一种吸热式生成一氧化碳和氢气氛的方法技术

提供了一种吸热型发生器，其中ＣＯ和Ｈ↓［２］作为烃氧化的主产物生成。贵金属催化剂，例如铂、尤其是铑，承载在多孔陶瓷载体上。优选的烃是甲烷或丙烷，优选的氧化剂是含有５％至最高１００％氧的氮／氧混合物。本发明专利技术的吸热型发生器提供了产生需要贫气氛和较低碳势的热处理场合所要求的还原性气体ＣＯ及Ｈ↓［２］的方法和装置。本发明专利技术提供了一种可达到很高的空速的自热操作的反应器。本发明专利技术的反应器还廉价提供了为得到热处理炉内的缓冲气氛所需的还原性成分，从而可以将用膜法或ＰＳＡ法制得的廉价氮引入这种炉内。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制造热处理气氛的方法和装置，更具体地说，本专利技术涉及产生用于对金属、合金以及金属和陶瓷粉进行热处理的气氛的方法及装置。金属在炉内的热处理需要惰性气氛，通常是氮。氮中要加入还原性气体，例如一氧化碳和氢，以便提供与氧向炉内渗漏相对抗的缓冲物。进行铁类及非铁金属和合金的热处理、金属的钎焊及金属和陶瓷粉的烧结所需的气氛组合物是工艺上众所周知的。虽然在热处理温度下氮对于大多数金属和合金基本上是惰性的，但实际上常常必须向气氛组合物中加入诸如一氧化碳和氢(CO和H2)等还原性成分，以便提供与氧向炉内渗漏相对抗的缓冲物。渗漏到炉内的氧与存在的CO和H2迅速反应，形成二氧化碳和水(CO2和H2O)，而且只要CO/CO2及H2/H2O比处在所要求的范围内，各种热处理过程均可顺利地进行。实际要形成的CO/CO2及H2/H2O比值与所涉及的具体过程(例如钢的不脱碳退火、光亮退火、脱碳退火和受控氧化退火等)有很大关系，这在工艺上是众所周知的。例如，对于钢的光亮退火，附图说明图1示出了铁在CO/CO2及H2/H2O混合物中的氧化曲线图。在800℃和CO/CO2＞1.4、H2/H2O＞1.8的气氛下钢不会氧化(点B)；实际上最好是使用CO/CO2＝5、H2/H2O＝6的气氛(图1中的点A)，因为它具有充分的对抗O2渗漏的缓冲能力。制造这类缓冲气氛的已知方法主要有两类。第一类是由吸热型发生器、放热型发生器、氨离解器产生的气氛。这些气氛价格低廉，但是要用到庞大的设备，维修频繁，而且这种气氛常常缺乏恒定性。第二类是由低温氮与氢或甲醇混合制得的气氛。这种气氛的质量高，可控性好，但是很贵。已知有几种工业上已实施或已提出的为上述应用提供热处理气氛的技术。一种技术采用放热型发生器，在一种具有一或两个燃烧器的耐火材料衬里或直接水冷的燃烧室中产生气氛，由控制比例的泵送设备向燃烧器中送入天然气和空气的混合物。发生器装有一个冷却器，燃烧产物通过冷却器除掉反应中产生的一部分水，然后排放掉。通常用于铁类金属退火的有两类放热型发生器，高比例放热型发生器中空气与燃料之比一般为6左右；燃烧气在冷却和除掉大部分水以后通常含5％CO2、11％CO、14％H2和69％N2。虽然这种气体产生的气氛具有低的CO/CO2比，而且是脱碳性的，但这种气氛也适合铁类物质的无氧化退火。另一类是纯化的放热型发生器，在该发生器中燃烧气被压缩，利用在分子筛床上的变压吸附法除掉CO2和H2O。该气氛适合于铁类物质的不脱碳及无氧化退火。另一种已知技术使用用氮或放热型气体稀释的吸热型发生器。在吸热型发生器中，空气与天然气之比通常接近完全燃烧时的25％。反应在催化剂床(通常为Ni/高铝砖)上进行，必须供应外热以维持反应。吸热型发生器产生的气体组合物中含约20％H2、40％CO、其余为N2。为了用于退火，此气体在炉内用N2气烯释。N2气可以来自低温氮源，或是用膜法或变压吸附法(PSA)得到的不纯的N2。或者，可以用来自放热型发生器的放热型气体将吸热型气体稀释。还有另一种技术采用氮/甲醇体系，其中将甲醇直接引入到炉内，它在炉温下离解成H2和CO。每加仑甲醇大约产生75立方英尺CO和150立方英尺H2。还注入N2以得到所需要的退火气氛。N2可以来自低温氮源或是来自膜法或PSA法的不纯的N2。再一种已知技术采用内置式吸热型发生器，该吸热型发生器装在炉子内部，从而节省了能量且免去了外置发生器所需的占地面积。内置发生器有自己的电热器，使用贵金属催化剂以便提高效率和减少所需空间。为用于退火，可以用N2将吸热型气体稀释。N2气可以来自低温氮源或是来自膜法或PSA法的不纯N2。又一种技术是采用不纯氮的吸热转化的技术。在这种方法里，使用一种吸热型发生器型反应器将用膜法产生的氮中存在的O2转化成H2和CO。典型的膜法纯度很低(在3％至5％之间)。最终形成的气氛中含有5％至8％CO和10％至16％H2。因为在这样低的O2浓度下只产生少量的热，所以必须将反应物预热。最后，另一种技术采用不纯氮的“原位”转化。曾经提出了各种方法用来将用膜法或PSA法得到的氮与预定量的氢和/或烃预混合，并将此混合物喷入到炉子的加热区中。所用的氢和/或烃的量是将不纯氮中的氧转化成完全氧化产物CO2及H2O所需量的几倍。喷入的位置和方法可能有关键影响。上述的已知技术全有缺点，因此它们不是完全令人满意的热处理气氛。放热型发生器是需要维修的独立的设备。燃烧气的冷却和随后的预热使热效率降低。带或不带冷却剂干燥器的高比例放热型发生器的操作比较简单，投资费用适中。但是所形成的气氛质量不高，不适合不脱碳退火。纯化的放热型发生器的气氛质量高，但是投资与操作费用也高。因为它需要将燃烧气压缩，而且在分子筛床的使用中有损耗。稀释过的吸热型气体形成高质量的气氛；但是吸热型发生器的运转费用比放热型发生器高，而且也包括独立的设备，必须对它们进行控制和维修。与放热型发生器的情形一样，由于气氛预热造成热效率降低也是缺点之一。氮/甲醇提供高质量的气氛，而且投资及维修费用低。但是由于甲醇的成本高，所以运转费用高。因为炉子必须提供使甲醇离解并将注入的气体升高至炉温所需的热量，因此热效率也低。内置式吸热型发生器在技术上相对较新。它们的主要优点是不需要独立的发生器。采用炉内气氛控制来控制发生器的输出，避免了重复控制。反应热没有损失，因此热效率高。象独立式发生器一样，采用标准的镍或贵金属转化催化剂。因为转化反应慢，所以空间速度低，造成设备体积庞大，这是内置式设备的一个缺点。例如，对于一种市售的设备，释放出800SCFH(标准立方英尺/小时)吸热型气体的内置式发生器直径为10.5英寸，长32英寸。在1992年11月3日授予Vocke等的题为“改进的制备热处理中处理气的方法”的美国专利5,160,380中介绍了这种发生器的一个实例。将膜法氮气中的氧变成CO和H2的吸热转化具有外置式吸热型发生器的所有缺点，而且与空气/天然气的情形相比，必须供入多得多的热量。热效率低，且投资费用高。不纯氮的“原位”转化不使用催化剂。这类方法的主要缺点是不纯氮中的氧会先生成总氧化产物H2O和CO2。如果只使用H2，必须供应足够的H2以得到所要求的H2/H2O和CO/CO2。由于需要外部H2源，故此方法成本高。如果使用诸如甲烷或丙烷之类的烃，则通过使用充分过量的烃经由CO2和H2O在炉内的转化反应得到所要求的CO/CO2和H2/H2O比。在通常的热处理温度下，特别是在使用甲烷时，这些转化反应很慢。这种情形的一个实例示于图2。只有在炉温足够高和气体停留时间足以使转化反应充分进行时，才能得到所要求的气氛。因此，气体组成取决于炉子的操作条件。与这一主题有关的其它背景文献如下。1994年3月29日授予Garg等的题为“用于非铁金属和合金热处理的气氛”的美国专利5,298,090公开了一种由非冷冻法制得的含最多达5％残余氧的氮制造适合用于非铁金属及合金的退火、钎焊及烧结的廉价气氛的方法。根据该方法，用以下步骤制造适用的气氛1)将用非冷冻法制得的含残余氧的氮气流预热到所要求的温度，2)将它与多于化学计量用量的烃类气体混合，3)使其通过装有铂族金属催化剂的反应器，以便将残余的氧减少到很低含量并将其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种吸热式生成一氧化碳和氢气氛的反应器装置，该气氛用于铁类金属、非铁金属、合金以及金属和／或陶瓷粉末的热处理，所述的反应器装置包括：一个非辅助性热源；供贴近所述热源的热量配置的催化剂用的多孔陶瓷载体；含有分布在上述载体上的贵金属 的一种催化剂；进料气源，其中含有烃类气体和含５％至１００％氧的氧化剂气体混合物，这种含烃类气体与氧的进料气暴露于上述的非辅助性热源之中；将烃类气体和氧引入到上述载体和催化剂上的装置，其中烃类气体氧化成含有一氧化碳和氢的输出气，该输出 气的空间速度至少为每立方英尺所用催化剂每小时１０，０００标准立方英尺。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JSVD赛普，AR巴洛，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]