專利名稱：一種工業(yè)化生產(chǎn)納米碳纖維的工藝方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)制備納米碳纖維的工藝方法及裝置，特別涉及利用氣相法大規(guī)模 批量制備生產(chǎn)納米碳纖維的工藝方法和裝置，在所述方法中，導入反應碳源及含碳氫載氣。 更具體地說，本發(fā)明提供了一種制備納米碳纖維的方法及相關裝置，以及由該法得到的納 米碳纖維，所述工藝包括將碳源及載氣連續(xù)性引入特定反應器。因次，本發(fā)明具有高度重現(xiàn) 性并可實現(xiàn)工業(yè)化應用。
背景技術(shù)：
隨著人們對納米碳材料的深入研究發(fā)現(xiàn)，納米碳材料具有非常廣泛的應用價值， 特別是碳纖維更廣泛應用于軍事，航天及體育器材等領域。自1991年Iijima發(fā)現(xiàn)納米碳管 后，人們才開始有目的地合成納米碳纖維(CNFs) (Iijima S,Nature, 1991,354 :56)。納米碳 纖維是碳纖維的一種形式，是由通過裂解氣相碳氫化合物或靜電紡絲制備的非連續(xù)石墨纖 維。由于其具有高強度、高模量、高結(jié)晶取向度、高導電和導熱等獨特和優(yōu)異的物理、化學性 質(zhì)，而受到了廣大研究者的關注。已有研究表面，納米碳纖維與普通碳纖維相比具有更大的 表面積，用于鋰離子電池負極材料時，其充放電性能，循環(huán)及倍率性能均更高(Endo M.，Kim Y. A.，Hayashi T.，et al.，Carbon, 2001, 39 1287)。納米碳纖維作為催化劑載體，由于其 高比表面積，可以使得催化劑均勻分散，形成特殊形貌，從而具有特殊的活性和選擇性。此 外，在聚合物基體中，加入納米碳纖維后，復合材料的力學性能及導電性大大提高。CNFs的制備方法有電弧法、激光法、火焰法、靜電紡絲法和催化化學氣相沉積法 等。其中適合低成本和大批量制備CNFs的方法主要為化學氣相沉積法和靜電紡絲法，以適 應商業(yè)化應用將成為未來研究的關鍵。國內(nèi)已有納米碳纖維生產(chǎn)的相關專利一種以煤焦 油浙青為原料制備納米碳纖維的方法(中國專利，申請?zhí)朇N 200610048113. 4)；一種制備 魚骨狀納米碳纖維的方法(中國專利，申請?zhí)朇N 02136034. 0)；一種連接生產(chǎn)納米碳材料 的方法及裝置(中國專利，申請?zhí)朇N 200510003611.2)；一種生產(chǎn)納米碳纖維的工藝及裝 置(中國專利，申請?zhí)朇N 200410066071. 8)以上專利主要以煤焦油浙青為原料，二茂鐵為催化劑，氬氣或氫氣為保護氣體，利 用電加熱，隔熱反應器制備納米碳纖維的方法，反應溫度通常在600 1200°C左右，能耗巨 大，且熱能無法回收利用。另外反應器較大，導致設計困難，并且不能連續(xù)化生產(chǎn)。本發(fā)明 目的是克服上述已有專利技術(shù)中的不足，通過選擇合適的碳源和催化劑，為簡化反應器和 優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提供一種操作方便、裝置簡單能耗低、可大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)納米碳纖維的工 藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種制備納米碳纖維的工藝方法和裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)， 并適于多種碳原料，成本低廉，從而滿足工業(yè)實際生產(chǎn)碳纖維的條件需求，并且充分回收利 用各種副產(chǎn)能量，形成能源循環(huán)綜合利用的最優(yōu)化工藝。
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本發(fā)明涉及一種工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)納米碳纖維的制造設備。所述裝置包括包括控 制系統(tǒng)、進料混合噴霧設備、裂解反應爐、產(chǎn)品收集系統(tǒng)。該裝置的優(yōu)點是，反應易于控制， 采用導流管將原料噴入裂解反應爐的方式可大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)形態(tài)均一的納米碳纖維，產(chǎn)率 高，設備能耗低，成本低廉。反應產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器將反應氣固產(chǎn)物分離，收集產(chǎn)品同時實 現(xiàn)裂解氣的循環(huán)使用，環(huán)保無污染。本發(fā)明方法具有工業(yè)化生產(chǎn)和應用的價值。此制取方 法工藝流程短，制備方法簡單，材料來源豐富，制取成本低。本裝置采用含碳原料由原料導流管高壓噴入裂解反應爐，在供熱爐段物料加熱成 氣態(tài)，在反應爐中含碳的烴類原料在保護氣的隔離稀釋條件下在1000 1400°C溫度下裂 解成的條件碳顆粒，與噴入爐內(nèi)的催化劑結(jié)合后，迅速與催化氣粒子核晶，形成納米碳體， 并在加入助劑的作用下經(jīng)過換熱內(nèi)膽進行換熱，降低產(chǎn)生的溫度。產(chǎn)物進入旋風分離器進 行氣固分離，通過換熱器殼程的空氣經(jīng)過換熱后形成熱風返回風送管再進入供熱爐循環(huán)利 用，以降低能耗。經(jīng)過分離器分離后的固體產(chǎn)物由過濾袋收集產(chǎn)物后，進行氣流分級，得到 的氣態(tài)物質(zhì)由分離風管輸送至原料罐和催化劑料罐用于物料的預熱以降低反應所需能耗。 最終產(chǎn)物經(jīng)過酸化罐處理后去除無定形炭得到凈化程度較高的納米碳纖維。上述工藝方法中，含碳原料是芳烴重油、渣油、煤焦油、混苯、煤浙青、焦爐氣、蒽 油、萘油、酚油、甲苯中的一種或幾種物料的混合物。本發(fā)明工藝方法中，原料導流管內(nèi)物料流速為ΚΚΚΚΒΟΟΟπΛΓ1，壓力0. 5-3. 0ΜΡΑ。本發(fā)明工藝方法中，催化劑噴入爐內(nèi)壓力為0. 5-3. 5MPa，攜帶催化劑的溶劑為含 硫的烴類物質(zhì)，包括芳烴重油，煤焦油，混苯，焦爐氣，蒽油，萘油，酚油等。本發(fā)明工藝方法中，助劑噴如爐內(nèi)壓力為1-2. 5MPa，助劑包括CS2、硫醇、水蒸汽或 水，以及上述物料的混合物。本發(fā)明工藝方法中，所述含碳的烴類原料在保護氣的隔離稀釋條件下在 1000-1400°C下裂解，是保持供熱爐、中間夾管及裂解反應爐溫度均為800-1400°C。本發(fā)明裝置的特點是1、由于原料導流管高壓噴霧后進入裂解反應爐，在供熱爐段物料加熱成氣態(tài)，故 對原料選擇較寬適用于現(xiàn)有的大量碳源；2、裝置操作可控簡便；3、由于采用導流管將原料噴入反應爐，生成的產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器分離后收集的方 式，可大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)納米碳纖維。產(chǎn)量可達1000噸/年；4、本發(fā)明裝置是將反應產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器分離后收集，實現(xiàn)反應氣固產(chǎn)物分離， 并且裂解氣，催化劑，熱能得到循環(huán)使用，環(huán)保無污染?？纱笠?guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，綜合能耗較 低，充分利用了副產(chǎn)能源，有效的形成循環(huán)經(jīng)濟模式；


圖1為實施例發(fā)明內(nèi)容裝置圖。圖2為實施例1制得的納米碳纖維的高分辨透射電鏡照片，從圖中可看到產(chǎn)物直 徑為40-50nm，為炭小球體鏈狀形成的納米碳纖維。圖3實施例2制得的納米碳纖維的高分辨透射電鏡照片，從圖中可看到納米碳纖 維直徑從20-100nm不等，含有金屬催化劑。
圖4實施例3制得的納米碳纖維的高分辨透射電鏡照片，從圖中可看到產(chǎn)物為中 空碳纖維結(jié)構(gòu)，直徑50-100nm不等。圖5實施例4制得的納米碳纖維的高分辨透射電鏡照片，從圖中可看到碳纖維直 徑為20nm，直徑分布范圍較窄，且雜質(zhì)較少。
具體實施例方式通過以下用于說明本發(fā)明的某些代表性實例可以更好的理解本發(fā)明，盡管給出了 這些實施例，但還應包括在不偏離本發(fā)明范圍條件下，對本領域技術(shù)人員來說顯而易見的 各種改變。本發(fā)明的工藝方法含碳原料與催化劑、助劑按照一定比例加入靜態(tài)混合器，混合 均勻后，經(jīng)過霧化器導入1000-140(TC的反應爐中，碳源分解為碳顆在與噴入爐內(nèi)，與催化 氣粒子核晶結(jié)合后，形成納米碳，經(jīng)過換熱內(nèi)膽進行換熱，降低產(chǎn)生的溫度后，進入旋風分 離器進行氣固分離，通如換熱器殼程的空氣經(jīng)過換熱后形成熱風返回風送管再進入供熱爐 循環(huán)利用，以降低能耗，經(jīng)過分離器分離后的固體產(chǎn)物由分離器底部經(jīng)輸送螺旋和提升機 送入收集袋儲存，經(jīng)過氣流分級后的氣態(tài)物質(zhì)由分離風管輸送至原料罐和催化劑料罐用于 物料的預熱混合以降低反應所需能耗。本發(fā)明提供一種工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)納米碳纖維的制造設備。所述裝置包括包括控制 系統(tǒng)、進料設備、裂解反應爐、產(chǎn)品收集系統(tǒng)。該裝置的優(yōu)點是，反應易于控制，采用導流管 將原料噴入裂解反應爐的方式可大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)形態(tài)均一的納米碳纖維，產(chǎn)率高，設備能 耗低，成本低廉。反應產(chǎn)物經(jīng)旋風分離器分離后收集，將反應氣固產(chǎn)物分離，實現(xiàn)裂解氣的 循環(huán)使用，環(huán)保無污染。本發(fā)明方法具有工業(yè)化生產(chǎn)和應用的價值。該發(fā)明裝置圖如附圖 1所示。以下通過在本發(fā)明的裝置上，采用本發(fā)明工藝方法制備納米碳纖維的實施例進一 步說明本發(fā)明的效果。實施例1 以煤焦油為原料，物料流速為ΙδΟΟπΛΓ1，壓力1.5ΜΡΑ，熱解爐溫為 1000°C，生產(chǎn)得到納米碳纖維，透射電鏡照片如附圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物直徑為40-50nm， 為炭小球體鏈狀形成的納米碳纖維。實施例2 以混苯為原料，物料流速為2000ΠΛΓ1，壓力2MPA，熱解爐溫為1200°C，生 產(chǎn)得到納米碳纖維，透射電鏡照片如附圖3所示，產(chǎn)物直徑從20-100nm不等，含有金屬催化 劑。實施例3 以重質(zhì)芳烴為原料，物料流速為ΙΟΟΟπΛΓ1，壓力3ΜΡΑ，熱解爐溫為 1300°C，生產(chǎn)得到納米碳纖維，透射電鏡照片如附圖4所示，產(chǎn)物為中空碳纖維結(jié)構(gòu)，直徑 50-100nm 不等。實施例4 以天然氣為原料，物料流速為3000ΠΛΓ1，壓力1MPA，熱解爐溫為1200°C， 生產(chǎn)得到納米碳纖維，透射電鏡照片如附圖5所示，碳纖維直徑為20·，直徑分布范圍較 窄，且雜質(zhì)較少。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)化生產(chǎn)納米碳纖維的工藝方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的工藝方法，其特征在于采用導流管將原料噴入裂解反應爐的方式 可大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)形態(tài)均一的納米碳纖維，直徑為lO-lOOnm，長度300納米 5微米不等， 產(chǎn)率高達70 %，設備能耗低，成本低廉。本發(fā)明方法具有工業(yè)化生產(chǎn)和應用的價值。
3.一種用于權(quán)利要求1連續(xù)化生產(chǎn)納米碳纖維的裝置，包括控制系統(tǒng)、進料及混合噴 霧設備、裂解反應爐、產(chǎn)品收集系統(tǒng)。該裝置的優(yōu)點是，反應易于控制，其特征在于反應產(chǎn)物 經(jīng)旋風分離器將反應氣固產(chǎn)物分離，收集納米碳纖維產(chǎn)物同時實現(xiàn)裂解氣及熱能的循環(huán)使 用，環(huán)保無污染，節(jié)能減排。提供一種工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)納米碳纖維的制造設備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備納米碳纖維的工藝及設備，以液態(tài)或氣態(tài)烴類為碳源，碳源為芳烴重油、渣油、煤焦油、混苯、煤瀝青、焦爐氣、蒽油、萘油、酚油、CH4、C2H2或甲苯中的一種或幾種物料的混合物；將碳源按一定比例在靜態(tài)混合器與催化劑混合均勻，經(jīng)過導流管高壓噴霧后進入裂解反應爐，在1000-1400℃，物料流速為1000-3000m3h-1，壓力0.5-3.0MPa條件下，進行裂解反應得到納米碳纖維，隨后經(jīng)過旋風分離器進行氣固分離，將熱氣流回收，對原料進行預熱，從而節(jié)能。制備的納米碳纖維，直徑可分布在20～100納米之間，長度分布在300納米～5微米，產(chǎn)品中纖維含量可達90％。該方法采用氣液態(tài)含碳烴類作為碳源，碳源來源十分豐富，且價格低廉，具有安全、廉價、簡單和碳源轉(zhuǎn)化率高等特點，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號D01F9/133GK102086537SQ20101014424
公開日2011年6月8日 申請日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者宋懷河, 李強, 李躍豐, 范成偉, 陳志剛, 陳曉紅, 高利, 黃勇 申請人:烏魯木齊石油化工總廠西峰工貿(mào)總公司, 北京化工大學