JP6303243B2 - 連続反応器流出物からのカーボンナノチューブの除去 - Google Patents
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Description
本仮出願は、2010年4月5日出願のNoyesによる"Method for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Oxides"という名称の国際特許出願番号PCT/US2010/029934に基づいて優先権を主張し、順に、2009年4月17日出願の"Method for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Oxides"という名称の米国特許仮出願番号第61/170,199号に基づいて優先権を主張する、2011年10月6日出願のNoyesによる"Method for Producing Solid Carbon by Reducing Carbon Oxides"という名称の米国特許出願番号第13/263,311号に関するものである。これらのすべての開示を参照により本明細書に組み込む。
本発明の技術は、カーボンナノチューブを作製するための工業規模のプロセスに関する。特に、本技術は、連続反応器流出物ストリームからカーボンナノチューブを除去することに焦点を当てる。
主に固体または元素炭素から形成される材料が、長年多くの製品に使用されている。例えば、カーボンブラックは、ゴムおよびプラスチック製品、例えば自動車用タイヤにおける顔料および強化用化合物として使用される高い炭素含量の材料である。カーボンブラックは通常、メタンまたは重質の芳香族油などの炭化水素の不完全な熱分解によって形成される。天然ガスの熱分解によって形成されるサーマルブラックは、例えば、とりわけ200〜500nmの範囲のサイズの大きな非凝集粒子を含む。重質油の熱分解によって形成されるファーネスブラックは、凝集するかまたは一緒にくっついて構造体を形成する10〜100nmの範囲のサイズの非常に小さい粒子を含む。両方の場合、それらの粒子は、開放された端部または縁部を有するグラフェンシートの層から形成され得る。化学的に、開放された端部はマトリックスへの吸収、結合などのために使用できる反応性領域を形成する。
Noyesによる国際特許出願公開WO/2010/120581は、炭素酸化物を触媒の存在下で還元剤により還元することによる、種々の形態の固体炭素製品の製造方法を開示している。その炭素酸化物は典型的には一酸化炭素または二酸化炭素である。還元剤は典型的には炭化水素ガスまたは水素である。固体炭素製品の所望の形態を、特定の触媒、反応条件、および還元反応において使用される任意選択の添加剤で制御することができる。
以下の詳細な説明および添付の図面を参照することによって、本発明の技術の利点がより良く理解される。ここで:
最初に、参照しやすくするために、本出願で使用される特定の用語およびこの関連で使用されるようなそれらの意味を示す。本明細書で使用される用語が以下で定義されていない限り、当業者がその用語を少なくとも1つの刊行物または発行済み特許に反映されているものとする最も広い定義がそれに与えられるべきである。さらに、すべての同等物、同義語、新たな進歩(development)、および同じかまたは同様の目的に役に立つ用語または技術は本発明の特許請求の範囲内にあると考えられるので、本発明の技術は以下で示す用語の使用によって限定されないものとする。
「炭化水素」は、元素の水素と炭素を主に含むが、窒素、硫黄、酸素、金属または任意の数の他の元素が少量存在してよい有機化合物である。本明細書で用いる炭化水素は一般に、天然ガス、石油または化学的処理施設において見られる成分を指す。
「低BTU天然ガス」は、貯留層から採取されるようなかなり大きな割合のCO2を含むガスである。例えば、低BTU天然ガスは、炭化水素および他の成分に加えて10mol%以上のCO2を含むことができる。いくつかの場合、低BTU天然ガスは主にCO2を含むことができる。
本明細書で用いる「プラント」は、その中で化学製品またはエネルギー製品が処理または輸送される物理的設備の集合体である。その最も広い意味で、プラントという用語は、エネルギーを生産するかまたは化学製品を形成するのに使用できる任意の設備に適用される。設備の例には、重合プラント、カーボンブラックプラント、天然ガスプラントおよび電力プラントが含まれる。
本明細書で説明する実施形態は、反応器から、流出物ストリーム中に同伴されたカーボンナノチューブ(CNT)を分離するためのシステムおよび方法を提供する。この除去は、包装のためのカーボンナノチューブの単離を可能にする。
炭素酸化物、特に二酸化炭素は、排ガス、低BTU油井ガスから、およびいくつかのプロセスオフガスから抽出できる豊富にあるガスである。二酸化炭素は空気からも抽出できるが、他の供給源はしばしばずっと高い濃度を有しており、典型的には、それから二酸化炭素が収穫される、より経済的な供給源である。さらに、二酸化炭素は、発電の副生成物として入手することができる。これらの供給源からのCO2の使用は、CO2の一部を炭素製品に転換することによって、二酸化炭素の排出を低下させることができる。
図1は、例えば二酸化炭素隔離反応の副生成物として炭素同素体を生成する、反応システム100のブロック図である。反応システム100には、CO2とCH4の混合物であってよいフィードガス102が備わっている。いくつかの実施形態では、この反応は、電力プラントなどの排気ストリームからのCO2の隔離を可能にすることができる。他の実施形態では、CH4は、例えば天然ガス田からのガスストリームにおいて、より高濃度である。C2H6、C2H4などの他の成分がフィードガス102中に存在することができる。一実施形態では、フィードガス102は、例えば製品ストリームとして販売するために、処理されてこれらの成分が除去されている。
反応器110において、ボッシュ様反応を用いて、触媒が加熱フィードガス106の一部と反応してカーボンナノチューブ(CNT)112、および他の炭素同素体を形成する。以下でより詳細に説明するように、反応器110は、例えば金属ショット、担持触媒などを含む任意の数の異なる触媒を使用する流動床反応器であってよい。CNT112を反応器流出物114から分離し、過剰の試薬および水蒸気を含有する廃ガスストリーム116を残す。反応器流出物114が廃ガスストリーム116としてチラーに入る前に、反応器流出物114からの熱の少なくとも一部を用いて、加熱フィードガス106を形成する。
種々の実施形態において、分離システム118は、反応器流出物114からのCNT112の分離を助けるように構成されたフィルターを含むことができる。そのフィルターは、とりわけ、焼結セラミックフィルター、焼結金属フィルター、繊維バグフィルターまたは流動床フィルターであってよい。さらに、そのフィルターは、任意の残留CNT112または他の残留粒子を除去するための自浄式手順を実施するように構成されていてよい。さらに、いくつかの実施形態では、分離システム118は、CNT112を反応器流出物114から除去するための任意の数の追加の構成要素を含有することができる。CNT112が十分に精製されたら、これらを市場に提供することができる。
印を付けた例示的な点で示されるように、任意の化合物、または任意の2つの元素もしくはすべてのこれら3つの元素との混合物を、三角ダイアグラム200上に描くことができる。化合物の一部は、アルカン、アルケンおよびアルキンならびに多くの他の種類の炭化水素などの炭化水素を含む。炭化水素は、C202とH204を結ぶC−H端部208上に位置する。一酸化炭素(CO)および二酸化炭素(CO2)を含む元素C202およびO206だけを含む化合物は、C202とO206を結ぶC−O端部210に沿って現れる。水(H2O)などの元素H204およびO206だけを含む化合物は、H204とO206を結ぶH−O端部212に沿って現れる。
フラーレン、C60およびC70ならびにカーボンナノチューブ(CNT)を形成するための最初の実験のいくつかを炭素電極のレーザーアブレーションによって実施し、質量分析計で炭素材料を捕捉した。図2に示す曲線214は、種々の温度での炭素生成の限界を示している。これらの曲線214は、炭素、酸素および水素の量が反応の前と後で同じであるとする制約のもとで、得られる化合物のギブズ自由エネルギーを最小化する、化学量論的に拘束されたギブズ極小化法を実施して決定した。固体炭素の形成が最初に起こる点は、その組成が、三角ダイアグラム200上で第1の組成点から第2の組成点へ移動したときであることが分かった。
図2で示す温度で、大部分の炭化水素および他の有機化合物は熱分解を受けて、小さい熱力学的に安定な気体の分子、例えばCO、CO2、CH4、H2O、H2などを生成する。特定の反応条件下で、これらの小さい気体分子を反応して炭素同素体を生成させることができる。いくつかの場合、これらの炭素同素体はCNTの形態となる。種々の寸法およびキラリティーの単一壁のCNTと複数壁のCNTの両方を、これらの方法で作製することができる。
炭化水素には、酸素の濃度に応じて、2つの方法で熱分解が施される。酸素の存在なしでは、大きな炭化水素分子は熱的に分解されて、より小さい炭化水素、例えばメタン、エタン、プロパンおよび水素になる。これらの小さい炭化水素はさらに分解されて炭素とより多くの水素となり、これは、反応1で示すような全体的反応で与えられる。熱分解反応と称されるこの反応は、C−H端部208に沿って起こる。
CnH2m⇔nC+mH2 反応1
代表例は、反応2で示されるメタンの熱分解である。
CH4⇔C+2H2 反応2
CnH2m+qO2⇔qCO+qH2O+(n−q)C+(m−q)H2 反応3
反応後のCOとH2Oの比は、システムの温度に応じて異なる可能性がある。さらに、酸素の量に応じて、生成ガス中にいくらかの二酸化炭素が存在する可能性がある。生成されるどの一酸化炭素または二酸化炭素も、高温条件で反応して炭素同素体を形成することができる。より高いO2濃度は一般に、燃焼のため、より高い温度をもたらし、より多くのCOおよびCO2ならびにより少ない固体炭素および水素の生成をもたらす結果となる。したがって、多量の炭素同素体を生成させるためには、この反応システムでは、システムに存在する酸素の量を制限しなければならない。
少量の酸素を含む有機化合物も、炭素同素体の製造において有用である。これらの化合物は、ボッシュ反応の別の例である反応4に示す全体的な反応によって、熱的に分解して小さい熱力学的に安定な気体分子を形成し、これらを触媒表面上でさらに反応して炭素同素体および水を生成することができる。
CnH2mOq⇔nC+qH2O+(m−q)H2 反応4
CO2+2H2⇔C+2H2O 反応5
ボッシュ反応は、機構的に、反応6および7に示すように、そこでCOが中間体として生成する2つの別個の反応として記述することができる。
CO2+H2⇔C+H2O 反応6
CO+H2⇔C+H2O 反応7
第1の反応6は速く、平衡に向かう傾向がある。第2の反応7は遅い。炭素同素体を生成できる別の反応は、反応8で示すブードワ(Boudouard)反応である。ブードワ反応はC−O端部210で起こり、一酸化炭素から炭素同素体および二酸化炭素を生成する。
2CO⇔C+CO2 反応8
CnH2m+nH2O⇔nCO+(m+n)H2 反応9
CnH2mOq+(n−q)H2O⇔nCO+(m+n−q)H2 反応10
三角ダイアグラム200で示す反応温度で、反応7に示すボッシュ反応機構の第2のステップによって、シンガスは炭素同素体を形成する。
炭素同素体を生成するための触媒反応の別の態様は、特定のガス組成および温度は、反応において使用される金属触媒を酸化することになり、反応11に示すように、さらなる触媒反応を効果のないものにする。酸素が金属または合金に酸化をもたらすポイントはその特性に依存する。元素金属について、これは酸化物の形成のギブズ自由エネルギーによって決まる。
xM+yO2⇔MxO2y 反応11
Fe+1/2O2⇔FeO 反応12
Rxn12の平衡定数KFeOは式4に示す式で決定することができる。
KFeO=exp[−ΔGFeO/(RgT)]=[PO2/PT]-1/2 式4
式4において、ΔGFEOはウスタイトへの鉄の酸化のギブズ自由エネルギーであり、これは温度の関数であり、Rgは気体定数であり、Tは絶対温度であり、PO2は酸素(O2)の分圧であり、PTは系の全圧である。比ΡO2/ΡTは単に系におけるO2のモル分率である。この式を用いて、任意の温度で鉄の酸化を開始する酸素の分圧を特定することができる。
酸素の分圧は、式5および6に示す高速反応平衡の1つから得ることができる。
式1〜6に示すように、モル分率比は、酸素の分圧の決定と、ブードワおよびボッシュ反応機構についての炭素活性の定義の両方のために重要である。例えば、モル分率比が金属触媒の酸化を開始させる炭素の所与の活性となるように、炭素活性と酸素の分圧の両方を設定する。
さらに、ボッシュの第2ステップとブードワ反応の両方によって生成されるAcから、熱力学をもとにして、そこで、第1の固体炭素同素体が生成されるのにどちらの反応によっても均等な確率であるC−O端部210近傍のゾーンを特定することができる。このゾーンの一端は、三角ダイアグラム200において第1の線222で描くことができる。さらに、上記で論じたように、ボッシュ反応の第2ステップによって、鉄触媒が酸化してウスタイトとなるのに十分高い酸素分圧にするのに十分な水が生成されるポイントが存在する。このポイント224で、第1の線222は点線となり、第2の線226は、FeOについて約0.14の固定水素(H)含量で、約1気圧の系圧力でブードワゾーンを限定する。ブードワゾーン228は、第1の線222の上および右側ならびに第2の線222の右側(FeO酸化)の反応条件でボッシュ反応を凌駕する。
図2に関連して論じた計算は、CNTなどの炭素同素体の生成のための推進力としての炭素活性を特定する。したがって、実施形態において、C−H−Oシステムにおける種々の反応混合物を、C−H−Oシステムの三角ダイアグラムのC−H端部208、C−O端部210および中央部分で適用できる3つの炭素形成反応を用いて、炭素活性の予測に帰着させることができる。約1.0超の炭素活性は、3つの炭素形成反応のそれぞれによって、炭素をもたらす。いくつかの場合、炭素活性は、鉄のウスタイト、FeOへの変換の予測因子(predictor)である。これらの場合、鉄が酸化される炭素活性は、炭素が形成され得る炭素活性範囲を約1.0超に限定する。約973.15K(約700℃)、等モルのCO:H2フィードでのボッシュ第2ステップの反応の場合、炭素活性は、例えば35より大きい値に限定される。
図3は、二酸化炭素およびメタンを含むガスフィードからカーボンナノチューブ(CNT)を作製するための単一反応器システム300の簡略化したプロセスフロー図である。示されるように、単一反応器システム300は、CO2またはCH4がより多いフィードガス302のために使用することができる。より具体的な反応器システムを、図5および図6に関して論じる。単一反応器システム300において、フィードガス302は、高濃度の少ない方のガスを有する再循環ガス304と一緒にされる。これは、スタティックミキサー306を用いて行うことができる。
一緒になったガスストリーム308は、熱交換器310、または直列になった一連の熱交換器310を通過して、反応器流出物ストリームによって加熱される。加熱されたガスストリーム312のために、その温度を、本明細書で定義されるような周囲温度近傍から、約500℃(930°F)、約600℃(約1112°F)、約700℃(約1292°F)、約800℃(約1472°F)または約900℃(約1652°F)などの適切な反応温度へ上げることができる。この温度は、連続操作の間、反応を維持するのに十分である。しかし、その熱の一部は、パッケージヒーター314で提供することができ、これは、反応物を始動の際の温度まで上げるために熱を加えるのに特に有用である。次いで高温ガスストリーム316を流動床反応器318へ導入する。実施形態において使用できる一般的な流動床反応器は、図7に関連して論じられている。流動床反応器318において、CNTは触媒粒子上で形成される。触媒粒子および反応も、図6に関連して論じられている。
この分離システム322は、CNT324を反応器流出物ストリーム320から単離し、反応器流出ストリーム320からのガス状成分を含む廃ガスストリーム326を生成するように構成された1つまたは複数の分離装置を含むこともできる。例えば、廃ガスストリーム326は、流動床反応器318からの廃ガスならびに金属残留物および他の不純物を含むことができる。反応器流出物ストリーム320から単離されたCNT324は市場へ送ることができる。
いくつかの実施形態では、分離システム322は、CNT324の精製を助けるためのフィルター装置を含むことができる。これを、図8に関連してさらに論じる。
一緒にしたガスストリーム308に熱を供給した後、冷却廃ストリーム328は周囲温度熱交換器330を通過し、次いで分離容器332に供給される。水334は分離容器332中で沈降し、底部から除去される。得られるガスストリーム336は相当低い温度、例えば約30℃、約38℃(約100°F)、または約40℃および約2500キロパスカル(kPa)、約3000kPa、約3720kPa(約240psia)または約4000kPaの圧力であってもよい。一実施形態では、次いでガスを、乾燥器(図示せず)で乾燥して低い露点にする。このストリームは圧縮機338に入り、そこでガスストリーム336の圧力は、例えば約5000kPa、約6000kPa、約7000kPa、約7,240kPa(約1050psia)または約8000kPaに増大し、高圧力ストリーム340が形成され、これは別の周囲温度熱交換器342を通過する。例えば乾燥器が用いられていない場合、残留する水334を除去するために、周囲温度熱交換器342から、高圧ストリーム340が分離容器344へ供給される。
反応物ストリーム412は熱交換器404を通過し、廃ガスストリーム402からの廃熱によって加熱される。加熱されたストリーム414は第2の流動床反応器416へ供給され、そこで追加のCNT324が形成される。しかし、加熱されたストリーム414は、第2の流動床反応器416においてCNT324を形成するのに十分に高い温度、例えば約850℃(約1562°F)超ではない可能性がある。加熱されたストリーム414の温度を上昇させるために、第2のパッケージヒーター418を使用することができる。この第2のパッケージヒーター418は、第1のパッケージヒーター314において別個の加熱ゾーンであってよい。いくつかの実施形態では、第2の反応器流出物ストリーム420を用いて、加熱されたストリーム414へ熱を供給する。次いで第2の反応器流出物ストリーム420を第2の分離システム422に供給して、CNT324を第2の反応器流出物ストリーム420から単離する。種々の実施形態において、第2の分離システム422は、分離システム322に関して論じたものなどの任意の数の分離装置を含むことができる。得られた廃ガスストリーム424を用いて、それが熱交換器310を通過する際に、一緒にしたガスストリーム308へ熱を提供することができる。
この熱は、温度を反応に十分な温度まで上昇させるのには不十分である可能性がある。したがって、図3に関連して説明したように、パッケージヒーター314を使用して、加熱されたガスストリーム312の温度をさらに上昇させ、流動床反応器318に供給できる高温ガスストリーム316を形成することができる。CNT324は流動床反応器318中で形成され、反応器流出物ストリーム320中で運び出される。
この実施形態では、2つのエキストラストリームを、ガス分留システム348を出た分離されたストリームから提供することができる。燃料ガスストリーム528は、内部での燃料需要に見合うように再循環ガス304から取り出すことができ、保障されていれば、電力プラントへ送ることができる。パージガスストリーム530をCO2出口ストリームから取り出し、これを、フィルター524またはサイクロン520などの設備の様々な構成要素をパージするために使用することができる。
図6は、触媒粒子602上でのCNTの形成のための触媒反応600の概略図である。いくつかの実施形態では、触媒反応600は、図7に関してさらに論じる流動床反応器において行われる。高温ガスフィードストリーム606中のC、OおよびHを含有する化合物の一部、例えばCH4とCO2の間の初期反応604は、COおよびH2の形成をもたらす。過剰量の供給元ガスは反応器の中を流れ続け、床の流動化を助け、CNT608および触媒粒子610を運び去る。
CNT608を形成する反応は触媒粒子602上で起こる。理論に拘泥するわけではないが、触媒表面上での十分なサイズの鉄原子の中心部分は、触媒粒子602上での炭素生成物の成長のための核形成点を形成することができる。反応温度、圧力およびフィードガス組成を含む多くのパラメーターが、最終生成物の形態に影響を及ぼす。
反応が進行するとともに、触媒粒子602は劣化し、最終的に消費される。したがって、反応は、金属ダスチング反応と述べることができる。いくつかの実施形態では、金属表面は、反応条件と接触する金属表面が劣化するだけでなく、より低品質の生成物の形成ももたらす可能性もあるので、セラミックのライニングによって攻撃から保護される。
さらに、CNT分離器724は、最終CNT生成物726を得るために、CNT702を反応器流出物ストリーム720から単離させるように構成されてよい。ガス状成分、いくらかの残留CNTまたは他の不純物を含有するストリーム728は、CNT702の単離によって反応器流出物ストリーム720から生成される。いくつかの実施形態では、CNT分離器724は、とりわけ、サイクロン式分離器、多重サイクロン式分離器、電気集塵器、磁気分離器、慣性分離器または重力分離器を含むことができる。CNT分離器は、とりわけ、焼結セラミックフィルターまたは焼結金属フィルターなどのフィルターも含むことができる。
種々の実施形態において、サイクロン式分離器802の壁は、セラミックまたは金などの耐熱性を有する保護材料でコーティングすることができる。これは、反応器流出物ストリーム720の高温の結果としての分解からサイクロン式分離器802を保護するのを助けることができる。
フィルター804は、いくつかの異なる種類のフィルターのいずれかを含むことができる。例えば、フィルター804は、ストリーム806の高温に耐えられる焼結セラミックフィルターまたは焼結金属フィルターであってよい。フィルター804は、とりわけ、繊維バグフィルターまたは流動床フィルターであってもよい。フィルター804は、任意の残留CNTを除去するための自浄式手順を実施するように構成されていてよい。いくつかの実施形態では、分離システム724は、一方のフィルターがオンラインにあり他方のフィルターがオフラインにあり、自浄式手順を行う2つのフィルターを含むことができる。
種々の実施形態において、サイクロン904の壁を、セラミックまたは金などの耐熱性を有する保護材料でコーティングする。これは、反応器流出物ストリーム720の高温の結果としての分解からサイクロン904を保護するのを助けることができる。
図10は、電気集塵器1002を使用してCNT702を反応器流出物ストリーム720から単離する分離システム1000の概略図である。電気集塵器1002は、誘起された静電帯電の力を用いて、CNT702を反応器流出物ストリーム720から除去することができる。
高電圧設備1008を用いて、放電用電極1004と捕集電極1006の間に数千ボルトの負電圧を印加することができる。この印加された電圧は、放電用電極1004および捕集電極1006の周りを流れる際に、反応器流出物ストリーム720のイオン化をもたらすことができる。陰イオンは捕集電極1006へ流れ、反応器流出物ストリーム720中のCNT702を帯電させることができる。高電圧設備1008によって発生した負電場を流れるCNT702は、次いで捕集電極1006へ移動することができる。
さらに、捕集電極1006によって捕捉されなかったいくらかの量のCNT702を含むガス状成分を含有するストリーム1016も、電気集塵器1002から送り出すことができる。種々の実施形態において、図8および図9に関連して上記に論じたように、このストリーム1016をフィルター804に送ることができる。フィルター804を用いて、任意の残留CNT702をストリーム1016から除去することができる。
図11は、単一反応器システムからの流出物ストリームから分離されたCNTを包装できる包装システム1100の簡略化したプロセスフロー図である。この包装システム1100では、図5に示す分離システム518の522のロックホッパーが重複しており、このホッパーは、包装のために、CNTをプロセスから単離するのに使用される。
包装システム1100は包装トレーン1102の一部である。包装トレーン1102は、CNTをロックホッパー522から取り出すためのサンプリング弁1104をもつことができる。このサンプリング弁1104は、回転サイクルの一部の間、特定の量のCNTおよび気体が通過できるように構成された回転弁であってよい。いくつかの実施形態では、サンプリング弁1104は、完全に閉じられる前に、選択された量のCNTおよび気体が通過できるように、選択された時間完全に開放されるように構成されたボール弁であってよい。CNTおよび気体は、パージし冷却するために、ドラム缶1106へ流すことができる。
図12は、メタンおよび二酸化炭素を含むフィードガスからCNTを生成させるための方法1200を示すプロセスフロー図である。この方法1200は、そこで混合されたC、HおよびO原材料、例えばCO2/CH4混合物が得られるブロック1202で開始される。原材料は任意の数の供給源から得ることができる。上述したように、原材料は、地下貯留層から得られた天然ガス、発電プラントからの排ガスまたは天然資源もしくはプラント供給源からの任意の数の他のガスを含むことができる。さらに、実施形態において、全体的なフィードC:H:O比が図2に示す境界内にある限り、例えばシンガス、CO、H2、他の炭化水素などの他の材料を含む他の原材料を使用することができる。
ブロック1204では、原材料を、プロセスで発生した廃ガスから得られる再循環ガスと一緒にする。本明細書で説明するように、再循環ガスは、低温蒸留ならびに任意の数の他の技術を含んでよいガス分留によって廃ガスから得ることができる。ブロック1206では、一緒にしたガスストリームを、反応プロセスから回収された廃熱で加熱する。加熱した後、ブロック1208では、一緒にしたガスストリームを反応器中で金属触媒と反応してCNTを形成する。ブロック1210では、CNTを廃ガスから分離する。ブロック1212では、分離したCNTをパージし、冷却し、市場へ送り出すために包装する。
ブロック1216では、廃ガスは、CO2リッチなストリームとCH4リッチなストリームに分留される。ブロック1218では、過剰試薬を含有するストリームはどれも燃料として販売するかまたは使用できるが、他のストリームは、ブロック1204へ再循環させてそのプロセスで再使用することができる。
方法1300は、ブロック1302において、連続反応器流出物からのCNTの単離で開始される。CNTの単離は、任意の数の分離装置を用いて分離システム内で実施することができる。例えば、いくつかの実施形態では、サイクロンまたは多重サイクロン分離装置を用いて、連続反応器流出物からのCNTの初期分離を実施することができる。他の実施形態では、とりわけ、磁気分離装置または電気集塵器を用いて、初期分離を実施することができる。
ろ過システムを用いて、連続反応器流出物からCNTをさらに分離することもできる。ろ過システムは、任意の数の種々のタイプのフィルターを含むことができる。例えば、焼結セラミックフィルター、焼結金属フィルター、繊維バグフィルターまたは流動床フィルターを使用して、連続反応器流出物内の任意の残留CNTをろ別することができる。種々の実施形態において、ブロック1212では、次いで、単離されたCNTを市場へ送ることができる。
図13は、方法1300のステップが任意の特定の順番で実施されるべきである、あるいは、方法1300のステップのすべてがどの場合にも含まれるべきであるということを示そうとするものではない。さらに、具体的な用途に応じて、任意の数の追加のステップを、方法1300に含めることができる。例えば、いくつかの実施形態では、分離システムを用いて、CNTの第1の精製ストリームおよびガス状成分を含む第1の残留ストリームを連続反応器流出物から生成させることができる。次いで、ろ過システムを用いて、CNTの第1の精製ストリームから、CNTの第2の精製ストリームおよび不純物を含む第2の残留ストリームを生成させることができる。さらに、第1の精製ストリームおよび第2の精製ストリームを一緒にして、CNTの最終精製ストリームにすることができる。いくつかの実施形態では、第2の分離容器は、CNTの追加の精製ストリーム、および連続反応器流出物もしくはCNTの第1の精製ストリームまたはその両方からの追加の残留ストリームを生成するように構成させることもできる。
本発明の実施形態は、以下の番号を付けた項目で示す方法およびシステムの任意の組合せを含むことができる。上記説明から任意の数の変更形態を描くことができるので、これは、可能性のあるすべての実施形態の完全な列挙と考えるべきではない。
上記連続反応器流出物からカーボンナノチューブを単離し、
上記連続反応器流出物からガス状成分を含むストリームを生成させる
ように構成された分離容器を含むシステム。
上記連続反応器流出物から触媒粒子を単離し、
上記触媒粒子を反応器へ戻す
ように構成されている、項1に記載のシステム。
3.上記反応器が、上記分離容器からの触媒粒子を受け入れるように構成された流動床反応器を含む、項1または2のいずれかに記載のシステム。
4.上記ストリームが残留カーボンナノチューブを含む、項1から3までのいずれかに記載のシステム。
5.上記分離容器が重力式分離容器を含む、項1から4までのいずれかに記載のシステム。
6.上記重力式分離容器がサイクロン式分離器を含む、項5に記載のシステム。
7.上記サイクロン式分離器が単一のサイクロンを含む、項6に記載のシステム。
8.上記サイクロン式分離器が多重サイクロンを含む、項6に記載のシステム。
9.上記重力式分離容器がドリフト分離器を含む、項5に記載のシステム。
10.上記分離容器が、電場を与えるように構成された静電気分離ユニットを含む、項1から5までのいずれかに記載のシステム。
11.上記分離容器が磁気分離容器を含む、項1から5までまたは10のいずれかに記載のシステム。
12.上記分離容器がフィルターを含む、項1から5まで、10または11のいずれかに記載のシステム。
13.上記フィルターが、焼結セラミックフィルター、焼結金属フィルター、繊維バグフィルターもしくは流動床フィルターまたはその任意の組合せを含む、項12に記載のシステム。
14.上記フィルターが、任意の残留カーボンナノチューブを除去するための自浄式手順を実施するように構成されている、項12に記載のシステム。
上記連続反応器流出物を分離容器を通して流すステップと、
上記分離容器において上記連続反応器流出物からカーボンナノチューブを分離するステップと、
上記連続反応器流出物からガス状成分を含むストリームを生成させるステップ
を含む方法。
16.電磁分離プロセスによって、上記ガス状成分を含むストリームからカーボンナノチューブを単離するステップを含む、項15に記載の方法。
17.重力分離プロセスによって、上記ガス状成分を含むストリームからカーボンナノチューブを単離するステップを含む、項15または16のいずれかに記載の方法。
18.上記重力分離プロセスがサイクロン式分離器を使用することを含む、項17に記載の方法。
19.上記サイクロン式分離器が多重サイクロン式分離器を含む、項18に記載の方法。
20.上記分離容器が、密度に基づいた分離プロセスによって、カーボンナノチューブ、およびガス状成分を含むストリームを生成するように構成されている、項15から17までのいずれかに記載の方法。
21.上記連続反応器流出物から過剰触媒ストリームを単離するステップと
上記過剰触媒ストリームを反応器へ流すステップを含む、項15から17までまたは20のいずれかに記載の方法。
上記ガスフローから、カーボンナノチューブの第1の精製ストリーム、およびガス状成分を含む第1の残留ストリームを生成するように構成された分離システム、ならびに
カーボンナノチューブの第1の精製ストリームから、カーボンナノチューブの第2の精製ストリーム、および不純物を含む第2の残留ストリームを生成するように構成されたろ過システム
を含むシステム。
上記ガスフローから過剰試薬ストリームを単離し、
上記過剰試薬ストリームを反応器へ流す
ように構成されている、項22に記載のシステム。
24.上記分離システムが、多重サイクロン分離システムまたは単一のサイクロン分離システムを含む、項22または23のいずれかに記載のシステム。
25.上記分離システムが電気集塵器を含む、項22から24までのいずれかに記載のシステム。
26.上記分離システムが磁気分離システムを含む、項22から25までのいずれかに記載のシステム。
27.上記分離システムが慣性分離システムを含む、項22から26までのいずれかに記載のシステム。
28.上記ろ過システムが、焼結セラミックろ過システム、焼結金属ろ過システム、繊維バグろ過システムもしくは流動床ろ過システムまたはその任意の組合せを含む、項22から27までのいずれかに記載のシステム。
29.上記分離システムが湿式除去システムを含み、上記湿式除去システムが、ベンチュリースクラバー、向流水スクラバー、蒸気凝縮システムもしくは大気凝縮システムまたはその任意の組合せを含む、項22から28までのいずれかに記載のシステム。
31.上記ガスフローもしくは上記カーボンナノチューブの第1の精製ストリームまたはその両方から、カーボンナノチューブの追加の精製ストリームおよびガス状成分を含む追加の残留ストリームを生成するように構成された第2の分離容器を含む、項22から30までのいずれかに記載のシステム。
Claims (27)
- カーボンナノチューブを作製するためのシステムであって、
フィードガスを受け触媒粒子により反応させてカーボンナノチューブを形成し、カーボンナノチューブを含む連続反応器流出物をオーバーヘッドで排出するように構成された反応器と、
連続反応器流出物から触媒粒子を単離し、触媒粒子を反応器へリサイクルラインを介して戻すように構成された第1の分離容器と、
連続反応器流出物からカーボンナノチューブを単離し、連続反応器流出物からガス状成分を含む廃ストリームを生成するように構成された第2の分離容器と、
廃ストリームからの廃熱によりフィードガスを加熱するように構成された第1の熱交換器と、
廃ストリーム中の水を凝縮させて乾燥廃ガスストリームを得るための第2の熱交換器と、乾燥廃ガスストリーム中の水を凝縮させるための第3の熱交換器と
を含むシステム。 - 廃ストリームから残留カーボンナノチューブを除去するフィルターを含み、反応器が、流動床反応器を含み、第1の熱交換器がシェルアンドチューブ式熱交換器を含む、請求項1に記載のシステム。
- 乾燥廃ガスストリームの圧力を高める圧縮機を含み、第3の熱交換器が圧縮機からの乾燥廃ガスストリームを受けるために操作的に圧縮機の下流に配置される、請求項1に記載のシステム。
- 乾燥廃ガスストリームを処理して、主成分としてメタンを含む再循環ガスストリームおよび主成分として二酸化炭素を含む過剰フィードガスストリームを得るために操作的に第3の熱交換器の下流に配置されたガス分留システムを含み、第2の分離容器が重力式分離容器を含む、請求項3に記載のシステム。
- 第2の分離容器が、半径方向加速度および接線方向速度成分を連続反応器流出物に付与することができる旋回エレメントを有するサイクロン式分離器を含む、請求項1に記載のシステム。
- 旋回エレメントが半径方向加速度および接線方向速度成分を付与するために回転する旋回翼を含む、請求項5に記載のシステム。
- 第3の分離容器および第4の分離容器を含み、第2の熱交換器からの凝縮水を第3の分離容器で処理し、第3の分離容器の底部から排出し、第3の熱交換器からの凝縮水を第4の分離容器で処理し、第4の分離容器の底部から排出する、請求項1に記載のシステム。
- 第2の熱交換器が第1の周囲温度熱交換器を含み、第3の熱交換器が第2の周囲温度熱交換器を含む、請求項1に記載のシステム。
- 第2の分離容器が、電場を与えるように構成された静電気分離ユニットを含む、請求項1に記載のシステム。
- 乾燥廃ガスストリームを処理して再循環ガスストリームおよび過剰フィードガスストリームを得るためのガス分留システムを含む請求項1に記載のシステム。
- 再循環ガスストリームをフィードガスと反応器に一緒にするためのスタティックミキサーを含み、再循環ガスストリームが主成分としてメタンを含み、過剰フィードガスストリームが主成分として二酸化炭素を含む、請求項10に記載のシステム。
- 乾燥廃ガスストリームが二酸化炭素よりも多くのメタンを含む、請求項1に記載のシステム。
- 精製することなく第3の熱交換器からの乾燥廃ガスストリームを反応器に再循環するように構成された請求項12に記載のシステム。
- カーボンナノチューブを作製するための方法であって、
フィードガスを触媒と反応器中で反応させてカーボンナノチューブを形成するステップと、
ナノチューブを含む連続反応器流出物を反応器のオーバーヘッドで排出するステップと、触媒粒子を除去し、触媒粒子を反応器へリサイクルラインを介して戻す触媒分離容器を通して連続反応器流出物を流すステップと、
カーボンナノチューブ分離容器を通して触媒分離容器からの連続反応器流出物を流すステップと、
カーボンナノチューブ分離容器において連続反応器流出物からカーボンナノチューブを分離するステップと、
連続反応器流出物からガス状成分を含む廃ストリームを生成させるステップと、
熱交換器を介して、廃ストリーム中の水を凝縮させて乾燥廃ガスストリームを得るステップと、
圧縮機を介して、乾燥廃ガスストリームの圧力を高めて圧縮乾燥廃ガスストリームを得るステップと、
別の熱交換器を介して、圧縮乾燥廃ガスストリーム中の水を凝縮させるステップと
を含む方法。 - 圧縮乾燥廃ガスストリームから凝縮水を分離するステップと、
圧縮乾燥廃ガスストリームをCO2リッチなストリームとCH4リッチなストリームに分留するステップと
を含み、
分留するステップが蒸留を含む、請求項14に記載の方法。 - 前記熱交換器及び前記別の熱交換器とは別の熱交換器を介して、フィードガスを廃ストリームからの廃熱によって加熱するステップを含み、
カーボンナノチューブ分離容器において連続反応器流出物からカーボンナノチューブを分離するステップが、サイクロン式分離器を含むカーボンナノチューブ分離容器を介して、重力分離によって、ガス状成分を含む廃ストリームからカーボンナノチューブを単離するステップを含む、請求項14に記載の方法。 - 重力分離によってカーボンナノチューブを分離するステップが、サイクロン式分離器の旋回エレメントを介して、半径方向加速度および接線方向速度成分を連続反応器流出物に付与するステップを含む、請求項16に記載の方法。
- CO2リッチなストリームまたはCH4リッチなストリームをフィードガスにブレンドするステップを含む請求項15に記載の方法。
- 廃ストリームを濾過してストリームから残留カーボンナノチューブを除去するステップを含み、
カーボンナノチューブ分離容器が、連続反応器流出物からカーボンナノチューブを分離し、密度に基づいた分離プロセスによって、ガス状成分を含む廃ストリームを生成する、請求項14に記載の方法。 - 前記熱交換器が周囲温度熱交換器を含み、前記別の熱交換器が別の周囲温度熱交換器を含む、請求項14に記載の方法。
- カーボンナノチューブを作製するためのシステムであって、
フィードガスを触媒により反応させてカーボンナノチューブを形成する反応器であって、反応器の上部に、カーボンナノチューブを含む連続反応器流出物を反応器のオーバーヘッドで排出するための出口を含む反応器と、
連続反応器流出物から触媒を分離し、触媒を反応器へリサイクルラインを介して戻す触媒分離容器と、
触媒分離容器から排出された連続反応器流出物から、カーボンナノチューブの第1の精製ストリーム、およびガス状成分を含む第1の残留ストリームを生成するように構成された分離システムと、
第1の残留ストリームを濾過してカーボンナノチューブの第2の精製ストリーム、およびガス状成分を含む第2の残留ストリームを生成するように構成されたろ過システムであって、第2の残留ストリームが廃ガスストリームである、ろ過システムと、
廃ストリーム中の水を凝縮させて乾燥廃ガスストリームを得るための第1の凝縮熱交換器と、
乾燥廃ガスストリーム中の水を凝縮させるための第2の凝縮熱交換器と
を含むシステム。 - フィードガスを廃ガスストリームからの廃熱で加熱するためのプレヒーター熱交換器を含み、分離システムが、多重サイクロン分離システムまたは単一のサイクロン分離システムにおけるサイクロン式分離器を含み、サイクロン式分離器が半径方向加速度および接線方向速度成分を連続反応器流出物に付与するための旋回エレメントを有する、請求項21に記載のシステム。
- 分離システムが電気集塵器または慣性分離システムを含む、請求項21に記載のシステム。
- 乾燥廃ガスストリームの圧力を高めるための圧縮機を含み、第2の凝縮熱交換器が圧縮機からの乾燥廃ガスストリームを受けるために操作的に圧縮機の下流に配置される、請求項21に記載のシステム。
- 乾燥廃ガスストリームを処理して主成分としてメタンを含む第1のガスストリームおよび主成分として二酸化炭素を含む第2のガスストリームを得るための、操作的に第2の凝縮熱交換器の下流に配置されたガス分留システムを含む、請求項24に記載のシステム。
- システムが10kg/時間超の量で炭素同素体を提供し、ろ過システムが、焼結セラミックろ過システム、焼結金属ろ過システム、繊維バグろ過システムもしくは流動床ろ過システムまたはその任意の組合せを含む、請求項21に記載のシステム。
- 第1のガスストリームまたは第2のガスストリームとフィードガスとを一緒にするためのスタティックミキサーを含み、第1の精製ストリームと第2の精製ストリームを一緒にして、カーボンナノチューブの最終精製ストリームにするように構成されている、請求項25に記載のシステム。
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