碳纳米管合成装置、方法和存储介质与流程

本说明书涉及碳纳米管制备领域，特别涉及一种碳纳米管合成装置、方法和存储介质。

背景技术：

1、碳纳米管因其卓越的力学、电学和热学性能，在航空航天、微电子及高性能复合材料领域具有广阔的应用前景。化学气相沉积法是目前实现连续碳纳米管聚集体制备的主流技术，其核心过程是将碳源、催化剂等混合原料气化后由载气携带，通过输气管道送入高温反应炉进行催化热解。传统合成装置通常采用注射泵将液态原料直接注入高温反应区，然而不同原料气化所需温度各异，导致它们进入反应区存在先后顺序，无法同步参与催化热解反应，严重降低了碳纳米管的生长效率和产物质量均匀性。

2、为克服上述缺陷，后续技术方案通过预先气化混合原料并与预热载气混合的方式改善了进料同步性。然而，在实际连续生产中，碳纳米管的生长对温度稳定性、气氛浓度配比及流体动力学状态高度敏感，目前此类装置大多仍停留在半自动阶段，存在原料流量易失配、管道易冷凝结焦、气化状态判定不准等问题，导致产物质量一致性难以保障。同时，输送混合气体的输气管道是保障合成稳定性的关键薄弱环节。混合原料在输送过程中，易因管壁温度低于其露点而发生冷凝，导致液态碳源在管壁析出并逐渐结焦，堵塞管路，破坏原料组分的精确配比。常规的单层管壁结构或简单伴热方式无法在管道内部形成主动式隔离，当碳源浓度或系统压力波动时，管内流体直接接触高温金属壁面，存在引发提前热解或催化积碳的风险。此外，现有合成装置在可燃气体泄漏等异常工况下的安全联锁保护相对滞后，尤其是对微泄漏和泄放安全性的考虑不足，难以完全保障连续化生产的人员与设备安全。

3、因此，有必要提供一种碳纳米管合成装置、方法和存储介质，能够实现温压流多参数联动调控、主动构建管内防冷凝气膜及安全联锁，以解决现有合成装置因开环控制导致的原料流量失配、气化状态判定不准，以及管道冷凝积碳堵塞、异常工况安全保护不足等问题。

技术实现思路

1、本说明书一个或多个实施例提供一种碳纳米管合成装置，所述装置包括：物理合成组件：包括用于容纳混合原料并对所述混合原料进行加热气化的压力容器、用于加热载气的预热系统、用于生成碳纳米管的高温反应炉，以及连接所述压力容器、所述预热系统和所述高温反应炉的输气管道；所述压力容器、所述预热系统与所述高温反应炉通过所述输气管道相连通；传感监测阵列：用于采集装置状态数据；执行驱动单元：用于调节装置运行参数；以及，控制器：与所述传感监测阵列及所述执行驱动单元电连接；所述控制器被配置为：基于所述装置状态数据，评估所述混合原料的气化进程和/或所述混合原料在所述输气管道中的输送状态；响应于所述气化进程和/或所述输送状态满足预设条件，控制所述执行驱动单元调节所述装置运行参数，以锁定进入所述高温反应炉的组分的供给量和/或保障所述混合原料在所述输气管道中的输送稳定性。

2、本说明书一个或多个实施例提供一种碳纳米管合成方法，所述方法由一种碳纳米管合成装置中的控制器执行；所述方法包括：基于装置状态数据，评估混合原料的气化进程和/或混合原料在输气管道中的输送状态；响应于所述气化进程和/或所述输送状态满足预设条件，控制执行驱动单元调节装置运行参数，以锁定进入高温反应炉的组分的供给量和/或保障所述混合原料在所述输气管道中的输送稳定性。

3、本说明书一个或多个实施例提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现碳纳米管合成方法。

1.一种碳纳米管合成装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感监测阵列包括设置于所述压力容器内部的第一温度传感器和第一压力传感器、设置于所述预热系统出口处的第二温度传感器、以及设置于所述高温反应炉内部的第三温度传感器；

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述预热系统具有多层嵌套的折返套管结构，所述折返套管结构的内芯为毛细管组；所述折返套管结构被配置为迫使所述载气在各层管路中进行由外向内的多次往复流动，通过程径增加和管径逐级缩小实现对所述载气的高效预热。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压力容器设置于称重模块上，所述称重模块与所述控制器信号连接，用于监测所述压力容器内所述混合原料的质量变化速率；

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述控制器内部预存有所述混合原料在不同温度下对应的饱和压力模型；

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制器在确定所述分馏富集程度时，进一步被配置为执行如下操作：

7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述传感监测阵列还包括：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述预设热平衡阈值由所述控制器基于所述混合原料的所述组分、当前输送风险、气化输出压力以及环境温度调整。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制器进一步被配置：

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输气管道采用同轴双层嵌套结构，包括内层的多孔金属管、外层的致密伴热管，以及位于所述多孔金属管和所述致密伴热管之间的密封环状夹层；

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述气路控制系统包括设于所述输气管道的入口处的气体密度计，以及设于所述惰性气体的泵入管路上的电液调压阀和气体加热器；所述气路控制系统进一步被配置为：

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述致密伴热管包括缓冲段、屏蔽段和激发段，所述缓冲段、所述屏蔽段和所述激发段两两之间通过隔热法兰连接；所述气路控制系统进一步被配置为：

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述气路控制系统进一步被配置为：

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述气路控制系统进一步被配置为：

15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述气路控制系统进一步被配置为：

16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括联锁保护系统，所述联锁保护系统包括位于所述输气管道外的可燃气体探测器、位于所述输气管道内的压力传感器、位于所述输气管道出口侧的泄放电磁阀以及位于所述输气管道入口侧的吹扫电磁阀；所述可燃气体探测器被配置为获取可燃气体浓度；所述压力传感器被配置为获取管道压力数据；

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述联锁保护系统进一步被配置为：

18.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，所述泄放电磁阀的泄放出口侧接入有所述伴热气体的直连管路；所述联锁保护系统在开启所述泄放电磁阀时被配置为：

19.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述输气管道的外围固定有高频激磁线圈；所述装置还包括除碳控制系统，所述除碳控制系统被配置为：

20.一种碳纳米管合成方法，其特征在于，所述方法由权利要求1所述的一种碳纳米管合成装置中的控制器执行；所述方法包括：

21.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求20所述的碳纳米管合成方法。