形成热处理气氛的方法和设备技术

一种形成热处理气氛的方法和装置，其中用空气通过一种膜分离系统或变压吸附系统以生产富氮气体，在非贵金属催化剂的存在下，优选在改进的反应器中，将富氮气体与烃气体反应，以生产含有少量一氧化碳和氢的高氮含量的热处理气氛。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是1992年3月10日提交的第07/848818号美国专利申请的部分继续申请。本专利技术涉及形成热处理气氛的方法。处理空气形成然后与烃气混合的富氮工艺气流。在非贵金属催化剂存在下，使形成的混合物催化反应，形成一种含优势量氮气和不多于痕量二氧化碳和水蒸汽的热处理气氛。在高于650℃温度下操作和需要保护气氛的各种各样的炉工艺过程中使用热处理气氛。例如，由标准的吸热发生器产生的吸热热处理气氛，含有大约各为40体积%的氮和氢以及大约20体积%的一氧化碳，而且是在露点，通常在大约-10～+5℃范围内生产的。通常，其中还存在少量二氧化碳和水。另一种热处理气氛通过氨解离作用而获得，这种气氛用于退火、烧结和钎焊操作，一般含有大约75体积%氢和25体积%氮。对于中性用途来说最好使用氮含量更高的热处理气氛，因为这种气氛与含相当高百分数氢和一氧化碳的气氛相比活性较小。高氮含量的热处理气氛，利用燃料气体(如天然气)与具有高氮低氧含量气体中的氧成分反应的方法生产。一种这样的高氮含量热处理气氛，利用液氮作为氮气源;此法虽然产出相当高质量的气氛，但是液态的高成本使此法是工业上所不乐于采用的。与液氮基气氛相比，高氮含量放热热处理气氛生产成本较低，但是放热法生产的气氛中含水量和二氧化碳含量高，因而质量差。因此，人们希望生产这样一种热处理气氛，其中含氮量高，水蒸汽和二氧化碳含量为少量或低于少量，而且与采用液态的方法相比生产成本较低。此外，人们还希望在一台设备中形成所说的热处理气氛，与标准吸热发生器相比该设备价格低而且部件少。本专利技术涉及一种形成高氮含量热处理气氛的方法，其中将含低浓度氧气的富氮气体与取代或未取代的烃气或其混合物混合。使所说混合物在基本上不形成烟炱的条件下催化反应，生成其中含占优势量氮气、少量氢气和一氧化碳以及不多于痕量的水蒸汽和二氧化碳的一种热处理气氛。这种热处理气体，活性成分的含量减少，因此具有优于含高量氢和一氧化碳的标准吸热气氛的一些操作优点。本文中使用的术语“高氮含量”，指氮含量高于40体积%的一些热处理气氛。按照本专利技术，优选以空气为原料，采用优先氮膜分离法或优先氮吸附法在变压吸附单元设备中获得所说富氮气体。所说的高氮含量热处理气氛在一种独特的、与标准吸热发生器不同的反应器中生产;这种反应器不含反应气混合-压缩系统，而标准的吸热发生器需要此系统来确保空气和烃气间有适当的混合比和压缩进入的空气。接着使标准吸热反应器中形成的混合物在催化剂存在下反应。本专利技术的这种改进的反应器不采用反应气体混合-压缩系统，因为富氮气体已经处于所需的压力下。而且，可以预热富氮气体因此不应当对所说的烃气和富氮气体作额外时间的预混合。在本专利技术的一种优选方案中，所说的反应器包含一种热交换系统，在此系统中将产品气体中热量再循环以便加热所说的富氮气体，然后才与所说的烃气混合。下列附图用于说明本专利技术的实施方案，而不是用来限制本专利技术，本专利技术由作为本申请部分内容的权利要求限定。附图说明图1是本专利技术一种实施方案的示意图，这种方法采用膜分离空气法来生产富氮气体;图2是本专利技术的一种具体反应器的示意图;图3是本专利技术另一种实施方案的示意图，此方案利用变压吸附单元来生产富氮气体;图4是与图3所示方案类似的、其中包括一种反馈控制系统的、本专利技术另一实施方案的示意图;图5是与图3相似的本专利技术又一具体方案的示意图，其中采用一种热交换系统将产品气体中气量转移给富氮原料气体;图6是图2中所示的、使用一种热交换系统将产品气体中热量转移给富氮原料气体的反应器的示意图。人们通常采用标准吸热发生器，例如在<粉末冶金设备手册>(SamuelBradbury编，第三版)第119页和第124-126页上介绍的吸热发生器(通过参照将其并入本文)，来生产其中约含20%一氧化碳、40%氢、40%氮和痕量甲烷、二氧化碳和水蒸汽的热处理气氛。所说的标准发生器包括外壳，通常为钢质园柱形外壳将系统的主要部件罩在其中;其中还备有反应管组件来容纳催化剂床和确保反应混合物和催化剂之间产生充分接触。所说的发生器还包括加热系统，用来提高和维持反应混合物的温度，以及温度控制系统以确保操作期间温度稳定。一旦发生反应就必须迅速冷却产品气体，使产品气体流出所说反应管组件时稳定。通常例如用冷却水套和热交换器进行冷却。此外，标准的吸热发生器需要有反应气混合-压缩系统，用它来确保空气与烃气(如天然气或丙烷气)间适当比例和提供所需的出口压力。所说的反应气混合-压缩系统，一般包括一种备有一些阀门和入口过滤器的空气流量计组件。所说的空气流量计组件监测和调节流入所说反应管组件中的空气，并且清除所说空气流中的杂质。其中还装有带一些阀和压力调节器的一种烃气流量计组件，用于监测和调节流向所说反应管组件中的烃气流。在标准吸热发生器中有混合组件用于混合空气和烃气;此外还设有一种正置换混合物泵，用它来保证在所说混合组件中形成的空气/气体混合物处于恒定压力之下。按照本专利技术的一个方面，省去了所说反应器中的一些关键部件-反应气混合-压缩系统。这种改进的反应器生产出的热处理气氛与在标准吸热发生器中用空气和烃气反应法制得的热处理气氛相比，含有更高的氮和更低的一氧化碳和氢气。本专利技术的改进的反应器，还专门省去包括所说正置换混合泵的所说混合组件，由于用变压吸附系统获得的富氮气体已经处于不需要进一步压缩的足够高压力之下，因而不需要使用所说的泵。现在参见表示本专利技术一种具体方案的图1，其中用一种系统生产热处理气氛，而所说的系统中用半透膜分离原料空气流。将形成的富氮工艺气流送入反应器中，例如后面将要说明的一种改进的吸热发生器中，在此反应器中使之在非贵金属催化剂存在下与烃气反应，产出主要由氮气组成又不含显著量烟炱的热处理气氛。图1所示的反应器是一种直通式反应器，以下将说明的图2所示的是一种U形反应器实例，按照本专利技术也可以使用其它类型的反应器。空气经由管路8进入系统2后在压缩机10中被压缩，经压缩的空气进入一个膜空气分离系统4，例如得克萨斯州豪斯顿市GeneronSystems制造的4200系列空气分离膜系统。所说的膜由若干束空心纤维组成，即由平行装配成一种中央芯管的一些半透膜组成。将空心纤维束放入外壳中形成空气分离组件。空气被分成两种气流，富氮气流以及富氧和二氧化碳气流。当被压缩的空气被通到所说膜组件一端的纤维的中心时，空气在向下流过所说的纤维孔时与膜接触。氧、水蒸汽和其它“快速气体”通过它进入纤维的外侧。富氧气流随后流过纤维束进入所说分离器系统的外壳四周，作为副产品气体由此处排出。当全部或小部分氧通过膜材料进入空心纤维外部时，原料空气中存在的大部分氮包含在空心纤维膜之中。结果，氮成分有效地从原料空气中分出并经由管路14从膜系统4排出，进入与反应器6相连地催化剂床16之中。所说的反应器6优选改进的吸热发生器，它基本上是除去带有置换混合泵的反应气混合-压缩系统的关键部件的标准吸热发生器。参照图2，以本专利技术的优选反应器200形式采用的所说的改进的吸热发生器为U形，它包括盛有催化剂204的一个曲颈容器202，此容器202封在外壳206中，外壳206中有加热系统208。可以利用烃气燃烧或电装置(如电热系统)208按传统方式供热。通过阀211本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制成热处理气氛的方法，包括：ａ）至少除去原料空气流中所含的大部分氧，生产富氮气体和富氧废气，ｂ）混合所说的富氮气体和取代或未取代的烃气，制成第一混合物，ｃ）使所说的第一混合物在非贵金属催化剂存在下反应，制备含占优势量氮气和不多于痕量二氧化碳和水蒸汽的所说的热处理气氛。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R弗雷，
申请(专利权)人：美国BOC氧气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]