CN101049927A - 连续化生产碳纳米管的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属纳米材料制备和化工设备技术领域的采用多级逆流反应装置的高效率的一种连续化生产碳纳米管的方法及装置。首先将用于生产碳纳米管的催化剂置于预反应器或主反应器内，通入流动的氢气或一氧化碳与氮气或氩气的混合气体进行还原，然后通入原料气体进行反应，反应器内则得到碳纳米管。随着反应的进行，固体物料体积不断膨胀，逐渐进入下一级反应器继续反应，各级反应器之间气流和固体物料逆流接触，可以提高原料的转化率。该方法的装置简单，操作方便，适于连续化万吨/年级工业规模化生产。

Description

连续化生产碳纳米管的方法及装置
技术领域
本发明属纳米材料制备和化工设备技术领域。特别涉及采用多级逆流反应装置的高效率的一种连续化生产碳纳米管的方法及装置。
背景技术
在纳米聚团流化的概念下，流化床反应器成功的用于大规模制备碳纳米管(Wang Yao，et al.Agglomerated carbon nanotubes and its mass productionin a fluidized-bed reactor.Physica B，2002，323：327-329)。鉴于碳纳米管制备过程中，体积不断增加，且固体物料需要频繁移入移出反应器，流化床比固定床有极大的优势。
碳纳米管的生长过程是一个体积逐渐膨胀的过程，随着反应时间延长，其反应活性逐渐降低，体积逐渐膨胀到初始体积的50～5000倍，对应的密度也有1～2个量级的降低。密度的较大变化导致颗粒的流化性能有很大差异，以至于处于不同的流化区域，使得单一反应器难以进行稳定的连续化生产。
碳纳米管的生长过程还是一个逐渐积碳失活的过程，随反应进度的加深，催化剂活性逐渐下降，原料转化率也随着降低。为保证较高的原料转化率和装置生产能力以及连续化生产，需要补充新鲜的催化剂，但新鲜催化剂与粗产品的密度差异较大，其流化操作区域差异也较大。当空塔气速偏高时，密度较低的粗产品聚团会被夹带出反应器，生长时间降低，导致碳纳米管生长倍率降低，催化剂利用率降低；当空塔气速偏低时，新鲜催化剂的活性不能充分得以利用，装置生产能力下降，甚至气速过低时还会造成催化剂不能良好的流化，容易发生沟流、传热能力降低、产生结块等不良现象。对于这种碳纳米管生长过程中密度差异较大的特点，单个反应装置难以满足所有需求。利用多级串联反应器，进行分区操作，可以较好的改善固体物料的流化性能，同时降低气体返混程度，接近于平推流，可以提高原料的转化率。
对于制备单/双壁碳纳米管而言，催化剂的成核与生长过程所需要的反应条件及操作条件也有明显的差异，为了降低反应过程中产生的高浓度H2对催化剂造成的副作用，单/双壁碳纳米管初期成核生长过程需要高空速的碳源气体流量，而生长后期为了提高碳源转化率又需要降低碳源气体的空速，高低空速差异高达2～100倍，这时候单反应器也表现出了明显的缺点。
在碳纳米管生产初期，催化剂未能良好流化有可能出现催化剂-碳纳米管纳米聚团结构的结块，造成堵塞反应器以致生产停止的现象；生长后期，其密度一般会逐渐下降到大约50g/L，此时颗粒极为疏松多孔，颗粒间搭接粘连严重，这种纳米颗粒间的粘连使得流化性能迅速下降，可能破坏正常的流化状态，所以如何避免或解决这种不利于正常流化的情况是流化床反应器能够连续稳定操作的关键。
在碳纳米管生产过程中碳源裂解可以产生较多的氢气，是一种优异的工业原料。为了提高碳源转化率及氢气产率，在反应器设计中需要尽量避免流化床中全混釜接触形式，平推流逆流接触可以在很大程度上提高原料气的转化率。另外，采用N2、CO、CO2等气体作为充填气体，一方面可以利用CO2等弱氧化性气体抑制催化剂的积碳失活，另一方面可以调整尾气组成，生成的含有CO、CO2、H2的混合气体是常用的化学工业原料，可以用于制造二甲醚、丙烯、炼铁等。
发明内容
本发明的目的是提出一种连续化生产碳纳米管的方法及装置，其特征在于，采用多级反应器串联的装置，通过分别控制各级反应器内催化剂和碳纳米材料的分配及其流化状态，分区操作，可以实现有较大密度跨度的物料的正常流化，保证了连续化操作，同时实现了原料的高效转化以及装置较高的生产能力；连续化制备碳纳米管的步骤如下：
1)将催化剂放在活化反应器内，于350～900℃温度下，在还原气氛下进行还原反应，使催化剂中活性中心还原为单质金属纳米颗粒；
2)将第一级反应器升温至500～900℃，在此温度下，将催化剂从活化反应器送入到第一级反应器，通入碳源气体或液体原料与氢气、氮气的混合气体至反应器内，其三者的体积比为氢气∶碳源气体∶氮气＝0～2∶1∶0～5，反应过程的空速为1～10000小时-1，气体的空塔流速为0.01～5m/s。
3)在反应进行过程中，第一级反应器内碳纳米管逐渐膨胀到整个床层高度，此时可以自行溢流或增大气流将碳纳米管粗产品吹扫到第二级反应器内继续反应，或者随反应时间延长粗产品密度进一步降低，可以自行在正常操作气速下被夹带出反应器，可以将第一级反应器的尾气通入第二级反应器内继续转化，或者直接向第二级反应器内按上述比例补充新鲜的碳源气体进行反应；其他几级反应器等依次类推；
4)向第一级反应器内补充新鲜的经过活化的催化剂，继续反应，由于新鲜的催化剂密度较碳纳米管粗产品大的多，可以停留在反应器的底部而不会自行溢出反应器，从而可以保证粗产品与催化剂的良好分离，极大提高了操作的稳定性。
5)从最后一级反应器溢出或吹出的碳纳米管经旋风分离器、陶瓷过滤器或布袋过滤器等分离后沉积在收集容器内，经风冷或水冷冷却后即可包装运输。
所述还原气体为氢气或一氧化碳与氮气的混合气体。
所述氢气或一氧化碳与氮气按体积比1∶0.1～100混合。
所述碳源气体或液体原料为一氧化碳、烃类气体、液化气、天然气、苯、甲苯、二甲苯或环己烷。
所述催化剂为多壁碳纳米管(MWNT)催化剂、单壁碳纳米管(SWNT)催化剂及双壁碳纳米管(DWNT)催化剂。
所述连续化生产碳纳米管的装置为多级反应器串联的装置，包括第一级主反应器1、第二级主反应器2、……至最后一级主反应器3，通过前一级主反应器的溢流管6插入后一级主反应器内、后一级主反应器的反应器尾气出口及气固分离装置5和前一级主反应器的反应器原料气体或液体入口9连通进行级间串联，催化剂活化反应器4和第一级主反应器1连接，活化反应器的气体原料入口10在活化反应器的底部；旋风分离器7和最后一级主反应器3的溢流管6连接，旋风分离器7的底部连接料仓8。
所述主反应器为多层流化床反应器，该流化床反应器的上部、中部或下部连接催化剂活化反应器4，催化剂活化反应器4的上部还有连通管和主反应器1的反应器气体或液体原料入口9连通，在主反应器1设置下层分布器11、上层分布器12，顶部连接反应器尾气出口及气固分离装置5，溢流管6从顶部插入主反应器1，或连接旋风分离器7或溢流管6将该主反应器的下层分布器11、上层分布器12在主反应器外部连通，在主反应器1中下部设置出料口13。
所述连续化生产碳纳米管的装置为多个单反应器组合的反应器、多个多层反应器组合的反应器、提升管-流化床组合式反应器、内-外嵌套的并联环形反应器、多级阶梯形搅拌反应器或水平搅拌桨式移动床反应器。
本发明的有益效果是利用多级串联反应器，进行分区操作，可以较好的改善固体物料的流化性能，同时降低气体返混程度，接近于平推流，可以提高原料的转化率。通过分别控制各级反应器内催化剂和碳纳米材料的分配及其流化状态，分区操作，可以实现有较大密度跨度的物料的正常流化，保证了连续化操作，同时实现了原料的高效转化，反应平均转化率大于90％，以及装置较高的生产能力。
本装置所处理物料的体积膨胀比可以达到1～5000倍，重量膨胀比可以达到1～500倍，密度可以在5～0.01kg/L之间变化。
附图说明：
图1为多级串联流化床反应器的结构示意图。
图2为一类多层流化床反应器的结构示意图。
图3为多个、多层反应器组合的反应器。
图4为提升管-流化床组合式反应器。
图5为内-外嵌套的并联环形反应器。
图6为多级阶梯形搅拌反应器。
图7为水平搅拌桨式移动床反应器。
具有实施方式
本发明提出一种连续化生产碳纳米管的方法及装置。本发明采用多级反应器串联的装置，通过分别控制各级反应器内催化剂和碳纳米材料的分配及其流化状态，分区操作，可以实现有较大密度跨度的物料的正常流化，保证了连续化操作，同时实现了原料的高效转化以及装置较高的生产能力。下面结合附图和实施例对本发明予以进一步说明。
图1所示是用于生产碳纳米管的多级串联流化床反应器示意图。图中第一级主反应器1、第二级主反应器2、……至最后一级主反应器3，通过前一级主反应器的溢流管6插入后一级主反应器内、后一级主反应器的反应器尾气出口及气固分离装置5和前一级主反应器的反应器气体或液体原料入口9连通，进行级间串联；催化剂活化反应器4和第一级主反应器1连接，活化反应器的原料入口10在活化反应器的底部；旋风分离器7和最后一级主反应器3的溢流管6连接，旋风分离器7的底部连接料仓8。
上述活化反应器4与第一级主反应器1相通，各级主反应器间通过溢流管输送物料。通过调节反应器尾气出口5的阀门开度和溢流管6的深度，可以有控制的将物料输送入下一级主反应器。因此可以在多个反应器内建立起不同的物料密度梯度和原料气浓度梯度，可以保证良好的流化及原料转化率。
由于采用了多级反应器，针对不同阶段的固体物料的特征，可以采用不同的操作气速。对于第一级主反应器，其作用主要是催化剂初期生长过程，此时催化剂密度较大，体积小，催化活性高，可以在高空速以及高空塔气速下反应，所以反应器可以设计为较小的容积，一般为细高型，以便于高气速下操作，操作气速可达0.01～1m/s；对于第二级主反应器，由于催化剂积碳生长碳纳米管后体积已有较大的膨胀，且活性有所降低，可以在低空速以及低空塔气速下操作，一般气速为0.001～0.2m/s，所以反应器可以设计为直径较大的形式。其余几级反应器类同。
根据本装置的特点：多级串联、逆流接触，还可以发展出一系列其他形式的反应器，具体见图2所示。
实施例1
采用单级反应器反应，其内径为500mm，高2.5m。一次性装填1kg MWNT催化剂，操作气速0.05m/s，反应5h后重量13kg，发现固体物料流化状态较差，出现沟流现象，导致气体转化率仅有30％。
下面例举三种实例说明多级反应器的应用情况。
(1)采用图1所示装置，第、二级主反应器的内径分别为200、500mm，高2.5m，在第一级主反应器内一次性装填1kg MWNT催化剂，操作气速0.3m/s，第二级主反应器操作气速0.05m/s，不装填任何物料。反应30min后，第一级主反应器内固体物料体积膨胀为250倍，重量为5kg，平均收率大于80％，固体物料密度降为120g/L。继续反应，固体物料开始溢流到第二级主反应器内，继续反应4h后，重量为30kg，密度降为75g/L，体积膨胀为2000倍，平均收率约为60％。采用多级串联反应器，较好的解决了密度差异较大的固体物料的流化及连续化操作，反应时间比单个反应装置明显降低。
(2)采用图1所示装置，向第一级主反应器内连续补充催化剂，加料速率为400g/h，操作气速0.2m/s，将反应器温度提高50度，尾气转化率大于96％，原料利用率有较大提高；第二级反应器操作气速0.075m/s，平均转化率大于85％。5h内生产碳纳米管70kg，生产能力、原料以及催化剂利用率均比单反应装置大大提高。
(3)采用图1所示装置，在第一级主反应器内装填1kg SWNT催化剂，操作气速1m/s，第二级主反应器内操作气速0.05m/s。随着反应进行，第一级主反应器内的催化剂快速反应并被夹带入第二级主反应器内继续反应。由于在第一级主反应器内，催化剂活性较高，在高空速下的反应，有利于SWNT的成核反应，而在第二级主反应器内，SWNT主要处在生长阶段，此时催化剂活性较低，降低空速，有利于提高原料气的利用率。反应平均转化率大于90％，产物SWNT选择性大于90％，产品纯化后的BET比表面积平均为1000m2/g。
实施例2
采用图1所示装置，在第一级和最后一级主反应器外壁利用一交变线圈(磁场强度1000A/m)产生交变的磁场，由于催化剂中含有铁颗粒，其在交变磁场中处于不停的跳动中，可明显改善流化质量。
实施例3
图2是一类多层流化床反应器，该流化床反应器的上部(如图2中(2)、(3)所示)、中部(如图2(4)和图2(5)所示)或下部(如图2(1)所示)连接催化剂活化反应器4，催化剂活化反应器4的上部还有连通管和主反应器1的反应器气体或液体原料入口9连通(如图2(1)、(3)、(4)、(5)所示)，或者主反应器1的尾气出口5与催化剂活化反应器4的原料入口10相连通(如图2(2)所示)；在主反应器1设置下层分布器11、上层分布器12，顶部连接反应器尾气出口及气固分离装置5；溢流管6或从顶部插入主反应器1后与旋风分离器7连接(如图2(1)所示)，或将该主反应器的下层分布器11、上层分布器12在主反应器内部或外部连通(如图2(4)和图2(5)所示)；粗产品物料可从旋风分离器7(如图2(1)所示)或出料口13取出(如图2(2)、(3)、(4)、(5)所示)。
图2(1)所示的多层流化床，通过在一个反应器内部的垂直方向上设置两个或多个分布器建立起多个密相区，建立起气体和固体物料的密度梯度，从而将图1中的多个反应器整合到一个反应器内以实现多级反应器的串联。通过调节各级分布器的开孔率、开孔大小以及分布器的高度，可以控制固体物料在各层之间的分配，建立起原料气体的浓度梯度，从而提高了原料气的转化率。下层分布器可以是板式或管式，上层分布器一般采用板式。下层分布板或分布管开孔率为0.01％～5％，开孔大小0.2～3mm，能够保证良好的流化状态，上层分布板开孔率为5％～50％，开孔大小为3～30mm，可以保证一定的固体物料返混。通过在反应器外部或内部专门设置溢流管，改变其垂直位置，可以更加精确的控制上下层物料的分配，如图2(4)和图2(5)所示。通过设置溢流管的高度或者内旋风或外旋风的形式，可以控制上层物料的停留时间，控制反应的进度。
采用图2(1)所示的双层流化床中，操作气速0.2m/s，上下分布器均采用板式分布器，下层分布板开孔1mm，开孔率0.1％，上层分布板开孔20mm，开孔率20％。1kg MWNT催化剂经催化剂活化反应器送入下层反应器，反应20min后体积膨胀到一定程度，部分颗粒可以通过20mm的分布板孔进入上层反应器，建立起新的密相区，进一步转化原料气体。由于在一个反应器内建立了两段密相区，原料气更加接近于平推流，避免了全混釜转化率较低的情况，使得原料利用率从80％提高到90％。当采用增加到三个分布板时，转化率可进一步提高到96％。
图2(2)所示的多层流化床将催化剂活化反应器的入口设置在第二层反应段，这样新鲜催化剂首先进入第二层反应段，反应一段时间后落入第一段反应器，同样地，通过控制分布板开孔的大小、开孔率及操作气速等条件，可以控制上升和下落物料的通量，下落的物料继续在下层反应段反应，最后从固体物料出口7取出。由于固体物料和原料气体属于逆流接触，原料转化率较高，基本达到95％，利用比较充分。当采用图2(3)所示的三层反应器时，转化率可提高到接近100％，上层反应器的直径缩小，降低了反应器的制造成本，并且空床气速增加，有利于新鲜催化剂的流化。
采用图2(4)和图2(5)所示的反应器，上层分布板开孔率3％～30％，开孔大小3～20mm，但由于增加了外溢流或内溢流管，上层密相区的高度比较容易稳定的控制，生产过程中波动较小，尾气出口转化率恒定为95％以上。
实施例4
图3将多个多层流化床反应器组合，既充分利用了多个反应器操作空速及空塔气速可调，又利用了多层流化床逆流接触的优势，可以同时实现分区流化以及较高的原料转化率。
采用图3所示的组合反应器，催化剂从反应器1的上层加入，反应后的碳纳米管产品从反应器1的下层的溢流管取出。反应器1的下层主要是生长倍数较高的碳纳米管，其密度较低，活性较低，原料转化率也较低，为了提高原料利用率，反应器1上层主要是新鲜的催化剂，主要用于原料气的进一步转化。上层分布板开孔率0.01％~5％，开孔大小0.1～3mm，固体物料主要通过输料溢流管6进入反应器2。反应器2可以是细高型反应器，可以在高空速及高空塔气速(0.01～1m/s)下操作，反应器2的尾气与反应器1的原料气混合后进入反应器1的下层反应段，或者与固体物料一起通过溢流管直接进入反应器1的下层反应段进一步转化，从而实现原料气的高转化率，转化率接近100％。
该组合反应器与单纯的多层流化床反应器相比较，其特点是可以在反应器2中高空速操作，在保证原料高转化率的情况下极大的提高了反应器的生产能力。
实施例5
对于单/双壁碳纳米管或少壁碳纳米管，在碳纳米管的成核初期，催化剂受氢气、一氧化碳等还原性气体影响较大，有时需要高浓度的氢气还原活性组分以促进其成核，而有时又需要避免发生高浓度的氢气造成还原过度导致活性组分聚并进而不利于单/双壁碳纳米管的可控制备的情况。对以烃类气体或液体作为原料的情况，裂解过程中会产生大量的氢气，如何避免这种原位生成的氢气对催化剂带来的不良影响，是反应器设计的关键。
图4是提升管和流化床组合式反应器，1为流化床反应器，14为储料罐，其中的物料可以在气流作用下处于流化状态，流动的物料经气流夹带或文丘里或螺旋进样器等送入提升管反应器15。提升管中气速一般为0.5～30m/s，固含量一般为1％～50％，催化剂在提升管中的停留时间一般为ms～s量级，通过管路长度设计和气速控制可以精确的控制催化剂的反应时间。在提升管反应器中，气体接近于平推流，返混较少，抑制了新鲜催化剂和返混的产物氢气之间的副反应，有利于单/双壁碳纳米管的成核。根据需要也可以把提升管当作物料输送通道，不再用作反应器，此时提升管只是一个连续进料装置，这对于单/双壁碳纳米管的生长也是有利的。
利用图4(1)所示装置，反应器1直径50mm，高0.4m。储料罐14装有单壁或双壁碳纳米管催化剂150g，通Ar或N2气速0.1m/s，使得催化剂处于流化状态，提升管反应器15管径5mm，长度为120m，螺旋盘绕而成，管内通碳源气体，气速3m/s，储料罐14和提升管反应器15均加热到单壁或双壁碳纳米管的反应温度，一般为650～950度。采用文丘里管进料，催化剂被送入提升管反应器15，进料速率约为0.30g/s，在提升管内反应停留时间大约40s，然后送入反应器1内继续反应，反应器中气速为0.15m//s。产物经旋风分离器收集，其中单壁或双壁碳纳米管选择性一般大于95％，粗产品中单壁或双壁碳纳米管含量为80％，其生产速率为1000g/h。
利用图4(2)所示装置，提升管反应器15内不再通碳源气体，而以Ar或N2取代，气速5m/s，进料速率0.40g/s，提升管长度为0.6m，储料罐14中催化剂经提升管15连续进入反应器1，约反应10min。产物中单壁或双壁碳纳米管选择性一般大于90％，含量约为60％。
作为对比，若直接将30g催化剂装填入反应器1内，气速0.15m/s，反应10min，发现产物中含有较多的多壁碳纳米管，单壁或双壁碳纳米管选择性变差，仅有20％的选择性。
实施例6
图5是一类内-外嵌套的环形反应器，两级反应器并联，反应器形式紧凑，气速和空速可以独立控制。图中，新鲜催化剂在活化反应器4中活化后，经催化剂进料管18送入内部圆柱形反应器17(图5(1)所示)或外部环形反应器16(图5(2)所示)；19、20分别为外、内反应器的原料气入口，原料气通过催化剂床层发生一定程度的反应后从催化剂进料管18进入催化剂活化反应器4，进一步转化后从尾气出口5排出。
图5(1)采用外壁加热炉21进行加热，内部圆柱形反应器17可以通过外部环形反应器16内的固体物料间接加热或移热，适合于热效应不大的反应体系。由于新鲜催化剂活性较高，热效应比失活催化剂大，图5(2)中新鲜催化剂主要送入外部环形反应器16，可以解决内部圆柱形反应器17传热、移热较差的缺点。当内、外反应器直径分别为400mm和500mm，原料气速分别为0.1m/s和0.3m/s时，其平均转化率约83％。
实施例7
图6为多级阶梯形搅拌反应器，搅拌桨24是竖直形式的。是一类似于锥形的多级阶梯形反应器，相对于大角度的锥形容器而言，这种阶梯形反应器加工方便，制造成本低，非常适合碳纳米管的生产。图中，22为阶梯形反应器，23为动密封，24为搅拌桨，4为催化剂活化反应器，18为催化剂进料口，9为原料气入口，5为尾气出口。
反应初期，新鲜催化剂主要分布在最底下的一级反应器内，随着反应的进行，催化剂体积逐渐膨胀，物料体积增加，进入二级反应器，继续反应、膨胀，直至最后一级反应器。各级反应器的直径逐渐增加，直径逐级放大比例可在1.2～5之间，对应的各级反应器中的空塔气速也有很大变化，一般的，第一级反应器内气速较高，以后各级反应器内气速则逐渐降低，气流停留时间逐渐延长。对于新鲜的催化剂，其密度较大，主要沉积在第一级反应器内，由于活性较高，在较高的气速下仍然可以保证很高的原料转化率，；随着催化剂逐渐失活，其密度逐渐降低，逐渐分布于最后几级反应器内，其活性也逐渐降低，此时，较低的气速大大的增加了原料气体与催化剂颗粒的接触时间，有利于进一步提高原料的转化率。这种多级阶梯形反应器结构使得反应器内不同活性催化剂的分布与原料气的气速能够很好的匹配，充分发挥了催化剂的活性，提高了原料气的转化。
阶梯形反应器内置有搅拌桨，可以通过机械搅拌改善固体物料的流化质量，固体物料既可以处于流化状态，也可处于半流化的蠕动状态。由于有搅拌装置的辅助流化，取代部分湍动气流的流化作用，所以空塔气速可以适当降低，再次增加了原料气在反应器内部的停留时间，进一步提高了原料的转化率。
采用图6所示多级反应器，共分为四级，第一级反应器直径50mm，操作气速为1m/s，以后各级反应器直径分别为100mm，200mm，350mm，气速在各级反应器内逐渐降低，最低气速仅0.02m/s。由于活性较高的催化剂密度较大，一般沉积于第一级反应器，在较高的操作气速下反应，有利于提高生产能力；而逐渐失活的催化剂，因其密度不断降低而浮在上级反应器中，主要在最后两级反应器内，此时气速已逐渐降低到0.02～0.03m/s，气速较低，停留时间较长，转化率可高达95％。
实施例8
图7是一类水平方向的移动床反应器，将多级反应器从垂直方向更改为水平方向，避免了反应装置受高度的限制。水平式与垂直式反应器的不同之处，在于后者是多个不同直径的反应容器的垂直组合，加工制作难度大，而前者既可以是不同直径的反应器的组合，如图7(1)、(2)和(3)所示。图中，22为多级反应器，23为动密封，24为搅拌桨，4为催化剂活化反应器，18为催化剂进料口，19为原料气入口，5为尾气出口。搅拌桨24水平安装在反应器22内。反应器22可以是相同直径或不同直径，或是不同或相同长度的反应容器的组合，水平安装，便于扩大规模时设备的连接。固体物料在反应器22内总体呈水平流动，返混不太严重，停留时间分布较均匀，有利于产品质量控制。水平搅拌桨式移动床反应器非常类似于回转窑，但前者依靠螺旋桨的转动使得固体物料不断向前迁移和输送，旋转部件只有螺旋桨，反应器自身固定不动，省却了回转窑式反应器所需要的复杂的动力系统。

Claims (8)

1.一种连续化生产碳纳米管的方法，其特征在于，采用多级反应器串联的装置，通过分别控制各级反应器内催化剂和碳纳米材料的分配及其流化状态，分区操作，可以实现有较大密度跨度的物料的正常流化及连续化操作，连续化制备碳纳米管的步骤如下：
1)将催化剂放在活化反应器内，于350～900℃温度下，在还原气氛下进行还原反应，使催化剂中活性中心还原为单质金属纳米颗粒；
2)将第一级反应器升温至500～900℃，在此温度下，将催化剂从活化反应器送入到第一级主反应器，通入碳源气体或液体原料与氢气、氮气的混合气体至反应器内，其三者的体积比为氢气∶碳源气体∶氮气＝0～2∶1∶0～5，反应过程的空速为1～10000小时-1，气体的空塔流速为0.01～5m/s；
3)在反应进行过程中，第一级主反应器内碳纳米管逐渐膨胀到整个床层高度，此时可以自行溢流或增大气流将碳纳米管粗产品吹扫到第二级主反应器内继续反应，或者随反应时间延长，粗产品密度进一步降低，可以自行在正常操作气速下被夹带出反应器，可以将第一级反应器的尾气并流通入第二级反应器内继续转化，或者直接向第二级主反应器内按上述比例补充新鲜的碳源气体进行反应，也可以将第二级反应器的尾气逆流通入第一级反应器内进行转化；其他几级主反应器依次类推；
4)向第一级主反应器内补充新鲜的经过活化的催化剂，继续反应，由于新鲜的催化剂密度较碳纳米管粗产品大的多，可以停留在反应器的底部而不会自行溢出反应器，从而可以保证粗产品与催化剂的良好分离，极大提高了操作的稳定性；
5)从最后一级主反应器溢出或吹出的碳纳米管经旋风分离器、陶瓷过滤器或布袋过滤器等分离后沉积在收集容器内，经风冷或水冷冷却后即可包装运输。
2.根据权利要求1所述连续化生产碳纳米管的方法，其特征在于，所述还原气体为氢气或一氧化碳与氮气的混合气体。
3.根据权利要求1或2所述连续化生产碳纳米管的方法，其特征在于，所述氢气或一氧化碳与氮气按体积比1∶0.1～10混合。
4.根据权利要求1所述连续化生产碳纳米管的方法，其特征在于，所述碳源气体或液体原料为一氧化碳、烃类气体、液化气、天然气、苯、甲苯、二甲苯或环己烷。
5.根据权利要求1所述连续化生产碳纳米管的方法，其特征在于，所述催化剂为多壁碳纳米管(MWNT)催化剂、单壁碳纳米管(SWNT)催化剂或双壁碳纳米管(DWNT)催化剂。
6.一种连续化生产碳纳米管的装置，其特征在于，所述连续化生产碳纳米管的装置为多级反应器串联的装置，包括第一级主反应器(1)、第二级主反应器(2)、……至最后一级主反应器(3)，通过前一级主反应器的溢流管(6)插入后一级主反应器内、后一级主反应器的反应器尾气出口及气固分离装置(5)和前一级主反应器的反应器气体或液体原料入口(9)连通进行级间串联，催化剂活化反应器(4)和第一级主反应器(1)连接，活化反应器的原料入口(10)在活化反应器的底部；旋风分离器(7)和最后一级主反应器(3)的溢流管(6)连接，旋风分离器(7)的底部连接料仓(8)。
7.根据权利要求6所述连续化生产碳纳米管的装置，其特征在于，所述主反应器为多层流化床反应器，该流化床反应器的上部、中部或下部连接催化剂活化反应器(4)，催化剂活化反应器(4)的上部还有连通管和主反应器(1)的反应器气体或液体原料入口(9)连通，在主反应器(1)设置下层分布器(11)、上层分布器(12)，顶部连接反应器尾气出口及气固分离装置(5)，溢流管(6)从顶部插入主反应器(1)，或连接旋风分离器(7)或溢流管(6)将该主反应器的下层分布器(11)、上层分布器(12)在主反应器外部连通，在主反应器(1)中下部设置出料口(13)。
8.根据权利要求6所述连续化生产碳纳米管的装置，其特征在于，所述连续化生产碳纳米管的装置为多个多层的组合反应器、提升管-流化床组合式反应器、内-外嵌套的并联环形反应器、多级阶梯形搅拌或水平搅拌桨式移动床反应器。
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