TW201406650A - 由連續反應器流出物移出碳奈米管之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供由連續反應器流出物移出碳奈米管的系統及方法。該方法包括連續反應器流出物流經分離槽，由分離槽中的連續反應器流出物分離出碳奈米管，及產生包括連續反應器流出物的氣態成份之流。

Description

由連續反應器流出物移出碳奈米管之方法
本臨時申請案係關於Noyes在2011年10月6日所申請的名稱為「將碳的氧化物還原供製造固體碳的方法」之美國專利申請案序號13/263,311，其以Noyes在2010年4月5日所申請的名稱為「將碳的氧化物還原供製造固體碳的方法」之國際專利申請案第PCT/US2010/029934號為基礎主張優先權，此案又以2009年4月17日所申請的名稱為「將碳的氧化物還原供製造固體碳的方法」之美國臨時專利申請案序號61/170,199為基礎主張優先權，上述所有申請案揭示內容在此以引用方式納入本文。
本技術係關於供製成碳同素異形體的工業規模的方法。特別的是，本技術聚焦於由連續反應器流出物流移出碳奈米管。
本節要介紹本技藝的多種態樣，可與本技術 的示範性具體實例結合。相信該討論有助於提供促進對本技術特定觀點更加瞭解之架構。因此，應理解為本節應以此觀點解讀，並不一定作為對先前技術的承認。
多年來在許多產品中，絕大多數已使用固體或元素碳所形成的物質。例如，碳黑為高碳含量的物質，使用作為顏料及如汽車輪胎之橡膠與塑膠產品中的增強性化合物。碳黑通常係以烴的不完全熱裂解而形成，例如甲烷或重質芳族油。以天然氣熱裂解而形成的熱黑包括大的未黏聚顆粒，例如其中有尺寸在200至500nm的範圍內。以重油裂解而形成的爐黑包括尺寸在10至100nm範圍內小得更多的顆粒，黏聚或沾黏在一起而形成結構物。在該二種情形中，可由具有開放的末端或邊緣的石墨片之層而形成顆粒。在化學上，開放的邊緣形成反應性面積，可用於吸收、與基質鍵結等。
已發展之更近以來的元素碳形式，例如富勒烯(fullerene)，並開始發展商業應用。與碳黑較開放的結構相反，富勒烯係以密閉的石墨烯結構的碳所形成，亦即其邊緣與其他邊緣鍵結而形成球體、管狀物等。碳奈米纖維及碳奈米管此二種結構具有多種可能的應用，涵蓋從電池與電子產品至使用於營建工業中的水泥。碳奈米物質可具有石墨烯的單一壁或石墨烯的多重網形壁，或以杯形或平板形的層疊薄片組而形成的纖維結構。碳奈米管的末端常以類似富勒烯的構形而覆蓋以半球形的結構。與碳黑不同的是，尚未實現對碳奈米物質之大規模的製造方法。然 而，對許多建議的製造方法已進行研究。
電弧系、雷射系削切技術及化學蒸氣沈積在傳統上已用於以碳表面產生碳奈米管。例如，Karthikeyan等人之E-Journal of Chemistry,2009,6(1),1-12「碳奈米管的大規模合成」中，回顧產生碳奈米管的技術。在所述及的一種技術，係在金屬觸媒存在下，使用電弧將電極的石墨氣化，達到約1克/分鐘的產率。述及的另一技術係使用雷射削切，在惰性氣流中，將目標電極的碳汽化。然而，雷射技術使用高純度的石墨及高能量雷射，但提供的碳奈米管產量低，使其對大規模的合成並不實際。該等作者述及的第三種技術係以化學蒸氣沈積(CVD)為基礎，其中在觸媒存在下將烴熱分解。在有些研究中，這些技術在70%純度水準下，已達到產率達數公斤/小時。然而，述及的方法對大規模的商業製造皆不實用。
烴裂解係使用於碳黑及多種碳奈米管與富勒烯產品的製造。對於產生及獲得多種形態的固體碳之現有的各種方法係使用溫度、壓力及在觸媒存在下將烴裂解，以控制所得的固體碳形貌。例如，Kauffman等人(US專利No.2,796,331)揭示在剩餘氫的存在下，使用硫化氫作為觸媒，以烴製造多種形式纖維碳之方法，及收集固體表面上的纖維碳之方法。Kauffman也申請使用煉焦爐氣作為烴來源的專利範圍。
在另一研究中，Vander Wal,R.L.等人於2003年八月之第七屆微重力燃燒及化學反應系統國際研討會論 文集第73至76頁之「單壁碳奈米管及奈米纖維的火焰合成」(NASA研究出版：NASA/CP-2003-212376/REV1)中描述火焰系的技術。該技術使用連同觸媒將CO或CO/C2H2混合物導入火焰中，以形成碳奈米管。該等作者注意到對於碳黑的製造，使用火焰系技術可達到高產率。然而，該等作者注意到要放大火焰合成的規模存在許多挑戰。特別是，觸媒顆粒的形成、碳奈米管初始、及碳奈米管生長之總時間受限於約100ms。
Noyes所提出的國際專利申請案公告WO/2010/120581，揭示以還原劑在觸媒存在下將碳氧化物還原，製造多種形貌的固體碳產物之方法。碳氧化物通常為一氧化碳或二氧化碳。還原劑通常為烴氣體或氫。可由使用於還原反應中之特定觸媒、反應條件及非必要的添加劑，加以控制固體碳產物希望的形貌。
所述的所有技術皆可用以形成碳奈米管，但無任一方法提供大量的或工業規模製造的實用方法。特別是，形成的量及方法效率、或二者皆很低。而且，上述的技術無法自依循如此大量或工業規模製造的碳奈米管的雜質中提供有效的移出或分離出碳奈米管。
一具體實例提供由連續反應器流出物移出碳奈米管的系統。該系統包括分離槽，係配置以自連續反應器流出物中單離碳奈米管，及產生包括連續反應器流出物 的氣態成份之流。
另一具體實例提供由連續反應器流出物移出碳奈米管的方法。該方法包括連續反應器流出物流經分離槽，由分離槽中的連續反應器流出物分離出碳奈米管，及產生包括連續反應器流出物的氣態成份之流。
另一具體實例提供一種由氣流產生經純化的碳奈米管流之系統。該系統包括分離系統，係配置以產生第一經純化的碳奈米管流及包括氣流的氣態成份之第一殘餘流。該系統也包括過濾系統，係配置以產生第二經純化的碳奈米管流及包括來自第一經純化的碳奈米管流的雜質之第二殘餘流。
102‧‧‧進氣
104‧‧‧熱交換器
106‧‧‧經加熱的進氣
108‧‧‧熱
110‧‧‧反應器
112‧‧‧碳奈米管
114‧‧‧反應器流出物
116‧‧‧廢氣流
118‧‧‧分離系統
120‧‧‧觸媒顆粒
122‧‧‧水冷卻器
124‧‧‧水
126‧‧‧廢氣流
128‧‧‧氣體分化系統
130‧‧‧循環流
132‧‧‧過量進料
202‧‧‧碳
204‧‧‧氫
206‧‧‧氧
208‧‧‧C-H邊緣
210‧‧‧C-O邊緣
212‧‧‧H-O邊緣
214‧‧‧曲線
216‧‧‧區域
218‧‧‧第一條線
220‧‧‧第二條線
222‧‧‧第一條線
224‧‧‧點
226‧‧‧第二條線
228‧‧‧波達區域
230‧‧‧博希反應區域
302‧‧‧進氣
304‧‧‧循環氣體
306‧‧‧靜態混合器
308‧‧‧混合氣流
310‧‧‧熱交換器
312‧‧‧經加熱的氣流
314‧‧‧包封加熱器
316‧‧‧熱氣流
318‧‧‧流體化床反應器
320‧‧‧反應器流出物流
322‧‧‧分離系統
324‧‧‧碳奈米管
326‧‧‧廢氣流
328‧‧‧經冷卻的廢棄流
330‧‧‧周溫熱交換器
332‧‧‧分離槽
334‧‧‧水
336‧‧‧氣流
338‧‧‧壓縮機
340‧‧‧高壓流
342‧‧‧周溫熱交換器
344‧‧‧分離槽
346‧‧‧乾氣流
348‧‧‧氣體分化系統
350‧‧‧過量進料
400‧‧‧二反應器系統
402‧‧‧廢氣流
404‧‧‧熱交換器
406‧‧‧經冷卻的廢氣流
408‧‧‧周溫熱交換器
410‧‧‧分離槽
412‧‧‧反應物流
414‧‧‧經加熱的流
416‧‧‧第二流體化床反應器
418‧‧‧第二包封加熱器
420‧‧‧第二反應器流出物流
422‧‧‧第二分離系統
424‧‧‧廢氣流
500‧‧‧單反應器系統
502‧‧‧多殼管熱交換器
504‧‧‧第二熱交換器
506‧‧‧第一陶瓷塊狀熱交換器
508‧‧‧箭號
510‧‧‧第二陶瓷塊狀熱交換器
512‧‧‧箭號
514‧‧‧入口閥
516‧‧‧出口閥
518‧‧‧分離系統
520‧‧‧旋風分離器
522‧‧‧活底料斗
524‧‧‧過濾器
526‧‧‧廢氣流
528‧‧‧燃料氣流
530‧‧‧吹掃氣流
602‧‧‧觸媒顆粒
604‧‧‧起始反應
606‧‧‧熱氣體進料流
608‧‧‧碳奈米管
614‧‧‧點
616‧‧‧活性觸媒顆粒
618‧‧‧水
620‧‧‧叢集
700‧‧‧反應器
702‧‧‧碳奈米管
704‧‧‧熱氣體進料流
706‧‧‧管線
708‧‧‧閥
710‧‧‧分佈板
712‧‧‧觸媒顆粒
714‧‧‧反應器壁
715‧‧‧頭部
716‧‧‧上方管線
718‧‧‧觸媒分離器
720‧‧‧反應器流出物流
722‧‧‧循環管線
724‧‧‧CNT分離器
726‧‧‧最終CNT產物
728‧‧‧流
800‧‧‧分離系統
802‧‧‧旋風分離器
804‧‧‧過濾器
806‧‧‧流
902‧‧‧多重旋風分離器
904‧‧‧旋風機
906‧‧‧收集槽
908‧‧‧流
1002‧‧‧靜電集塵器
1004‧‧‧放電電極
1006‧‧‧收集電極
1008‧‧‧高電壓設備
1010‧‧‧輕敲鎚
1012‧‧‧料斗
1014‧‧‧料斗
1016‧‧‧流
1100‧‧‧包封系統
1102‧‧‧包封列車
1104‧‧‧採樣閥
1106‧‧‧鼓
1108‧‧‧吹掃流
1110‧‧‧吹掃出口流
1112‧‧‧過濾器
1114‧‧‧吹掃回流
1116‧‧‧包封閥
1118‧‧‧流
1120‧‧‧填充站
本技術的優點藉由參考以下詳細說明及所附圖式而易於瞭解，其中：圖1為產生碳同素異形體之反應系統的方塊圖，例如為二氧化碳隔離反應的副產物；圖2為鑑別在該條件下會形成固體碳產物之條件的平衡圖；圖3為以包括二氧化碳及甲烷的氣體進料，製造碳奈米管(CNTs)的單一反應器系統的簡化程序流程圖；圖4為以包括二氧化碳及甲烷的氣體進料，製造CNTs的二反應器系統的簡化程序流程圖； 圖5為以包括二氧化碳及甲烷的氣體進料，製造CNTs的單一反應器系統的簡化程序流程圖，其中二氧化碳為過量；圖6為在觸媒顆粒上形成CNTs的催化性反應之示意圖；圖7為形成CNTs的流體化床反應器圖；圖8為分離系統的示意圖，其中旋風分離器及過濾器係用以自反應器流出物流中單離CNTs；圖9為分離系統的示意圖，其中多重旋風分離器係用以自反應器流出物流中單離CNTs；圖10為分離系統的示意圖，其中靜電集塵器係用以自反應器流出物流中單離CNTs；圖11為包封系統的簡化程序流程圖，其可將分離自單一反應器系統的反應器流出物流的CNTs包封；圖12為以包括甲烷及二氧化碳的進氣產生CNTs的方法之方法流程圖；及圖13為顯示自連續反應器流出物移出CNTs的方法之方法流程圖。
在以下詳細說明的章節中，說明本技術的特定具體實例。然而，在以下說明係特別針對本技術特定具體實例或特定用途範圍下，此僅作為示範用途且單純提供示範性具體實例的說明。因此，本技術並不受限於下述的 特定具體實例，而是包括落於依附在後之申請專利範圍的精神與範圍之內的所有替代選擇、修改及等同事物。
首先，為了容易參考，說明本申請案使用的特定詞語及在本文中使用的意義。在此所用詞語未在以下定義者，則應如熟悉本技藝者對於在至少一印刷出版品或公告專利呈現之詞語所給予的最寬定義。而且，本技術不受以下所示的詞語用法所限制，因作為相同或類似用途的所有等同事物、同義詞、新改良事物、及詞語或技術皆視為在本申請專利範圍之內。
碳纖維、碳奈米纖維、及碳奈米管為具有圓柱形結構的碳同素異形體，可在奈米範圍內。碳的奈米纖維及奈米管為富勒烯結構群的成員，其包括稱為「巴克敏斯特-富勒烯」(Buckminister fullerene)的球形碳球。碳奈米管壁係以石墨烯結構的碳薄片所形成。如在此所用，奈米管可包括任何長度的單壁奈米管及多壁奈米管。在此所用的詞語「碳同素異形體」及「碳奈米管」包括碳纖維、碳奈米纖維、及其他的碳奈米結構。
「壓縮機」為將包括氣體蒸氣混合物或廢氣之操作中氣體壓縮之裝置，且包括泵浦、壓縮機渦輪、往復式壓縮機、活塞壓縮機、轉葉式(rotary vane)或螺旋式壓縮機，及能夠將操作中氣體加以壓縮的裝置與組合。在一些具體實例中，較佳為例如壓縮機渦輪的特定類型的壓縮機。在此可使用的活塞壓縮機包括螺旋式壓縮機、轉葉式壓縮機等。
「烴」為主要包括氫及碳元素的有機化合物，雖然可含有少量的氮、硫、氧、金屬、或任何數量的其他元素。如在此所用，烴通常係指天然氣、油、或化學處理設施中所發現的成份。
如在此所用，詞語「天然氣」係指自原油井或自岩層下的含氣層所獲得的多成份氣體。天然氣的組成及壓力可有很大變化。一般的天然氣流含有的甲烷(CH4)為主要成份，亦即大於50莫耳%的天然氣流為甲烷。天然氣流也可含有乙烷(C2H6)、較高分子量的烴(例如C3-C20烴)、一種或多種酸性氣體(例如二氧化碳或硫化氫)、或其任何組合。天然氣也可含有微量的污染物，例如水、氮、硫化鐵、蠟、原油或其任何組合。天然氣流在具體實例中於使用前可實質地純化，以移除可能作為毒物的化合物。
「低BTU天然氣」為包括由儲層獲取之實質比例CO2的氣體。例如，低BTU天然氣可包括10莫耳%或更高的CO2，再加上烴及其他成份。在一些情況下，低BTU天然氣可主要包括CO2。
如在此所用，「設備」為化學或能量產物在其中加以處理或傳送之整套的物理性裝置。以其最廣泛的意義，設備此詞語適用於可用以製造能量或形成化學產品的任何裝置。設施的實例包括聚合設備、碳黑設備、天然氣設備、及發電設備。
綜觀
在此所述的具體實例提供將包含於自反應器的流出物流的碳奈米管(CNTs)分離的系統及方法。該移除容許單離出碳奈米管以供包封。
除其他相似選擇外，可使用包括接近化學計量的二氧化碳及甲烷的混合物之進料，製造碳奈米管。在一些具體實例中，進料的CH4較高，而在其他具體實例中，進料的CO2較高。可使用其他進料，包括具有C、H、及O的任何數目化合物的混合物，例如H2、CO、CO2、及其他烴類。該方法係以類博希(Bosch-like)反應在高溫及壓力條件下進行，如關於圖2的討論。
該方法可略為放熱、能量中和、或略為吸熱，視特定設計中所進行相對於碳形成的重組水準而定。因此，在連續操作中，提供一部份由方法所使用的熱，便可回收至少一部份來自流出物的熱，並用以將進氣加熱。因使用高壓的方法，周溫熱交換器便足以自產物流中移除水蒸氣，無需使用冷凍冷卻器。在將產物及反應時形成的水分離後，使用氣體分化系統，以自廢氣混合物中分離出任何殘留量的限制性藥劑，並將該限制性藥劑循環至製程中。此外，可在氣體分化之前或之後，使用流出物流可提供製程的燃料。
如在此所用，周溫熱交換器可包括水冷卻器、空氣冷卻器、或以實質上為周溫的來源將熱交換之任何其他冷卻系統。可瞭解周溫實質上為位於設施處外部的空 氣溫度，視設施的位置而定，例如自範圍約-40℃至約+40℃。而且，視當時的周溫而定，可使用不同類型的周溫熱交換器。例如，在夏季使用水冷卻器的設備可在冬季使用空氣冷卻器。可瞭解在本文所述使用周溫熱交換器之任意處，可使用適當類型的熱交換器。視所需冷卻的量而定，周溫熱交換器在整個設備中可有不同的類型。
本方法可使用多樣化的進料，包括例如碳、氫、及氧。例如，進料可包括碳的氧化物，例如二氧化碳(CO2)或一氧化碳(CO)，及還原劑例如甲烷(CH4)或其他烴、氫(H2)或其組合。還原劑可包括其他烴氣體、氫(H2)或其混合物。烴氣體可同時作為外加的碳源及作為碳氧化物的還原劑。其他氣體例如合成氣可為方法中所產生的中間化合物或可包含於進料中。這些氣體也可使用作為還原劑。合成氣或「合成的氣體」包括一氧化碳(CO)及氫(H2)，且因此在單一混合物中同時包括碳氧化物及還原性氣體。其他同時包括碳及氧的化合物可取代使用、或添加至上述的進料中。在一些具體實例中，落於圖2中的指定區域之任何以C、H、及O構成的進料可用以製造這些產物。
碳的氧化物、特別是二氧化碳為可抽取自廢氣、低-BTU井氣體、及自一些製程排氣的豐富氣體。雖然二氧化碳也可抽取自空氣，用以獲取二氧化碳的其他來源常具有更高濃度且通常為更經濟的來源。而且，二氧化碳可得自發電的副產物。藉由將部分的CO2轉化成碳的產物，使用這些來源的CO2可降低二氧化碳的排放。
如在此揭示的具體實例，可使用各種分離技術，以自連續反應器流出物之殘餘的氣流分離出碳奈米管，例如，包括氣態成份及其他雜質的流。該分離技術包括例如旋風分離、磁分離、以密度為基礎的分離、靜電分離、或重力分離技術等等。例如，在一些具體實例中，可使用多重旋風分離器，以自雜質的殘餘流分離出經純化的CNTs流。在其他具體實例中，可使用例如燒結的陶瓷或燒結的金屬過濾系統之過濾系統，以自雜質的殘餘流分離出經純化的CNTs流。
如在此所用，工業規模的方法可在短的時間期程中提供大量的碳同素異形體。例如，在此使用的技術可提供碳同素異形體的量大於約0.5Kg/hr、大於約1Kg/hr、大於約2Kg/hr、大於約5Kg/hr、大於約10Kg/hr、大於約100Kg/hr、或大於1000Kg/hr。所製造的量視設備的規模及選用的觸媒而定。
圖1為產生碳同素異形體的反應系統100的方塊圖，例如為二氧化碳隔離反應的副產物。反應系統100提供進氣102，其可為CO2及CH4的混合物。在一些具體實例中，反應可容許來自發電廠排放流等隔離的CO2。在其他具體實例中，例如，來自天然氣田氣流中的CH4為較高濃度。進氣102中可含有其他成份，例如C2H6、C2H4等。在一具體實例中，進氣102已經過處理以將這些成份移出，例如作為產品流銷售。
進氣102通過熱交換器104，以形成經加熱的 進氣106。在連續操作時，部分的加熱係使用回收自反應的熱108所提供。剩下供反應的熱可由如下述的輔助加熱器提供。在啟動時，輔助加熱器係用以提供總熱，使進料達適當的反應溫度，例如約500℃(約930℉)。在一具體實例中，進料加熱至介於約500℃(約932℉)至約550℃(約1022℉)。在另一具體實例中，進料加熱至介於約700℃(約1292℉)至約750℃(約1382℉)。在另一具體實例中，進料加熱至介於約800℃(約1472℉)至約850℃(約1562℉)。經加熱的進氣108饋入反應器110。
在反應器110中，利用類博希反應，觸媒與部分經加熱的進氣106反應，而形成碳奈米管(CNTs)112及其他碳同素異形體。如下更詳細的說明，反應器110可為使用任何數量的不同觸媒之流體化床反應器，該觸媒包括例如金屬噴擊、承載的觸媒及類似物。自反應器流出物114分離出CNTs 112，留下含有過量藥劑及水蒸氣的廢氣流116。在反應器流出物114作為廢氣流116進入冷卻器之前，至少一部份自反應器流出物114的熱用以形成經加熱的進氣106。
可使用分離系統118，完成自反應器流出物114分離出CNTs 112。在多種具體實例中，分離系統118可直接與反應器110連接，如圖1所示。反應器流出物114可為含有CNTs 112的連續反應器流出物，以及氣態成份和過量藥劑。可希望有效率地自反應器流出物114單離CNTs 112，以增加最終碳奈米管產物純度的程度並降 低經帶出進入廢棄流的CNTs的量。
在一些具體實例中，起始的分離方法可在分離系統118中進行，以自反應器流出物114分離出觸媒顆粒120。例如，可使用位在分離系統118內的磁分離槽或旋風分離槽，以自反應器流出物114移出觸媒顆粒120。再將觸媒顆粒120送回反應器110，如圖1所指示。通常會有用的是將該觸媒顆粒120循環至反應器110，以待再利用供反應器110內產生CNTs 112，及降低最終產物中的金屬量。
在多種具體實例中，分離系統118也可配置以自反應器流出物114單離CNTs 112，及產生廢氣流116。廢氣流116可包括氣態成份，例如過量的藥劑、少量的CNTs 112、及其他雜質。自反應器流出物114分離出CNTs 112可經由各種技術加以完成。例如，在一些具體實例中，分離系統118可配置以進行重力分離方法。可使用旋風分離器、多重旋風分離器、或漂移分離器等等執行重力分離方法。在一些具體實例中，分離系統118可配置以進行靜電分離方法，例如使用靜電集塵器或其他靜電分離單元。而且，在一些具體實例中，分離系統118可配置以進行磁分離程序，例如使用順磁觸媒。
在各種具體實例中，分離系統118可含有過濾器，其係配置以幫助自反應器流出物114分離出CNTs 112。過濾器可為燒結的陶瓷過濾器、燒結的金屬過濾器、織物袋式過濾器、或流體化床過濾器等等。此外，過濾 器可配置以進行自身清潔程序，以去除任何剩餘的CNTs 112或其他殘餘的顆粒。而且，在一些具體實例中，分離系統118可含有任何數目的外加成份，供自反應器流出物114移出CNTs 112。一旦CNTs 112已足夠純化，其可提供至市場。
廢氣流116通過周溫熱交換器，例如水冷卻器122，將水124凝結出來。所得的乾廢氣流126可用以作為氣體分化系統128的進料流，或可直接部分加以循環。可瞭解在此所用的乾廢氣流已移除大部分的水，但仍可能含有少量的水蒸氣。例如，乾廢氣流的露點可大於約-5℃、大於約0℃、大於約5℃、大於約10℃、大於約20℃、或更高。可使用乾燥器以降低露點，例如至約-50℃、約-70℃或更低，作為氣體分化系統128的一部份。
氣體分化系統128移出進氣102中部份較低濃度的藥劑，並將其循環至製程中，例如將循環流130與進氣102摻雜。進氣102中較高濃度的氣體可作為過量進料132加以處置，例如銷售給下游使用者。作為實例，若在與CH4摻雜中，CO2為最高濃度的氣體，氣體分化系統128可用以移出殘留在廢氣流中的CH4，並作為循環流130將其送回製程中。該方法作用為在藥劑與固體碳之間的平衡反應，如進一步關於圖2的討論。當CH4過量時，可不需要氣體分化系統128，因許多CO2可在反應中消耗。因此，含有CH4且也可含有H2、CO、及其他氣體的過量進料132可使用於發電廠中產生電力，而無需進一步的 純化或氣體分離。而且，在該情況下，可將一部份的乾廢氣流126循環至製程而無需進一步的處理。
圖2為鑑別會形成固體碳產物之條件的平衡圖。此圖為具有位於三角形頂點的元素C 202、H 204、及O 206的三角圖200。當一者自任何位置往頂點移動時，C 202、H 204、及O 206元素的莫耳比增加。以此方式，此三種元素所有可能的組成份可繪製在該三角圖200上。
具有任何二者或所有該三種元素之任何化學化合物或混合物可繪製在該三角圖200上，如標記之示範的點所指示。一些該化學化合物包括例如烷、烯、及炔的烴，以及許多其他類型的烴。烴位於連接C 202及H 204的C-H邊緣208上。僅包括元素C 202及O 206的化學化合物包括一氧化碳(CO)及二氧化碳(CO2)，沿著連接C 202及O 206的C-O邊緣210發生。僅包括元素H 204及O 206的化學化合物，例如水(H2O)，沿著連接H 204及O 206的H-O邊緣212發生。
在三角圖200的中間區域為具有所有三種元素C 202、H 204、及O 206的化學化合物及混合物。例如，這些化學化合物可包括很大數目的個別成份，例如醇、醛、醚，及更複雜結構的物質，例如碳水化合物。而且，也可含有化合物的混合物，例如氫、碳氧化物、及烴。
一些首批形成富勒烯、C60及C70、以及碳奈米管(CNTs)的實驗係以碳電極的雷射削切進行，在質譜儀中捕捉碳物質。圖2中顯示的曲線214顯示在多種溫度的 碳產量限制。這些曲線214係以進行受化學計量限制的吉布斯(Gibbs)最小化而決定，其以碳、氧、及氫的量在反應前後皆相同的限制為基礎，將所得化合物的吉布斯自由能最小化。固體碳的形成在第一次發生的點以組成物自三角圖200上的第一組成物點移動至第二組成物點的方式提及。
以熱力而言，曲線214鑑別碳的活性為約1.0處的點。在碳的活性約1.0以上處，固體碳在中間區域中形成，而在碳的活性約1.0以下處，無固體碳形成。三角圖200可用於鑑別碳同素異形體、例如碳奈米管(CNTs)之可能的製造條件，以及決定可用以彼之製造的化合物及混合物。
在圖2所指示的溫度處，大多數的烴、及其他有機化合物進行熱分解，以製造小的、熱力上穩定的氣體分子，例如CO、CO2、CH4、H2O、H2等。在特定的反應條件下，這些小的氣體分子可反應製造碳同素異形體。在一些情況下，碳同素異形體會是CNTs的形式。各種維度及對掌性的單壁及多壁CNTs皆可以這些方式製造。
形成碳同素異形體的反應途徑
視氧的濃度而定，烴以二種方式進行熱分解。在無氧存在下，大的烴分子會熱分解成較小的烴，例如甲烷、乙烷、丙烷、及氫。這些小的烴會進一步分解成碳及更多的氫，給予總反應如反應1所示。此反應稱為裂解 反應，沿著C-H邊緣208發生。
CnH2m n C+m H2 反應1
代表性情況為甲烷的熱分解，如反應2所示。
CH4 C+2 H2 反應2
當存在低量的氧時，烴會反應形成一氧化碳與二氧化碳及水以及碳同素異形體與氫，如反應3所示的反應。此反應稱為博希反應，且發生在三角圖200的中間區域。
CnH2m+qO2 qCO+qH2O+(n-q)C+(m-q)H2 反應3
反應後CO對H2O的比例可不同，視系統的溫度而定。而且，視氧的量而定，在產物氣體中可有一些二氧化碳。製造的任何一氧化碳或二氧化碳在高溫的條件下，可反應而形成碳同素異形體。較高濃度的O2通常導致較高的溫度，因為燃燒導致產生更多CO和CO2及較少的固體碳和氫。因此，反應系統必須限制氧存在於系統中的量，以製造更大量的碳同素異形體。
包括少量氧的有機化合物也可用於碳同素異形體的製造。這些化合物熱分解而形成小的、熱力上穩定 的氣體分子，其可進一步在觸媒表面上反應，以製造碳同素異形體及水，如反應4所示的總反應，其為博希反應的另一實例。
CnH2mOq n C+q H2O+(m-q)H2 反應4
所製造的任何一氧化碳或二氧化碳具有在這些高溫條件下反應成碳的趨勢，增加整體的產量。這些反應形成博希反應的最簡單具體實例，如反應5所示。
CO2+2H2 C+2 H2O 反應5
博希反應可機械地寫成二個分別的反應，其中CO以中間產物產生，如反應6及7所示。
CO2+H2 C+H2O 反應6
CO+H2 C+H2O 反應7
第一個反應6快速且容易趨於平衡。第二個反應7則緩慢。可製造碳同素異形體的另一反應為波達(Boudouard)反應，如反應8所示。波達反應在C-O邊緣210上發生，且自一氧化碳製造碳同素異形體及二氧化碳。
2 COC+CO2 反應8
除了直接在反應器中形成小分子，可使用許多其他方法提供反應物，以形成碳同素異形體。例如，可使用烴及其他有機化學物質的蒸汽重組。在這些反應中，如反應9及10所示，形成名為合成氣的CO及氫的混合物。
CnH2m+nH2OnCO+(m+n)H2 反應9
CnH2mOq+(n-q)H2OnCO+(m+n-q)H2 反應10
在三角圖200中所示的反應溫度下，合成氣經由博希反應機構的第二步驟形成碳同素異形體，如反應7所示。
如上述顯示反應明顯可見，有許多開始的點供製造碳同素異形體，例如CNTs。然而，聚焦於進料化合物轉換成小的、熱力上穩定的氣體混合物上，可將反應簡化。然後這些氣體可在觸媒的存在下，反應以形成碳同素異形體。藉由注意給定的烴與氧或與蒸汽反應，會轉化成一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、及氫，可進行此簡化。同樣地，給定的含氧化合物與其本身、或與氧或蒸汽反應，也會轉化成一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、及氫。小的、熱力上穩定的氣體之最終混合物可由對上述反應進行平衡計算而加以決定。
氣體混合物可如反應8所示的波達反應、反應7所示的博希反應的步驟二、反應2所示的甲烷裂解反應、或該等的一些組合，再轉化成碳同素異形體。因所有 這些反應製造碳同素異形體，其可用以預測作為一些前述的熱分解反應所製造的一氧化碳、二氧化碳、氫、水蒸氣、甲烷、或之類組成物之函數的碳活性。
金屬觸媒的氧化毒化
催化性反應以製造碳同素異形體之另一態樣為特定的氣體組成份及溫度會氧化使用於反應中的金屬觸媒，使其對進一步的催化反應無效，如反應11所示。氧導致金屬或合金氧化的點視其性質而定。對元素的金屬而言，此由形成該氧化物的吉布斯自由能所決定。
xM+yO2 MxO2y 反應11
若觸媒包括鐵，則可形成多種氧化物。最常見者包括方鐵體(Wüstite)(FeO)、磁鐵礦(Fe3O4)、及赤鐵礦(Fe2O3)。如圖2所示，方鐵體在這些溫度及壓力為熱力上有利的，並以如反應12所示的反應形成。
Fe+½ O2 FeO 反應12
反應12的平衡常數KFeO可由式4所示的方程式加以決定。
KFeO=exp[-△GFeO/(RgT)]=[PO2/PT]-1/2 式4
在式4中，△GFeO為鐵氧化成方鐵體的吉布斯自由能，其為溫度的函數，Rg為氣體常數，T為絕對溫度，PO2為氧(O2)的分壓，且PT為系統的總壓力。PO2/PT的比例單純為O2在系統中的莫耳分率。使用此方程式，可鑑別會啟動任何溫度下鐵的氧化之氧分壓。
可自式5及6所呈現的一個快速反應平衡而獲得氧的分壓。
在這些平衡計算中，Ki為氣體i分解的平衡常數，為溫度的函數。如式5及6所示，氧的分壓受給定溫度下之水蒸氣對氫的莫耳分率比或二氧化碳對一氧化碳的莫耳分率比所控制。
如式1至6所示，莫耳分率的比例對於決定氧的分壓及對於波達及博希反應機構的碳活性定義皆很重要。例如，莫耳分率的比例設定碳的活性及氧的分壓，使得會有給定的碳活性，而會啟動金屬觸媒的氧化。
因為裂解反應為吸熱，其影響區域接近三角圖200的H 204頂點，溫度曲線在該處彎曲，溫度序列隨著系統中的碳量增加而反轉。結果，接近C-H邊緣208的區域216可以接近H頂點的三角形描述，裂解反應在該處 支配博希反應。因為轉換點隨系統的溫度改變而改變，視溫度而定，二條線218及220可用以指出區域216的邊緣。第一條線218描述於約1173.45K(約900℃)的區域216，而第二條線220描述於約973.15K(約700℃)的區域216。裂解反應在線218或220與C-H邊緣208之間的區域內支配博希反應。
而且，自博希第二步驟及波達反應二者產生Ac，基於熱力學，以任一反應所製造的第一固體碳同素異形體有相同的機率處，可鑑別接近C-O邊緣210的區域。此區域的一邊可由三角圖200中的第一條線222所描述。而且，如上的討論，有一個點，博希反應的第二步驟在該處產生足夠的水，導致氧分壓足夠高，使鐵觸媒會氧化成方鐵體。在此點224處，第一條線222變成點狀，且第二條線226對FeO在固定的氫(H)含量約0.14，限制波達區域在約1 atm的系統壓力。在反應條件位於第一條線222的上方及至右方，及至第二條線222(FeO氧化)的右方，波達區域228支配博希反應。
結論
關於圖2所討論的計算，鑑別碳的活性為製造碳同素異形體的驅動力，例如CNTs。因此，在具體實例中，在C-H-O系統中的各種反應混合物可被降低至使用三個的碳形成反應之碳活性的預測，該反應可應用在C-H邊緣208、C-O邊緣210及C-H-O系統的三角圖中間 部份。大於約1.0的碳活性係以該三個的碳形成反應之每一者製造碳。在一些情況下，碳的活性為鐵轉變成方鐵體(FeO)的預測者。在這些情況下，鐵氧化的碳活性會限制碳可形成之碳活性的範圍至大於約1.0的值。就於約973.15K(約700℃)具等莫耳CO：H2進料的博希第二步驟反應而言，碳活性受限制至例如大於約35的值。
而且，該計算清楚顯示描述的區域，其中裂解(區域216)及波達反應(區域228)分別在三角圖200的C-H邊緣208及C-O邊緣210上支配。此也顯示C-H-O系統的三角圖中間部份中的實驗條件界定博希反應區域230，其提供最大的反應器轉換率，使得比三角圖200的C-H邊緣208或C-O邊緣210上的反應有更快的製造及更高的產率。在此區域中，碳的濃度以Ac設定，且大於約10%。而且，氧含量大於約10%，且氫濃度大於約20%。
反應系統
圖3為單反應器系統300的簡化程序流程圖，以包含二氧化碳及甲烷的氣體進料製造碳奈米管(CNTs)。如所示，單反應器系統300可使用於CO2較高或CH4較高的進氣302。更特定的反應器系統如關於圖5及6的討論。在單反應器系統300中，進氣302與具有增強濃度的較少氣體之循環氣304混合。此可使用靜態混合器306進行。
混合氣流308通過熱交換器310或接續的熱交換器310組，以反應器的流出物流加熱。對經加熱的氣流312，溫度可自如本文所定義之接近周溫上升至適當的反應溫度，例如約500℃(930℉)、約600℃(約1112℉)、約700℃(約1292℉)、約800℃(約1472℉)、或約900℃(約1652℉)。該溫度可足以維持連續操作時的反應。然而，部分的熱可由包封加熱器314所提供，其可特別用於加入熱，使反應物提高至開始時的溫度。再將熱氣流316導入流體化床反應器318。可使用於具體實例中的一般流體化床反應器如關於圖7的討論。在流體化床反應器318中，CNTs係在觸媒顆粒上形成。觸媒顆粒及反應也如關於圖6的討論。
CNTs以反應器流出物流320自第一流體化床反應器318帶出。反應器流出物流320可處於高溫，例如約600℃(約1112℉)、約700℃(約1292℉)、約800℃(約1472℉)、或約900℃(約1652℉)，且可由與混合氣流308交換熱而冷卻，例如，提供一些或全部的熱用以將反應物加熱。不論在冷卻前或後，反應器流出物流320通過分離系統322，以單離出CNTs 324。
在一些具體實例中，分離系統322可含有觸媒分離裝置，例如旋風分離裝置或磁分離裝置，自反應器流出物流320移出過量觸媒。可再將經移出的觸媒返回至流體化床反應器318。
分離系統322也可含有配置以自反應器流出 物流320單離CNTs 324的一個或多個分離裝置，並產生包括自反應器流出物流320的氣態成份之廢氣流326。例如，廢氣流326可包括自流體化床反應器318的廢氣，以及金屬殘渣及其他雜質。自反應器流出物流320單離的CNTs 324可送至市場。
在各種具體實例中，分離系統322可包括重力分離槽，例如漂移分離器，或以向心力為基礎的分離器，例如旋風分離器、或多重旋風分離器等等。分離系統322也可包括磁分離槽或靜電分離槽，例如靜電集塵器。而且，分離系統322可含有能自廢氣流326將CNTs 324分離出之任何類型的分離裝置。
在一些具體實例中，分離系統322可包括過濾裝置，以幫助CNTs 324的純化。其進一步如關於圖8的討論。
CNTs在分離系統中的單離可導致產生廢氣流326，如上的討論。廢氣流326可用以對熱交換器310中的混合氣流308提供熱。也可在比廢氣流326更低溫度的分離系統322中將碳移出。
在對混合氣流308提供熱之後，經冷卻的廢棄流328通過周溫熱交換器330，且然後饋入分離槽332。水334在分離槽332中沈降，並自底部移除。所得的氣流336可明顯更冷，例如約30℃、約38℃(約100℉)、或約40℃且壓力約2500仟帕斯卡(kPa)、約3000kPa、約3720kPa(約240psia)、或約4000kPa。在一具體實 例中，於乾燥器中(未示出)再將該氣體乾燥至低的露點。該流進入壓縮機338，將氣流336的壓力提高，例如至約5000kPa、約6000kPa、約7000kPa、約7,240kPa(約1050psia)、或約8000kPa，形成高壓流340，通過另一周溫熱交換器342。例如若未使用乾燥器時，高壓流340自周溫熱交換器342，饋入分離槽344，以移除任何殘留的水334。
在具體實例中，其中進氣302中的CO2為過量，再將乾氣流346送至氣體分化系統348，將自循環氣304分離出過量進料350。在以成比例過量的CO2為基礎的反應系統300中，過量進料350可主要包括CO2，且循環氣304可主要包括CH4。在以成比例過量的CH4為基礎的反應系統300中，過量進料350不具有實質的CO2含量，且部分可無需進一步純化而加以循環。在一些具體實例中，可將部分的過量進料350、循環氣304、或二者分接，以提供燃料氣流、吹掃氣流、或二者供使用於設備中。
使用的反應條件可導致金屬表面明顯的劣化，依對觸媒本身的選擇所指示，其可包括各種形式的碳或不銹鋼。於是，可設計方法以降低金屬對方法條件所暴露的量，如進一步關於以下圖形的討論。
圖4為以包括二氧化碳及甲烷的氣體進料製造CNTs的二反應器系統400之簡化程序流程圖。相同的編號項目如關於圖3所討論。在二反應器系統400中，所得的廢氣流402係用以提供熱交換器404中的熱。也可在 比廢氣流402更低溫度的次要分離裝置中移出碳。此特別容易做到，當平行的多重熱交換器可用以將廢氣流402冷卻，而將序列中的下一個反應器的進氣加熱。通常，在廢氣流402含有的任何水蒸氣凝結之前，所有的碳固體會以分離裝置移出。
經冷卻的廢氣流406再通過周溫熱交換器408，其進一步將經冷卻的廢氣流406冷卻，且導致大部分形成的水以液體凝結，然後將其饋入分離槽410。自分離槽移除水334，且反應物流412從分離槽410上方離開，為約30℃、約38℃(約100℉)、約40℃、或約50℃。
反應物流412通過熱交換器404，並以廢氣流402的廢熱加熱。經加熱的流414饋入第二流體化床反應器416，外加的CNTs 324在此處形成。然而，經加熱的流414可能非為足夠高溫，例如大於約850℃(約1562℉)，以在第二流體化床反應器416中形成CNTs 324。為增加經加熱的流414的溫度，可使用第二包封加熱器418。第二包封加熱器418可為第一包封加熱器314中分開的加熱區域。在一些具體實例中，第二反應器流出物流420係用以對經加熱的流414提供熱。第二反應器流出物流420再饋入第二分離系統422，以自第二反應器流出物流420單離CNTs 324。在各種具體實例中，第二分離系統422可包括任何數目的分離裝置，例如那些關於分離系統322的討論。所得的廢氣流424係用以當混合的氣流308通過熱交換器310時對其提供熱。
雖然在本具體實例中僅顯示二個流體化床反應器318及416，若需要時，反應系統400可含有多個反應器。反應器數目的決定可以進料的濃度及每一進料想要的殘留量為基礎。在一些情況下，三、四、或更多反應器可序列地使用，其中自每一反應器的流出物流對序列中的下一個反應器的進氣提供熱。而且，反應器不一定要是流體化床反應器，因其他具體實例中可使用其他配置。例如，可使用固定床反應器、管狀反應器、連續饋入反應器、或任何數目的其他配置。如所述，當具體實例中的CH4為過量時，氣體分化系統348可由岐管取代，其可將乾氣流346分成過量進料350及循環氣體304。
圖5為以包括二氧化碳及甲烷的氣體進料，製造CNTs的單反應器系統500之簡化程序流程圖，其中二氧化碳為過量。圖5中，相同的號碼項目如關於圖3所述。就圖3而言，進氣302通過靜態混合器306，在該處與高甲烷含量的循環氣304混合。混合氣流308通過熱交換器310，例如包括多重殼及管狀熱交換器502。圖5與圖3更詳細的方法流程圖之間的主要差異為在將CNTs自反應器流出物流320分離出來之前，使用熱交換器將反應器流出物流320冷卻。
在此具體實例中，經加熱的氣流312在流經第二熱交換器504之前，於熱交換器310中提高至溫度約300℃、約400℃、約427℃(約800℉)、或約500℃。在第二熱交換器504中，經加熱的氣流312流經第一陶瓷塊 狀熱交換器506，如箭號508所示。儲存在第一陶瓷塊狀熱交換器506中的熱交換至經加熱的氣流312，並可增加溫度至介於約500℃(約932℉)至約550℃(約1022℉)。在另一具體實例中，將該進料加熱至介於約700℃(約1292℉)至約750℃(約1382℉)。在另一具體實例中，將該進料加熱至介於約800℃(約1472℉)至約850℃(約1562℉)。
而第一陶瓷塊狀熱交換器506係用以將經加熱的氣流312加熱，第二陶瓷塊狀加熱器510係藉由反應器流出物流320流經第二陶瓷塊狀加熱器510而用以將此流冷卻，如箭號512所示。當第二陶瓷塊狀熱交換器510達到選定的溫度時，或第一陶瓷塊狀熱交換器506掉至選定的溫度時，入口閥514及出口閥516的位置會改變。易言之，關閉打開的閥且打開關閉的閥。閥位置的改變交換陶瓷塊狀熱交換器506或510何者將受反應器318的流加熱，而陶瓷塊狀熱交換器506或510何者用於將經加熱的氣流312加熱。
熱可能不足以將溫度增加至足供反應。因此，如關於圖3的敘述，可使用包封加熱器314，進一步提升經加熱的氣流312的溫度，形成可饋入流體化床反應器318的熱氣流316。CNTs 324在流體化床反應器318中形成，且在反應器流出物流320中被攜出。
在流經第二陶瓷塊狀加熱器510之後，反應器流出物320流至分離系統518，其係用以將CNTs 324 自反應器流出物320移出。在此具體實例中，CNTs 324的分離系統518包括旋風分離器520、活底料斗522、及過濾器524。然而，分離系統518也可包括任何數目的其他分離裝置，例如關於分離系統322所討論，以任何類型的配置安排。大多數的CNTs在以旋風分離器520移出並沈積進入活底料斗522之後，使用過濾器524移出廢氣流526中剩餘的CNTs 324。此可幫助預防因廢氣流526中殘留的CNTs 324導致的阻塞或其他問題。過濾器524除了其他類型之外，還可包括袋式過濾器、燒結金屬過濾器、及燒結陶瓷過濾器。可將CNTs 324自CNTs分離系統518導至包封系統，進一步的細節如關於圖12的討論。在過濾器524之後，廢氣流526在流至周溫熱交換器330之前流經熱交換器310，且再饋入分離槽332，以分離水。在流經分離槽332之後，該流如關於圖3的敘述。
在此具體實例中，可由氣體分化系統348出來的分開流提供二道外加的流。燃料氣流528可取自循環氣體304，以符合內部燃料的需求，且若保證可送至發電廠。吹掃氣流530可取自CO2出口流，其可用以吹掃設備的各種元件，例如過濾器524或旋風機520。
反應器系統
圖6為在觸媒顆粒602上形成CNTs的催化性反應600之示意圖。在一些具體實例中，觸媒反應600在關於圖7的進一步討論中的流體化床反應器發生。在一部 份含有C、O的化合物及熱氣體進料流606中的H、例如CH4與CO2之間的起始反應604，導致形成CO及H2。過量的來源氣體繼續流經反應器，幫助床的流體化，並將CNTs 608及觸媒顆粒610帶離。
形成CNTs 608的反應在觸媒顆粒602上發生。不需受理論限制，在觸媒表面上足夠尺寸的鐵原子的核可形成結核點，供碳產物在觸媒顆粒602上生長。許多參數影響最終產物的形貌，包括反應溫度、壓力、及進氣組成物。
CO及H2在表面上的點614反應，抬升活性觸媒顆粒616離開觸媒顆粒602，且形成H2O 618及CNTs 608的固體碳。然後CNTs 608自觸媒顆粒602斷開。可捕捉較大的觸媒顆粒602並返回反應器，例如，以關於圖7進一步討論的觸媒分離器，而很細的觸媒顆粒602會隨著CNTs 608帶出。最終產物會包括約70莫耳%的固體碳及約15莫耳%的金屬、約80莫耳%的固體碳及約10莫耳%的金屬、約90莫耳%的固體碳及約7莫耳%的金屬、或約95莫耳%的固體碳及約5莫耳%的金屬。CNTs 608常會團聚而形成叢集620，為最終產物常見的形式。少量的CO及H2通過反應器而未反應，且為反應器流出物流中的污染物。
隨著反應的進行，觸媒顆粒602劣化且最終會消耗。於是，反應可描述為金屬的粉塵反應。在一些具體實例中，以陶瓷內襯保護金屬表面以防受攻擊，因為金 屬表面與反應條件的接觸不僅會劣化，而也會導致品質較差的產物形成。
觸媒顆粒602可包括來自週期表上不同IUPAC族之任何數量的金屬，例如第十族(例如鎳)、第八族(例如鐵或釕)、第九族(例如鈷)、或第六族(例如鉻或鉬)等等。其他可存在的金屬包括第七族金屬(例如錳)、或第五族金屬(例如鈷)等等。可瞭解上列金屬僅為提及的族之示範，且可包括來自該族的其他金屬。然而，觸媒顆粒602上的催化性位址可主要由鐵原子所構成。在一具體實例中，觸媒顆粒602包括金屬射出，例如用於噴擊之約25至50網目的金屬珠群組。
圖7為形成CNTs 702的流體化床反應器700的圖形。熱氣體進料流704經由管線706饋入流體化床反應器700的底部。可使用控制閥708，以調節熱氣體進料流704流入反應器中。熱氣體進料流704流經分佈板710，且會將被反應器壁714滯留在位的觸媒顆粒712的床流體化。如在此所用，「流體化」意為觸媒顆粒712會彼此繞流而讓氣泡通過，提供似流體流的行為。如在此討論，反應條件對任何暴露的金屬表面非常嚴苛，因為金屬表面會成為反應的觸媒。因此，反應會導致暴露的金屬表面緩慢的劣化。於是，反應器的內表面、包括反應器壁714及頭部715、以及分佈板710、及其他部件，可用保護性材料所製，例如陶瓷或金，以保護該表面。
當熱氣體進料流704流經觸媒顆粒712的流 體化床時，會由觸媒顆粒712形成CNTs 702。流動的熱氣體進料流704將CNTs 702帶入上方管線716，在此將其自反應器700移出。視流量而定，例如因受控制閥708的調整，少量的觸媒顆粒712可帶入上方管線716中。此外，流動的熱氣體進料流704可包括隨著CNTs 702也被帶入上方管線716的氣態成份、金屬殘渣、及其他雜質。
在各種具體實例中，觸媒分離器718可配置以將自反應器流出物流720的特定尺寸或較大的觸媒顆粒712分離出，並使其經由循環管線722返回反應器700。對觸媒分離器可使用任何數目的配置，包括旋風分離器、磁分離器、沈降槽或類似者。
而且，CNT分離器724可配置以自反應器流出物流720單離CNTs 702，以獲得最終CNT產物726。含有氣態成份、一些殘餘的CNTs、或其他雜質的流728係由自反應器流出物流720單離CNTs 702而產生。在一些具體實例中，CNT分離器724可包括尤其是旋風分離器、多重旋風分離器、靜電集塵器、磁分離器、慣性分離器、或重力分離器等等。CNT分離器也可包括過濾器，例如燒結的陶瓷過濾器或燒結的金屬過濾器等等。
圖8為分離系統800的示意圖，其中旋風分離器802及過濾器804係用以自反應器流出物流720單離CNTs 702。相同的編號項目如關於圖7的說明。旋風分離器802及過濾器804可在關於圖7討論的CNT分離器724內執行。
在各種具體實例中，旋風分離器802的壁面可塗覆具高溫阻抗性的保護性物質，例如陶瓷或金。此可幫助保護旋風分離器802，以防因反應器流出物流720的高溫導致劣化。
因反應器流出物流720進入旋風分離器802，經由扭轉的渦流器葉片的旋轉，旋風分離器802內的渦流元件對反應器流出物流720帶來輻射狀的加速及切線速度成份。渦流器葉片可在渦流元件上平行或序列配置。反應器流出物流720的渦流可導致比反應器流出物流720內其他顆粒更重且更緻密的CNTs 702移動至旋風分離器802的外緣，並開始在寬的循環通道中行進，而其他顆粒可往旋風分離器802的中心移動，並開始在窄的循環通道中行進。因反應器流出物流720靠近旋風分離器802的末端，CNTs 702可被捕捉並自旋風分離器802送出，作為最終CNT產物726。含有氣態成份以及未被旋風分離器802所捕捉之些許量CNTs 702的流806也可自旋風分離器802送出。
在各種具體實例中，流806可送至過濾器804。過濾器804可用以移出自流806的任何剩餘的CNTs 702。經移出的CNTs 702可通過CNT進料管線806輸送，以待與最終CNT產物726混合。流728可為分離程序的最終廢棄流，可自分離系統724送出，以進一步處理。
過濾器804可包括任何數目不同類型的過濾器。例如，過濾器804可為燒結的陶瓷過濾器或燒結的金 屬過濾器，其能夠承受流806的高溫。除了其他同類選擇，過濾器804也可為織物袋式過濾器或流體化床過濾器。過濾器804可配置以進行自身清潔程序，以移出任何剩餘的CNTs。在一些具體實例中，分離系統724可包括二個過濾器，其中一個過濾器可在線上，而另一過濾器為離線且進行自身清潔程序。
圖9為分離系統900的示意圖，其中多重旋風分離器902係用以自反應器流出物流720單離CNTs 702。多重旋風分離器902的功能與旋風分離器802類似。然而，多重旋風分離器902包括以平行配置的方式排列的多個旋風機904。
在各種具體實例中，旋風機904的壁面塗覆具高溫阻抗性的保護性物質，例如陶瓷或金。此可幫助保護旋風機904，以防因反應器流出物流720的高溫導致劣化。
當反應器流出物流720進入多重旋風分離器902，反應器流出物流720在旋風機904之間分佈。在各種具體實例中，反應器流出物流720導向旋風機904的中心，且在接近上方處注入每一旋風機904。經由扭轉的渦流器葉片的旋轉，每一旋風機904內的渦流元件對反應器流出物流720帶來輻射狀的加速及切線速度成份。渦流器葉片可在渦流元件上平行或序列配置。反應器流出物流720的渦流可導致比反應器流出物流720內其他顆粒更重且更緻密的CNTs 702移動至每一旋風機904的外緣，並 開始在寬的循環通道中行進，而其他顆粒可往每一旋風機904的中心移動，並開始在窄的循環通道中行進。因反應器流出物流720靠近每一旋風機904的末端，CNTs 702可被捕捉並自每一旋風機904送出，進入收集槽906。自收集槽906，CNTs 702可自多重旋風分離器902送出，作為最終CNT產物726。
含有氣態成份的流908包括未被旋風機904捕捉之些許量的CNTs 702，也可自多重旋風分離器902送出。在各種具體實例中，流908可送至過濾器804，如上述關於圖8的討論。過濾器804可用以移出流908的任何剩餘的CNTs 702。
圖10為分離系統1000的示意圖，其中係使用靜電集塵器1002自反應器流出物流720單離CNTs 702。靜電集塵器1002使用誘導的靜電電荷力，可自反應器流出物流720移出CNTs 702。
靜電集塵器1002可包括許多放電電極1004。放電電極1004可為許多小直徑的金屬線，其垂直懸吊且一起附著於格網中。此外，靜電集塵器1002可包括收集電極1006，其為大的平坦金屬板或管以垂直方向的堆疊。收集電極1006具有與放電電極1004的電荷相反的電荷。在一些具體實例中，收集電極1006以約1cm至18cm的間隔分開，視預期含有CNTs的量而定。反應器流出物流720可水平流經放電電極1004之間的間隔，並再通過收集電極1006。
高電壓設備1008可用以在放電電極1004及收集電極1006之間施用數仟伏特的負電壓。當反應器流出物流720在放電電極1004及收集電極1006周圍流過時，施用的電壓可導致其游離。負離子可流至收集電極1006並在反應器流出物流720內對CNTs 702充電。CNTs 702跟隨高電壓設備1008所產生的負電場，然後可移動至收集電極1006。
CNTs 702可在收集電極1006上建構，且形成層。該層可因靜電壓而免於崩潰。許多輕敲鎚1010可對放電電極1004及收集電極1006帶來振動，導致自收集電極1006移出CNTs 702。在一些具體實例中，也週期性使用水噴霧(未示出)，以自收集電極1006移出CNTs 702。
位於靜電集塵器1002底部的許多料斗1012可用以收集自反應器流出物流720單離的CNTs 702。此外，大的料斗1014可用以混合及暫時貯存收集在料斗1012內的CNTs 702。CNTs 702可再自靜電集塵器1002送出，作為最終CNT產物726。
而且，含有氣態成份的流1016包括未被收集電極1006捕捉之些許量的CNTs 702，也可自靜電集塵器1002送出。在各種具體實例中，流1016可送至過濾器804，如上述關於圖8及9的討論。過濾器804可用以移出流1016的任何剩餘的CNTs 702。
包封系統
圖11為包封系統1100的簡化程序流程圖，其可包封自單反應器系統的流出物流分離出之CNTs。包封系統1100與圖5所示的分離系統518的的活底料斗522重疊，且係用以將CNTs從製程中單離出，以供包封。
包封系統1100為包封列車1102的一部份。包封列車1102可具有採樣閥1104，以自活底料斗522移出CNTs。採樣閥1104可為旋轉閥，係配置以在一部份的旋轉循環中使特定量的CNTs及氣體通過。在一些具體實例中，採樣閥1104可為球閥，係配置以對選擇的時間期程完全打開，在完全關閉之前使選定量的CNTs及氣體通過。使CNTs及氣體流入鼓1106供吹掃及冷卻。
在採樣閥1104已關閉之後，吹掃流1108可打開進入鼓1106，以掃除剩餘的氣體，例如CO、H2、H2O、及CH4。如所述，吹掃流1108可取自氣體分化系統的富CO2側，例如關於圖5所討論的吹掃氣流530。吹掃出口流1110會攜帶些許量的CNTs及其他細小顆粒，且可在送回至製程作為吹掃回流1114之前，可通過過濾器1112。過濾器1112可為袋式過濾器、旋風分離器、或任何其他適用的分離系統，例如關於圖8所討論的過濾器804。在完成吹掃之後，包封閥1116會打開，以使包括CNTs的流1118流至填充站1120，以在鼓中或槽中包封供銷售。
方法
圖12為顯示自包括甲烷及二氧化碳的進氣產生CNTs的方法1200之方法流程圖。方法1200自方塊1202開始，該處獲得混合的C、H、及O進料，例如CO2/CH4混合物。可自任何數目的來源獲得進料。如所述，進料可包括獲取自地表下儲層的天然氣、發電廠的排放氣體、或來自天然或設備來源之任何數目的其他氣體。而且，其他進料可使用於具體實例中，包括其他物質，例如合成氣、CO、H2、其他烴類等，只要總體進料C：H：O比例落在如圖2所示的邊界內。
在方塊1204，進料與得自方法中所產生的廢氣之循環氣體混合。如在此所述，循環氣體可得自氣體分化的廢氣，其可包含冷凍的低溫精餾以及任何數目的其他技術。在方塊1206，以回收自反應程序的廢熱將混合的氣流加熱。在加熱後，在方塊1208，混合的氣流在反應器中與金屬觸媒反應，以形成CNTs。在方塊1210，自廢氣中分離出CNTs。在方塊1212，分離出的CNTs經吹掃、冷卻、及包封，以待送至市場。
在方塊1214，廢氣經冷卻以移除反應期間形成的過剩水。當方法在高溫及高壓下進行時，周溫熱交換器提供足夠的冷卻，以將水蒸氣凝結出來。部份來自方塊1214的冷卻可用以部份提供方塊1206中的加熱。方塊1206至1214所述的方法會對反應系統中的每一接續的反應器重複。
在方塊1216，廢氣分化成富CO2流及富CH4 流。在方塊1218，不論任何含有過量試劑的流皆可銷售或使用作為燃料，而其他流可循環至方塊1204以待於製程中再利用。
圖13為顯示自連續反應器流出物移出CNTs的方法1300的方法流程圖。方法1300可包括在關於方法1200所討論的方塊1210中。連續反應器流出物可為自反應器的氣流，其包括CNTs以及廢氣。
方法1300自方塊1302開始，為自連續反應器流出物單離CNTs。CNTs的單離可在使用任何數目的分離裝置之分離系統中進行。例如，在一些具體實例中，可使用旋風或多重旋風分離裝置，以進行自連續反應器流出物的CNTs起始分離。在其他具體實例中，磁分離裝置或靜電集塵器等等可用以進行該起始分離。
也可使用過濾系統以進一步自連續反應器流出物分離出CNTs。過濾系統可包括任何數目之多種類型的過濾器。例如，燒結的陶瓷過濾器、燒結的金屬過濾器、織物袋式過濾器、或流體化床過濾器可用以過濾出連續反應器流出物中任何剩餘的CNTs。在各種具體實例中，在方塊1212，經單離的CNTs可再送至市場。
在方塊1304，含有氣態成份的流可產生自連續反應器流出物。該流可經由自連續反應器流出物分離出CNTs而產生。該含有氣態成份的流可為關於圖12所討論的廢氣。因此，該流可再經冷卻以移除反應期間形成的過量水、分化成富CO2流及富CH4流、及銷售或循環，如關 於圖12的方塊1214至1218的討論。在一些具體實例中，若將流循環，可將其送回至流體化床反應器再利用，以供產生CNTs。
圖13並非要指出以任何特定順序執行方法1300的步驟，或是在每一種情形中包括方法1300的所有步驟。而且，視特定的應用而定，任何數目的外加步驟可包含在方法1300中。例如，在一些具體實例中，分離系統可用以產生第一經純化的CNTs流及包括自連續反應器流出物的氣態成份之第一殘餘流。然後，過濾系統可用以產生第二經純化的CNTs流及包括自第一經純化的CNTs流的雜質之第二殘餘流。此外，第一經純化的流及第二經純化的流可混合成最終經純化的CNTs流。在一些具體實例中，第二分離槽也可配置以產生外加經純化的CNTs流及自連續反應器流出物的外加殘餘流或第一經純化的CNTs流、或二者。
具體實例
本發明的具體實例可包括以下編號的段落中所顯示方法及系統的任何組合。此並非視為完整列出所有可能的具體實例，因為從上述說明可想像任何數目的變化。
1、一種由連續反應器流出物移出碳奈米管的系統，其包括分離槽，其係配置以：由該連續反應器流出物將碳奈米管單離；及 產生包括連續反應器流出物的氣態成份之流。
2、如第1段之系統，其中該分離槽係配置以：由連續反應器流出物將觸媒顆粒單離；及將該觸媒顆粒送回反應器。
3、如第1或2段之系統，其中該反應器包括流體化床反應器，其係配置以接受來自分離槽的觸媒顆粒。
4、如第1至3段中任一段之系統，其中該流包括殘餘的碳奈米管。
5、如第1至4段中任一段之系統，其中該分離槽包括重力分離槽。
6、如第5段之系統，其中該重力分離槽包括旋風分離器。
7、如第6段之系統，其中該旋風分離器包括單一旋風機。
8、如第6段之系統，其中該旋風分離器包括多個旋風機。
9、如第5段之系統，其中該重力分離槽包括漂移分離器。
10、如第1至5段中任一段之系統，其中該分離槽包括配置以施加電場的靜電分離單元。
11、如第1至5或10段中任一段之系統，其中該分離槽包括磁分離槽。
12、如第1至5、10或11段中任一段之系統，其中該分離槽包括過濾器。
13、如第12段之系統，其中該過濾器包括燒結的陶瓷過濾器、燒結的金屬過濾器、織物袋式過濾器、或流體化床過濾器、或其任何組合。
14、如第12段之系統，其中該過濾器係配置以進行自身清潔程序，以移出任何剩餘的碳奈米管。
15、一種由連續反應器流出物移出碳奈米管的方法，其包括：該連續反應器流出物流經分離槽；由該分離槽中的連續反應器流出物將碳奈米管分離出；及產生包括該連續反應器流出物的氣態成份之流。
16、如第15段之方法，其包括經由電磁分離程序自包括氣態成份之流，將該碳奈米管單離。
17、如第15或16段中任一段之方法，其包括經由重力分離程序自包括氣態成份之流，將該碳奈米管單離。
18、如第17段之方法，其中該重力分離程序包括使用旋風分離器。
19、如第18段之方法，其中該旋風分離器包括多重旋風分離器。
20、如第15至17段中任一段之方法，其中該分離槽係配置以產生該碳奈米管及包括經由以密度為基礎的分離程序的氣態成份之流。
21、如第15至17或20段中任一段之方法，其包括：由連續反應器流出物將過剩觸媒流單離；及使該過剩 觸媒流流至反應器。
22、一種由氣流產生經純化的碳奈米管流之系統，其包括：分離系統，係配置以產生第一經純化的碳奈米管流及包括氣流的氣態成份之第一殘餘流；及過濾系統，係配置以產生第二經純化的碳奈米管流及包括來自第一經純化的碳奈米管流的雜質之第二殘餘流。
23、如第22段之系統，其中該分離系統係配置以：將來自氣流的過剩試劑流單離；及使該過剩試劑流流至反應器。
24、如第22或23段中任一段之系統，其中該分離系統包括多重旋風分離系統或單一旋風分離系統。
25、如第22至24段中任一段之系統，其中該分離系統包括靜電集塵器。
26、如第22至25段中任一段之系統，其中該分離系統包括磁分離系統。
27、如第22至26段中任一段之系統，其中該分離系統包括慣性分離系統。
28、如第22至27段中任一段之系統，其中該過濾系統包括燒結的陶瓷過濾系統、燒結的金屬過濾系統、織物袋式過濾系統、或流體化床過濾系統、或其任何組合。
29、如第22至28段中任一段之系統，其中該分離系統包括濕式移除系統，且其中該濕式移除系統包括文氏洗滌器、反向流水洗滌器、蒸汽凝結系統、或氣壓凝結系統 、或其任何組合。
30、如第22至29段中任一段之系統，其中該系統係配置以將第一經純化流及第二經純化流混合成碳奈米管的最終經純化流。
31、如第22至30段中任一段之系統，其包括第二分離槽，其係配置以產生額外經純化的碳奈米管流及包括來自氣流或第一經純化的碳奈米管流的氣態成份之額外殘餘流、或二者。
本技術可接受多種修改及替代形式，上述討論的具體實例僅以範例顯示。然而，應再次瞭解本技術並非受在此揭示的特定具體實例所限制。實際上，本技術包括落在依附在後之申請專利範圍的真正精神與範圍內之所有替代選擇、修改、及等同事物。
702‧‧‧碳奈米管
712‧‧‧觸媒顆粒
716‧‧‧上方管線
718‧‧‧觸媒分離器
720‧‧‧反應器流出物流
722‧‧‧循環管線
724‧‧‧CNT分離器
726‧‧‧最終CNT產物
728‧‧‧流
800‧‧‧分離系統
802‧‧‧旋風分離器
804‧‧‧過濾器
806‧‧‧流

Claims (31)

  1. 一種由連續反應器流出物移出碳奈米管的系統，其包含分離槽，其係配置以：由該連續反應器流出物將碳奈米管單離；及產生包含連續反應器流出物的氣態成份之流。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該分離槽係配置以：由連續反應器流出物將觸媒顆粒單離；及將該觸媒顆粒送回反應器。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該反應器包含流體化床反應器，其係配置以接受來自分離槽的觸媒顆粒。
  4. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該流包含殘餘的碳奈米管。
  5. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該分離槽包含重力分離槽。
  6. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該重力分離槽包含旋風分離器。
  7. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該旋風分離器包含單一旋風機。
  8. 如申請專利範圍第6項之系統，其中該旋風分離器包含多個旋風機。
  9. 如申請專利範圍第5項之系統，其中該重力分離槽包含漂移分離器。
  10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該分離槽包含配置以施加電場的靜電分離單元。
  11. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該分離槽包含磁分離槽。
  12. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該分離槽包含過濾器。
  13. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該過濾器包含燒結的陶瓷過濾器、燒結的金屬過濾器、織物袋式過濾器、或流體化床過濾器、或其任何組合。
  14. 如申請專利範圍第12項之系統，其中該過濾器係配置以進行自身清潔程序，以移出任何剩餘的碳奈米管。
  15. 一種由連續反應器流出物移出碳奈米管的方法，其包含：該連續反應器流出物流經分離槽；由該分離槽中的連續反應器流出物將碳奈米管分離出；及產生包含該連續反應器流出物的氣態成份之流。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其包含經由電磁分離方法，自包含氣態成份之流，將該碳奈米管單離。
  17. 如申請專利範圍第15項之方法，其包含經由重力分離方法，自包含氣態成份之流，將該碳奈米管單離。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該重力分離方法包含使用旋風分離器。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該旋風分離 器包含多重旋風分離器。
  20. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該分離槽係配置以產生該碳奈米管及包含經由以密度為基礎的分離方法的氣態成份之流。
  21. 如申請專利範圍第15項之方法，其包含：由連續反應器流出物將過剩觸媒流單離；及使該過剩觸媒流流至反應器。
  22. 一種由氣流產生經純化的碳奈米管流之系統，其包含：分離系統，係配置以產生第一經純化的碳奈米管流及包含氣流的氣態成份之第一殘餘流；及過濾系統，係配置以產生第二經純化的碳奈米管流及包含來自第一經純化的碳奈米管流的雜質之第二殘餘流。
  23. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該分離系統係配置以：將來自氣流的過剩試劑流單離；及使該過剩試劑流流至反應器。
  24. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該分離系統包含多重旋風分離系統或單一旋風分離系統。
  25. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該分離系統包含靜電集塵器。
  26. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該分離系統包含磁分離系統。
  27. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該分離系統 包含慣性分離系統。
  28. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該過濾系統包含燒結的陶瓷過濾系統、燒結的金屬過濾系統、織物袋式過濾系統、或流體化床過濾系統、或其任何組合。
  29. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該分離系統包含濕式移除系統，且其中該濕式移除系統包含文氏洗滌器、反向流水洗滌器、蒸汽凝結系統、或氣壓凝結系統、或其任何組合。
  30. 如申請專利範圍第22項之系統，其中該系統係配置以將第一經純化流及第二經純化流混合成碳奈米管的最終經純化流。
  31. 如申請專利範圍第22項之系統，其包含第二分離槽，其係配置以產生額外經純化的碳奈米管流及包含來自氣流或第一經純化的碳奈米管流的氣態成份之額外殘餘流、或二者。
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