碳纳米管的合成装置的制作方法

文档序号:3469727阅读:293来源:国知局
专利名称:碳纳米管的合成装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管合成装置的结构。
背景技术
已知可将气相流动法作为一种碳纳米管的合成方法。在该方法中,包含碳源、催化 剂等的物料被输送到加热的圆柱形反应器管内,且使碳纳米管在反应器管中以漂浮的状态 生长。最近,碳纳米管已作为一种具有新可能性的新材料引人关注,且人们已对其工业用途 进行了考察。对于工业用途,要求提高碳纳米管的产量。专利文献1中公开了一种通过增大实验室级反应器管的直径和增加物料喷射喷 嘴的数量提高产率的技术。其中,为消除反应器管内温度的不均勻性,在反应器管内安装有 内部加热源。专利文献1 日本特开平2005-41752号专利公报。
发明内容
在碳纳米管的生产中,除产量外,还要求提高产率,即增加具有期望结构的碳纳米 管的比例。例如,如果要获得单壁碳纳米管,应抑制多壁碳纳米管、无定形碳等的沉积。本 发明的一个有利之处在于可提供一种能获得较高产量和产率的合成器。本发明的碳纳米管合成器包括圆柱形反应器管,该反应器管由加热装置加热,该 加热装置为圆柱形加热元件;在反应器管内安装有管状或柱状内部加热源,该加热源具有 与反应器管的轴平行的轴;由多个物料喷射喷嘴将物料和载气沿与反应器管的轴平行的方 向输送到反应器管内。供应载气,以使其包围被喷射物料。安装喷嘴,使喷嘴之一与最接近 该喷嘴的两个加热体(环向加热元件或内部加热源)之间的距离为第一距离,以及从该喷 嘴到最接近该喷嘴的喷嘴的距离为第二距离,且第二距离是第一距离的两倍或更多。根据本发明,可提高碳纳米管合成器的产率。


图1显示这一实施例中碳纳米管生产装置的简要结构;图2显示喷嘴和内部加热源的一个布置实施例;图3显示喷嘴和内部加热源的一个布置实施例;图4显示喷嘴和内部加热源的一个布置实施例;图5显示喷嘴和内部加热源的一个布置实施例;以及图6显示喷嘴和内部加热源的一布置实施例。10碳纳米管生产装置;16合成器;20反应器管(环向加热元件);24、34、44、54a、 54b、64a、64b 内部加热源;26、36、46、56a、56b、66a、66b 物料喷射喷嘴。
具体实施例方式下面将结合附图,对本发明的一实施例进行说明。图1为碳纳米管生产装置10的 简要结构图。碳纳米管生产装置10包括用于供应物料的物料供应装置12、用于供应载气的 载气供应装置14、用于由物料合成碳纳米管的合成器16、以及用于收集合成碳纳米管的收 集装置18。物料包括碳源、催化剂和助剂。载气不直接与碳纳米管的合成相关,但可用于调 节合成器16中物料的反应条件。合成器16包括大体上为圆柱形的反应器管20和加热装置22,且加热装置22包 围反应器管20安装。反应器管20的安装方式可使其圆柱轴沿垂直方向即重力作用的方向 延伸。该处的“重力”概念包括由惯性力引起的拟重力,例如分子间力,以及除此以外的离 心力。反应器管20由加热装置22加热,该加热装置22具有高温,且为环向加热元件,用于 加热所述反应器管20的内壁。在反应器管20内还安装有内部加热源24。内部加热源24 可呈管状或柱状,或优选呈圆管状或圆筒状,且其安装方式可使其轴与反应器管20的圆柱 轴平行。在本实施例中使用圆筒状。该处的“平行”概念也包括反应器管20与内部加热源 24的同轴安装。可安装单个或多个内部加热源,本文稍后将描述其安装方式。对于加热装 置22和内部加热源24,例如可使用电阻式加热元件。在反应器管20内安装有用于供应物料和载气的多个喷嘴26。物料中使用过渡金 属化合物作为催化剂和反应助剂,这些催化剂和反应助剂通过以前的调节被添加到含有碳 源的溶剂中,且由物料供应装置12通过泵将物料输送给喷嘴26。此外,物料从喷嘴26末端 以细小液滴粒子形式被喷射到反应器管20内。在由质量流量计控制适当流量的情况下,由 载气供应装置14将载气从喷嘴26的周围输送到反应器管20内。喷嘴26末端部分的构造 可使喷嘴26将物料和载气分开输送到反应器管内。从喷嘴26末端的中心喷射物料,且从 末端的周围部分供应载气,从而形成截面为环状且围绕物料液滴的流经过反应器管。物料液滴在向下流经反应器管20时,接收来自环向加热元件和内部加热源的热 量,且与由碳源热分解产生的碳、由过渡金属化合物热分解产生的金属粒子、以及助剂作 用,合成碳纳米管。包含合成碳纳米管的排放气体从反应器管20的底部排出,并输送到收 集装置18。碳纳米管与排放气体在收集装置18处被分离和收集。随后将描述内部加热源24和喷嘴26的安装。在下列各个安装实施例中显示了与 反应器管20的轴剖面直交的安装方式。图2是图1中合成器16的横剖面。图中显示的实 施例具有单一单元的内部加热源24和6个单元的喷嘴26。内部加热源24是一种环向加热 元件,它与反应器管20同轴安装。喷嘴26被安装在圆环28上,且与反应器管20的内壁和 内部加热源24的周向表面相距相等的距离a。此外,喷嘴26的安装可使相邻喷嘴间的距离 b约为距离a的两倍。距离a是指从合成器获得的喷嘴与反应器管内壁表面间的距离,且在 该合成器中单一喷嘴被置于反应器管的中心,以合成高产量和高质量的碳纳米管。可考虑 安装内部加热源和喷嘴,以使在该距离a处为一个喷嘴至少提供两个加热体(反应器管和 内部加热源);或更优选地,可考虑将该喷嘴安装在两个加热源之间。存在以下情形,即两 个加热源是反应器管和单一单元的内部加热源,以及两个加热源是反应器管和两个内部加 热源。此外,认为距离a是由相邻喷嘴26供应的物料流和载气流不干扰反应器管内壁时的 距离。在图2所示的实施例中,通过将距离b增大到约为距离a的两倍,可避免由相邻喷嘴 喷射的物料流和载气流发生相互干扰。从避免流体相互干扰的角度看,可理解距离b优选为距离a的两倍或更多。被安装的喷嘴数量越多,产率就越高,且由这一观点看,距离b越 短越好,且将距离b优选设定为距离a的两倍。为使距离b达到距离a的两倍,可调节内部 加热源24的直径。图3显示内部加热源和喷嘴的另一安装实施例。其中安装有三个单元的内部加热 源34和六个单元的喷嘴36。由反应器管20的内壁形成的圆环被分为三个部分。内部加 热源34的中心位于圆环32的中心,该圆环32内接在该部分两端的半径范围30中。使圆 环32与内部加热源34之间的距离为a,且圆环32经过内部加热源34的周向壁与反应器管 20的内壁之间的中点。喷嘴36被安装在圆环32之间的接触点上;确定内部加热源34的直 径,以使喷嘴之间的距离b是距离a的两倍或更多,且内部加热源34的周向壁与反应器管 20的内壁之间的最短距离是2a。从另一角度看,图3中的安装方式如下。三个内部加热源 34被安装在与反应器管20同心的单一圆周上。对于一个内部加热源34,一个喷嘴36被安 装在其与反应器管20之间,且喷嘴与三个内部加热源一一对应。此外,在相邻内部加热源 34之间安装有一个喷嘴36,且总共安装有三个喷嘴。图4显示内部加热源和喷嘴的又一安装实施例。其中安装有四个单元的内部加热 源44和八个单元的喷嘴46。安装方法基本上与图3中的相同。在图3中,由反应器管20 的内壁形成的圆环被等分为三个部分。但在图4所示的实施例中,该圆环被等分为四个部 分。然后,安装内部加热源44,使其中心位于圆环42的中心,且圆环42内接在所述部分两 端的半径范围40中。使圆环42与内部加热源44之间的距离为a,且圆环42经过内部加 热源44的周向壁与反应器管20的内壁之间的中点。确定内部加热源44的直径,以使喷嘴 46被安装在圆环42之间的接触点上,喷嘴之间的距离b是距离a的两倍或更多,且内部加 热源44的周向壁与反应器管20的内壁之间的最短距离是2a。同样可增加内部加热源44 的数量。从另一角度看,图4中的安装方式如下。四个内部加热源44被安装在与反应器管 20同心的单一圆周上。对于一个内部加热源44,一个喷嘴46被安装在其与反应器管20之 间,且喷嘴与四个内部加热源一一对应。此外,在相邻内部加热源44之间安装有一个喷嘴 46,且总共安装有四个喷嘴。在图3和图4显示的安装实施例中,多个内部加热源34或44被安装在单一圆周 上;但如果增加内部加热源的数量,可在内相应地布置更多的内部加热源位置。在图5所示 实施例中,六个单元的内部加热源54b被安装在单一圆周上,且另一内部加热源54a被安装 在这些内部加热源54b内。可类似于图3和图4中的安装实施例,确定六个内部加热源54b 和喷嘴56a的安装。由于具有与反应器管20相同的中心,可确定内接在圆环52中的圆环 57。可确定内部加热源54b的直径,以使圆环57与周向壁之间的距离变成a。如果在单一 圆周上安装有六个单元的内部加热源54b,则内部加热源54a和54b的直径变得相等。喷嘴 56b也被安装在圆环52与圆环57之间的接触点上。从另一观点看,图5中的安装方式如 下。内部加热源54a与反应器管20同轴安装。六个内部加热源54b被安装在与反应器管 20同心的单一圆周上。各个喷嘴被安装在位于反应器管20圆周上的六个内部加热源54b 的各个之间,即总共安装有六个喷嘴;各个喷嘴被安装在六个内部加热源54b的各个之间, 且内部加热源54a被安装在中心,即总共安装有六个喷嘴;此外,各个喷嘴被安装在位于单 一圆周上的相邻内部加热源54b之间,即总共安装有六个喷嘴。图6显示内部加热源和喷嘴的再一安装实施例。在该实施例中,内部加热源64a和64b和喷嘴66a和66b被同心交替安装。此外,内部加热源64a和64b和喷嘴66a和66b 被等间距安装在同一圆周上。内部加热源64a被安装在反应器管20的中心,喷嘴66a被 安装在其外相同的圆周上,且在这些喷嘴66a外部更远的内部加热源64b以及在这些喷嘴 66a外部又更远的喷嘴66b被安装在各个相同的圆周上。内部加热源64a和64b的各个周 向壁之间的距离是2a,且喷嘴66a被安装在中点处。喷嘴66a的数量是内部加热源64b的 一半,以使喷嘴66a之间的间距b是2a或更多。即喷嘴66a_l被安装在一条连接内部加热 源64b-l的中心(参见图6)与内部加热源64a的中心的线上。喷嘴66a_2被安装在一条 连接内部加热源64b-3与内部加热源64a的中心的线上,且所述内部加热源64b_3从上述 内部加热源64b-l越过内部加热源64b-2。确定内部加热源64a的直径和内部加热源64b 的数量,以使相邻喷嘴66a之间的距离是2a或更多。 外部喷嘴66b与内部加热源64b—一对应安装。反应器管20的内部周向壁与外 部的内部加热源64b的周向壁之间的距离是2a,且喷嘴66b被安装在中点处。此外,对于喷 嘴66b,确定内部加热源64b的数量和内部加热源64a和64b的直径,以使相邻喷嘴之间的 距离b是2a或更多。
权利要求
一种碳纳米管合成器,包括圆柱形反应器管,由加热装置加热,且该加热装置为环向加热元件;至少一个管状或柱状内部加热源,这些加热源被安装在所述反应器管中,且具有与所述反应器管的轴平行的轴;以及多个喷嘴,用于将物料和载气沿与所述反应器管的轴平行的方向喷射到所述反应器管内,且在所述反应器管中供应有所述载气,以使所述载气包围所述被供应物料;其中所述喷嘴与最接近该喷嘴的两个加热体之间的距离是第一距离,且所述两个加热体是指所述环向加热元件和所述内部加热源;从所述喷嘴到最接近该喷嘴的喷嘴的距离是第二距离,该第二距离是所述第一距离的两倍或更多。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管合成器,其中所述反应器管和一个单元的所述内 部加热源同轴安装。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管合成器,其中多个所述内部加热源被安装在与所述反应器管同心的单一圆周上;以及各个所述喷嘴被安装在各个所述内部加热源与所述反应器管之间、以及在所述相邻内 部加热源之间。
4.根据权利要求3所述的碳纳米管合成器,其中所述内部加热源的数量是三个。
5.根据权利要求3所述的碳纳米管合成器,其中所述内部加热源的数量是四个。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管合成器,其特征在于所述内部加热源中的一个相对于所述反应器管被同轴安装,且六个单元被安装在与所 述反应器管同心的单一圆周上;以及各个所述喷嘴被安装在位于所述圆周上的各个所述内部加热源与所述反应器管之间、 在与所述反应器管同轴的所述内部加热源之间、以及在位于所述圆周上的所述相邻加热源 之间。
全文摘要
本发明提高了一种碳纳米管生产装置的产率。在以环向加热体方式被加热的反应器管(20)内,安装有多个喷嘴(26)和至少一个内部加热源(24),且喷嘴(26)用于将物料和载气喷射到反应器管内。通过安装多个喷嘴,使产率增加。喷嘴被安装在两个加热源(环向加热元件和内部加热源)之间,且其到最近的两个加热源周向壁的距离是a。此外,相邻喷嘴之间的距离是b(≥2a)。由喷嘴喷射的物料流和载气流不相互干扰,也不干扰加热源壁,且产率提高。
文档编号C01B31/02GK101848860SQ20088011480
公开日2010年9月29日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年1月31日
发明者中川裕三, 村井刚次, 素木岫一 申请人:日机装株式会社
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