一种用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统

本技术属于碳纳米管，具体涉及一种用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统。

背景技术：

1、碳纳米管因其独特的结构和优异的力学、电学及热学性能，在复合材料、电子器件、能源存储等领域展现出广阔应用前景。然而，高质量碳纳米管的大规模可控制备仍是制约其商业化应用的关键瓶颈。

2、目前，制备单壁碳纳米管的主要方法包括电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法。其中，电弧放电法因具有设备简单、产物结晶性好等优点而被广泛使用。传统电弧放电法多以石墨电极为碳源，存在电极消耗大、过程不连续等问题。虽然有些研究尝试用甲烷等气态碳源替代石墨电极，但仍存在甲烷转化率不高、尾气未有效利用等问题。此外，现有技术对反应过程中产生的氢气及未反应甲烷的回收利用不足，导致资源浪费和成本升高。

3、因此，开发一种能够连续化制备高质量单壁碳纳米管，并同步产氢、实现资源高效循环利用的系统，具有重要的科学意义和实用价值。

技术实现思路

1、针对上述的缺陷或不足，本实用新型提供了用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统，旨在解决传统电弧放电法存在电极消耗大、难以连续生产、原料利用率不高的技术问题。

2、为实现上述目的，本实用新型提供一种用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统，该系统包括：

3、电弧反应单元，用于使甲烷与催化剂通过电弧放电进行裂解反应；

4、催化剂注入单元，用于将催化剂以气流方式载入所述电弧反应单元内；

5、原料进料单元，用于将原料甲烷和氩气引入至所述电弧反应单元内；

6、尾气分离纯化单元，用于将所述裂解反应得到的尾气进行分离、纯化；

7、气体循环单元，用于将所述分离得到的甲烷与氩气循环至电弧反应单元内；

8、其中，所述电弧反应单元包括电极阳极、电极阴极、产物收集装置、冷却装置；所述电极阳极与电极阴极同轴设置且存在间隙；所述电极阳极采用具有中空通道的石墨电极；在所述电极阴极中与所述电极阳极的中空通道相对的轴向端开设有凹腔；

9、所述原料进料单元与所述电弧反应单元、所述尾气分离纯化单元依次连通；所述催化剂注入单元的出口与所述电弧反应单元中所述电极阳极的中空通道连通。

10、在本实用新型实施例中，所述电极阳极和所述电极阴极均为圆柱体构型；和/或，所述电极阳极与所述电极阴极之间的间隙为2-6mm。

11、在本实用新型实施例中，所述电极阳极的内径为3-7mm；外径为12-18mm。

12、在本实用新型实施例中，所述电极阴极为具有凹腔的石墨电极。

13、在本实用新型实施例中，所述凹腔为圆柱形腔体。

14、在本实用新型实施例中，所述凹腔的深度与所述电极阴极的长度之比为1：15-20；所述凹腔的直径与所述电极阴极的直径之比为0.5-0.8：1。

15、在本实用新型实施例中，所述电弧反应单元还设有外接电源，所述外接电源分别与所述电极阳极和所述电极阴极相连接。

16、在本实用新型实施例中，所述产物收集装置为铁丝网。

17、在本实用新型实施例中，所述冷却装置为冷却夹套。

18、在本实用新型实施例中，所述冷却夹套中通有换热介质，所述换热介质用于对所述裂解反应得到的产物换热。

19、在本实用新型实施例中，所述尾气分离纯化单元中依次设有冷凝器、变压吸附装置和膜分离装置。

20、通过上述技术方案，本实用新型实施例所提供的用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统具有如下的有益效果：

21、当使用上述用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统时，由于包括电弧反应单元、催化剂注入单元、原料进料单元、尾气分离纯化单元、气体循环单元，能够实现单壁碳纳米管的连续生产，大幅提高生产效率以及甲烷转化率，同时氢气作为高附加值产品大大提升了过程经济性和资源的综合利用，通过尾气分离纯化单元和气体循环单元能够实现未反应甲烷和氩气的高效利用，大大降低了原料消耗和成本。另外，本实用新型提供的系统全过程接近零排放，符合绿色制造要求，同时由于原料和能源的高效利用，具备良好的经济效益和商业化前景。

22、本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

1.一种用于甲烷裂解制备单壁碳纳米管与氢气的系统，其特征在于，该系统包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电极阳极（2）和所述电极阴极（3）均为圆柱体构型。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电极阳极（2）的内径为3-7mm；外径为12-18mm。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电极阴极（3）为具有凹腔的石墨电极。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述凹腔为圆柱形腔体；

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述电弧反应单元（1）还设有外接电源（10），所述外接电源分别与所述电极阳极（2）和所述电极阴极（3）相连接。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述产物收集装置为铁丝网。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述冷却装置为冷却夹套。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述冷却夹套中通有换热介质（11），所述换热介质用于对所述裂解反应得到的产物换热。

10.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述尾气分离纯化单元（8）中依次设有冷凝器、变压吸附装置和膜分离装置。