KR101735154B1 - Fluidized bed reactor and preparation of carbon nanostructures using same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소나노 구조물 제조를 위하여 이용될 수 있는 유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노 구조물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 유동층 반응기는 반응기 본체; 상기 반응기 본체 내부에 배치되는 분산판; 상기 반응기 본체 내부로 촉매를 공급하는 촉매 공급관; 상기 분산판의 하부로부터 상부를 향하는 상향 유동방식으로 기체를 공급하는 기체 공급관; 상기 분산판의 상부에 배치되는 로터; 및 생성된 탄소나노 구조물과 혼합기체가 배출되는 생성물 배출관;을 구비한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fluidized bed reactor that can be used for producing carbon nanostructures and a method for producing carbon nanostructure using the same.
The fluidized bed reactor of the present invention comprises a reactor body; A dispersion plate disposed inside the reactor body; A catalyst supply pipe for supplying a catalyst into the reactor main body; A gas supply pipe for supplying the gas in an upward flow manner from the lower part of the dispersion plate to the upper part; A rotor disposed on the top of the diffuser plate; And a product discharge pipe through which the generated carbon nanostructure and the mixed gas are discharged.

Description

유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노 구조물 제조방법 {FLUIDIZED BED REACTOR AND PREPARATION OF CARBON NANOSTRUCTURES USING SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fluidized bed reactor and a carbon nanostructure manufacturing method using the fluidized bed reactor.

본 발명은 탄소나노 구조물 제조를 위하여 이용될 수 있는 유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노 구조물의 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fluidized bed reactor that can be used for producing carbon nanostructures and a method for producing carbon nanostructure using the same.

유동층 반응기는 다양한 다중상(multiphase) 화학 반응을 수행하도록 이용될 수 있는 반응기 장치이다. 이와 같은 유동층 반응기에서는 유체 (기체 또는 액체)가 미립자 상태의 고체 물질과 반응하게 되는데, 통상적으로 상기 고체 물질은 작은 구 형상을 가지는 촉매이고, 유체는 고체 물질을 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체 물질이 유체와 유사하게 거동하게 된다.Fluidized bed reactors are reactor devices that can be used to perform a variety of multiphase chemical reactions. In such a fluidized bed reactor, the fluid (gas or liquid) reacts with the particulate solid material, typically the solid material is a catalyst having a small sphere shape, and the fluid flows at a velocity sufficient to float the solid material, The material behaves like a fluid.

일반적으로 탄소나노 구조물(carbon nanostructures, CNS)은 나노튜브, 나노파이버, 풀러렌, 나노콘, 나노호른, 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노 크기의 탄소구조물을 지칭하며, 여러 가지 우수한 성질을 나타내기 때문에 다양한 기술분야에서 활용도가 높은 것으로 알려져 있다.In general, carbon nanostructures (CNS) refer to nano-sized carbon structures having various shapes such as nanotubes, nanofibers, fullerenes, nanocons, nanohorns, and nanorods, and exhibit various excellent properties It is known to be highly utilized in various technical fields.

대표적인 탄소나노 구조물인 탄소나노튜브(carbon nanotubes; CNT)는 서로 이웃하는 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 결합되어 탄소 평면을 형성하고, 상기 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브의 형상을 가지는 소재이다. 이와 같은 탄소나노튜브는 구조에 따라서, 즉 튜브 내 육각형의 방향성에 따라 금속 성질을 나타내거나 반도체 성질을 나타내는 특성이 있으며, 다양한 기술 분야에서 광범위하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 슈퍼 커패시터(super capacitor)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐체, 전계 방출 디스플레이, 또는 기체 센서 등에 적용될 수 있다.Carbon nanotubes (CNTs), which are representative carbon nanostructures, are carbon nanotubes (CNTs) that are formed by bonding adjacent carbon atoms to each other in a hexagonal honeycomb structure to form a carbon plane, and the carbon plane is cylindrically formed to have a tube shape. Such carbon nanotubes exhibit a metallic property or a semiconducting property according to the structure, that is, the directionality of a hexagon in the tube, and can be widely applied in various technical fields. For example, the carbon nanotube may be applied to an electrode of an electrochemical storage device such as a secondary cell, a fuel cell, or a super capacitor, an electromagnetic wave shield, a field emission display, or a gas sensor.

상기 탄소나노 구조물은 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학 기상 증착법 등의 공정을 통하여 제조할 수 있다. 상기 열거된 제조 방법 중 화학 기상 증착법에서는 통상적으로 고온의 유동층 반응기 안에서 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 원료 기체를 분산 및 반응시킴으로써 탄소나노 구조물이 생성된다. 즉, 금속 촉매는 원료 기체에 의해 유동층 반응기 안에서 부유하면서 원료 기체와 반응하여 탄소나노 구조물을 성장시킨다.The carbon nanostructure can be manufactured through a process such as an arc discharge method, a laser evaporation method, or a chemical vapor deposition method. In the chemical vapor deposition method among the above-mentioned manufacturing methods, carbon nanostructures are produced by dispersing and reacting metal catalyst particles and a hydrocarbon-based raw material gas in a fluidized bed reactor at a high temperature. That is, the metal catalyst reacts with the raw material gas while floating in the fluidized bed reactor by the raw material gas to grow the carbon nanostructure.

상기 유동층 반응기를 이용한 탄소나노 구조물의 제조 방법은 예를 들어 한국 특허출원공개 10-2009-0073346호 및 10-2009-0013503호 등에 개시되어 있다. 이와 같은 유동층 반응기를 이용하는 경우에는 반응기 내에서 기체를 일정하게 분포시키고, 촉매와 같은 분체가 상부에서 하부로 통과하지 못하도록 분산판을 이용한다. 분산판으로는 다공성 플레이트(perforated plate), 버블 캡(bubble cap), 씨브(sieve) 또는 노즐(nozzle)을 이용하여 구성하는 것이 일반적이다.Methods for producing carbon nanostructures using the fluidized bed reactor are disclosed in Korean Patent Application Publication Nos. 10-2009-0073346 and 10-2009-0013503, for example. When such a fluidized bed reactor is used, a gas is uniformly distributed in the reactor, and a dispersing plate is used so that a catalyst-like powder can not pass from the upper part to the lower part. As the dispersion plate, a porous plate, a bubble cap, a sieve, or a nozzle is generally used.

상기 유동층 반응기에서 기체는 분산판 하부로부터 상부의 방향으로 상향 유동하여 분산판 상의 입자층이 유동 상태로 부유하게 한다. 그러나 기체의 상승 유동만으로는 반응기 내 방사상(radial) 방향 유동이 충분하지 않기 때문에 분체와 기체의 혼합이 잘 이루어지지 않거나, 입자의 반응기내 체류시간이 짧아지게 된다. 이 경우 탄소나노 구조물 자체의 강한 반데르발스 인력으로 인해 탄소나노 구조물 입자끼리 응집하여 분산판의 상부에 가라 앉게 되며, 가라 앉은 응집체들 위로 촉매가 지속적으로 퇴적하고 성장하면서 탄소나노 구조물의 퇴적물이 점점 커져서 반응기 전체의 유동성이 크게 저하된다는 문제가 있다. 그 결과 탄소나노 구조물로의 성장이 원활하지 않아 조업시간이 길어지거나 제품 수율이 나빠지며, 또한 미반응 촉매가 분산판에 침적되거나 분산판의 세공을 막는 클로깅(clogging) 현상으로 인해 반응기체의 균일한 주입을 방해 받고, 압력 저하(pressure drop)가 발생하므로 안정적인 유동층 조업이 어렵다는 문제점이 있다.In the fluidized bed reactor, the gas flows upward from the lower portion of the dispersion plate to float the particle layer on the dispersion plate into a fluid state. However, the upflow of the gas alone does not allow sufficient radial flow in the reactor, so that the powder and gas are not mixed well or the residence time of the particles in the reactor is shortened. In this case, due to the strong van der Waals attraction of the carbon nanostructure itself, the carbon nanostructure particles aggregate and settle on the upper part of the dispersion plate. As the catalyst continuously accumulates and grows on the settled aggregates, There is a problem that the fluidity of the entire reactor is significantly lowered. As a result, the growth to the carbon nanostructure is not smooth and the operation time is lengthened or the product yield is deteriorated. Also, the unreacted catalyst is deposited on the dispersion plate or clogging of the dispersion plate, Uniform injection is obstructed and a pressure drop occurs, which makes it difficult to operate a stable fluidized bed.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유동층 반응기의 유동성을 강화시킴으로써 반응기체와 촉매의 원활하고 균일한 접촉을 유도할 수 있는 유동층 반응기를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a fluidized bed reactor capable of inducing smooth and uniform contact between a reaction gas and a catalyst by enhancing fluidity of the fluidized bed reactor.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 유동층 반응기를 이용하여 탄소나노 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a carbon nanostructure using the fluidized bed reactor.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,According to an aspect of the present invention,

반응기 본체;A reactor body;

상기 반응기 본체 내부에 배치되는 분산판;A dispersion plate disposed inside the reactor body;

상기 반응기 본체 내부로 촉매를 공급하는 촉매 공급관;A catalyst supply pipe for supplying a catalyst into the reactor main body;

상기 분산판의 하부로부터 상부를 향하는 상향 유동방식으로 기체를 공급하는 기체 공급관;A gas supply pipe for supplying the gas in an upward flow manner from the lower part of the dispersion plate to the upper part;

상기 분산판의 상부에 배치되는 로터; 및A rotor disposed on the top of the diffuser plate; And

생성된 탄소나노 구조물과 혼합기체가 배출되는 생성물 배출관;을 구비하는 유동층 반응기를 제공한다.And a product discharge pipe through which the carbon nanostructure and the mixed gas are discharged.

일구현예에 따르면, 상기 유동층 반응기는 상기 분산판의 상부 중앙에 로터 고정축을 더 구비할 수 있다.According to one embodiment, the fluidized bed reactor may further include a rotor fixing shaft at the upper center of the dispersion plate.

일구현예에 따르면, 상기 로터는 상기 기체 공급관에 의해 공급되는 반응기체에 의해 회전할 수 있다.According to one embodiment, the rotor can be rotated by the reaction gas supplied by the gas supply pipe.

상기 다른 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,According to another aspect of the present invention,

촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;Supplying a catalyst through a catalyst supply line;

기체 공급관을 통해 반응기체를 반응기 내부로 공급하는 단계;Supplying a reaction gas into the reactor through a gas supply line;

상기 반응기체에 의해 분산판 상부의 로터를 회전시키는 단계;Rotating the rotor above the dispersion plate by the reaction gas;

상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 상승 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노 구조물을 생성하는 단계; 및Generating a carbon nanostructure by allowing the catalyst and the reactive gas to react with each other while flowing upward in a reaction space inside the reactor; And

생성된 탄소나노 구조물을 배출관을 통해 회수하는 단계;를 포함하는 탄소나노 구조물의 제조방법을 제공한다.And recovering the generated carbon nanostructure through a discharge tube. The present invention also provides a method for producing a carbon nanostructure.

일구현예에 따르면, 상기 로터는 탄소나노 구조물의 퇴적을 억제할 수 있다.According to one embodiment, the rotor can suppress the deposition of the carbon nanostructure.

일구현예에 따르면, 상기 반응기체는 탄소원을 함유할 수 있다.According to one embodiment, the reactive gas may contain a carbon source.

일구현예에 따르면, 상기 반응기체는 불활성기체 및 환원성기체 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.According to one embodiment, the reactive gas may further include at least one of an inert gas and a reducing gas.

본 발명에 따른 유동층 반응기는 유동층 반응기에서 탄소나노 구조물을 합성함에 있어서 분산판을 통해 분산되는 반응기체의 상승하는 힘에 의해 회전하는 로터를 구비함으로써 탄소나노 구조물의 퇴적을 억제하여 안정적인 유동층 반응이 지속될 수 있도록 한다.The fluidized bed reactor according to the present invention includes a rotor rotating due to a rising force of a reaction gas dispersed through a dispersing plate in synthesizing carbon nanostructure in a fluidized bed reactor, thereby suppressing the deposition of the carbon nanostructure and sustaining a stable fluidized bed reaction .

도 1은 탄소나노튜브 제조용 유동층 반응기의 일례에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 유동층 반응기의 반응 메커니즘을 나타내는 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 로터 구비 유동층 반응기의 반응 메커니즘을 나타내는 단면 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일구현예에 따른 로터 구비 유동층 반응기의 종단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a schematic block diagram of an example of a fluidized bed reactor for producing carbon nanotubes. FIG.
2 is a longitudinal sectional view showing a reaction mechanism of a fluidized bed reactor according to the prior art.
3 is a cross-sectional perspective view illustrating the reaction mechanism of the rotor-equipped fluidized bed reactor according to one embodiment of the present invention.
4 is a longitudinal sectional view of a rotor-equipped fluidized bed reactor according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술사상 및 범위에 포함되는 변형물, 균등물 또는 대체물을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be described in more detail with reference to the embodiments of the invention shown in the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다.In the drawings, like reference numerals are used for similar elements.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it is to be understood that other elements may be directly connected or connected, or intervening elements may be present.

단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.The singular expressions include plural expressions unless otherwise specified.

"구비한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.It is to be understood that the terms such as " comprising ", "comprising ", or" having ", when used in this specification, specify the presence of stated features, integers, , Numbers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, may be present or absent.

도 1 에는 유동층 반응기의 구성이 개략적으로 도시되어 있으며, 이러한 유동층 반응기는 탄소나노 구조물에 이용될 수 있지만, 그에만 한정된 것은 아니며, 예를 들어 탄소나노튜브 또는 탄소나노섬유와 같은 다양한 탄소나노 구조물의 제조에 사용할 수 있다.1 schematically illustrates the structure of a fluidized bed reactor, which may be used in a carbon nanostructure, but is not limited thereto. For example, a carbon nanotube or a carbon nanostructure such as carbon nanofibers It can be used for manufacturing.

도 1을 참조하면, 유동층 반응기(1)는 반응기 본체(10)를 구비하며, 반응기 본체(10)의 하부는 특정 형상을 갖는 영역, 예를 들어 테이퍼 영역(10a)으로 형성될 수 있다. 반응기 본체(10)를 고온으로 가열하기 위해, 가열기(19)가 반응기 본체(10)의 외부에 구비될 수 있다.Referring to FIG. 1, a fluidized bed reactor 1 has a reactor body 10, and the lower portion of the reactor body 10 can be formed with a region having a specific shape, for example, a tapered region 10a. In order to heat the reactor body 10 to a high temperature, a heater 19 may be provided outside the reactor body 10.

상기 유동층 반응기(1)의 저부에는 반응기체를 공급하는 기체 공급부(12)가 구비된다. 상기 반응 기체는 탄소나노 구조물을 제조하기 위한 탄화 수소 계열의 기체를 탄소원으로 포함할 수 있으며, 예를 들어 탄소를 공급할 수 있으며, 약 300℃ 이상의 온도에서 기상으로 존재할 수 있는 물질이라면 특별한 제한 없이 포함할 수 있다. 구체적으로는 탄소를 함유하는 화합물이면 가능하며, 예를 들어 탄소수 6개 이하, 또는 탄소수 4개 이하의 화합물 또는 탄소수 2개 이하의 화합물을 사용할 수 있다. 그러한 예로서는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.At the bottom of the fluidized bed reactor 1, a gas supply unit 12 for supplying a reactive gas is provided. The reaction gas may include a hydrocarbon-based gas for producing a carbon nanostructure as a carbon source. For example, the reaction gas may include carbon and may be present in a gas phase at a temperature of about 300 ° C or higher. can do. Specifically, a compound containing carbon can be used, and for example, a compound having 6 or less carbon atoms, or 4 or less carbon atoms or a compound having 2 or less carbon atoms can be used. Examples thereof include at least one selected from the group consisting of carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, propylene, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene and toluene.

상기 반응기체는 또한 불활성 기체 또는 환원성 기체 중 하나 이상을 더 포함할 수 있으며, 상기 불활성 기체로서는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온 등을 사용할 수 있으며, 상기 환원성 기체로서는 수소 등을 사용할 수 있다. 이들이 혼합하여 함께 사용되는 경우, 이들의 부피비는 1:9 내지 9:1의 범위로 사용될 수 있다.The reactive gas may further include at least one of an inert gas and a reducing gas. As the inert gas, nitrogen, helium, argon, neon, or the like may be used. As the reducing gas, hydrogen or the like may be used. When they are mixed and used together, their volume ratio can be used in the range of 1: 9 to 9: 1.

상기 반응 기체는 기체 공급부(12)에 연결된 기체 공급관(21)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급된다. 반응 기체는 반응기 본체(10)의 내부로 공급되기 전에 예열기(17)에서 예열될 수 있다.The reaction gas is supplied into the reactor main body 10 through a gas supply pipe 21 connected to the gas supply unit 12. The reaction gas may be preheated in the preheater 17 before being fed into the reactor body 10.

상기 반응기 본체(10)의 내부에 형성된 반응 공간의 하측에 다수의 세공을 구비한 분산판(13)이 배치됨으로써, 분산판(13)을 통하여 반응기 본체(10)내의 반응 공간으로 상기 반응기체가 분산될 수 있으며, 상기 세공의 크기를 조절하여 상기 반응기체가 배출되는 압력을 적절히 조절할 수 있다.A plurality of pores are formed in the lower part of the reaction space formed in the reactor body 10 so that the reaction gas is introduced into the reaction space in the reactor body 10 through the dispersion plate 13, And the pressure at which the reaction gas is discharged can be appropriately adjusted by controlling the size of the pores.

도 1은 분산판(13)이 테이퍼 영역의 상단에 설치된 경우를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 기체 및 고체의 거동에 따른 목적에 맞도록 테이퍼 영역의 상부, 중부 및 하부 중 임의로 선택하여 분산판(13)을 설치할 수 있다.FIG. 1 shows a case where the dispersion plate 13 is provided at the upper end of the tapered region. However, the present invention is not limited thereto, and may be arbitrarily selected from the upper, middle and lower portions of the tapered region, (13) can be installed.

일구현예에 따르면, 상기 분산판(13)의 상부에는 상기 반응기체의 공급 압력에 의해 회전이 가능한 로터가 배치될 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.According to one embodiment, a rotatable rotor may be disposed on the top of the dispersion plate 13 by the supply pressure of the reaction gas. This will be described in more detail below.

상기 반응기 본체(10)의 상부에는 신장부(11)가 구비된다. 신장부(expander, 11)에는 촉매와 반응 생성물(예를 들어, 탄소나노튜브)이 반응기 본체(10)로부터 외부로 배출되는 것을 막기 위한 분리기(미도시)등이 구비될 수 있다. 신장부(11)에는 여과기(18)가 연결되며, 상기 여과기(18)에서 여과된 성분 기체는 이송관(23)을 통해 이송된다. 한편 신장부(11)에는 재순환 배관(22)이 연결되어, 신장부(11)에서 배출된 혼합 기체의 일부를 재순환 배관(22)을 통해 반응 기체 공급관(21)으로 재순환시킬 수 있다.The reactor body 10 is provided with an extension 11 at the top thereof. A separator (not shown) for preventing the catalyst and the reaction product (e.g., carbon nanotubes) from being discharged from the reactor body 10 to the outside may be provided in the expander 11. A filter 18 is connected to the elongated portion 11 and the component gas filtered by the filter 18 is conveyed through the conveying pipe 23. On the other hand, a recirculation pipe 22 is connected to the expansion part 11 so that part of the mixed gas discharged from the expansion part 11 can be recycled to the reaction gas supply pipe 21 through the recirculation pipe 22.

상기 반응기 본체(10)의 상부 일측에는 배관(24)을 통하여 분리기(14)가 연결되어 있다. 상기 분리기(14)는 반응기 본체(10)로부터 배출된 혼합 기체로부터 생성물을 분리하기 위한 것으로서, 예를 들어 탄소나노튜브와 혼합 기체를 분리하기 위한 것이다.A separator 14 is connected to one side of the upper portion of the reactor main body 10 through a pipe 24. The separator 14 is for separating the product from the mixed gas discharged from the reactor body 10, for example, for separating the mixed gas from the carbon nanotube.

상기 분리기(14)의 일측에는 탄소나노튜브와 같은 생성물을 회수하기 위한 회수기(15)가 연결되며, 분리기(14)는 배관(24)을 통해 반응기 본체(10)의 하부 일측에 연결된다. 촉매 공급기(16)는 배관(26)에 연결됨으로써 촉매가 배관(26)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급될 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 배관(26)에는 송풍기(blower)가 구비됨으로써, 분리기(14)에서 분리된 혼합 기체와 촉매 공급기(16)에서 공급되는 촉매를 반응기 본체(10) 안으로 압송시킬 수 있다.A separator 14 is connected to one side of the separator 14 for recovering products such as carbon nanotubes and a separator 14 is connected to a lower side of the reactor body 10 through a pipe 24. The catalyst feeder 16 is connected to the pipe 26 so that the catalyst can be fed into the reactor body 10 through the pipe 26. Although not shown in the drawing, the pipe 26 is provided with a blower so that the mixed gas separated from the separator 14 and the catalyst supplied from the catalyst feeder 16 can be fed into the reactor main body 10.

위에 설명된 바와 같은 유동층 반응기에 구비된 분산판(13)은 원료 기체를 유동층 반응기 본체(10)의 내부로 균일하게 분산시키고 촉매 입자 또는 반응에 의해 생성된 분체가 유동층 반응기의 저부로 낙하하는 것을 방지하는 역할을 수행하게 된다.The dispersion plate 13 provided in the fluidized bed reactor as described above uniformly disperses the raw material gas into the fluidized bed reactor body 10 and the powder produced by the catalyst particles or the reaction drops to the bottom of the fluidized bed reactor .

통상적으로 기체-고체 유동층 반응기에서는 분산판 상부에 촉매 등의 고체 입자가 위치하고 분산판(13)에 형성된 구멍을 통하여 반응 기체를 하부로부터 송풍하면 촉매가 유동층 반응기 본체(10)의 분산판(13) 상부 공간에서 유동하면서 반응이 발생된다.In the gas-solid fluidized bed reactor, when solid particles such as catalyst are placed on the dispersion plate and the reaction gas is blown from the bottom through the holes formed in the dispersion plate 13, the catalyst is supplied to the dispersion plate 13 of the fluidized bed reactor body 10, The reaction occurs while flowing in the upper space.

도 2는 종래기술에 따른 탄소나노 구조물의 반응 메커니즘을 도시한다. 도시된 바와 같이, 탄소나노 구조물 자체의 강한 반데르발스 인력으로 인해 탄소나노 구조물 입자끼리 응집하여 분산판의 상부 및 가장자리에 퇴적물(32)의 형태로 가라 앉게 되며, 가라 앉은 응집체들 위로 촉매가 지속적으로 퇴적하고 성장하면서 탄소나노 구조물의 퇴적물이 점점 커지게 된다. 그에 따라 분산판의 세공을 막는 클로깅(clogging) 현상으로 인해 반응기체의 균일한 주입이 곤란해져 버블(34) 등의 형성이 억제되고, 비유동 탄소나노 구조물(31)이 점차 증가하게 된다. Fig. 2 shows the reaction mechanism of the carbon nanostructure according to the prior art. As shown, due to the strong Van der Waals attraction of the carbon nanostructure itself, the carbon nanostructure particles agglomerate together and sink to the top and the edge of the dispersing plate in the form of the sediment 32, And the deposits of carbon nanostructures become larger and larger. As a result, clogging of the pores of the dispersion plate makes it difficult to uniformly inject the reactive gas to suppress the formation of bubbles 34 and the like, and the non-flowing carbon nanostructure 31 gradually increases.

도 3은 본 발명의 일구현예에 따른 유동층 반응기를 도시한다.Figure 3 illustrates a fluidized bed reactor in accordance with an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 분산판(13) 상부에 로터(38)가 배치되며, 이와 같은 로터(38)은 상기 분산판(13)의 세공을 통해 배출되는 기체 압력을 통해 회전이 가능하게 설치된다. 즉, 상기 분산판(13)의 상부 중앙에 로터 고정축(37)을 배치하고, 그 위에 상기 로터(38)를 회전 가능하게 배치할 수 있다.As shown in FIG. 3, a rotor 38 is disposed above the dispersion plate 13, and the rotor 38 is rotatable through the gas pressure discharged through the pores of the dispersion plate 13 Respectively. That is, the rotor fixing shaft 37 may be disposed at the upper center of the dispersion plate 13, and the rotor 38 may be rotatably disposed thereon.

상기 분산판(13) 세공을 통해 하부로부터 반응기체가 공급되면, 이때 생성되는 기류와 버블(34)이 상승하는 힘에 의해 상기 로터(38)를 회전시킬 수 있으며, 상기 분산판(13)의 상부에 생성될 수 있는 탄소나노 구조물의 퇴적을 억제할 수 있게 된다. 즉 상기 로터(38)가 회전하면서 탄소나노 구조물의 퇴적을 억제하여 반응기 내에서 유동성을 보다 개선할 수 있게 된다.When the reaction gas is supplied from the lower part through the pores of the dispersion plate 13, the rotor 38 can be rotated by a force generated by the generated air flow and the bubble 34, It is possible to suppress the deposition of the carbon nanostructure which can be formed on the upper part. That is, the rotation of the rotor 38 suppresses the deposition of the carbon nanostructure, thereby further improving the fluidity in the reactor.

상기 로터(38)의 구조를 보다 상세히 도 4에 도시한다. 도 4에 도시된 로터는, 4개의 날개를 갖는 프로펠러 형태를 갖지만, 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 로터(38)는 4개보다 적거나 더 많은 갯수의 날개를 갖는 프로펠러 형태를 가질 수 있으며, 예를 들어 2개 내지 10개의 날개를 가질 수 있다. 이와 같은 로터(38)는 반응기체의 상승하는 힘으로 회전할 수 있으며, 경량의 소재로 제조될 수 있다.The structure of the rotor 38 is shown in more detail in Fig. The rotor shown in Fig. 4 has a propeller shape having four wings, but is not limited to this. For example, the rotor 38 may have the form of a propeller having fewer than or greater than four blades, and may have, for example, two to ten blades. Such a rotor 38 can be rotated by the upward force of the reaction gas and can be made of a lightweight material.

본 발명의 일구현예에 따른 유동층 반응기는 반응기 본체(10), 분산판(13), 기체 공급관(21), 생성물 배출관(24), 촉매 공급관(25) 및 로터(38)를 구비하며, 상기 기체 공급관(21)은 분산판(13)의 세공을 통해 하부로부터 상부를 향하는 상향 유동방식으로 반응 기체를 공급하며, 이 반응기체가 생성하는 기류와 버블이 갖는 상승력을 이용하여 상기 로터(38)가 회전하여 탄소나노 구조물의 퇴적이 억제되어 상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 상승 유동하면서 보다 안정적으로 반응하도록 하여 탄소나노 구조물을 생성하게 된다. 이러한 과정을 통해 생성된 탄소나노 구조물은 생성물 배출관(24)을 통해 회수하게 된다.The fluidized bed reactor according to one embodiment of the present invention includes a reactor body 10, a dispersion plate 13, a gas supply pipe 21, a product discharge pipe 24, a catalyst supply pipe 25 and a rotor 38, The gas supply pipe 21 supplies the reaction gas in an upward flow manner from the lower part to the upper part through the pores of the dispersion plate 13. The air is generated by the air flow generated by the reaction gas and the upward force of the bubble, The carbon nanostructure is formed by the reaction between the catalyst and the reaction gas in the reaction space inside the reactor while stably reacting. The carbon nanostructure produced through this process is recovered through the product discharge pipe (24).

본 발명의 일구현예에 따른 유동층 반응기는 반응기체의 상승력으로 인해 회전가능한 로터(38)를 구비함으로써, 상기 로터(38)의 회전에 의해 상기 반응기체는 상승 유동에 수직 방향이면서 반응기 중심에서 편향된 방향, 즉 반응기 벽면의 접선 방향으로 유동할 수 있게 되며, 이로 인해 반응기체의 상승 경로가 길어져 입자의 체류시간이 연장되고, 또한 반응기 벽면에서 입자들의 유동이 약화되어 침적되는 것을 방지할 수 있어 안정적인 유동층 반응이 지속될 수 있도록 할 수 있다.Since the fluidized bed reactor according to one embodiment of the present invention has the rotatable rotor 38 due to the ascending force of the reactive gas, by the rotation of the rotor 38, the reactive gas is perpendicular to the upward flow, , That is, the tangential direction of the wall surface of the reactor. This increases the residence time of the particles due to the lengthening of the rising path of the reaction gas, and also prevents the particles from being deposited on the wall surface of the reactor, So that the fluidized bed reaction can be continued.

10. 반응기 본체 11. 신장부
12. 반응 기체 공급부 13. 분산판
24. 생성물 배출관 25. 촉매 공급관
38. 로터10. Reactor body 11. Extension portion
12. Reaction gas supply 13. Dispersion plate
24. Product outlet pipe 25. Catalyst feed pipe
38. Rotor

Claims (12)

반응기 본체;
상기 반응기 본체 내부에 배치되는 분산판;
상기 반응기 본체 내부로 촉매를 공급하는 촉매 공급관;
상기 분산판의 하부로부터 상부를 향하는 상향 유동방식으로 반응기체를 공급하는 기체 공급관;
상기 분산판의 상부에 배치되며, 상기 기체 공급관에 의해 공급되는 반응기체에 의해 회전하며, 반응기 벽면의 접선방향으로 반응기체 유동을 야기하는 프로펠러 형태의 로터; 및
생성된 탄소나노 구조물과 혼합기체가 배출되는 생성물 배출관;을 구비하는 탄소나노 구조물 제조용 유동층 반응기.A reactor body;
A dispersion plate disposed inside the reactor body;
A catalyst supply pipe for supplying a catalyst into the reactor main body;
A gas supply pipe for supplying the reaction gas in an upward flow manner from the lower part of the dispersion plate to the upper part;
A propeller-like structure disposed on the top of the dispersion plate and rotated by the reaction gas supplied by the gas supply pipe, causing a reaction gas flow in a tangential direction of the reactor wall surface Rotor; And
And a product discharge pipe through which the generated carbon nano structure and the mixed gas are discharged. 제1항에 있어서,
상기 유동층 반응기가 상기 분산판의 상부 중앙에 로터 고정축을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노 구조물 제조용 유동층 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the fluidized bed reactor further comprises a rotor fixing shaft at the upper center of the dispersion plate. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 로터의 회전에 의해 반응기내 입자들이 체류 시간을 증가시키고 퇴적을 억제하는 것을 특징으로 하는 탄소나노 구조물 제조용 유동층 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the particles in the reactor increase residence time and inhibit deposition by rotation of the rotor. 제1항에 있어서,
상기 반응기의 상부에 배치되어 촉매와 탄소 나노구조물의 외부 배출을 억제하는 신장부;
상기 반응기의 측면에 배치되어 혼합기체와 탄소 나노구조물을 분리하기 위한 분리기; 및
상기 분리기로부터 탄소 나노구조물을 회수하기 위한 회수기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소나노 구조물 제조용 유동층 반응기.The method according to claim 1,
An extender disposed at an upper portion of the reactor to inhibit external exhaust of the catalyst and the carbon nanostructure;
A separator disposed on a side surface of the reactor for separating the mixed gas from the carbon nanostructure; And
And a recovering unit for recovering the carbon nanostructure from the separator. 제1항에 있어서,
상기 탄소나노구조물이 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소나노 구조물 제조용 유동층 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the carbon nanostructure is a carbon nanotube. 제1항에 따른 유동층 반응기를 이용하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노구조물의 제조방법.A process for producing a carbon nano structure, characterized by using the fluidized bed reactor according to claim 1. 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;
기체 공급관을 통해 반응기체를 반응기 내부로 공급하는 단계;
상기 반응기체에 의해 분산판 상부에 구비된 프로펠러 형태의 로터를 회전시켜, 반응기 벽면의 접선 방향으로 반응기체 유동을 야기하는 단계;
상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 상승 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노 구조물을 생성하는 단계; 및
생성된 탄소나노 구조물을 배출관을 통해 회수하는 단계;를 포함하는 탄소나노 구조물의 제조방법.Supplying a catalyst through a catalyst supply line;
Supplying a reaction gas into the reactor through a gas supply line;
Rotating the propeller-shaped rotor provided on the top of the dispersion plate by the reaction gas to cause a reaction gas flow in a tangential direction of the reactor wall surface;
Generating a carbon nanostructure by allowing the catalyst and the reactive gas to react with each other while flowing upward in a reaction space inside the reactor; And
And recovering the generated carbon nanostructure through a discharge tube. 제8항에 있어서, 상기 탄소나노구조물이 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 탄소 나노구조물의 제조방법.The method of claim 8, wherein the carbon nanostructure is a carbon nanotube. 제8항에 있어서,
상기 로터가 탄소나노 구조물의 퇴적을 억제하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노구조물의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the rotor inhibits deposition of the carbon nanostructure. 제8항에 있어서,
상기 반응기체가 탄소원을 함유하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노구조물의 제조방법.9. The method of claim 8,
Wherein the reaction gas contains a carbon source. 제11항에 있어서,
상기 반응기체가 불활성기체 및 환원성기체 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소 나노구조물의 제조방법.12. The method of claim 11,
Wherein the reactive gas further comprises at least one of an inert gas and a reducing gas.
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