CN105854740B - 用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纳米材料技术领域，提供一种用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，包括具有反应室的流化床反应器本体以及设于反应室内的旋转装置，旋转装置包括沿反应室中心纵向设置的旋转轴以及与旋转轴连接且可在旋转轴带动下旋转的旋转体，反应室设有供气体流入的流入口以及供气体流出的流出口，旋转轴与流入口连通，旋转体与旋转轴连通，且旋转体上设有正对反应室的内壁且与旋转轴连通供气体流出的若干气孔。本发明中，旋转体在气流的反冲作用力下被驱动旋转，旋转体在转动时，旋转体清洁粘附在反应室内壁上的催化剂和碳纳米管，同时由气孔喷出的气体对反应室内壁进行冲洗，避免碳纳米管在反应室内壁上局部堆积而造成流化床内有效体积的减少。

Description

用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，更具体地说，是涉及一种用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器。

背景技术

碳纳米管作为一种新兴的具有优异性能的一维纳米材料被广泛应用于二次锂离子电池导电介质、复合材料、场发射、储能材料等各个方面。流化床反应器被用在碳纳米管的大规模生产中，其优异的传热、传质过程使催化剂与原料气体充分接触、反应能获得了性能优异的碳纳米管。

由于碳纳米管是具有中空结构的一维纳米材料，且具有体积密度小、比表面积大、长径比高等特点，碳纳米管很容易相互缠绕形成团聚体。在使用流化床反应器生产碳纳米管的过程中催化剂易粘附反应器的内壁上，随着碳纳米管的生长，团聚的碳纳米管在内壁上逐渐积累形成堆积体，并且在放料时不能随气流一起被带出。随着连续生产批次的增多，反应器内壁上团聚的碳纳米管越积越厚，占用了流化床反应器的一部分体积，严重影响反应器内传热、传质过程的进行，从而降低了流化床反应器的效率，不能实现真正意义上的连续化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，旨在解决现有技术中在碳纳米管生产中流化床反应器内壁易堆积碳纳米管，而影响反应器内传热、传质的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，包括具有反应室的流化床反应器本体，还包括设于所述反应室内的旋转装置，所述旋转装置包括沿所述反应室中心纵向设置的旋转轴以及与所述旋转轴连接且可在所述旋转轴带动下旋转的旋转体，所述反应室设有供气体流入的流入口以及供气体流出的流出口，所述旋转轴与所述流入口连通，所述旋转体与所述旋转轴连通，且所述旋转体上设有正对所述反应室的内壁且与所述旋转轴连通供气体流出的若干气孔。

可选地，所述旋转体包括若干旋转杆、上连接杆组件及下连接杆组件，若干所述旋转杆纵向设置，若干所述旋转杆均匀排列，若干所述旋转杆的上端头之间的连线以及下端头之间的连线均呈圆形，所述上连接杆组件水平设置，且将若干所述旋转杆的上端头连接为一体，所述下连接杆组件水平设置，且将若干所述旋转杆的下端头连接为一体，若干气孔沿各所述旋转杆长度方向均匀设置，所述上连接杆组件与所述下连接杆组件中至少一与所述旋转轴及若干所述旋转杆连通。

可选地，所述上连接杆组件包括若干呈直杆状的上连接杆，若干所述上连接杆交叉设置，若干所述上连接杆的交点位于若干所述旋转杆上端头圆形连线的中心，每根上连接杆的两端分别连接相对设置的两旋转杆的上端头；所述下连接杆组件若干呈直杆状的下连接杆，若干所述下连接杆交叉设置，若干所述下连接杆的交点位于若干所述旋转杆下端头圆形连线的中心，每根下连接杆的两端分别连接相对设置的两旋转杆的下端头，所述旋转轴固定连接于所述两交点处。

可选地，所述上连接杆组件包括一呈圆形的第一上连接杆以及若干呈直杆状的第二上连接杆，若干所述旋转杆的上端头与所述第一上连接杆固定连接，若干所述第二上连接杆交叉设置于所述第一上连接杆内部，且若干所述第二上连接杆的交点位于所述第一上连接杆的中心；所述下连接杆组件包括一呈圆形的第一下连接杆以及若干呈直杆状的第二下连接杆，若干所述旋转杆的下端头与所述第一下连接杆固定连接，若干所述第二下连接杆交叉设置于所述第一下连接杆内部，且若干所述第二下连接杆的交点位于所述第一下连接杆的中心，所述旋转轴固定连接于所述两交点处。

可选地，所述旋转轴包括同轴设置的上旋转部与下旋转部，所述上旋转部与所述下旋转部分别连接于两所述交点处。

可选地，所述下旋转部伸出所述流入口与外部气供装置连通。

可选地，所述旋转杆呈直杆状；或者，所述旋转杆呈弯曲状。

可选地，所述旋转杆与所述反应室的内壁贴靠。

可选地，相对设置的两所述旋转杆上的所述气孔交错设置。

可选地，所述气孔截面呈圆形、矩形、三角形或椭圆形。

本发明中，通过流入口向旋转轴充入一定流速的惰性气体，惰性气体经旋转轴进入旋转体，并由若干气孔中流出，旋转体在气流的反冲作用力下被驱动旋转，通过控制气流的大小可控制旋转体的转速，旋转体在转动时，旋转体清洁粘附在反应室内壁上的催化剂和碳纳米管，同时由气孔喷出的气体对反应室内壁进行冲洗，避免碳纳米管在反应室内壁上局部堆积而造成流化床内有效体积的减少，进而使团聚的碳纳米管始终呈现良好的流化状态。而且，旋转装置无需任何外源动力，不消耗额外的能源，易于操作，提高了流化床设备使用效率，便于大规模、连续化生产高质量碳纳米管。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器的纵向剖视图；

图2是图1中A-A剖视图；

图3是本发明实施例一中旋转装置的结构示意图；

图4是本发明实施例一中相对设置的两旋转杆上的气孔分布示意图；

图5是本发明实施例一中相对设置的两旋转杆上的另一气孔分布示意图；

图6是本发明实施例二中旋转装置的结构示意图；

100-反应器本体； 110-反应室； 120-流入口；

130-流出口； 200-旋转装置； 210-旋转轴；

211-上旋转部； 212-下旋转部； 220-旋转体；

221-气孔； 222-旋转杆； 223-上连接杆组件；

2231-第一上连接杆； 2232-第二上连接杆； 224-下连接相组件；

2241-第一下连接杆； 2242-第二下连接杆； 225-上连接杆；

226-下连接杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

实施例一

参照图1、图2，本发明实施例一提供的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，包括具有反应室100的流化床反应器本体100，还包括设于反应室100内的旋转装置200。旋转装置200包括沿反应室100中心纵向设置的旋转轴210以及与旋转轴210连接且可在旋转轴210带动下旋转的旋转体220。反应室100的底部设有供气体流入的流入口120，反应室100的顶部设有供气体流出的流出口130。旋转轴210与流入口120连通，旋转体220与旋转轴210连通，且旋转体220上设有正对反应室100的内壁且与旋转轴210连通供气体流出的若干气孔221。

本发明实施例中，通过流入口120向旋转轴210充入一定流速的惰性气体，惰性气体经旋转轴210进入旋转体220，并由若干气孔221中流出，旋转体220在气流的反冲作用力下被驱动旋转，通过控制气流的大小可控制旋转体220的转速，旋转体220在转动时，旋转体220清洁粘附在反应室100内壁上的催化剂和碳纳米管，同时由气孔221喷出的气体对反应室100内壁进行冲洗，避免碳纳米管在反应室110内壁上局部堆积而造成流化床内有效体积的减少，进而使团聚的碳纳米管始终呈现良好的流化状态。而且，旋转装置200无需任何外源动力，不消耗额外的能源，易于操作，提高了流化床设备使用效率，便于大规模、连续化生产高质量碳纳米管。

参照图3，旋转体220包括若干旋转杆222、上连接杆组件223及下连接杆组件224。本实施例中，旋转杆222为四根，均呈直杆状，四根旋转杆222均纵向设置，且均匀排列，四根旋转杆222两两相对设置，四根旋转杆222的上端头之间的连线以及下端头之间的连接均呈圆形。每根旋转杆222上均设有若干上述的气孔221，且每根旋转杆222上的气孔221是沿旋转杆222的长度均匀分布。

而上连接杆组件223包括两根上连接杆225，两根上连接杆225也呈直杆状。两根上连接杆225水平交叉设置，两根上连接杆225的交点位于四根旋转杆222上端头圆形连线的中心，每根上连接杆225的两端分别连接相对设置的两旋转杆222的上端头，由于两根上连接杆225于交叉处连接于一体，这样，两根上连接杆225即将四根旋转杆222的上端头连接为一体。同样的，下连接杆组件224包括两根下连接杆226，两根下连接杆226也呈直杆状。两根下连接杆226水平交叉设置，两根下连接杆226的交点位于四根旋转杆222下端头圆形连接的中心，每根下连接杆226的两端分别连接相对设置的两旋转杆222的下端头，这样，两根下连接杆226即将四根旋转杆222的下端头连接为一体。

本实施例中，旋转轴210包括同轴设置的上旋转部211与下旋转部212，上旋转部211与下旋转部212分别连接于两上连接杆225的交点处及两根下连接杆226的交点处。当然，旋转轴210也可以为一整体轴，贯穿于旋转体220内。

本实施例中，下旋转部212也为中空管，下旋转部212伸出流入口120与外部气供装置连通。下连接杆组件224中的两下连接杆226均为中空管，两下连接杆226均与下旋转部212及四根旋转杆222连通。这样，惰性气体由下旋转部212进入两下连接杆226内，并通过两下连接杆226进入四根旋转杆222内由气孔221流出，并最终通过反应室100的流出口130流出。这样，不需要上连接杆组件223提供通道，上连接杆组件223的两上连接杆225即可采用实体管。当然，当气流的流入口120设置于反应室100的顶部时，也可以将上连接杆组件223设置为空心管，而将下连接杆组件224设置为实体管。

需要说明的是，上连接杆组件223中的上连接杆225数量、下连接杆组件224中的下连接杆226数量以及旋转杆222的数量也可以为其他数量。

由图1可以看出，四根旋转杆222均与反应室100的内壁贴靠。这样，在旋转时，由旋转杆222上流出气体能有效地移除粘附在反应室100内壁上的催化剂和碳纳米管。

由图3可以看出，本实施例中，气孔221为非贯通孔，其开口朝向反应室100内壁，相对设置的两旋转杆222的气孔221开口朝向相反，这样，保证由气孔221流出的气体能直接对准反应室100内壁进行冲洗，冲洗效率更高。

图4，为本发明实施例一中相对设置的两旋转杆222上的气孔221分布示意图。由图中可以看出，相对设置的两旋转杆222上的气孔221交错设置。且每个气孔221截面呈圆形。这样，对于相对设置的两旋转杆222而言，交错的气孔221在竖直方向上保持连续，即在竖直方向上不存在间隔，因而不会存在气体冲刷的死角，最大程度清洁反应器内壁。而且，在旋转杆222转动过程中，由气孔221流出的反冲气体沿反应器内壁切线方向流动，不影响竖直方向流化床的流化反应。

需要说明的是，气孔221也可以采用其他形状，如图5所示中的椭圆形。或者，也可以为矩形，三角形等等。

实施例二

参照图6，本发明实施例二提供的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其与实施例一的不同之处在于，旋转体220结构不同。本实施例中，旋转体220中的旋转杆222呈弯曲状。这种曲线设计在旋转体220同等高度下，增加了单位长度上的气孔221的数量，由气孔221流出的气体分布更加均匀，利用气体冲刷效率更高。

另外，上连接杆组件223的结构与下连接杆组件224的结构也不同于实施例一。本实施例中，上连接杆组件223包括一呈圆形的第一上连接杆2231以及两呈直杆状的第二上连接杆2232，四根旋转杆222的上端头与第一上连接杆2231固定连接，两第二上连接杆2232交叉设置于第一上连接杆2231内部，且两第二上连接杆2232的交点位于第一上连接杆2231的中心；同样的，下连接杆组件224包括一呈圆形的第一下连接杆2241以及两呈直杆状的第二下连接杆2242，四根旋转杆222的下端头与第一下连接杆2241固定连接，两第二下连接杆2242交叉设置于第一下连接杆2241内部，且两第二下连接杆2242的交点位于第一下连接杆2241的中心。而旋转轴210结构与实施例一中旋转轴210结构相同，上旋转部211与下旋转部212分别连接于两交点处。

本实施例中，增加圆形的第一上连接杆2231及圆形的第二上连接杆2232，使旋转体220的结构更稳固，而实施例一中省略呈圆形的第一上连接杆2231及呈圆形的第二上连接杆2232，也在一定程度上减轻了旋转体220的重量，便于其更好地旋转。在实际应用中，可以根据要求，增加或省略圆形的第一上连接杆2231及圆形的第二上连接杆2232。

综上，本发明中具有上述结构碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，具有以下有益效果：

一、于反应室100内增加旋转体220，利用旋转体220在反应室100内的转动清除粘附在反应室100内壁上的催化剂和团聚碳纳米管，使流化体积、流化状态始终处于稳定状态，增加生产的稳定性和设备使用效率；

二、旋转体220采用惰性气体反冲的原理，无需使用任何额外的能源就能实现旋转体220的连续转动，经济又高效；

三、旋转体220中气孔221沿旋转杆222均匀分布，使反冲气体分布更加均匀，自清洁效率更高；

四、旋转体220中相对设置的两旋转杆222上的气孔221交错分布，使得气孔221整体上在竖直方向上不存在间隔，避免出现气体冲刷的死角，最大程度清洁反应器内壁；

五、旋转体220在旋转过程中，反冲气体沿着反应室100内壁切线方向流动，不影响竖直方向流化床的流化行为。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，包括具有反应室的流化床反应器本体，其特征在于：还包括设于所述反应室内的旋转装置，所述旋转装置包括沿所述反应室中心纵向设置的旋转轴以及与所述旋转轴连接且可在所述旋转轴带动下旋转的旋转体，所述反应室设有供气体流入的流入口以及供气体流出的流出口，所述旋转轴与所述流入口连通，所述旋转体与所述旋转轴连通，且所述旋转体上设有正对所述反应室的内壁且与所述旋转轴连通供气体流出的若干气孔，所述旋转体包括若干旋转杆、上连接杆组件及下连接杆组件，若干所述旋转杆纵向设置，若干所述旋转杆均匀排列，若干所述旋转杆的上端头之间的连线以及下端头之间的连线均呈圆形，所述上连接杆组件水平设置，且将若干所述旋转杆的上端头连接为一体，所述下连接杆组件水平设置，且将若干所述旋转杆的下端头连接为一体，若干气孔沿各所述旋转杆长度方向均匀设置，所述上连接杆组件与所述下连接杆组件中至少一与所述旋转轴及若干所述旋转杆连通，所述上连接杆组件包括若干呈直杆状的上连接杆，若干所述上连接杆交叉设置，若干所述上连接杆的交点位于若干所述旋转杆上端头圆形连线的中心，每根上连接杆的两端分别连接相对设置的两旋转杆的上端头；所述下连接杆组件包括若干呈直杆状的下连接杆，若干所述下连接杆交叉设置，若干所述下连接杆的交点位于若干所述旋转杆下端头圆形连线的中心，每根下连接杆的两端分别连接相对设置的两旋转杆的下端头，所述旋转轴固定连接于所述两交点处或者，所述上连接杆组件包括一呈圆形的第一上连接杆以及若干呈直杆状的第二上连接杆，若干所述旋转杆的上端头与所述第一上连接杆固定连接，若干所述第二上连接杆交叉设置于所述第一上连接杆内部，且若干所述第二上连接杆的交点位于所述第一上连接杆的中心；所述下连接杆组件包括一呈圆形的第一下连接杆以及若干呈直杆状的第二下连接杆，若干所述旋转杆的下端头与所述第一下连接杆固定连接，若干所述第二下连接杆交叉设置于所述第一下连接杆内部，且若干所述第二下连接杆的交点位于所述第一下连接杆的中心，所述旋转轴固定连接于所述两交点处所述旋转体中相对设置的两旋转杆上的气孔交错分布。

2.如权利要求1所述的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其特征在于：所述旋转轴包括同轴设置的上旋转部与下旋转部，所述上旋转部与所述下旋转部分别连接于两所述交点处。

3.如权利要求2所述的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其特征在于：所述下旋转部伸出所述流入口与外部气供装置连通。

4.如权利要求2或3所述的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其特征在于：所述旋转杆呈直杆状；或者，所述旋转杆呈弯曲状。

5.如权利要求2或3所述的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其特征在于：所述旋转杆与所述反应室的内壁贴靠。

6.如权利要求2或3所述的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其特征在于：相对设置的两所述旋转杆上的所述气孔交错设置。

7.如权利要求2或3所述的用于碳纳米管生产的自清洁流化床反应器，其特征在于：所述气孔截面呈圆形、矩形、三角形或椭圆形。