[发明专利]一种批量制备纳米碳纤维的立式反应装置

说明书

技术领域

本发明涉及化工设备，具体是指制备纳米碳纤维的反应装置，特别是适合批量制备管状和实心纳米碳纤维的装置。

背景技术

制备纳米碳纤维的方法中，最有希望的工业化方法为催化化学气相沉积法(CVD)，即利用催化剂裂解气态烃(天然气、甲烷、乙烯、乙炔等)、其它含碳化合物(CO、甲醇等)，以负载或非负载的铁、钴、镍为催化剂，在适当温度下制备纳米碳纤维。该方法具有工艺简单，原料成本低，产量高等特点，此外生产设备也易于开发，目前国内还未见纳米碳纤维生产的工业化装置的报道，但已有不少关于连续生产碳纳米管的反应设备的相关专利，如ZL01118349.7、ZL01111561.0、ZL02113678.5、ZL01108769.2；从这些专利公开的技术来看，它们都是基于基种法催化裂解来制备碳纳米管，无论是流化床、移动床、塔板式反应器、还是回转型反应器，均为CVD法制备碳纳米管，其关键技术是催化剂的连续、大量投放，催化剂一般以固态负载型铁、钴、镍为主；此外，浮动催化剂法是另一种大量制备纳米碳纤维的方法，这里催化剂以气态和液态的形式引入反应室，反应设备多以立式电炉为主，如中国专利96115390.3、竖直浮动催化CVD法合成毫米级定向纳米碳纤维[程继鹏、张孝彬、孙沿林等，竖直浮动催化CVD法合成毫米级定向纳米碳纤维[J]，无机化学学报，2004，20(11)：1353-1356]、化学气相沉积法制备大面积定向碳纳米管[刘勇、孙晓刚，朱正吼等，化学气相沉积法制备大面积定向碳纳米管[J]，材料导报，2006，20(5)：120-122]，这些制备方法采用的是以二茂铁作为催化剂前驱体，或将二茂铁溶于苯等有机溶剂以液态形式送入反应室，或是直接加热二茂铁使之气化通入反应室中。

以上制备碳纳米管和纳米碳纤维的方法和设备均受到催化剂的形态和投放方式的制约，无法解决不同生产工艺对反应设备的要求，造成了卧式水平电炉只能使用固态催化剂以基种法制备碳纳米管和纳米碳纤维，如果以液态形式引入催化剂制备纳米碳纤维将会造成反应室内壁粘附碳的主产物和副产物，不利于产品的收集和设备的清洗；另外，卧式电炉的单位生产量也小。立式炉反应设备多以二茂铁、羰基铁等容易气化和分解的催化剂来制备碳纳米管和纳米碳纤维，该反应设备单位产量大，但由于铁催化剂要在1000～1300℃下具有最好的催化活性，因此能耗较高；且现有的立式电炉也无法同时采用固态和液态催化剂来制备碳纳米管和纳米碳纤维。

此外，研究发现纳米碳纤维中石墨层片与纤维轴的夹角不同而形成了不同的纳米碳纤维如管状纳米碳纤维、片状和鱼骨状纳米碳纤维(多为实心结构)。控制纳米碳纤维的生长形态对于其应用具有重大影响，在文献Hwang J Y，Lee SH，Sim K S，et al.Synthesis and hydrogen storage of carbon nanofibers[J].Synthetic Metal，2002，126：81～85.中，实心纳米碳纤维的储氢性能比管状纳米碳纤维性能优异；纳米碳纤维长径比大而曲率半径小、化学稳定性好、机械强度高，是很理想的场发射材料。管状纳米碳纤维形貌与多壁碳纳米管相似，生产工艺较容易控制；而实心纳米碳纤维的形成可能是由于局部生长区域温度低，无法达到石墨化温度所致。现有的设备都无法解决反应室温度梯度的问题，因此还无法掌握制备实心纳米碳纤维的工艺，也没有连续制备实心纳米碳纤维的方法。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种批量制备纳米碳纤维的立式反应装置，它为催化裂解反应装置，可以分别引入固态负载催化剂和液态催化剂，实现可控制形态纳米碳纤维的批量制备。

本发明的技术方案是，所述批量制备纳米碳纤维的立式反应装置包括中空的立式炉体，该立式炉体的炉壁为通水冷却的夹层结构；所述立式炉体中设有由不锈钢筒组成的反应室，该反应室外周设有电加热器并包覆有保温层，反应室底部设有出料机构；其结构特点是，所述反应室底部装有内部为空腔的水冷铜棒，顶部为敞口，该水冷铜棒的上部为较小直径筒体，水冷铜棒的下部为较大直径筒体，所述较大直径筒体的侧面开有连通水冷铜棒内腔与反应室的通气孔，水冷铜棒的筒体为通水冷却的夹层结构，该水冷铜棒内腔下部装有搅拌风扇；接有主进气阀的主进气管的出气端口同固体催化剂送料器的出料管连通且该固体催化剂送料器出料管的出料口位于反应室底部；液态催化剂送料器的出料口设在反应室的上端口，可将反应室内壁及水冷铜棒内、外壁上附着的反应生成物刮下的刮片装在气缸的活塞前端而该气缸固定安装在立式炉体顶部。

以下对本发明做出进一步说明。