，直到所述流化床反应器的温度已经达到所述混合气体的燃烧温度，并且供给所述混合气体以使所述混合气体与流化催化剂接触，以在所述流化床处开始低级烃和氧气的自燃；以及在供给所述混合气体的同时通过伴随所述低级烃和所述氧气的所述自燃的所述低级烃的分解反应来生产纳米碳和氢气，其中在所述混合气体中的氧气以5至25体积％的比率供应。2.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中所述流化催化剂是结合流体介质使用的流化催化剂。3.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，在来自所述分解反应的排放气体中包括的二氧化碳的量是10体积％或更小，并且在来自所述分解反应的排放气体中包括的水的量是20体积％或更小。4.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，所述流化催化剂包含：包括1μm至200μm的二氧化硅载体和相对于所述载体以50质量％或更小的量的镍细粒子的流化催化剂；或包括1μm至200μm的氧化铝载体和相对于所述载体以50质量％或更小的量的铁细粒子的流化催化剂。5.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，将如下的流体介质添加至所述流化催化剂，所述流体介质包含从200μm或更小的沙粒子、二氧化硅粒子和氧化铝粒子中选择的一种或二种或更多种，并且所述流化床由所述流化催化剂形成。6.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，所述分解反应的温度是500℃至1000℃。7.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，所述分解反应的压力是10个大气压或更小。8.根据权利要求1所述的生产纳米碳的方法，其中，在SV值在甲烷转化中是80000NL/kg-catal./h或更小的条件下，所述低级烃被供应至所述流化催化剂。9.根据权利要求8所述的用于生产纳米碳的方法，其中所述流化催化剂是结合流体介质使用的流化催化剂。10.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，在来自所述分解反应的排放气体中包括的未反应低级烃被回流并且供应至所述分解反应。11.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，所述分解反应被设置为第一段，其中，来自所述分解反应的排放气体和浓度低于所述第一段中所供应氧气的氧气被供应至第二段的流化催化剂，以便形成所述流化床，以及其中，在所述排放气体中包括的未反应低级烃伴随所述排放气体和所述氧气的自燃而被分解，以便进一步生产所述纳米碳和氢气。12.根据权利要求11所述的用于生产纳米碳的方法，其中所述流化催化剂是结合流体介质使用的流化催化剂。13.根据权利要求1所述的用于生产纳米碳的方法，其中，由所述分解反应生产的纳米碳具有1μm至500nm的直径和100μm或更小的长度。14.一种用于生产纳米碳的装置，包括：流化床反应器，所述流化床反应器包括流化床部和作为在所述流化床部上方的空间的自由板部，其中所述流化床反应器被配置成在其中含有流化催化剂，并且被配置成在被供应有低级烃和氧气的同时在其中促使所述低级烃和氧气自燃；气体供应单元，所述气体供应单元连接至...

【专利技术属性】
技术研发人员：中村谕，多田旭男，
申请(专利权)人：株式会社日本制钢所，国立大学法人北见工业大学，
类型：
国别省市：