CN1316055C - 渗碳用气氛气发生装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了可以抑制在转化炉内煤的产生，稳定产生适于作为渗碳用气氛气的含有高浓度一氧化碳的转化气的渗碳用气氛气发生装置和方法。作为转化炉，串联连接设置第一转化炉14和第二转化炉15，在第一转化炉和第二转化炉之间的管线上，设置作为除去从第一转化炉引出、引入到第二转化炉的中间转化气中水分的水分除去装置的第一冷却器22，同时设置在该中间转化气中添加烃的烃添加部件24，将降低了烃的混合比例的状态的前述原料混合气引入到前述第一转化炉并通过催化反应产生中间转化气后，除去在该中间转化气中所含的水分，将烃添加到该中间转化气中后，引入第二转化炉，由催化反应产生渗碳用气氛气。

Description

渗碳用气氛气发生装置和方法
技术领域
本发明涉及渗碳用气氛气发生装置和方法，更详细地说，涉及用于发生可以有效进行刚制零件等的渗碳处理的组成为渗碳用气氛气的装置和方法。
背景技术
作为发生含有一氧化碳和氢的渗碳用气氛气的方法，以往广泛使用将LNG、LPG等石蜡系烃和空气混合后，将该混合气(原料混合气)引入具有保持在高温下的镍催化剂层的转化炉中，使空气中的氧和烃进行催化反应(转化反应)，而得到含有一氧化碳和氢的转化气的空气混合法。
但是，在用作氧源的空气中，由于存在约79％(体积％，以下相同)的氮，所得转化气中的一氧化碳和氢的浓度不能达到某种程度以上，例如，使用甲烷时的一氧化碳浓度的界限是20％，使用丁烷时一氧化碳的界限是23.5％。
另一方面，在渗碳处理特别是高温迅速渗碳处理中，从高温下的气体平衡开始，由于一氧化碳浓度低的话，难于在渗碳炉内形成为稳定的气氛气，所以要求气氛气中的一氧化碳浓度高。另外，提高一氧化碳浓度有这样的优点，即，例如在渗碳处理具有孔的零件时，渗碳可以十分均匀地渗入到孔的内部，在堆积细的零件并用皮带边输送边渗碳时，可以增加皮带上的零件的堆积厚度。
作为提高转化气中的一氧化碳浓度的方法，已知作为在烃中混合的气源不是空气，而使用二氧化碳和氧进行转化反应的方法。理论上，甲烷和氧以2∶1的摩尔比进行转化反应时，由于生成2摩尔一氧化碳和4摩尔氢，就可以得到一氧化碳浓度约33.3％、氢浓度约66.7％的转化气。同样，甲烷和二氧化碳以1∶1的摩尔比进行反应时，生成2摩尔一氧化碳和2摩尔氢，两者的浓度分别达到50％。还有，在丁烷的场合，和2摩尔氧反应时，生成4摩尔一氧化碳和5摩尔氢，和4摩尔二氧化碳反应时，产生8摩尔一氧化碳和5摩尔氢。
但是，如果想要使用二氧化碳或氧产生高浓度的一氧化碳的话，在转化炉内产生的煤成为大问题。例如，使用作为气源的二氧化碳时，由于转化反应是吸热反应，所以来自将镍催化剂层加热到规定的温度的加热器的热的供给部分不足，一旦在镍催化剂层的一部分温度产生下降，在该部分的反应不能充分进行，就会产生煤。另外由于一氧化碳和二氧化碳之间的气体平衡，发生气中二氧化碳浓度低时也会产生煤。这样，在转化炉内产生大量煤时，镍催化剂层堵塞因而装置不能够继续运转。
另一方面，在使用氧时，由于转化反应是放热反应，虽然没有温度下降带来的有关产生煤的问题，但由于烃和氧的放热反应，转化炉内的温度异常增高，有出现结构材料软化、变形，装置本身的功能变得不良，一部分构件熔融等危险，出现安全性方面的问题。
由于这样的情况，即使已知使用二氧化碳或氧代替空气作为气源，可以得到含有高浓度的一氧化碳的转化气，但对于实际的装置，实事上是重视安全性和稳定性，而采用将空气用作气源的添加法。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供可以抑制在转化炉内煤的产生，稳定产生适于作为渗碳用气氛气的含有高浓度的一氧化碳的转化气的渗碳用气氛气发生装置和方法。
为了达到上述目的，本发明的渗碳用气氛气发生装置的特征在于，在把将烃与二氧化碳、氧等气源混合的原料混合气引入具有催化剂层的转化炉，由催化反应产生含有一氧化碳和氢的渗碳用气氛气的装置中，作为前述转化炉，由第一转化炉和第二转化炉构成，串联连接设置第一转化炉和第二转化炉，在第一转化炉和第二转化炉之间的管线上，设置除去从第一转化炉引出、引入到第二转化炉的中间转化气中的水分的水分除去装置，同时设置在该中间转化气中添加烃的烃添加部件。
另外，本发明的渗碳用气氛气发生方法的特征在于，在把将烃与二氧化碳、氧等气源混合的原料混合气引入具有催化剂层的转化炉，由催化反应产生含有一氧化碳和氢的渗碳用气氛气的方法中，上述具有催化剂层的转化炉由第一转化炉和第二转化炉构成，这些第一转化炉和第二转化炉串联连接设置，将降低了烃的混合比例的状态的前述原料混合气引入第一转化炉并通过催化反应产生中间转化气后，除去在该中间转化气中所含的水分，将烃添加到该中间转化气中后，引入第二转化炉，由催化反应产生渗碳用气氛气。
再有，在本发明中，作为前述二氧化碳、氧等气源，包括单独的二氧化碳、单独的氧、二氧化碳和氧的混合气，进一步，也包括在其中混合了作为稀释气的氮气的气体。
附图说明
图1是表示本发明的渗碳用气氛气发生装置的一个方案的系统图。
具体实施方式
图1是表示本发明的渗碳用气氛气发生装置的一个方案的系统图。该渗碳用气氛气发生装置是使用作为原料的烃和在该烃中混合的作为气源的二氧化碳和氧的装置，装备有烃供给源11、二氧化碳供给源12和氧供给源13，具有催化剂，例如具有镍催化剂层的第一转化炉14和第二转化炉15，混合通过第一烃流量调节器16从烃供给源11供给的规定量的烃、通过二氧化碳流量调节器17从二氧化碳供给源12供给的规定量的二氧化碳和通过氧流量调节器18从氧供给源13供给的规定量的氧的第一气体混合器19，将在该第一气体混合器19中混合的原料混合气引入前述第一转化炉14中的原料混合气引入管线20，在将含有通过催化反应在第一转化炉14产生的一氧化碳和氢的中间转化气引出的中间转化气引出管线21中设置的作为水分除去装置的第一冷却器22，在前述中间转化气中添加通过第二烃流量调节器23从前述烃供给源11供给的烃的烃添加部件24，混合从该烃添加部24添加的烃和前述中间转化气的第二气体混合器25，将在该第二混合器25中混合的混合气体引入到前述第二转化炉15的混合气体的引入管线26，在将含有由催化反应在第二转化炉15产生的一氧化碳和氢的转化气(渗碳用气氛气)引出的渗碳用气氛气引出管线27上设置的第二冷却器28，和分析在该第二冷却器28中冷却的渗碳用气氛气的气体分析计29。再有，在前述第一转化炉14和第二转化炉15分别设置用于将镍催化剂层加热到规定温度的加热器30和温度计31。另外，在两个转化炉14、15中的镍催化剂层的加热温度是1000～1100℃，通常是1050℃。
首先，在第一转化炉14中，引入烃的混合比例比通常的一阶段的转化炉的情况低的原料混合气。由此，由于可以控制反应初期的氧和烃的反应(燃烧放热反应)比现有技术低，所以可以抑制第一转化炉14的温度上升。还有，与烃相比，由于在二氧化碳和氧多的状态下进行催化反应，可以使产生的中间转化气中的二氧化碳量比在转化炉一段中产生的渗碳用气氛气更多。即，由增加二氧化碳浓度，可以抑制由于一氧化碳和二氧化碳的气体平衡产生的气体中的二氧化碳的浓度低的情况产生的煤。
原料混合气中的烃的混合量因二氧化碳和氧的量而异，通常，将中间转化气中的一氧化碳和二氧化碳的比设定在适当的范围为宜。例如，一氧化碳浓度为37％时，优选将二氧化碳浓度设定在3～5％的范围，一氧化碳浓度为50％时，优选将二氧化碳浓度设定在6～10％的范围。再有，在中间转化气中一氧化碳和二氧化碳的比例，由于要表示一氧化碳量二次方的数值和二氧化碳量的比例关系，所以一氧化碳量达到1.4倍时，二氧化碳量的适合量就等于约其2倍。
此时，通过增加中间转化气中的二氧化碳量，可以更加确实地抑制煤的产生，但在该中间转化气中大量存在二氧化碳时，在第二转化炉15中，为了将该二氧化碳转化为一氧化碳，需要增加烃量，结果增大了第二转化炉15的负荷，是不优选的。
另外，在从第一转化炉14引出的中间转化气中，包含了由烃中的氢和气源中的氧或者和由二氧化碳分解产生的氧反应产生的水分(水蒸汽)，由于气体平衡的关系，该水分会增加二氧化碳浓度，导致在后面步骤的第二转化炉15的效率降低。
因而，将从第一转化炉14引出的中间转化气引入到在中间转化气引出管线21中设置的第一冷却器22中进行急冷，使露点为20℃以下，优选10℃以下以除去水分。第一冷却器22可以使用具有排水功能的水冷式间接热交换器，用该间接热交换器冷却中间转化气，可以通过饱和水蒸汽压的差冷凝除去中间转化气中的水分。此时，如果缓慢冷却中间转化气，则由于有产生煤而堵塞气体通道的危险，所以希望使用传热面积大的间接热交换器来充分提高冷却速度。再有，也可以合并使用冷却器和排水分离器，使用或合并使用其它脱水装置也可以。
在除去水分后的中间转化气中，用前述烃添加部件24添加少量的烃。该烃的添加量是可以将中间转化气中的过剩的二氧化碳充分转化为一氧化碳的量，以设定该烃添加量，使最终生成的转化气(渗碳用气氛气)中的碳势(Cp值)达到所要求的值为宜。
添加烃后的中间转化气在第二气体混合器25中充分混合后，通过混合气引入管线26引入到第二转化炉15中。在该第二转化炉15中，主要进行烃的分解和由该分解产生的碳或氢与二氧化碳的反应。这些反应由于是吸热反应，所以第二转化炉15达不到过热状态，还由于烃量少，所以几乎也不产生煤。进一步，由于在引入到第二转化炉15之前除去了水分，也几乎没有水分带来的影响，可以有效地进行二氧化碳的分解。由此，可以得到最佳组成的转化气，作为一氧化碳浓度足够高，二氧化碳浓度足够低的渗碳用气氛气。
从第二转化炉15引出到渗碳用气氛气引出管线27中的渗碳用气氛气在第二冷却器28中急冷后，供给到渗碳炉等中。另外，用气体分析计29分析渗碳用气氛气中的二氧化碳量和氧量，基于该分析值，通过操作第二烃流量调节器23，调节向中间转化气的烃添加量，可控制第二转化炉15中的反应在最佳状态下，可以有效地得到具有所要求的Cp值的渗碳用气氛气。
如此，在第一转化炉14可以使原料混合气中的烃量少一点，抑制在炉内的温度上升和煤的产生，在第二转化炉15在除去水分后的中间转化气中添加少量的烃而使过剩的二氧化碳转化为一氧化碳，所以在总体防止煤产生的同时，可以在稳定的状态下以高效率得到所要求的渗碳用气氛气。
再有，渗碳用气氛气中的一氧化碳浓度和氢浓度以及Cp值可以通过适当选择作为原料使用的烃的种类，在某一程度的范围内任意设定。另外，为了抑制第一转化炉14的温度上升，也可以在原料混合气中添加氮等惰性气体。进一步，由于第二转化炉15的反应是吸热反应，所以优选在第二转化炉15的前段设置使添加烃后的中间转化气在烃的自身分解温度以下余热的余热器。另外，即使在不使用二氧化碳作为气源，只使用氧(可含有氮)的场合，也可以通过适当设定和烃的混合比例以及反应条件，来增加从第一转化炉14引出的中间转化气中的二氧化碳量并抑制煤的产生。
如上所述，根据本发明，由于串联连接第一、第二转化炉，在第一转化炉中产生含有高浓度的一氧化碳和高浓度的二氧化碳的中间转化气，同时在除去该中间转化气中的水分后添加烃，在第二转化炉由该烃进行除去过剩二氧化碳的转化反应，所以可以抑制煤的产生并阻止催化剂层的堵塞。由此，可以稳定且长时间产生最佳组成的转化气，作为一氧化碳浓度高的渗碳用气氛气，特别是作为在高温迅速渗碳处理中使用的渗碳用气氛气。

Claims (2)

1.一种渗碳用气氛气发生装置，其特征在于，在把将烃与二氧化碳、氧的气源混合的原料混合气引入具有催化剂层的转化炉，由催化反应产生含有一氧化碳和氢的渗碳用气氛气发生装置中，作为前述转化炉，由第一转化炉和第二转化炉构成，这些第一转化炉和第二转化炉串联连接设置，在第一转化炉和第二转化炉之间的管线上，设置除去从第一转化炉引出、引入到第二转化炉的中间转化气中水分的水分除去装置，同时设置在该中间转化气中添加烃的烃添加部件。
2.一种渗碳用气氛气的发生方法，其特征在于，在把将烃与二氧化碳、氧的气源混合的原料混合气引入具有催化剂层的转化炉，由催化反应产生含有一氧化碳和氢的渗碳用气氛气的发生方法中，上述具有催化剂层的转化炉由第一转化炉和第二转化炉构成，这些第一转化炉和第二转化炉串联连接设置，将降低了烃的混合比例的状态的前述原料混合气引入上述第一转化炉并通过催化反应产生中间转化气后，除去在该中间转化气中所含的水分，将烃添加到该中间转化气中后，引入上述第二转化炉，由催化反应产生渗碳用气氛气。
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