DE102013114610A1

DE102013114610A1 - Anlage zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen

Info

Publication number: DE102013114610A1
Application number: DE102013114610.4A
Authority: DE
Inventors: Sergey A. ZHDANOK; Alexander M. IVANOVSKIJ
Original assignee: DOMLEX Ltd
Current assignee: Exset Labs Bv Nl
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-01-29
Anticipated expiration: 2033-12-21
Also published as: EA029229B1; EA201300754A1; DE102013114610B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Technologie zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen bei der Kohlenwasserstoffpyrolyse. Die Anlage ist in Form einer Kolonne ausgebildet, die aus drei Elementen besteht: im Oberteil der Kolonne ist eine Aufbereitungseinheit für Gasgemisch, im mittleren Teil ein katalytischer Reaktor und im unteren Teil ein thermochemischer Reaktor angeordnet, der mit einer Einrichtung für die Entfernung von Nanostoffen und einer Schleuse für die Beförderung der Produkte aus der Anlage ausgestattet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
De Erfindung betrifft eine Technologie zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen bei der Kohlenwasserstoffpyrolyse.
Die Technologie zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen besteht in der Durchführung der Pyrolyse von Kohlenwasserstoffgasen oder kohlenstoffhaltigen Stoffen in Anwesenheit eines Katalysators, z. B. aufgrund von Nickel oder anderen aktiven Metallen mit einer nachfolgenden Abkühlung der Pyrolyseprodukte.
Bekannt ist eine Einrichtung, die zulässt, Ausgangskohlenwasserstoffgase ( Patent USA Nr. 5165909 , 1992) zu bearbeiten. Gemäß dem Patent wird die Pyrolyse in einem senkrechten Ofen durchgeführt, in dessen Oberteil ein Ansatzrohr einer Kohlenwasserstoffgaszuführung, ein Banderhitzer und ein Bunker mit dem Katalysator angeordnet sind. Es ist ein Zuführungsventil aufgestellt, das in die Reaktionszone des Ofens einen Katalysator in Form von pulverförmigem Nickel mit einem Zusatz von Aluminium eingibt. Im unteren Teil der Einrichtung ist ein zweites Ansatzrohr der Kohlenwasserstoffgaszuführung angeordnet. Die Entfernung zwischen dem Zuführungsventil und dem zweiten Ansatzrohr der Kohlenwasserstoffgaszuführung ist eine Reaktionszone, die niedriger als der Ofengrund liegt. Der Ofengrund ist mit einem Filter versehen, der als ein Sammler des Fertigprodukts vor der Ausladung dient.
Die in einem solchen Ofen gewonnenen Pyrolyseprodukte sind einer langwierigen Erwärmung vom zirkulierenden heißen Gas ausgesetzt, das eine Mischung von Kohlenwasserstoffgasen, Pyrolyseprodukte und einen Katalysator aufweist. Dies kann zur thermischen Rückzerlegung des Fertigprodukts führen. Ein anderer Mangel dieser Einrichtung ist die Unmöglichkeit einer gleichmäßigen Verteilung des pulverförmigen Katalysators nach dem ganzen Arbeitsumfang des Ofens. Dies führt zu einer Effektivitätssenkung der Pyrolyse.
Es ist ein Reaktor zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen bekannt, der diese Mängel nicht besitzt und seinem technischen Wesen nach der erfindungsgemäßen Anlage an nächsten kommt und als Prototyp übernommen wird (Patent RU 2389836 , 2007).
Der Reaktor gemäß dem Patent enthält einen Körper mit einem Deckel. Auf dem Deckel ist eine Zufuhreinheit für den Katalysator fertig montiert, die aus einem Dosator und einem Spritzrohr besteht. Der Dosator steht mit einer Rohrleitung mit einer Zufuhrlinie von Neutralgas-Argon – und mit einer anderen Rohrleitung mit einer Kammer-Fällungsmittel – in Verbindung. Die Kammer ist im Deckel des Reaktors unter einem Drehantrieb aufgestellt, der mit einem Abstreicher und einer Disc zusammenwirkt, die auf dem Grund der Kammer aufgestellt sind. Unter der Disc ist ein Ansatzrohr einer Kohlenwasserstoffgaszuführung gelegen. Auf dem Deckel des Reaktors gibt es ein Ableitungsansatzrohr für gasförmige Pyrolyseprodukte.
Der Reaktor funktioniert auf folgende Weise: Vor dem Arbeitsbeginn wird aus Sicherheitsgründen die Reaktorhöhle mit Argon durchgelüftet. In die Kammer wird Fällungsmittel, auch Argon, zugeführt, und bei eingeschaltetem Dosator wird durch das Spritzrohr in die Höhle der Kammer das Fällungsmittel Katalysator in Staubform zugeführt. Beim Drehen der Disc wird darauf mit gleicher Schicht Katalysator gefällt. in die Höhle des Reaktors wird bei eingeschalteten Erhitzern durch das untere Ansatzrohr Kohlenwasserstoffgas zugeführt, das von den Erhitzern aufgewärmt wird, die im Körper des Reaktors aufgestellt sind. Das aufgewärmte Gas wirkt mit der Schicht des Katalysators zusammen, die auf die Disc aufgetragen ist, und bildet eine nanofibrilläre Struktur auf der oberen Oberfläche der Disc. Beim Drehen der Disc nimmt der Abstreicher eine Schicht von Nanostoff von der Oberfläche der Disc ab. Das Produkt wird in den Sammler gefördert.
Die Hauptmängel des Reaktors sind: Der Abstreicher streicht zusammen mit dem gebildeten Nanostoff den Katalysator ab. Diese Mischung gerät in den Speicher des Finalprodukts. Daher ist das zweckbestimmte Produkt vom Katalysator verunreinigt. Es wird außerdem Katalysator verbraucht, der an der Reaktion nicht teilgenommen hat. Der Reaktor funktioniert in einem iteriert-periodischen Regime. Nach dem Abschluss eines Züchtungsumlaufs von Nanostoff muss man auf die Disc eine neue Schicht von Katalysator auftragen. Nicht ausreagiertes Gas wird zusammen mit gasförmigen Pyrolyseprodukten, die bis zu einer hohen Temperatur aufgewärmt sind, aus der Anlage entfernt, d. h. die Wärme, die für die Erwärmung von diesem Gas aufgewendet wurde, ist nicht verwendet. Außerdem ist die Anlage nicht technologisch. Sie fordert eine ständige Abmontierung und eine Reinigung der inneren Oberflächen des Deckels und des Körpers von angefälltem staubförmigem Katalysator.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine technologische Anlage zu schaffen, deren Konstruktion vereinfacht und deren Betriebssicherheit erhöht ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, qualitative Stoffe aus Kohlenstoff mit kleineren spezifischen Energieaufwänden herzustellen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dies ist dadurch erreicht, dass in der Anlage zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen, die einen Synthesereaktor mit einem Erhitzer, ein Gaszuführungssystem in den Reaktor und eine Rohrleitung zur Ableitung von gasförmigen Pyrolyseprodukten aufweist, die Anlage wenigstens einen Bausatz in Form einer Kolonne aufweist, der aus einem thermochemischen Reaktor, einem katalytischen Reaktor und einer Aufbereitungseinheit für Gasgemisch besteht und dass an den Bausatz eine Reinigungseinrichtung des thermochemischen Reaktors für Nanostoffe angeschlossen ist, die einen Nachbrenner von Synthesegas und einen Auspufffilter aufweist, die in einem einheitlichen Komplex miteinander verbunden sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlage sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild der Anlage zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen,
2 eine Seitenansicht der Anlage und
3 eine Planansicht der Anlage.
Die Anlage enthält zwei parallel aufgestellte Bausätze 1, jeder von denen ist in Form einer Kolonne ausgebildet. Die Kolonne besteht aus einem thermochemischen Reaktor 2, einem katalytischen Reaktor 3 und einer Aufbereitungseinheit 4 für Gasgemisch. An den unteren Teil des thermochemischen Reaktors 2 schließt sich eine Reinigungseinrichtung 5 des Reaktors für Nanostoffe an. Die Anlage ist mit einem Nachbrenner 6 von Synthesegas versehen, der bei der Arbeit gebildet wird. Die Anlage ist auch mit Nebenanlagen ausgestattet, die einen Druckluftverdichter 7, einen Lüfter 8, Rohrleitungen 9, eine Laufkatze 10, eine Speisekammer 11, Steuerpulte 12 und einen Auspufffilter 13 aufnehmen, die in einen einheitlichen Komplex miteinander verbunden sind.
Die Anlage funktioniert auf folgende Weise: Zunächst werden die Aufbereitungseinheit 4 für Gasgemisch sowie der thermochemische Reaktor 2 erwärmt. Je nach dem Anstieg der Temperatur in der Aufbereitungseinheit 4 für Gasgemisch wird eine Mischung von Kohlenwasserstoffgasen zugeführt. Diese Mischung aus der Aufbereitungseinheit 4 fängt an, durch die Öffnungen, die die Aufbereitungseinheit 4 mit dem katalytischen Reaktor 3 verbinden, in den eigentlich Reaktor zu geraten. Der katalytische Reaktor 3 ist mit einem Katalysator gefüllt, der aus Aluminiumoxidgranulaten besteht, die mit Rhodiumsalz angereichert sind. An dem Ausgang des katalytischen Reaktors 3 werden Wasserstoff und Kohlendioxid gebildet. Dieses Gasgemisch gerät weiter in den thermochemischen Reaktor 2, auf dessen Wänden anfängt, sich Nanostoff zu bilden und zu wachsen.
Je nach der Bildung von Nanostoff wird die Reinigungseinrichtung 5 des thermochemischen Reaktors 2 eingeschaltet. Bei der Ansammlung einer ausreichenden Menge von Nanostoff auf dem Grund des Reaktors wird eine Dichtschleuse geöffnet. Das Produkt wird aus dem katalytischen Reaktor 3 entfernt. Dabei hört der Arbeitsprozess nicht auf. Das nicht ausreagierte Synthesegas gelangt aus dem thermochemischen Reaktor 2 in den Nachbrenner 6, aus dem Gase in den Auspufffilter 13 geraten und dann weiter in die Atmosphäre ausströmen.
Betrachten wir einige Besonderheiten der Anlage. Die Konstruktion der Anlage ist technologisch, leicht abmontierbar und wieder montierbar. Das technologische Anordnungsschema der Hauptknoten: Aufbereitungseinheit für das Gasgemisch, der katalytische Reaktor und der thermochemische Reaktor sind so, dass eine ununterbrochene Arbeit der Anlage beliebig lange Zeit möglich ist. Die heißen Pyrolysegase geraten in den Nachbrenner 6 und das Auspufffilter 13 und verschmutzen die Atmosphäre nicht. Die ununterbrochene Thermoisolierung der Anlage lässt zu, die Wärmeverluste zu minimisieren. Der Energieaufwand für die Produktion des zweckbestimmten Produkts ist verringert. Der Nanostoff wird vom Katalysator nicht verunreinigt, da kein staubförmiger Katalysator verwendet wird.
Technische Charakteristiken der Anlage:

1. die Ladeumfänge: die Höhe – 5 m; die Grundfläche – 6 × 2,5 m;
2. der Energiebedarf – 2 × 50 Kilowatt;
3. die Leistung – 2 × 0,5 kg/Stunde;
4. die reagierenden Gase: Luft bis 1,6 m³/Stunde; Propan-Butan bis 1,5 m³/Stunde;
5. die Art des Gewinnprodukts – mehrschichtige Nanoröhre, Nanofaser und strukturierter Kohlenstoff.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5165909 [0004]
RU 2389836 [0006]

Claims

Anlage zur Herstellung von Kohlenstoff-Nanostoffen, die einen Synthesereaktor mit einem Erhitzer, ein Gaszuführungssystem in den Synthesereaktor und eine Rohrleitung zur Ableitung gasförmiger Pyrolyseprodukte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage wenigstens einen Bausatz (1) in Form einer Kolonne aufweist, der aus einem thermochemischen Reaktor (2), einem katalytischen Reaktor (3) und einer Aufbereitungseinrichtung (4) für ein Gasgemisch besteht, an den eine Reinigungseinrichtung (5) des thermochemischen Reaktors (2) für Nanostoffe angeschlossen ist und dass ein Nachbrenner (6) für Synthesegas und ein Auspufffilter (13) in einem einheitlichen Komplex miteinander verbunden sind.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei parallel aufgestellte Bausätze (1) aufweist.
Anlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Nebenanlagen ausgestattet ist, die einen Druckluftverteiler (7), einen Lüfter (8), Rohrleitungen (9), eine Laufkatze (10), eine Speisekammer (11), Steuerpulte (12) und das Auspufffilter (13) aufnehmen, die in einem einheitlichen Komplex miteinander verbunden sind.
Anlage nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Aufbereitungseinheit (4) für das Gasgemisch und der thermochemische Reaktor (2) erwärmt sind, dass in Abhängigkeit vom Anstieg der Temperatur der Aufbereitungseinheit (4) für das Gasgemisch eine Mischung aus Kohlenwasserstoffgasen zuführbar ist, dass die Mischung aus der Aufbereitungseinheit (4) durch Öffnungen, die die Aufbereitungseinheit (4) mit dem katalytischen Reaktor (3) verbinden, in den eigentlichen Reaktor gelangt, dass der katalytische Reaktor (3) mit einem Katalysator gefüllt ist, der aus Aluminiumgranulaten besteht, die mit Rhodiumsalz angereichert sind, dass sich am Ausgang des katalytischen Reaktors (3) Wasserstoff und Kohlendioxid bilden, dass dieses Gasgemisch in den thermochemischen Reaktor (2) gelangt und dass sich auf den Wänden des thermochemischen Reaktors (2) anfängt, Nanostoff zu bilden und zu wachsen.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Bildung von Nanostoff die Reinigungseinheit (5) einschaltbar ist, dass nach der Ansammlung einer ausreichenden Menge von Nanostoff eine Dichtschleuse geöffnet ist und das Produkt aus dem katalytischen Reaktor (3) entfernt ist und dass nicht ausreagiertes Synthesegas aus dem thermochemischen Reaktor (2) in den Nachbrenner (6) gelangt, aus dem Gase in das Auspufffilter (13) geraten und weiter in die Atmosphäre austreten.