TWI755499B - 處理氣之裂解 - Google Patents

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Abstract

使一種處理氣(諸如烴氣體)流動通過熱裂解裝置以將該處理氣裂解為構成組分(諸如氫氣及固體碳奈米粒子，例如碳奈米洋蔥、頸狀碳奈米洋蔥、碳奈米球、石墨烯、石墨、高度有序熱解石墨、單壁奈米管及/或多壁奈米管)。該熱裂解裝置具有在內部體積內沿其縱向軸經安置之細長加熱元件。該細長加熱元件在該處理氣在縱向細長反應區內流動時加熱該處理氣以使該處理氣之分子熱裂解為該等分子之構成組分。

Description

處理氣之裂解
本發明係有關於處理氣之裂解。
烴(例如，甲烷、乙烷、丙烷等)可經熱解或經裂解以合成氫及/或以產生固體碳材料，以及高級碳物質。然而，多種用於產生此等高級碳物質之過程需要使用催化劑，諸如金屬催化劑。另外，多種過程亦導致雜質或污染物之存在，諸如使設備結垢之金屬及/或腐蝕性污染物。此外，多種過程需要額外複雜步驟來確保所得產物之所需品質或純度。
在一些實施例中，一種用於裂解一饋料處理氣之熱裂解裝置包括一主體、一饋料處理氣入口及一細長加熱元件。該主體具有一具有一縱向軸之內部體積。該內部體積具有一與該縱向軸同心之反應區。一饋料處理氣在熱裂解操作期間經由饋料處理氣入口流動至該內部體積中。該細長加熱元件在該內部體積內沿該縱向軸經安置且由該反應區圍繞。在熱裂解操作期間，該細長加熱元件由電力加熱至一分子裂解溫度以產生反應區，該饋料處理氣由該細長加熱元件加熱，且熱量使反應區內之饋料處理氣的分子熱裂解為該等分子之構成組分。
在一些實施例中，一種用於裂解一饋料處理氣之方法包括提供一熱裂解裝置，該裝置具有一具有一縱向軸之內部體積及一在該內部體積內沿該縱向軸經安置的細長加熱元件；由電力加熱該細長加熱元件至一分子裂解溫度以在該內部體積內產生一縱向細長反應區；使一饋料處理氣流動至該內部體積內且通過該縱向細長反應區，其中該饋料處理氣由來自該細長加熱元件之熱量加熱；在該饋料處理氣流動通過該縱向細長反應區時，使該縱向細長反應區內之饋料處理氣的分子熱裂解為其構成組分(例如，氫氣及一或多種固體產物)；及收集該等構成組分。
在一些實施例中，該饋料處理氣包括烴氣體，且構成組分包括氫及碳奈米粒子(例如，在5-500 nm之大小範圍內)。在一些實施例中，碳奈米粒子包括頸狀碳奈米洋蔥或以下至少一者：碳奈米洋蔥、碳奈米球、石墨烯、石墨、高度有序熱解石墨、單壁奈米管及多壁奈米管。在一些實施例中，饋料處理氣藉由在使饋料處理氣流動至內部體積中之前使饋料處理氣流動通過在該熱裂解裝置之加熱腔室與殼之間的氣體預熱區而經預熱(例如，至100-500℃)。在一些實施例中，其中具有奈米粒子之氣體流動至該內部體積中且通過該縱向細長反應區以與饋料處理氣混合；且在該等奈米粒子周圍形成固體產物之塗層(例如，石墨烯層)。
本發明之其他及進一步實施例描述於下文中。
相關申請案
此專利申請案主張2017年12月20日申請之標題為「處理氣之裂解(Cracking of a Process Gas)」的美國專利申請案第15/849,544號之優先權，其係2017年3月27日申請之標題為「處理氣之裂解(Cracking of a Process Gas)」且作為美國專利第9,862,602號發佈的美國專利申請案第15/470,450號之分割案，其以引用之方式併入本文中。
本發明之實施例提供了用於將饋料處理氣精煉、熱解、解離或裂解為構成組分以產生固體產物(例如，碳奈米粒子)及氣態產物(例如，氫氣及/或低級烴氣體)之熱裂解裝置及方法。饋料處理氣一般包括例如氫氣(H2 )、二氧化碳(CO2 )、C1-10烴、其他烴氣體、天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、不飽和烴氣體、乙烯、丙烯、C2 H2 、C2 H4 、C2 H6 、H2 S、SiH4 等和其混合物。碳奈米粒子一般包括例如碳奈米洋蔥(CNO)、頸狀CNO、碳奈米球、石墨烯、石墨、高度有序熱解石墨、單壁奈米管、多壁奈米管及/或其他固體碳產品。
一些實施例包含熱裂解方法，該等方法使用例如視情況封閉於熱裂解裝置之細長罩殼、外殼或主體內的細長縱向加熱元件。該主體一般包括例如一或多個管或由不鏽鋼、鈦、石墨、石英或其類似物製成之其他適當罩。在一些實施例中，熱裂解裝置之主體一般呈圓柱體形狀，具有垂直安排之中央細長縱向軸及在該主體之頂部處或附近的饋料處理氣入口。饋料處理氣縱向向下流動通過該主體或其一部分。在垂直組態中，關於其中氣流方向向下之實施例，氣流及重力均輔助自熱裂解裝置之主體移除固體產物。在一些實施例中，氣流方向在垂直組態中向上。
該加熱元件一般包括例如加熱燈、一或多根電阻線或長絲、絞線長絲、金屬長絲、扁平金屬條、圓柱棒及/或其他適當熱致自由基產生器或元件，其可加熱至足以熱裂解饋料處理氣之分子的規定溫度(亦即，分子裂解溫度)。該加熱元件一般經安置、經定位或經安排以在熱裂解裝置之主體內沿其中央縱向軸在中央處延伸。例如，若僅存在一個加熱元件，則其位於中央縱向軸處或與中央縱向軸同心，且若存在複數個加熱元件，則其一般在中央縱向軸附近及圍繞該軸及與該軸平行之位置處對稱地或同心地間隔開或偏移。
熱裂解一般藉由在藉由來自加熱元件之熱量產生且由主體界定且容納於主體內部的縱向細長反應區內在加熱元件上方、與加熱元件接觸或在加熱元件之附近區域內傳遞饋料處理氣以加熱饋料處理氣至如下文進一步論述之規定分子裂解溫度或在該溫度下加熱饋料處理氣來實現。該反應區被視為圍繞加熱元件且與加熱元件足夠接近以使饋料處理氣接收足以熱裂解其分子之熱量的區域。該反應區因此一般與主體之中央縱向軸同軸對準或同心。在一些實施例中，熱裂解在規定壓力下執行。在一些實施例中，在饋料處理氣流動至反應區中之前使饋料處理氣圍繞反應區之容器或加熱腔室的外表面或跨外表面循環以便冷卻該容器或腔室且預熱饋料處理氣。
在一些實施例中，碳奈米粒子及/或氫氣未使用催化劑而產生。換言之，該過程可為無催化劑的。
一些實施例提供了獨立系統，該系統可有利地如所需針對不同生產水準快速地按比例增大或按比例縮小。例如，一些實施例可按比例提供獨立氫及/或碳奈米粒子生產基站系統、烴來源或燃料電池基站。一些實施例可按比例增加以例如針對精煉廠或其類似物提供較高容量系統。
圖1描繪了根據至少一些實施例之用於裂解饋料處理氣之方法100的簡化過程流程圖。在一些實施例中，該方法藉由熱解離或裂解饋料處理氣(例如，氣態烴饋料)而獲得了所需氫及/或碳產物。特定步驟、步驟之組合及步驟之次序僅出於說明性及解釋性目的而示出。其他實施例可包括其他步驟、步驟之組合及/或步驟之次序以實現通常相似之結果。
方法100及其變化形式可在如本文所揭示之能夠根據本文所提供之教示控制的任何合適熱裂解裝置中進行。合適裝置之實施例之說明性而非限制性實例在下文中關於圖2-7及13描述。
方法100可根據一些實施例產生一或多種所需氫及/或碳產物。在一些實施例中，所需產物一般包括氣態產物、烴液體及/或固體產物。氣態產物一般包括氫氣及/或烴氣體。該等氣態產物可例如用於氫燃料基站，作為用於需要氫氣之過程及/或其他適當用途的原材料來源。固體產物一般包括本文所提及之碳奈米粒子。該等固體產物可用於例如電池組、燃料電池、數位顯示器、潤滑劑、輪胎、生物醫學應用、多種工業產品及其他應用，或其組合。
方法100一般在102處開始，其中熱裂解裝置(諸如下文關於圖2-7所述之裝置)之內部體積至少部分地例如藉由抽真空而清除污染物，例如空氣及濕氣。或者或組合地，吹掃氣體流動至該熱裂解裝置之內部體積中且視情況自其中移除。吹掃氣體可為任何合適氣體或氣態混合物，其對該過程及處理環境呈惰性或其為用於該過程之饋料處理氣。合適吹掃氣體之實例包括一或多種惰性氣體，尤其諸如稀有氣體。在一些實施例中，吹掃氣體以約0.5至約10 slm (標準公升/分鐘)之流動速率流動至熱裂解裝置之內部體積中。在一些實施例中，熱裂解裝置可在處理饋料處理氣之前藉由用一或多種吹掃氣體例如以上文所揭示之流動速率吹掃熱裂解裝置之內部體積且用加熱元件在約600℃至約3000℃或1600-2200℃之溫度下(例如，在分子裂解溫度下)持續約5至約80分鐘，例如約35分鐘而經乾燥。在一些實施例中，乾燥溫度可為與用於處理饋料處理氣之後續處理溫度相同的溫度。在一些實施例中，甲烷、壓縮/清潔天然氣或管線品質天然氣(或任何其他合適饋料處理氣)流動至熱裂解裝置之內部體積中持續數秒，視情況經加熱，且自熱裂解裝置清除。
在104處，饋料處理氣流動至熱裂解裝置之內部體積中且與加熱元件(亦即，反應區)接觸(或緊密圍繞加熱元件或在加熱元件之附近區域中)。饋料處理氣一般具有少量或無附接至其分子之氧、硫、氯或金屬。如本文所用，少量或無意謂總的饋料處理氣之不足0.5莫耳百分比。在一些實施例中，饋料處理氣包含不足0.5莫耳%之氧或Cx Oy 複合物。(另一方面，一些實施例在饋料處理氣中使用大量氧，視過程參數及所需產物而定。) 關於連續處理實施例，饋料處理氣一般以已知、預定流動速率遞送。在一些實施例中，在遞送至熱裂解裝置之前或在處理之前，饋料處理氣視情況經預熱(例如，藉由加熱遞送導管或分段容器)。或者或組合地，氣態烴饋料可在熱裂解裝置內經加熱(例如，藉由在熱裂解裝置外部提供熱夾套或其他能源等)。在一些實施例中，饋料處理氣由液體來源提供，且使其液體達到當引入至熱裂解裝置之內部體積中時適於使饋料處理氣維持氣態之溫度及壓力。在一些實施例中，饋料處理氣經加熱至約100至約500℃，接著將氣態烴饋料遞送至內部體積。
在一些實施例中，在熱裂解裝置之內部體積內的饋料處理氣可維持在相對低壓力下。多種實例替代性壓力範圍一般包括：約0.5-10個大氣壓、約1-10個大氣壓、不足約5個大氣壓、約1至3個大氣壓及約1至2個大氣壓。與在約10至約50個大氣壓下操作之典型精煉設備相比，低壓力有利地允許使用不太昂貴的設備。
在106處，饋料處理氣例如藉由用由安置於熱裂解裝置之內部體積內的加熱元件提供之熱能加熱而經熱裂解。熱裂解裝置因此向饋料處理氣提供了充足熱能以斷裂或克服其至少一些分子鍵，從而將饋料處理氣之反應物分解或片段化為較小組分，亦即，多種固體及氣態產物。為此，舉例而言，加熱元件經加熱至約600℃至約3000℃或1600-2200℃之溫度。不意欲受理論束縛，咸信饋料處理氣藉由加熱元件提供的熱能而變成基團且片段化為多種部分。例如，在其中烴為饋料處理氣之情況下，烴分子由加熱元件加熱，該加熱元件將烴分子裂解為例如氫離子及帶電碳原子(及/或其他烴)。氫離子可締合形成雙原子氫氣。帶電碳原子形成碳奈米粒子。因此產生所需產物。
在一些實施例中，碳奈米粒子或氫氣(或其他所需產物)之任一者或兩者可使用本文所述之方法及裝置中的一些或全部但不使用催化劑(亦即，無催化劑的)而產生。本文所述之方法中不存在催化劑避免了使用昂貴的催化劑且亦避免了將諸如金屬或其他腐蝕性污染物之雜質或污染物引入碳奈米粒子或其他所需產物中。另外，存在於多種催化劑中之金屬可在氫氣中高度易燃，因此無催化劑過程避免了該等情形。
在一些實施例中，碳奈米粒子可包含如下文更充分描述之規定大小及/或幾何形狀。又，部分地或完全地經活化之碳奈米粒子及氣態產物可有利地在催化劑不存在下產生。
此外，碳奈米粒子之大小可受控制，例如粒子之直徑。一些實施例包含介於例如大約5奈米(nm)至大約300 nm直徑或更大的直徑範圍內之碳奈米粒子(諸如碳奈米洋蔥)之產生。
碳奈米粒子幾何形狀或大小或氫轉化之量可至少部分地藉由控制饋料處理氣在反應區內或在加熱元件之附近區域內的滯留時間而受控制。反應區中之滯留時間可例如藉由控制反應區之長度、饋料處理氣之流動速率或其組合來控制。合適滯留時間之實例包括在約0.1至約100秒之間。在一些實施例中，饋料處理氣具有大於約兩秒之滯留時間。又，在一些實施例中，產生部分地及/或完全地經活化之整合富勒烯同素異形體的網路。例如，碳-60 (亦即，「巴克球」)進一步包含層，諸如單壁奈米管(SWNT)及多壁奈米管(MWNT)之實質上同心層，以形成碳奈米洋蔥。至少一個實例為由石墨烯之碳-320結構圍繞的碳-60結構。
不意欲受理論限制，咸信在熱裂解裝置內產生熱梯度。例如，在熱裂解裝置之內部體積內的溫度在加熱元件處或附近最熱且在熱裂解裝置之壁附近相對較冷，其中熱梯度形成於其間。進一步相信，在熱梯度內之較高溫度及/或較高滯留時間下，形成中空及/或頸狀碳奈米洋蔥，其具有較小直徑，例如大約5 nm至大約90 nm之平均值。在該梯度之相對較低溫度區處(亦即在熱裂解裝置之壁附近)，及在較短滯留時間下，形成較大碳奈米粒子，例如150-500 nm之平均值。另外，較短滯留時間一般導致較低氫轉化。在該梯度之此等極端值之間，形成其他大小之碳奈米粒子，例如大約100 nm。因此，關於該等碳奈米洋蔥之大小之典型範圍尤其為5-500 nm、5-90 nm、5-100 nm、100-150 nm、100-500 nm及150-500 nm，視針對預熱溫度、加熱元件溫度、壓力、流動速率、滯留時間等之過程參數而定。
在108處，以任何合適方式收集一或多種固體產物，諸如碳奈米粒子。例如，該等碳奈米粒子可自氣流分離且經由旋風分離、過濾或其他適當收集或分離技術來收集。在一些實施例中，該等碳奈米粒子經由收集器，諸如下文關於圖2-7進一步論述之收集器來收集。該收集器可位於適合自熱裂解裝置之內部體積收集碳奈米粒子之位置處。在一些實施例中，電荷可應用於該收集器以用靜電吸引碳奈米粒子。
在110處，視情況收集氣態所需產物，諸如氫氣或烴氣體。具有多種沸點之多種氣態產物(例如，氫氣及其他烴之混合物)可例如藉由收集及遞送該氣態產物至蒸餾裝置以基於其相應沸點分離所需產物而獨立地經收集。在一些實施例中，收集氣態輸出物且儲存用於稍後使用。例如，在一些實施例中，輸出氣體可為氫氣(H2 )且氫氣可儲存於槽或其他合適罐中，例如用於當場或在不同位置處稍後使用。或者，在一些實施例中，熱裂解裝置可為所需產物之實際提供點產生器且該氣態輸出物經發送至另一裝置以在其中使用。在一些實施例中，一些氣態輸出物可發送至另一裝置以立即使用，而該氣態輸出物之剩餘部分可經收集且儲存。
在所需產物之收集完成時(例如，在108及/或110處)，方法100一般結束。然而，方法100可包括變化形式及/或額外處理技術。例如，方法100可包括複數個在相同或不同條件(例如，變化之溫度、流動速率及/或壓力)下操作之熱裂解裝置。例如，在該等實施例中，方法100可進一步包含至少一個與該熱裂解裝置下游之內部體積流體連通的額外熱裂解裝置。又，複數個熱裂解裝置可平行地或串聯地流體連通。
此外，方法100之一些實施例包含使用微小化氣相層析儀分析，以致可量測氫氣的輸出，以及提供關於粒子大小(例如，碳奈米粒子之長度及/或直徑及/或碳奈米粒子之形態)的資料。例如，可藉由將對應於微小化氣相層析儀結果之資料饋送至控制器以控制過程參數來提供現場反饋迴路，該等過程參數諸如饋料處理氣之流動速率、提供至加熱元件之電力、提供至氣體預熱元件之電力、用於加熱饋料導管或熱裂解裝置之外殼的熱轉移流體之流動速率或其他潛在參數中的一或多者。
方法100可為能夠連續地及/或自動地操作之連續過程。或者，方法100可為分批過程以處理預定量之饋料處理氣。又，控制器可耦合至熱裂解裝置以控制熱裂解裝置之操作。在一些實施例中，控制器可進一步經組態以與遠端電腦網路通信。在一些實施例中，控制器可進一步經組態以與一或多個額外熱裂解裝置通信且控制其操作以控制該複數個熱裂解裝置之操作。
方法100之多種實例且非限制性實施例揭示於本文中且任何實施例之所有特徵均可併入任何其他實施例內而無限制。例如，在一些實施例中，用於裂解饋料處理氣之方法100包括使饋料處理氣流動至熱裂解裝置之內部體積且與熱裂解裝置之加熱元件(亦即，反應區)接觸或在加熱元件之附近區域中，由此熱裂解饋料，從而產生如上文所述之碳產物及氫氣，而不使用催化劑(亦即，無催化劑的)。
在一些實施例中，用於裂解饋料之方法100包括使如上文所述之吹掃氣體流動至熱裂解裝置之內部體積中以自其中移除污染物，使饋料處理氣流動至熱裂解裝置之內部體積且與加熱元件接觸或在加熱元件之附近區域中以熱裂解饋料處理氣，從而產生碳產物及氫氣，而不使用催化劑(亦即，無催化劑的)，其中該饋料處理氣含有少量至無CX OY 複合物，例如其中該饋料處理氣包含大約不足0.50莫耳%之氧。
在一些實施例中，用於裂解饋料處理氣之方法100包括使如上文所述之吹掃氣體流動至熱裂解裝置之內部體積中以自其中移除污染物，使饋料處理氣流動至熱裂解裝置之內部體積且與加熱元件接觸或在加熱元件之附近區域中以熱裂解饋料處理氣，以產生碳奈米粒子(例如，固體碳奈米洋蔥、中空碳奈米洋蔥及/或頸狀碳奈米洋蔥)，該等碳奈米粒子進一步可包含單壁奈米管、多壁奈米管及/或其組合及/或石墨烯及/或高度有序熱解石墨或其類似物的額外層，其中變化之過程條件(諸如饋料處理氣流動速率、熱裂解裝置幾何形狀、預熱溫度、加熱元件操作溫度及壓力及/或饋料處理氣濃度)允許碳奈米粒子之直徑的受控調節，而不使用催化劑(亦即，無催化劑的)。又，該等方法包含作為產物氣體之氫氣的製造。
在一些實施例中，方法100使用如上文所述之第一熱裂解裝置，及第二熱裂解裝置，其中該第一熱裂解裝置及該第二熱裂解裝置經流體耦合。在一些實施例中，方法100使用第一熱裂解裝置、第二熱裂解裝置及至少一個位於該等第一及第二熱裂解裝置之間之額外熱裂解裝置，其中該第一熱裂解裝置、該第二熱裂解裝置及該至少一個額外熱裂解裝置經流體耦合。在一些實施例中，該等熱裂解裝置可串聯地、平行地或以其組合經流體耦合。進一步包含超過一個熱裂解裝置之實施例能夠減輕及/或消除非所需副產物以及控制例如氫氣及碳奈米粒子之產物的輸出。
圖2描繪了根據至少一些實施例且適用於執行上文所述之方法100之熱裂解裝置200的簡化示意視圖。熱裂解裝置200一般包括主體202、蓋子204、收集器206、處理氣供應208、氣體入口210、氣體出口212、下部通道211、上部通道213、熱轉移來源215、第一電端子216、第二電端子218、加熱元件222及支撐棒223，及出於簡便性而未示出之其他可能組件。
主體202一般界定內部體積224，加熱元件222安置於其中一部分內。主體202因此為熱裂解裝置200之加熱腔室或反應管。在一些實施例中，加熱元件222可軸向對稱地安置於內部體積224內，在熱裂解裝置200之主體202的中央縱向軸附近或圍繞該中央縱向軸同心地經安排。內部體積224中由加熱元件222延伸通過之部分被視為含有反應區226，該反應區由加熱元件222在熱裂解操作期間產生。反應區226可包括整個內部體積224或內部體積224中僅在加熱元件222之某一距離(例如，如虛線所指示)內的彼部分。
儘管反應區226 (或內部體積224)在圖2中經描繪為圓錐形狀，反應區226亦可具有其他幾何形狀。例如，可使用圓錐、圓柱體或文丘里形狀之反應區，及其他幾何形狀。此等組態中之任一者均可具有多個沿反應區之長度安置於不同位置處之入口或出口端口以控制饋料處理氣行進通過反應區之長度。
在一些實施例中，加熱元件222為一或多根電阻或導電線或長絲、金屬長絲、扁平導電條及/或其他適當熱致自由基產生器或元件，其可加熱至規定溫度。加熱元件222可由合適之過程相容性導電材料，諸如鎢、鉭或其類似物製造。加熱元件222之數目、直徑、間隔、幾何形狀、安排、材料組成等可如所需發生改變以控制溫度、區域、反應動力學、所得產物等。
在一些實施例中，加熱元件222表示單線或絞線長絲。絞線長絲亦稱作捆束線，其由一捆絞合在一起之多根個別線長絲形成。任何適當數目之個別線長絲均可用於絞線長絲中，例如4根個別線長絲或2-8根個別線長絲。在一些實施例中，絞線長絲之個別線長絲一般具有任何適當直徑，例如0.5 mm或0.5-12 mm之直徑。
在一些實施例中，加熱元件222為扁平條，而非圓線。例如，具有具1-15 mm寬度及1-4 mm厚度之矩形橫截面的扁平條已顯示出提供充足表面積以使得能夠將適當熱量轉移至饋料處理氣以將反應物裂解為所需產物。
加熱元件222由能夠用適當水準之外加電力產生所需溫度水準之任何適當電阻材料製成。用於選擇適當材料之相關因素一般包括較低熱膨脹係數、較高電阻率及較高熔點溫度。在一些實施例中，舉例而言，加熱元件222由鎢(W)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、銥(Ir)、錸(Re)、釕(Ru)、鎳鉻合金或石墨製成。鎢及鉭具有相對高熔點，該等熔點一般使其更適合作為本文中之加熱元件材料。碳化鉭具有甚至高於單獨鉭之熔點；而碳化鎢具有低於單獨鎢之熔點。與鎢相比，鉭具有較高電阻率，以及較高熱膨脹係數。在一些熱裂解條件下，鎢更有可能裂解或在其表面上形成石墨球或石墨片。較佳加熱元件材料因此一般取決於針對所需熱裂解操作之特定操作參數及熱裂解器件組態。
絞線長絲優於單線長絲之優勢在於絞線長絲具有較大表面積以在熱裂解操作期間向周圍饋料處理氣輻射熱量。使用絞線長絲時之總體熱裂解效率或轉化因此經改良或增加，由此導致所需氣態及固體產物之較大產量。在一些實施例中，針對甲烷之熱裂解，絞線長絲證明了與單線長絲相比超過50%之改良。絞線長絲優於單線長絲之另一優勢在於絞線長絲不易於斷裂，尤其在用於多個熱裂解操作之重複熱循環之後。
在所說明之實施例中，加熱元件222為線、絞線長絲或扁平條，其末端經耦合至電極228及230。加熱元件522自第一電極228延伸，在支撐棒223下向下，且返回第二電極230。支撐棒223耦合至蓋子204以用於機械穩定性且縱向向下延伸至反應區226 (或內部體積224)。
在一些實施例中，加熱元件222耦合至電源以藉由傳導來自電源之電能通過加熱元件222來引起熱量之產生。電力可由電源232經由第一及第二電端子216、218提供至加熱元件222。電端子216、218電耦合至電極228及230 (及因此至加熱元件222之末端)及至電源232。加熱元件222經組態以由電力加熱至合適溫度以解離傳遞通過熱裂解裝置200之反應區226之饋料處理氣。例如，在一些實施例中，加熱元件222可經加熱至約600℃至約3000℃或1600-2200℃之溫度。電力水準或溫度可視待解離之饋料處理氣的類型或待產生之所需產物的類型來選擇。
在一些實施例中，由電源232提供至加熱元件222之電力藉由在熱裂解操作期間之反饋迴路調節以便維持所需電力水準。關於一些類型之加熱元件材料，加熱元件222之電導率(或電阻率)歸因於加熱元件材料上之碳累積或加熱元件材料之碳化而改變。例如，鉭與碳反應形成碳鉭，其具有不同於鉭之電阻率。該反饋迴路因此偵測加熱元件222之電阻改變且調節電源232之電壓及/或安培數輸出水準以維持相對恆定電力水準，由此關於反應區維持相對恆定操作溫度。
入口210及出口212經流體耦合至主體202或蓋子204以接近內部體積224，最接近內部體積224之較大直徑末端(例如，最接近向上擴展之圓錐體的頂部，假定圓錐形狀)。處理氣供應208經耦合至入口210以向內部體積224提供饋料處理氣。在一些實施例中，收集器206經耦合至熱裂解裝置200之主體202的底部，最接近內部體積224之較小直徑末端(例如，最接近向上擴展之圓錐體的底部，假定圓錐形狀)。
在處理期間使用時，饋料處理氣經由入口210遞送至內部體積224。饋料處理氣接著藉由加熱元件222提供之熱能充分加熱以至少部分地解離其分子。來自熱解離之所得氣態產物通過出口212離開熱裂解裝置200。在其中產生諸如碳奈米粒子之解離固體產物的實施例中，該等碳奈米粒子朝向內部體積224之底部流動、降落或經下推且移動至收集器206中，其中該等碳奈米粒子經保持。
在一些實施例中，熱裂解裝置200包括熱轉移裝置以促進冷卻熱裂解裝置200之外部組件，諸如主體202。例如，在一些實施例中，通道經安置於主體202內以使由熱轉移來源215供應之熱轉移介質(諸如冷卻劑)流動。如例如圖2中所說明，下部通道211及上部通道213出於此目的如所示經提供。然而，亦可使用其他數目之通道或通道之組態。或者或組合地，外部冷卻夾套可經耦合至主體202以促進自主體202移除過量熱量。或者或組合地，熱裂解裝置200包括圍繞主體202之熱絕緣以維持其外表面在所需溫度下或低於所需溫度，例如以促進熱裂解裝置200之安全處置或使非所需反應、爆炸或可歸因於熱能而觸發或加速之其他危害減至最少。
在一些實施例中，蓋子204經耦合至熱裂解裝置200之主體202的頂部。例如，蓋子204可拆卸地耦合至主體202以提供用於清潔、維護或其類似用途之內部接近。諸如入口210及出口212之多種組件可安置於蓋子204中，如下文更詳細論述。
圖3描繪了根據一些實施例之熱裂解裝置500的簡化橫截面視圖。熱裂解裝置500實質上類似於上文所述之熱裂解裝置200，除非如下文相反指示。熱裂解裝置500一般包括具有內部體積503之主體502、耦合至主體502之頂部的蓋子504及耦合至主體502之底部的收集器506。內部體積503一般由壁509之內表面508界定。在一些實施例中，壁509用硬化元素507加固。在一些實施例中，壁509及硬化元素507為安置於主體502之外殼內(亦即，插入該外殼內)之插入物的部分。在處理期間使用時，縱向反應區510形成於內部體積503內且包括內部體積503之全部或部分，例如類似於上文所提及之反應區。反應區510由加熱元件522在熱裂解操作期間產生。主體502因此為熱裂解裝置500之加熱腔室或反應管。
在一些實施例中，熱裂解裝置500進一步包括囊封第一電極517之第一外殼516及囊封第二電極519之第二外殼518。該等第一及第二外殼516、518經耦合至如所示之蓋子504 (或主體502之上部部分)。該等第一及第二電極517、519經耦合至外部電源(未示出)且延伸至內部體積503之上部部分中且經耦合至加熱元件522之相應線耳(分別為第一及第二線耳520及521)。加熱元件522一般向前延伸至反應區503中，且一般在熱裂解裝置500或其主體502之中央縱向軸附近及圍繞該軸之位置處對稱地或同心地間隔開或偏移。熱裂解裝置500類似於如上文所述之熱裂解裝置200起作用。
在一些實施例中，加熱元件522表示單線、絞線長絲或扁平條，其末端經耦合至線耳520及521。加熱元件522自第一線耳520延伸，在石英棒523下向下，且返回第二線耳521。石英棒523經耦合至蓋子504之平頂505以用於機械穩定性。在一些實施例中，加熱元件522類似於如上文所述之加熱元件222。
圖4說明了在圖2及3中示出之實施例的一些變化形式，具有熱裂解裝置400之一部分的分解視圖(例如，在一些方面類似於熱裂解裝置200及500之一部分)。熱裂解裝置400一般包括具有外殼404及插入物406之主體402。在一些實施例中，提供冷卻通道以使來自冷卻劑來源之熱轉移介質(例如，冷卻劑)通過該等冷卻通道循環。該等冷卻通道經安置於主體402內，例如外殼404與插入物406之間。在一些實施例中，插入物406具有外表面，該外表面具有連同外殼404之內表面一起界定一或多個用於使熱轉移介質流動之通道的外部型態。在一些實施例中，提供下部環形通道408及上部環形通道410。在一些實施例中，下部環形通道408及上部環形通道410經流體耦合於主體402內。例如，一或多個開口可提供於下部環形通道408及上部環形通道410中之每一者中以使下部環形通道408及上部環形通道410中之每一者經由安置於主體402內的下部環形通道408與上部環形通道410之間及插入物406與外殼404之間之中間體積彼此耦合。在一些實施例中，插入物406具有複數個外翼412，該等外翼可安置於下部與上部環形通道408、410之間之中間體積內以促進熱量自插入物406轉移至在下部環形通道408與上部環形通道410之間流動且通過該中間體積之熱轉移介質。在一些實施例中，翼412為插入物406之整體部分。
熱轉移介質可自下部環形通道408流動至上部環形通道410或自上部環形通道410流動至下部環形通道408以促進熱量自插入物406轉移至熱轉移介質。當存在時，翼412進一步促進熱量自插入物406轉移至熱轉移介質。熱轉移供應線(未示出)可耦合至熱轉移入口414且熱轉移返回線(未示出)可耦合至主體402之熱轉移出口416 (或外殼404)以促進熱轉移介質流動至熱裂解裝置400/自熱裂解裝置400流動。
圖5描繪了熱裂解裝置500 (或200)之簡化等角視圖。如圖5所說明，熱裂解裝置500可經支撐於複數個腿720上。儘管圖3中未示出，熱裂解裝置500包括熱轉移入口702、氣體入口710及氣體出口712，其分別類似於如上文所述之熱裂解裝置500或200之熱轉移入口414、氣體入口210及氣體出口212起作用。另外，熱裂解裝置500一般包括熱轉移出口(未示出)，例如類似於上文所述之熱轉移出口416。
圖6描繪了熱裂解裝置500 (或200)之替代簡化等角視圖。如圖6所說明，熱裂解裝置500 (或200)可經支撐於複數個腿602上。
圖7描繪了根據至少一些實施例且適用於執行上文所述之方法100之熱裂解裝置900的簡化示意視圖。熱裂解裝置900一般包括上部外殼902、下部外殼904及收集器906。上部及下部外殼902及904在此實施例中統稱作「主體」。主體902/904及收集器906由不鏽鋼(例如，SST 316或SST 304)或其他適當材料形成。在一些實施例中，上部及下部外殼902及904經形成為一整件材料。在一些實施例中，上部及下部外殼902及904可拆卸地耦合至彼此以促進容易接近各外殼902及904之內部。
上部外殼902一般包括其中安置插入物910之內部，使得上部外殼902及插入物910被視作雙壁結構。插入物910包括界定內部體積908之內壁，其中全部或一部分包括由加熱元件948在熱裂解操作期間產生之縱向反應區。上部外殼902或插入物910因此被視作熱裂解裝置900之加熱腔室或反應管。
儘管插入物910以呈圓柱體之內部體積908示出，插入物910可替代地具有向下及向上漸細之圓錐形狀內表面，類似於上文關於主體202之內部體積224所述者。插入物910由諸如不鏽鋼、鈦、石墨、石英或其類似物之熱反射材料形成。
上部及下部環形支撐物912及914支撐插入物910且促進插入物910耦合或固定至上部外殼902之內部。在一些實施例中，上部及下部環形支撐物912及914由諸如陶瓷之熱絕緣材料形成。或者或組合地，上部及下部環形支撐物912及914經組態以限制在上部及下部環形支撐物912及914與插入物910之間的物理表面接觸以便減少經由將熱量自插入物910傳導至環形支撐物912及914、上部外殼902及/或其他圍繞組件而進行之熱轉移。
在一些實施例中，上部及下部環形支撐物912及914之外表面包括與上部外殼902之內壁上的相應線緊密配合之線。在一些實施例中，緊固元件(例如，螺釘)替代地用於使上部及下部環形支撐物912及914耦合至上部外殼902之內部。
在一些實施例中，熱絕緣體916經安置於插入物910與上部外殼902之內壁之間。熱絕緣體916由例如陶瓷之熱絕緣材料形成。
在一些實施例中，熱裂解裝置900一般進一步包括蓋子920。在一些實施例中，蓋子920永久地或開拆卸地耦合至上部外殼902之上部部分，或整體地與上部外殼902之上部部分一起形成。蓋子920包括入口918，其與氣體來源耦合以向蓋子920之內部體積928提供饋料處理氣，從而在熱裂解裝置900中提供饋料處理氣之一般層流。儘管入口918在蓋子920之頂部處示出，在一些實施例中，入口918可替代地經安置於蓋子920之側面以提供旋轉氣流。
在一些實施例中，饋料處理氣以一般向下方向流動提供至插入物910中。為了改良此流動，熱裂解裝置900視情況包括簇射板966，該板具有複數個通孔968 (以線描繪)以允許饋料處理氣通過其間傳遞。
在一些實施例中，蓋子920進一步包括通孔922，第一艙壁配件924通過其中經安置。電饋穿926 (例如，第一電極)延伸通過第一艙壁配件924且進入蓋子920之內部體積928中。
下部外殼904經安置於上部外殼902之下且可拆卸地耦合至上部外殼902或與上部外殼902整體地形成。下部外殼904一般包括具有開口932之平頂930，該開口通向上部外殼902之內部體積908及反應區，由此使上部外殼902之內部體積908流體連接至下部外殼904之內部體積933。
下部外殼904進一步包括孔934，第二艙壁配件936延伸通過其中。臂938 (例如，第二電極)延伸通過第二艙壁配件936至下部外殼904之內部體積933中。臂938由導電材料形成。在一些實施例中，第二艙壁配件936由電絕緣材料形成以使下部外殼904與臂938電絕緣。在一些實施例中，絕緣材料可替代地經安置於艙壁配件936與下部外殼904之間之孔934中以使下部外殼904與臂938電絕緣，該艙壁配件可為或可不為金屬或導電的。臂938一般包括在第一末端944處具有基座942之軸940。平頂930一般由於熱裂解過程之副產物積聚而遮蔽臂938之至少一部分。
上文所述之任何適當類型的一或多個加熱元件948 (示出一個)在一個末端(頂部)處經耦合至電饋穿926且在相對末端(底部)處經耦合至在主體902/904之中央縱向軸處或與該軸同心之基座942。為了使電流動通過加熱元件948，使電源(未示出)耦合至電饋穿926且使臂938之第二末端946耦合至地面(或反之亦然)。在一些實施例中，控制流動通過加熱元件948之電流以控制加熱元件948之溫度。另外，選擇加熱元件948之長度以在內部體積908中提供反應區之長度，該長度與饋料處理氣之流動速率組合控制或決定了饋料處理氣在反應區中之滯留時間。因此，為了實現特定饋料處理氣之解離且產生所需產物，在一些實施例中控制加熱元件948之長度、提供至加熱元件948的電力及饋料處理氣之流動速率，以在反應區內在預定溫度下提供饋料處理氣之預定滯留時間。
第一艙壁配件924及基座942使加熱元件948保持拉緊。然而，在操作期間，加熱元件948可經歷熱膨脹/收縮。因此，在一些實施例中，諸如彈簧之偏動元件950經耦合至加熱元件948中延伸通過基座942的末端以補償加熱元件948之熱膨脹/收縮且維持加熱元件948上之張力。
在一些實施例中，下部外殼904可進一步包括取樣端口952以促進接近下部外殼904之內部體積933以對該過程之副產物取樣。例如，氣相層析儀或質譜儀可經耦合至取樣端口952以對副產物取樣且提供關於控制所供應之饋料處理氣的量或速率及/或加熱元件948之溫度之資訊。
收集器906包括內部體積954，其中經安置篩網過濾器960。為了促進將過濾器960置放於內部體積954內，收集器906包括具有使過濾器960延伸通過之開口956的平頂958。過濾器960可包括卡箍962，該卡箍具有大於開口956之直徑，使得卡箍962擱在平頂958上。過濾器960包括複數個孔961，經裂解之氣態產物流動通過其中。該複數個孔961中之每一者均可具有經定大小以允許氣態產物流動通過其中且防止熱裂解過程之固體產物傳遞通過其中之直徑。在一些實施例中，舉例而言，各孔961具有小於1微米之直徑。收集器906進一步包括安置於過濾器960之下的氣體出口964以使熱裂解過程之氣態產物流出。
在操作中，饋料處理氣通過入口918進入熱裂解裝置900且流動通過插入物910。當饋料處理氣流過加熱元件948時，饋料處理氣經解離為構成元素或其分子。解離之固體產物經收集於過濾器960中或上，而氣態產物流動通過複數個孔961且通過氣體出口964。
儘管氣體出口964在熱裂解裝置900之底部處加以說明，氣體出口964可替代地經安置於蓋子920中，在入口918之平面上方的平面中。在該類實施例中，蓋子920之內部體積928一般包括分隔物(未示出)以分離引入之饋料處理氣與該解離/裂解過程之引出的氣態產物。又，在該類實施例中，可排除過濾器960且使收集器906電偏移以吸引該解離過程之固體產物。
圖8-12描繪了具有不同大小之碳奈米粒子(例如，碳奈米洋蔥)之實例顯微圖像。不同類型之碳奈米粒子中的每一者均可由本文所述之熱裂解裝置藉由調整其多種操作參數，例如加熱元件之溫度、經預熱之饋料處理氣的溫度、內部體積內之壓力、饋料處理氣流動速率等來產生。在一些實施例中，經整合之碳奈米粒子的分組經融合以產生固體碳奈米粒子、中空碳奈米粒子及/或頸狀碳奈米粒子，其包含球形或橢圓形狀中之一或多者。此外，碳奈米粒子可形成高度有序熱解石墨；部分地或完全地經活化之富勒烯，其為單壁奈米管、多壁奈米管及/或其組合，諸如固體碳奈米洋蔥、中空碳奈米洋蔥及/或頸狀碳奈米洋蔥，其進一步包含單壁奈米管、多壁奈米管及/或其組合之額外層；及/或石墨烯，視情況產生新穎碳同素異形體。在一些實施例中，多壁富勒烯奈米球可與至少一個單壁奈米管、多壁奈米管或兩者整合以形成經整合之富勒烯同素異形體。在一些實施例中，經整合之富勒烯同素異形體的分組可隨機地經融合，從而產生經活化碳多壁富勒烯奈米球之網路。
圖8描繪了根據一些實施例，藉由本文所述之熱裂解裝置及方法形成之碳奈米洋蔥的顯微圖像1000。圖8由透射電子顯微術(TEM)技術拍攝。圖像1000顯示了具有大約13 nm直徑之第一小碳奈米洋蔥1002及具有大約5.6 nm直徑之第二小碳奈米洋蔥1004，該等碳奈米洋蔥包含複數個以同心方式經安置之石墨烯分子1006。
圖9描繪了根據一些實施例，藉由本文所述之熱裂解裝置及方法形成之中等大小碳奈米洋蔥1102的顯微圖像1100。碳奈米洋蔥1102具有大約95 nm之直徑及中央1104。圖9由TEM技術拍攝。圖像1100亦顯示了中等大小碳奈米洋蔥1102包含複數個圍繞中央1104以同心方式經安置之石墨烯分子1106。
圖10描繪了根據一些實施例，藉由本文所述之熱裂解裝置及方法形成之頸狀碳奈米洋蔥1201的顯微圖像1200。圖10由TEM技術拍攝。頸狀碳奈米洋蔥1201包含第一碳區1202及第二碳區1204，其中第一碳區1202及第二碳區1204藉由具有單壁奈米管及/或多壁奈米管之頸狀區1206接合，從而形成具有杠鈴形狀之經結合或頸狀碳奈米洋蔥。
圖11描繪了根據一些實施例，藉由本文所述之熱裂解裝置及方法形成之大碳奈米洋蔥1302的顯微圖像1300。圖11由TEM技術拍攝。大碳奈米洋蔥1302具有球形形狀及大約300 nm之直徑。儘管因為圖像1300由較遠距離拍攝而不可見石墨烯分子，大碳奈米洋蔥1302仍包含複數個石墨烯分子，如上文關於小碳奈米洋蔥1002、1004及中等大小碳奈米洋蔥1102所論述。
圖12描繪了根據一些實施例，藉由本文所述之熱裂解裝置及方法形成之至少一種頸狀碳奈米洋蔥1401的顯微圖像1400。圖12由TEM技術拍攝。頸狀碳奈米洋蔥1401包含多個碳奈米洋蔥1402，其接合在一起如同一串或項鏈。碳奈米洋蔥1402一般藉由頸狀區(一般過小而無法在顯微圖像1400之比例下區分)，諸如單壁奈米管及/或多壁奈米管連接在一起。
圖13描繪了根據至少一些實施例之熱裂解裝置1500的簡化示意視圖。熱裂解裝置1500一般包括主體1502、頂帽總成1504、底帽總成1506、加熱元件1508、饋料處理氣預熱入口1512、第二饋料處理氣入口1514、一或多個冷卻氣體入口及出口1516及1518、冷卻流體入口及出口1520及1522以及產物出口1524，以及其他所示出(但未標記)或出於簡便性及容易說明及描述性而未示出之組件。
主體1502一般包括外殼1526、第二殼1528、內部反應器管(插入物或加熱腔室) 1530及外部反應器管1532。主體1502被視為雙壁結構或雙管反應器，因為其一般包括安置於殼1526及1528內之反應器管1530及1532兩者。(在一些實施例中，外部反應器管1532被視為圍繞內部反應器管1530之另一殼。)殼1526及1528及反應器管1530及1532一般呈圓柱體形狀，具有垂直安排之中央縱向軸。內部反應器管1530一般由石英、氧化鋁或用於抵擋反應區之操作溫度的其他適當材料製成。殼1526及1528及外部反應器管1532一般由鋼、鈦或其他適當材料製成。
頂帽總成1504及底帽總成1506一般由鋼或其他適當材料製成。頂帽總成1504及底帽總成1506分別地經安裝或附接至殼1526及1528之頂部及底部以固持殼1526及1528，該等殼彼此呈一般同心安排或關係，其間具有空間1534。殼1526與1528之間之空間1534界定了冷卻流體區。
頂部及底部插塞、帽或插入物1536及1538經安置於分別在主體1502之頂部及底部附近的第二殼1528內。頂部及底部插塞1536及1538一般由鋼或其他適當材料製成。底部插塞1538抵靠底帽總成1506之內表面或凸緣向下經安裝或設定於第二殼1528內且嚙合反應器管1530及1532之底部末端。頂部插塞1536在第二殼1528之頂部末端附近經安裝或設定於第二殼1528內且嚙合反應器管1530及1532之頂部末端。壓縮彈簧總成1540嚙合頂部插塞1536及頂帽總成1504之內表面或凸緣以按壓頂部插塞1536至反應器管1530及1532，反應器管1530及1532至底部插塞1538，且底部插塞1538至底帽總成1506之內表面或凸緣，由此將反應器管1530及1532固持於適當位置中。頂部及底部插塞1536及1538一般固持反應器管1530及1532，該等反應器管彼此且與第二殼1528呈一般同心安排或關係，在外部反應器管1532與第二殼1528之間具有空間1542，且在內部反應器管1530與外部反應器管1532之間具有空間1544。在外部反應器管1532與第二殼1528之間之空間1542界定了氣體冷卻劑區。在內部反應器管1530與外部反應器管1532之間之空間1544界定了饋料氣體預熱區。
加熱元件1508為上文所述之任何適當類型且沿主體1502或內部反應器管1530之中央縱向軸、一般與該軸同心及平行於該軸延伸。加熱元件1508在頂部末端處經安裝或附接於頂部電極總成1546，該頂部電極總成經安裝或附接於主體1502且在頂部插塞1536上方延伸通過殼1526及1528。在所說明之實施例中，加熱元件1508在底部末端處經安裝或附接於底部電極總成1548及彈簧偏動總成1550。底部電極總成1548經安裝或附接於底帽總成1506之下部部分1552且延伸通過下部部分1552以通過底部電極總成1548中之孔接觸加熱元件1508。彈簧偏動總成1550包括在圓柱體外殼1556內之彈簧1554，其經附接或經安裝於底帽總成1506之下部部分1552的下面。加熱元件1508延伸通過底帽總成1506中之孔及底部電極總成1548中之孔向下至彈簧1554的底部。加熱元件1508附接於彈簧1554的底部且藉由抵靠底部電極總成1548之下面起作用之彈簧1554經固持呈張力狀態。因此，當加熱元件1508在氣體處理或熱裂解操作期間加熱且其後冷卻時，藉由彈簧偏動總成1550補償加熱元件1508之任何熱膨脹或收縮，該彈簧偏動總成使加熱元件1508維持張力，使得加熱元件1508保持與主體1502或內部反應器管1530之中央縱向軸一般同心且平行。
內部反應器管1530之壁的內表面界定了內部體積，其中全部或一部分包括在氣體處理或熱裂解操作期間在加熱元件1508之附近區域中產生的縱向細長反應區。內部反應器管1530因此為熱裂解裝置1500之加熱或反應腔室，且主體1502或內部反應器管1530之中央縱向軸亦被視為該縱向細長反應區之中央縱向軸。
在氣體處理操作期間經由頂部電極總成1546及底部電極總成1548向加熱元件1508提供電力。頂部電極總成1546電連接至加熱元件1508之頂部或附近。底部電極總成1548電連接至加熱元件1508之底部或附近，直接地連接至加熱元件1508 (其中孔內)或經由與彈簧1554之電連接。
饋料處理氣預熱入口1512經流體連接至饋料處理氣來源(未示出)。饋料處理氣預熱入口1512亦經附接或經安裝於殼1526及1528以經由通過殼1526及1528、底部插塞1538及外部反應器管1532之孔隙或孔與饋料處理氣預熱區(空間1544)流體連通。在氣體處理操作期間，饋料處理氣自來源流動通過饋料處理氣預熱入口1512且進入饋料處理氣預熱區(空間1544)中。饋料處理氣接著跨內部反應器管1530之外表面循環。內部反應器管1530典型地歸因於其中發生之熱氣體處理而非常熱。饋料處理氣圍繞內部反應器管1530之循環因此用於雙重目的：冷卻內部反應器管1530且用自反應區通過內部反應器管1530之壁轉移的殘餘熱量預熱饋料處理氣。關於其中氣流方向向下之實施例，內部反應器管1530之壁中在饋料氣體預熱區(空間1544)之頂部附近的一系列孔或孔隙1558允許經預熱之饋料處理氣流動至內部反應器管1530 (亦即，反應區)之內部體積中。在反應區之內部體積內，經預熱之饋料處理氣圍繞加熱元件1508循環，該加熱元件進一步加熱在其附近區域中之饋料處理氣以使饋料處理氣熱裂解為構成元素及/或低級分子，亦即氣態及固體產物。另一方面，關於其中氣流方向向上之實施例，內部反應器管1530之壁中的該系列孔或孔隙1558經置放於饋料氣體預熱區(空間1544)之底部附近且饋料處理氣預熱入口1512經置放於饋料氣體預熱區之頂部附近。
在一些實施例中，第二饋料處理氣入口1514經流體連接至其中浮動或懸浮有額外粒子(例如，矽(Si)、碳化矽(SiC)或能夠抵抗該過程之高溫而不熔化之其他適當材料的奈米粒子)之氣體(例如，第二饋料處理氣)的來源(未示出)。第二饋料處理氣入口1514經附接或經安裝於殼1526及1528以經由通過殼1526及1528、頂部插塞1536及內部反應器管1530之孔隙與內部反應器管1530之內部體積流體連通。在氣體處理操作期間，具有額外粒子之饋料處理氣自來源流動通過第二饋料處理氣入口1514、通過一系列孔或孔隙1560 (內部反應器管1530之壁中，在其頂部附近)且進入內部反應器管1530 (亦即，反應區)之內部體積中。在反應區之內部體積內，具有額外粒子之饋料處理氣與經預熱之饋料處理氣混合。在一些實施例中，該等額外粒子之熔點在約500-1000℃下或高於約500-1000℃。該等額外粒子經加熱之溫度一般地取決於多種過程參數，諸如加熱元件1508之溫度、饋料處理氣之流動速率、反應區之縱向長度及該等額外粒子在反應區內度過的時間。因此，由於過程參數經設定使得當該等額外粒子傳遞通過反應區時其經加熱至低於其熔點之溫度，由饋料處理氣(例如，甲烷、天然氣或其他烴)產生之固體碳產物(例如，石墨烯)一般地形成圍繞該等額外粒子之塗層。該塗層一般包括固體碳產物之一或多個層，諸如圍繞各額外粒子之一或多個同心石墨烯層。以此方式，在反應區內形成經碳塗佈之奈米粒子。另外，在一些實施例中，該等額外粒子在反應區中充當饋料處理氣之熱裂解的催化劑。
在一些實施例中，具有額外粒子之饋料處理氣、第二饋料處理氣入口1514及該系列孔或孔隙1560被視為視情況存在的或不包括於熱裂解裝置1500中。
在一些實施例中，冷卻氣體入口及出口1516及1518經附接或經安裝於殼1526及1528以經由通過殼1526及1528之孔隙或孔與在外部反應器管1532與第二殼1528之間的氣體冷卻劑區(亦即，空間1542)流體連通。在氣體處理操作期間，冷卻劑氣體(例如，空氣、氮氣、稀有氣體等)自其來源流動通過冷卻氣體入口1516，且進入氣體冷卻劑區(空間1542)。冷卻劑氣體因此在氣體冷卻劑區內循環，自外部反應器管1532吸收一些熱量(由此用於冷卻外部反應器管1532)，且通過出口1518離開以經冷卻、再循環、棄去或儲存。
在一些其他實施例中，在外部反應器管1532與第二殼1528之間的空間1542經熱絕緣或傳導材料填充，而非在其中具有冷卻劑氣流。在多種實施例中，用於空間1542之冷卻劑氣體或熱絕緣或傳導材料之使用或選擇一般取決於關於熱裂解裝置1500的總體組態、饋料處理氣之類型、所需固體及/或氣態產物之類型或特徵及/或氣體處理操作之過程參數的熱需求。換言之，不同實施例一般具有不同熱需求。
在一些實施例中，冷卻流體入口及出口1520及1522經附接或經安裝於外殼1526以經由通過外殼1526之孔隙或孔與在殼1526與1528之間的冷卻流體區(亦即，空間1534)流體連通。在氣體處理操作期間，冷卻劑流體(例如，水等)自其來源流動通過冷卻流體入口1520，且進入冷卻流體區(空間1534)。冷卻劑流體因此在冷卻流體區內循環，自第二殼1528吸收一些熱量(由此冷卻第二殼1528)，且通過出口1522離開以經冷卻、再循環、棄去或儲存。以此方式，冷卻劑流體之作用或冷卻劑流體及冷卻劑氣體之組合作用確保了熱裂解裝置1500 (亦即，主體1502或外殼1526)之外表面保持冷卻，或並未變得過熱而對附近設備或人員造成危險。
在所說明之實施例中，關於其中氣流方向向下之實施例，產物出口1524經安裝或附接於底帽總成1506之下部部分1552。(另一方面，關於其中氣流方向向上之實施例，產物出口1524經安裝或附接於內部反應器管1530之內部體積的頂部附近。) 固體及氣態產物一般流出底帽總成1506，例如通過一系列通過底帽總成1506通向產物出口1524之通道，且接著流動至適當儲存裝置、漏斗或另一接收機制1562。在一些實施例中，氣態及固體產物進入漏斗1562且在文丘里輔助及氮氣流下排氣。固體產物藉由自產物出口1524拆卸漏斗1562且將其傾出而經移除。氣態產物藉由自漏斗1562流動通過氣態產物出口1564而經移除。氣態產物出口1564經安裝或附接於漏斗1562以提供與漏斗1562之內部的流體連接。氣態產物出口1564亦經流體連接至下游儲存裝置或其他氣體處理裝置。氣態產物因此通過氣態產物出口1564流出至下游儲存裝置或其他氣體處理裝置。下文關於圖14描述一些併入替代排氣系統技術之實施例，該技術可用於熱裂解裝置1500，其中存在適當調節或修改。另外，在一些實施例中，不同漏斗(例如，具有相同或不同設計或組態)用於不同應用。例如，當產生固體碳產物時使用一種漏斗，且當產生經碳塗佈之奈米粒子時使用不同漏斗。因此，底帽總成1506及與產物出口1524及/或漏斗1562之連接關於漏斗1562之移除及替換經設計，使得清潔或不同漏斗1562可經附接用於各應用。
在一些情形中，一些固體產物可積聚於內部反應器管1530之內部體積內，例如內部反應器管1530及/或加熱元件1508之壁的內表面上。一些實施例亦可使用任何適當結構或子總成來強行地移除固體產物或清潔反應區。
圖14描繪了根據至少一些實施例之熱裂解裝置1600的簡化示意視圖。關於熱裂解裝置1600所述之一些特徵可應用於關於圖13中之熱裂解裝置1500所示的實施例，且上文關於熱裂解裝置1500所述之一些特徵可應用於如下文將描述之熱裂解裝置1600的實施例。
熱裂解裝置1600一般包括主體1602、頂帽總成1604、底帽總成1606、加熱元件1608、饋料處理氣入口1612、第二饋料處理氣入口1614、一或多個冷卻氣體入口及出口1616及1618、冷卻流體入口及出口1620及1622、氣態產物出口1624及固體產物出口1626，以及其他所示出(但未標記)或出於簡便性及容易說明及描述性而未示出之組件。
主體1602一般包括外殼1628、第二殼1630及反應器管(加熱腔室) 1632。主體1602被視為單壁結構或單管反應器，因為其一般包括安置於殼1628及1630內之僅單一反應器管1632。因此，圖14之單壁結構或單管反應器實施例為圖13之雙壁結構或雙管反應器實施例的替代。殼1628及1630及反應器管1632一般呈圓柱體形狀，具有垂直安排之中央縱向軸。反應器管1632一般由石英、氧化鋁或用於抵擋反應區之操作溫度的其他適當材料製成。殼1628及1630一般由鋼、鈦或其他適當材料製成。
頂帽總成1604及底帽總成1606一般由鋼或其他適當材料製成。頂帽總成1604及底帽總成1606分別地經安裝或附接於殼1628及1630之頂部及底部以固持殼1628及1630，該等殼彼此呈一般同心安排或關係，其間具有空間1634。殼1628與1630之間之空間1634界定了冷卻流體區。
頂部及底部插塞、帽或插入物1636及1638經安置於分別在主體1602之頂部及底部附近的第二殼1630內。頂部及底部插塞1636及1638一般由鋼或其他適當材料製成。底部插塞1638抵靠底帽總成1606之內表面或凸緣向下經安裝或設定於第二殼1630內且嚙合反應器管1632之底部末端。頂部插塞1636在第二殼1630之頂部末端附近經安裝或設定於第二殼1630內且嚙合反應器管1632之頂部末端。反應器管1632及頂部及底部插塞1636及1638一般藉由任何適當構件，例如上文關於圖13所述者經固持於適當位置中。頂部及底部插塞1636及1638一般固持反應器管1632，該反應器管呈與第二殼1630之一般同心安排或關係，在反應器管1632與第二殼1630之間具有空間1640。在反應器管1632與第二殼1630之間之空間1640界定了氣體冷卻劑區。
加熱元件1608為上文所述之任何適當類型且沿主體1602或反應器管1632之中央縱向軸、一般與該軸同心及平行於該軸延伸。加熱元件1608 (在其頂部末端處或附近)接觸頂部電極總成1642，該頂部電極總成經安裝或附接於主體1602且在頂部插塞1636上方延伸通過殼1628及1630。另外，加熱元件1608在頂部末端處通過頂部電極總成1642中之孔及頂帽總成1604之下部部分中的孔經安裝或附接於張力總成1644 (例如，氣動張力器件、彈簧偏動總成等)。加熱元件1608亦在底部末端處經安裝或附接於底部電極總成1646。底部電極總成1646經安裝或附接於底帽總成1606之下部部分1648且延伸通過下部部分1648以沿下部部分1648之縱向軸在一點處連接至加熱元件1608，該縱向軸與主體1602或反應器管1632之縱向軸共軸。加熱元件1608延伸通過底帽總成1606之凸緣1650中的孔向下至底部電極總成1646。加熱元件1608藉由抵靠頂帽總成1604之上部部分起作用之張力總成1644經固持呈張力狀態。因此，當加熱元件1608在氣體處理或熱裂解操作期間加熱且其後冷卻時，藉由張力總成1644補償加熱元件1608之任何熱膨脹或收縮，該張力總成使加熱元件1608維持張力，使得加熱元件1608保持與主體1602或內部反應器管1632之中央縱向軸一般同心且平行。
關於圖14所述之使用頂部及底部電極1642及1646及張力總成1644來安裝或附接加熱元件1608之技術為替代實施例，該實施例可應用於圖13所示之總體實施例，給出適當修改以支撐此替代結構。另一方面，關於圖13所述之使用頂部及底部電極1546及1548及彈簧偏動總成1550來安裝或附接加熱元件1508之技術為替代實施例，該實施例可應用於圖14所示之總體實施例，給出適當修改以支撐此替代結構。
反應器管1632之壁的內表面界定了內部體積，其中全部或一部分包括在氣體處理或熱裂解操作期間在加熱元件1608之附近區域中產生的縱向細長反應區。反應器管1632因此為熱裂解裝置1600之加熱或反應腔室，且主體1602或反應器管1632之中央縱向軸亦被視為該縱向細長反應區之中央縱向軸。
在氣體處理操作期間經由頂部電極總成1642及底部電極總成1646向加熱元件1608提供電力。頂部電極總成1642電連接至加熱元件1608之頂部或附近。底部電極總成1646電連接至加熱元件1608之底部或附近。
饋料處理氣入口1612經流體連接至饋料處理氣來源(未示出)。饋料處理氣入口1612亦經附接或經安裝於殼1628及1630以經由通過殼1628及1630、頂部插塞1636及反應器管1632之孔隙或孔與反應器管1632之內部體積流體連通。在氣體處理操作期間，關於其中氣流方向向下之實施例，饋料處理氣自來源流動通過饋料處理氣入口1612且通過反應器管1632之壁中在反應器管1632之頂部附近的一系列孔或孔隙1652進入反應器管1632之內部體積(反應區)中。在反應區之內部體積內，饋料處理氣圍繞加熱元件1608循環，該加熱元件加熱在其附近區域中之饋料處理氣以使饋料處理氣熱裂解為構成元素及/或低級分子，亦即氣態及固體產物。另一方面，關於其中氣流方向向上之實施例，饋料處理氣入口1612及在反應器管1632之壁中的該系列孔或孔隙1652經置放於反應器管1632之底部附近。
在一些實施例中，第二饋料處理氣入口1614經流體連接至其中浮動有額外粒子(例如，奈米粒子)之第二饋料處理氣的來源(未示出)。第二饋料處理氣入口1614經由殼1628及1630及頂部插塞1636經附接或經安裝以經由通過殼1628及1630及頂部插塞1636之孔隙或孔與反應器管1632之內部體積流體連通。在氣體處理操作期間，具有額外粒子之饋料處理氣自來源流動通過第二饋料處理氣入口1614進入反應器管1632 (亦即，反應區)之內部體積中。在反應區之內部體積內，具有額外粒子之饋料處理氣與來自饋料處理氣入口1612之饋料處理氣混合。該等額外粒子(例如，矽、碳化矽等之奈米粒子)
輔助加熱，及因此饋料處理氣在反應區中之熱裂解。在一些實施例中，具有額外粒子之饋料處理氣及第二饋料處理氣入口1614被視為視情況存在的或不包括於熱裂解裝置1500中。
關於圖14所述之通過第二饋料處理氣入口1614提供具有額外粒子之饋料處理氣的技術為替代實施例，該實施例可應用於圖13所示之總體實施例，給出適當修改以支撐此替代結構。另一方面，關於圖13所述之通過第二饋料處理氣入口1514提供具有額外粒子之饋料處理氣的技術為替代實施例，該實施例可應用於圖14所示之總體實施例，給出適當修改以支撐此替代結構。
在一些實施例中，冷卻氣體入口及出口1616及1618經附接或經安裝於殼1628及1630以經由通過殼1628及1630之孔隙或孔與在反應器管1632與第二殼1630之間的氣體冷卻劑區(亦即，空間1640)流體連通。在氣體處理操作期間，冷卻劑氣體(例如，空氣、氮氣、稀有氣體等)自其來源流動通過冷卻氣體入口1616，且進入氣體冷卻劑區(空間1640)。冷卻劑氣體因此在氣體冷卻劑區內循環，自反應器管1632吸收一些熱量(由此用於冷卻反應器管1632)，且通過出口1618離開以經冷卻、再循環、棄去或儲存。
在一些其他實施例中，在反應器管1632與第二殼1630之間的空間1640經熱絕緣或傳導材料填充，而非在其中具有冷卻劑氣流。在多種實施例中，用於空間1640之冷卻劑氣體或熱絕緣或傳導材料之使用或選擇一般取決於關於熱裂解裝置1600的總體組態、饋料處理氣之類型、所需固體及/或氣態產物之類型或特徵及/或氣體處理操作之過程參數的熱需求。換言之，不同實施例一般具有不同熱需求。
在一些實施例中，冷卻流體入口及出口1620及1622經附接或經安裝於外殼1628以經由通過外殼1628之孔隙或孔與在殼1628與1630之間的冷卻流體區(亦即，空間1634)流體連通。在氣體處理操作期間，冷卻劑流體(例如，水等)自其來源流動通過冷卻流體入口1620，且進入冷卻流體區(空間1634)。冷卻劑流體因此在冷卻流體區內循環，自第二殼1630吸收一些熱量(由此冷卻第二殼1630)，且通過出口1622離開以經冷卻、再循環、棄去或儲存。以此方式，冷卻劑流體之作用或冷卻劑流體及冷卻劑氣體之組合作用確保了熱裂解裝置1600 (亦即，主體1602或外殼1628)之外表面保持冷卻，或並未變得過熱而對附近設備或人員造成危險。
在所說明之實施例中，熱裂解裝置1600進一步包括一次漏斗1656及二次漏斗1658。(如上文關於漏斗1562所提及，在一些實施例中，不同漏斗1656及/或1658用於不同應用，因此熱裂解裝置1600經設計具有用於漏斗1656及/或1658之移除及替換的附接機制，以致清潔或不同漏斗1656及/或1658可經附接用於各應用。) 一次漏斗1656經安裝或附接於底帽總成1606之下部部分1648。一次漏斗1656一般具有下部及上部部分1660及1662及下部及上部過濾器1664及1666。底帽總成1606之下部部分1648延伸通過上部部分1662及上部過濾器1666向下至下部部分1660以在反應器管1632之內部體積與下部部分1660之間提供流體連接。上部過濾器1666一般分離下部及上部部分1660及1662。下部過濾器1664經安置於下部部分1660之底部處或附近，在固體產物出口1626處。固體產物出口1626經安裝或附接於下部部分1660，在其底部處或附近。氣態產物出口1624經安裝或附接於上部部分1662 (在其側面處或附近)以在上部部分1662與二次漏斗1658之間提供流體連接。
在氣體處理操作期間，關於其中氣流方向向下之實施例，氣態及固體產物自反應器管1632之內部體積向下降落或流動，通過凸緣1650中之孔，通過底帽總成1606的下部部分1648，且進入一次漏斗1656之下部部分1660。固體產物一般繼續降落且通過固體產物出口1626傳遞出。所需固體產物典型地為上文所述之碳奈米粒子；然而，一些較大聚集體粒子、碎片或薄片材料有時亦可形成於反應器管1632內且向下降落至一次漏斗1656中。下部過濾器1664一般經設計或選擇以能夠捕捉此等較大粒子且允許所需固體產物傳遞通過至固體產物出口1626。較大粒子定期地自一次漏斗1656移除。另一方面，關於其中氣流方向向上之實施例，固體產物在反應器管1632之頂部附近流出該反應器管，除非固體產物足夠重以逆著氣流降落，在該情況下固體產物出口可經置放於反應器管1632之底部附近，類似於先前所述之情況。
關於其中氣流方向向下之實施例，氣態產物一般被迫自反應器管1632向下流動(沿箭頭1668的方向)，進入一次漏斗1656之下部部分1660，向上通過上部過濾器1666，進入下部部分1662，且通過氣態產物出口1624流出。(另一方面，關於其中氣流方向向上之實施例，氣態產物一般被迫在反應器管1632之頂部附近流出該反應器管。) 一些固體產物(諸如較小粒子)可潛在地在氣態產物之流動中經清掃乾淨，而非降落至如上文所提及之一次漏斗1656的底部。上部過濾器1666一般經設計或選擇以能夠捕捉此等粒子，該等粒子最終與其他固體產物一起通過固體產物出口1626經移除。超音波端口1670 (經安裝或附接於上部部分1662)提供超音波或機械振動輔助以藉由上部過濾器1666移除此等粒子。氣態產物在文丘里輔助及氮氣流下通過氣態產物出口1624排氣至二次漏斗1658。大多數固體產物此時已自氣態產物移除，但一些固體產物仍可保持。因此，經由旋風分離器或電沈澱執行額外氣體/固體分離以在二次漏斗1658處進行進一步分離。氣態產物接著藉由自二次漏斗1658流動通過氣態產物出口1672而經移除。氣態產物出口1672經安裝或附接於二次漏斗1658以提供與漏斗1658之內部的流體連接。氣態產物出口1672亦經流體連接至下游儲存裝置或其他氣體處理裝置。氣態產物因此通過氣態產物出口1564流出至下游儲存裝置或其他氣體處理裝置。
關於圖14所述之通過漏斗1656及1658排氣且分離氣態及固體產物的排氣系統技術為替代實施例，該實施例可應用於圖13所示之總體實施例，給出適當修改以支撐此替代結構。另一方面，關於圖13所述之通過漏斗1562排氣且分離氣態及固體產物的排氣系統技術為替代實施例，該實施例可應用於圖14所示之總體實施例，給出適當修改以支撐此替代結構。
在一些情形中，一些固體產物可積聚於反應器管1632之內部體積內，例如反應器管1632及/或加熱元件1608之壁的內表面上。一些實施例亦可使用任何適當結構或子總成來強行地移除固體產物或清潔反應區。
圖15描繪了根據至少一些實施例之用於裂解饋料處理氣之方法1800的簡化過程流程圖，該方法可為圖1所示之方法100的替代實施例或更詳述實施例，使得方法1800之步驟連同方法100之步驟中的全部或一些或替代該等步驟執行。特定步驟、步驟之組合及步驟之次序僅出於說明性及解釋性目的而示出。其他實施例可包括其他步驟、步驟之組合及/或步驟之次序以實現通常相似之結果。
方法1800及其變化形式可在如本文所揭示之能夠根據本文所提供之教示控制的任何合適熱裂解裝置中進行。合適裝置之實施例之說明性而非限制性實例在上文中關於圖2-7、13及14描述。
在開始方法1800時(在1802處)，饋料處理氣來源(或具有及不具有額外奈米粒子之來源)經開啟且使熱裂解裝置加熱至操作溫度(例如，使得反應器管或加熱腔室之內壁的溫度達到至少200℃)。在一些實施例中，產物分離及排氣組件或總成(例如，自所需產物離開加熱腔室至下游儲存或其他處理組件之時刻)亦經加熱至約300℃之溫度或防止揮發性有機材料或化合物經吸收於所收集之固體產物中的其他適當溫度且維持在該溫度下。在一些實施例中，此時使吹掃氣體流動通過如上文所述之熱裂解裝置(亦即，加熱腔室)之內部體積。
關於併入圖13所示之預熱特徵(或其他合適預熱結構)之實施例，饋料處理氣(不具有額外奈米粒子)經饋送(在1804處)至熱裂解裝置中(例如，在底部處，如圖13所示)以在進入反應區之前進行預熱。饋料處理氣因此圍繞加熱腔室(例如，反應管或熱裂解裝置之主體的插入物)循環以冷卻加熱腔室且預熱饋料處理氣。
經預熱之饋料處理氣(或關於未包括預熱特徵之實施例，未經預熱之饋料處理氣)接著進入加熱腔室之反應區且(在1806處)在圍繞加熱元件之反應區內經熱裂解。在一些實施例中，用加熱元件在高於1600℃且低於2200℃之分子裂解溫度、在高於1 slm (標準公升/分鐘)之速率下的氣體流動及200℃之加熱腔室(亦即，內部體積)之壁的最低溫度下執行熱裂解。其他實施例可使用針對此等操作參數(例如，如本文所提及)之其他值，取決於熱裂解裝置之總體組態、饋料處理氣之類型、所需固體及/或氣態產物之類型或特徵及/或氣體處理操作之過程參數以及其他潛在考慮因素的熱需求。
執行反應區清潔循環(在1808處)，例如藉由活化適當固體產物移除機制。在一些實施例中，每隔數秒或數分鐘，例如在最少100秒至最多600秒或其他適當時間間隔下(取決於碳沈積速率)執行該清潔循環，以確保加熱腔室及加熱元件之內表面保持相對清潔。實驗已顯示出與其中不執行清潔循環之實例過程相比，當定期地執行該清潔循環時，熱裂解裝置之總體操作效率實質上較高，由此導致氣態及固體產物之實質上較大生產率，即使在較低溫度及較高流動速率下亦如此。在一些實施例中，操作效率或生產率之改良大概為約25-30%。
氣態產物及固體產物通過獨立氣態及固體產物出口或同一經組合產物出口流出熱裂解裝置，或自熱裂解裝置經收集(在1810處)。在一些實施例中，氣態及固體產物進入漏斗，用超音波或機械振動輔助過濾，且在文丘里輔助及氮氣流下排氣。在一些實施例中，經由在初始分離漏斗下游之旋風分離器或電沈澱執行(在1812處)額外氣體/固體分離。在一些實施例中，未經消除之氣體/固體材料經發送(在1814處)至濕式及/或乾式洗滌器。
儘管已在上文中詳細描述了數個實例實施例，熟習此項技術者應理解多種修改可能存在於實施例中而不會本質上偏離本文所揭示之教示。任何及所有該等修改均意欲包括於本發明之實施例中，且可設計其他實施例而不偏離其範疇。
100‧‧‧方法200‧‧‧熱裂解裝置202‧‧‧主體204‧‧‧蓋子206‧‧‧收集器208‧‧‧處理氣供應210‧‧‧氣體入口211‧‧‧下部通道212‧‧‧氣體出口213‧‧‧上部通道215‧‧‧熱轉移來源216‧‧‧第一電端子218‧‧‧第二電端子222‧‧‧加熱元件223‧‧‧支撐棒224‧‧‧內部體積226‧‧‧反應區228‧‧‧第一電極230‧‧‧第二電極232‧‧‧電源400‧‧‧熱裂解裝置402‧‧‧主體404‧‧‧外殼406‧‧‧插入物408‧‧‧下部環形通道410‧‧‧上部環形通道412‧‧‧外翼414‧‧‧熱轉移入口416‧‧‧熱轉移出口500‧‧‧熱裂解裝置502‧‧‧主體503‧‧‧內部體積504‧‧‧蓋子505‧‧‧平頂506‧‧‧收集器507‧‧‧硬化元素508‧‧‧內表面509‧‧‧壁510‧‧‧縱向反應區516‧‧‧第一外殼517‧‧‧第一電極518‧‧‧第二外殼519‧‧‧第二電極520‧‧‧第一線耳521‧‧‧第二線耳522‧‧‧加熱元件523‧‧‧石英棒602‧‧‧腿702‧‧‧熱轉移入口710‧‧‧氣體入口712‧‧‧氣體出口720‧‧‧腿900‧‧‧熱裂解裝置902‧‧‧上部外殼904‧‧‧下部外殼906‧‧‧收集器908‧‧‧內部體積910‧‧‧插入物912‧‧‧上部環形支撐物914‧‧‧下部環形支撐物916‧‧‧熱絕緣體918‧‧‧入口920‧‧‧蓋子922‧‧‧通孔924‧‧‧第一艙壁配件926‧‧‧電饋穿928‧‧‧內部體積930‧‧‧平頂932‧‧‧開口933‧‧‧內部體積934‧‧‧孔936‧‧‧第二艙壁配件938‧‧‧臂940‧‧‧軸942‧‧‧基座944‧‧‧第一末端946‧‧‧第二末端948‧‧‧加熱元件950‧‧‧偏動元件952‧‧‧取樣端口954‧‧‧內部體積956‧‧‧開口958‧‧‧平頂960‧‧‧篩網過濾器961‧‧‧孔962‧‧‧卡箍964‧‧‧氣體出口966‧‧‧簇射板968‧‧‧通孔1000‧‧‧顯微圖像1002‧‧‧第一小碳奈米洋蔥1004‧‧‧第二小碳奈米洋蔥1006‧‧‧石墨烯分子1100‧‧‧顯微圖像1102‧‧‧中等大小碳奈米洋蔥1104‧‧‧中央1106‧‧‧石墨烯分子1200‧‧‧顯微圖像1201‧‧‧頸狀碳奈米洋蔥1202‧‧‧第一碳區1204‧‧‧第二碳區1206‧‧‧頸狀區1300‧‧‧顯微圖像1302‧‧‧大碳奈米洋蔥1400‧‧‧顯微圖像1401‧‧‧頸狀碳奈米洋蔥1402‧‧‧碳奈米洋蔥1500‧‧‧熱裂解裝置1502‧‧‧主體1504‧‧‧頂帽總成1506‧‧‧底帽總成1508‧‧‧加熱元件1512‧‧‧饋料處理氣預熱入口1514‧‧‧第二饋料處理氣入口1516‧‧‧冷卻氣體入口1518‧‧‧冷卻氣體出口1520‧‧‧冷卻流體入口1522‧‧‧冷卻流體出口1524‧‧‧產物出口1526‧‧‧外殼1528‧‧‧第二殼1530‧‧‧內部反應器管(插入物或加熱腔室)1532‧‧‧外部反應器管1534‧‧‧空間1536‧‧‧頂部插塞、帽或插入物1538‧‧‧底部插塞、帽或插入物1540‧‧‧壓縮彈簧總成1542‧‧‧空間1544‧‧‧空間1546‧‧‧頂部電極總成1548‧‧‧底部電極總成1550‧‧‧彈簧偏動總成1552‧‧‧下部部分1554‧‧‧彈簧1556‧‧‧圓柱體外殼1558‧‧‧一系列孔或孔隙1560‧‧‧一系列孔或孔隙1562‧‧‧另一接收機制/漏斗1564‧‧‧氣態產物出口1600‧‧‧熱裂解裝置1602‧‧‧主體1604‧‧‧頂帽總成1606‧‧‧底帽總成1608‧‧‧加熱元件1612‧‧‧饋料處理氣入口1614‧‧‧第二饋料處理氣入口1616‧‧‧冷卻氣體入口1618‧‧‧冷卻氣體出口1620‧‧‧冷卻流體入口1622‧‧‧冷卻流體出口1624‧‧‧氣態產物出口1626‧‧‧固體產物出口1628‧‧‧外殼1630‧‧‧第二殼1632‧‧‧反應器管(加熱腔室)1634‧‧‧空間1636‧‧‧頂部插塞、帽或插入物1638‧‧‧底部插塞、帽或插入物1640‧‧‧空間1642‧‧‧頂部電極總成1644‧‧‧張力總成1646‧‧‧底部電極總成1648‧‧‧下部部分1650‧‧‧凸緣1652‧‧‧一系列孔或孔隙1656‧‧‧一次漏斗1658‧‧‧二次漏斗1660‧‧‧下部部分1662‧‧‧上部部分1664‧‧‧下部過濾器1666‧‧‧上部過濾器1668‧‧‧箭頭1670‧‧‧超音波端口1672‧‧‧氣態產物出口1800‧‧‧方法
圖1描繪了根據至少一些實施例之用於裂解饋料處理氣之方法的簡化過程流程圖。
圖2描繪了根據至少一些實施例之裂解裝置的簡化示意視圖。
圖3描繪了根據至少一些實施例之裂解裝置的簡化橫截面視圖。
圖4描繪了根據至少一些實施例之裂解裝置的簡化等角分解視圖。
圖5描繪了根據至少一些實施例之在圖3中示出之裂解裝置的簡化等角視圖。
圖6描繪了根據至少一些實施例之圖3之裂解裝置的簡化等角視圖。
圖7描繪了根據至少一些實施例之裂解裝置的簡化示意視圖。
圖8-12描繪了根據至少一些實施例之碳奈米粒子的實例顯微圖像。
圖13描繪了根據至少一些實施例之裂解裝置的簡化示意視圖。
圖14描繪了根據至少一些實施例之裂解裝置的簡化示意視圖。
圖15描繪了根據至少一些實施例之用於裂解饋料處理氣之方法的簡化過程流程圖。
200‧‧‧熱裂解裝置
202‧‧‧主體
204‧‧‧蓋子
206‧‧‧收集器
208‧‧‧處理氣供應
210‧‧‧氣體入口
211‧‧‧下部通道
212‧‧‧氣體出口
213‧‧‧上部通道
215‧‧‧熱轉移來源
216‧‧‧第一電端子
218‧‧‧第二電端子
222‧‧‧加熱元件
223‧‧‧支撐棒
224‧‧‧內部體積
226‧‧‧反應區
228‧‧‧第一電極
230‧‧‧第二電極
232‧‧‧電源

Claims (17)

  1. 一種用於解離饋料處理氣之方法，其包含：提供一熱裂解裝置，該熱裂解裝置具有一具有一縱向軸之內部體積及一在該內部體積內沿該縱向軸經安置的細長加熱元件；藉由電力加熱該細長加熱元件至一分子裂解溫度以在該內部體積內產生一縱向細長反應區；使一饋料處理氣流動至該內部體積中且縱向通過該縱向細長反應區，其中該饋料處理氣藉由來自該細長加熱元件之熱量加熱；當該饋料處理氣流動通過該縱向細長反應區時，使該縱向細長反應區內之該饋料處理氣的分子熱裂解為其構成組分；及收集該等構成組分；其中：該饋料處理氣包含烴氣體；及該等構成組分包含氫氣及碳奈米粒子。
  2. 如請求項1之方法，其中：該等碳奈米粒子包括頸狀碳奈米洋蔥。
  3. 如請求項1之方法，其中：該等碳奈米粒子包括以下至少一者：碳奈米洋蔥、碳奈米球、石墨烯、石墨、高度有序熱解石墨、單壁奈米管及多壁奈米管。
  4. 如請求項1之方法，其中：該等碳奈米粒子具有5-500nm之大小範圍。
  5. 如請求項1之方法，其進一步包含：在使該饋料處理氣流動至該內部體積中之前，藉由使該饋料處理氣流動通過在該熱裂解裝置之一加熱腔室與一殼之間的一氣體預熱區來預熱該饋料 處理氣，其中該加熱腔室經安置於該殼內且該加熱腔室含有該縱向細長反應區。
  6. 如請求項5之方法，其中：該饋料處理氣之該預熱亦冷卻該加熱腔室。
  7. 如請求項5之方法，其中：該饋料處理氣之該預熱會加熱該饋料處理氣至100-500℃。
  8. 如請求項1之方法，其中：該內部體積具有一沿該縱向軸具有一恆定直徑之圓柱體形狀。
  9. 如請求項1之方法，其中：該內部體積沿該饋料處理氣之流動方法向上漸細。
  10. 如請求項1之方法，其中：該加熱元件之該分子裂解溫度為1600-2200℃；該饋料處理氣之一流動速率大於1標準公升/分鐘；及該饋料處理氣在該縱向細長反應區內之一滯留時間為0.1-100秒。
  11. 如請求項1之方法，其中：該加熱元件之該分子裂解溫度為600-3000℃。
  12. 如請求項1之方法，其中：該饋料處理氣在該內部體積內之一壓力為0.5-10個大氣壓。
  13. 如請求項1之方法，其進一步包含：在使該饋料處理氣流動至該內部體積中之前，使一吹掃氣體以0.5-10標準公升/分鐘之流動速率流動通過具有在600-3000℃之一溫度下的該加熱元件之該內部體積持續5-80分鐘。
  14. 如請求項1之方法，其中：該內部體積之一壁之一溫度為至少200℃。
  15. 一種用於解離饋料處理氣之方法，其包含：提供一熱裂解裝置，該熱裂解裝置具有一具有一縱向軸之內部體積及一在該內部體積內沿該縱向軸經安置的細長加熱元件；藉由電力加熱該細長加熱元件至一分子裂解溫度以在該內部體積內產生一縱向細長反應區；使一饋料處理氣流動至該內部體積中且縱向通過該縱向細長反應區，其中該饋料處理氣藉由來自該細長加熱元件之熱量加熱；當該饋料處理氣流動通過該縱向細長反應區時，使該縱向細長反應區內之該饋料處理氣的分子熱裂解為其構成組分；使其中具有奈米粒子之一氣體流動至該內部體積中且通過該縱向細長反應區以與該饋料處理氣混合；在該等奈米粒子周圍形成該等構成組分之固體產物的塗層；及收集該等構成組分。
  16. 如請求項15之方法，其進一步包含：加熱該等奈米粒子至一低於該等奈米粒子之500-1000℃之一熔點的溫度。
  17. 如請求項15之方法，其中：該等奈米粒子為以下至少一者：矽及碳化矽；該固體產物為石墨烯；及該固體產物之該塗層為該石墨烯之一或多個同心層。
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