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Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen des Sauerstoffes aus Gasgemischen.
Es ist bekannt, Gasgemische dadurch sauerstofffrei zu machen, dass man sie bei höherer Temperatur über einen oxydierbaren Stoff, z. B. über ein Metall, etwa Eisen, leitet. Dabei muss von Zeit zu Zeit der oxydierbare Stoff erneuert, das oxydierte Eisen z. B. durch blankes ersetzt werden. Dies erfordert bei Anwendung einer einzigen Reaktionskammer nicht nur eine Unterbrechung des Prozesses, sondern verursacht auch einen verhältnismässig grossen Materialverschleiss.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch beseitigt, dass man über den sauerstoffaufnehmenden Körper (z. B. ein Metall wie Eisen) nach seiner Oxydation ein Gasgemisch, vorzugsweise dasselbe, das vom Sauerstoff befreit werden soll, mit verringerter Strömungsgeschwindigkeit und unter weiterer Temperaturerhöhung leitet ; die dabei erfolgende Reduktion des oxydierten Stoffes er- möglicht es, diesen neuerlich zur Bindung des Sauerstoffes des Gasgemisches zu verwenden. Wird als oxydierbarer Stoff Eisen genommen, so hat dessen Oxydation bei einer Temperatur zwischen 540 bis 600 C zu erfolgen, die Reduktion dagegen bei 780 bis 815 C. Um das Verfahren ohne Unterbrechung durchführen zu können, schaltet man zweckmässig zwei Reaktionskammern parallel.
In einer der beiden Kammern wird der Sauerstoff aus dem grösseren Teil des Gasgemisches bei grösserer Strömungsgeschwindigkeit entzogen, während gleichzeitig der kleinere Teil des Gasgemisches bei wesentlich verminderter Strömungsgeschwindigkeit und höherer Temperatur durch die zweite Kammer strömt und den oxydierten Stoff desoxydiert. Es können aber auch beide Kammern gleichzeitig zur Bindung des Sauerstoffes verwendet und der Reduktionsprozess nur fallweise durchgeführt werden. Die Reaktionskammern müssen mit entsprechenden Leitungsanschlüssen, Leitungen und Ventilen versehen sein. Um die erforderliche Temperatur rasch und sicher zu erreichen, werden die Kammern mit elektrischer Beheizung ausgeführt.
Mit besonderem Vorteil kann das Verfahren bei Gasen angewendet werden, welche durch Verbrennung gewonnen werden, da hiebei die bei der Verbrennung entstehende Wärme zur Oxydation mit herangezogen werden kann, indem z. B. die noch heissen Gase über den oxydierbaren Stoff geleitet werden.
Die Erfindung hat besondere Bedeutung für die Behandlung solcher Gasgemische, die als Schutzgas beim Blankglühen von metallischen, vorzugsweise Stahlgegenständen verwendet werden sollen. Eine Einrichtung, die beispielsweise zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dient, ist in der Zeichnung dargestellt. Fig. 1 zeigt in schematischer Form die allgemeine Anordnung der Vorrichtung, während Fig. 2 einen Querschnitt durch eine zur Anwendung der Erfindung notwendige Reaktionskammer, Fig. 3 den zugehörigen Querschnitt nach der Linie 777-777 und Fig. 4 den Verschluss des Kammerendes wiedergibt.
In das Gebläse 1 strömen über Leitungen, die durch Ventile 2 bzw. 3 absperrbar sind, Luft bzw. Gas von der Stirnseite her in eine zylindrische Reaktionskammer 5 ein. Das Gas kann ein Gasgemisch beliebiger Zusammensetzung sein und beispielsweise aus Erdgas, Koksofengas, Generatorgas od. dgl. bestehen. In der Kammer 5 befindet sich metallisches Nickel in solcher Form, dass seine Oberfläche im Vergleich zu seiner Masse gross ist. Unter der Einwirkung der Wärme und der Nickelasse wird das Gas teilweise verbrannt und teilweise chemisch verändert, so dass durch das Rohr 9 ein Gemisch austritt, das aus verschiedenen Gasen und Dämpfen besteht, z. B. aus Wasserdampf (20 Volumsprozent), Wasserstoff (11-6%), Kohlenmonoxyd (8-3%) und Kohlendioxyd (4-1%), Methan (0-8%), vor allem aber aus Stickstoff (54-4%).
Daneben ist ein ganz kleiner Betrag von Sauerstoff vorhanden (0. 8%).
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Dieses Gasgemisch gelangt durch das Auslassrohr 9 in zwei parallel geschaltete Kammern 10 und 11. Die Gasströmung durch die Kammern 10 und 11 wird durch die Ventile 12 und 13 gesteuert.
Durch Ventile 14 und 15 werden die Entnahmestellen 16 und 11 gesteuert. Ist daher eines der Ventile 12 oder 13 geschlossen, so strömt das Gas durch die zugehörige Kammer nicht in erheblichem Masse hindurch. Es wird sieh vielmehr in derselben im wesentlichen ruhend verhalten und nur ganz langsam durch das Ventil 14 und die Entnahmestelle 16 bzw. durch das Ventil 15 und die Entnahmestelle 11 austreten.
Die Kammern 10 und 11 sind gleichartig aufgebaut. Sie umschliessen, wie aus Fig. 2 hervorgeht, ein Metallrohr 30, das am Eintrittsende mit einem Flansch 31 verschweisst ist, mit welchem eine Deckplatte 32 verbunden ist. Die Platte kann mittels einer Klemmvorrichtung, die einen Bügel 33 und eine Schraube 35 besitzt, in ihrer Lage gehalten werden. Am andern Ende ist das Rohr 30 mit einer ringförmigen Platte 37 verschweisst, die ihrerseits durch Schweissung mit einem zu den Ventilen 12, 13 führenden Rohr 38 verbunden ist. Das Rohr 30 und die zugehörigen Teile bestehen vorzugsweise aus einer Legierung, die 25% Chrom, 12% Nickel und als Rest Eisen enthält ; es kann aber statt dessen jede andere korrosionsbeständige Legierung verwendet werden.
Das Rohr 30 ist von elektrischen Heizkörpern 40 umgeben, die in ringförmig zusammengesetzten Porzellanblöcken 41 untergebracht sind. Die Zwischenräume zwischen diesen Blöcken und die Zwischenräume, die zunächst dem Rohr 30 an den Enden der Blockreihen liegen, sind mit einem hitzebeständigen Kitt, z. B. Asbestkitt, ausgefüllt. Das Ganze ist von einem hitzebeständigen Material, z. B. einer Asbest- Schichte, umgeben, auf deren Aussenseite ein Blechmantel 45 vorgesehen ist. Dieser ist durch stählerne Endplatten 47 mit angeschweisstem Ring 48 abgeschlossen.
Die Ausführungsklemmen 51 für die Verbindungsleitungen zu den Heizkörpern befinden sich auf Platten 50, die auf der Aussenseite des Blechmantels 45 angebracht sind. Das Rohr 30 ist mit einem vorzugsweise aus Streckmetall hergestellten Gitter 55 angefüllt, welches entweder aus Eisen oder weichem Stahl besteht. Um den Füllkörper zu bilden, wird Streckmetall in ausgebreiteter Form rund um einen Dorn gewickelt. Die Verbindungsstelle von dem Rohr 9 zu der Kammer 10 bzw. 11 ist in Fig. 2 mit 56 bezeichnet, ebenso die zu den Ventilen 72 und 13 führende Austrittsstelle mit 38.
Bei der Benutzung der vorbeschriebenen Vorrichtung wird zunächst eine Patrone hergestellt, indem man ausgebreitetes Streckmetall zu einem zylindrischen Körper aufrollt. Diese Patrone wird dann durch die Öffnung im Flansch 31 eingeführt. Sie braucht nicht so lang zu sein wie der Zylinder 30 und kann aus mehreren hintereinanderliegenden Teilpatronen bestehen. Nach der Einfüllung wird die Deckplatte 32 auf den Flansch 31 aufgebracht, unter Zwischenlage einer Asbest-oder sonstigen hitzebeständigen Dichtungsscheibe, worauf die Schraube 35 bis zur Herstellung eines gasdichten Verschlusses angezogen wird.
Heisses Gasgemisch, das aus der Kammer 5 ausströmt und in der Hauptsache aus Stickstoff besteht, aber auch Wasserstoff Kohlenstoff, Monoxyd und Kohlensäure sowie einengeringenprozentsatz Sauerstoff enthält, wird durch das Rohr 9 zu den Reaktionskammern 10 und 11 zugelassen. Bei geschlossenen Ventilen 13 und 14 und geöffneten Ventilen 12 und 15 fliesst ein Gasstrom durch den Zylinder 10 und ein zweiter, jedoch sehr langsamer Gasstrom durch den Zylinder 11 und die Entnahmestelle 17 ins Freie, wo er verbrennt.
Der Sauerstoff, welcher in dem in den Zylinder 10 eintretenden Gasgemisch enthalten ist, reagiert in diesem mit der Eisenfüllung 55 bei einer Temperatur zwischen 540 und 600 C. Ist der Betrieb einmal in Gang, so wird diese Temperatur durch das heisse Gas erhalten, so dass die Heizkörper 40 nur während der Ingangsetzungsperiode notwendig sind. Infolge der Reaktion, die bei der Berührung zwischen dem Gase und dem Eisen eintritt, wird der Sauerstoff durch Oxydation des Eisens aus dem Gasgemisch entfernt ; demgemäss ist das Gas, welches in das Rohr 20 eintritt, im wesentlichen sauerstofffrei. Während das Gas, das in den Zylinder 10 eintritt, in der Regel etwas unter 0, 1% Sauerstoff enthält, beträgt der Sauerstoffgehalt des aus dem Zylinder austretenden Gases näherungsweise 0, 0001 %.
Während der Zylinder 10 in dieser Weise benutzt wird, um einen Gasstrom zu behandeln, reagiert das fast stillstehende Gas im Zylinder 11 mit der in diesem enthaltenen Eisenmasse 55, welche während dieser Zeit durch die Heizkörper 40 auf eine Temperatur zwischen 780 und 8150 C gebracht wird. Die dabei vor sich gehende Reaktion besteht in einer Reduktion des oxydierten Eisens oder, mit anderen Worten, in einer Oxydation der reduzierenden Bestandteile des Gasgemisches, worunter vorzugsweise dessen Wasserstoffgehalt zu verstehen ist ; hiebei entsteht eine geringe Menge Wasser, die in Dampfform zusammengehalten wird.
Ist das Eisen im Zylinder 11 in dieser Weise reduziert, so findet eine weitere Reaktion zwischen ihm und dem Gas nicht statt ; man kann infolgedessen beim Öffnen des Ventils 13 und Schliessen des Ventils 14 die Temperatur in diesem Zylinder auf einen Betrag von 540 bis 600 C fallenlassen. Darauf kann man das Gas in parallelen Strömen durch die Zylinder 10 und 11 fliessen lassen. Ist aber inzwischen das Eisen im Zylinder 10 bis zu solchem Grade oxydiert worden, dass es für die weitere Befreiung des Gasgemisches von Sauerstoff untauglich wird, so schliesst man das Ventil 12 und öffnet das Ventil 14, worauf der Zylinder 11 an Stelle des Zylinders 10 die Aufgabe übernimmt, das Gas von Sauerstoff zu befreien.
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Das Gas tritt durch das Rohr 20 in den Kondensator 21, wo der Wasserdampf als Nebel niedergeschlagen wird und dann mit dem Gas zusammen durch das Rohr 24 in den Wasserfang 25 gelangt.
Dort sammelt sich das Wasser und fliesst in den Wasserverschluss 26 ab. Das durch das Rohr 27 austretende Gas ist nun als Schutzgas für Blankglühzwecke oder für irgendeinen andern in Frage kommenden Zweck verwendbar.
Es ist vollständig trocken und hätte in vorliegendem Beispiele etwa folgende Zusammensetzung : Wasserstoff (14 Volumsprozent), Kohlenstoffmonoxyd (10), Kohlenstoffdioxyd (5), Methan (1) und Stickstoff (70).
Wenn das Ventil 12 geschlossen ist, gelangt das Gas im Zylinder 10 fast zum Stillstand ; die Temperatur im Zylinder 10 wird dann auf einen Betrag von 780 bis 815 C gesteigert und die reduzierende Wirkung auf das Eisen, die bereits für den Zylinder 11 beschrieben worden ist, findet nun im Zylinder 10 statt. Nach Beendigung dieser Reaktion wird die Temperatur auf den Betrag von 540 bis 600 C erniedrigt und das Ventil 12 wieder geöffnet, so dass die Zylinder 10 und 11 parallel arbeiten können. Ist der Zylinder 11 in einen Zustand gelangt, bei welchem es notwendig wird, seine Eisenfüllung von neuem zu reduzieren, so wird das Ventil 13 geschlossen.
Bei dieser Betriebsweise ist immer einer der beiden Zylinder 10 und 11 in der Lage, aus dem ihn durchströmenden Gas den Sauerstoff zu entfernen ; während eines Teiles der Zeit sind sogar beide Zylinder zugleich hiefür verwendbar. Indessen wird immer ein Zylinder länger als der andere dazu dienen, das durchströmende Gas von Sauerstoff zu befreien. Infolgedessen erreicht ein Zylinder den Zustand, in welchem sein Inhalt wieder reduziert werden muss, während der andere noch zur Sauerstoffbindung fähig ist. Man braucht darum niemals beide Ventile 12 und 13 gleichzeitig zu schliessen.
Die Ventile 14 und 15 können, falls es gewünscht wird, beide dauernd geöffnet bleiben. Die Entnahmestellen 16 und 17 können so klein gehalten werden, dass die Gasverluste, die mit der Entnahme verbunden sind, zu vernachlässigen sind.
Bei dem beschriebenen Verfahren können andere Metalle als Eisen verwendet werden, z. B. absorbiert Kupfer bei etwa 370 C Sauerstoff aus einem Gasgemisch. Das gebildete Kupferoxyd kann durch die Einwirkung der reduzierenden Bestandteile des Gasgemisches bei ungefähr 540 C wieder reduziert werden. In derselben Weise können alle jene Metalle verwendet werden, die sich nach ihrer Oxydation durch Veränderung der Behandlungstemperatur wieder reduzieren lassen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Entfernen des Sauerstoffes aus Gasgemischen durch Überleitung des Gasgemisches bei höheren Temperaturen über einen Stoff, z. B. ein Metall, der den Sauerstoff bindet und dabei oxydiert, dadurch gekennzeichnet, dass der oxydierte Stoff durch Überleiten des Gasgemisches bei verringerter Strömungsgeschwindigkeit und unter weiterer Temperaturerhöhung wieder reduziert wird.