KR20140103689A - Continuous process and apparatus for producing carbon nanotubes - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing carbon nanotubes continuously and an apparatus used therefor. The method for manufacturing carbon nanotubes continuously comprises the steps of a) generating carbon nanotubes by making reactive gas, which includes a carbon source, reducing gas and inert gas, react with a catalyst; b) separating carbon nanotubes and mixed gas, which is a by-product, from the product of the reaction; and c) recirculating part of the gaseous component of the separated mixed gas into step a) and discharging the remainder without separating and refining the gaseous component. The method and the apparatus according to the present invention can increase process efficiency greatly by controlling the accumulation amount of a side reactant to a proper level without separately using a gas separation unit or a separation process for separating a certain component of discharged gas.

Description

연속식 카본나노튜브 제조방법{CONTINUOUS PROCESS AND APPARATUS FOR PRODUCING CARBON NANOTUBES}Technical Field [0001] The present invention relates to a continuous carbon nanotube production method,

본 발명은 연속식 카본나노튜브 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 분리공정 없이 배출기체를 재순환하여 효율을 높인 연속식 카본나노튜브 제조공정에 관한 것이다.
The present invention relates to a continuous carbon nanotube manufacturing method and apparatus, and more particularly, to a continuous carbon nanotube manufacturing process in which an exhaust gas is recycled without an additional separation step to increase the efficiency.

카본나노튜브(이하, 'CNT'라 한다)는 일반적으로 아크 방전법(arc discharge), 레이저 증발법(laser ablation), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition) 등에 의하여 제조된다. 그러나, 상기 아크 방전법 및 레이저 증발법은 대량 생산이 어렵고, 과다한 아크 생산비용 또는 레이저 장비구입비용이 문제된다.Carbon nanotubes (CNTs) are generally manufactured by arc discharge, laser ablation, chemical vapor deposition, or the like. However, the arc discharge method and the laser evaporation method are difficult to mass-produce, and an excessive production cost of an arc or a cost of purchasing a laser device is a problem.

또한, 상기 화학 기상 증착법은 기상 분산 촉매를 사용하는 방법인 경우 합성속도가 매우 더디고 합성되는 CNT의 입자가 너무 작은 문제가 있으며, 기판 담지 촉매를 사용하는 방법인 경우 반응기 내의 공간 이용 효율이 크게 떨어져 CNT의 대량 생산에 한계가 있다. In addition, in the case of the above-mentioned chemical vapor deposition method, there is a problem that the synthesis rate is very slow and the CNT particles to be synthesized are too small in the case of a method using a gas phase dispersion catalyst. There is a limit to the mass production of CNTs.

보다 개선된 CNT의 대량 생산방법으로 로테이팅 드럼(rotating drum) 형태의 반응기에 촉매를 주입한 후 반응기체를 주입시켜 CNT를 제조하는 로터리 킬른(rotary kiln) 방식과, 반응기 내부에 유동매체가 가열상태로 유동하는 유동층을 형성시키고 이 유동층 내에서 CNT를 합성하는 유동층 반응기를 이용하는 방법이 개시되었다. A rotary kiln system in which CNTs are injected by injecting a catalyst into a reactor in the form of a rotating drum in accordance with a method for mass production of CNTs, and a rotary kiln system in which a fluidizing medium is heated And a fluidized bed reactor in which a CNT is synthesized in the fluidized bed is disclosed.

이러한 CNT의 대량생산방법에서는 카본원인 탄화수소류의 기체와 불활성의 희석기체 및 고온에서 CNT 생성반응을 제어하는 환원성 기체를 포함한 반응기체가 반응기로 유입되며 반응기에서는 카본원이 CNT로 전환 소모됨과 동시에 두배의 환원성 기체(구체적인 예로 수소 기체)가 부생하게 되므로 이들을 특정의 혼합비율로 제어하는 기술적인 수단이 필요하다.In this mass production method of CNTs, a reactive gas containing a carbon-derived hydrocarbon gas, an inert diluent gas and a reducing gas controlling a CNT production reaction at high temperature is introduced into the reactor. In the reactor, the carbon source is converted into CNT, (Specifically, hydrogen gas) is produced as a by-product, technical means for controlling them at a specific mixing ratio are needed.

그러나, 종래에 행해진 상기 로터리 킬른 방식과 유동층 반응기를 이용한 방법은 카본원(carbon source)의 전환율이 최대 80 % 수준에 그치고, 특히 부생되는 환원성 기체의 선택적 처리방법이 부재하여 반응기에서 배출되는 혼합기체를 직접 소각처리함으로써 원재료비가 상승되며 설비규모 자체가 과대 설계되어 단위 생산성에 한계가 있고, 폐기체의 소각처리로 다량의 이산화탄소 등이 배출되는 문제가 있다.However, the conventional methods using the rotary kiln system and the fluidized bed reactor, which have been conventionally performed, are limited to a maximum of 80% of the conversion rate of the carbon source, and in particular, there is no selective treatment method of the reducing gas, The raw material cost is increased, and the scale of the plant itself is over designed, so that the unit productivity is limited, and there is a problem that a large amount of carbon dioxide or the like is discharged by the incineration treatment of the waste.

따라서 종래의 방법은 기체분리유닛이나 공정 사용이 필수적이었으나, 별도의 기체분리유닛이나 분리공정 없이도 부반응물질의 축적량을 적정한 수준으로 제어할 수 있다면 공정효율이 크게 향상시킬 수 있을 것이다.
Therefore, the conventional method requires the use of a gas separation unit or a process. However, if the accumulation amount of the side reaction material can be controlled to an appropriate level without a separate gas separation unit or separation process, the process efficiency can be greatly improved.

따라서 본 발명은 연속식 카본나노튜브 제조공정에서 배출되는 기체를 기체분리유닛이나 기체분리공정을 사용하지 않으면서 재순환시키면서 반응중 부반응물질의 축적량을 적정 수준으로 제어할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for controlling the accumulation amount of side reaction substances during reaction while recycling the gas discharged from the continuous carbon nanotube manufacturing process without using a gas separation unit or a gas separation process do.

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은In order to achieve the above object,

a) 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 포함된 반응기체와 촉매를 반응시켜 카본나노튜브를 생성하는 단계;a) reacting a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas and an inert gas with a catalyst to produce a carbon nanotube;

b) 반응생성물로부터 카본나노튜브와 부산물인 혼합기체를 분리하는 단계; 및b) separating the carbon nanotubes and the by-product mixture gas from the reaction product; And

c) 분리된 혼합기체의 기체성분을 별도로 분리정제하지 않고, 일부는 상기 a) 단계로 재순환시키고 나머지는 배출하는 단계;를 포함하는 연속식 카본나노튜브 제조방법을 제공한다.and c) recycling the gas component of the separated mixed gas to the step a) without discharging and purifying the gas component separately, and discharging the remainder.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 a) 단계에서 탄소원과 환원성 기체의 몰비는, 1:0.5 내지 1:10인 것이 바람직하다. According to an embodiment of the present invention, the molar ratio of the carbon source to the reducing gas in the step a) is preferably 1: 0.5 to 1:10.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 c)단계에서 재순환되는 혼합기체와 배출되는 혼합기체의 유량비(순환비)가 3:7 내지 5:5인 것이 바람직하다. According to the embodiment of the present invention, it is preferable that the flow ratio (circulation ratio) of the mixed gas recirculated in the step c) to the discharged gas is 3: 7 to 5: 5.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 c) 단계에서 혼합기체의 순환비는 부반응 기체의 축적량, 불활성 기체의 축적량과 공급량의 합계가 일정하게 되도록 조정하는 것이 바람직하다. According to the embodiment of the present invention, it is preferable that the circulation ratio of the mixed gas in the step c) is adjusted such that the sum of the accumulation amount of the side reaction gas, the accumulation amount of the inert gas and the supplied amount becomes constant.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 c) 단계에서 혼합기체를 재순환시키 전에 카본나노튜브를 포함하는 고형물을 제거하는 단계를 더 거치는 것이 바람직하다. According to the embodiment of the present invention, it is preferable to further carry out the step of removing the solid material containing the carbon nanotubes before the gas mixture is recycled in the step c).

본 발명은 또한, The present invention also relates to

1) 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 포함된 반응기체와 촉매를 반응시켜 카본나노튜브를 생성하는 반응기;1) a reactor in which a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas, and an inert gas is reacted with a catalyst to produce carbon nanotubes;

2) 반응생성물로부터 카본나노튜브와 부산물인 혼합기체를 분리하는 분리기; 및2) a separator for separating the carbon nanotubes and the by-product mixture gas from the reaction product; And

3) 상기 분리기에서 분리된 혼합기체의 기체성분을 별도로 분리정제하지 않고 일부는 상기 반응기로 재순환시키는 재순환배관과 나머지는 배출하는 배출배관;을 포함하는 연속식 카본나노튜브 제조장치를 제공한다.3) a continuous carbon nanotube production apparatus comprising a discharge pipe for discharging a re-circulation pipe for recirculating part of the gas mixture separated from the separator to the reactor without separating and purifying the gas component separately.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 연속식 카본나노튜브 제조장치는, 재순환배관을 통해 재순환되는 혼합기체와 배출배관을 통해 배출되는 혼합기체의 유량비(순환비)를 조절하는 제어수단을 더 포함한다. According to a preferred embodiment of the present invention, the continuous carbon nanotube production apparatus further includes a control means for controlling a flow rate ratio (circulation ratio) of the gas mixture recirculated through the recirculation pipe and the gas mixture discharged through the discharge pipe do.

상기 제어수단은 상기 재순환배관과 배출배관에 각각 설치된 유로조절밸브인 것이 바람직하다. Preferably, the control means is a flow control valve provided in each of the recirculation pipe and the discharge pipe.

또한 상기 제어수단은 상기 재순환배관에서 상기 반응기로 공급되는 혼합기체의 순환동력원인 것도 바람직하다. It is also preferable that the control means is a circulating power source of the mixed gas supplied from the recycling pipe to the reactor.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 분리기에서 분리된 혼합기체를 재순환배관을 통해 반응기로 재순환시키 전에 카본나노튜브를 포함하는 고형물을 제거하는 수단을 더 구비한 것이 바람직하다.
According to an embodiment of the present invention, it is preferable that the apparatus further comprises means for removing the solid material including the carbon nanotubes before recycling the mixed gas separated from the separator to the reactor through the recirculation pipe.

본 발명에 따른 연속식 카본나노튜브 제조공정은 배출기체의 일정 성분을 분리하기 위한 기체분리유닛이나 분리공정을 별도로 사용하지 않으면서도 부반응물질의 축적량을 적정한 수준으로 제어할 수 있기 때문에 공정효율을 크게 향상시킬 수 있다.
The continuous carbon nanotube manufacturing process according to the present invention can control the accumulation amount of the side reaction material to an appropriate level without separately using the gas separation unit or the separation process for separating certain components of the exhaust gas, Can be improved.

도 1은 본 발명에 따른 연속식 카본나노튜브 제조공정의 일례를 도시한 공정도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 카본나노튜브 제조공정에서 부반응물질 축적량을 측정한 결과이다.
1 is a process diagram showing an example of a continuous carbon nanotube manufacturing process according to the present invention.
Fig. 2 shows the results of measurement of the side-reaction material accumulation amount in the carbon nanotube manufacturing process according to Example 1. Fig.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 연속식 카본나노튜브 제조방법은 a) 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 포함된 반응기체와 촉매를 반응시켜 카본나노튜브를 생성하는 단계; b) 반응생성물로부터 카본나노튜브와 부산물인 혼합기체를 분리하는 단계; 및 c) 분리된 혼합기체의 기체성분을 별도로 분리정제하지 않고, 일부는 상기 a) 단계로 재순환시키고 나머지는 배출하는 단계;를 포함한다. The method for producing continuous carbon nanotubes according to the present invention comprises the steps of: a) reacting a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas and an inert gas with a catalyst to produce carbon nanotubes; b) separating the carbon nanotubes and the by-product mixture gas from the reaction product; And c) recycling the gaseous components of the separated gaseous mixture to the step a), without separately separating and purifying the gaseous components of the separated gaseous mixture, and discharging the remainder.

상기와 같은 방법에 사용되는 본 발명의 연속식 카본나노튜브 제조장치는 1) 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 포함된 반응기체와 촉매를 반응시켜 카본나노튜브를 생성하는 반응기; 2) 반응생성물로부터 카본나노튜브와 부산물인 혼합기체를 분리하는 분리기; 및 3) 상기 분리기에서 분리된 혼합기체의 기체성분을 별도로 분리정제하지 않고 일부는 상기 반응기로 재순환시키는 재순환배관과 나머지는 배출하는 배출배관;을 포함한다. The continuous carbon nanotube production apparatus of the present invention used in the above-described method comprises: 1) a reactor for producing a carbon nanotube by reacting a catalyst with a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas and an inert gas; 2) a separator for separating the carbon nanotubes and the by-product mixture gas from the reaction product; And 3) a discharge pipe for discharging the gas component of the mixed gas separated in the separator, without recycling the gas component, and a part of the gas is recirculated to the reactor and the remainder is discharged.

이하에서는 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일례에 따른 공정 구성도이다. Hereinafter, description will be made with reference to Fig. 1 is a process configuration diagram according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 카본나노튜브 반응기(100)는 화학기상증착 반응기(chemical vapor deposition reactor)일 수 있고, 바람직하게는 유동층 반응기(fluidized bed reactor), 고정층 반응기 또는 회전식 반응기이며, 보다 바람직하게는 로터리 킬른 타입 반응기(rotary kiln type reactor) 또는 유동층 반응기이고, 가장 바람직하게는 유동층 반응기이다. 이 경우 반응기 볼륨 대비 생산성이 뛰어나고 CNT의 대량생산이 용이한 효과가 있다.The carbon nanotube reactor 100 may be a chemical vapor deposition reactor, preferably a fluidized bed reactor, a fixed bed reactor or a rotary reactor, more preferably a rotary kiln type reactor rotary kiln type reactor) or a fluidized bed reactor, and most preferably a fluidized bed reactor. In this case, productivity is excellent compared with the volume of the reactor, and mass production of CNT is easy.

상기 유동층 반응기(100)는 탄소원(carbon source), 환원성 기체(reducing gas), 불활성 기체(inert gas) 등을 반응기체 공급관(1) 등을 통하는데, 예열기(미도시)를 통하여 200~500℃ 정도로 예열시킨 다음 반응기 하부에서 상부로 공급하여 상부에서 촉매 공급관을 통해 반응기(100)로 주입되는 촉매와 접촉 반응시켜 CNT를 제조하는 반응기인 것이 바람직하다. The fluidized bed reactor 100 is connected to a reaction gas supply pipe 1 through a carbon source, a reducing gas, an inert gas or the like through a preheater (not shown) And then supplied to the upper part of the reactor at the upper part thereof and contacted with the catalyst injected into the reactor 100 through the catalyst supply pipe at the upper part to produce CNTs.

상기 반응기체 공급관(1)은 통상적으로 CNT 제조장치에 사용될 수 있는 것인 경우 특별히 제한되지 않고, 구체적으로 기체 분배기(gas distributor) 등일 수 있다. The reaction gas supply pipe 1 is not particularly limited as long as it can be used in a CNT production apparatus, and may be specifically a gas distributor or the like.

상기 촉매는 통상적으로 CNT 제조에 사용될 수 있는 활성금속과 담지체의 복합구조로 이루어진 불균일계(heterogeneous) 촉매이며, 보다 구체적으로는 담지촉매, 공침촉매 등일 수 있다. 바람직한 촉매 형태로서 담지촉매가 사용되는 경우 촉매 자체의 부피밀도(bulk density)가 공침촉매에 비해 높고 공침촉매와 달리 10미크론(micron) 이하의 미분이 적어 유동화 과정에서 발생할 수 있는 마모(attrition)에 의한 미분발생 가능성을 줄일 수 있으며 촉매 자체의 기계적 강도도 우수하여 반응기 운전을 안정하게 할 수 있는 효과를 갖기 때문이다. 또 하나의 바람직한 촉매 형태로서 공침촉매를 사용하는 경우, 촉매의 제조방법이 간단하고, 촉매원료로 바람직한 금속염들의 가격이 낮아 제조원가상 유리한 측면이 있으며 비표면적이 넓어 촉매활성이 높은 장점이 있다. The catalyst is generally a heterogeneous catalyst composed of a composite structure of an active metal and a support which can be used for CNT production, more specifically, a supported catalyst, a coprecipitation catalyst, and the like. When the supported catalyst is used as the preferred catalyst, the bulk density of the catalyst itself is higher than that of the coprecipitation catalyst, and unlike the coprecipitation catalyst, the attrition of less than 10 microns It is possible to reduce the possibility of the occurrence of the fine particles and the mechanical strength of the catalyst itself is also excellent, so that the operation of the reactor can be stabilized. When a coprecipitation catalyst is used as another preferred catalyst form, there is a merit that the production method of the catalyst is simple, the preferable metal salts are low in the cost of the catalyst raw material, and there is a virtual beneficial aspect of the production and the specific surface area is wide and the catalytic activity is high.

상기 촉매는 구체적인 예로 촉매활성금속 전구체인 Co(NO3)2-6H2O, (NH4)6Mo7O24-4H2O, Fe(NO3)2-6H2O 또는 (Ni(NO3)2-6H2O) 등을 증류수에 용해시킨 다음, 이를 Al2O3, SiO2 또는 MgO 등의 담체에 습식 함침(wet impregnation)시켜 제조한 것일 수 있다.The catalyst is a specific example the catalytically active metal precursor Co (NO 3) 2 -6H 2 O, (NH 4) 6Mo 7 O 24 -4H 2 O, Fe (NO 3) 2 -6H 2 O or (Ni (NO 3 ) 2 -6H 2 O) were dissolved in distilled water and then dissolved in Al 2 O 3 , SiO 2 Or by wet impregnation of a support such as MgO or the like.

또한, 상기 촉매는 구체적인 예로 촉매활성금속 전구체와 Al(OH)3, Mg(NO3)2 또는 콜로이달 실리카(colloidal silica) 등의 담체를 함께 초음파로 처리하여 제조된 것일 수 있다.The catalyst may be a catalyst prepared by treating a catalytically active metal precursor with a support such as Al (OH) 3 , Mg (NO 3 ) 2 or colloidal silica together with ultrasonic waves.

또한, 상기 촉매는 물에 촉매활성금속 전구체가 원활하게 용해될 수 있도록 시트르산(citric acid) 등의 킬레이트 에이전트를 사용하여 졸겔법으로 제조된 것이거나, 물에 잘 용해되는 촉매활성금속 전구체를 공침(coprecipitation)시켜 제조된 것일 수 있다.In addition, the catalyst may be prepared by a sol-gel method using a chelating agent such as citric acid to facilitate dissolution of a catalytically active metal precursor in water, or by coprecipitating a catalytically active metal precursor dissolved in water lt; RTI ID = 0.0 > coprecipitation. < / RTI >

상기 불활성 기체는 질소(N2), 아르곤(Ar) 등일 수 있다.The inert gas may be nitrogen (N 2 ), argon (Ar), or the like.

상기 유동층 반응기(100)의 운전방식은 반응기 내에 유동층을 형성시키고, 이 유동층 안에서 촉매가 반응기체와 접촉하여 반응이 일어나며, 반응이 진행됨에 따라 촉매의 활성금속 상에서 CNT가 성장하여 생성물의 부피밀도(bulk density)가 낮아지게 되면 반응기 밖으로 방출되는 것일 수 있다. 상기 부피밀도는 0.01 내지 0.3g/cm3 일 수 있고, 바람직하게는 0.03 내지 0.1 g/cm3 이다.The operation mode of the fluidized bed reactor 100 forms a fluidized bed in the reactor. The reaction occurs when the catalyst contacts the reaction gas in the fluidized bed. As the reaction proceeds, the CNTs grow on the active metal of the catalyst, the bulk density may be lowered to the outside of the reactor. The bulk density may be 0.01 to 0.3 g / cm < 3 >, and preferably 0.03 to 0.1 g / cm < 3 & gt ;.

상기 유동층 반응기(100) 내에서 형성되는 유동층의 유동속도는 0.03 내지 30 cm/s가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1 내지 25cm/s이다.The flow rate of the fluidized bed formed in the fluidized bed reactor 100 is preferably from 0.03 to 30 cm / s, more preferably from 0.1 to 25 cm / s.

상기 유동층 반응기(100) 내의 유동층의 최소 유동속도(minimum fluidization velocity)는 0.03 내지 15cm/s 가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1 내지 10 cm/s이다. The minimum fluidization velocity of the fluidized bed in the fluidized bed reactor 100 is preferably 0.03 to 15 cm / s, more preferably 1 to 10 cm / s.

상기 로터리 킬른 반응기 및 유동층 반응기는 촉매가 공급되는 촉매공급관; 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 공급되는 반응기체 공급관(1) 및 생성된 카본나노튜브와 반응 부산물 기체가 포함된 혼합기체가 배출 이송되는 생성물 이송관(2)이 연결될 수 있다. The rotary kiln reactor and the fluidized bed reactor may include a catalyst supply pipe to which a catalyst is supplied; A reaction gas supply pipe 1 to which a carbon source, a reducing gas and an inert gas are supplied, and a product transport pipe 2 to which a mixed gas containing the generated carbon nanotubes and a reaction by-product gas are discharged can be connected.

상기 탄소원과 환원성 기체의 몰비는, 1:0.5 내지 1:10인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1:0.9 내지 1:6인 것이며, 가장 바람직하게는 1:1 내지 1:5인 것인데, 이 범위 내에서 CNT 생성속도를 제어하여 비정질카본 생성을 억제하고 그래파이트 카본(graphitic carbon) 생성을 증가시키는 효과가 있다.The molar ratio of the carbon source to the reducing gas is preferably 1: 0.5 to 1:10. 1 to 1: 5, more preferably 1: 0.9 to 1: 6, and most preferably 1: 1 to 1: 5. Within this range, the rate of CNT formation is controlled to suppress the formation of amorphous carbon, There is an effect of increasing production.

상기 탄소원은 가열 상태에서 분해될 수 있는 탄소 함유 기체고, 구체적인 예로 지방족 알칸, 지방족 알켄, 지방족 알카인(alkyne), 방향족 화합물 등이며, 보다 구체적인 예로 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 일산화탄소, 프로판, 부탄, 벤젠, 시클로헥산, 프로필렌, 부텐, 이소부텐, 톨루엔, 자일렌, 쿠멘, 에틸벤젠, 나프탈렌, 페난트렌, 안트라센, 아세틸렌, 포름알데히드, 아세트알데히드 등이고, 바람직하게는 메탄, 에탄, 일산화탄소, 아세틸렌, 에틸렌, 프로필렌, 프로판, 부탄 및 혼합물인 액화석유기체(LPG) 등일 수 있다.Examples of the carbon source include a carbon-containing gas which can be decomposed in a heated state, and specific examples thereof include aliphatic alkanes, aliphatic alkenes, aliphatic alkynes, and aromatic compounds. More specific examples thereof include methane, ethane, ethylene, acetylene, But are not limited to, acetone, carbon monoxide, propane, butane, benzene, cyclohexane, propylene, butene, isobutene, toluene, xylene, cumene, ethylbenzene, naphthalene, phenanthrene, anthracene, acetylene, formaldehyde and acetaldehyde, , Ethane, carbon monoxide, acetylene, ethylene, propylene, propane, butane, and a mixture of liquefied petroleum gas (LPG).

이송관(2)를 통해 배출된 생성물은 열교환기 또는 콘덴서(200)를 거쳐 냉각된 후 분리기(300)에 공급된다. 분리기(300)는 CNT와 부산물인 혼합기체를 분리할 수 있는 수단, 기구 또는 장치인 경우 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 싸이클론(cyclone)일 수 있다. The product discharged through the transfer pipe 2 is cooled through the heat exchanger or the condenser 200 and then supplied to the separator 300. The separator 300 is not particularly limited when it is a means, apparatus, or device for separating the CNT and the mixed gas as a by-product, but it may be a cyclone.

분리기(300)에서 분리된 CNT는 배관(4)을 통해 회수기(400)로 보내어지고, 부산물인 혼합기체(5)는 재순환배관(7)과 배출배관(6)으로 유로조절밸브(20, 30; ratio control 2-way valve)에 의해 유량비가 조절되어 이송된다. 이때 본 발명은 재순환배관을 통해 이송되는 혼합기체를 특정기체성분을 분리하거나 정제하기 위한 공정을 전혀 거치지 않고 단지 재순환율만 조절하는 것이 특징이다. 재순환율만 적절히 조절함으로써 부반응 기체의 축적량, 불활성 기체 축적량과 공급량의 합계가 일정하게 되도록 제어하면서 공급에틸렌 중 3 내지 4 몰% 를 추가로 CNT로 전환시킬 수 있다. The CNT separated from the separator 300 is sent to the recoverer 400 through the pipe 4 and the mixed gas 5 as a byproduct is sent to the recycle pipe 7 and the discharge pipe 6 through the flow control valves 20 and 30 ; ratio control 2-way valve). The present invention is characterized in that the mixed gas transferred through the recycle piping is controlled only in the recirculation rate without any process for separating or purifying a specific gas component. By appropriately adjusting only the recirculation rate, it is possible to further convert 3 to 4 mol% of the feed ethylene into CNT while controlling the total amount of the side reaction gas, the inert gas accumulation amount and the feed amount to be constant.

유동층 반응기의 특성상 반응기체의 선속도가 중요한 반응변수 중 하나인데, 부반응으로 생성되는 메탄 및 기타 탄화수소는 반응성이 거의 없기 때문에 희석기체로 사용되는 불활성기체(예를 들면 질소)의 공급량을 축적되는 부반응 기체와 축적되는 불활성기체의 합계와 동일한 양만큼 감소시켜 선속도를 일정하게 유지할 수 있다. 즉 부반응 기체의 축적량 및 불활성기제? 축적량의 합계가 불활성 기체 공급 감소량 보다 많아지게 되면 선속도가 증가하게 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 불활성 기체 공급량을 약 30 ~ 50% 수준으로 감소시킬 수 있다. Because of the nature of the fluidized bed reactor, the linear velocity of the reaction gas is one of the important reaction parameters. Since methane and other hydrocarbons produced by the side reactions have little reactivity, the amount of inert gas (nitrogen, for example) It is possible to keep the linear velocity constant by decreasing the amount by the same amount as the sum of the gas and the accumulated inert gas. That is, the accumulated amount of inert gas and the inert gas? When the sum of the accumulated amount becomes larger than the inert gas supply decrease amount, the linear velocity increases. According to a preferred embodiment of the present invention, the amount of the inert gas supplied can be reduced to about 30 to 50%.

재순환배관(7)을 통해 이송된 혼합기체는 반응기로 공급되기 전에 분리기(300)에서 미처 제거되지 않은 탄소나노튜브나 기타 고형 부산물을 제거하기 위한 수단(500)을 거친다. 바람직하게는 필터이다. The mixed gas transferred through the recycle line 7 is passed through a means 500 for removing carbon nanotubes or other solid by-products from the separator 300 before being fed to the reactor. It is preferably a filter.

배출배관(6)을 통해 배출되는 혼합기체는 통상적인 공정에서처럼 습식 스크러버와 같은 여과수단(600)을 거쳐 배출될 수 있다. The mixed gas discharged through the discharge pipe 6 can be discharged through a filtration means 600 such as a wet scrubber as in a conventional process.

상기 필터(500)는 분리기(300)에 의해 분리된 혼합기체에 남아 있는 CNT 입자를 회수하고, 상기 스크러버(600)는 분리기(300)에 의해 분리된 혼합기체에 존재하는 할로겐화물 등과 같은 유해물질을 제거할 수 있다.The filter 500 recovers the CNT particles remaining in the mixed gas separated by the separator 300 and the scrubber 600 separates the harmful substances such as halides present in the mixed gas separated by the separator 300 Can be removed.

필터(500)을 통과한 혼합기체(8)은 순환동력원, 바람직하게는 블로워(50)에 의해 반응기체공급관(1)으로 도입된 후 반응기(100)로 공급된다. 블로워의 동력/RPM을 조절함으로써 재순환배관(7)과 배출배관(6)으로 공급되는 혼합기체의 유량비(순환비)를 조절하는 것도 가능하다. The mixed gas 8 having passed through the filter 500 is introduced into the reaction gas supply pipe 1 by a circulating power source, preferably the blower 50, and then supplied to the reactor 100. It is also possible to control the flow rate (circulation ratio) of the mixed gas supplied to the recycle pipe 7 and the discharge pipe 6 by adjusting the power / RPM of the blower.

유로조절밸브(20, 30) 또는 블로워(50)에 의해 조절되는 순환비는 재순환 혼합기체(7)와 배출 혼합기체(6)의 유량비가 3:7 내지 5:5인 것이 부산물 축적량을 소정 수준 이하로 제어하기에 바람직하다. The circulation ratio controlled by the flow control valves 20 and 30 or the blower 50 is such that the flow ratio of the recirculated mixture gas 7 and the exhaust gas mixture 6 is 3: 7 to 5: 5, Or less.

상기 순환비는 반응기(100)로부터 배출되는 기체의 조성에 따라 변경할 수 있다. 예를 들어 배출 기체 중 환원성 기체(예를 들면 수소)의 양이 공급한 환원성 기체의 2배가 되면 순환비가 약 5:5가 되도록 조절할 수 있다. The circulation ratio can be changed according to the composition of the gas discharged from the reactor 100. For example, if the amount of reducing gas (eg, hydrogen) in the exhaust gas is twice that of the reducing gas supplied, the circulating ratio can be adjusted to be about 5: 5.

본 발명은 순환동력원(50)이나 기체유로조절밸브(20,30)와 같은 간단한 장치를 활용하여 배출기체의 일부를 반응기로 재순환시킴으로써 미반응된 탄솨수소, 수소 및 불활성기체를 재사용함으로써, 반응기체로 공급되는 기체의 양을 절감할 수 있을 뿐 아니라 공급된 에틸렌의 3 내지 4%를 추가로 CNT로 전환시킬 수 있다. The present invention utilizes a simple device such as a circulating power source (50) or a gas flow control valve (20, 30) to re-use a part of the exhaust gas to the reactor so as to reuse the unreacted hydrogen, hydrogen and inert gas, Not only can the amount of gas supplied to the reactor be reduced, but also 3 to 4% of the supplied ethylene can be further converted into CNTs.

따라서 본 발명은 혼합기체 중 특정성분을 분리정제하기 위한 고가의 설비 없이도 공정 효율을 향상시키고 배출기체를 감소시킬 수 있다는 점에서 유리하다. Therefore, the present invention is advantageous in that it can improve the process efficiency and reduce the exhaust gas without expensive facilities for separating and purifying specific components in the mixed gas.

이상, 도 1을 참조하여 설명하였으나, 도 1은 본 발명을 설명하기 위해 필요한 장치만을 묘사하였으며, 방법을 수행하기 위해 필요한 다른 통상적인 장치, 예를 들면 펌프, 부가적인 밸브, 배관, 제어장치 등은 생략되었다.  1 has been described with reference to FIG. 1, it is to be understood that FIG. 1 depicts only the apparatus necessary to illustrate the present invention and that other conventional apparatuses, such as pumps, additional valves, piping, Is omitted.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention. Such variations and modifications are intended to be within the scope of the appended claims.

실시예Example 1 One

<CNT 촉매의 제조>&Lt; Preparation of CNT catalyst >

Co(NO3)2-6H2O을 37.039 g을 200 ml 수용액에 용해시킨 플라스크(flask) A와 (NH4)6Mo7O24-4H2O를 32.30 g을 200ml 수용액에 용해시킨 플라스크 B를 준비하여 Al2O3(D50=76 micron, pore volume: 0.64 cm3/g, surface area: 237 m2/g, Saint Gobain 제조) 50 g이 담긴 플라스크 C에 상기 플라스크 A, B를 순차적 또는 함께 첨가시켜60 분 이상 교반하며 촉매활성 금속 전구체를 충분히 Al2O3에 담지시킨 후, 10 마이크론 필터 페이퍼(10micron filter paper) 또는 4X 글라스 필터(4X glass filter)를 이용하여 감압 여과하여 촉매활성 금속 전구체가 담지된 필터케이크를 분리한 다음 증류수로 세척하여 회수하였다. 회수된 필터 케이크를 120 ℃ 오븐에서 24 시간 건조시켰다. 건조된 촉매를 600 ℃에서 3 시간 소성시켜 CNT 촉매를 제조하였다.A flask A in which 37.039 g of Co (NO 3 ) 2 -6H 2 O was dissolved in 200 ml of an aqueous solution and a flask B prepared by dissolving 32.30 g of (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 -4 H 2 O in 200 ml of an aqueous solution were prepared The flasks A and B were added sequentially or together to a flask C containing 50 g of Al 2 O 3 (D50 = 76 microns, pore volume: 0.64 cm 3 / g, surface area: 237 m 2 / g, manufactured by Saint Gobain) The catalyst precursor was supported on Al 2 O 3 sufficiently by stirring for 60 minutes or longer and then filtered under reduced pressure using a 10 micron filter paper or a 4 × glass filter to carry the catalytically active metal precursor The filter cake was separated and washed with distilled water. The recovered filter cake was dried in an oven at 120 캜 for 24 hours. The dried catalyst was calcined at 600 ° C for 3 hours to prepare a CNT catalyst.

<CNT 제조><CNT Manufacturing>

상기 CNT 촉매 5 g을 직경 55 mm, 높이 1 m의 수직형(vertical type) 유동층 반응기의 분산판(버블캡(bubble cap) 또는 시브(sieve) 형태) 상단에 충진하고, 반응기체 (C2H4:H2:N2=1:1:1)를 상기 반응기의 하부에 연결된 반응기체 공급관을 통해 3,000 ml/min의 속도로 상기 반응기에 주입하였으며, 800 ℃에서 1 시간 동안 CNT를 합성하였다. 5 g of the CNT catalyst was charged on top of a dispersion plate (bubble cap or sieve) of a vertical type fluidized bed reactor having a diameter of 55 mm and a height of 1 m and a reaction gas (C 2 H 4 : H 2 : N 2 = 1: 1: 1) was injected into the reactor at a rate of 3,000 ml / min through a reaction gas supply pipe connected to the lower portion of the reactor, and CNT was synthesized at 800 ° C. for 1 hour.

상기 반응은 연속 반응으로 사이클론(cyclone)을 통해 CNT 생성물과 분리된 혼합기체(미반응 카본원 C2H4, 불활성 기체 N2, 환원성 기체 H2)는 순환/배출=4/6의 유량비(몰비)로 재순환배관을 통해 반응기체 공급 라인으로 재순환시켜 CNT를 제조하였다. 이때 반응기 후단의 기체 성분은 부피기준으로 수소 72%, 질소 20%, 메탄 6%, 에틸렌 1%, 에탄 1%, 공급기체의 성분유량은 다음과 같았다. The reaction is carried out in a continuous reaction with a flow rate ratio of circulation / discharge = 4/6 (unreacted carbon source C 2 H 4 , inert gas N 2 , reducing gas H 2 ) mixed with the CNT product via cyclone Molar ratio) was recycled to the reaction gas feed line through the recycle line to produce CNT. At this time, the gas components at the rear stage of the reactor were 72% of hydrogen, 20% of nitrogen, 6% of methane, 1% of ethylene and 1% of ethane in terms of volume.

기존방식
공급기체
Existing method
Feed gas
재순환방식Recirculation system
공급기체Feed gas 재순환기체Recirculating gas 불활성 기체Inert gas 1One 0.420.42 0.580.58 환원성 기체Reducing gas 1One 00 1One 카본원Carbon source 1One 1One 00

순환비 4/6으로 재순환시켰을 때 공급기체로 불활성기체(질소)는 42%만 공급하면 되었고 환원성 기체(수소)는 전혀 공급하지 않아도 되었다. When the recycle ratio was 4/6, only 42% of the inert gas (nitrogen) was supplied to the feed gas and no reducing gas (hydrogen) was supplied.

도 2는 부반응물질 축적량을 측정한 결과이다. 재순환하는 수소의 양을 공급해야 하는 양과 동일한 양이 되도록 조절하였다. 45시간 반응 후 CNT 회수기에 수집된 CNT는 촉매 투입량 대비 950 중량%의 수율을 나타내었다.Fig. 2 shows the result of measuring the accumulation amount of side reaction materials. The amount of recycled hydrogen was adjusted to the same amount as the amount to be fed. After 45 hours' reaction, the CNTs collected in the CNT recoverer showed a yield of 950% by weight based on the amount of the catalyst.

CNT 수율 = [(수집된 CNT 중량 -투입된 촉매 중량)/투입된 촉매 중량] × 100CNT yield = [(collected CNT weight - charged catalyst weight) / charged catalyst weight] × 100

공급에틸렌 중 에탄 선택도[에탄/에틸렌]은 4 몰%, 에탄 축적량 또한 4 몰% 이었고, 에탄 중 CNT 전환량은 공급에틸렌대비 3~4 몰% 이었다. 따라서 공급에틸렌 중 약 3~4 몰%가 추가로 CNT로 전환되었음을 확인할 수 있었다.
The ethane selectivity [ethane / ethylene] was 4 mol% and the ethane stock was also 4 mol%, and the amount of CNT conversion in ethane was 3-4 mol% based on ethylene supplied. Therefore, it was confirmed that about 3 to 4 mol% of the ethylene supplied was further converted to CNT.

1. 10. 반응기체 공급관
2. 3. 반응생성물 이송관
4. CNT 이송관
5. 혼합기체 이송관
6. 혼합기체 벤트관
7. 8. 9. 혼합기체 순환관
20. 30. 유량조절밸브(ratio control 2-way valve)
40. 유량계
50. 순환동력원
100. 반응기
200. 콘덴서
300. 분리기(싸이클론)
400. CNT 회수기
500. 필터
600. 습식 스크러버
1. 10. Reaction gas feed pipe
2. 3. Reaction product transfer tube
4. CNT transfer tube
5. Mixed gas transfer pipe
6. Mixed gas vent tube
7. 8. 9. Mixed gas circulation tube
20. 30. Ratio control 2-way valve
40. Flowmeter
50. Circulation power source
100. Reactor
200. Capacitors
300. Separator (cyclone)
400. CNT withdrawal machine
500. Filter
600. Wet Scrubber

Claims (10)

a) 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 포함된 반응기체와 촉매를 반응시켜 카본나노튜브를 생성하는 단계;
b) 반응생성물로부터 카본나노튜브와 부산물인 혼합기체를 분리하는 단계; 및
c) 분리된 혼합기체의 기체성분을 별도로 분리정제하지 않고, 일부는 상기 a) 단계로 재순환시키고 나머지는 배출하는 단계;
를 포함하는 연속식 카본나노튜브 제조방법.
a) reacting a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas and an inert gas with a catalyst to produce a carbon nanotube;
b) separating the carbon nanotubes and the by-product mixture gas from the reaction product; And
c) recycling the gaseous components of the separated gaseous mixture to the step a), without separately separating and purifying the gaseous components of the separated gaseous mixture;
Wherein the carbon nanotube is a carbon nanotube.
제1항에 있어서,
상기 a) 단계에서 탄소원과 환원성 기체의 몰비는, 1:0.5 내지 1:10인 것을 특징으로 하는 연속식 카본나노튜브 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the molar ratio of the carbon source to the reducing gas in the step a) is 1: 0.5 to 1:10.
제1항에 있어서,
상기 c)단계에서 재순환되는 혼합기체와 배출되는 혼합기체의 유량비(순환비)가 3:7 내지 5:5인 것을 특징으로 하는 연속식 카본나노뷰브 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the flow ratio (circulation ratio) of the mixed gas recirculated in the step c) to the discharged gas is 3: 7 to 5: 5.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계에서 혼합기체의 순환비는 부반응 기체의 축적량, 불활성 기체 의 축적량 및 공급량의 합계가 일정하게 되도록 조정하는 것을 특징으로 하는 연속식 카본나노튜브 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the circulating ratio of the mixed gas in the step c) is adjusted so that the sum of the accumulation amount of the auxiliary reaction gas, the accumulation amount of the inert gas, and the supplied amount becomes constant.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계에서 혼합기체를 재순환시키 전에 카본나노튜브를 포함하는 고형물을 제거하는 단계를 더 거치는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 제조방법.
The method according to claim 1,
And removing the solid material including carbon nanotubes before recycling the mixed gas in the step c).
1) 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성 기체가 포함된 반응기체와 촉매를 반응시켜 카본나노튜브를 생성하는 반응기;
2) 반응생성물로부터 카본나노튜브와 부산물인 혼합기체를 분리하는 분리기; 및
3) 상기 분리기에서 분리된 혼합기체의 기체성분을 별도로 분리정제하지 않고 일부는 상기 반응기로 재순환시키는 재순환배관과 나머지는 배출하는 배출배관;을 포함하는 연속식 카본나노튜브 제조장치.
1) a reactor in which a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas, and an inert gas is reacted with a catalyst to produce carbon nanotubes;
2) a separator for separating the carbon nanotubes and the by-product mixture gas from the reaction product; And
3) a continuous carbon nanotube production apparatus, comprising: a discharge pipe for discharging a gas component of the mixed gas separated by the separator, and a part of the gas is recycled to the reactor and the remainder is discharged.
제6항에 있어서,
상기 연속식 카본나노튜브 제조장치는, 재순환배관을 통해 재순환되는 혼합기체와 배출배관을 통해 배출되는 혼합기체의 유량비(순환비)를 조절하는 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속식 카본나노튜브 제조장치.
The method according to claim 6,
Wherein the continuous carbon nanotube production apparatus further comprises control means for controlling a flow rate ratio (circulation ratio) of the gas mixture recirculated through the recirculation piping and the gas mixture discharged through the discharge piping. Tube manufacturing apparatus.
제7항에 있어서,
상기 제어수단은 상기 재순환배관과 배출배관에 각각 설치된 유로조절밸브인 것을 특징으로 하는 연속식 카본나노튜브 제조장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the control means is a flow control valve provided in the recycle pipe and the discharge pipe, respectively.
제7항에 있어서,
상기 제어수단은 상기 재순환배관에서 상기 반응기로 공급되는 혼합기체의 순환동력원인 것을 특징으로 하는 연속식 카본나노튜브 제조장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the control means is a circulating power source of the mixed gas supplied from the recycling pipe to the reactor.
제6항에 있어서,
상기 분리기에서 분리된 혼합기체를 재순환배관을 통해 반응기로 재순환시키 전에 카본나노튜브를 포함하는 고형물을 제거하는 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 카본나노튜브 제조장치.
The method according to claim 6,
Further comprising means for removing the solid material including the carbon nanotubes before recycling the mixed gas separated from the separator to the reactor through the recirculation pipe.
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