JP5386125B2 - Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method - Google Patents

Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP5386125B2
JP5386125B2 JP2008205344A JP2008205344A JP5386125B2 JP 5386125 B2 JP5386125 B2 JP 5386125B2 JP 2008205344 A JP2008205344 A JP 2008205344A JP 2008205344 A JP2008205344 A JP 2008205344A JP 5386125 B2 JP5386125 B2 JP 5386125B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
containing gas
carbon fiber
inner cylinder
outer cylinder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2008205344A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2010037702A (en
Inventor
晃 尾西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Showa Denko KK
Original Assignee
Showa Denko KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Showa Denko KK filed Critical Showa Denko KK
Priority to JP2008205344A priority Critical patent/JP5386125B2/en
Publication of JP2010037702A publication Critical patent/JP2010037702A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5386125B2 publication Critical patent/JP5386125B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Inorganic Fibers (AREA)

Description

本発明は、炭素繊維の製造装置、および炭素繊維の製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、メンテナンス性とコンパクト性に優れた炭素繊維の製造装置、および前記製造装置を用いた炭素繊維の製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon fiber manufacturing apparatus and a carbon fiber manufacturing method. More specifically, the present invention relates to a carbon fiber manufacturing apparatus excellent in maintainability and compactness, and a carbon fiber manufacturing method using the manufacturing apparatus.

炭素繊維は、軽量かつ高強度という材料特性によって、航空宇宙産業やスポーツ・レジャー産業分野で急速に利用が拡大されつつある。
従来、炭素繊維は、ポリアクリロニトリルの紡糸、耐炎化、炭素化処理などによって製造されてきたが、近年、化学気相成長法(CVD)による炭素繊維の製造方法が、炭素繊維を安価に、かつ大量に生産することができる方法として開発された。
このCVD法による炭素繊維の製造には、流動層式製造装置が用いられる。すなわち、底部に金属製の多孔質分散板を設けた反応槽内に前記触媒を充填し、炭素含有ガスと流動用不活性ガスを供給することにより、該触媒と炭素含有ガスとを流動状態で接触させ、炭素含有ガスを熱分解して炭素繊維を生成するものである。
従来、流動状態を保ちながら炭素繊維を効率よく生成するために、様々な提案がなされてきた。しかしながら、前記分散板は短時間で目詰まりや劣化を起こすために、頻繁に反応槽を停止して、分散板の清掃や交換を行う必要があり、効率的ではなかった。特に、このような分散板の目詰まりや劣化は、炭素繊維の生成反応の触媒となる金属製の分散板において顕著であるため、金属製に代わる耐久性のある分散板材質の検討が行われている。
たとえば、石英焼結板を使用した分散板を有する反応器に触媒を充填し、反応器底部より炭素含有ガスを供給して、触媒を流動層化し、固体触媒と炭素含有ガスとを反応温度以上に加熱してカーボンナノチューブを製造する方法が提案されている(特許文献1)。
The use of carbon fiber is rapidly expanding in the aerospace industry and sports / leisure industry due to the material properties of light weight and high strength.
Conventionally, carbon fibers have been produced by spinning polyacrylonitrile, flameproofing, carbonization treatment, etc. In recent years, carbon fiber production methods by chemical vapor deposition (CVD) have made carbon fibers inexpensive and It was developed as a method that can be mass produced.
A fluidized bed manufacturing apparatus is used for manufacturing carbon fibers by this CVD method. That is, by filling the catalyst in a reaction vessel provided with a metal porous dispersion plate at the bottom, and supplying the carbon-containing gas and the inert gas for flow, the catalyst and the carbon-containing gas are in a fluid state. It is made to contact, and carbon fiber is pyrolyzed to produce carbon fiber.
Conventionally, various proposals have been made in order to efficiently generate carbon fibers while maintaining a fluid state. However, since the dispersion plate is clogged or deteriorated in a short time, it is necessary to frequently stop the reaction tank and clean or replace the dispersion plate, which is not efficient. In particular, such clogging and deterioration of the dispersion plate are conspicuous in a metal dispersion plate that serves as a catalyst for the carbon fiber formation reaction. Therefore, a durable dispersion plate material that can replace metal is studied. ing.
For example, a catalyst having a dispersion plate using a quartz sintered plate is filled with a catalyst, a carbon-containing gas is supplied from the bottom of the reactor, the catalyst is fluidized, and the solid catalyst and the carbon-containing gas are brought to a reaction temperature or higher. A method for producing carbon nanotubes by heating to (Patent Document 1) has been proposed.

しかし、このような石英焼結板焼結板を使用しても、長期の使用により石英焼結板も閉塞しやすいことが知られている。また、このような装置の場合、分散板に目詰まりが起きると、反応器全体を一旦プラントから取り外すか、または反応器が大型の場合、作業者が内部に入る必要があり、メンテナンス作業が煩雑であるという問題もある。
加えて、産業的に利用するためにスケールアップする場合、石英焼結板は大型化が困難なため、どうしても金属材料を使用せざるを得ない。分散板に金属材料を用いると、上記の通り、分散板の目詰まりが顕著となるため、頻繁にメンテナンスを行うことが必要となる。
However, even if such a quartz sintered plate sintered plate is used, it is known that the quartz sintered plate is likely to be blocked by long-term use. In addition, in the case of such an apparatus, when the dispersion plate is clogged, the entire reactor is once removed from the plant, or if the reactor is large, an operator needs to enter the inside, and maintenance work is complicated. There is also the problem of being.
In addition, when scaling up for industrial use, it is difficult to increase the size of the quartz sintered plate, and a metal material must be used. When a metal material is used for the dispersion plate, as described above, clogging of the dispersion plate becomes remarkable, so that frequent maintenance is required.

一方、分散板を設置することなく、流動層を炭素含有ガスと補助ガスとで流動させる製造装置も提案されている(特許文献2)。
しかし、この装置においては、流動層を維持するために、ガス流が多大となり、大型化には向かない。また、特許文献2記載の装置では、反応器に炭素含有ガスを供給する前に熱交換器で該ガスを予熱することも記載されているが、その結果、装置が長大化して、コンパクトではなくなってしまう。
On the other hand, a manufacturing apparatus has also been proposed in which a fluidized bed is fluidized with a carbon-containing gas and an auxiliary gas without installing a dispersion plate (Patent Document 2).
However, in this apparatus, in order to maintain the fluidized bed, the gas flow becomes enormous and is not suitable for an increase in size. Moreover, in the apparatus described in Patent Document 2, it is also described that the gas is preheated with a heat exchanger before supplying the carbon-containing gas to the reactor. As a result, the apparatus becomes longer and is not compact. End up.

特開2008−56523号公報JP 2008-56523 A 特表2007−519592号公報Special table 2007-519592

本発明は、上記の実情を鑑みてなされたものであって、炭素繊維の製造装置を、内筒を囲繞する外筒を用いて二重構造とし、内筒下部に分散板を設置し、外筒に予熱用の加熱器を設けることにより、分散板の目詰まりを低減すると共に、分散板が目詰まりした場合でも、容易にメンテナンスすることができ、かつ、予熱機構も一体化したコンパクトな炭素繊維の製造装置、および該製造装置を用いた炭素繊維の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the carbon fiber manufacturing apparatus has a double structure using an outer cylinder surrounding the inner cylinder, a dispersion plate is installed at the lower part of the inner cylinder, and the outer By providing a preheating heater in the cylinder, clogging of the dispersion plate is reduced, and even when the dispersion plate is clogged, it can be easily maintained, and a compact carbon with integrated preheating mechanism It is an object of the present invention to provide a fiber manufacturing apparatus and a carbon fiber manufacturing method using the manufacturing apparatus.

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねて本発明を完成させたものである。すなわち、本発明は、以下の通りである。
1.粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒と、該内筒を囲繞する外筒からなる二重構造の炭素繊維の製造装置であって、該外筒内に該炭素含有ガスを供給するための炭素含有ガス供給管と、該外筒に設けられた該炭素含有ガスを予熱するための加熱器と、該内筒底部に設けられた分散板と、該内筒から反応ガスを排出するための反応ガス排出管と、を具備することを特徴とする炭素繊維の製造装置。
2.外筒の内径に対する内筒の外径の比が0.5〜0.98である上記1に記載の炭素繊維の製造装置。
3.外筒の長さに対する内筒の長さの比が0.4〜0.7である上記1または2に記載の炭素繊維の製造装置。
4.粒状触媒が金属触媒である上記1〜3のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
5.炭素含有ガス供給管が外筒下部に設けられた上記1〜4のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
6.炭素含有ガス供給管が外筒頂部に設けられた上記1〜5のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
7.内筒頂部の蓋を着脱可能にした上記1〜6のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。
8.上記1〜7のいずれかに記載の製造装置を用いて、炭素含有ガスを外筒に供給して予熱した後、分散板を通して、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒に供給して炭素繊維を生成させ、次いで、反応ガスを該内筒から系外に排出することを特徴とする炭素繊維の製造方法。
9.炭素含有ガスの予熱温度が炭素含有ガスの分解温度未満であり、流動部の温度が、炭素含有ガスの分解温度以上である上記8に記載の炭素繊維の製造方法。
10.炭素含有ガスの予熱温度と、流動部の温度を、炭素含有ガスの製造装置への供給速度で制御する上記9に記載の炭素繊維の製造方法。
11.炭素含有ガスがエチレンであり、予熱温度が600〜630℃である上記8〜10のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。
12.エチレンの外筒への供給速度が、予熱温度下で0.03〜5m/sである上記11記載の炭素繊維の製造方法。
In order to achieve the above object, the inventors of the present invention have made extensive studies and completed the present invention. That is, the present invention is as follows.
1. An apparatus for producing a double-structured carbon fiber comprising an inner cylinder having a fluidized portion in which a granular catalyst and a carbon-containing gas react, and an outer cylinder surrounding the inner cylinder, wherein the carbon-containing gas is contained in the outer cylinder A carbon-containing gas supply pipe for supplying, a heater for preheating the carbon-containing gas provided in the outer cylinder, a dispersion plate provided at the bottom of the inner cylinder, and a reaction gas from the inner cylinder An apparatus for producing carbon fiber, comprising: a reaction gas discharge pipe for discharging.
2. 2. The carbon fiber manufacturing apparatus according to 1 above, wherein the ratio of the outer diameter of the inner cylinder to the inner diameter of the outer cylinder is 0.5 to 0.98.
3. 3. The carbon fiber manufacturing apparatus according to 1 or 2, wherein the ratio of the length of the inner cylinder to the length of the outer cylinder is 0.4 to 0.7.
4). 4. The carbon fiber production apparatus according to any one of 1 to 3, wherein the granular catalyst is a metal catalyst.
5. The carbon fiber manufacturing apparatus according to any one of the above 1 to 4, wherein a carbon-containing gas supply pipe is provided at the lower part of the outer cylinder.
6). The carbon fiber manufacturing apparatus according to any one of the above 1 to 5, wherein a carbon-containing gas supply pipe is provided at the top of the outer cylinder.
7). 7. The carbon fiber manufacturing apparatus according to any one of 1 to 6, wherein a lid on the top of the inner cylinder is detachable.
8). Using the manufacturing apparatus according to any one of 1 to 7 above, after supplying the carbon-containing gas to the outer cylinder and preheating it, through the dispersion plate, the inner cylinder having a fluidized portion where the granular catalyst and the carbon-containing gas react A method for producing carbon fiber, characterized in that carbon fiber is produced by supplying and then the reaction gas is discharged from the inner cylinder to the outside of the system.
9. 9. The method for producing carbon fiber as described in 8 above, wherein the preheating temperature of the carbon-containing gas is lower than the decomposition temperature of the carbon-containing gas, and the temperature of the fluidized part is equal to or higher than the decomposition temperature of the carbon-containing gas.
10. 10. The method for producing carbon fiber as described in 9 above, wherein the preheating temperature of the carbon-containing gas and the temperature of the fluidized portion are controlled by the supply rate to the carbon-containing gas production apparatus.
11. The method for producing carbon fiber according to any one of 8 to 10 above, wherein the carbon-containing gas is ethylene and the preheating temperature is 600 to 630 ° C.
12 12. The method for producing carbon fiber as described in 11 above, wherein a supply rate of ethylene to the outer cylinder is 0.03 to 5 m / s under a preheating temperature.

本発明は、炭素繊維の製造装置に設けられた分散板の目詰まりを低減すると共に、分散板が目詰まりした場合でも、容易にメンテナンスすることができて、安価に大量の炭素繊維を得ることができ、かつ、予熱機構も一体化したコンパクトな炭素繊維の製造装置、および該製造装置を用いた炭素繊維の製造方法を提供することができる。   The present invention reduces clogging of a dispersion plate provided in a carbon fiber manufacturing apparatus, and can be easily maintained even when the dispersion plate is clogged to obtain a large amount of carbon fiber at low cost. In addition, it is possible to provide a compact carbon fiber manufacturing apparatus in which a preheating mechanism is integrated, and a carbon fiber manufacturing method using the manufacturing apparatus.

本発明は、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒と、該内筒を囲繞する外筒からなる二重構造の炭素繊維の製造装置であって、該外筒内に該炭素含有ガスを供給するための炭素含有ガス供給管と、該外筒に設けられた該炭素含有ガスを予熱するための加熱器と、該内筒底部に設けられた分散板と、該内筒から反応ガスを排出するための反応ガス排出管と、を具備する炭素繊維の製造装置である。
図1を用いて、本発明を詳細に説明する。図1は、本発明の炭素繊維の製造装置の一例を示している。
図1において、1は内筒、2は内筒1を囲繞する外筒、3は内筒1底部に設置された分散板、4は外筒2の外周部に設けられた加熱器、5、5’は炭素含有ガス供給管、6は反応ガス排出管(場合によっては不活性ガス供給管を兼ねる)、7は粒状触媒供給管、8は粉体抜出し管、9は不活性ガス供給管、10は断熱材、そして11は着脱可能とされた内筒1の蓋である。炭素含有ガス供給管5、5’は別途不活性ガス供給手段を設け、不活性ガス供給管9として併用してもよい。
The present invention is a double-structure carbon fiber manufacturing apparatus comprising an inner cylinder having a fluidized portion in which a granular catalyst and a carbon-containing gas react, and an outer cylinder surrounding the inner cylinder, A carbon-containing gas supply pipe for supplying a carbon-containing gas, a heater for preheating the carbon-containing gas provided in the outer cylinder, a dispersion plate provided at the bottom of the inner cylinder, and the inner cylinder And a reaction gas discharge pipe for discharging the reaction gas from the carbon fiber manufacturing apparatus.
The present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of the carbon fiber production apparatus of the present invention.
In FIG. 1, 1 is an inner cylinder, 2 is an outer cylinder surrounding the inner cylinder 1, 3 is a dispersion plate installed at the bottom of the inner cylinder 1, 4 is a heater provided at the outer periphery of the outer cylinder 2, 5 'is a carbon-containing gas supply pipe, 6 is a reaction gas discharge pipe (also serving as an inert gas supply pipe in some cases), 7 is a granular catalyst supply pipe, 8 is a powder extraction pipe, 9 is an inert gas supply pipe, Reference numeral 10 denotes a heat insulating material, and 11 denotes a lid of the inner cylinder 1 that is detachable. The carbon-containing gas supply pipes 5 and 5 ′ may be separately provided with an inert gas supply means and used together as the inert gas supply pipe 9.

本発明の炭素繊維の製造装置は、内筒1と、それを囲繞する外筒2を用いて二重構造としたもので、外筒2の内径r2に対する内筒1の外径r1の比は0.5〜0.98程度が好ましい。
この比を前記範囲内とすることにより、本発明の製造装置を用いて炭素繊維を製造した場合、容積効率が高く、また、内筒と外筒が熱膨張した場合でも、両者が接触する可能性が低くなる。
前記の外筒2の長さl2に対する内筒1の長さl1の比は0.3〜0.7程度とするのが好ましい(なお、図1の製造装置の場合、外筒2の長さは、下部円錐終端部までとする)。
この比を前記範囲内とすることにより、外筒2での予熱部が確保されて、予熱効果を十分に発揮することができる。
なお、内筒1と外筒2は、頂部に設けられたフランジなどにより、自由に分離可能とされている。
The carbon fiber manufacturing apparatus of the present invention has a double structure using an inner cylinder 1 and an outer cylinder 2 surrounding the inner cylinder 1, and has an outer diameter r 1 of the inner cylinder 1 with respect to an inner diameter r 2 of the outer cylinder 2. The ratio is preferably about 0.5 to 0.98.
By making this ratio within the above range, when carbon fiber is produced using the production apparatus of the present invention, the volumetric efficiency is high, and even when the inner cylinder and the outer cylinder are thermally expanded, both can be in contact with each other. Low.
The ratio of the length l 1 of the inner cylinder 1 to the length l 2 of the outer cylinder 2 is preferably about 0.3 to 0.7 (in the case of the manufacturing apparatus of FIG. The length shall be up to the lower cone end).
By setting this ratio within the above range, the preheating portion in the outer cylinder 2 is secured, and the preheating effect can be sufficiently exhibited.
The inner cylinder 1 and the outer cylinder 2 can be freely separated by a flange or the like provided at the top.

外筒2の外周部には、加熱器4が設けられ、外筒2内における予熱効果を発揮するように、その長さ方向の距離l3を調整するが、特に炭素含有ガスを外筒2の下部の炭素含有ガス供給管5から供給する場合には、予熱部を確保するために、内筒1の底部に設けられた分散板3よりも下方に延伸して設ける。また、外筒2の頂部に炭素含有ガス供給管5’を設け、内筒1と外筒2の間隙部から炭素含有ガスを供給する場合でも、分散板3下に予熱部を設けることが好ましい。
なお、加熱器4の長さ方向の設置距離l3は、予熱部となる外筒2内の容積や、内筒1と外筒2の間隙部の容積、炭素含有ガスの種類、および該ガスの供給速度などによって変化するので、予め、実験を行って決定しておくことが好ましい。
A heater 4 is provided on the outer peripheral portion of the outer cylinder 2, and the distance l 3 in the length direction thereof is adjusted so as to exert a preheating effect in the outer cylinder 2. When the gas is supplied from the lower carbon-containing gas supply pipe 5, it is provided to extend downward from the dispersion plate 3 provided at the bottom of the inner cylinder 1 in order to secure a preheating portion. Even when the carbon-containing gas supply pipe 5 ′ is provided at the top of the outer cylinder 2 and the carbon-containing gas is supplied from the gap between the inner cylinder 1 and the outer cylinder 2, it is preferable to provide a preheating part below the dispersion plate 3. .
The installation distance l 3 in the length direction of the heater 4 is the volume in the outer cylinder 2 serving as a preheating part, the volume of the gap between the inner cylinder 1 and the outer cylinder 2, the type of carbon-containing gas, and the gas Therefore, it is preferable to make an experiment in advance.

炭素繊維の製造装置の頂部には、内筒1の蓋11が着脱自在に設けられている。
また、図1では、内筒1のほぼ中央部を、反応物である炭素繊維と粒状触媒を含む粉体を取出すために、鉛直方向に粉体抜出し管8が設けられている。この粉体抜出し管8は、上下動可能とされ、把持手段(図示せず)により、該抜出し管8の入口の位置決めを行うことにより、反応物の抜出し量を任意に決めることができる。たとえば、反応物全量を抜出してもよいし、次回の運転における流動部を生成しやすくするために、反応物の10〜40質量%程度は内筒1内に残し、残部を取出せるような位置に粉体抜出し管8の入口を設定してもよい。このような粉体抜出し管8を設け、かつ、製造装置底部の不活性ガス供給管9から不活性ガスを内筒1内に供給することにより、反応物を取出すことができる。
A lid 11 of the inner cylinder 1 is detachably provided at the top of the carbon fiber manufacturing apparatus.
In FIG. 1, a powder extraction pipe 8 is provided in the vertical direction to take out the powder containing the carbon fibers and the particulate catalyst as the reactants from the substantially central portion of the inner cylinder 1. The powder extraction tube 8 can be moved up and down, and by positioning the inlet of the extraction tube 8 by a gripping means (not shown), the amount of extraction of the reactant can be arbitrarily determined. For example, the total amount of the reactant may be withdrawn, and in order to facilitate the formation of a fluidized part in the next operation, about 10 to 40% by mass of the reactant is left in the inner cylinder 1 and the remaining part can be taken out. Alternatively, the inlet of the powder extraction tube 8 may be set. By providing such a powder extraction pipe 8 and supplying an inert gas into the inner cylinder 1 from an inert gas supply pipe 9 at the bottom of the production apparatus, the reactant can be taken out.

炭素繊維の製造装置に用いられる内筒1および外筒2に使用する材質としては、二重構造としたことにより、外筒2には、主に気密性と耐熱強度を考慮した材料を使用すればよく、一方、内筒1としては、主に耐熱性と耐食性を考慮した材料を使用すればよい。たとえば、窒化ホウ素、炭化珪素および窒化珪素などのセラミック、ステンレス鋼(SUS−304、316、310、430など)、ステライト(登録商標)などのクロム/タングステン合金、およびセラミックコーティング材料などを用いることができる。これらの中では、加工性、耐食性などの点からステンレス鋼が好ましい。粉体抜出し管8についても、同様の材料を使用することができる。
なお、Niは形状の異なる炭素繊維を生成させるために、使用を避けた方が好ましいが、どうしてもNi系材料を使用せざるを得ない場合には、炭素含有ガスと接する面を研磨しておくことが好ましい。研磨することにより、表面粗さが低減し、Niからの炭素繊維の生成を低減することができるためである。
前記のとおり、炭素繊維の製造装置として二重構造を採用したことにより、外筒で気密性、および耐熱強度を確保できるため、内筒の材質、構造などのバリエーションが増える。
加熱器4は、外筒2の外周部や内周部に設けられ、電気炉、電熱コイル、赤外ヒーターなど、従来の加熱手段を採用することができる。
分散板3としては、ステンレス鋼などの金属製のものが使用できるが、その他、石英製のものももちろん使用可能である。
断熱材10も特に限定されず、通常使用されるものを使用することができる。
As a material used for the inner cylinder 1 and the outer cylinder 2 used in the carbon fiber manufacturing apparatus, a material that mainly considers airtightness and heat resistance strength is used for the outer cylinder 2 by adopting a double structure. On the other hand, as the inner cylinder 1, a material mainly considering heat resistance and corrosion resistance may be used. For example, using ceramics such as boron nitride, silicon carbide and silicon nitride, stainless steel (SUS-304, 316, 310, 430, etc.), chromium / tungsten alloys such as Stellite (registered trademark), ceramic coating materials, etc. it can. Among these, stainless steel is preferable from the viewpoints of workability and corrosion resistance. The same material can be used for the powder extraction tube 8.
In addition, it is preferable to avoid the use of Ni in order to generate carbon fibers having different shapes. However, if it is absolutely necessary to use a Ni-based material, the surface in contact with the carbon-containing gas is polished. It is preferable. This is because by polishing, the surface roughness can be reduced, and the production of carbon fibers from Ni can be reduced.
As described above, by adopting a double structure as a carbon fiber manufacturing apparatus, airtightness and heat-resistant strength can be secured in the outer cylinder, so that variations in the material and structure of the inner cylinder increase.
The heater 4 is provided in the outer peripheral part and inner peripheral part of the outer cylinder 2, and can employ conventional heating means such as an electric furnace, an electric heating coil, and an infrared heater.
As the dispersion plate 3, a metal plate such as stainless steel can be used, but a quartz plate can also be used.
The heat insulating material 10 is not particularly limited, and those usually used can be used.

炭素含有ガス供給管5または5’から供給される炭素含有ガスとしては、炭素繊維生成反応条件下で気体である炭化水素類が使用できる。このような炭化水素類として、たとえば、メタン、エタン、エチレン、アセチレン、プロパン、プロピレン、イソプロピレン、n−ブタン、ブタジエン、ブテン、ペンタン、ペンテン、n−ヘキサン、n−オクタン、イソオクタン、n−ノナン、n−デカン、またはこれらの混合物を挙げることができる。これらのうち、特にエチレンが比較的熱分解温度が低いと言う理由で好ましい。   As the carbon-containing gas supplied from the carbon-containing gas supply pipe 5 or 5 ′, hydrocarbons that are gases under carbon fiber generation reaction conditions can be used. Examples of such hydrocarbons include methane, ethane, ethylene, acetylene, propane, propylene, isopropylene, n-butane, butadiene, butene, pentane, pentene, n-hexane, n-octane, isooctane, and n-nonane. , N-decane, or mixtures thereof. Of these, ethylene is particularly preferable because it has a relatively low thermal decomposition temperature.

なお、炭素含有ガスは、窒素、アルゴン、水素、ヘリウムなどの不活性ガスとの混合物を用いることができる。このような炭素含有ガスと不活性ガスとの併用は、炭素の濃度をコントロールすることができること、および、キャリアガスとしての効果があることから、好ましい。   The carbon-containing gas can be a mixture with an inert gas such as nitrogen, argon, hydrogen, or helium. The combined use of such a carbon-containing gas and an inert gas is preferable because the concentration of carbon can be controlled and there is an effect as a carrier gas.

本発明の炭素繊維の製造装置の触媒供給管7から内筒1に供給されて、流動部で流動して炭素含有ガスと接触し、炭素の分解反応を起こす粒状触媒としては、気相法炭素繊維の生成を促進するものであれば、特に制約はない。一般的にはFe、Co、およびNiなどの遷移金属元素を含むことが好ましく、Fe元素を含有することがより好ましい。さらに、担体に上記金属を担持した担持触媒であることが好ましい。また、他の遷移金属元素を助触媒として含有していても良い。このような助触媒元素としては、Mo、W、Cr、V、Mn、Tiなどが好ましく、MoとV、MoとCr、WとV、WとCrなど、2種以上の組み合わせがさらに好ましい。
これらの触媒は、その前駆体粒子や、金属、合金粒子として使用することも可能であるが、担体に担持するのが好ましい。触媒担体としては、公知のあらゆる化合物が使用可能であるが、反応条件下で安定な無機物が好ましい。このような好ましい無機担体としては、アルミナ、シリカ、アルミナシリケート、ゼオライト、珪藻土、チタニア、シリカチタニア、マグネシア、スピネルなどが挙げられる。
担体の触媒金属の担持量は、通常0.1〜40質量%程度とする。担持方法も特に制限がなく、従来の含浸法やイオン交換法などを採用することができる。
触媒粒子または担持触媒粒子は反応条件下で、流動状態とするため、その粒子径は1〜1000μmが好ましく、10〜500μmがより好ましい。触媒粒子および担持触媒粒子の粒子径は、触媒調整条件や触媒調整に使用する触媒前駆体化合物や触媒担体を適切に調整することで、好ましい範囲に調整することも可能であるが、触媒調製後に、粉砕、解砕、分級処理をすることで、所望の粒度範囲に調整するのが特に好ましい。
このような粒状触媒の炭素含有ガスに対する仕込み量は、通常300〜2000NL/(min・kg)程度とする。仕込み量が300NL/(min・kg)未満となると、反応に長時間を要することから生産性が悪化する。2000NL/(min・kg)を超えると、炭素繊維生成反応が早期に終了するものの、反応に寄与しない炭素含有ガスの比率が多くなり経済的ではない。
流動部の流動性改善と、粒状触媒の局所的発熱防止のために、前記触媒に加えて流動助材を添加することができる。そのような流動助材として、マグネシアやアルミナ、チタニア、および製造された炭素繊維などが挙げられる。
As a granular catalyst which is supplied from the catalyst supply pipe 7 of the carbon fiber production apparatus of the present invention to the inner cylinder 1 and flows in the fluidized part to come into contact with the carbon-containing gas and causes a carbon decomposition reaction, gas phase process carbon is used. There is no particular limitation as long as it promotes the generation of fibers. In general, it is preferable to contain a transition metal element such as Fe, Co, and Ni, and more preferably to contain an Fe element. Furthermore, a supported catalyst having the above metal supported on a carrier is preferable. Moreover, you may contain the other transition metal element as a promoter. As such a co-catalyst element, Mo, W, Cr, V, Mn, Ti and the like are preferable, and combinations of two or more such as Mo and V, Mo and Cr, W and V, W and Cr are more preferable.
These catalysts can be used as precursor particles, metal or alloy particles, but are preferably supported on a carrier. As the catalyst carrier, any known compound can be used, but an inorganic substance that is stable under the reaction conditions is preferable. Examples of such preferred inorganic carriers include alumina, silica, alumina silicate, zeolite, diatomaceous earth, titania, silica titania, magnesia, spinel and the like.
The amount of catalyst metal supported on the carrier is usually about 0.1 to 40% by mass. The supporting method is not particularly limited, and a conventional impregnation method or ion exchange method can be employed.
In order to make the catalyst particles or the supported catalyst particles flow under reaction conditions, the particle diameter is preferably 1 to 1000 μm, more preferably 10 to 500 μm. The particle size of the catalyst particles and the supported catalyst particles can be adjusted to a preferred range by appropriately adjusting the catalyst adjustment conditions and the catalyst precursor compound and catalyst carrier used for catalyst adjustment. It is particularly preferable to adjust to a desired particle size range by pulverizing, crushing, and classifying.
The amount of the granular catalyst charged to the carbon-containing gas is usually about 300 to 2000 NL / (min · kg). When the charged amount is less than 300 NL / (min · kg), the reaction takes a long time, and thus the productivity is deteriorated. If it exceeds 2000 NL / (min · kg), the carbon fiber generation reaction ends early, but the ratio of the carbon-containing gas that does not contribute to the reaction increases, which is not economical.
In order to improve the fluidity of the fluidized portion and to prevent local heat generation of the granular catalyst, a flow aid can be added in addition to the catalyst. Such flow aids include magnesia, alumina, titania, and manufactured carbon fibers.

図1を用いて、本発明の炭素繊維の製造装置を説明したが、本発明では、前記説明に限定されず、たとえば、炭素含有ガス供給管5を外筒下部に設ける代わりに、またはそれに加えて、頂部に炭素含有ガス供給管5’を設け、そこから炭素含有ガスを供給することにより、内筒1と外筒2の間隙部で炭素含有ガスを予熱することができ、本製造装置を一層コンパクト化することが可能となる。
また、図1では、内筒1の形状を、下方のみ、内筒1の断面積が下方に向かって減少するようなテーパ状としたが、それに限らず、内筒1の断面積が下方に向かって連続的、若しくは断続的に減少するような形状としてもよいし、さらに、内筒1上部だけを、下部に比べて断面積を大きくしたような漏斗状にしてもよい。要するに、内筒1内部に流動部が生成し、かつその底部に分散板を取り付けることができれば、任意の形状を採用することができる。
粒状触媒の供給方法も、反応に先立ち、あらかじめ内筒1に充填しておいてもよいし、炭素含有ガスの供給と同時に、粒状触媒の供給を開始してもよい。
Although the carbon fiber manufacturing apparatus of the present invention has been described with reference to FIG. 1, the present invention is not limited to the above description. For example, instead of or in addition to providing the carbon-containing gas supply pipe 5 at the lower part of the outer cylinder. In addition, by providing a carbon-containing gas supply pipe 5 ′ at the top and supplying the carbon-containing gas therefrom, the carbon-containing gas can be preheated in the gap between the inner cylinder 1 and the outer cylinder 2, and this manufacturing apparatus is It becomes possible to make it more compact.
In FIG. 1, the shape of the inner cylinder 1 is tapered so that the cross-sectional area of the inner cylinder 1 decreases downward only, but not limited thereto, the cross-sectional area of the inner cylinder 1 is downward. The shape may be reduced continuously or intermittently toward the top, and only the upper part of the inner cylinder 1 may have a funnel shape having a larger cross-sectional area than the lower part. In short, any shape can be adopted as long as a fluid part is generated inside the inner cylinder 1 and a dispersion plate can be attached to the bottom of the fluid part.
As for the method of supplying the granular catalyst, the inner cylinder 1 may be filled in advance prior to the reaction, or the supply of the granular catalyst may be started simultaneously with the supply of the carbon-containing gas.

本発明は、また、前記の製造装置を用いて、炭素含有ガスを外筒2に供給して予熱した後、分散板3を通して、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒1に供給して、炭素繊維を生成させ、次いで、反応ガスを該内筒から系外に排出する炭素繊維の製造方法である。
図1記載の製造装置を用いて、炭素繊維を製造する方法を具体的に説明する。先ず、不活性ガスなどを不活性ガス供給管9から供給しながら、前記製造装置を予熱温度に達するまで加熱器4で加熱し、その後、炭素含有ガス供給管5から炭素含有ガスを外筒2内に供給して、加熱器4が外周部を取り巻いた外筒2下部に生成される予熱部で予熱する。予熱温度は、炭素含有ガスが前記粒状触媒と接触して分解反応を起こし、炭素繊維が生成する温度未満とする。次いで、予熱された炭素含有ガスを、分散板3を通して内筒1内に供給する。内筒1内では、前記炭素含有ガスが、触媒供給管7から投入された触媒を流動化して流動部を生成し、かつ、粒状触媒と炭素の接触による発熱を伴う熱分解反応によって炭素繊維が生成する温度以上に加熱される。その結果、炭素含有ガスから炭素繊維が粒状触媒上に生成する。反応を終えた反応ガスは、反応ガス排出管6から系外に排出する。
所定時間経過後、粉体抜出し管8を開け、反応ガス排出管6を閉じて、生成した炭素繊維を粉体抜出し管8から排出し、バグフィルター、サイクロン、遠心分離機、またはセラミックフィルターなどにより、ガスと粉体とを分離、回収する。または炭素含有ガスに替えて、不活性ガス供給管9から、前記分解反応に影響を与えない窒素ガスなどの不活性ガスを供給して、生成した炭素繊維を粉体抜出し管8から排出しても良い。
The present invention also provides an inner cylinder 1 having a fluidized part in which the granular catalyst and the carbon-containing gas react through the dispersion plate 3 after supplying the carbon-containing gas to the outer cylinder 2 and preheating using the manufacturing apparatus. To produce carbon fiber, and then the reaction gas is discharged from the inner cylinder to the outside of the system.
A method for producing carbon fibers will be specifically described using the production apparatus shown in FIG. First, while supplying an inert gas or the like from the inert gas supply pipe 9, the manufacturing apparatus is heated by the heater 4 until the preheating temperature is reached, and then the carbon-containing gas is supplied from the carbon-containing gas supply pipe 5 to the outer cylinder 2. The heater 4 is preheated by the preheating part generated at the lower part of the outer cylinder 2 surrounding the outer peripheral part. The preheating temperature is lower than the temperature at which the carbon-containing gas is brought into contact with the granular catalyst to cause a decomposition reaction and carbon fibers are generated. Next, the preheated carbon-containing gas is supplied into the inner cylinder 1 through the dispersion plate 3. In the inner cylinder 1, the carbon-containing gas fluidizes the catalyst introduced from the catalyst supply pipe 7 to generate a fluidized part, and the carbon fiber is formed by a pyrolysis reaction accompanied by heat generation due to contact between the granular catalyst and carbon. Heated above the temperature at which it is produced. As a result, carbon fibers are produced on the granular catalyst from the carbon-containing gas. The reaction gas that has finished the reaction is discharged out of the system from the reaction gas discharge pipe 6.
After a predetermined time has elapsed, the powder extraction tube 8 is opened, the reaction gas discharge tube 6 is closed, and the generated carbon fiber is discharged from the powder extraction tube 8 and is then returned to the bag filter, cyclone, centrifuge, or ceramic filter. The gas and the powder are separated and recovered. Alternatively, an inert gas such as nitrogen gas that does not affect the decomposition reaction is supplied from the inert gas supply pipe 9 instead of the carbon-containing gas, and the generated carbon fiber is discharged from the powder extraction pipe 8. Also good.

炭素繊維の排出が終了すると、分散板が目詰まりしていなければ、再び、前記の工程を繰り返し、分散板の目詰まりが認められる場合には、分散板のメンテナンスまたは交換を行う。
分散板の目詰まりは、分散板の圧損を測定するか、または、一旦反応物を全量抜き出して、直接肉眼で観察することにより把握することができる。
メンテナンスは、図1に示した製造装置の場合、内筒1頂部の着脱可能とされた蓋11を開け、内筒1のみを取り出して分散板の清掃や取替を行う。メンテナンス終了後は元通りに内筒1を収納し、蓋を取り付け、再度運転を開始する。
このように、製造装置全体を分解・解体する必要がないので、極めてメンテナンス性に優れる。
When the discharge of the carbon fiber is completed, if the dispersion plate is not clogged, the above process is repeated again, and if the dispersion plate is clogged, maintenance or replacement of the dispersion plate is performed.
The clogging of the dispersion plate can be grasped by measuring the pressure loss of the dispersion plate or by extracting the whole amount of the reaction product and observing it directly with the naked eye.
In the case of the manufacturing apparatus shown in FIG. 1, the maintenance is performed by opening the lid 11 at the top of the inner cylinder 1 and removing only the inner cylinder 1 to clean or replace the dispersion plate. After the maintenance is completed, the inner cylinder 1 is stored as it is, the lid is attached, and the operation is started again.
Thus, since it is not necessary to disassemble and disassemble the entire manufacturing apparatus, it is extremely excellent in maintainability.

上記説明において、炭素含有ガスの予熱温度と流動部の温度は、使用する炭素原料などによって異なる。従って、使用する炭素原料に応じて決定すればよいが、たとえば、炭素原料としてエチレンガスを用いた場合、予熱温度は600〜630℃とすることが望ましい。この温度範囲内では、エチレンの熱分解が顕著ではなく、炭化物がほとんど生成しないので、分散板の閉塞を起こす可能性が低減される。また、その後、エチレンガスが内筒1の流動部に供給されて粒状触媒と接触すると、発熱反応を起こし、エチレンの分解温度以上に容易に達して、炭素繊維が生成するようになる。
この場合、炭素含有ガスの外筒2内への供給速度を調整することも重要であり、エチレンガスの場合、前記の予熱温度と流動部の温度を実現するためには、外筒2への炭素含有ガスの予熱温度下での供給速度を0.03〜5m/s程度とすることが望ましい。また、内筒1内のガスの線速度は、使用する粒状触媒とその担体などにもよるが、通常、0.05m/s以上、好ましくは0.10m/s以上とすることにより、容易に流動部が形成される。
これらの条件は、使用する炭素含有ガスが決まれば、実験により求めることができる。
In the above description, the preheating temperature of the carbon-containing gas and the temperature of the fluidized portion vary depending on the carbon raw material used. Therefore, it may be determined according to the carbon raw material to be used. For example, when ethylene gas is used as the carbon raw material, the preheating temperature is preferably 600 to 630 ° C. Within this temperature range, the thermal decomposition of ethylene is not significant, and almost no carbide is generated, so that the possibility of clogging the dispersion plate is reduced. After that, when ethylene gas is supplied to the fluidized portion of the inner cylinder 1 and comes into contact with the granular catalyst, an exothermic reaction occurs, easily reaching the ethylene decomposition temperature or more, and carbon fibers are generated.
In this case, it is also important to adjust the supply rate of the carbon-containing gas into the outer cylinder 2. In the case of ethylene gas, in order to realize the preheating temperature and the temperature of the fluidized part, The supply rate of the carbon-containing gas at the preheating temperature is preferably about 0.03 to 5 m / s. The linear velocity of the gas in the inner cylinder 1 is usually 0.05 m / s or more, preferably 0.10 m / s or more, although it depends on the granular catalyst used and its carrier. A fluidized part is formed.
These conditions can be obtained by experiments if the carbon-containing gas to be used is determined.

上記において、生成した炭素繊維の取出しは、炭素含有ガス供給管5、5’からの炭素含有ガス、または不活性ガス供給管9から不活性ガスを供給して、粉体抜出し管8を通して行う旨説明したが、不活性ガス供給管9に替えて、反応ガス排出管6に別途不活性ガス供給手段を設け、そこから不活性ガスを供給し、粉体抜出し管8を通して、反応物の取出しを行うこともできる。
また、本発明の製造方法においては、取出しは粉体抜出し管8を通して行う方法に限定されず、たとえば製造装置の内筒1の頂部に設けられた着脱可能とされた蓋11を開け、手動で反応物を取り出してもよい。なお、このような反応物の取出しは、バッチ運転毎に行ってもよい。さらに、反応物を反応中に連続的に回収することも可能である。この場合には、炭素含有ガスと粒状触媒を一定の供給速度で、連続的に製造装置に供給するとともに、反応ガス排出管6と粉体抜出し管8の開度を調節し、炭素繊維とを連続的に回収する。
ただし、バッチ式の方が滞留時間(反応時間)を一定にすることができて、炭素繊維の品質を一定に保つことができるので、好ましい。
なお、この場合には、未反応炭素含有ガスが同伴して系外に排出される可能性があるので、反応ガス回収後に未反応ガスと炭素繊維を、バグフィルターや遠心分離機などの気固分離手段を用いて分離し、未反応原料ガスを再度原料ガスとして製造装置に供給しても良い。
In the above, the produced carbon fiber is taken out through the powder extraction pipe 8 by supplying the carbon-containing gas from the carbon-containing gas supply pipes 5, 5 ′ or the inert gas supply pipe 9. As described above, instead of the inert gas supply pipe 9, a separate inert gas supply means is provided in the reaction gas discharge pipe 6, and an inert gas is supplied therefrom, and the reactant is taken out through the powder extraction pipe 8. It can also be done.
Further, in the manufacturing method of the present invention, the extraction is not limited to the method performed through the powder extraction tube 8. For example, the removable lid 11 provided on the top of the inner cylinder 1 of the manufacturing apparatus is opened and manually operated. The reactant may be removed. In addition, you may perform such taking-out of a reaction material for every batch operation. Further, it is possible to continuously recover the reaction product during the reaction. In this case, the carbon-containing gas and the granular catalyst are continuously supplied to the production apparatus at a constant supply rate, and the opening degrees of the reaction gas discharge pipe 6 and the powder extraction pipe 8 are adjusted, so that the carbon fiber is Collect continuously.
However, the batch type is preferable because the residence time (reaction time) can be made constant and the quality of the carbon fiber can be kept constant.
In this case, since there is a possibility that unreacted carbon-containing gas is entrained and discharged outside the system, the unreacted gas and carbon fiber are separated from the gas filter such as a bag filter or a centrifuge after the reaction gas is recovered. Separation may be performed using separation means, and the unreacted source gas may be supplied again to the production apparatus as the source gas.

以上に詳細に説明したように、本発明では、炭素繊維の製造装置として二重構造を採用したことにより、外筒2で気密性、および耐熱強度を確保できるため、内筒1の材質、構造などのバリエーションが増える。
また、炭素含有ガスの分解は、内筒1に供給された後、流動部で起こるので、分散板3周辺は、炭素含有ガスの分解温度未満に維持される。そのため、金属性の分散板3を使用しても、分散板3面での目詰まりは起こりにくく、その分、清掃などのメンテナンスを行う頻度が低減され、炭素繊維の製造時間を長く設定することができる。しかも、分散板3が目詰まりを生じた場合でも、内筒1のみを抜出して清掃や取替などのメンテナンスを行うことができ、従来の製造装置全体を分解することに比較すると、はるかにメンテナンス性が向上する。
加えて、反応器下部または内筒・外筒の間隙部から炭素含有ガスを供給して予熱するようにしたことにより、装置のコンパクト化が図れるなど、多くの優れた点を有する。
得られた炭素繊維は高品質であり、航空宇宙産業やスポーツ・レジャー産業用の素材として利用することができる。
As described in detail above, in the present invention, since the double structure is adopted as the carbon fiber manufacturing apparatus, the outer cylinder 2 can ensure airtightness and heat-resistant strength. Variations such as increase.
Further, since the decomposition of the carbon-containing gas occurs in the fluidized portion after being supplied to the inner cylinder 1, the periphery of the dispersion plate 3 is maintained below the decomposition temperature of the carbon-containing gas. Therefore, even if the metallic dispersion plate 3 is used, clogging on the surface of the dispersion plate 3 is unlikely to occur, and accordingly, the frequency of maintenance such as cleaning is reduced, and the carbon fiber production time is set longer. Can do. In addition, even when the dispersion plate 3 is clogged, it is possible to perform maintenance such as cleaning and replacement by removing only the inner cylinder 1, far more maintenance than disassembling the entire conventional manufacturing apparatus. Improves.
In addition, since the carbon-containing gas is supplied from the lower part of the reactor or the gap between the inner cylinder and the outer cylinder and preheated, the apparatus can be made more compact and has many excellent points.
The obtained carbon fiber is of high quality and can be used as a material for aerospace industry and sports / leisure industry.

次に、本発明を実施例、比較例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
(担持触媒の調製)
硝酸鉄(III)九水和物(和光純薬社製)1.8質量部をメタノール1.5質量部に溶解した。次いで、メタバナジン酸アンモニウム(関東化学社製)0.05質量部、七モリブデン酸アンモニウム(和光純薬工業社製)0.075質量部を溶解し触媒調製液を得た。市販のガンマアルミナ(住友化学社製AKP−G015)1質量部に触媒調製液を滴下混練し、ペースト状の混合物を得た。ペースト状の混合物は100℃の真空乾燥機で4時間乾燥させた後、乳鉢で粉砕後45μm〜250μmに分級し触媒を調製した。
EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
(Preparation of supported catalyst)
1.8 parts by mass of iron (III) nitrate nonahydrate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was dissolved in 1.5 parts by mass of methanol. Next, 0.05 parts by mass of ammonium metavanadate (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and 0.075 parts by mass of ammonium heptamolybdate (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were dissolved to obtain a catalyst preparation solution. The catalyst preparation liquid was dropped and kneaded into 1 part by mass of commercially available gamma alumina (AKP-G015 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) to obtain a paste-like mixture. The paste-like mixture was dried with a vacuum dryer at 100 ° C. for 4 hours, pulverized with a mortar and classified to 45 μm to 250 μm to prepare a catalyst.

実施例1
図1に示した製造装置を用い、下記のようにして気相法炭素繊維を製造した。
まず、製造装置として、上部外径が192mm、上部内径が190mm、および底部内径が128mm、底部外径が130mmで、底部に開孔径1.0mmφ、開孔率0.5%、厚み1mmのSUS430分散板を固定したステンレス製内筒(長さ1440mm)と、上部内径が200mmで、底部がテーパ状になったSUS304ステンレス製外筒(長さ2880mm)との二重構造の製造装置を用いた(外筒の内径に対する内筒の外径の比は0.96、外筒の長さに対する内筒の長さの比は0.5)。加熱器4は長さ1780mmとし、加熱器4外周部を,アルミ箔を貼付した断熱材10で覆った。
先ず、加熱器4で内筒1の内部(分散板上250mmのところ)の温度を600〜620℃に加熱し、その後、内筒1に窒素ガスを同伴させて、前記粒状触媒50gと、予め生成した炭素繊維250gを分散板上に仕込み、次いで、外筒2の原料ガス供給管5からエチレン30NL/min及び水素30NL/minの混合ガスを供給し、粒状触媒固体触媒粒子とエチレンを接触させることで炭素繊維を生成した。
外筒2内の予熱部の温度は620℃で、炭素含有ガスの供給後15分における内筒1内の流動部における温度は650〜670℃であった。また、620℃での予熱部の線速度は0.104m/s、内筒1下部の線速度は0.265m/s、および内筒1上部の線速度は0.115m/sであった。反応時間は60分とした。反応時間終了後、不活性ガス供給管9から窒素ガスを供給し、粉体抜出し管8を開け、反応ガス排出管6を閉じてガス流路を切り替えた後、内筒1に存在する炭素繊維が全量排出されるような位置に入口を固定した粉体抜出し管8から、前記触媒と炭素繊維をバグフィルターに回収した。バグフィルターから排出された反応ガスは焼却処理した。
バッチ処理所要時間は、粒状触媒投入5分、反応時間60分、および抜き出し30分、合計95分であった。回収された炭素繊維は1650gであった。
この操作を50バッチ繰返したところ、分散板上下の圧力差が徐々に上昇するとともに、炭素繊維の回収量が低下した。そこで温度を下げ、蓋11を開けて、ステンレス製分散板3の状態を観察したところ、全面積の半分程度の目詰まりが観察されたので、内筒1を取り出し、分散板3を交換した。分散板交換の所要時間は2時間であった。
Example 1
Using the production apparatus shown in FIG. 1, vapor grown carbon fiber was produced as follows.
First, as a manufacturing apparatus, SUS430 having an upper outer diameter of 192 mm, an upper inner diameter of 190 mm, a bottom inner diameter of 128 mm, a bottom outer diameter of 130 mm, an opening diameter of 1.0 mmφ at the bottom, an opening ratio of 0.5%, and a thickness of 1 mm. A manufacturing apparatus having a double structure of a stainless steel inner cylinder (length 1440 mm) to which a dispersion plate is fixed and a SUS304 stainless steel outer cylinder (length 2880 mm) having an upper inner diameter of 200 mm and a tapered bottom is used. (The ratio of the outer diameter of the inner cylinder to the inner diameter of the outer cylinder is 0.96, and the ratio of the length of the inner cylinder to the length of the outer cylinder is 0.5). The heater 4 had a length of 1780 mm, and the outer periphery of the heater 4 was covered with a heat insulating material 10 to which an aluminum foil was attached.
First, the temperature inside the inner cylinder 1 (at 250 mm on the dispersion plate) is heated to 600 to 620 ° C. with the heater 4, and then nitrogen gas is entrained in the inner cylinder 1 to obtain 50 g of the granular catalyst in advance. The produced carbon fiber 250 g is charged on a dispersion plate, and then a mixed gas of ethylene 30 NL / min and hydrogen 30 NL / min is supplied from the raw material gas supply pipe 5 of the outer cylinder 2 to bring the solid catalyst solid catalyst particles into contact with ethylene. This produced carbon fiber.
The temperature of the preheating part in the outer cylinder 2 was 620 ° C., and the temperature in the flow part in the inner cylinder 1 15 minutes after the supply of the carbon-containing gas was 650 to 670 ° C. Moreover, the linear velocity of the preheating part in 620 degreeC was 0.104 m / s, the linear velocity of the inner cylinder 1 lower part was 0.265 m / s, and the linear velocity of the inner cylinder 1 upper part was 0.115 m / s. The reaction time was 60 minutes. After completion of the reaction time, nitrogen gas is supplied from the inert gas supply pipe 9, the powder extraction pipe 8 is opened, the reaction gas discharge pipe 6 is closed and the gas flow path is switched, and then the carbon fiber present in the inner cylinder 1 The catalyst and carbon fiber were collected in a bag filter from a powder extraction tube 8 whose inlet was fixed at a position where all of the catalyst was discharged. The reaction gas discharged from the bag filter was incinerated.
The batch processing time was 95 minutes in total, with 5 minutes of granular catalyst input, 60 minutes of reaction time, and 30 minutes of extraction. The recovered carbon fiber was 1650 g.
When this operation was repeated 50 batches, the pressure difference between the upper and lower sides of the dispersion plate gradually increased, and the recovered amount of carbon fiber decreased. Then, the temperature was lowered, the lid 11 was opened, and the state of the stainless steel dispersion plate 3 was observed. As a result, clogging of about half of the total area was observed, so the inner cylinder 1 was taken out and the dispersion plate 3 was replaced. The time required for exchanging the dispersion plate was 2 hours.

本発明の炭素繊維の製造装置、および炭素繊維の製造方法によれば、分散板の目詰まりの低減化と炭素含有原料ガスの予熱を行うことで、高品質の炭素繊維を効率よく生産することができ、こうして得られた炭素繊維は、航空宇宙産業やスポーツ・レジャー産業用の素材として利用することができる。   According to the carbon fiber manufacturing apparatus and the carbon fiber manufacturing method of the present invention, high quality carbon fiber can be efficiently produced by reducing clogging of the dispersion plate and preheating the carbon-containing source gas. The carbon fiber thus obtained can be used as a material for the aerospace industry and sports / leisure industry.

本発明の炭素繊維の製造装置の一態様を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the one aspect | mode of the manufacturing apparatus of the carbon fiber of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 内筒
2 外筒
3 分散板
4 加熱器
5、5’ 炭素含有ガス供給管
6 反応ガス排出管(不活性ガス供給管)
7 触媒供給管
8 粉体抜出し管
9 不活性ガス供給管
10 断熱材
11 蓋
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Inner cylinder 2 Outer cylinder 3 Dispersion plate 4 Heater 5, 5 'Carbon containing gas supply pipe 6 Reactive gas discharge pipe (inert gas supply pipe)
7 Catalyst supply pipe 8 Powder extraction pipe 9 Inert gas supply pipe 10 Heat insulating material 11 Lid

Claims (12)

粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒と、該炭素含有ガスを予熱する予熱部を有しており該内筒を囲繞する外筒からなる二重構造の炭素繊維の製造装置であって、該外筒内に該炭素含有ガスを供給するための炭素含有ガス供給管と、該外筒に設けられた該炭素含有ガスを予熱するための加熱器と、該内筒底部に設けられた分散板と、該内筒から反応ガスを排出するための反応ガス排出管と、を具備し、
該加熱器が、該予熱部を該炭素含有ガスと該粒状触媒とが接触して分解反応を起こして炭素繊維が生成される分解温度未満に加熱し、
該流動部の温度が該分解温度以上である炭素繊維の製造装置。
An inner cylinder which particulate catalyst and a carbon-containing gas has a flow section that reacts, the production of carbon fiber having a double structure composed of an outer cylinder surrounding the inner cylinder has a preheating section for preheating the carbon-containing gas An apparatus comprising: a carbon-containing gas supply pipe for supplying the carbon-containing gas into the outer cylinder; a heater for preheating the carbon-containing gas provided in the outer cylinder; and the bottom of the inner cylinder And a reaction gas discharge pipe for discharging the reaction gas from the inner cylinder ,
The heater heats the preheating part below a decomposition temperature at which the carbon-containing gas and the granular catalyst come into contact with each other to cause a decomposition reaction to generate carbon fibers,
An apparatus for producing carbon fiber, wherein the temperature of the fluidized part is equal to or higher than the decomposition temperature .
外筒の内径に対する内筒の外径の比が0.5〜0.98である請求項1に記載の炭素繊維の製造装置。   The carbon fiber manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the ratio of the outer diameter of the inner cylinder to the inner diameter of the outer cylinder is 0.5 to 0.98. 外筒の長さに対する内筒の長さの比が0.4〜0.7である請求項1または2に記載の炭素繊維の製造装置。   The carbon fiber manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, wherein a ratio of the length of the inner cylinder to the length of the outer cylinder is 0.4 to 0.7. 粒状触媒が金属触媒である請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。   The apparatus for producing carbon fiber according to any one of claims 1 to 3, wherein the granular catalyst is a metal catalyst. 炭素含有ガス供給管が外筒下部に設けられた請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。   The carbon fiber manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein a carbon-containing gas supply pipe is provided at a lower portion of the outer cylinder. 炭素含有ガス供給管が外筒頂部に設けられた請求項1〜5のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。   The carbon fiber manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a carbon-containing gas supply pipe is provided at the top of the outer cylinder. 内筒頂部の蓋を着脱可能にした請求項1〜6のいずれかに記載の炭素繊維の製造装置。   The carbon fiber manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a lid at the top of the inner cylinder is detachable. 請求項1〜7のいずれかに記載の製造装置を用いて、炭素含有ガスを外筒に供給して予熱した後、分散板を通して、粒状触媒と炭素含有ガスが反応する流動部を有する内筒に供給して炭素繊維を生成させ、次いで、反応ガスを該内筒から系外に排出することを特徴とする炭素繊維の製造方法。   An inner cylinder having a fluidizing section in which the granular catalyst and the carbon-containing gas react through a dispersion plate after supplying the carbon-containing gas to the outer cylinder and preheating using the manufacturing apparatus according to claim 1. To produce carbon fiber, and then discharge the reaction gas from the inner cylinder to the outside of the system. 炭素含有ガスの予熱温度が炭素含有ガスの分解温度未満であり、流動部の温度が、炭素含有ガスの分解温度以上である請求項8に記載の炭素繊維の製造方法。   The carbon fiber manufacturing method according to claim 8, wherein the preheating temperature of the carbon-containing gas is lower than the decomposition temperature of the carbon-containing gas, and the temperature of the fluidized portion is equal to or higher than the decomposition temperature of the carbon-containing gas. 炭素含有ガスの予熱温度と、流動部の温度を、炭素含有ガスの製造装置への供給速度で制御する請求項9に記載の炭素繊維の製造方法。   The carbon fiber manufacturing method according to claim 9, wherein the preheating temperature of the carbon-containing gas and the temperature of the fluidized portion are controlled by a supply rate to the carbon-containing gas manufacturing apparatus. 炭素含有ガスがエチレンであり、予熱温度が600〜630℃である請求項8〜10のいずれかに記載の炭素繊維の製造方法。   The carbon fiber production method according to any one of claims 8 to 10, wherein the carbon-containing gas is ethylene and the preheating temperature is 600 to 630 ° C. エチレンの外筒への供給速度が、予熱温度下で0.03〜5m/sである請求項11記載の炭素繊維の製造方法。   The method for producing a carbon fiber according to claim 11, wherein a supply rate of ethylene to the outer cylinder is 0.03 to 5 m / s under a preheating temperature.
JP2008205344A 2008-08-08 2008-08-08 Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method Expired - Fee Related JP5386125B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008205344A JP5386125B2 (en) 2008-08-08 2008-08-08 Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008205344A JP5386125B2 (en) 2008-08-08 2008-08-08 Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010037702A JP2010037702A (en) 2010-02-18
JP5386125B2 true JP5386125B2 (en) 2014-01-15

Family

ID=42010535

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008205344A Expired - Fee Related JP5386125B2 (en) 2008-08-08 2008-08-08 Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5386125B2 (en)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5024818A (en) * 1990-10-09 1991-06-18 General Motors Corporation Apparatus for forming carbon fibers
JP2008056523A (en) * 2006-08-30 2008-03-13 Toray Ind Inc Method for producing carbon nanotube

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010037702A (en) 2010-02-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2645330C (en) Method and apparatus for the continuous production and functionalization of single-walled carbon nanotubes using a high frequency plasma torch
JP5081453B2 (en) Method
AU2007255132B2 (en) Carbon nano-fibre production
JP2010173889A (en) Carbon nanotube production apparatus and carbon nanotube production method
TWI521566B (en) Production of polycrystalline silicon by the thermal decomposition of dichlorosilane in a fluidized bed reactor
JP4856878B2 (en) Method for producing silicon carbide
JP5475457B2 (en) Mass aerosol powder injection device for carbon nanotube synthesis
JP2014513661A (en) Carbon nanotube production method and apparatus for carrying out the method
JPS62242B2 (en)
CA2883515A1 (en) Heat exchanger type reaction tube
JP2011016701A (en) Apparatus for producing carbon nanotube
JP5386125B2 (en) Carbon fiber manufacturing apparatus and carbon fiber manufacturing method
JP2000086217A (en) Production of carbon nanotube
JP2007153694A (en) Method and apparatus for producing carbon nanotube
JP6418690B2 (en) Carbon nanotube production equipment
JP6875705B2 (en) Particle processing device and method for producing catalyst carrier and / or fibrous carbon nanostructure
RU2443807C1 (en) Method of producing carbon fibre materials via catalytic pyrolysis
US20090042716A1 (en) High Temperature Reactor for the Poduction of Nanophase WC/CO Powder
RU2353718C1 (en) Method of receiving fibrous carbonic structures by catalystic pyrolysis
Pooperasupong et al. Synthesis of multi-walled carbon nanotubes by fluidized-bed chemical vapor deposition over Co/Al2O3
JP6755029B2 (en) Fibrous carbon nanostructure manufacturing equipment and fibrous carbon nanostructure manufacturing method
US20240140803A1 (en) Method and apparatus for producing carbon nanotube aggregates
JP7264165B2 (en) Method for producing boron trichloride
JPH08224462A (en) Reactor
KR20240070653A (en) Cracking reactor for thermal cracking of hydrocarbon feedstock

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110511

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20121026

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20121106

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20121227

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20130917

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20131007

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees