製造碳納米管的流化床設備、碳納米管制造裝置及方法

2023-08-05 23:12:11 3

專利名稱：製造碳納米管的流化床設備、碳納米管制造裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米管制造裝置，更具體而言，涉及一種用於使 金屬催化劑顆粒流化以製造碳納米管的設備，以及一種碳納米管制造裝 置和方法。
背景技術：
碳納米管是通過使三個相鄰的碳原子與一個碳原子鍵合來形成六邊 形環狀而製成的，這些六邊形環鍵合形成六角蜂窩形的平面晶格，然後 將其巻成圓柱狀或管狀。
根據其設計方法，碳納米管是具有以下特徵的材料，它表現出金屬 導電性或半導體導電性，可廣泛應用於許多技術領域，並且可能會成為 未來的新材料。例如，碳納米管可以應用於諸如二次電池、燃料電池和 超級電容器等電化學存儲器件的端子，還可以應用於電磁輻射屏蔽裝置、 場發射顯示器和氣體傳感器。
製造碳納米管的方法多種多樣，包括放電法、雷射沉積法和熱解氣 相沉積。隨著近年來碳納米管的大量製造成為問題，利用有助於大規模 集成的流化床反應器的技術受到關注。利用流化床反應器的技術涉及到 在高溫反應器中使金屬催化劑顆粒和烴類氣體擴散並發生反應而產生碳 納米管的方法。g卩，通過在反應器內部使金屬催化劑懸浮在源氣體中並 熱解源氣體，而在金屬催化劑上生長碳納米管。
然而，這種利用流化床反應器的製造技術是一種仍處於初期階段的 技術，僅有一些研究機構開始研究，因此，其在大量製造應用中的用途 目前還難於實施。

發明內容
本發明提供一種能夠大量製造碳納米管的設備以及碳納米管大量制 造裝置和方法。
本發明還提供一種能夠防止對反應室內壁的反應引起的粘附的製造 碳納米管的設備以及碳納米管大量製造裝置和方法。
本發明還提供一種提高金屬催化劑流通的製造碳納米管的設備以及 碳納米管大量製造裝置和方法。
本發明還提供一種能夠連續製造的製造碳納米管的設備以及碳納米 管大量製造裝置和方法。
本發明還提供一種能夠提高產率的製造碳納米管的設備以及碳納米 管大量製造裝置和方法。
本發明的目的不限於此，以下說明將向本領域技術人員充分傳達未 明確提及的本發明所包括的其他目的。
本發明的實施例提供製造碳納米管的設備，所述設備包括提供在 其內金屬催化劑和源氣體相互反應以製造碳納米管的反應空間的反應 室；以及增進金屬催化劑在所述反應空間中的流化並防止金屬催化劑粘 附到所述反應室的側壁上的旋轉件。
在一些實施例中，所述旋轉件可包括在所述反應空間的邊緣處轉動 以增進流化的旋轉架。
在其他實施例中，所述旋轉件可包括向下翼，用於產生從所述反 應空間的上部到下部的向下流動，以防止小的金屬催化劑顆粒從所述反 應空間的上部逃離；以及向上翼，用於產生從所述反應空間的下部到上 部的向上流動，以防止大的金屬催化劑顆粒沉降到所述反應空間的下部。
在其他實施例中，所述旋轉件可包括驅動器；旋轉軸，它安裝在 所述反應室的反應空間中，並從所述驅動器接收旋轉力；以及旋轉架， 它安裝在所述旋轉軸上，並沿著所述反應空間的邊緣轉動。
在其他實施例中，所述旋轉架可包括與所述旋轉軸連接的支撐件； 以及與所述支撐件連接的葉片，它配置成最接近於所述反應室的側壁， 用於物理地除去粘附在所述反應室的側壁上的金屬催化劑。在其他實施例中，所述旋轉件可在其上沿著所述反應空間的長度安 裝有至少兩個所述旋轉架。
在其他實施例中，所述旋轉件還可包括安裝在所述旋轉架的上端上 的向下翼，用於產生從所述反應空間的上部到下部的向下流動，以及安 裝在所述旋轉架的下端上的向上翼，用於產生從所述反應空間的下部到 上部的向上流動。
在其他實施例中，所述反應室還可包括將源氣體擴散進所述反應空 間中的擴散板，所述旋轉件還可包括配置成最接近於所述擴散板並用於 清掃在所述擴散板上積聚的金屬催化劑並防止在所述擴散板積聚的金屬 催化劑造成的溝通作用的底面葉片。
在其他實施例中，所述反應室還可包括將所述反應空間與在源氣體 進入所述反應空間之前預熱源氣體的預熱空間隔開的擴散板，所述擴散 板可設有用於將源氣體擴散進所述反應空間中的擴散孔。
在其他實施例中，所述反應室還可包括用於防止金屬催化劑經所述 擴散板落入所述預熱空間中的絲網。
在一些實施例中，所述流化床設備還可包括安裝在所述反應空間 外部的上加熱器；以及安裝在所述預熱空間外部的下加熱器，其中所述 上加熱器可設在所述擴散板的上部，所述下加熱器可設在所述擴散板的 下部。
在本發明的其他實施例中，製造碳納米管的裝置包括包括反應室 的流體合成設備，所述反應室包括在其內金屬催化劑和源氣體相互反應 以製造碳納米管的反應空間；用於將金屬催化劑供應到所述流體合成設 備的催化劑供應單元；以及用於回收在所述流體合成設備中製造的碳納 米管的回收單元，其中所述流體合成設備包括用於防止金屬催化劑粘附
到所述反應室的側壁上的旋轉件。
在一些實施例中，所述催化劑供應單元可包括用於在所述反應室 中輸入金屬催化劑的輸入裝置；用於將金屬催化劑供應到所述輸入裝置 的供應裝置；以及用於貯存將要供應到所述供應裝置的金屬催化劑的第 一貯存裝置。在其他實施例中，所述供應裝置可包括用於貯存金屬催化劑並將 預定量的金屬催化劑供應到所述輸入裝置的排放部；在所述排放部的上 部的上封閉板和下封閉板，它們限定用預定量的所供應的金屬催化劑填 充的設定量空間，所述上封閉板和下封閉板通過移動打開和關閉其頂部 和底部而限定所述設定量空間；以及選擇性地移動所述上封閉板和所述 下封閉板的驅動件。
在其他實施例中，所述第一貯存裝置可包括第一貯存槽，它包括 用於貯存金屬催化劑的貯存空間和與所述供應裝置連接的通道；以及用
於將貯存在所述第一貯存槽中的金屬催化劑推進所述通道的推動裝置。
在其他實施例中，所述輸入裝置可包括利用不活潑氣體的壓力將金 屬催化劑輸入到所述反應室的輸入管。
在其他實施例中，所述輸入裝置還可包括振動器，它向所述輸入槽 施加振動以促進填充在所述輸入槽中的金屬催化劑擠入所述輸入管中。
在其他實施例中，所述旋轉件可包括驅動器；旋轉軸，它安裝在 所述反應室的反應空間中，並從所述驅動器接收旋轉力；以及旋轉架， 它安裝在所述旋轉軸上，並沿著所述反應空間的邊緣轉動。
在其他實施例中，所述旋轉架可包括葉片，它配置成最接近於所 述反應室的側壁，用於清掃和除去粘附在所述反應室的側壁上的金屬催 化劑；向下翼，用於產生從所述反應空間的上部到下部的向下流動，以 防止小的金屬催化劑顆粒從所述反應空間的上部逃離；以及向上翼，用 於產生從所述反應空間的下部到上部的向上流動，以防止大的金屬催化 劑顆粒沉降到所述反應空間的下部。
在其他實施例中，所述反應室可包括用於將源氣體擴散進所述反應 空間中的擴散板，所述旋轉件還可包括底面葉片，所述底面葉片配置成 最接近於所述擴散板，以防止金屬催化劑在所述擴散板上積聚造成的溝 道作用，並用於清掃在所述擴散板上積聚的金屬催化劑。
在其他實施例中，所述反應室可包括在其內金屬催化劑和源氣體 相互反應以製造碳納米管的反應空間；在源氣體進入所述反應空間之前 被預熱的預熱空間；以及將所述預熱空間和所述反應空間隔開並將源氣體排放進所述反應空間的擴散板。
在一些實施例中，所述反應室還可包括安裝在其外部的加熱器，所 述加熱器分成分別配置在所述擴散板上方和下方的上加熱器和下加熱器。
在其他實施例中，所述裝置還可包括排出單元，用於排出在通過所 述流體合成設備製造碳納米管的過程中產生的廢氣，其中所述排出單元 可包括收集與廢氣一起排出的金屬催化劑的旋風分離器；以及除去並 清洗通過所述旋風分離器的廢氣的洗滌器。
在其他實施例中，所述旋風分離器可包括圓柱狀旋風分離器主體； 用於將包括金屬催化劑的廢氣吸入所述旋風分離器主體中的進氣管；用 於在所吸入的廢氣和金屬催化劑相互分離之後僅排出廢氣的排氣管；以 及用於收集分離出來並排放的金屬催化劑的收集室。
在其他實施例中，所述回收單元可使用負壓回收在所述反應室中制 造的碳納米管。
在其他實施例中，所述回收單元可包括回收槽；以及負壓產生件， 用於在所述回收槽的內部空間中產生負壓。
在其他實施例中，所述回收單元還可包括電磁體和冷卻件，所述電 磁體用於保持在所述回收槽中回收的碳納米管，以防止碳納米管被所述 負壓產生件向周圍吹散，所述冷卻件用於防止碳納米管燃燒。
在其他實施例中，所述回收單元還可包括大容量貯存槽；以及轉 移件，用於利用下降法、加壓法或電磁法將所述回收槽中的碳納米管轉 移到所述大容量貯存槽。
在本發明的其他實施例中， 一種製造碳納米管的方法包括加熱真 空狀態的反應室；以及進行流體合成，以通過將源氣體和金屬催化劑供 應到所述反應室的反應空間中製造碳納米管，其中所述的進行流體合成 包括通過轉動安裝在所述反應空間中的旋轉件在所述反應室的側壁處強 制地產生流通，以防止金屬催化劑粘附到所述反應室的側壁上。
在一些實施例中，可利用不活潑氣體的壓力或在所述反應室中作為 負壓的真空將填充在輸入裝置中的金屬催化劑供應到所述反應室。
12在其他實施例中，所述方法還可包括回收在所述反應室中製造的碳 納米管，其中所述的碳納米管的回收可包括停止源氣體的供應，通過 供應不活潑氣體在所述反應室中產生大氣壓，然後利用負壓將碳納米管 從所述反應室回收到所述回收單元。
在其他實施例中，所述的碳納米管的回收還可包括冷卻所述回收單 元以降低所述碳納米管的溫度。
在其他實施例中，所述的反應室的加熱可包括保持將源氣體擴散進 所述反應空間的擴散板的溫度低於所述反應空間的溫度。


附圖用於進一步理解本發明，併入本說明書且構成其一部分。附圖 顯示了本發明的示例性實施例，並與說明書一起用於解釋本發明的原理。 在附圖中
圖1是根據本發明的示例性碳納米管大量製造裝置的示意圖2是圖1中的流體合成設備100的示圖3A 圖3C是根據第一實施例的旋轉件的示圖4A和圖4B是根據第二實施例的旋轉件的立體圖5是示出使用時的反應空間的圖，其中圖4A中的旋轉件產生向 下流動和向上流動；
圖6A和圖6B是顯示根據改進實施例的圖3C中的旋轉件的示圖， 旋轉件上設有向上翼和向下翼；
圖7是圖1中的第一貯存裝置的剖視圖8是圖1中的供應裝置的剖視圖9是圖1中的輸入裝置的剖視圖IO是圖1中的排出單元的示圖；以及
圖11是圖1中的回收單元的剖視圖。
具體實施例方式
下面參考圖1~圖11更詳細地描述本發明的優選實施例。然而，可 以以不同的形式體現本發明，並且不應當認為本發明限制於在此描述的 實施例。相反，提供這些實施例將使本發明內容清楚和完整，並向本領 域技術人員充分表達本發明的範圍。因此，為清楚顯示起見，附圖中的 元件尺寸被放大。
圖1是根據本發明的示例性碳納米管大量製造裝置的示意圖。
參照圖1，裝置1可以大致分成流體合成設備100、催化劑供應單元 300、排出單元500和回收單元700。流體合成設備IOO使催化劑和源氣 體一起流通，以在催化劑上製造碳納米管。催化劑供應單元300將催化 劑供應到流體合成設備100。排出單元500排出沒有在流體合成設備100 中反應的源氣體或催化劑。回收單元700從流體合成設備100回收在其 上製造碳納米管的催化劑。下面對各元件進行詳細說明。
流體合成設備
圖2是圖1中的流體合成設備100的示圖。
參照圖2，流體合成設備100在反應室112中接收含有碳(源氣體) 和金屬催化劑的氣態流體來源，並熱解源氣體，以製造氣態的碳納米管。 流體合成設備100包括反應室112、加熱器130和旋轉件160。
反應室
反應室112由諸如石英或石墨等具有高耐熱性的材料製成。反應室 112包括氣體供應埠 115、催化劑供應埠 118、回收埠 122和擴散 板126。
反應室112具有主體114和蓋子116。主體114呈圓柱狀且具有頂部 開口，提供預熱空間(PHS)和反應空間(RS)。這裡，PHS是在源氣體(SG) 進入RS之前將其預熱的空間。RS設置在PHS上方，是SG和金屬催化 劑(MC)在其內反應以製造碳納米管(CNT)的空間。
主體114包括底面114a和從底面114a延伸的側壁114b，用於限定 PHS和RS。底面114a與側壁114b —起限定PHS。用於供應SG的氣體
14供應埠 115與底面114a連接。儘管本實施例中的主體114設有一個氣 體供應埠 115，但是氣體供應埠 115的數量可以根據所供應的氣體種 類和氣體供應管線的數量增加。
在設置作為單一管時，主體114的側壁114b可以由諸如石英或石墨 等具有高耐熱性的材料製成，但是當側壁是雙重管時，還可包括具有高
耐熱性和耐壓性的金屬(如不鏽鋼)的外壁。
在熱解SG以製造CNT的過程中，MC會與壁反應。然而，通過旋 轉件可以避免這種限制，下面詳細說明旋轉件160。
蓋子116設置在主體114上方。蓋子116與主體114的頂部開口連 接，以從外部密封主體114。用於排出在形成CNT的過程中所產生的廢 氣(EG)的排出埠 117與蓋子116的中央部連接。排出埠 117與排出 單元500連接。
催化劑供應埠 118與主體114的側壁連接並將MC供應到主體 114。催化劑供應埠 118從催化劑供應單元300接收MC。催化劑供應 埠 118的出口可以穿過主體114的側壁114b並在RS內。
與源氣體管線151連接的氣體供應埠 115與主體114的下部連接。 本實施例中的流體合成設備100包括一個氣體供應埠，但是氣體供應 埠的數量可以根據反應室112的尺寸增加。
源氣體管線151與主體114的氣體供應埠 115連接。這裡，烴類 氣體，例如乙炔、乙烯、甲垸和氫氣，可以用作SG。 SG從源氣體管線 151經氣體供應埠 115進入PHS。 SG還可包括流通氣體。流通氣體不 僅用於防止因烴類氣體和MC的反應而生長的CNT由於CNT的重量而 重力下落，而且用於通過擴展反應室112內的流通區而促進烴類氣體(例 如，碳氫化合物氣體)和MC之間的反應。諸如氦氣、氮氣或氬氣等不活 潑氣體可以用作流通氣體，或者，在需要時，可以使用諸如甲烷、乙炔、 一氧化碳、二氧化碳或者氬氣與上述氣體的混合物等氣體。儘管圖中未 示出，但是不活潑氣體供應管線可以與主體114的底面114a連接，以在 處理完成之後填充反應室112的內部。擴散板126設在反應空間RS和預熱空間PHS的邊界部。即，RS和 PHS被擴散板126隔開。擴散板126面對主體114的底面114a，並置於 催化劑供應埠 118之下。擴散板126中設有多個擴散孔126a，用於將 SG均勻擴散到RS。 SG從源氣體管線151進入PHS,然後進入PHS的 SG經擴散孔126a擴散進RS。因為擴散板126受上加熱器132和下加熱 器134的影響小，因此可以保持在約400°C以下的溫度，低於PHS或 RS。絲網127安裝在擴散板126的底面上，用於防止金屬催化劑經擴散 板126的擴散孔126a落入PHS中。
流至擴散板126上部的MC被SG懸浮在RS中，並與SG反應。因 此，CNT在MC上生長。因為在MC懸浮於RS中的同時生成CNT，因 此當MC的懸浮更為活躍時，CNT的生長變得更為活躍。
在RS中於MC上生長的CNT經回收埠 122排放至外部。具體而 言，回收埠 122在接近於擴散板126的位置處與主體114的側壁114b 連接，並且在RS中設有抽吸CNT的進口 。回收埠 122與回收單元700 的回收管線711連接，並在負壓氣流的作用下由回收單元700回收其上 生長CNT的MC。
加熱器
加熱器130包括上加熱器132和下加熱器134。上加熱器132設於 擴散板126上方，下加熱器134設於擴散板126下方。上加熱器132和 下加熱器134配置成最接近於主體114的側壁114b。上加熱器132主要 加熱RS，下加熱器134主要加熱PHS。下加熱器134配置成包圍PHS， 以將PHS的溫度升至適當的溫度。因此，加熱進入PHS的SG。上加熱 器132配置成包圍RS，以將RS的溫度保持在適於活化CNT生長的約 600。C 約900°C的溫度。
因為上加熱器132和下加熱器134沒有直接輻射加熱相應於擴散板 126的區域，因此擴散板126受到上加熱器132和下加熱器134的熱影響 小。因此，擴散板126的溫度低於PHS或RS的溫度，並可以保持在約 400°C以下。這樣，通過將設置在加熱器132和134之間的擴散板126 保持在低溫下(約400°C以下)，可以防止MC在擴散板126積聚。旋轉件
旋轉件的第一實施例
圖3A 圖3C是根據第一實施例的旋轉件的示圖。
參照圖3A 圖3C，旋轉件160增進MC在RS中的流動，以防止 MC粘附到反應室112的側壁114b上。旋轉件160包括驅動器162、旋 轉軸164和旋轉架166。驅動器162安裝在反應室112外部。電機可用作 驅動器162。旋轉軸164設於RS內，並從驅動器162接收旋轉力。旋轉 架166與旋轉軸164連接。旋轉件160可以電動或非電動方式運轉。當 用於防止金屬催化劑在反應室的側壁上粘附時，旋轉件160可以慢速(約 1 10rpm)旋轉，而當用於增進反應空間中的流動水平時，可以比該慢速 更快的速度旋轉。
旋轉架166具有沿著RS的周界旋轉的葉片168。旋轉架166的葉片 168沿著RS的周界旋轉，並且物理地除去粘附在反應室112的側壁114b 上的金屬催化劑。葉片168通過支撐件167在兩端固定，支撐件167水 平地連接並固定在旋轉軸164上。支撐件167的長度與反應室112的半 徑近似，葉片168設置在支撐件167的末端。因此，葉片168配置成最 接近於反應室112的內壁。當從正面觀察時，旋轉架166呈矩形架狀並 具有中央開口。為使旋轉架166可靠旋轉，旋轉軸164的下端可被擴散 板126可旋轉地支撐著。
參照圖3A，旋轉軸164設置成在反應空間中垂直延伸。旋轉軸164 的一端可以延伸到最接近於擴散板126的位置。旋轉軸164形成為垂直 穿過旋轉架166的中央，以可靠地轉動旋轉架166。
可選擇地，如圖3B所示，旋轉軸164的端部可以延伸達到旋轉架 166的上端，並且旋轉架166可以與旋轉軸164的該端部連接。這樣可以 最小化旋轉軸164對金屬催化劑流動的幹擾。
圖3C中示出的旋轉件160設有第一旋轉架166-1和第二旋轉架 166-2，其中第一旋轉架166-1和第二旋轉架166-2接連地安裝在旋轉軸 164上。這裡，第一旋轉架166-1和第二旋轉架166-2以不同方向安裝在
17旋轉軸164上。例如，第一旋轉架166-1和第二旋轉架166-2可以安裝成 相互垂直。第一旋轉架166-1沿x-軸安裝，而第二旋轉架166-2沿y-軸 安裝。
同樣，因為旋轉件160在反應室112的RS中以電動或非電動方式 旋轉，因此可以防止MC粘附到反應室的側壁上，從而提高成品收率和 製造能力。
旋轉件的第二實施例
圖4A和圖4B是根據第二實施例的旋轉件的立體圖。圖5是示出使 用時的反應空間的圖，其中圖4A中的旋轉件產生向下流動和向上流動。
參照圖4A和圖4B，旋轉件160a包括與第一實施例中具有相同結構 和功能的驅動器162、旋轉軸164和旋轉架166。由於這些元件已經在第 一實施例的旋轉件160的說明中描述過，因此在本實施例中省略對它們 的說明。第二實施例的區別之處在於，旋轉架166具有向下翼170和向 上翼172，以在RS中提供向下流動和向上流動。
向下翼170防止小的金屬催化劑顆粒升至RS的上部。向上翼172 防止大的金屬催化劑顆粒沉降至RS的下部。向下翼170和向上翼172 可以是支撐件的替代物，或者可以將支撐件改成翼狀。可選擇地，向下 翼170和向上翼172可以安裝在支撐件上。 一個具有凹入下表面的向下 翼170可以設置在任一側上。 一個具有凹入上表面的向上翼172可以設 置在任一側上。特別地，當從側面觀察時，向下翼170和向上翼172相 互偏置。
參照圖5，當旋轉架166旋轉時，設置在上部的向下翼170產生朝 著RS下部的向下流動。這種向下流動最小化小的金屬催化劑顆粒在RS 上部的損失。此外，當旋轉架166旋轉時，設置在下部的向上翼172產 生朝著RS上部的向上流動。當然，在通過經由擴散板126供應的源氣體 能夠獲得金屬催化劑流動的同時，向上翼172產生的向上流動還使大的 金屬催化劑顆粒懸浮，不然將傾向於沉降在擴散板126上。
例如，如果升高源氣體的供應壓力以促進大的金屬催化劑顆粒的流 動，那麼小的金屬催化劑顆粒可能會從RS逃離，並與廢氣一起經排出端
18口排出。然而，當向上翼172安裝在旋轉架166上時，可以使大的金屬 催化劑顆粒懸浮，而不用升高源氣體的供應壓力。
當通過SG的壓力控制金屬催化劑在RS中的懸浮程度時，根據MC 顆粒的尺寸確定SG的壓力。通常，MC顆粒的尺寸為約0.6pm 30(^m， 這是相對較寬的顆粒分布。因此，SG的壓力以MC粒度的中值為基礎。 因此，較小的金屬催化劑顆粒可以在SG壓力的作用下經排出埠 117 排出。此外，較大的金屬催化劑顆粒可以在擴散板126的上部上積聚。 可以利用旋轉件160的向下翼170和向上翼172最小化這種限制，並且 這些翼可以在反應室112內提供更有效的強制流動(流通)。因此，由於沒 有在過高壓力下供應源氣體以使較大的金屬催化劑懸浮，這樣可以減少 源氣體的浪費。
再次參照圖3A，旋轉件160的旋轉架166可以包括在擴散板126上 方旋轉的底面葉片169。底面葉片169配置成最接近於擴散板126，用於 清掃在擴散板126上積聚的金屬催化劑(上述較大的金屬催化劑顆粒)，從 而防止金屬催化劑在擴散板126上積聚而造成溝道作用。底面葉片169 可以作為單獨的部件額外地安裝在旋轉架166上。然而，如圖3A所示， 因為安裝在旋轉架166下端的支撐件167起到底面葉片169的作用，因 此不需要額外地安裝單獨的底面葉片。
儘管在本實施例中的葉片顯示出固定地安裝在向上翼172和向下翼 170上，但是如果翼的長度(尺寸)很小，那麼葉片可以安裝在支撐件上。 如圖4B所示，向下翼170和向上翼172可以分別在旋轉架166的上端和 下端安裝成三排，並且可以根據需要增加或減小翼的數量。
圖6A和圖6B是顯示根據改進實施例的圖3C中的旋轉件的示圖， 旋轉件上設有向上翼和向下翼。
參照圖6A和圖6B，旋轉件160b設有第一旋轉架166-1和第二旋轉 架166-2，其中第一旋轉架166-1和第二旋轉架166-2接連地安裝在旋轉 軸164上。這裡，第一旋轉架166-1沿x-軸方向安裝，而第二旋轉架166-2 沿y-軸方向安裝。向下翼170在第一旋轉架166-1上以三級結構安裝， 而向上翼172在第二旋轉架166-2上以三級結構安裝。這樣構造的旋轉 件160b發揮與上述相同的功能。催化劑供應單元
再次參照圖1，催化劑供應單元300包括催化劑製造裝置302、第一 貯存裝置310、供應裝置320和輸入裝置350。
在催化劑製造裝置302中製造金屬催化劑。在催化劑製造裝置302 中製造的金屬催化劑貯存在第一貯存裝置310中。在需要時，貯存在第 一貯存裝置310中的金屬催化劑被供應到供應裝置320。
第一貯存裝置
圖7是圖1中的第一貯存裝置的剖視圖。
第一貯存裝置310包括第一貯存槽312和推動裝置316。第一貯存 槽312具有貯存可被流體合成設備100使用數十次的金屬催化劑的艙室 312a以及與供應裝置320連接的通道313。通道313設置在第一貯存槽 312的頂部。推動裝置316用於將貯存在第一貯存槽312中的金屬催化劑 推進通道313。推動裝置316包括安裝在第一貯存槽312內並能夠垂直移 動的加壓板317以及用於升降加壓板317的升降驅動器318。作為用於升 降加壓板317的裝置，升降驅動器318可以利用直線驅動機構，如液壓 氣缸/氣動氣缸驅動的機構、馬達和滾珠絲槓機構，這些是本領域中公知 的驅動機構，因此未提供對它們的詳細說明。當忙存在供應裝置320中 的金屬催化劑下降到低於預定水平時，安裝在供應裝置320中的量檢測 傳感器(圖未示)檢測到這種條件，並將檢測信號提供至推動裝置316。推 動裝置316根據從量檢測傳感器接收到的信號(提供關於金屬催化劑的量
已經下降到低於預定水平的通知的信號)升高加壓板317，從而將ie存在
第一貯存槽312中的一部分金屬催化劑經通道313供應到供應裝置320。 供應裝置
圖8是圖1中的供應裝置的剖視圖。
供應裝置320具有貯存可以在流體合成設備100中使用數次的金屬 催化劑量的第二貯存槽321。第二貯存槽321包括上表面322、側表面324
20和限定排放埠 326a的下表面326。側表面324包括基本上垂直的上部 324a、從上部324a向下延伸同時逐漸向內傾斜的中部324b以及從中部 324b沿基本上垂直方向向下延伸以提供窄通道的下部324c。在上述結構 中，如果各空間具有相同高度，那麼與下部324c所提供的空間相比，更 大量的金屬催化劑(MC)可以C:存在由上部324a所提供的空間中。中部 324b的上述形狀能夠使上部324a所提供的空間內的MC容易地被供應到 下部324c所提供的空間內。
用於供應將要被流體合成設備100使用一次的設定量的金屬催化劑 的設定量供應部330安裝在第二貯存槽321中。
設定量供應部330包括上封閉板334和下封閉板332，它們限定在 其內可以填充設定量MC的設定量空間331。上封閉板334和下封閉板 332設在下部324c中。設定量空間331設置在第二貯存槽321的排放端 口 326a的上方，上封閉板334設置在設定量空間331的頂部，下封閉板 332設置在設定量空間331的底部。通過諸如氣缸等驅動件336操作上封 閉板334和下封閉板332以打開和關閉。當上封閉板334關閉且下封閉 板332也關閉時，設定量的金屬催化劑填充下封閉板332和上封閉板334 之間的設定量空間331。
當下封閉板332打開時，填充在設定量空間331中的MC經排放端 口 326a供應到輸入裝置350。用於攪拌MC的攪拌器325安裝在第二貯 存槽321的中部324b內。攪拌器325轉動以起到在金屬催化劑被供應到 設定量空間331之前除去第二貯存槽321內的空隙、引起自然下降和將 MC供應到設定量空間331的作用。
輸入裝置
圖9是圖1中的輸入裝置的剖視圖。
輸入裝置350包括輸入槽352、用於將金屬催化劑從輸入槽352供 應到反應室112的輸入排放管358以及用於對輸入槽352的內部空間加 壓的不活潑氣體供應管357。輸入排放管358的進口 358a配置成遠離輸 入槽352的底面。此外，不活潑氣體供應管357被構造成圍繞輸入排放管358的套管。輸入槽352包括用於從上面的供應裝置320供應金屬催 化劑的進入埠 354。輸入裝置350利用從不活潑氣體供應管357中提供 的不活潑氣體的加壓以及反應室112內部的略微負壓，經輸入排放管358 將填充在輸入槽352中的金屬催化劑供應到反應室112。當安裝在輸入排 放管358上的打開/關閉閥359打開時，在反應室112和輸入槽352之間 的壓力差的作用下，輸入槽352中的金屬催化劑與不活潑氣體一起經輸 入排放管358被導入反應室112中。用於向輸入槽352施加振動以促進 金屬催化劑導入輸入排放管358中的振動器360安裝在輸入槽352上。 儘管圖中未顯示，但是供應到輸入槽352的不活潑氣體與金屬催化劑一 起被供應到輸入排放管358。
排出單元
圖IO是圖1中的排出單元的示圖。
排出單元500是排出和處理在從流體合成設備100製造碳納米管的 過程中未反應的氣體以及反應後殘留氣體(廢氣)的部分。排出單元500 包括旋風分離器510、洗滌器530和殘留氣體檢測器550。
旋風分離器510用於從包括金屬催化劑的廢氣分離金屬催化劑。旋 風分離器510包括圓柱狀旋風分離器主體512、用於將包括金屬催化劑的 廢氣導入旋風分離器主體512中的進氣管514、用於在導入的廢氣和金屬 催化劑相互分離之後僅排出分離的氣體的排氣管516以及用於收集從廢 氣分離出來並排放的金屬催化劑的收集室518。收集室518收集的金屬催 化劑可被流體合成設備100再次使用。
洗滌器530除去並過濾已經通過旋風分離器510的廢氣。殘留氣體 檢測器550安裝在排氣管516上，以連接旋風分離器510與洗滌器530。 殘留氣體檢測器550，作為氣相色譜(GC)裝置，進行殘留氣體分析(RGA)。
殘留氣體檢測器550用於檢測在廢氣中是否殘留有源氣體(特別是氫 氣)，並用於確定從反應室112回收碳納米管的點。因為負壓被連續地施 加到殘留氣體檢測器550上以抽吸氣體，因此可以控制閥(圖未示)以僅在 所需的階段檢測廢氣中的殘留氣體。可以根據殘留氣體檢測器550所檢測到的殘留氣體的濃度從流體合成設備100回收碳納米管。例如，當完成在流體合成設備100中合成碳納米管時，供應吹洗氣體(不活潑氣體)
以在反應室112內形成不活潑氣氛，其後回收單元700回收碳納米管。如果殘留氣體檢測器550檢測出殘留氣體中的氫氣濃度值超過預定值，那麼安裝在連接流體合成設備的反應室112與回收單元700的回收管線711中的閥711a保持關閉狀態。相反，如果殘留氣體檢測器550檢測出殘留氣體中的氫氣濃度值低於預定值(優選地，根本未檢測到)，那麼打開回收管線711的閥711a以進行碳納米管的回收處理。
回收單元
圖11是圖1中的回收單元的剖視圖。
參照圖ll，回收單元700使用負壓回收在反應室中製造的碳納米管。回收單元700包括回收槽710、負壓產生件720、電磁體730、冷卻件740和大容量貯存槽750。
回收槽710具有尺寸能夠容納約1~約3次在反應室中製造的碳納米管回收處理的回收空間712。負壓產生件720安裝在回收空間712的上部，過濾器714安裝在該負壓產生件下方，用於防止回收空間712回收的碳納米管由於負壓而進入負壓產生件720。與排出單元500的洗滌器530連接的排氣管718安裝在回收槽710的頂部。因為如果在碳納米管的回收處理過程中在反應室內部殘留有殘留氣體則有爆炸的危險，因此從回收槽710排出的空氣被供應到排出單元500的洗滌器530。
負壓產生件720在回收槽710內部的回收空間內形成低於反應室中壓力的內部壓力(負壓)。泵可以用作負壓產生件720。回收槽710的尺寸越大，負壓產生件720的容量就必須越大，尤其是，回收槽710的尺寸越大，產生負壓所需時間越長。因此，回收槽710具有能夠進行約1~約3次碳納米管回收的尺寸。
通過冷卻件740使回收槽710冷卻。在反應室中製造的碳納米管是高溫的。當高溫(500。C或更高)的碳納米管與氧氣接觸時，它們會氧化和燃燒。為冷卻回收槽710，其內部可以用不活潑氣體填充，這樣會消耗大量的不活潑氣體。然而，冷卻件740被用於快速冷卻並將碳納米管保持
在約400。C或更低的溫度，以防止碳納米管氧化和燃燒。.
電磁體730安裝在回收槽710的底面上。電磁體730用於防止在回收槽710中回收的碳納米管向周圍吹散。在碳納米管的回收處理過程中，當由負壓產生件720在回收槽710中產生負壓時，已經沉積的碳納米管被向周圍吹散並堵塞過濾器。當過濾器714被碳納米管逐漸堵住時，負壓逐漸降低，因此回收效率下降。然而，當使用電磁體730時，因為在磁力的作用下可以防止在回收槽710中回收的碳納米管被向周圍吹散，因此可以減小過濾器被碳納米管堵住。
在回收槽710中回收的碳納米管被轉移到大容量槽750。從回收槽710到大容量貯存槽750進行轉移的轉移件760可以利用下降法、加壓法、電磁法等。然後，根據需要，貯存在大容量槽750中的碳納米管可以由包裝容器780以預定量進行包裝。
下面將對大量製造上述碳納米管的裝置進行簡要說明。加熱器130加熱反應室112以將反應空間(RS)中的溫度升至所需溫度(約600°C或更高)並保持在該溫度。這裡，保持擴散板126的溫度低於RS的溫度。催化劑供應單元300將金屬催化劑供應到反應室112的RS，並在預熱空間(PHS)中預熱源氣體後，經擴散板126將其供應到RS。通過擴散孔126a的源氣體(SG)使金屬催化劑在RS中懸浮，並與SG反應以製造碳納米管(CNT)。
在此過程中，旋轉件160緩慢轉動以防止金屬催化劑粘附到反應室112的側壁114b上和防止積聚在擴散板126上。此外，在RS上部的旋轉件160的向下翼170產生向下流動，在RS下部的旋轉件160的向上翼172產生向上流動。旋轉件160產生的向下流動可以最小化小的金屬催化劑顆粒逃離到RS的上部，向上流動有助於使具有在擴散板126上沉降傾向的大的金屬催化劑顆粒懸浮。因此，可以最小化在流通和反應過程中金屬催化劑的粒度相關失效的限制，並可以提高合成產率。此外，可以減少源氣體的使用量，從而降低製造成本。
在反應室112中製造CNT的同時，在RS中產生的廢氣(EG)經反應室112頂部的排出埠 117被吸入排出單元500。在經排出通道供應的
24EG中包括金屬催化劑(小粒度)時，在旋風分離器510中分離與EG —起 排出的金屬催化劑，並被收集室收集，以便後來再次使用。
當在反應室112中完成CNT的製造時，反應室112的內部用不活潑 氣體填充以除去源氣體，其後於其上生長CNT的金屬催化劑經回收管線 711被供應到回收單元700。利用回收單元700中的負壓，回收其上已經 生長了 CNT的金屬催化劑。此外，通過降低回收單元700中的已回收的 金屬催化劑(其上已經生長了 CNT)的溫度，可以防止CNT的氧化和燃燒。 重複進行上述過程。
根據本發明，可以防止金屬催化劑顆粒對反應室內壁的反應引起的 粘附以及與內壁反應。
此外，本發明可以防止金屬催化劑在擴散板上積聚造成的溝道作用。
此外，本發明可以減少源氣體的使用量。
此外，本發明可以供應固定量的金屬催化劑。
此外，本發明可以快速回收於其上生長碳納米管的金屬催化劑。
此外，本發明可以連續地製造碳納米管。
此外，本發明可以防止金屬催化劑損失。
此外，本發明可以提高生產性並降低碳納米管的製造成本。
上述主題被認為是說明性的，而不是限制性的，並且所附權利要求 書意圖覆蓋落入本發明真實精神和範圍內的所有修改、增加和其他實施 例。因此，在法律允許的最大程度內，本發明的範圍將由所附權利要求 書及其等同物的最寬允許解釋來確定，而不應受前述詳細說明的約束或 限制。
權利要求
1. 一種製造碳納米管的流化床設備，所述流化床設備包括提供在其內金屬催化劑和源氣體相互反應以製造碳納米管的反應空間的反應室；以及增進金屬催化劑在所述反應空間中的流化的旋轉件。
2. 如權利要求l所述的流化床設備，其中所述旋轉件包括在所述反應空間的邊緣處轉動的旋轉架。
3. 如權利要求l所述的流化床設備，其中所述旋轉件包括 向下翼，用於產生從所述反應空間的上部到下部的向下流動，以防止小的金屬催化劑顆粒從所述反應空間的上部逃離；以及向上翼，用於產生從所述反應空間的下部到上部的向上流動，以防 止大的金屬催化劑顆粒沉降到所述反應空間的下部。
4. 如權利要求l所述的流化床設備，其中所述旋轉件包括 驅動器；旋轉軸，它安裝在所述反應室的反應空間中，並從所述驅動器接收 旋轉力；以及旋轉架，它安裝在所述旋轉軸上，並沿著所述反應空間的邊緣轉動。
5. 如權利要求4所述的流化床設備，其中所述旋轉架包括 與所述旋轉軸連接的支撐件；以及與所述支撐件連接的葉片，它配置成最接近於所述反應室的側壁， 用於物理地除去粘附在所述反應室的側壁上的金屬催化劑。
6. 如權利要求2所述的流化床設備，其中所述旋轉件在其上沿著所 述反應空間的長度安裝有至少兩個所述旋轉架。
7. 如權利要求2所述的流化床設備，其中所述旋轉件還包括安裝在所述旋轉架的上端上的向下翼，用於產生從所述反應空間的上部到下部 的向下流動。
8. 如權利要求2所述的流化床設備，其中所述旋轉件還包括安裝在 所述旋轉架的下端上的向上翼，用於產生從所述反應空間的下部到上部 的向上流動。
9. 如權利要求2所述的流化床設備，其中所述旋轉件還包括安裝在所述旋轉架上並具有凹入下表面的向下翼；以及安裝在所述旋轉架上、在所述向下翼的下方並具有凹入上表面的向 上翼。
10. 如權利要求2所述的流化床設備，其中所述反應室還包括將源 氣體擴散進所述反應空間中的擴散板，所述旋轉件還包括配置成最接近 於所述擴散板並用於清掃在所述擴散板上積聚的金屬催化劑的底面葉 片。
11. 如權利要求1所述的流化床設備，其中所述反應室還包括將所 述反應空間與在源氣體進入所述反應空間之前預熱源氣體的預熱空間隔 開的擴散板，所述擴散板設有用於將源氣體擴散進所述反應空間中的擴 散孔。
12. 如權利要求11所述的流化床設備，其中所述反應室還包括用於 防止金屬催化劑經所述擴散板落入所述預熱空間中的絲網。
13. 如權利要求ll所述的流化床設備，還包括 安裝在所述反應空間外部的上加熱器；以及 安裝在所述預熱空間外部的下加熱器，其中所述上加熱器設在所述擴散板的上部，所述下加熱器設在所述 擴散板的下部。
14. 一種製造碳納米管的裝置，包括包括反應室的流體合成設備，所述反應室包括在其內金屬催化劑和 源氣體相互反應以製造碳納米管的反應空間；用於將金屬催化劑供應到所述流體合成設備的催化劑供應單元；以及用於回收在所述流體合成設備中製造的碳納米管的回收單元， 其中所述流體合成設備包括用於防止金屬催化劑粘附到所述反應室 的側壁上的旋轉件。
15. 如權利要求14所述的裝置，其中所述催化劑供應單元包括 用於在所述反應室中輸入金屬催化劑的輸入裝置； 用於將金屬催化劑供應到所述輸入裝置的供應裝置；以及 用於貯存將要供應到所述供應裝置的金屬催化劑的第一lt存裝置。
16. 如權利要求15所述的裝置，其中所述供應裝置包括 用於貯存金屬催化劑並將預定量的金屬催化劑供應到所述輸入裝置的排放部；在所述排放部的上部的上封閉板和下封閉板，它們限定用預定量的 所供應的金屬催化劑填充的設定量空間，所述上封閉板和下封閉板通過 移動打開和關閉其頂部和底部而限定所述設定量空間；以及選擇性地移動所述上封閉板和所述下封閉板的驅動件。
17. 如權利要求16所述的裝置，其中所述第一ft存裝置包括 第一貯存槽，它包括用於貯存金屬催化劑的貯存空間和與所述供應裝置連接的通道；以及用於將貯存在所述第一貯存槽中的金屬催化劑推進所述通道的推動 裝置。
18. 如權利要求15所述的裝置，其中所述輸入裝置包括利用不活潑 氣體的壓力將金屬催化劑輸入到所述反應室的輸入管。
19. 如權利要求18所述的裝置，其中所述輸入裝置還包括振動器， 它向所述輸入槽施加振動以促進填充在所述輸入槽中的金屬催化劑擠入 所述輸入管中。
20. 如權利要求14所述的裝置，其中所述旋轉件包括 驅動器；旋轉軸，它安裝在所述反應室的反應空間中，並從所述驅動器接收 旋轉力；以及旋轉架，它安裝在所述旋轉軸上，並沿著所述反應空間的邊緣轉動。
21. 如權利要求20所述的裝置，其中所述旋轉架包括葉片，它配置成最接近於所述反應室的側壁，用於清掃和除去粘附 在所述反應室的側壁上的金屬催化劑；向下翼，用於產生從所述反應空間的上部到下部的向下流動，以防 止小的金屬催化劑顆粒從所述反應空間的上部逃離；以及向上翼，用於產生從所述反應空間的下部到上部的向上流動，以防 止大的金屬催化劑顆粒沉降到所述反應空間的下部。
22. 如權利要求20所述的裝置，其中所述反應室包括用於將源氣體 擴散進所述反應空間中的擴散板，所述旋轉件還包括底面葉片，所述底 面葉片配置成最接近於所述擴散板，以防止金屬催化劑在所述擴散板上 積聚造成的溝道作用，並用於清掃在所述擴散板上積聚的金屬催化劑。
23. 如權利要求14所述的裝置，其中所述反應室包括 在其內金屬催化劑和源氣體相互反應以製造碳納米管的反應空間； 在源氣體進入所述反應空間之前被預熱的預熱空間；以及 將所述預熱空間和所述反應空間隔開並將源氣體排放進所述反應空間的擴散板。
24. 如權利要求23所述的裝置，其中所述反應室還包括安裝在其外 部的加熱器，所述加熱器分成分別配置在所述擴散板上方和下方的上加熱器和下加熱器。
25. 如權利要求14所述的裝置，還包括排出單元，用於排出在通過所述流體合成設備製造碳納米管的過程中產生的廢氣，其中所述排出單元包括收集與廢氣一起排出的金屬催化劑的旋風分離器；以及除去並清洗通過所述旋風分離器的廢氣的洗滌器。
26. 如權利要求25所述的裝置，其中所述旋風分離器包括 圓柱狀旋風分離器主體；用於將包括金屬催化劑的廢氣吸入所述旋風分離器主體中的進氣管；用於在所吸入的廢氣和金屬催化劑相互分離之後僅排出廢氣的排氣 管；以及用於收集分離出來並排放的金屬催化劑的收集室。
27. 如權利要求14所述的裝置，其中所述回收單元使用負壓回收在 所述反應室中製造的碳納米管。
28. 如權利要求27所述的裝置，其中所述回收單元包括 回收槽；以及負壓產生件，用於在所述回收槽的內部空間中產生負壓。
29. 如權利要求28所述的裝置，其中所述回收單元還包括電磁體， 用於保持在所述回收槽中回收的碳納米管，以防止碳納米管被所述負壓 產生件向周圍吹散。
30. 如權利要求27所述的裝置，其中所述回收單元還包括用於防止 碳納米管燃燒的冷卻件。
31. 如權利要求28所述的裝置，其中所述回收單元還包括大容量貯存槽；以及轉移件，用於利用下降法、加壓法或電磁法將所述回收槽中的碳納 米管轉移到所述大容量貯存槽。
32. —種製造碳納米管的方法，包括 加熱真空狀態的反應室；以及進行流體合成，以通過將源氣體和金屬催化劑供應到所述反應室的 反應空間中製造碳納米管，其中所述的進行流體合成包括通過轉動安裝在所述反應空間中的旋 轉件在所述反應室的側壁處強制地產生流通，以防止金屬催化劑粘附到 所述反應室的側壁上。
33. 如權利要求32所述的方法，其中利用不活潑氣體的壓力將填充 在輸入裝置中的金屬催化劑供應到所述反應室。
34. 如權利要求32所述的方法，還包括回收在所述反應室中製造的 碳納米管，其中所述的碳納米管的回收包括停止源氣體的供應，通過供應不活潑氣體在所述反應室中產生大氣 壓，然後利用負壓將碳納米管從所述反應室回收到所述回收單元。
35. 如權利要求34所述的方法，其中所述的碳納米管的回收還包括 冷卻所述回收單元以降低所述碳納米管的溫度。
36. 如權利要求32所述的方法，其中所述的反應室的加熱包括保持 將源氣體擴散進所述反應空間的擴散板的溫度低於所述反應空間的溫 度。
全文摘要
本發明提供一種製造碳納米管的設備。該設備包括反應室和旋轉件。該反應室提供在其內金屬催化劑和源氣體相互反應以製造碳納米管的反應空間。該旋轉件增進金屬催化劑在該反應空間中的流化，以提高生產性和提高氣體轉化率，而降低碳納米管的價格，並防止金屬催化劑粘附到該反應室的側壁上。
文檔編號C01B31/02GK101475159SQ20081017208
公開日2009年7月8日 申請日期2008年10月29日 優先權日2007年12月31日
發明者全鍾官, 張碩元, 鄭忠憲, 黃湖水 申請人:細美事有限公司