JP6252911B2 - カーボンナノチューブを形成する方法及びシステム - Google Patents
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Description
本出願は、2011年12月12日出願のDenton及びNoyesによる「カーボンナノチューブを形成する方法及びシステム(Methods and System for Forming Carbon Nanotubes)」という名称の米国特許仮出願第61/569,494号、及び2011年12月30日出願のDenton及びNoyesによる「カーボンナノチューブを形成する方法及びシステム(Methods and System for Forming Carbon Nanotubes)」という名称の米国特許仮出願第61/582,098号に対する優先権を主張するものである。
本明細書に記述する実施形態は、取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システム及び方法を提供する。一部の実施形態において、供給原料はCH4が多く、それに対して他の実施形態では供給原料はCO2が多い。H2、CO、CO2、及び他の炭化水素の混合物を含む他の供給原料を使用することができる。プロセスは、図2に関して解説するように、ボッシュ反応を用いて高温高圧下で実施される。
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一反応器システム300の単純化した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。より多いCO2含有量の供給ガスに対するより具体的な反応器システムを図5及び図6に関して解説し、より多いCH4含有量の供給ガスに対するものを図7及び図8に関して解説する。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再循環ガス304と組み合わされる。この組合せは、静止混合器306を用いて行うことができる。
図14は、メタンと二酸化炭素とを含む供給ガスからカーボンナノチューブを発生させる方法1400である。方法1400は、CO2/CH4混合供給原料が得られるブロック1402で始まる。供給原料は、幾つも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気ガス、又は天然供給源又はプラント供給源からの幾つも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。
第29項.プラント始動において初期供給物流れを加熱するように構成されたパッケージ加熱器を含む第25項から第28項のいずれか1項に記載の反応システム。
Claims (24)
- カーボンナノチューブの生産のためのシステムであって、
廃ガス流れからの廃熱を用いて供給ガスを加熱するように構成された供給ガス加熱器と、
ボッシュ反応で前記供給ガスからカーボンナノチューブを形成するように構成された反応器と、
反応器流出物流れから前記カーボンナノチューブを分離して前記廃ガス流れを形成するように構成された分離器と、
周囲温度熱交換器と前記廃ガス流れから水の大部分を分離して乾燥廃ガス流れを形成するように構成された分離器とを含む水除去システムと、
前記乾燥廃ガス流れの圧力を増大するように構成されたコンプレッサと、
前記乾燥廃ガス流れから水を取除くように構成された最終水除去システムと、
前記乾燥廃ガス流れからメタンリッチ流れとCO2リッチ流れとを分離するように構成されたガス分別システムを備えている、
ことを特徴とするシステム。 - 前記周囲温度熱交換器は、水深冷器を備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記周囲温度熱交換器は、空冷熱交換器を備えている、
請求項1に記載のシステム。 - システムの初期始動に対して前記供給ガスを加熱するように構成されたパッケージ加熱器を備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記供給ガス加熱器の前に前記メタンリッチ流れを前記供給ガスに混合するように構成された混合システムを備えている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記反応器は、供給ガスの向流流れを用いて触媒を流動化する流動床反応器である、
請求項1に記載のシステム。 - 前記触媒は、金属ショットブラストビーズを備えている、
請求項6に記載のシステム。 - カーボンナノチューブの生産のためのシステムであって、
第2の廃ガス流れからの廃熱を用いて供給ガスを加熱するように構成された供給ガス加熱器と、
ボッシュ反応で前記供給ガスからカーボンナノチューブを形成するように構成された反応器と、
反応器流出物流れから前記カーボンナノチューブを分離して廃ガス流れを形成するように構成された分離器と、
周囲温度熱交換器と前記廃ガス流れから水の大部分を分離して乾燥廃ガス流れを形成するように構成された分離器とを含む水除去システムと、
前記乾燥廃ガス流れを前記廃ガス流れからの廃熱を用いて加熱して第2の供給ガスを形成するように構成された熱交換器と、
前記第2の供給ガスからカーボンナノチューブを形成するように構成された第2の反応器と、
前記第2の反応器からの流出物流れから前記カーボンナノチューブを分離して第2の廃ガス流れを形成するように構成された第2の分離器と、
前記第2の廃ガス流れを深冷する周囲温度熱交換器を用いて該第2の廃ガス流れから水を分離し、かつ該水の大部分を取除き第2の乾燥廃ガス流れを形成するように構成された第2の水除去システムと、
前記第2の乾燥廃ガス流れの圧力を増大するように構成されたコンプレッサと、
前記第2の乾燥廃ガス流れから水を取除くように構成された最終水除去システムと、
前記第2の乾燥廃ガス流れからメタンリッチ流れとCO2リッチ流れとを分離するように構成されたガス分別システムを備えている、
ことを特徴とするシステム。 - 前記供給ガス加熱器の前に前記メタンリッチ流れを前記供給ガスに混合するように構成された混合システムを備えている、
請求項8に記載のシステム。 - 前記第2の反応器は、第2の供給ガスの向流流れを用いて触媒を流動化する流動床反応器である、
請求項8に記載のシステム。 - 前記第2の反応器内の触媒は、金属ショットブラストビーズを備えている、
請求項10に記載のシステム。 - 前記触媒は、鉄及びニッケル、クロム、又はこれらのいずれかの組合せを備えている金属ビーズを備えている、
請求項6に記載のシステム。 - 前記触媒は、サイズが25メッシュと50メッシュの間にある金属ビーズを備えている、
請求項6に記載のシステム。 - 前記反応器は、金属シェルの劣化を防止するように構成された材料で裏打ちされている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記反応器と交差熱交換器の間の配管接続が、金属面を劣化から保護するように構成された耐火材料で裏打ちされている、
請求項1に記載のシステム。 - 前記供給ガス加熱器は、メタルダスティング環境内での使用に向けて構成された熱交換器を備えている、
請求項1に記載のシステム。 - カーボンナノチューブを形成する方法であって、
反応器内でボッシュ反応を用いてカーボンナノチューブを形成する段階と、
反応器流出物から前記カーボンナノチューブを分離して廃ガス流れを形成する段階と、
前記廃ガス流れからの廃熱を用いて供給ガス、乾燥廃ガス流れ、又はその両方を加熱する段階と、
周囲温度熱交換器内で前記廃ガス流れを深冷して水蒸気を凝縮させ、前記乾燥廃ガス流れを形成する段階と、
前記乾燥廃ガス流れを圧縮して圧縮ガスを形成する段階と、
前記圧縮ガスを周囲温度熱交換器に通し残留水蒸気を凝縮させて取除く段階と、
前記圧縮ガスを分別してメタンと二酸化炭素を分離する段階と、
メタンを前記供給ガスに添加する段階と、を備えている、
ことを特徴とする方法。 - カーボンナノチューブを形成する方法であって、
反応器内でボッシュ反応を用いてカーボンナノチューブを形成する段階と、
反応器流出物から前記カーボンナノチューブを分離して廃ガス流れを形成する段階と、
前記廃ガス流れからの廃熱を用いて第2の供給ガスを加熱する段階と、
周囲温度熱交換器内で前記廃ガス流れを深冷して水蒸気を凝縮させ、前記第2の供給ガスである乾燥廃ガス流れを形成する段階と、
前記第2の供給ガス流れを第2の反応器に供給する段階と、
前記第2の反応器内でカーボンナノチューブを形成する段階と、
前記カーボンナノチューブを第2反応器流出物から分離して第2の廃ガス流れを形成する段階と、
前記第2の廃ガス流れからの廃熱を用いて前記反応器に供給された供給ガスを加熱する段階と、
周囲温度熱交換器内で前記第2の廃ガス流れを深冷して水蒸気を凝縮させ、第2の乾燥廃ガス流れを形成する段階と、
前記第2の廃ガス流れを圧縮して圧縮ガスを形成する段階と、
前記圧縮ガスを第3の周囲温度熱交換器に通して水蒸気を凝縮させて取除く段階と、
前記圧縮ガスを分別してメタンと二酸化炭素を分離する段階と、
前記メタンを前記供給ガスに添加する段階と、を備えている、
ことを特徴とする方法。 - カーボンナノチューブを形成するための反応システムであって、
ボッシュ反応を用いてガス流れからカーボンナノチューブを形成するように構成され、最終反応器の前の各反応器からの流出物が下流の反応器のための供給物流れとして使用され、該最終反応器からの流出物流れが反応物減損廃棄物流れを備えている、2又は3以上の反応器と、
各反応器の下流にあり、該反応器からの前記流出物からカーボンナノチューブを取除くように構成された分離システムと、
各分離システムの下流の供給物加熱器であって、該供給物加熱器が、前記反応器からの流出物からの廃熱を用いて次の反応器のための供給ガス流れを加熱するように構成された熱交換器を含み、前記最終反応器の下流の該供給物加熱器が、最初の反応器のためのガス流れを加熱するように構成される供給物加熱器と、
各供給物加熱器の下流にあり、前記流出物から水を取除いて前記次の反応器のための前記供給物流れを形成するように構成された周囲温度熱交換器と、
前記反応物減損廃棄物流れの圧力を増大するように構成されたコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流にあり、前記反応物減損廃棄物流れから水を取除くように構成された周囲温度熱交換器と、
前記反応物減損廃棄物流れをメタンリッチ流れと二酸化炭素リッチ流れに分離するように構成されたガス分別システムと、
前記メタンリッチ流れ又は前記二酸化炭素リッチ流れを初期供給物流れに配合するように構成された混合器と、を備えている、
ことを特徴とする反応システム。 - 反応器が、金属ビーズを触媒として使用する流動床反応器を備えている、
請求項19に記載の反応システム。 - 前記周囲温度熱交換器の各々の下流にあり、ガス流れから液体の水を分離するように構成された分離容器を備えている、
請求項19に記載の反応システム。 - 前記2又は3以上の反応器の各々への前記供給物流れを加熱するように構成された複数のパッケージ加熱器を備えている、
請求項19に記載の反応システム。 - プラント始動のための初期供給物流れを加熱するように構成されたパッケージ加熱器を備えている、
請求項19に記載の反応システム。 - 前記パッケージ加熱器は、次の反応器への供給物流れを加熱するのに使用される、
請求項23に記載の反応システム。
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