KR20140129643A - Fluidized bed reactor and process for manufacturing carbon nanostructures using same - Google Patents

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장광현
김욱영
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Abstract

본 발명에 따르면, 반응기 본체; 반응기 본체 내부에 장착된 분산판; 및 상기 분산판 상부의 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물을 포함하는 유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노구조물 제조방법이 제공된다.According to the present invention, there is provided a reactor comprising: a reactor body; A dispersion plate mounted inside the reactor body; And a protruding structure formed on an inner wall of the reactor main body above the dispersion plate, and a method for manufacturing a carbon nanostructure using the fluidized bed reactor.

Description

유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노구조물의 제조방법{FLUIDIZED BED REACTOR AND PROCESS FOR MANUFACTURING CARBON NANOSTRUCTURES USING SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fluidized bed reactor and a carbon nanostructure using the fluidized bed reactor,

본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본나노튜브와 같은 탄소나노구조물 제조를 위하여 이용될 수 있는 유동층 반응기에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fluidized bed reactor, and more particularly, to a fluidized bed reactor that can be used for producing carbon nanostructures such as carbon nanotubes.

유동층 반응기는 다양한 다중상(multiphase) 화학 반응을 수행하도록 이용될 수 있는 반응기 장치이다. 유동층 반응기에서는 유체(기체 또는 액체)가 미립자 상태의 고체 물질과 반응하게 되는데, 통상적으로 상기 고체 물질은 작은 구(sphere)의 형상을 가지는 촉매이고, 유체는 고체 물질을 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체 물질이 유체와 유사하게 거동하게 된다. Fluidized bed reactors are reactor devices that can be used to perform a variety of multiphase chemical reactions. In a fluidized bed reactor, a fluid (gas or liquid) reacts with a solid material in a particulate state, typically the solid material is a catalyst having the shape of a small sphere and the fluid is flowed at a rate sufficient to float the solid material So that the solid material behaves like a fluid.

한편, 탄소나노구조물(carbon nanostructures, CNS)은 나노튜브, 나노파이버, 풀러렌, 나노콘, 나노호른, 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노크기의 탄소구조물을 지칭하며, 여러 가지 우수한 성질을 보유하기 때문에 다양한 기술분야에서 활용도가 높다. 대표적인 탄소나노구조물인 카본나노튜브(Carbon nanotubes; CNT)는 서로 이웃하는 3 개의 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 결합되어 탄소 평면을 형성하고, 상기 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브의 형상을 가지는 소재이다. 카본나노튜브는 구조에 따라서, 즉, 튜브의 지름에 따라서 도체가 되거나 또는 반도체가 되는 특성이 있으며, 다양한 기술 분야에서 광범위하게 응용될 수 있어서 신소재로 각광을 받는다. 예를 들어, 카본나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 슈퍼 커패서티(super capacity)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 기체 센서등에 적용될 수 있다.On the other hand, carbon nanostructures (CNS) refer to nano-sized carbon structures having various shapes such as nanotubes, nanofibers, fullerenes, nanocons, nanohorns, and nano-rods and have various excellent properties It is highly utilized in various technical fields. Carbon nanotubes (CNTs), which are typical carbon nanostructures, are formed by bonding three neighboring carbon atoms to each other in a hexagonal honeycomb structure to form a carbon plane, and the carbon plane is cylindrically shaped to have a tube shape. Carbon nanotubes have a characteristic of being a conductor or a semiconductor according to the structure, that is, the diameter of a tube, and can be widely applied in various technical fields, and thus, they are popular as new materials. For example, the carbon nanotube can be applied to an electrode of an electrochemical storage device such as a secondary cell, a fuel cell or a supercapacity, an electromagnetic wave shielding, a field emission display, or a gas sensor.

탄소나노구조물은 예를 들어 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학 기상 성장법을 통하여 제조될 수 있다. 상기 열거된 제조 방법중 화학 기상 성장법에서는 통상적으로 고온의 유동층 반응기 안에서 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 원료 기체를 분산 및 반응됨으로써 탄소나노구조물이 생성된다. 즉, 금속 촉매는 원료 기체에 의해 유동층 반응기 안에서 부유(浮游)하면서 원료 기체와 반응하여 탄소나노구조물을 성장시킨다. The carbon nanostructure can be produced by, for example, an arc discharge method, a laser evaporation method, or a chemical vapor deposition method. In the chemical vapor deposition method among the above-described manufacturing methods, carbon nanostructures are produced by dispersing and reacting metal catalyst particles and hydrocarbon-based raw material gases in a fluidized bed reactor at a high temperature. That is, the metal catalyst reacts with the raw material gas while floating in the fluidized bed reactor by the raw material gas to grow the carbon nanostructure.

유동층 반응기를 이용한 탄소나노구조물 제조 방법은 특허출원공개 10-2009-0073346호, 10-2009-0013503호 등에 개시되어 있다. 유동층 반응기를 이용하는 경우에는 반응기 내에 기체를 일정하게 분포시키고 분산판 상부에 존재하는 촉매와 같은 분체가 분산판 아래로 통과하지 못하도록 분산판을 이용한다. 분산판으로는 다공성 플레이트(perforated plate), 버블 캡(bubble cap), 시이브(sieve) 또는 노즐을 이용하여 구성하는 것이 일반적이다. A method for manufacturing a carbon nanostructure using a fluidized bed reactor is disclosed in Patent Application Publication No. 10-2009-0073346, No. 10-2009-0013503, and the like. In the case of using a fluidized bed reactor, a dispersing plate is used so that the gas is uniformly distributed in the reactor and powder such as catalyst existing on the dispersing plate does not pass below the dispersing plate. The dispersion plate is generally formed using a perforated plate, a bubble cap, a sieve, or a nozzle.

그러나 유동층 반응기의 분산판 상단은 래디얼(radial) 방향으로는 유동이 충분하지 않기 때문에 분체와 기체의 혼합이 잘 이루어지지 않아, 분산판 가장자리에 분체가 누적되는 문제점이 있다. 반응기체와 촉매의 접촉이 균일하지 않으면 탄소나노구조물로의 성장이 원활하지 않아 체류시간이 길어지며, 또한 미반응 촉매가 분산판에 침적되거나 분산판의 세공을 막는 클로깅(clogging) 현상으로 인해 반응기체의 균일한 주입을 방해 받고, 압력 저하(pressure drop)가 발생하므로 안정적인 유동층 조업이 어렵다는 문제점이 있다.
However, since the upper part of the dispersion plate of the fluidized bed reactor does not have enough flow in the radial direction, the powder and the gas are not mixed well, and powder is accumulated on the edge of the dispersion plate. If the contact between the reaction gas and the catalyst is not uniform, growth to the carbon nanostructure is not smooth and the residence time is prolonged. Also, due to the phenomenon of unreacted catalyst being deposited on the dispersion plate or clogging of the dispersion plate Uniform injection of the reaction gas is obstructed and pressure drop occurs, which makes it difficult to operate the fluidized bed in a stable manner.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유동층 반응기의 분산판 가장자리에 분체가 누적되거나 분산판 막히는 현상을 개선하여 반응기체와 촉매의 원활하고 균일한 접촉을 유도할 수 있는 유동층 반응기를 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a fluidized bed reactor capable of inducing smooth and uniform contact between a reaction gas and a catalyst by improving the phenomenon of accumulation of powder on the edge of a dispersion plate of a fluidized bed reactor, ≪ / RTI >

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 반응기 본체;In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a reactor comprising: a reactor body;

반응기 본체 내부에 장착된 분산판; 및 A dispersion plate mounted inside the reactor body; And

상기 분산판 상부의 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물을 포함하는, 유동층 반응기가 제공된다. And a protruding structure formed on the inner wall of the reactor body above the dispersion plate.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물이 환형 구조물일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the protruding structure may be an annular structure.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물은 종단면이 삼각형, 사다리꼴, 반구형, 또는 반타원형인 구조물일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the protruding structure may be a structure whose longitudinal section is triangular, trapezoidal, hemispherical, or semi-elliptic.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유동층 반응기는, 촉매를 반응기 본체 내부로 공급하는 촉매공급관과, 반응기 하부에 연결되어 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 상기 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급하는 반응기체 공급관을 구비하며, 상기 촉매와 반응기체는 상기 반응기 본체 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하여 탄소나노구조물을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the fluidized bed reactor comprises a catalyst supply pipe for supplying the catalyst into the reactor main body, and a reactive gas which is connected to the lower portion of the reactor and contains a carbon source, a reducing gas and an inert gas, And a reaction gas supply pipe for supplying the catalyst and the reaction gas to the interior of the reactor via a plate, wherein the catalyst and the reaction gas react with each other while flowing in the reaction space inside the reactor body to produce a carbon nanostructure.

본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 유동층 반응기의 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;The present invention also relates to a process for the preparation of a catalyst, comprising: feeding a catalyst through a catalyst feed line of a fluidized bed reactor as described above;

반응기체 공급관을 통해 탄소원, 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 공급함으로써 상기 반응기체가 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급되도록 하는 단계; 및Supplying a reactive gas including a carbon source, a reducing gas, and an inert gas through a reactive gas supply pipe to supply the reactive gas into the reactor through the dispersing plate; And

상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노구조물을 생성하는 단계를 포함하는, 탄소나노구조물의 제조방법을 제공한다.
And reacting the catalyst and the reaction gas in a reaction space inside the reactor while reacting to produce a carbon nanostructure.

본 발명에 따른 유동층 반응기는, 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물이 하강 유동하는 입자들을 반응기 중앙으로 유도함으로써 분산판 가장자리의 입자 누적을 방지할 수 있다. 또한, 반응기 내벽의 돌출 구조물은 해당 위치의 반응관 직경을 감소시키는 역할을 하므로 돌출 구조물의 위치에서 기체 상승 유동을 증대시키고 입자의 상승 유동을 촉진하기 때문에 안정적인 유동층 조업이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용하여 탄소나노구조물을 제조하는 경우에는 우수한 품질의 제품을 고수율로 얻을 수 있다.
The fluidized bed reactor according to the present invention can prevent the particle accumulation at the edge of the dispersion plate by guiding the particles flowing downward from the protruding structure formed on the inner wall of the reactor body to the center of the reactor. In addition, since the protruding structure of the inner wall of the reactor serves to reduce the diameter of the reaction tube at the corresponding position, stable fluidized bed operation is possible because it increases the gas upward flow at the position of the protruding structure and promotes the upward flow of the particles. Therefore, when a carbon nanostructure is manufactured using the fluidized bed reactor according to the present invention, a high quality product can be obtained with high yield.

도 1은 카본나노튜브 제조용 유동층 반응기의 일례에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기의 구조를 개략적으로 도시하는 횡단면도 및 종단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유동층 반응기의 내부 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 도시하는 단면도 및 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예를 개략적으로 도시하는 단면도 및 사시도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a schematic block diagram of an example of a fluidized bed reactor for producing carbon nanotubes. FIG.
2 is a cross-sectional view and a longitudinal sectional view schematically showing the structure of a fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.
3 is a perspective view schematically showing the internal structure of the fluidized bed reactor shown in FIG.
4 and 5 are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing another embodiment of the present invention.
6 and 7 are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing still another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술사상 및 범위에 포함되는 변형물, 균등물 또는 대체물을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be described in more detail with reference to the embodiments of the invention shown in the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다. In the drawings, like reference numerals are used for similar elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니고, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by these terms, and may be used to distinguish one component from another Only.

“및/또는” 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들 중 어느 하나 또는 이들의 포함하는 조합을 포함한다. The term " and / or " includes any one or a combination of the plurality of listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it is to be understood that other elements may be directly connected or connected, or intervening elements may be present.

단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. The singular expressions include plural expressions unless otherwise specified.

“포함한다” 또는 “가진다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. It will be understood that the terms "comprises", "having", and the like have the same meanings as the features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof described in the specification, Does not exclude the possibility that an operation, component, component, or combination thereof may be present or added.

도 1 에는 유동층 반응기의 구성이 개략적으로 도시되어 있으며, 이러한 유동층 반응기는 예를 들어 카본나노튜브의 제조에 이용될 수 있지만, 카본나노튜브의 제조에만 한정된 것은 아니다. 이러한 유동층 반응기는 예를 들어 카본나노튜브 또는 카본나노파이버와 같은 탄소나노구조물의 제조에 유용하다.1 schematically shows the structure of a fluidized bed reactor, which fluidized bed reactor can be used, for example, in the production of carbon nanotubes, but is not limited to the manufacture of carbon nanotubes. Such fluidized bed reactors are useful for the production of carbon nanostructures such as, for example, carbon nanotubes or carbon nanofibers.

도면을 참조하면, 유동층 반응기(1)는 반응기 본체(10)를 구비하며, 반응기 본체(10)의 하부는 테이퍼 영역(10a)으로 형성되어 있다. 반응기 본체(10)를 고온으로 가열하기 위해, 가열기(19)가 반응기 본체(10)의 외부에 구비되는 것이 바람직스럽다. Referring to the drawings, a fluidized bed reactor 1 has a reactor body 10, and a lower portion of the reactor body 10 is formed as a tapered region 10a. In order to heat the reactor body 10 to a high temperature, it is preferable that a heater 19 is provided outside the reactor body 10.

유동층 반응기(1)의 저부에 원료 기체 공급부(12)가 구비된다. 원료 기체는 예를 들어 카본나노튜브를 제조하기 위한 탄화 수소 계열의 기체일 수 있다. 원료 기체는 원료 기체 공급부(12)에 연결된 원료 기체 공급관(21)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급된다. 원료 기체는 반응기 본체(10)의 내부로 공급되기 전에 예열기(17)에서 예열될 수 있다. 반응기 본체(10)의 내부에 형성된 반응 공간의 하측에 분산판(13)이 배치됨으로써, 분산판(13)을 통하여 반응기 본체(10)내의 반응 공간으로 원료 기체가 분산된다. A raw material gas supply unit 12 is provided at the bottom of the fluidized bed reactor 1. The raw material gas may be, for example, a hydrocarbon-based gas for producing carbon nanotubes. The raw material gas is supplied to the inside of the reactor main body 10 through a raw material gas supply pipe 21 connected to the raw material gas supply unit 12. The feed gas may be preheated in the preheater 17 before being fed into the reactor body 10. The raw material gas is dispersed into the reaction space in the reactor main body 10 through the dispersing plate 13 by disposing the dispersing plate 13 below the reaction space formed inside the reactor main body 10.

도 1은 분산판(13)이 테이퍼 영역의 상단에 설치된 경우를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 기체 및 고체의 거동에 따른 목적에 맞도록 테이퍼 영역의 상중하단 중 임의로 선택하여 분산판을 설치할 수 있다. FIG. 1 shows a case where the dispersion plate 13 is provided at the upper end of the tapered region. However, the present invention is not limited thereto, and a dispersion plate may be provided by arbitrarily selecting the lower end of the tapered region in accordance with the purpose of the gas and solid. have.

반응기 본체(10)의 상부에는 신장부(11)가 구비된다. 신장부(expander, 11)에는 예를 들어 반응기 본체(10)로부터의 촉매와 반응 생성물(예를 들어, 카본나노튜브)이 외부로 배출되는 것을 막기 위한 분리기(미도시)등이 구비될 수 있다. 신장부(11)에는 여과기(18)가 연결되며, 상기 여과기(18)에서 여과된 성분 기체는 이송관(23)을 통해 이송된다. 한편, 신장부(11)에는 재순환 배관(22)이 연결되어, 신장부(11)에서 배출된 혼합 기체의 일부를 재순환 배관(22)을 통해 원료 기체 공급관(21)으로 재순환시킨다.On the upper portion of the reactor body 10, a stretching portion 11 is provided. The expander 11 may be provided with a separator (not shown) for preventing the catalyst and the reaction product (for example, carbon nanotube) from being discharged to the outside, for example, from the reactor body 10 . A filter 18 is connected to the elongated portion 11 and the component gas filtered by the filter 18 is conveyed through the conveying pipe 23. On the other hand, a recirculation pipe 22 is connected to the expansion part 11 to recirculate part of the mixed gas discharged from the expansion part 11 to the raw material gas supply pipe 21 through the recirculation pipe 22.

반응기 본체(10)의 상부 일측에는 배관(24)을 통하여 분리기(14)가 연결되어 있다. 상기 분리기(14)는 반응기 본체(10)로부터 배출된 혼합 기체로부터 생성물을 분리하기 위한 것으로서, 예를 들어 카본나노튜브와 혼합 기체를 분리하기 위한 것이다. 분리기(14)의 일측에는 카본나노튜브와 같은 생성물을 회수하기 위한 회수기(15)가 연결되며, 분리기(14)는 배관(15)을 통해 반응기 본체(10)의 하부 일측에 연결된다. 한편, 촉매 공급기(16)는 배관(26)에 연결됨으로써 촉매가 배관(26)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급될 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 배관(26)에는 송풍기(blower)가 구비됨으로써, 분리기(14)에서 분리된 혼합 기체와 촉매 공급기(16)에서 공급되는 촉매를 반응기 본체(10) 안으로 압송시킬 수 있다. A separator 14 is connected to one side of the upper portion of the reactor main body 10 through a pipe 24. The separator 14 is for separating the product from the mixed gas discharged from the reactor body 10, for example, for separating the mixed gas from the carbon nanotube. A separator 14 is connected to one side of the reactor body 10 through a pipe 15 to collect a product such as carbon nanotubes. On the other hand, the catalyst supplier 16 is connected to the pipe 26 so that the catalyst can be supplied to the inside of the reactor main body 10 through the pipe 26. Although not shown in the drawing, the pipe 26 is provided with a blower so that the mixed gas separated from the separator 14 and the catalyst supplied from the catalyst feeder 16 can be fed into the reactor main body 10.

위에 설명된 바와 같은 유동층 반응기에 구비된 분산판(13)은 원료 기체를 유동층 반응기 본체(10)의 내부로 균일하게 분산시키고 촉매 입자 또는 반응에 의해 생성된 분체가 유동층 반응기의 저부로 낙하하는 것을 방지하기 위하여 구비된다. 통상적으로 기체-고체 유동층 반응기에서는 분산판 상부에 촉매 등의 고체 입자가 위치하고 분산판(13)에 형성된 구멍을 통하여 반응 기체를 하부로부터 송풍하면 촉매가 유동층 반응기 본체(10)의 분산판(13) 상부 공간에서 유동하면서 반응이 발생된다.
The dispersion plate 13 provided in the fluidized bed reactor as described above uniformly disperses the raw material gas into the fluidized bed reactor body 10 and the powder produced by the catalyst particles or the reaction drops to the bottom of the fluidized bed reactor . In the gas-solid fluidized bed reactor, when solid particles such as catalyst are placed on the dispersion plate and the reaction gas is blown from below through the holes formed in the dispersion plate 13, the catalyst is dispersed in the dispersion plate 13 of the fluidized bed reactor body 10, The reaction occurs while flowing in the upper space.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기를 개략적으로 도시하는 단면도 및 사시도이다. 2 and 3 are a cross-sectional view and a perspective view schematically showing a fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유동층 반응기는 반응기 본체(10); 반응기 본체 내부에 장착된 분산판(13); 및 상기 분산판(13) 상부의 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물(30)을 포함한다. As shown, the fluidized bed reactor according to the present invention comprises a reactor body 10; A dispersion plate (13) mounted inside the reactor body; And a protruding structure (30) formed on the inner wall of the reactor body above the dispersion plate (13).

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물(30)은 원통형 반응기 본체 내벽을 따라 설치된 환형 구조물(30)일 수 있다. 이러한 환형 돌출 구조물(30)은 해당 위치에서 반응기 본체의 직경을 감소시키고 유로가 반응기 중앙에 형성되도록 도와준다(도 2의 횡단면도 참조). 2 and 3, according to a preferred embodiment of the present invention, the protruding structure 30 may be an annular structure 30 provided along the inner wall of the cylindrical reactor body. This annular protruding structure 30 reduces the diameter of the reactor body at the position and helps to form a flow path in the center of the reactor (see the cross-sectional view in FIG. 2).

도 2의 종단면도에 따르면, 상기 돌출 구조물(30)은 종단면이 삼각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 사다리꼴, 반구형, 또는 반타원형으로 되어 있을 수도 있다. 2, the protruding structure 30 has a longitudinal section shown as a triangle, but is not limited thereto, and may have a trapezoidal shape, a hemispherical shape, or a semi-elliptical shape.

도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 돌출 구조물(30)의 종단면이 사디리꼴인 경우를 도시한다.Figs. 4 and 5 show a case where the projecting structure 30 has a semi-longitudinal shape in accordance with another embodiment of the present invention.

도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 돌출 구조물(30)의 종단면이 반원 또는 반타원형인 경우를 도시한다. 6 and 7 show a case in which the projecting structure 30 has a semicircular or semi-elliptical profile in accordance with another embodiment of the present invention.

돌출 구조물(30)의 종단면 형상은 반응기 벽 쪽으로 하강하는 입자상 반응물질이 돌출 구조물(30) 상에 누적되지 않고 반응기의 중앙부로 이동할 수 있도록 하는 것이라면 제한되지 않는다. The longitudinal shape of the protruding structure 30 is not limited as long as the particulate reactive material falling down toward the reactor wall can be moved to the center of the reactor without accumulating on the protruding structure 30. [

본 발명에 따른 유동층 반응기에 사용되는 분산판(13)은 기체 소통이 가능한 구조면 특별히 제한되지 않으며, 메탈 포옴(metal foam), 다공판(perforated plate), 노즐, 시이브 및 버블캡 등으로부터 선택될 수 있다. The dispersion plate 13 used in the fluidized bed reactor according to the present invention is not particularly limited as long as it is capable of gas communication and is selected from a metal foam, a perforated plate, a nozzle, a sieve, .

분산판은 전체 면적에 걸쳐 균일한 개구율을 가질 수도 있지만, 필요에 따라 개구율이 다른 영역을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 반응기 본체 내로 주입되는 기체의 유동 속도를 균일하게 하기 위하여, 기체 유입 속도가 상대적으로 강한 영역, 예를 들어 분산판의 중심 영역은 주변 영역보다 개구율이 낮게 구성하는 것도 가능하다. The dispersion plate may have a uniform opening ratio over the entire area, but it may include regions having different opening ratios if necessary. For example, in order to make the flow velocity of the gas injected into the reactor body uniform, it is also possible to configure the region where the gas inflow rate is relatively high, for example, the center region of the dispersing plate to have a lower opening ratio than the surrounding region.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유동층 반응기는, 촉매를 반응기 본체 내부로 공급하는 촉매공급관과, 반응기 하부에 연결되어 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 상기 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급하는 반응기체 공급관을 구비하며, 상기 촉매와 반응기체는 상기 반응기 본체 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하여 탄소나노구조물을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기일 수 있다. According to a preferred embodiment of the present invention, the fluidized bed reactor comprises a catalyst supply pipe for supplying the catalyst into the reactor main body, and a reactive gas which is connected to the lower portion of the reactor and contains a carbon source, a reducing gas and an inert gas, And a reaction gas supply pipe for supplying the catalyst and the reaction gas to the interior of the reactor via a plate, wherein the catalyst and the reaction gas react with each other while flowing in the reaction space inside the reactor body to produce a carbon nanostructure.

본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 유동층 반응기의 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;The present invention also relates to a process for the preparation of a catalyst, comprising: feeding a catalyst through a catalyst feed line of a fluidized bed reactor as described above;

반응기체 공급관을 통해 탄소원, 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 공급함으로써 상기 반응기체가 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급되도록 하는 단계; 및Supplying a reactive gas including a carbon source, a reducing gas, and an inert gas through a reactive gas supply pipe to supply the reactive gas into the reactor through the dispersing plate; And

상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노구조물을 생성하는 단계를 포함하는, 탄소나노구조물의 제조방법을 제공한다. And reacting the catalyst and the reaction gas in a reaction space inside the reactor while reacting to produce a carbon nanostructure.

본 발명에 따른 유동층 반응기는, 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물이 하강 유동하는 입자들을 반응기 중앙으로 유도함으로써 분산판 가장자리의 입자 누적을 방지할 수 있다. 또한, 반응기 내벽의 돌출 구조물은 해당 위치의 반응관 직경을 감소시키는 역할을 하므로 돌출 구조물의 위치에서 기체 상승 유동을 증대시키고 입자의 상승 유동을 촉진하기 때문에 안정적인 유동층 조업이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용하여 탄소나노구조물을 제조하는 경우에는 우수한 품질의 제품을 고수율로 얻을 수 있다.
The fluidized bed reactor according to the present invention can prevent the particle accumulation at the edge of the dispersion plate by guiding the particles flowing downward from the protruding structure formed on the inner wall of the reactor body to the center of the reactor. In addition, since the protruding structure of the inner wall of the reactor serves to reduce the diameter of the reaction tube at the corresponding position, stable fluidized bed operation is possible because it increases the gas upward flow at the position of the protruding structure and promotes the upward flow of the particles. Therefore, when a carbon nanostructure is manufactured using the fluidized bed reactor according to the present invention, a high quality product can be obtained with high yield.

10. 반응기 본체
11. 신장부
12. 원료 기체 공급부
13. 분산판
21. 원료 기체 공급관
30. 돌출 구조물
10. Reactor body
11. Extension
12. Feed gas
13. Dispersion plate
21. Raw gas supply pipe
30. Protruding structure

Claims (5)

반응기 본체;
반응기 본체 내부에 장착된 분산판; 및
상기 분산판 상부의 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물을 포함하는, 유동층 반응기.
A reactor body;
A dispersion plate mounted inside the reactor body; And
And a protruding structure formed on an inner wall of the reactor body above the dispersion plate.
제 1 항에 있어서, 상기 돌출 구조물이 환형 구조물인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
The fluidized bed reactor according to claim 1, wherein the protruding structure is an annular structure.
제 1 항에 있어서, 상기 돌출 구조물은 종단면이 삼각형, 사다리꼴, 반구형, 또는 반타원형인 구조물인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
The fluidized bed reactor according to claim 1, wherein the projecting structure is a structure whose longitudinal section is triangular, trapezoidal, hemispherical, or semi-elliptical.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동층 반응기는
촉매를 반응기 본체 내부로 공급하는 촉매공급관과,
반응기 하부에 연결되어 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 상기 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급하는 반응기체 공급관을 구비하며,
상기 촉매와 반응기체는 상기 반응기 본체 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하여 탄소나노구조물을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
4. The process according to any one of claims 1 to 3, wherein the fluidized bed reactor
A catalyst supply pipe for supplying the catalyst into the reactor main body,
And a reaction gas supply pipe connected to the lower portion of the reactor to supply a reaction gas containing a carbon source, a reducing gas and an inert gas to the inside of the reactor through the dispersion plate,
Wherein the catalyst and the reactant gas react with each other while flowing in a reaction space inside the reactor body to produce a carbon nanostructure.
제 4 항의 유동층 반응기의 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;
반응기체 공급관을 통해 탄소원, 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 공급함으로써 상기 반응기체가 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급되도록 하는 단계; 및
상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노구조물을 생성하는 단계를 포함하는,
탄소나노구조물의 제조방법.
Feeding a catalyst through a catalyst feed pipe of the fluidized bed reactor of claim 4;
Supplying a reactive gas including a carbon source, a reducing gas, and an inert gas through a reactive gas supply pipe to supply the reactive gas into the reactor through the dispersing plate; And
And reacting the catalyst and the reaction gas in a reaction space inside the reactor while reacting to produce a carbon nanostructure.
A method for producing a carbon nanostructure.
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