CN101475159A - 制造碳纳米管的流化床设备、碳纳米管制造装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种制造碳纳米管的设备。该设备包括反应室和旋转件。该反应室提供在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间。该旋转件增进金属催化剂在该反应空间中的流化，以提高生产性和提高气体转化率，而降低碳纳米管的价格，并防止金属催化剂粘附到该反应室的侧壁上。

Description

制造碳纳米管的流化床设备、碳纳米管制造装置及方法
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年12月31日提交的韩国专利申请No.10-2007-0141259的优先权，在此引入该韩国专利申请的全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管制造装置，更具体而言，涉及一种用于使金属催化剂颗粒流化以制造碳纳米管的设备，以及一种碳纳米管制造装置和方法。
背景技术
碳纳米管是通过使三个相邻的碳原子与一个碳原子键合来形成六边形环状而制成的，这些六边形环键合形成六角蜂窝形的平面晶格，然后将其卷成圆柱状或管状。
根据其设计方法，碳纳米管是具有以下特征的材料，它表现出金属导电性或半导体导电性，可广泛应用于许多技术领域，并且可能会成为未来的新材料。例如，碳纳米管可以应用于诸如二次电池、燃料电池和超级电容器等电化学存储器件的端子，还可以应用于电磁辐射屏蔽装置、场发射显示器和气体传感器。
制造碳纳米管的方法多种多样，包括放电法、激光沉积法和热解气相沉积。随着近年来碳纳米管的大量制造成为问题，利用有助于大规模集成的流化床反应器的技术受到关注。利用流化床反应器的技术涉及到在高温反应器中使金属催化剂颗粒和烃类气体扩散并发生反应而产生碳纳米管的方法。即，通过在反应器内部使金属催化剂悬浮在源气体中并热解源气体，而在金属催化剂上生长碳纳米管。
然而，这种利用流化床反应器的制造技术是一种仍处于初期阶段的技术，仅有一些研究机构开始研究，因此，其在大量制造应用中的用途目前还难于实施。
发明内容
本发明提供一种能够大量制造碳纳米管的设备以及碳纳米管大量制造装置和方法。
本发明还提供一种能够防止对反应室内壁的反应引起的粘附的制造碳纳米管的设备以及碳纳米管大量制造装置和方法。
本发明还提供一种提高金属催化剂流通的制造碳纳米管的设备以及碳纳米管大量制造装置和方法。
本发明还提供一种能够连续制造的制造碳纳米管的设备以及碳纳米管大量制造装置和方法。
本发明还提供一种能够提高产率的制造碳纳米管的设备以及碳纳米管大量制造装置和方法。
本发明的目的不限于此，以下说明将向本领域技术人员充分传达未明确提及的本发明所包括的其他目的。
本发明的实施例提供制造碳纳米管的设备，所述设备包括：提供在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间的反应室；以及增进金属催化剂在所述反应空间中的流化并防止金属催化剂粘附到所述反应室的侧壁上的旋转件。
在一些实施例中，所述旋转件可包括在所述反应空间的边缘处转动以增进流化的旋转架。
在其他实施例中，所述旋转件可包括：向下翼，用于产生从所述反应空间的上部到下部的向下流动，以防止小的金属催化剂颗粒从所述反应空间的上部逃离；以及向上翼，用于产生从所述反应空间的下部到上部的向上流动，以防止大的金属催化剂颗粒沉降到所述反应空间的下部。
在其他实施例中，所述旋转件可包括：驱动器；旋转轴，它安装在所述反应室的反应空间中，并从所述驱动器接收旋转力；以及旋转架，它安装在所述旋转轴上，并沿着所述反应空间的边缘转动。
在其他实施例中，所述旋转架可包括：与所述旋转轴连接的支撑件；以及与所述支撑件连接的叶片，它配置成最接近于所述反应室的侧壁，用于物理地除去粘附在所述反应室的侧壁上的金属催化剂。
在其他实施例中，所述旋转件可在其上沿着所述反应空间的长度安装有至少两个所述旋转架。
在其他实施例中，所述旋转件还可包括安装在所述旋转架的上端上的向下翼，用于产生从所述反应空间的上部到下部的向下流动，以及安装在所述旋转架的下端上的向上翼，用于产生从所述反应空间的下部到上部的向上流动。
在其他实施例中，所述反应室还可包括将源气体扩散进所述反应空间中的扩散板，所述旋转件还可包括配置成最接近于所述扩散板并用于清扫在所述扩散板上积聚的金属催化剂并防止在所述扩散板积聚的金属催化剂造成的沟通作用的底面叶片。
在其他实施例中，所述反应室还可包括将所述反应空间与在源气体进入所述反应空间之前预热源气体的预热空间隔开的扩散板，所述扩散板可设有用于将源气体扩散进所述反应空间中的扩散孔。
在其他实施例中，所述反应室还可包括用于防止金属催化剂经所述扩散板落入所述预热空间中的丝网。
在一些实施例中，所述流化床设备还可包括：安装在所述反应空间外部的上加热器；以及安装在所述预热空间外部的下加热器，其中所述上加热器可设在所述扩散板的上部，所述下加热器可设在所述扩散板的下部。
在本发明的其他实施例中，制造碳纳米管的装置包括：包括反应室的流体合成设备，所述反应室包括在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间；用于将金属催化剂供应到所述流体合成设备的催化剂供应单元；以及用于回收在所述流体合成设备中制造的碳纳米管的回收单元，其中所述流体合成设备包括用于防止金属催化剂粘附到所述反应室的侧壁上的旋转件。
在一些实施例中，所述催化剂供应单元可包括：用于在所述反应室中输入金属催化剂的输入装置；用于将金属催化剂供应到所述输入装置的供应装置；以及用于贮存将要供应到所述供应装置的金属催化剂的第一贮存装置。
在其他实施例中，所述供应装置可包括：用于贮存金属催化剂并将预定量的金属催化剂供应到所述输入装置的排放部；在所述排放部的上部的上封闭板和下封闭板，它们限定用预定量的所供应的金属催化剂填充的设定量空间，所述上封闭板和下封闭板通过移动打开和关闭其顶部和底部而限定所述设定量空间；以及选择性地移动所述上封闭板和所述下封闭板的驱动件。
在其他实施例中，所述第一贮存装置可包括：第一贮存槽，它包括用于贮存金属催化剂的贮存空间和与所述供应装置连接的通道；以及用于将贮存在所述第一贮存槽中的金属催化剂推进所述通道的推动装置。
在其他实施例中，所述输入装置可包括利用不活泼气体的压力将金属催化剂输入到所述反应室的输入管。
在其他实施例中，所述输入装置还可包括振动器，它向所述输入槽施加振动以促进填充在所述输入槽中的金属催化剂挤入所述输入管中。
在其他实施例中，所述旋转件可包括：驱动器；旋转轴，它安装在所述反应室的反应空间中，并从所述驱动器接收旋转力；以及旋转架，它安装在所述旋转轴上，并沿着所述反应空间的边缘转动。
在其他实施例中，所述旋转架可包括：叶片，它配置成最接近于所述反应室的侧壁，用于清扫和除去粘附在所述反应室的侧壁上的金属催化剂；向下翼，用于产生从所述反应空间的上部到下部的向下流动，以防止小的金属催化剂颗粒从所述反应空间的上部逃离；以及向上翼，用于产生从所述反应空间的下部到上部的向上流动，以防止大的金属催化剂颗粒沉降到所述反应空间的下部。
在其他实施例中，所述反应室可包括用于将源气体扩散进所述反应空间中的扩散板，所述旋转件还可包括底面叶片，所述底面叶片配置成最接近于所述扩散板，以防止金属催化剂在所述扩散板上积聚造成的沟道作用，并用于清扫在所述扩散板上积聚的金属催化剂。
在其他实施例中，所述反应室可包括：在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间；在源气体进入所述反应空间之前被预热的预热空间；以及将所述预热空间和所述反应空间隔开并将源气体排放进所述反应空间的扩散板。
在一些实施例中，所述反应室还可包括安装在其外部的加热器，所述加热器分成分别配置在所述扩散板上方和下方的上加热器和下加热器。
在其他实施例中，所述装置还可包括排出单元，用于排出在通过所述流体合成设备制造碳纳米管的过程中产生的废气，其中所述排出单元可包括：收集与废气一起排出的金属催化剂的旋风分离器；以及除去并清洗通过所述旋风分离器的废气的洗涤器。
在其他实施例中，所述旋风分离器可包括：圆柱状旋风分离器主体；用于将包括金属催化剂的废气吸入所述旋风分离器主体中的进气管；用于在所吸入的废气和金属催化剂相互分离之后仅排出废气的排气管；以及用于收集分离出来并排放的金属催化剂的收集室。
在其他实施例中，所述回收单元可使用负压回收在所述反应室中制造的碳纳米管。
在其他实施例中，所述回收单元可包括：回收槽；以及负压产生件，用于在所述回收槽的内部空间中产生负压。
在其他实施例中，所述回收单元还可包括电磁体和冷却件，所述电磁体用于保持在所述回收槽中回收的碳纳米管，以防止碳纳米管被所述负压产生件向周围吹散，所述冷却件用于防止碳纳米管燃烧。
在其他实施例中，所述回收单元还可包括：大容量贮存槽；以及转移件，用于利用下降法、加压法或电磁法将所述回收槽中的碳纳米管转移到所述大容量贮存槽。
在本发明的其他实施例中，一种制造碳纳米管的方法包括：加热真空状态的反应室；以及进行流体合成，以通过将源气体和金属催化剂供应到所述反应室的反应空间中制造碳纳米管，其中所述的进行流体合成包括通过转动安装在所述反应空间中的旋转件在所述反应室的侧壁处强制地产生流通，以防止金属催化剂粘附到所述反应室的侧壁上。
在一些实施例中，可利用不活泼气体的压力或在所述反应室中作为负压的真空将填充在输入装置中的金属催化剂供应到所述反应室。
在其他实施例中，所述方法还可包括回收在所述反应室中制造的碳纳米管，其中所述的碳纳米管的回收可包括：停止源气体的供应，通过供应不活泼气体在所述反应室中产生大气压，然后利用负压将碳纳米管从所述反应室回收到所述回收单元。
在其他实施例中，所述的碳纳米管的回收还可包括冷却所述回收单元以降低所述碳纳米管的温度。
在其他实施例中，所述的反应室的加热可包括保持将源气体扩散进所述反应空间的扩散板的温度低于所述反应空间的温度。
附图说明
附图用于进一步理解本发明，并入本说明书且构成其一部分。附图显示了本发明的示例性实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据本发明的示例性碳纳米管大量制造装置的示意图；
图2是图1中的流体合成设备100的示图；
图3A～图3C是根据第一实施例的旋转件的示图；
图4A和图4B是根据第二实施例的旋转件的立体图；
图5是示出使用时的反应空间的图，其中图4A中的旋转件产生向下流动和向上流动；
图6A和图6B是显示根据改进实施例的图3C中的旋转件的示图，旋转件上设有向上翼和向下翼；
图7是图1中的第一贮存装置的剖视图；
图8是图1中的供应装置的剖视图；
图9是图1中的输入装置的剖视图；
图10是图1中的排出单元的示图；以及
图11是图1中的回收单元的剖视图。
具体实施方式
下面参考图1～图11更详细地描述本发明的优选实施例。然而，可以以不同的形式体现本发明，并且不应当认为本发明限制于在此描述的实施例。相反，提供这些实施例将使本发明内容清楚和完整，并向本领域技术人员充分表达本发明的范围。因此，为清楚显示起见，附图中的元件尺寸被放大。
图1是根据本发明的示例性碳纳米管大量制造装置的示意图。
参照图1，装置1可以大致分成流体合成设备100、催化剂供应单元300、排出单元500和回收单元700。流体合成设备100使催化剂和源气体一起流通，以在催化剂上制造碳纳米管。催化剂供应单元300将催化剂供应到流体合成设备100。排出单元500排出没有在流体合成设备100中反应的源气体或催化剂。回收单元700从流体合成设备100回收在其上制造碳纳米管的催化剂。下面对各元件进行详细说明。
流体合成设备
图2是图1中的流体合成设备100的示图。
参照图2，流体合成设备100在反应室112中接收含有碳(源气体)和金属催化剂的气态流体来源，并热解源气体，以制造气态的碳纳米管。流体合成设备100包括反应室112、加热器130和旋转件160。
反应室
反应室112由诸如石英或石墨等具有高耐热性的材料制成。反应室112包括气体供应端口115、催化剂供应端口118、回收端口122和扩散板126。
反应室112具有主体114和盖子116。主体114呈圆柱状且具有顶部开口，提供预热空间(PHS)和反应空间(RS)。这里，PHS是在源气体(SG)进入RS之前将其预热的空间。RS设置在PHS上方，是SG和金属催化剂(MC)在其内反应以制造碳纳米管(CNT)的空间。
主体114包括底面114a和从底面114a延伸的侧壁114b，用于限定PHS和RS。底面114a与侧壁114b一起限定PHS。用于供应SG的气体供应端口115与底面114a连接。尽管本实施例中的主体114设有一个气体供应端口115，但是气体供应端口115的数量可以根据所供应的气体种类和气体供应管线的数量增加。
在设置作为单一管时，主体114的侧壁114b可以由诸如石英或石墨等具有高耐热性的材料制成，但是当侧壁是双重管时，还可包括具有高耐热性和耐压性的金属(如不锈钢)的外壁。
在热解SG以制造CNT的过程中，MC会与壁反应。然而，通过旋转件可以避免这种限制，下面详细说明旋转件160。
盖子116设置在主体114上方。盖子116与主体114的顶部开口连接，以从外部密封主体114。用于排出在形成CNT的过程中所产生的废气(EG)的排出端口117与盖子116的中央部连接。排出端口117与排出单元500连接。
催化剂供应端口118与主体114的侧壁连接并将MC供应到主体114。催化剂供应端口118从催化剂供应单元300接收MC。催化剂供应端口118的出口可以穿过主体114的侧壁114b并在RS内。
与源气体管线151连接的气体供应端口115与主体114的下部连接。本实施例中的流体合成设备100包括一个气体供应端口，但是气体供应端口的数量可以根据反应室112的尺寸增加。
源气体管线151与主体114的气体供应端口115连接。这里，烃类气体，例如乙炔、乙烯、甲烷和氢气，可以用作SG。SG从源气体管线151经气体供应端口115进入PHS。SG还可包括流通气体。流通气体不仅用于防止因烃类气体和MC的反应而生长的CNT由于CNT的重量而重力下落，而且用于通过扩展反应室112内的流通区而促进烃类气体(例如，碳氢化合物气体)和MC之间的反应。诸如氦气、氮气或氩气等不活泼气体可以用作流通气体，或者，在需要时，可以使用诸如甲烷、乙炔、一氧化碳、二氧化碳或者氩气与上述气体的混合物等气体。尽管图中未示出，但是不活泼气体供应管线可以与主体114的底面114a连接，以在处理完成之后填充反应室112的内部。
扩散板126设在反应空间RS和预热空间PHS的边界部。即，RS和PHS被扩散板126隔开。扩散板126面对主体114的底面114a，并置于催化剂供应端口118之下。扩散板126中设有多个扩散孔126a，用于将SG均匀扩散到RS。SG从源气体管线151进入PHS，然后进入PHS的SG经扩散孔126a扩散进RS。因为扩散板126受上加热器132和下加热器134的影响小，因此可以保持在约400℃以下的温度，低于PHS或RS。丝网127安装在扩散板126的底面上，用于防止金属催化剂经扩散板126的扩散孔126a落入PHS中。
流至扩散板126上部的MC被SG悬浮在RS中，并与SG反应。因此，CNT在MC上生长。因为在MC悬浮于RS中的同时生成CNT，因此当MC的悬浮更为活跃时，CNT的生长变得更为活跃。
在RS中于MC上生长的CNT经回收端口122排放至外部。具体而言，回收端口122在接近于扩散板126的位置处与主体114的侧壁114b连接，并且在RS中设有抽吸CNT的进口。回收端口122与回收单元700的回收管线711连接，并在负压气流的作用下由回收单元700回收其上生长CNT的MC。
加热器
加热器130包括上加热器132和下加热器134。上加热器132设于扩散板126上方，下加热器134设于扩散板126下方。上加热器132和下加热器134配置成最接近于主体114的侧壁114b。上加热器132主要加热RS，下加热器134主要加热PHS。下加热器134配置成包围PHS，以将PHS的温度升至适当的温度。因此，加热进入PHS的SG。上加热器132配置成包围RS，以将RS的温度保持在适于活化CNT生长的约600℃～约900℃的温度。
因为上加热器132和下加热器134没有直接辐射加热相应于扩散板126的区域，因此扩散板126受到上加热器132和下加热器134的热影响小。因此，扩散板126的温度低于PHS或RS的温度，并可以保持在约400℃以下。这样，通过将设置在加热器132和134之间的扩散板126保持在低温下(约400℃以下)，可以防止MC在扩散板126积聚。
旋转件
旋转件的第一实施例
图3A～图3C是根据第一实施例的旋转件的示图。
参照图3A～图3C，旋转件160增进MC在RS中的流动，以防止MC粘附到反应室112的侧壁114b上。旋转件160包括驱动器162、旋转轴164和旋转架166。驱动器162安装在反应室112外部。电机可用作驱动器162。旋转轴164设于RS内，并从驱动器162接收旋转力。旋转架166与旋转轴164连接。旋转件160可以电动或非电动方式运转。当用于防止金属催化剂在反应室的侧壁上粘附时，旋转件160可以慢速(约1～10rpm)旋转，而当用于增进反应空间中的流动水平时，可以比该慢速更快的速度旋转。
旋转架166具有沿着RS的周界旋转的叶片168。旋转架166的叶片168沿着RS的周界旋转，并且物理地除去粘附在反应室112的侧壁114b上的金属催化剂。叶片168通过支撑件167在两端固定，支撑件167水平地连接并固定在旋转轴164上。支撑件167的长度与反应室112的半径近似，叶片168设置在支撑件167的末端。因此，叶片168配置成最接近于反应室112的内壁。当从正面观察时，旋转架166呈矩形架状并具有中央开口。为使旋转架166可靠旋转，旋转轴164的下端可被扩散板126可旋转地支撑着。
参照图3A，旋转轴164设置成在反应空间中垂直延伸。旋转轴164的一端可以延伸到最接近于扩散板126的位置。旋转轴164形成为垂直穿过旋转架166的中央，以可靠地转动旋转架166。
可选择地，如图3B所示，旋转轴164的端部可以延伸达到旋转架166的上端，并且旋转架166可以与旋转轴164的该端部连接。这样可以最小化旋转轴164对金属催化剂流动的干扰。
图3C中示出的旋转件160设有第一旋转架166-1和第二旋转架166-2，其中第一旋转架166-1和第二旋转架166-2接连地安装在旋转轴164上。这里，第一旋转架166-1和第二旋转架166-2以不同方向安装在旋转轴164上。例如，第一旋转架166-1和第二旋转架166-2可以安装成相互垂直。第一旋转架166-1沿x-轴安装，而第二旋转架166-2沿y-轴安装。
同样，因为旋转件160在反应室112的RS中以电动或非电动方式旋转，因此可以防止MC粘附到反应室的侧壁上，从而提高成品收率和制造能力。
旋转件的第二实施例
图4A和图4B是根据第二实施例的旋转件的立体图。图5是示出使用时的反应空间的图，其中图4A中的旋转件产生向下流动和向上流动。
参照图4A和图4B，旋转件160a包括与第一实施例中具有相同结构和功能的驱动器162、旋转轴164和旋转架166。由于这些元件已经在第一实施例的旋转件160的说明中描述过，因此在本实施例中省略对它们的说明。第二实施例的区别之处在于，旋转架166具有向下翼170和向上翼172，以在RS中提供向下流动和向上流动。
向下翼170防止小的金属催化剂颗粒升至RS的上部。向上翼172防止大的金属催化剂颗粒沉降至RS的下部。向下翼170和向上翼172可以是支撑件的替代物，或者可以将支撑件改成翼状。可选择地，向下翼170和向上翼172可以安装在支撑件上。一个具有凹入下表面的向下翼170可以设置在任一侧上。一个具有凹入上表面的向上翼172可以设置在任一侧上。特别地，当从侧面观察时，向下翼170和向上翼172相互偏置。
参照图5，当旋转架166旋转时，设置在上部的向下翼170产生朝着RS下部的向下流动。这种向下流动最小化小的金属催化剂颗粒在RS上部的损失。此外，当旋转架166旋转时，设置在下部的向上翼172产生朝着RS上部的向上流动。当然，在通过经由扩散板126供应的源气体能够获得金属催化剂流动的同时，向上翼172产生的向上流动还使大的金属催化剂颗粒悬浮，不然将倾向于沉降在扩散板126上。
例如，如果升高源气体的供应压力以促进大的金属催化剂颗粒的流动，那么小的金属催化剂颗粒可能会从RS逃离，并与废气一起经排出端口排出。然而，当向上翼172安装在旋转架166上时，可以使大的金属催化剂颗粒悬浮，而不用升高源气体的供应压力。
当通过SG的压力控制金属催化剂在RS中的悬浮程度时，根据MC颗粒的尺寸确定SG的压力。通常，MC颗粒的尺寸为约0.6μm～300μm，这是相对较宽的颗粒分布。因此，SG的压力以MC粒度的中值为基础。因此，较小的金属催化剂颗粒可以在SG压力的作用下经排出端口117排出。此外，较大的金属催化剂颗粒可以在扩散板126的上部上积聚。可以利用旋转件160的向下翼170和向上翼172最小化这种限制，并且这些翼可以在反应室112内提供更有效的强制流动(流通)。因此，由于没有在过高压力下供应源气体以使较大的金属催化剂悬浮，这样可以减少源气体的浪费。
再次参照图3A，旋转件160的旋转架166可以包括在扩散板126上方旋转的底面叶片169。底面叶片169配置成最接近于扩散板126，用于清扫在扩散板126上积聚的金属催化剂(上述较大的金属催化剂颗粒)，从而防止金属催化剂在扩散板126上积聚而造成沟道作用。底面叶片169可以作为单独的部件额外地安装在旋转架166上。然而，如图3A所示，因为安装在旋转架166下端的支撑件167起到底面叶片169的作用，因此不需要额外地安装单独的底面叶片。
尽管在本实施例中的叶片显示出固定地安装在向上翼172和向下翼170上，但是如果翼的长度(尺寸)很小，那么叶片可以安装在支撑件上。如图4B所示，向下翼170和向上翼172可以分别在旋转架166的上端和下端安装成三排，并且可以根据需要增加或减小翼的数量。
图6A和图6B是显示根据改进实施例的图3C中的旋转件的示图，旋转件上设有向上翼和向下翼。
参照图6A和图6B，旋转件160b设有第一旋转架166-1和第二旋转架166-2，其中第一旋转架166-1和第二旋转架166-2接连地安装在旋转轴164上。这里，第一旋转架166-1沿x-轴方向安装，而第二旋转架166-2沿y-轴方向安装。向下翼170在第一旋转架166-1上以三级结构安装，而向上翼172在第二旋转架166-2上以三级结构安装。这样构造的旋转件160b发挥与上述相同的功能。
催化剂供应单元
再次参照图1，催化剂供应单元300包括催化剂制造装置302、第一贮存装置310、供应装置320和输入装置350。
在催化剂制造装置302中制造金属催化剂。在催化剂制造装置302中制造的金属催化剂贮存在第一贮存装置310中。在需要时，贮存在第一贮存装置310中的金属催化剂被供应到供应装置320。
第一贮存装置
图7是图1中的第一贮存装置的剖视图。
第一贮存装置310包括第一贮存槽312和推动装置316。第一贮存槽312具有贮存可被流体合成设备100使用数十次的金属催化剂的舱室312a以及与供应装置320连接的通道313。通道313设置在第一贮存槽312的顶部。推动装置316用于将贮存在第一贮存槽312中的金属催化剂推进通道313。推动装置316包括安装在第一贮存槽312内并能够垂直移动的加压板317以及用于升降加压板317的升降驱动器318。作为用于升降加压板317的装置，升降驱动器318可以利用直线驱动机构，如液压气缸/气动气缸驱动的机构、马达和滚珠丝杠机构，这些是本领域中公知的驱动机构，因此未提供对它们的详细说明。当贮存在供应装置320中的金属催化剂下降到低于预定水平时，安装在供应装置320中的量检测传感器(图未示)检测到这种条件，并将检测信号提供至推动装置316。推动装置316根据从量检测传感器接收到的信号(提供关于金属催化剂的量已经下降到低于预定水平的通知的信号)升高加压板317，从而将贮存在第一贮存槽312中的一部分金属催化剂经通道313供应到供应装置320。
供应装置
图8是图1中的供应装置的剖视图。
供应装置320具有贮存可以在流体合成设备100中使用数次的金属催化剂量的第二贮存槽321。第二贮存槽321包括上表面322、侧表面324和限定排放端口326a的下表面326。侧表面324包括基本上垂直的上部324a、从上部324a向下延伸同时逐渐向内倾斜的中部324b以及从中部324b沿基本上垂直方向向下延伸以提供窄通道的下部324c。在上述结构中，如果各空间具有相同高度，那么与下部324c所提供的空间相比，更大量的金属催化剂(MC)可以贮存在由上部324a所提供的空间中。中部324b的上述形状能够使上部324a所提供的空间内的MC容易地被供应到下部324c所提供的空间内。
用于供应将要被流体合成设备100使用一次的设定量的金属催化剂的设定量供应部330安装在第二贮存槽321中。
设定量供应部330包括上封闭板334和下封闭板332，它们限定在其内可以填充设定量MC的设定量空间331。上封闭板334和下封闭板332设在下部324c中。设定量空间331设置在第二贮存槽321的排放端口326a的上方，上封闭板334设置在设定量空间331的顶部，下封闭板332设置在设定量空间331的底部。通过诸如气缸等驱动件336操作上封闭板334和下封闭板332以打开和关闭。当上封闭板334关闭且下封闭板332也关闭时，设定量的金属催化剂填充下封闭板332和上封闭板334之间的设定量空间331。
当下封闭板332打开时，填充在设定量空间331中的MC经排放端口326a供应到输入装置350。用于搅拌MC的搅拌器325安装在第二贮存槽321的中部324b内。搅拌器325转动以起到在金属催化剂被供应到设定量空间331之前除去第二贮存槽321内的空隙、引起自然下降和将MC供应到设定量空间331的作用。
输入装置
图9是图1中的输入装置的剖视图。
输入装置350包括输入槽352、用于将金属催化剂从输入槽352供应到反应室112的输入排放管358以及用于对输入槽352的内部空间加压的不活泼气体供应管357。输入排放管358的进口358a配置成远离输入槽352的底面。此外，不活泼气体供应管357被构造成围绕输入排放管358的套管。输入槽352包括用于从上面的供应装置320供应金属催化剂的进入端口354。输入装置350利用从不活泼气体供应管357中提供的不活泼气体的加压以及反应室112内部的略微负压，经输入排放管358将填充在输入槽352中的金属催化剂供应到反应室112。当安装在输入排放管358上的打开/关闭阀359打开时，在反应室112和输入槽352之间的压力差的作用下，输入槽352中的金属催化剂与不活泼气体一起经输入排放管358被导入反应室112中。用于向输入槽352施加振动以促进金属催化剂导入输入排放管358中的振动器360安装在输入槽352上。尽管图中未显示，但是供应到输入槽352的不活泼气体与金属催化剂一起被供应到输入排放管358。
排出单元
图10是图1中的排出单元的示图。
排出单元500是排出和处理在从流体合成设备100制造碳纳米管的过程中未反应的气体以及反应后残留气体(废气)的部分。排出单元500包括旋风分离器510、洗涤器530和残留气体检测器550。
旋风分离器510用于从包括金属催化剂的废气分离金属催化剂。旋风分离器510包括圆柱状旋风分离器主体512、用于将包括金属催化剂的废气导入旋风分离器主体512中的进气管514、用于在导入的废气和金属催化剂相互分离之后仅排出分离的气体的排气管516以及用于收集从废气分离出来并排放的金属催化剂的收集室518。收集室518收集的金属催化剂可被流体合成设备100再次使用。
洗涤器530除去并过滤已经通过旋风分离器510的废气。残留气体检测器550安装在排气管516上，以连接旋风分离器510与洗涤器530。残留气体检测器550，作为气相色谱(GC)装置，进行残留气体分析(RGA)。
残留气体检测器550用于检测在废气中是否残留有源气体(特别是氢气)，并用于确定从反应室112回收碳纳米管的点。因为负压被连续地施加到残留气体检测器550上以抽吸气体，因此可以控制阀(图未示)以仅在所需的阶段检测废气中的残留气体。可以根据残留气体检测器550所检测到的残留气体的浓度从流体合成设备100回收碳纳米管。例如，当完成在流体合成设备100中合成碳纳米管时，供应吹洗气体(不活泼气体)以在反应室112内形成不活泼气氛，其后回收单元700回收碳纳米管。如果残留气体检测器550检测出残留气体中的氢气浓度值超过预定值，那么安装在连接流体合成设备的反应室112与回收单元700的回收管线711中的阀711a保持关闭状态。相反，如果残留气体检测器550检测出残留气体中的氢气浓度值低于预定值(优选地，根本未检测到)，那么打开回收管线711的阀711a以进行碳纳米管的回收处理。
回收单元
图11是图1中的回收单元的剖视图。
参照图11，回收单元700使用负压回收在反应室中制造的碳纳米管。回收单元700包括回收槽710、负压产生件720、电磁体730、冷却件740和大容量贮存槽750。
回收槽710具有尺寸能够容纳约1～约3次在反应室中制造的碳纳米管回收处理的回收空间712。负压产生件720安装在回收空间712的上部，过滤器714安装在该负压产生件下方，用于防止回收空间712回收的碳纳米管由于负压而进入负压产生件720。与排出单元500的洗涤器530连接的排气管718安装在回收槽710的顶部。因为如果在碳纳米管的回收处理过程中在反应室内部残留有残留气体则有***的危险，因此从回收槽710排出的空气被供应到排出单元500的洗涤器530。
负压产生件720在回收槽710内部的回收空间内形成低于反应室中压力的内部压力(负压)。泵可以用作负压产生件720。回收槽710的尺寸越大，负压产生件720的容量就必须越大，尤其是，回收槽710的尺寸越大，产生负压所需时间越长。因此，回收槽710具有能够进行约1～约3次碳纳米管回收的尺寸。
通过冷却件740使回收槽710冷却。在反应室中制造的碳纳米管是高温的。当高温(500℃或更高)的碳纳米管与氧气接触时，它们会氧化和燃烧。为冷却回收槽710，其内部可以用不活泼气体填充，这样会消耗大量的不活泼气体。然而，冷却件740被用于快速冷却并将碳纳米管保持在约400℃或更低的温度，以防止碳纳米管氧化和燃烧。
电磁体730安装在回收槽710的底面上。电磁体730用于防止在回收槽710中回收的碳纳米管向周围吹散。在碳纳米管的回收处理过程中，当由负压产生件720在回收槽710中产生负压时，已经沉积的碳纳米管被向周围吹散并堵塞过滤器。当过滤器714被碳纳米管逐渐堵住时，负压逐渐降低，因此回收效率下降。然而，当使用电磁体730时，因为在磁力的作用下可以防止在回收槽710中回收的碳纳米管被向周围吹散，因此可以减小过滤器被碳纳米管堵住。
在回收槽710中回收的碳纳米管被转移到大容量槽750。从回收槽710到大容量贮存槽750进行转移的转移件760可以利用下降法、加压法、电磁法等。然后，根据需要，贮存在大容量槽750中的碳纳米管可以由包装容器780以预定量进行包装。
下面将对大量制造上述碳纳米管的装置进行简要说明。
加热器130加热反应室112以将反应空间(RS)中的温度升至所需温度(约600℃或更高)并保持在该温度。这里，保持扩散板126的温度低于RS的温度。催化剂供应单元300将金属催化剂供应到反应室112的RS，并在预热空间(PHS)中预热源气体后，经扩散板126将其供应到RS。通过扩散孔126a的源气体(SG)使金属催化剂在RS中悬浮，并与SG反应以制造碳纳米管(CNT)。
在此过程中，旋转件160缓慢转动以防止金属催化剂粘附到反应室112的侧壁114b上和防止积聚在扩散板126上。此外，在RS上部的旋转件160的向下翼170产生向下流动，在RS下部的旋转件160的向上翼172产生向上流动。旋转件160产生的向下流动可以最小化小的金属催化剂颗粒逃离到RS的上部，向上流动有助于使具有在扩散板126上沉降倾向的大的金属催化剂颗粒悬浮。因此，可以最小化在流通和反应过程中金属催化剂的粒度相关失效的限制，并可以提高合成产率。此外，可以减少源气体的使用量，从而降低制造成本。
在反应室112中制造CNT的同时，在RS中产生的废气(EG)经反应室112顶部的排出端口117被吸入排出单元500。在经排出通道供应的EG中包括金属催化剂(小粒度)时，在旋风分离器510中分离与EG一起排出的金属催化剂，并被收集室收集，以便后来再次使用。
当在反应室112中完成CNT的制造时，反应室112的内部用不活泼气体填充以除去源气体，其后于其上生长CNT的金属催化剂经回收管线711被供应到回收单元700。利用回收单元700中的负压，回收其上已经生长了CNT的金属催化剂。此外，通过降低回收单元700中的已回收的金属催化剂(其上已经生长了CNT)的温度，可以防止CNT的氧化和燃烧。重复进行上述过程。
根据本发明，可以防止金属催化剂颗粒对反应室内壁的反应引起的粘附以及与内壁反应。
此外，本发明可以防止金属催化剂在扩散板上积聚造成的沟道作用。
此外，本发明可以减少源气体的使用量。
此外，本发明可以供应固定量的金属催化剂。
此外，本发明可以快速回收于其上生长碳纳米管的金属催化剂。
此外，本发明可以连续地制造碳纳米管。
此外，本发明可以防止金属催化剂损失。
此外，本发明可以提高生产性并降低碳纳米管的制造成本。
上述主题被认为是说明性的，而不是限制性的，并且所附权利要求书意图覆盖落入本发明真实精神和范围内的所有修改、增加和其他实施例。因此，在法律允许的最大程度内，本发明的范围将由所附权利要求书及其等同物的最宽允许解释来确定，而不应受前述详细说明的约束或限制。

Claims (36)

1.一种制造碳纳米管的流化床设备，所述流化床设备包括：
提供在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间的反应室；以及
增进金属催化剂在所述反应空间中的流化的旋转件。
2.如权利要求1所述的流化床设备，其中所述旋转件包括在所述反应空间的边缘处转动的旋转架。
3.如权利要求1所述的流化床设备，其中所述旋转件包括：
向下翼，用于产生从所述反应空间的上部到下部的向下流动，以防止小的金属催化剂颗粒从所述反应空间的上部逃离；以及
向上翼，用于产生从所述反应空间的下部到上部的向上流动，以防止大的金属催化剂颗粒沉降到所述反应空间的下部。
4.如权利要求1所述的流化床设备，其中所述旋转件包括：
驱动器；
旋转轴，它安装在所述反应室的反应空间中，并从所述驱动器接收旋转力；以及
旋转架，它安装在所述旋转轴上，并沿着所述反应空间的边缘转动。
5.如权利要求4所述的流化床设备，其中所述旋转架包括：
与所述旋转轴连接的支撑件；以及
与所述支撑件连接的叶片，它配置成最接近于所述反应室的侧壁，用于物理地除去粘附在所述反应室的侧壁上的金属催化剂。
6.如权利要求2所述的流化床设备，其中所述旋转件在其上沿着所述反应空间的长度安装有至少两个所述旋转架。
7.如权利要求2所述的流化床设备，其中所述旋转件还包括安装在所述旋转架的上端上的向下翼，用于产生从所述反应空间的上部到下部的向下流动。
8.如权利要求2所述的流化床设备，其中所述旋转件还包括安装在所述旋转架的下端上的向上翼，用于产生从所述反应空间的下部到上部的向上流动。
9.如权利要求2所述的流化床设备，其中所述旋转件还包括：
安装在所述旋转架上并具有凹入下表面的向下翼；以及
安装在所述旋转架上、在所述向下翼的下方并具有凹入上表面的向上翼。
10.如权利要求2所述的流化床设备，其中所述反应室还包括将源气体扩散进所述反应空间中的扩散板，所述旋转件还包括配置成最接近于所述扩散板并用于清扫在所述扩散板上积聚的金属催化剂的底面叶片。
11.如权利要求1所述的流化床设备，其中所述反应室还包括将所述反应空间与在源气体进入所述反应空间之前预热源气体的预热空间隔开的扩散板，所述扩散板设有用于将源气体扩散进所述反应空间中的扩散孔。
12.如权利要求11所述的流化床设备，其中所述反应室还包括用于防止金属催化剂经所述扩散板落入所述预热空间中的丝网。
13.如权利要求11所述的流化床设备，还包括：
安装在所述反应空间外部的上加热器；以及
安装在所述预热空间外部的下加热器，
其中所述上加热器设在所述扩散板的上部，所述下加热器设在所述扩散板的下部。
14.一种制造碳纳米管的装置，包括：
包括反应室的流体合成设备，所述反应室包括在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间；
用于将金属催化剂供应到所述流体合成设备的催化剂供应单元；以及
用于回收在所述流体合成设备中制造的碳纳米管的回收单元，
其中所述流体合成设备包括用于防止金属催化剂粘附到所述反应室的侧壁上的旋转件。
15.如权利要求14所述的装置，其中所述催化剂供应单元包括：
用于在所述反应室中输入金属催化剂的输入装置；
用于将金属催化剂供应到所述输入装置的供应装置；以及
用于贮存将要供应到所述供应装置的金属催化剂的第一贮存装置。
16.如权利要求15所述的装置，其中所述供应装置包括：
用于贮存金属催化剂并将预定量的金属催化剂供应到所述输入装置的排放部；
在所述排放部的上部的上封闭板和下封闭板，它们限定用预定量的所供应的金属催化剂填充的设定量空间，所述上封闭板和下封闭板通过移动打开和关闭其顶部和底部而限定所述设定量空间；以及
选择性地移动所述上封闭板和所述下封闭板的驱动件。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述第一贮存装置包括：
第一贮存槽，它包括用于贮存金属催化剂的贮存空间和与所述供应装置连接的通道；以及
用于将贮存在所述第一贮存槽中的金属催化剂推进所述通道的推动装置。
18.如权利要求15所述的装置，其中所述输入装置包括利用不活泼气体的压力将金属催化剂输入到所述反应室的输入管。
19.如权利要求18所述的装置，其中所述输入装置还包括振动器，它向所述输入槽施加振动以促进填充在所述输入槽中的金属催化剂挤入所述输入管中。
20.如权利要求14所述的装置，其中所述旋转件包括：
驱动器；
旋转轴，它安装在所述反应室的反应空间中，并从所述驱动器接收旋转力；以及
旋转架，它安装在所述旋转轴上，并沿着所述反应空间的边缘转动。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述旋转架包括：
叶片，它配置成最接近于所述反应室的侧壁，用于清扫和除去粘附在所述反应室的侧壁上的金属催化剂；
向下翼，用于产生从所述反应空间的上部到下部的向下流动，以防止小的金属催化剂颗粒从所述反应空间的上部逃离；以及
向上翼，用于产生从所述反应空间的下部到上部的向上流动，以防止大的金属催化剂颗粒沉降到所述反应空间的下部。
22.如权利要求20所述的装置，其中所述反应室包括用于将源气体扩散进所述反应空间中的扩散板，所述旋转件还包括底面叶片，所述底面叶片配置成最接近于所述扩散板，以防止金属催化剂在所述扩散板上积聚造成的沟道作用，并用于清扫在所述扩散板上积聚的金属催化剂。
23.如权利要求14所述的装置，其中所述反应室包括：
在其内金属催化剂和源气体相互反应以制造碳纳米管的反应空间；
在源气体进入所述反应空间之前被预热的预热空间；以及
将所述预热空间和所述反应空间隔开并将源气体排放进所述反应空间的扩散板。
24.如权利要求23所述的装置，其中所述反应室还包括安装在其外部的加热器，所述加热器分成分别配置在所述扩散板上方和下方的上加热器和下加热器。
25.如权利要求14所述的装置，还包括排出单元，用于排出在通过所述流体合成设备制造碳纳米管的过程中产生的废气，其中所述排出单元包括：
收集与废气一起排出的金属催化剂的旋风分离器；以及
除去并清洗通过所述旋风分离器的废气的洗涤器。
26.如权利要求25所述的装置，其中所述旋风分离器包括：
圆柱状旋风分离器主体；
用于将包括金属催化剂的废气吸入所述旋风分离器主体中的进气管；
用于在所吸入的废气和金属催化剂相互分离之后仅排出废气的排气管；以及
用于收集分离出来并排放的金属催化剂的收集室。
27.如权利要求14所述的装置，其中所述回收单元使用负压回收在所述反应室中制造的碳纳米管。
28.如权利要求27所述的装置，其中所述回收单元包括：
回收槽；以及
负压产生件，用于在所述回收槽的内部空间中产生负压。
29.如权利要求28所述的装置，其中所述回收单元还包括电磁体，用于保持在所述回收槽中回收的碳纳米管，以防止碳纳米管被所述负压产生件向周围吹散。
30.如权利要求27所述的装置，其中所述回收单元还包括用于防止碳纳米管燃烧的冷却件。
31.如权利要求28所述的装置，其中所述回收单元还包括：
大容量贮存槽；以及
转移件，用于利用下降法、加压法或电磁法将所述回收槽中的碳纳米管转移到所述大容量贮存槽。
32.一种制造碳纳米管的方法，包括：
加热真空状态的反应室；以及
进行流体合成，以通过将源气体和金属催化剂供应到所述反应室的反应空间中制造碳纳米管，
其中所述的进行流体合成包括通过转动安装在所述反应空间中的旋转件在所述反应室的侧壁处强制地产生流通，以防止金属催化剂粘附到所述反应室的侧壁上。
33.如权利要求32所述的方法，其中利用不活泼气体的压力将填充在输入装置中的金属催化剂供应到所述反应室。
34.如权利要求32所述的方法，还包括回收在所述反应室中制造的碳纳米管，其中所述的碳纳米管的回收包括：
停止源气体的供应，通过供应不活泼气体在所述反应室中产生大气压，然后利用负压将碳纳米管从所述反应室回收到所述回收单元。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述的碳纳米管的回收还包括冷却所述回收单元以降低所述碳纳米管的温度。
36.如权利要求32所述的方法，其中所述的反应室的加热包括保持将源气体扩散进所述反应空间的扩散板的温度低于所述反应空间的温度。
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