CN205187874U - 一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置 - Google Patents

Abstract

一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置，包括反应系统及制备系统；所述反应系统包括搅拌输送罐、高压泵、热交换器、反应器和高压输气泵；所述制备系统包括分流器、喷射装置和分离器。本实用新型是采用超临界对撞法制备碳纳米管的装置，其内容包括了反应阶段和制备阶段两大部分。通过利用高温高压下超临界状态水的特殊性能，在惰性气体的参与下进行反应，并利用装备的结构性能及合理工艺制备出合于要求的碳纳米管产品，即达到了CNTS生产的高效率、低成本和规模化。

Description

一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置

技术领域

本实用新型涉及一种制备碳纳米管的装置，具体地说是一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置。

背景技术

碳纳米管（简称CNTS）又称富勒烯管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。因在高科技及许多工业领域中有广泛的应用价值而被人们所重视，自上世纪九十年代发现CNTS后，其工业化制备的方法一直成为难题。

1991年，日本名城大学教授饭岛澄男采用氩气氛围下直流电弧在石墨电极放电的方法，在阴极棒上制备出了碳纳米管，这也是人类第一次制备并发现碳纳米管。由于碳纳米管的高强度、高韧性及优良的导热性能，可改善材料的功能性而引起科学界极大关注，特别是确定其比钢的强度高100倍，质量比重却小于钢的6倍，杨氏模量达1.3TPa的数据后，奠定了其在尖端科学和工业技术领域中的应用地位。但因现有制备装置成本高、产量低，造成产品价格昂贵，使CNTS的广泛应用受到限制，人们期待一种高效能、低成本、可规模化的生产装备和工艺，以降低CNTS的应用价格。

近年报道了清华大学魏飞等采用纳米聚团反应器制备碳纳米管，可实现15Kg/小时的产量，如生产时间以每天按8小时计算，能够达到每年36吨的生产规模。此外，在世界各大学和科研机构甚至企业里，研究人员进行了许多规模化制备实验尝试，但是真正用于低成本、高效率、工业化生产的实例尚未出现。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置，以解决现有技术制碳纳米管成本高和效率低的问题。

本实用新型是这样实现的：一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置，包括反应系统和制备系统；

所述反应系统包括搅拌输送罐、高压泵、热交换器、反应器和高压输气泵；所述搅拌输送罐、所述高压泵、所述热交换器和所述反应器通过管道依次相接；在所述反应器上设置有进气口，所述高压输气泵通过管道连接在所述反应器的进气口上；在所述反应器的下端设置有出料口，在所述反应器内设置有加热装置；

所述制备系统包括分流器、喷射装置和分离器；所述分流器的一端与所述反应器的出料口连接，所述分流器的另一端与所述喷射装置相接，所述喷射装置包括两只并行的喷管，在所述喷管的端部设置有喷嘴；所述分离器是在罐状壳体内的中部设置有带有孔隙的接受板，所述接受板将所述分离器的内腔分隔为上部的冷却室和下部的蒸发室，在所述冷却室中设置有冷却装置，在所述蒸发室内设置有加热装置，在所述壳体的上部设置有排气阀，在所述壳体的底部设置有排渣口；所述喷射装置通入所述分离器的冷却室中。

所述分离器的壳体底部为倒锥形，所述排渣口设置在所述壳体的锥尖部。

本实用新型是采用超临界对撞法制备碳纳米管的装置，其内容包括了反应阶段和制备阶段两大部分。通过利用高温高压下超临界状态水的特殊性能，在惰性气体的参与下进行反应，并利用装备的结构性能及合理工艺制备出合于要求的碳纳米管产品，即达到了CNTS生产的高效率、低成本和规模化。

本实用新型的优点有：

1、装置整体紧凑，占地面积小，封闭运行，无泄漏，无污染。

2、反应器采用内热式加热，可加热至反应所需温度。

3、反应器为上进下出设计，出料口与分流器及喷射装置连接，能够使反应后物质直接进入分离器。

4、分离器内设喷射装置，接受板，冷却装置及蒸发装置，可对喷射后的高温高压气流起到减压缓冲、冷却降温及蒸发干燥的作用，同时气体被蒸发后与产物分离并排放。

5、工艺设计合理，可连贯性操作，连续加料、出料、制备及分离。

6、反应参与气体可采用价廉及来源广泛的氮气。

7、反应温度、压力条件适宜操作，反应时间短、效率高。

8、利用自身反应的超临界流体在减压分离时的高速扩散力对撞方法，可较好地使用流体中的富勒烯簇团得以粉碎或修饰，制备出符合要求的碳纳米管产物。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是反应器的结构示意图。

图3是分离器的结构示意图。

图4是本实用新型的工作原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括反应系统和制备系统两大部分，其中，反应系统包括搅拌输送罐1、高压泵2、热交换器3、反应器4和高压输气泵5。搅拌输送罐1的下端设置有输料口，输料口通过管道与高压泵2连接，高压泵2再通过管道与热交换器3连接。图2中，在反应器4的上部设置有进料口4.1，热交换器3通过管道与进料口4.1连接，经热交换器3加热的原料流体由此进入反应器4内。在反应器4上还设置有进气口4.2，高压输气泵5与进气口4.2连接，惰性气体由此进到反应器4内。在反应器4的下部设置有出料口4.3，在反应器4内设置有加热装置4.4，以为反应提供足够的温度。

将石墨原料细碎后与一定比例的水混合，在搅拌输送罐1内进行搅拌，形成原料流体。原料流体经管道输至高压泵2内，泵内高压为20~35MPa。加压后的原料流体进入热交换器3中加热，加热温度约为300~400℃。加热后的原料流体经管道输送到反应器4中，高压输气泵5将惰性气体加压输入反应器4中，本实施例中使用的是氮气。此时在反应器4中，超临界流体与氮气混合反应，超临界流体下行扩散，氮气上行扩散，两者交汇后在反应器4内被加热至550~650℃反应温度，并达到20~35MPa的反应压力。在此温度、压力和超临界水的极高的溶解力条件下，石墨被熔融。在30s~4min的反应时间内被转化为富勒烯结构，同时熔融体在相似分子间作用力下发生聚团，使质量增加。当簇团增长到一定质量时，熔点增高，簇团停止增长（簇团含有多个单、双层碳纳米管）。反应后，流体下行自反应系统进入制备系统。

如图3所示，本实用新型中的制备系统包括分流器6、喷射装置7及分离器8。分流器6通过管道与反应器4的出料口连接（图1），分流器6的另一端连接喷射装置7，喷射装置7包括两只并行的喷管，在喷管上设置有喷嘴，喷嘴通入分离器8的罐状壳体内。在分离器8的壳体内的中部设置有接受板9，经接受板9分隔，壳体上半部为冷却室10，在冷却室内设置有冷却装置8.1，壳体的下半部为蒸发室11，在蒸发室11内设置有加热装置8.2。在分离器8的上部设置有排气口8.3，在与排气口8.3相接的管道上接有排气阀；在分离器8的下端设置有排渣口12，以方便排渣。

经高压输送管道进入分流器6的超临界流体，先经分流器6进行分流，在此分为两股流体经喷射装置7输至分离器8中，通过喷射装置7变换喷射角度进行交叉对撞喷射，流体中的富勒烯簇团经过高速射流的对撞，簇团支离、粉碎或修饰，形成小分子质量、单层或双层的碳纳米管产物。在分离器8的冷却室11内设置的冷却装置可将罐内温度降至80~110℃、压力为常压，携带碳纳米管产物的气体下行，通过接受板9的减压扩散，透过接受板9上的隙孔进入蒸发室11中，在150~250℃蒸发温度下，碳纳米管产物被干燥沉降于分离器8的底部，并经排渣口12间歇排出，而混合气体则被蒸发上行至分离器顶部的排气口8.3被排出。为了方便产物集中排出，分离器8的壳体下部设置为倒锥形。

如图4所示，本实用新型设计的工艺原理为：

石墨与富勒烯单质或金刚石单质在一定条件下可以互相转变，在高温和高压下，可以使碳原子摆脱原来的化学键束缚，并且按富勒烯或金刚石的结构及结合方式排列。处于高温高压状态的超临界水是使石墨单质结构改变的最好介质，也是熔解石墨最好的溶剂。在氮气或惰性气体的参与下，超临界水可以使石墨单质转变成富勒烯单质的形态，而这种转变是高效快速的，只需几秒至几分钟的时间。

碳纳米管是由石墨中的一层或若干层碳原子卷曲而成的纤维，它作为富勒烯家族的管状结构单质，可分为单层管和多层管。单层碳纳米管由单层片状石墨卷曲而成，多层碳纳米管由不同直径的单层碳纳米管套装而成。单层管、多层管或更复杂的管结构可耐受不同的温度、撞击力等，具有不同的强度、韧度及介电常数。因此，在受到外部条件尤其是在超临界水强度撞击下，可形成不同的单层、双层或多层的结构形态。

超临界水是一种超过高温高压临界点状态的水，具有较高的扩散力、溶解力和密度。它不仅成为高压下制备物质良好地运输流体，又成为高温下制备物质高效反应的媒介，可在不同气体或催化剂参与下进行各种反应，如：氧化反应、氢化反应、氮化反应及聚合反应等。

根据分子间作用力原理，物质分子间具有聚集在一起的作用力，相似物质的相对分子质量越小，分子间作用力越小，其熔点越低。相反，分子质量越大，就会熔点变高。碳在小分子质量情况下，其熔点较低，特别是在超临界水的500~650℃及20~35MPa温度及压力下，完全可以是小分子质量的石墨熔解或熔融，若在氮气或惰性气体参与下，石墨单质被熔解后转化为富勒烯单质结构。但由于分子间聚集力作用，在石墨熔融转化为富勒烯单质的同时，发生分子聚团现象，当簇团使单质质量增大时，熔点即提高，聚团停止。

超临界水在常压扩散时极具穿透力，高速喷出的流体几乎可将任何坚硬物体破壁粉碎。利用其特性，在分离过程中设置了分流及喷射系统，当反应中聚团的富勒烯单质随超临界流体在常压冷却环境中喷射时，形成的交叉喷射流发生对撞，使迅速冷却、脆度增加的富勒烯簇团被支离或粉碎，或者被修饰成可达到要求的碳纳米管形态。

在冷却环境中喷出的超临界流体经减压冷却，成为混合气体，该高速气体射在接受板9上被再次减压并扩散后，通过接受板9上的透孔进入蒸发环境中，在蒸发温度条件下，沉降的碳纳米管产物被干燥分离，而混合气体则被蒸发至顶部的排口排放。

Claims (2)

1.一种超临界对撞法制备碳纳米管的装置，其特征是，包括反应系统和制备系统；

所述反应系统包括搅拌输送罐、高压泵、热交换器、反应器和高压输气泵；所述搅拌输送罐、所述高压泵、所述热交换器和所述反应器通过管道依次相接；在所述反应器上设置有进气口，所述高压输气泵通过管道连接在所述反应器的进气口上；在所述反应器的下端设置有出料口，在所述反应器内设置有加热装置；

所述制备系统包括分流器、喷射装置和分离器；所述分流器的一端与所述反应器的出料口连接，所述分流器的另一端与所述喷射装置相接，所述喷射装置包括两只并行的喷管，在所述喷管的端部设置有喷嘴；所述分离器是在罐状壳体内的中部设置有带有孔隙的接受板，所述接受板将所述分离器的内腔分隔为上部的冷却室和下部的蒸发室，在所述冷却室中设置有冷却装置，在所述蒸发室内设置有加热装置，在所述壳体的上部设置有排气阀，在所述壳体的底部设置有排渣口；所述喷射装置通入所述分离器的冷却室中。

2.根据权利要求1所述的超临界对撞法制备碳纳米管的装置，其特征是，所述分离器的壳体底部为倒锥形，所述排渣口设置在所述壳体的锥尖部。