碳纳米管反应器的制作方法

专利2022-05-10  2



1.本发明涉及纳米材料生产技术领域,尤其是涉及一种碳纳米管反应器。


背景技术:

2.相关技术中,碳纳米管生产的过程中,反应腔体的内壁会产生结碳层,并随着反应时间的增加逐渐累积,结碳层过厚会影响传热、传质效率,导致反应器的可利用体积减少,碳源气体的利用率降低,因此需定期停机进行结碳清理,碳纳米管的生产效率较低,生产成本高。


技术实现要素:

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此,本发明提出一种碳纳米管反应器,能够提高碳纳米管的生产效率,降低生产成本。
4.本发明实施例提供的碳纳米管反应器,包括反应腔体、旋转装置及加热装置,反应腔体具有反应腔;旋转装置包括转轴及框体,所述框体及至少部分所述转轴容置于所述反应腔的内部,所述框体包括立杆、连接杆及刮壁板,所述连接杆的一端连接于所述立杆,所述连接杆的另一端连接于所述转轴,所述立杆连接于所述连接杆靠近所述反应腔内壁的一端,所述转轴能够带动所述框体转动,所述刮壁板连接于所述立杆,所述框体转动的过程中,所述刮壁板能够接触所述反应腔的内壁;加热装置连接于所述反应腔体的外壁,所述加热装置用于对所述反应腔进行加热。
5.本发明实施例提供的碳纳米管反应器,至少具有如下有益效果:在反应腔内设置旋转装置,生产过程中,旋转装置的转轴带动框体转动,框体的立杆上安装的刮壁板能够接触反应腔的内壁,对反应腔的内壁持续进行清理,防止反应腔内壁产生过厚的结碳层,无需再定期停机进行结碳清理,从而能够提高碳纳米管的生产效率,降低生产成本。
6.在本发明的一些实施例中,所述刮壁板具有安装孔,所述立杆穿设于所述安装孔,所述刮壁板能够相对所述立杆转动。
7.在本发明的一些实施例中,所述框体还包括限位件,所述限位件连接于所述连接杆,所述限位件用于对所述刮壁板的转动进行限位。
8.在本发明的一些实施例中,所述框体包括多个所述限位件,多个所述限位件限定出所述刮壁板的可转动角度范围r,所述刮壁板的可转动角度范围r为70
°
至110
°

9.在本发明的一些实施例中,所述刮壁板呈非对称形状,在所述刮壁板的可转动角度范围r内,所述刮壁板在不同位置上与所述反应腔的内壁的接触点到所述安装孔的中心的距离不同。
10.在本发明的一些实施例中,所述框体包括多个所述刮壁板,多个所述刮壁板沿所述立杆的轴向依次堆叠。
11.在本发明的一些实施例中,所述连接杆呈片状,所述连接杆的表面相对水平面倾斜,所述连接杆的表面相对水平面的倾斜角度为20
°
至60
°

12.在本发明的一些实施例中,所述框体包括多个所述连接杆,多个所述连接杆沿所述转轴的轴向分布。
13.在本发明的一些实施例中,所述旋转装置包括多个所述框体,多个所述框体在所述转轴的周向上分布,相邻的所述框体的所述连接杆相互交错,多个所述框体的多个所述连接杆在垂直方向上的间隔为15cm至30cm。
14.在本发明的一些实施例中,所述碳纳米管反应器还包括气体分流板,所述气体分流板容置于所述反应腔并位于所述反应腔的下部,所述气体分流板具有多个分流孔,所述分流孔为锥形孔,所述分流孔由上至下的横截面积逐渐增大,所述分流孔的上部开口直径为0.05mm至0.5mm,所述分流孔的下部开口直径为2mm至5mm。
15.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明,其中:
17.图1为本发明提供的一些实施例的碳纳米管反应器的剖视图;
18.图2为图1所示的碳纳米管反应器的旋转装置的立体示意图;
19.图3为图2所示的旋转装置的俯视图;
20.图4为图2所示的旋转装置的刮壁板的示意图;
21.图5为本发明提供的另一些实施例的碳纳米管反应器的刮壁板的示意图;
22.图6为本发明提供的另一些实施例的碳纳米管反应器的刮壁板的示意图;
23.图7为本发明提供的另一些实施例的碳纳米管反应器的刮壁板的示意图;
24.图8为本发明提供的另一些实施例的碳纳米管反应器的刮壁板的示意图;
25.图9为本发明提供的另一些实施例的碳纳米管反应器的刮壁板的示意图;
26.图10为图1所示的碳纳米管反应器的气体分流板的俯视图;
27.图11为图10所示的气体分流板在a

a截面的剖视图。
28.附图标记:
29.反应腔体100,反应腔110,进料口120,出料口130,进气口140,排气口150,旋转装置200,转轴210,框体220,立杆221,连接杆222,刮壁板223,安装孔2231,限位件224加热装置300,气体分流板400,分流孔410。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例,实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。
32.本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所
属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
33.本发明的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
34.本发明实施例提供的碳纳米管反应器,包括反应腔体100、旋转装置200及加热装置300,反应腔体100具有反应腔110;旋转装置200包括转轴210及框体220,框体220及至少部分转轴210容置于反应腔110的内部,框体220包括立杆221、连接杆222及刮壁板223,连接杆222的一端连接于立杆221,连接杆222的另一端连接于转轴210,立杆221连接于连接杆222靠近反应腔110内壁的一端,转轴210能够带动框体220转动,刮壁板223连接于立杆221,框体220转动的过程中,刮壁板223能够接触反应腔110的内壁;加热装置300连接于反应腔体100的外壁,加热装置300用于对反应腔110进行加热。
35.例如,如图1至图2所示,碳纳米管反应器包括反应腔体100、旋转装置200及加热装置300,反应腔体100具有反应腔110;旋转装置200包括转轴210及框体220,框体220及至少部分转轴210容置于反应腔110的内部,框体220包括立杆221、连接杆222及刮壁板223,连接杆222的一端连接于立杆221,连接杆222的另一端连接于转轴210,转轴210能够带动框体220转动,刮壁板223连接于立杆221,框体220转动的过程中,刮壁板223能够接触反应腔110的内壁;加热装置300连接于反应腔体100的外壁,加热装置300用于对反应腔110进行加热。生产过程中,加热装置300对反应腔110进行加热,催化剂粉体与碳源气体、惰性载气、还原气体等在反应腔110内混合,碳源气体在反应腔110内部高温分解并与催化剂粉体接触,而后在催化剂粉体的表面生长出碳纳米管,转轴210带动框体220转动,从而带动刮壁板223绕转轴转动,转动过程中,刮壁板223接触反应腔110的内壁,对反应腔110的内壁进行持续清理,能够防止反应腔内壁产生过厚的结碳层导致的传热、传质效率下降,因此无需再定期停机进行结碳清理,能够提高碳纳米管的生产效率,降低生产成本。
36.需要说明的是,为了防止高温条件下部件发生膨胀,导致旋转装置200与反应腔110的内壁发生过度摩擦甚至导致旋转装置200卡死,应保证初始状态下刮壁板223与反应腔110的内壁具有一定的空隙,可设置该空隙为1mm至10mm。在旋转装置200的转动过程中,由于结碳层在反应腔110的内壁上的分布并不均匀,刮壁板223的受力也不是恒定的,因此会引起旋转装置200的轻微振动,在此振动的作用下,刮壁板223能够持续接触到反应腔110的内壁。
37.需要说明的是,旋转装置200还可以包括驱动件,驱动件连接于转轴210,用于驱动转轴210转动以带动框体220转动。驱动件可采用低速、可调动力马达。
38.需要说明的是,反应腔体100还应具有进料口120、出料口130、进气口140、排气口150,进料口120及排气口150位于反应腔体100的上部,出料口130及进气口140位于反应腔体100的下部,进料口120、出料口130、进气口140、排气口150均连通于反应腔110,生产过程中,催化剂粉体从上方的进料口120投入反应腔110,碳源气体、惰性载气、还原气体等从下方的进气口140吹入反应腔110,催化剂粉体与碳源气体、惰性载气、还原气体等在反应腔
110内混合并发生反应,反应后的粉体由出料口130排出,尾气由排气口150排出。
39.可以理解的是,上述进料口120处可设置旋转进料阀和螺杆,可调节旋转进料阀和螺杆的转速以防止催化剂粉体在螺杆上堆积,保证催化剂粉体能够稳定、均匀地进料;上述排气口150处可设置过滤、喷淋处理等步骤的相关部件,以对尾气进行无害化处理,可使用多孔活性炭进行过滤,使用sdg酸性吸附剂进行喷淋。
40.可以理解的是,反应腔体100可采用321钢、310s钢、陶瓷管、碳化硅管、加厚石英管或非金属外衬金属复合结构等能够耐高温的材料制成,反应腔体100的适用温度范围为600℃至900℃。
41.需要说明的是,刮壁板223具有安装孔2231,立杆221穿设于安装孔2231,刮壁板223能够相对立杆221转动。
42.例如,如图3至图4所示,刮壁板223具有安装孔2231,立杆221穿设于安装孔2231,刮壁板223能够相对立杆221转动。当反应腔110的内壁产生结碳层时,刮壁板223与结碳层的距离小于刮壁板223与反应腔110的内壁的距离,设置刮壁板223能够相对立杆221转动,刮壁板223能够与结碳层发生碰撞以对结碳层进行清理,并且,结碳层对刮壁板223产生的反作用力能够使刮壁板223发生相反方向的转动,能够缓冲刮壁板223受到的冲击,提高刮壁板223的使用寿命。
43.可以理解的是,可设置转轴210在生产过程中进行顺时针与逆时针的交替转动,带动框体220进行顺时针与逆时针的交替转动,刮壁板223能够绕立杆221顺时针和逆时针交替旋转,以防止刮壁板223与结碳层碰撞并发生反转后无法与反应腔110的内壁接触,从而保证清理效果。
44.需要说明的是,框体220还包括限位件224,限位件224连接于连接杆222,限位件224用于对刮壁板223的转动进行限位。
45.例如,如图3所示,框体220还包括限位件224,限位件224连接于连接杆222,限位件224用于对刮壁板223的转动进行限位,保证刮壁板223仅在限定范围内活动,防止刮壁板223的转动角度过大导致无法接触反应腔110的内壁,影响清理效果。
46.需要说明的是,框体220包括多个限位件224,多个限位件224限定出刮壁板223的可转动角度范围r,刮壁板223的可转动角度范围r为70
°
至110
°

47.例如,如图3所示,框体220包括多个限位件224,多个限位件224限定出刮壁板223的可转动角度范围r,设置70
°
≤r≤110
°
,既能够保证对刮壁板223所受冲击的缓冲效果,又能够防止刮壁板223的转动角度过大导致无法接触反应腔110的内壁,保证刮壁板223对反应腔110的内壁的清理效果。
48.需要说明的是,刮壁板223呈非对称形状,在刮壁板223可转动角度范围r内,刮壁板223在不同位置上与反应腔110的内壁的接触点到安装孔2231的中心的距离不同。
49.例如,如图3至图4所示,刮壁板223呈非对称形状,在刮壁板223的可转动角度范围r内,刮壁板223在不同位置上与反应腔110的内壁的接触点到安装孔2231的中心的距离不同。生产过程中,反应腔110的内壁会形成厚度不同的结碳层,在经过厚度不同的结碳层时,非对称形状的刮壁板223能够与不同厚度的结碳层发生碰撞并转动,由于刮壁板223在不同位置上与反应腔110的内壁的接触点到安装孔2231的中心的距离不同,刮壁板223自身发生转动后,仍能够与结碳层持续接触并发生摩擦,从而清理累积的结碳层,既能够保证清理效
果,又能够缓冲刮壁板223受到的冲击。
50.可以理解的是,刮壁板223的形状、尺寸等不作限制,可根据不同尺寸、不同形状的反应腔110进行设置,例如,可设置为如图4至图9中的任意一种,也可设置为其他形式,能够保证对反应腔110的内壁的清理效果即可。
51.需要说明的是,框体220包括多个刮壁板223,多个刮壁板223沿立杆221的轴向依次堆叠。
52.例如,如图2所示,框体220包括多个刮壁板223,多个刮壁板223沿立杆221的轴向依次堆叠,每个刮壁板223均可相对立杆221转动,每个刮壁板223经过反应腔110的内壁的不同位置时均可单独适应相应位置的反应腔110内壁,能够保证对旋转装置200的周向上的反应腔110内壁的各处均进行有效的清理,提高清理效果。
53.可以理解的是,单个刮壁板223的厚度不作限制,可综合考虑单个刮壁板223的结构强度及整个框体220上的所有刮壁板223对反应腔110的内壁的适应能力进行设置。设置有多个刮壁板223的情况下,限位件224应能够对每个刮壁板223均进行限位。
54.需要说明的是,连接杆222呈片状,连接杆222的表面相对水平面倾斜,连接杆222的表面相对水平面的倾斜角度为20
°
至60
°

55.例如,如图2所示,连接杆222呈片状,连接杆222的表面相对水平面倾斜,连接杆222的表面相对水平面的倾斜角度为20
°
至60
°
。倾斜的连接杆222能够对催化剂粉体进行搅拌,使催化剂粉体在反应腔110内均匀分散,增大碳源气体与催化剂粉体的接触面积,提高碳纳米管的生产效率;还能够对碳纳米管进行扰动,防止碳纳米管生产过程中发生架桥,避免碳纳米管发生静态堆积,从而保证碳纳米管的顺利出料。另外,倾斜的连接杆222能够为催化剂粉体提供一个切向的速度,延长催化剂粉体在反应腔110内的留置时间,从而延长催化剂粉体与碳源气体的接触时间,保证反应充分,节约材料。
56.需要说明的是,框体220包括多个连接杆222,多个连接杆222沿转轴210的轴向分布。
57.例如,如图1至图2所示,框体220包括多个连接杆222,多个连接杆222沿转轴210的轴向分布。设置多个连接杆222能够对更大范围内的催化剂粉体进行搅拌分散,进一步提高反应腔110内的催化剂粉体的均匀程度,增大碳源气体与催化剂粉体的接触面积,提高碳纳米管的生产效率。
58.可以理解的是,可设置多个连接杆222沿转轴210的轴向均匀分布,以进一步提高反应腔110内的催化剂粉体的均匀程度。相邻连接杆222之间的距离可设置为10cm至30cm。
59.需要说明的是,旋转装置200包括多个框体220,多个框体220在转轴210的周向上分布,相邻的框体220的连接杆222相互交错,多个框体220的多个连接杆222在垂直方向上的间隔为15cm至30cm。
60.例如,如图2所示,旋转装置200包括多个框体220,多个框体220在转轴210的周向上分布,相邻的框体220的连接杆222相互交错,多个框体220的多个连接杆222在垂直方向上的间隔为15cm至30cm。交错设置的连接杆222能够为催化剂粉体持续提供切向速度,进一步延长催化剂粉体在反应腔110内的留置时间,从而延长催化剂粉体与碳源气体的接触时间,保证反应充分,节约材料。
61.可以理解的是,可设置多个框体220在转轴210的周向上均匀分布,以进一步提高
连接杆222对催化剂粉体及碳纳米管的搅拌的均匀性。多个框体220的连接杆222的倾斜方向应一致,以保证各框体220的连接杆222的搅拌方向一致。
62.需要说明的是,碳纳米管反应器还包括气体分流板400,气体分流板400容置于反应腔110并位于反应腔110的下部,气体分流板400具有多个分流孔410,分流孔410为锥形孔,分流孔410由上至下的横截面积逐渐增大,分流孔410的上部开口直径为0.05mm至0.5mm,分流孔410的下部开口直径为2mm至5mm。
63.例如,如图1所示,碳纳米管反应器还包括气体分流板400,气体分流板400容置于反应腔110并位于反应腔110的下部,参照图10及图11,气体分流板400具有多个分流孔410,分流孔410为锥形孔,分流孔410由上至下的横截面积逐渐增大,能够避免催化剂粉体或碳纳米管堵塞分流孔410;分流孔410的上部开口直径为0.05mm至0.5mm,分流孔410的下部开口直径为2mm至5mm。气体分流板400能够对吹入的气体进行分流,由于上部开口直径较小,气体由进气口140吹入后,会先填充气体分流板400的下部区域,而后气压进一步增大时,再由各分流孔410吹出,使气体均匀分布于反应腔110内,使反应更为充分。
64.可以理解的是,分流孔410的数量及设置位置不作限制,可根据实际需求进行设置,例如,参照图10,可绕气体分流板400的中心均匀分布,以提高气体吹入的均匀性。
65.下面结合图1至图3以一个完整实施例详细描述根据本发明实施例的碳纳米管反应器。值得理解的是,下述描述仅是示例性说明,而不是对本发明的具体限制。
66.碳纳米管反应器,包括反应腔体100、旋转装置200、加热装置300及气体分流板400。
67.反应腔体100包括反应腔110、进料口120、出料口130、进气口140、排气口150,进料口120及排气口150位于反应腔体100的上部,出料口130及进气口140位于反应腔体100的下部,进料口120、出料口130、进气口140、排气口150均连通于反应腔110。
68.旋转装置200包括转轴210及四个框体220,框体220及至少部分转轴210容置于反应腔110的内部,四个框体220绕转轴210的周向均匀分布。
69.框体220包括立杆221、连接杆222、刮壁板223及限位件224。
70.连接杆222的一端连接于转轴210,连接杆222的另一端连接于立杆221,连接杆222呈片状,连接杆222的表面相对水平面倾斜,连接杆222的表面相对水平面的倾斜角度为20
°
至60
°
;连接杆222设置有多个,多个连接杆222沿转轴210的轴向均匀分布,同一框体220中,各连接杆222的倾斜方向相同,四个框体220中,各连接杆222的倾斜方向一致,所有连接杆222在垂直方向上的间隔为15cm至30cm。
71.刮壁板223具有安装孔2231,立杆221穿设于安装孔2231,刮壁板223与立杆221转动连接,可转动角度范围r为70
°
至110
°
,刮壁板223呈非对称形状,在可转动角度范围r内,刮壁板223在不同位置上与反应腔110的内壁的接触点到安装孔2231的中心的距离不同;刮壁板223设置有多个,多个刮壁板223沿立杆221的轴向依次堆叠。
72.限位件224连接于连接杆222,限位件224设置有多个,多个限位件224限定出刮壁板223的可转动角度范围r,刮壁板223的可转动角度范围r为70
°
至110
°
。限位件224能够对每一个刮壁板223的转动均进行限位。
73.加热装置300包裹于反应腔体100的外壁,加热装置300用于对反应腔110进行加热。
74.气体分流板400容置于反应腔110并位于反应腔110的下部,气体分流板400具有多个分流孔410,分流孔410为锥形孔,由上至下分流孔410的横截面积逐渐增大,分流孔410的上部开口直径为0.05mm至0.5mm,分流孔410的下部开口直径为2mm至5mm,多个分流孔410绕气体分流板400的中心均匀分布。
75.生产过程中,加热装置300对反应腔110进行加热,催化剂粉体从上方的进料口120投入反应腔110,碳源气体、惰性载气、还原气体等从下方的进气口140吹入,经过气体分流板400后进入反应腔110,催化剂粉体与碳源气体、惰性载气、还原气体等在反应腔110内混合,碳源气体在反应腔110内部高温分解并与催化剂粉体接触,而后在催化剂粉体的表面生长出碳纳米管。转轴210带动框体220转动,从而带动刮壁板223及连接杆222绕转轴210转动,刮壁板223对反应腔110的内壁进行持续清理,防止反应腔内壁产生过厚的结碳层导致的传热、传质效率下降;倾斜设置的连接杆222对催化剂粉体及碳纳米管进行搅拌,使催化剂粉体均匀分布于反应腔110内并与碳源气体进行充分接触,且能够防止碳纳米管发生架桥。本发明提供的碳纳米管反应器的生产效率较高,生产成本较低。
76.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明,但是本发明不限于上述实施例,在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外,在不冲突的情况下,本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
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