[发明专利]一种碳氢化合物裂解制备碳纤维的反应系统及其处理方法和用途

说明书

本发明提供了一种碳氢化合物裂解制备碳纤维的反应系统及其处理方法和用途，所述反应系统包括至少3个串联的二维固定床反应器，每个二维固定床反应器的物料入口设有入口三通转向阀，每个二维固定床反应器的物料出口设有出口三通转向阀和截止阀，反应系统的反应物料入口管路通过入口三通转向阀与每个二维固定床反应器的入口相连，反应系统的反应物料出口管路通过出口三通转向阀与每个二维固定床反应器的出口相连，所述二维固定床反应器中至少有一个二维固定床反应器为备用反应器。本发明所述系统与方法通过切换的反应器的方式实现间歇催化积碳连续化反应，且能够维持稳定的高碳氢化合物分解率，适用于多种碳原料，工艺简单。

技术领域

本发明碳氢化合物催化裂解领域，涉及一种碳氢化合物裂解制备碳纤维的反应系统及其处理方法和用途，尤其涉及一种利用切换反应原理，规模连续化生产纳米碳纤维的反应系统及其处理方法和用途。

背景技术

碳纤维具有低密度、高比模量、高比强度和高导电性能，可以作为催化剂载体、锂离子电池阳极、电容器电极、高效吸附剂和结构增强材料等，是近年来材料研究的热点。生产碳纤维的工业化方法为气相催化热解含碳化合物的方法，也就是被广泛应用的化学气相沉积方法，该方法使用铁、钴、镍或其混合物为催化剂，在氢气气氛下催化裂解碳氢化合物或一氧化碳，并使碳沉积于催化剂颗粒表面得到纳米碳纤维。

目前，国内外关于碳纤维的制备与应用研究较多，如CN 1389606A、CN 1517458A、CN 1793451和CN 1886537A都报道了如何制备相关形貌与结构的碳纤维产品。在规模连续化生产碳纤维产品方面，CN 101027434A和CN 102086537A均是基于催化剂与碳源前体(碳氢化合物)混合在高温区进行催化分解反应，最后通过分离，得到相应的产品。但这些工艺均为间歇积碳反应，无法连续生产，也难以实现高的碳氢化合物分解率及碳纤维产率，而且产物的收集与分离也比较困难。

发明内容

针对现有碳氢化合物催化裂解制备碳纤维产品存在的无法连续生产，且难以实现高的碳氢化合物分解率及碳纤维产率，以及产物的收集与分离困难等问题，本发明提供了一种碳氢化合物裂解制备碳纤维的反应系统及其处理方法和用途。本发明所述系统与方法通过切换的反应器的方式实现间歇催化积碳连续化反应，适用于多种碳原料，工艺简单，与其他的气体分离过程耦合形成能源综合利用的最优化工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种碳氢化合物裂解制备碳纤维的反应系统，所述反应系统包括至少3个串联的二维固定床反应器，每个二维固定床反应器的物料入口设有入口三通转向阀，每个二维固定床反应器的物料出口设有出口三通转向阀和截止阀，反应系统的反应物料入口管路通过入口三通转向阀与二维固定床反应器的入口相连，反应系统的反应物料出口管路通过出口三通转向阀与二维固定床反应器的出口相连，所述二维固定床反应器中至少有一个二维固定床反应器为备用反应器。

其中，二维固定床反应器的个数可为3个、4个、5个、6个、7个、8个或9个以及更多，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，二维固定床反应器的数量根据实际生产需要进行设计；但整个系统中需要保证至少有一个二维固定床反应器作为备用反应器；该所述备用反应器用于进行产物的收集和新催化剂的更换，即在其他二维固定床反应器进行反应的时候，其处于备用状态，当进行反应中的二维固定床反应器失活后，备用反应器用于替换该失活的二维固定床反应器，以保证反应的连续进行。

在反应运行过程中，除备用反应器外的各个二维固定床反应器串联使用，使碳氢化合物在反应温度下达到热力学平衡转化率。

本发明中，所述反应中的二维固定床反应器与备用反应器之间的切换通过三通阀的转动来实现。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。