JP2015533762A - 炭素同素体を生成するための反応器システム - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に記述する実施形態は、とりわけ、二酸化炭素とメタンのほぼ化学量論的な混合物を含むことができる供給原料を用いてカーボンファイバ、カーボンナノファイバ、及びカーボンナノチューブ(CNT)を産業規模で製作するためのハイブリッド反応器システムを提供する。本明細書で使用される「ハイブリッド反応器」は、1つ又はそれよりも多くの別個のゾーンを含み、ここで各ゾーンは、反応、摩滅、触媒分離、又はガス分離、もしくはこれらの組み合わせなどの特定の機能を実行する。ハイブリッド反応器は、充填床、流動床、及び輸送反応器の種々の組み合わせを含むことができる。更に、ハイブリッド反応器システムは、多段構成の複数の反応器を含むことができる。本明細書で記載されるハイブリッド反応器システムは、炭素同素体の生成、触媒粒子からの炭素同素体の摩滅、触媒粒子を反応器に戻すための下流の分離設備の必要性の排除、及び同様のものなどを効率的に行うことができる。
図3は、二酸化炭素とメタンとを含むガス供給物からカーボンナノチューブを製造するための反応器システム300の簡易プロセスフロー図である。図示のように、一反応器システム300は、CO2が多い又はCH4が多い供給ガス302に対して使用することができる。反応システム300では、供給ガス302は、少ないガスの濃度が高められたリサイクルガス304と組み合わされる。この組み合わせは、静的混合器306を用いて行うことができる。
図5は、炭素同素体502を形成するための反応器500の図面である。高温ガス供給物流れ504は、ライン506を通じて反応器500の底部に供給される。制御弁508を使用して、反応器内への高温ガス供給物流れ504のフローを調整することができる。高温ガス供給物流れ504は、分配器プレート510を貫流し、反応器壁514によって所定位置に保持された触媒ビーズ512の床を流動化することになる。本明細書に使用する「流動化」は、触媒ビーズ512が互いにばらばらに流れて気泡を通過させ、流体様の流れ挙動を与えることを意味する。本明細書に解説するように、金属表面がこの反応の触媒として機能することになるので、反応条件は、あらゆる露出金属表面に対して極めて過酷なものである。従って、反応は、露出金属表面の緩慢な劣化をもたらすことになる。これに応じて、表面を保護するために、反応器壁514及びヘッド515を含む反応器の内面に加えて分配器プレート510、並びに他の部分をセラミック材料で製作することができる。
図12は、触媒ビーズ1202上でのカーボンナノチューブ(CNT)のような炭素同素体の形成における触媒反応1200の概略図である。高温ガス供給物流れ1206中のCH4の一部分とCO2の一部分の間の初期反応1204は、化学量論量のCO及びH2の形成をもたらす。過剰な量の原料ガス1006が連続して反応器を貫流し、(必要に応じて)床を流動化するのを助け、CNT1208及び触媒粒子1210を運び去る。
図13は、炭素同素体の生産のために反応器システムで使用することができるガス分離システム1300の簡易プロセスフロー図である。ガス分離システム1300は、図4に関して考察したもののような高CO2反応器システムと共に使用することができるバルク分別プロセスである。しかしながら、本明細書で記載される実施形態において、ガス吸着/脱着分離システムのような他の技術を用いてもよい。
図14は、反応器システムからの流出物流れから分離された炭素同素体324をパッケージ化することができるパッケージ化システム1400の簡易プロセスフロー図である。パッケージ化システム1400は、図4に示す分離システム418のロックホッパー422に重なり、パッケージ化のためにプロセスから炭素同素体を分離するのに使用される。
図15は、メタンと二酸化炭素とを含む供給ガスからCNTなどの炭素同素体を発生させる方法1500である。本方法は、CNTについて記載されるが、他の炭素同素体にも適用されることは理解することができる。方法1500は、CO2/CH4混合供給原料が得られるブロック1502で始まる。供給原料は、幾つかの供給源から取得することができる。上述したように、供給原料は、地下貯留層から採取された天然ガス、発電プラントからの排出ガス、或いは天然供給源又はプラント供給源、もしくは生産工程からの幾つかの他のガスを含むことができる。更に、実施形態において、シンガス、CO、H2、他の炭化水素などのような他の材料を含む他の供給原料を使用することができる。
Claims (30)
- 炭素同素体を生産するための反応器システムであって、
ボッシュ反応において反応ガス混合物から炭素同素体を形成するよう構成されたハイブリッド反応器を備え、前記ハイブリッド反応器が、反応、摩滅、触媒分離、又はガス分離を含む異なる機能を実行する少なくとも2つの別個のゾーンを備えている、
ことを特徴とする反応器システム。 - 前記ハイブリッド反応器が、
反応器容器の狭窄部分に配置された流動床を有する第1のゾーンと、
前記反応器容器の幅広部分に配置された膨張領域床を有する第2のゾーンと、を備え、
前記反応器における反応ガス流れが前記狭窄流動床から前記幅広流動床に流れる、
請求項1に記載のシステム。 - 前記膨張領域床が、前記反応ガス流れを減速して、触媒粒子が前記流動床に落下できるように構成されている、
請求項2に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器が、
流動床反応器を有する第1のゾーンと、
輸送反応器を有する第2のゾーンと、を備え、
前記輸送反応器が、材料の一部を前記流動床反応器から該流動床反応器の反対側の端部に循環させるよう構成されている、
請求項1に記載のシステム。 - 反応ガス流れを複数の部分に分割することを含み、
前記反応ガス流れの第1の部分が、前記流動床に注入されて流動化を維持し、前記反応ガス流れの第2の部分が、前記輸送反応器に注入されて、該輸送反応器を通じて材料を押し出すようにする、
請求項4に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器が、
充填床を有する第1のゾーンと、
膨張床領域を有する第2のゾーンと、備え、
反応ガス流れが、前記充填床を貫流した後、前記膨張床領域を貫流する、
請求項1に記載のシステム。 - 前記反応ガス流れが、断続的に脈動して前記充填床を流動化する、
請求項6に記載のシステム。 - 前記膨張床領域が、前記反応ガス流れを減速して、触媒粒子が前記充填床に落下できるように構成される、
請求項6に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器が、
噴流床を有する第1のゾーンと、
触媒粒子を前記噴流床に落下させることを可能にするよう構成された遊離セクションを有する第2のゾーンと、
膨張床領域を有する第3のセクションと、を備え、
前記膨張床領域が、反応ガスフローを減速して、より小さい粒子が前記噴流床に落下できるように構成される、
請求項1に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器が、
前記ハイブリッド反応器の外側環状部に配置される充填床を有する第1のゾーンと、
前記ハイブリッド反応器の内側環状部に配置される流動床を有する第2のゾーンと、を備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 反応ガスが、前記充填床を通って、次いで前記流動床に流入する、
請求項10に記載のシステム。 - 前記充填床内の材料が、前記ハイブリッド反応器の底部から出て反応ガスの高速流れに流入し、前記反応ガスの高速流れが、前記材料を前記ハイブリッド反応器の上部に再循環する、
請求項10に記載のシステム。 - 未使用の触媒が、前記反応ガスの高速流れに供給される、
請求項11に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器が、
充填床を有する第1のゾーンと、前記充填床からガスを取り出すよう構成される分離ゾーンを有する第2のゾーンとを備えている第1の反応器と、
流動床を有する第3のゾーンを備えている第2の反応器と、を備え、
前記第1の反応器の充填床からの材料が、前記第2の反応器の流動床に流入する、
請求項1に記載のシステム。 - 前記流動床が、前記材料から炭素同素体を摩滅する、
請求項14に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器からの流出物流れから触媒粒子を取り出して、該触媒粒子を前記ハイブリッド反応器に戻すように構成された触媒分離サイクロンを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記ハイブリッド反応器における反応ゾーンに未使用の触媒を提供するよう構成された未使用触媒供給システムを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 反応ゾーンから材料を除去するよう構成された使用済み触媒除去システムを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 流出物流れから炭素同素体を取り出すよう構成された生成物分離サイクロンを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 直列構成の少なくとも2つの生成物分離サイクロンを備え、
各生成物分離サイクロンが、流出物流れから炭素同素体を取り出すよう構成されている、
請求項1に記載のシステム。 - 炭素同素体を形成する方法であって、
少なくとも2つのゾーンを有し且つ各ゾーンが反応、触媒分離、摩滅、又はガス分離を含む機能を実行するハイブリッド反応器内に、炭素酸化物及び炭化水素を含む反応ガスを注入するステップと、
ボッシュ反応を用いて前記ハイブリッド反応器において炭素同素体を形成するステップと、
前記反応ガスから触媒粒子を分離して、廃ガス流れを形成するステップと、
前記廃ガス流れから前記炭素同素体を分離するステップとを備えている、
ことを特徴とする方法。 - 前記炭素同素体を充填床において形成するステップを備えている、
請求項21に記載の方法。 - 流動床において触媒粒子から炭素同素体を摩滅するステップを備えている、
請求項21に記載の方法。 - 膨張床領域において前記反応ガスから触媒粒子を分離するステップを備えている、
請求項21に記載の方法。 - 輸送反応器において前記炭素同素体を形成するステップを備えている、
請求項21に記載の方法。 - 炭素同素体を形成するための反応システムであって、
反応、摩滅、触媒分離、又はガス分離を含む異なる機能を実行するよう各々が構成された少なくとも2つの別個の機能ゾーンを含み、ボッシュ反応を用いてガス流れから炭素同素体を形成するよう構成されたハイブリッド反応器と、
前記ハイブリッド反応器の下流側にあり、前記ハイブリッド反応器からの流出物から炭素同素体を取り出すよう構成された分離システムと、
前記分離システムの下流側にあり、前記ハイブリッド反応器からの流出物から廃熱を用いて前記ハイブリッド反応器への供給ガス流れを加熱するよう構成された熱交換器を備えている供給加熱器と、
前記分離システムの下流側にあり、前記流出物から水を除去するよう構成された熱交換器と、
反応物減損廃棄物流れをメタン濃縮流れと二酸化炭素濃縮流れとに分離するように構成されたガス分離システムと、
前記メタン濃縮流れ又は前記二酸化炭素濃縮流れを初期供給物流れに配合するように構成される混合器と、を備える、
ことを特徴とする反応システム。 - 反応器ゾーンが流動床を含み、該流動床が、触媒表面から炭素同素体を摩滅させる、
請求項26に記載の反応システム。 - 反応器ゾーンが充填床を含み、該充填床が、触媒表面上で炭素同素体を形成する、
請求項26に記載の反応システム。 - 反応器ゾーンが膨張床領域を含み、該膨張床領域が、ガス流れを減速して、同伴粒子が前記ガス流れから出て沈降できるようにする、
請求項26に記載の反応システム。 - 周囲温度熱交換器の下流側にあり、ガス流れから液体水を分離する分離容器を備える、
請求項26に記載の反応システム。
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