DE69902700T2

DE69902700T2 - Vorrichtung zum Herstellen von Wärmebehandlungsatmosphären

Info

Publication number: DE69902700T2
Application number: DE69902700T
Authority: DE
Inventors: Alan Russel Barlow; Jaak Stefaan Van Den Sype
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2019-01-21
Also published as: JPH11315323A; ES2179556T3; KR19990068003A; EP0931842A1; CN1131322C; KR100428857B1; PT931842E; CN1227819A; CA2259775A1; CA2259775C; EP0931842B1; BR9900105A; DE69902700D1; US5968457A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wärmebehandlungsatmosphären und genauer auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Atmosphären zum Wärmebehandeln von Metallen, Legierungen und Metall- und Keramikpulvern.

Hintergrund der Erfindung

Die Wärmebehandlung von Metallen in einem Ofen benötigt eine inerte Atmosphäre, typischerweise Stickstoff. Reduzierende Gase wie z. B. Kohlenmonoxid und Wasserstoff werden dem Stickstoff hinzugefügt, um einen Puffer gegen das Einlecken von Sauerstoff in den Ofen bereitzustellen.
Die Atmosphärenzusammensetzungen, die zur Durchführung der Wärmebehandlung von eisenhaltigen und nicht eisenhaltigen Metallen und Legierungen, dem Hartlöten von Metallen und dem Sintern von Metall- und Keramikpulvern notwendig sind, sind beim Stand der Technik wohlbekannt. Obgleich Stickstoff prinzipiell bezüglich der meisten Metalle und Legierungen bei Wärmebehandlungstemperaturen inert ist, müssen in der Praxis oft reduzierende Elemente wie z. B. Kohlenmonoxid und Wasserstoff (CO und H&sub2;) zu der Atmosphärenzusammensetzung hinzugefügt werden, um einen Puffer gegen das Einlecken von Sauerstoff in den Ofen bereitzustellen. Der in den Ofen leckende Sauerstoff reagiert rasch mit dem vorhandenen CO und H&sub2; und bildet Kohlendioxid und Wasser (CO&sub2; und H&sub2;O) aus. So lange die CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnisse innerhalb erwünschter Grenzwerte liegen, können die verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren erfolgreich durchgeführt werden. Die zu etablierenden tatsächlichen CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnisse hängen in großem Ausmaß von dem jeweils beteiligten Verfahren ab wie z. B. dem dekarburierungsfreien Glühen, dem Blankglühen, dem Entkohlungsglühen und dem gesteuerten Oxidglühen von Stählen, wobei diese Verfahren beim Stand der Technik wohlbekannt sind. Beispielsweise stellt für das Blankglühen von Stählen Fig. 1 ein Oxidationsdiagramm für Eisen in CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O-Gemischen dar. Bei 800ºC werden Atmosphären mit CO/CO&sub2; > 1,4 und H&sub2;/H&sub2;O > 1,8 Stähle nicht oxidieren (Punkt B); in der Praxis kann eine Atmosphäre mit CO/CO&sub2; = 5 und H&sub2;/H&sub2;O = 6 (Punkt A in Fig. 1) vorteilhaft benutzt werden, da sie einen adäquaten Puffer gegen ein Einlecken von O&sub2; aufweist.
Die bekannten Verfahren zum Herstellen gepufferter Atmosphären dieses Typs fallen in zwei Hauptkategorien. Die erste Kategorie sind aus Endogeneratoren, Exogeneratoren und Ammoniakdissoziatoren erzeugte Atmosphären. Diese Atmosphären sind kostengünstig, beteiligen jedoch eine sperrige Ausrüstung, sind unterhaltsintensiv und den Atmosphären mangelt es oft an Konsistenz. Die zweite Kategorie sind Atmosphären, die aus kryogenem Stickstoff mit den Beimischungen von Wasserstoff oder Methanol hergestellt werden. Diese Atmosphären sind von hoher Qualität und sehr gut steuerbar, jedoch auch sehr teuer.
Es sind verschiedene kommerziell angewendete oder vorgeschlagene Techniken zur Bereitstellung von Wärmebehandlungsatmosphären für die oben angeführten Anwendungen bekannt. Eine Technik benutzt exotherme Generatoren, wobei die Atmosphäre in einer feuerfest ausgekleideten oder einer direkt wassergekühlten Verbrennungskammer mit einem oder zwei Brenner(n) erzeugt wird, zu dem/denen ein Gemisch aus Erdgas und Luft von einer Pumpausrüstung mit gesteuertem Verhältnis zugeführt wird. Der Generator ist mit einem Kühler ausgerüstet, durch den die Produkte der Verbrennung nach dem Entfernen eines Teils des in der Reaktion erzeugten Wassers abgelassen werden. Es liegen zwei Typen von exothermen Generatoren vor, die im allgemeinen für das Glühen eisenhaltiger Materialien verwendet werden. Der eine Typ sind die ein reiches Verhältnis herstellenden exothermen Generatoren, in denen das Verhältnis von Luft zu Brennstoff typischerweise etwa 6 beträgt und die Verbrennungsatmosphäre nach dem Kühlen und Entfernen des größten Teils des Wassers typischerweise aus 5% CO&sub2;, 11% CO, 14% H&sub2; und 69% N&sub2; besteht. Obwohl die gaserzeugte Atmosphäre ein niedriges CO/CO&sub2;-Verhältnis aufweist und dekarburierend ist, ist die Atmosphäre für das oxidfreie Glühen von eisenhaltigen Materialien geeignet.
Der andere Typ sind die eine gereinigte Atmosphäre erzeugenden exothermen Generatoren, in denen die Verbrennungsgase verdichtet und das CO&sub2; und H&sub2;O durch eine Druckwechseladsorption auf Molekularsiebbetten entfernt werden. Die Atmosphäre ist für ein dekarburierungs- und oxidfreies Glühen von eisenhaltigen Materialien geeignet.
Eine andere bekannte Technik benutzt mit Stickstoff oder Exogas verdünnte endotherme Generatoren. In endothermen Generatoren liegt das Verhältnis von Luft zu Erdgas typischerweise nahe bei 25% der perfekten Verbrennung. Die Reaktion findet über einem Katalysatorbett (üblicherweise Ni auf Aluminiumoxid-Ziegel) statt und externe Wärme muss zur Aufrechterhaltung der Reaktion zugeführt werden. Die Gaszusammensetzung von einem Endogenerator enthält näherungsweise 20% H&sub2;, 40% CO, Rest N&sub2;. Für Glühanwendungen wird dieses Gas in dem Ofen mit N&sub2;-Gas verdünnt. Das N&sub2; kann aus einer kryogenen Zufuhr oder aus unreinem N&sub2; von einer Membran- oder PSA-Anordnung stammen. Wahlweise kann das Endogas mit Exogas aus einem Exogenerator verdünnt werden.
Eine noch weitere Technik verwendet Stickstoff/Methanol-Systeme, in denen Methanol direkt in den Ofen eingespeist wird und bei der Ofentemperatur in H&sub2; und CO dissoziiert. Für jede Gallone an Methanol werden annähernd 25 Fuß³ von und 50 Fuß³ von H&sub2; erzeugt. N&sub2; wird auch zum Erhalt der erwünschten Atmosphäre zum Glühen injiziert. Das N&sub2; kann aus einer kryogenen Zufuhr oder aus unreinem N&sub2; von Membran- oder PSA-Anlagen stammen,
Eine weiterhin bekannte Technik benutzt intern montierte endotherme Generatoren, bei welchen der endotherme Generator intern in dem Ofen vorgesehen wird, wodurch Energie eingespart und die Anforderung bezüglich des Platzbedarfs eines externen Generators beseitigt wird. Der interne Generator wird mit einem eigenen elektrischen Heizgerät ausgerüstet und ein Edelmetallkatalysator wird für eine höhere Effizienz und einen geringeren Platzbedarf verwendet. Für Glühanwendungen kann eine Verdünnung des Endogases mit N&sub2; verwendet werden. Das N&sub2; kann aus einer kryogenen Zufuhr oder aus unreinem N&sub2; von Membran- oder PSA-Anlagen stammen.
Eine zusätzliche Technik besteht darin, eine endotherme Umwandlung von unreinem Stickstoff zu verwenden. In diesem Verfahren wird ein Reaktor vom Endogeneratortyp zur Umwandlung des O&sub2; verwendet, der in dem durch Membrane zu H&sub2; und CO erzeugten Stickstoff vorliegt. Die typische Membranreinheit ist niedrig (zwischen 3 und 5%). Die sich ergebenden Atmosphären weisen zwischen 5 bis 8% CO und 10 bis 16% H&sub2; auf. Da bei diesen niedrigen O&sub2;-Konzentrationen nur eine geringe Wärmemenge erzeugt wird ist es notwendig, die Reaktionspartner vorzuwärmen.
Schließlich benutzt noch eine weitere Technik die "Vor-Ort"-Umwandlung von unreinem Stickstoff. Verschiedene Verfahren sind zum Vormischen des aus Membran- oder PSA-Anlagen erhaltenen Stickstoffs mit einer vorbestimmten Menge an Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff und zum Injizieren dieses Gemisches in die heiße Zone des Ofens vorgeschlagen worden. Die verwendete Menge an Wasserstoff und/oder Kohlenwasserstoff beträgt das Mehrfache der für eine Umwandlung des Sauerstoffs in dem unreinen Stickstoff zu den vollständigen Oxidationsprodukten CO&sub2; und H&sub2;O erforderlichen Menge. Die Anordnung und das Verfahren der Injektion kann sich als kritisch erweisen.
Die oben genannten bekannten Techniken weisen alle insofern Nachteile auf, als dass sie nicht vollständig zufriedenstellende Wärmebehandlungsatmosphären bereitstellen. Exotherme Generatoren sind getrennte Ausrüstungsstücke, die einer Wartung bedürfen. Das Abkühlen der Verbrennungsgase und das nachfolgende Wiedererwärmen beteiligt thermische Ineffizienzen. Ein reiches Verhältnis herstellende exotherme Generatoren mit oder ohne Kühlmitteltrockner sind relativ einfach zu betreiben, wobei die Kapitalkosten moderat ausfallen. Jedoch sind die resultierenden Atmosphären nicht von hoher Qualität und für ein dekarburierungsfreies Glühen ungeeignet. Atmosphären von eine gereinigte Atmosphäre erzeugenden Exogeneratoren sind von hoher Qualität, allerdings fallen die Kapital- und Betriebskosten hoch aus, da sie das Verdichten der Verbrennungsgase beteiligen und Verluste bei der Verwendung von Molekularsiebbetten vorliegen.
Verdünntes endothermes Gas ergibt eine hochqualitative Atmosphäre; jedoch sind endotherme Generatoren teurer als Exogeneratoren zu betreiben und beteiligen wiederum ein separates Ausrüstungsstück, das gesteuert und unterhalten werden muss. Ebenfalls ist die thermische Ineffizienz aufgrund des Wiedererwärmens der Atmosphäre ein Nachteil.
Stickstoff/Methanol liefert eine hochqualitative Atmosphäre mit niedrigen Kapital- und Unterhaltskosten. Allerdings fallen die Betriebskosten aufgrund der hohen Kosten für Methanol hoch aus. Ebenfalls ist der thermische Wirkungsgrad gering, da der Ofen die Wärme bereitstellen muss, die notwendig ist, um das Methanol zu dissoziieren und die injizierten Gase auf die Ofentemperatur zu bringen.
Intern montierte endotherme Generatoren sind eine relativ neue Technologie. Ihr prinzipieller Vorteil besteht darin, dass kein separater Generator erforderlich ist. Die Steuerungen der Ofenatmosphäre werden zur Steuerung des Ausgangs des Generators und zur Vermeidung einer Vervielfältigung verwendet. Die Reaktionswärme geht nicht verloren, weshalb der thermische Wirkungsgrad hoch ausfällt. Die Anwendung des Standardnickel oder Edelmetall reformierenden Katalysators fällt analog zu freistehenden Generatoren aus. Da reformierende Reaktionen langsam sind, sind die Raumgeschwindigkeiten niedrig, was das System unhandlich ausfallen lässt und ein Nachteil für intern montierte Systeme ist. Zum Beispiel weist bei einem kommerziell verfügbaren System der intern montierte Generator, der 22,65 Standard-m³/h (800 SCFH) Endogas abgibt, einen Durchmesser von 26,7 cm (10,5 inch) und eine Länge von 81,3 cm (32 inch) auf.
Ein Beispiel eines solchen Generators ist in US-A-5 160 380, 03.11.1992, Vocke et al. mit dem Titel PROCESS FOR IMPROVED PREPARATION OF TREATMENT GAS IN HEAT TREATMENTS beschrieben.
Die endotherme Umwandlung des Sauerstoffs in Membran-Stickstoff zu CO und H&sub2; weist die sämtlichen Nachteile von externen Endogeneratoren auf und es muss wesentlich mehr Wärme als im Fall von Luft/Erdgas bereitgestellt werden. Der thermische Wirkungsgrad ist niedrig und die Kapitalkosten fallen hoch aus.
Die "Vor-Ort" Umwandlung von unreinem Stickstoff arbeitet ohne Verwendung eines Katalysators. Der prinzipielle Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass der Sauerstoff in dem unreinen Stickstoff die gesamten Oxidationsprodukte H&sub2;O und CO&sub2; anfänglich ansteigen lässt. Bei einer alleinigen Verwendung von H&sub2; muss ausreichend H&sub2; zugeführt werden, um das erwünschte H&sub2;/H&sub2;O und CO&sub2; zu erzeugen. Der Bedarf nach einer externen H&sub2;-Quelle lässt diesen Ansatz teuer werden. Wenn Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan oder Propan benutzt werden, werden die erwünschten CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnisse durch ein Reformieren von CO&sub2; und H&sub2;O in dem Ofen erhalten, indem ausreichend überschüssiger Kohlenwasserstoff zugeführt wird. Insbesondere bei einer Verwendung von Methan fallen diese reformierenden Reaktionen bei typischen Wärmebehandlungstemperaturen langsam aus. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 2 dargestellt. Die erwünschte Atmosphäre ist nur dann erhältlich, wenn die Ofentemperaturen hoch genug sind und die Gasverweildauer ausreichend lang ausfällt, damit ein ausreichendes Reformieren stattfinden kann. Daher wird die Gaszusammensetzung von dem Betrieb des Ofens abhängig sein.
Weitere Hintergrundverweise bezüglich des vorliegenden Gegenstands lauten wie folgt:
US-A-5 298 090, ausgegeben am 29.03.1994 an Garg et al. mit dem Titel "ATMOSPHERES FOR HEAT TREATING NON-FERROUS METALS AND ALLOYS" offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von billigen Atmosphären, die zum Glühen, Hartlöten und Sintern von nicht eisenhaltigen Metallen und Legierungen aus nicht kryogen erzeugtem Stickstoff geeignet sind, der bis zu 5% Restsauerstoff enthält. Gemäß des Verfahrens werden geeignete Atmosphären erzeugt durch 1) Vorwärmen des nicht kryogen erzeugten und Restsauerstoff enthaltenden Stickstoffstroms auf eine erwünschte Temperatur, 2) Vermischen dieses Stroms mit einer mehr als stöchiometrischen Menge an Kohlenwasserstoffgas, 3) Durchleiten dieses Gemisches durch einen mit einer von Katalysator aus einem Platingruppenmetall gepackten Reaktor zur Reduktion des Restsauerstoffs auf sehr niedrige Pegel und zur Umwandlung dieses Gemisches in ein Gemisch aus Feuchtigkeit und Kohlendioxid, und 4) Verwenden des Reaktorabstroms zum Glühen, Hartlöten und Sintern von nicht eisenhaltigen Metallen und Legierungen in einem Ofen. Die Schlüsselmerkmale des offenbarten Verfahrens beinhalten 1) Vorwärmen des nicht kryogen erzeugten und Restsauerstoff enthaltenden Stickstoffs auf eine bestimmte minimale Temperatur, 2) Hinzufügen von mehr als einer stöchiometrischen Menge eines Kohlenwasserstoffgases zu dem vorgewärmten Stickstoffstrom, und 3) Benutzen eines Katalysators aus einem Platingruppenmetall zur Auslösung und Aufrechterhaltung der Reaktion zwischen Sauerstoff und dem Kohlenwasserstoffgas.
US-A-5 259 893, ausgegeben am 09.11.1993 an Bonner et al., mit dem Titel "IN-SITU GENERATION OF HEAT TREATING ATMOSPHERES USING A MIXTURE OF NON-CRYOGENICALLY PRODUCED NITROGEN AND A HYDROCARBON GAS", offenbart ein Verfahren zum Vor-Ort- Erzeugen billiger Atmosphären aus nicht kryogen erzeugtem und bis zu 5% Restsauerstoff enthaltendem Stickstoff, die geeignet sind zum Glühen und Wärmebehandeln von eisenhaltigen und nicht eisenhaltigen Metallen und Legierungen, zum Hartlöten von Metallen, zum Anschmelzen von Glas an Metalle und zum Sintern von Metall und Keramikpulvern in einem Durchlaufofen aus nicht kryogen hergestelltem Stickstoff. Das offenbarte Verfahren beteiligt das Vermischen von Restsauerstoff enthaltendem Stickstoffgas mit einer vorbestimmten Menge eines Kohlenwasserstoffgases, das Einspeisen des gasförmigen Gemisches durch eine nichtkonventionelle Vorrichtung in die heiße Zone eines Durchlaufwärmebehandlungsofens, das Umwandeln des Restsauerstoffs in eine akzeptable Form wie z. B. in ein Gemisch von Feuchtigkeit und Kohlendioxid, ein Gemisch von Feuchtigkeit, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, und Kohlendioxid oder in ein Gemisch von Kohlenmonoxid, Feuchtigkeit, und Wasserstoff, und das Verwenden des resultierenden gasförmigen Gemisches zum Glühen und Wärmebehandeln von Metallen und Legierungen, zum Hartlöten von Metallen, zum Sintern von Metall- und Keramikpulvern und zum Anschmelzen von Glas an Metalle.
US-A-5 254 180 ausgegeben am 19.10.1993 an Bonner et al., mit dem Titel "ANNEALING OF CARBON STEELS IN A PRE-HEATED MIXED AMBIENTS OF NITROGEN, OXYGEN, MOISTURE AND REDUCING GAS", offenbart ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen von viel Feuchtigkeit enthaltenden Atmosphären auf Stickstoffbasis, die zum Oxid- und Dekarburierungsglühen von Kohlenstoffstählen aus nicht kryogen erzeugtem Stickstoff geeignet sind. Diese Atmosphären auf Stickstoffbasis werden erzeugt durch das Vermischen von nicht kryogen erzeugtem Stickstoff, der weniger als 5,0 Vol.% Restsauerstoff enthält, mit einer spezifizierten Menge an Wasserstoff, das Anfeuchten des gasförmigen Einsatzgemisches, das Einspeisen des gasförmigen Gemisches in die Erwärmungszone eines Ofens durch einen Diffusor und das Vor-Ort-Umwandeln des darin vorliegenden Restsauerstoffs zu Feuchtigkeit. Gemäß dieser Erfindung kann die zum Erzeugen von geeigneten Atmosphären erforderliche Gesamtmenge an Wasserstoff durch ein gleichzeitiges Anfeuchten des Einsatzgases und ein Steuern des in dem Gas vorhandenen Restsauerstoffpegels minimiert werden. Die Schlüsselmerkmale dieser Erfindung beinhalten: a) Anfeuchten des Einsatzgases vorgängig vor dessen Einspeisen in die Erwärmungszone eines über etwa 600ºC betriebenen Ofens, b) Derartiges Auswählen des Pegels an Restsauerstoff in dem Einsatzgas, dass er den Wasserstoffverbrauch minimiert, und c) Verwenden einer ausreichenden Wasserstoffmenge, um den in dem Einsatzgas vorliegenden Restsauerstoff vollständig in Feuchtigkeit umzuwandeln und um das pH&sub2;/pH&sub2;O-Verhältnis in der Erwärmungszone des Ofens für ein Oxidglühen von Kohlenstoffstählen auf unter etwa 2 und für ein Dekarburierungsglühen von Kohlenstoffstählen auf mindestens 2 aufrechtzuerhalten.
US-A-5 242 509, ausgegeben am 07.09.1993 an Rancon et al. mit dem Titel "PROCESS OF THE PRODUCTION OF AN ATMOSPHERE FOR THE THERMAL TREATMENT OF METALS AND THERMAL TREATMENT APPARATUS" beschreibt ein Verfahren, in dem die thermische Behandlungsatmosphäre durch die katalytische Reaktion eines unreinen Gemisches aus vorteilhafterweise durch Permeation oder Adsorption erhaltenen Stickstoff und Kohlenwasserstoff erhalten wird, wobei die katalytische Reaktion bei einer Temperatur zwischen 400º und 900ºC und typischerweise zwischen 500º und 800ºC mit einem Katalysator auf Edelmetallbasis ausgeführt wird, der typischerweise Platin oder Palladium auf einem Aluminiumoxidträger aufweist. Die Reaktion kann in einem Reaktor ausgeführt werden, der innerhalb oder außerhalb des Ofens angeordnet ist.
US-A-5 221 369 ausgegeben am 22.06.1993 an Bowe et al., mit dem Titel "IN-SITU GENERATION OF HEAT TREATING ATMOSPHERES USING NON-CRYOGENICALLY PRODUCED NITROGEN", offenbart ein Verfahren zum Vor-Ort-Erzeugen von billigen Atmosphären aus nicht kryogen erzeugtem und bis zu 5% Restsauerstoff enthaltendem Stickstoff, die geeignet sind zum Glühen und Wärmebehandeln von eisenhaltigen und nicht eisenhaltigen Metallen und Legierungen, zum Hartlöten von Metallen und keramischen Werkstoffen, zum Anschmelzen von Glas an Metalle und zum Sintern von Metall- und Keramikpulvern in einem Durchlaufofen. Das offenbarte Verfahren beteiligt das Vermischen von Restsauerstoff enthaltendem Stickstoffgas mit einer vorbestimmten Menge eines reduzierenden Gases wie z. B. Wasserstoff, einem Kohlenwasserstoff oder einem Gemisch daraus, das Einspeisen des gasförmigen Gemisches durch eine nichtkonventionelle Vorrichtung in die heiße Zone eines Durchlaufwärmebehandlungsofens, das Umwandeln des Restsauerstoffs in eine akzeptable Form wie z. B. Feuchtigkeit, ein Gemisch aus Feuchtigkeit und Kohlendioxid oder ein Gemisch aus Feuchtigkeit, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, und das Verwenden des resultierenden gasförmigen Gemisches zum Glühen und Wärmebehandeln von Metallen und Legierungen, zum Hartlöten von Metallen und keramischen Werkstoffen, zum Sintern von Metall- und Keramikpulvern und zum Anschmelzen von Glas an Metalle.
US-A-5 069 728 ausgegeben am 03.12.1991 an Rancon et al., mit dem Titel "PROCESS FOR HEAT TREATING METALS IN A CONTINUOUS OVEN UNTER CONTROLLED ATMOSPHERE", beschreibt die Wärmebehandlung von Metallen mittels einer kontinuierlichen Durchleitung in Längsrichtung von metallischen Stücken in einer länglichen Behandlungszone unter gesteuerter Atmosphäre mit einem stromaufwärtigen Hochtemperatur-Ende, wo die gesteuerte Atmosphäre Stickstoff und reduzierende chemische Substanzen wie z. B. Wasserstoff, möglicherweise Kohlenmonoxid aufweist, und mit einem stromabwärtigen Kühlende unter einer Atmosphäre, die im wesentlichen durch das Einleiten von Stickstoff ausgebildet ist. In dem stromaufwärtigen Hochtemperatur-Ende wird der die Atmosphäre bildende Stickstoff durch Einspeisen von Stickstoff mit einem Restsauerstoffgehalt zugeführt, der 5 nicht überschreitet. Der in das stromabwärtige Kühlende eingespeiste Stickstoff weist im wesentlichen keinen Sauerstoff auf. Das Verfahren ist zum Glühen von metallischen Stücken verwendbar.
US-A-5 057 164 ausgegeben am 15.10.1991 an Nilsson et al., mit dem Titel "PROCESS FOR THERMAL TREATMENT OF METALS", offenbart ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Metallen durch das Einleiten von metallischen Stücken in eine längliche Zone unter einer gesteuerten Atmosphäre, wobei diese einen stromaufwärtigen Abschnitt bei einer erhöhten Temperatur aufweist, wo die gesteuerte Atmosphäre Stickstoff und reduzierende Chemikalien, insbesondere Wasserstoff, möglicherweise Kohlenmonoxid aufweist, sowie einen stromabwärtigen Abschnitt bei einer niedrigeren Temperatur unter einer gesteuerten Atmosphäre. Die Erfindung ist durch den Umstand charakterisiert, dass in dem stromaufwärtigen Abschnitt bei einer erhöhten Temperatur die Atmosphäre Stickstoff mit einem Restgehalt von Sauerstoff zwischen 0,5% und 5% aufweist, der durch Luftzerlegung unter Verwendung von Permeations- oder Adsorptionstechniken erzeugt worden ist. Die reduzierenden Chemikalien liegen zu jedem Zeitpunkt in einer Menge vor, die mindestens ausreicht, um den mit dem Stickstoff zugeführten Sauerstoff zu beseitigen. Die gesteuerte Atmosphäre in dem Abschnitt stromab von der länglichen thermischen Behandlungszone wird durch Zuführung einer von dem stromaufwärtigen Abschnitt bei einer erhöhten Temperatur entnommenen gasförmigen Strömung ausgebildet und direkt in den stromabwärtigen Abschnitt bei einer niedrigeren Temperatur übertragen.
Die australische Patentanmeldung 34 059/93 vom 16.09.1993, Frey, mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR FORMING A HEAT TREATING ATMOSPHERE" beschreibt ein Verfahren zum Ausbilden einer Wärmebehandlungsatmosphäre durch das Entfernen von mindestens einem wesentlichen Teil des innerhalb eines Einsatzstroms aus Luft enthaltenen Sauerstoffs zur Erzeugung eines stickstoffreichen Gases und eines mit Sauerstoff angereicherten Abgases, das Vermischen des stickstoffreichen Gases und einem substitutierten oder nicht substitutierten Kohlenwasserstoffgas zur Ausbildung eines ersten Gemisches; und das Zur-Reaktion-Bringen des ersten Gemisches in der Anwesenheit eines Nichtedelmetall-Katalysators zur Ausbildung besagter Wärmebehandlungsatmosphäre, die eine vorherrschende Menge an Stickstoffgas und nicht mehr als Spurenmengen von Kohlendioxid und Wasserdampf aufweist.
Das PCT-Patent WO 93/21 350 vom 28.10.1993, Gross et al., mit dem Titel "METHOD OF PRODUCING A PROTECTIVE OR REACTIVE GAS FOR THE HEAT TREATMENT OF METALS" offenbart durch nicht kryogene Verfahren wie z. B. solche Verfahren, die Druckwechseladsorptions- oder Membran-Installationen verwenden, erzeugten Stickstoff, der wegen seines hohen Sauerstoffgehalts von etwa 0,1 bis 5% V/V, für die Wärmebehandlung von Metallen nicht oder nur zu einem begrenzten Grad verwendet werden kann. Die Erfindung schlägt eine endotherme katalytische Umwandlung des in dem Stickstoff enthaltenen Sauerstoffs durch Kohlenwasserstoffe vor, um ein Schutzgas zu erzeugen, das für die Wärmebehandlung von Metallen geeignet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Mit nicht kryogenen Verfahren zum Erzeugen von Stickstoff wie z. B. Membran- oder PSA-Verfahren besteht die Möglichkeit, vorbehandelte Atmosphären für Wärmebehandlungsanwendungen herzustellen, die viel weniger teuer sind. Allerdings entstehen durch den in diesen Stickstoffquellen vorhandenen Restsauerstoff Probleme. Die vorliegende Erfindung stellt verlässliche Verfahren zum Umwandeln dieses Restsauerstoffs in reduzierende Spezies bereit, ohne die Kosten übermäßig zu erhöhen.
Bislang wurden Endogeneratoren hauptsächlich für Karburierungszwecke entwickelt. In derartigen Anwendungen ist das höchstmöglichste Kohlenstoffpotential erwünscht. Das Katalysatorbett (üblicherweise Ni-Aluminiumoxid-Ziegel) wird bei Temperaturen zwischen 1000ºC und 1200ºC betrieben. Die Raumgeschwindigkeiten sind niedrig und es muss externe Wärme zugeführt werden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Endogenerators für die Wärmebehandlung, der einen Edelmetall-Katalysator verwendet, welcher in einem niedrigeren Temperaturbereich (750ºC bis 900ºC) betrieben wird, und da die Wärmebehandlungsanwendungen, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, ärmere Atmosphären und geringere Kohlenstoffpotentiale erfordern, stellt die vorliegende Erfindung einen Reaktor bereit, der autothermisch arbeitet und in welchem sehr hohe Raumgeschwindigkeiten erreicht werden. Die Reaktoren der vorliegenden Erfindung stellen auf kostengünstige Weise die reduzierenden Elemente bereit, die notwendig sind, um gepufferte Atmosphären in Wärmebehandlungsöfen zu erhalten, und erlauben somit die Einspeisung von durch Membran- oder PSA-Anlagen erzeugtem billigem Stickstoff in derartige Öfen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Reaktors einschließlich eines Katalysators, der Edelmetalle einschließlich Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium, Osmium und Iridium und Gemische daraus verwendet.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Reaktors einschließlich eines Katalysatorträgers von Aluminiumoxid und porösen keramischen Kügelchen oder Monolithen, die aus Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid oder Gemischen daraus wie z. B. Cordierit angefertigt sind.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Reaktors, der Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan (Erdgas) oder Propan oder andere Alkane wie z. B. Ethan, Butan oder andere Alkene wie z. B. Ethylen, Propylen verwendet.
Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Katalysators und Trägers, der inner- oder außerhalb eines Wärmebehandlungsofens angeordnet werden kann.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Reaktors, der kein Hilfsheizgerät während eines Wärmebehandlungsverfahrens benötigt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die oben dargelegten und weitere Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher werden, in denen:
Fig. 1 eine Kurve ist, die ein Oxidationsdiagramm für Eisen als CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O- Gemische darstellt.
Fig. 2 eine Kurve ist, die den Effekt der direkten Injektion von CH&sub4; in Membran-N&sub2; bei einer Temperatur von 1380ºF illustriert.
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht im Querschnitt eines Reaktors beim Stand der Technik einschließlich eines Katalysators und Trägers ist, der autothermisch arbeitet.
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht im Querschnitt eines Wärmebehandlungsofens ist, die einen innerhalb des Ofens gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung angeordneten Reaktor zeigt.
Fig. 5 eine Kurve ist, die den Effekt der Reaktion von Methangemischen mit einem mit Platin oder Rhodium beladenen Aluminiumoxid-Katalysator illustriert.
Fig. 6 und 7 Kurven sind, welche die Betriebsmerkmale eines endothermen Reaktors gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.
Fig. 8 eine Querschnittsillustration in Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines von der Erfindung berücksichtigten Reaktors ist, wobei der Reaktor einen Katalysator und einen Träger beinhaltet, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung autothermisch arbeiten.
Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines Reaktors der Erfindung entlang der Linie A-A ist.
Fig. 10 eine Querschnittsillustration in der Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform eines von der Erfindung berücksichtigten Radialstromreaktors ist, wobei der Reaktor einen Katalysator und einen Träger beinhaltet, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung autothermisch arbeiten.
Fig. 11 und 12 Querschnittsillustrationen in der Seitenansicht des oberen Teils weiterer Ausführungsformen eines Reaktors gemäß der Erfindung sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein Endogasgenerator wird bereitgestellt, in dem CO und H&sub2; als die Hauptprodukte einer Kohlenwasserstoffoxidation erzeugt werden. Edelmetall-Katalysatoren wie z. B. Platin (Pt) und Rhodium (Rh), weisen, wenn sie ausreichend auf einem porösen keramischen Träger, beispielsweise einem Aluminiumoxidträger, aufgebracht werden, CO- und H&sub2;-Selektivitäten auf, die hoch genug ausfallen, um für Wärmebehandlungsanwendungen geeignete Atmosphären zu erzeugen. Daher wird der Edelmetall-Katalysator aus den Metallen der Platingruppe Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium und Platin ausgewählt. Gemische dieser Elemente sind ebenfalls verwendbar.
Der bevorzugte Katalysatorträger ist Aluminiumoxid; jedoch können auch poröse keramische Kügelchen oder Monolithe verwendet werden, die aus Magnesiumoxid, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid oder Gemischen daraus wie z. B. Cordierit angefertigt sind.
In dem Reaktor der vorliegenden Erfindung werden durch die langsamen und energieintensiven reformierenden Reaktionen nur wenig oder kein CO und H&sub2; erzeugt, wodurch ein kompakter Reaktor ermöglicht wird, der autothermisch ohne eine Hilfserwärmungsanordnung arbeitet. Reaktoren gemäß der Erfindung können mit hohen Raumgeschwindigkeiten betrieben werden, wobei die Raumgeschwindigkeit als die Anzahl von Standardkubikfuß pro Stunde von Ausgangsgas pro Kubikfuß des Katalysatorträgers definiert ist.
Bevorzugte Kohlenwasserstoffe sind Methan (Erdgas) oder Propan. Das Verfahren kann jedoch auch mit anderen Alkanen und Alkenen oder Gemischen daraus durchgeführt werden, wenn das geeignete Oxidationsmittel/Brennstoff-Verhältnis für die Umwandlung zu CO und H&sub2; verwendet wird. Beispiele von weiteren Alkanen sind Ethan und Butan, Beispiele von Alkenen sind Ethylen und Propylen. Bevorzugte Oxidationsmittel sind Stickstoff/Sauerstoff-Gemische mit einem Sauerstoffgehalt von 5% bis zu 100%.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, das/die die erforderlichen reduzierenden Gase CO und H&sub2; für die Wärmebehandlung von Metallen über die folgende direkte Oxidationsreaktion erzeugt:
CH&sub4; + 1/2 O&sub2; -> CO + 2H&sub2; ΔH = -8,5 kcal/mol. (1)
Erdgas und O&sub2;/N&sub2;-Gemische mit 5% bis zu 100% O&sub2; werden über einen Edelmetall-Katalysator eingespeist, der bei einer Temperatur von mindestens 600ºC (für 5% O&sub2;) und 300ºC (für 100% O&sub2;) gehalten wird. Dies sind die minimalen Light-off-Temperaturen für Methan. Bei einer Verwendung von Propan beträgt die minimale Light-off-Temperatur etwa 250ºC (für 21% O&sub2;). Der Katalysator kann in einem getrennten Reaktor oder praktischerweise innerhalb des Ofens angeordnet werden. Das System wird autothermisch betrieben, das heißt, es sind keine zusätzlichen Heizgeräte zum Vorwärmen der Eingangsgase oder zum Erwärmen des Katalysatorbetts erforderlich. Es kann ein Wärmeaustausch von den austretenden Gasen oder von den Ofengasen zu dem Katalysator oder den Eingangsgasen vorliegen. Für einen nicht vor Ort befindlichen Reaktor können die Eingangsgase wahlweise unter Verwendung der verfügbaren Wärme in dem Austrittsgas auf zwischen 500ºC und 650ºC vorgewärmt werden. Höhere CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnisse sind unter Verwendung von Vorwärme erhältlich.
Vorgängig bekannte endotherme Generatoren, die entweder Atmosphären mit geringer Qualität, (hoher CO&sub2;-Gehalt) oder, wenn sie vom gereinigten Atmosphären erzeugenden Typ sind, Atmosphären mit hohen Kapitalkosten liefern, beruhen ebenfalls auf der Gesamtreaktion (1), da bei hoher Temperatur (z. B. 1000ºC) das Gleichgewicht bestimmt, dass sich ein Gemisch von Methan/Sauerstoff mit einem Verhältnis von 2 : 1 vollständig in ein H&sub2;/CO-Gemisch mit einem Verhältnis von 2 : 1 umwandelt. Allerdings ist bei den Endogeneratoren gemäß des Stands der Technik die Annäherung an das Gleichgewicht wegen einer Ausbildung der Gesamtoxidationsprodukte CO&sub2; und H&sub2;O verlangsamt, was zu überschüssigem CH&sub4; führt, das nachfolgend (stromab in dem Reaktor) über die nachstehenden Reaktionen zu CO und H&sub2; umgewandelt wird:
CH&sub4; + H&sub2;O -> CO + 3H&sub2; ΔH = +49,2 kcal/mol. (2)
und
CH&sub4; + CO&sub2; -> 2CO + 2H&sub2; ΔH = +62,4 kcal/mol. (3)
Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 7 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Wärmebehandlungsatmosphären beschrieben werden, wie dies in US-A-5 441 581 aufgeführt ist. Die vorliegende Erfindung, die im folgenden mit Bezug auf die Fig. 8 bis 12 beschrieben werden wird, geht von diesem Stand der Technik aus.
Auf Fig. 3 Bezug nehmend ist ein schematischer Querschnitt einer Reaktorstruktur 8 einschließlich eines Körpers aus isolierendem Material 10 dargestellt, der eine Vertiefung aufweist, in welcher eine Katalysator- und Träger-Kombination 12 angeordnet ist. Der Katalysator besteht aus einem Edelmetall wie z. B. Platin, Rhodium oder ähnlichem in einem porösen Keramikträger wie z. B. einem Aluminiumoxidträger. Ein Gastransportsystem 14 erstreckt sich in die Vertiefung und beinhaltet eine erste Leitung 16, die sich zu getrennten Röhren 16a, 16b verzweigt, welche innerhalb einer zweiten Leitung 18 angeordnet sind. Die zwei Röhren 16a und 16b sind nur für Erklärungszwecke dargestellt und es können auf Wunsch auch drei oder mehrere Röhren benutzt werden. Eingangsgase wie z. B. Luft/Kohlenwasserstoff werden in die Leitung 16 geführt, durch die Röhren 16a und 16b geleitet, und reagieren mit dem Katalysator in der Kombination 12. Wie zuvor erläutert tritt eine Reaktion (1) auf und erzeugt CO und H&sub2; als ein Ausgangsgas bei Verwendung von Methan als den Kohlenwasserstoff.
Das in die Leitung 18 eintretende Ausgangsgas ist heißer als das Eingangsgas in den Röhren 16a und 16b. Das Ausgangsgas in der Leitung 18 zirkuliert um die Röhren 16a und 16b.
Anschließend kann das Ausgangsgas in der Leitung 18 zur Behandlung von Metallen, Legierungen oder Metall- und Keramikpulvern in einen Wärmebehandlungsofen eingespeist werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass bei einem Umwälzen der Ausgangsgase in der Leitung 18 über die Eingangsgase in den Leitungen 16a und 16b hinaus ein Wärmeaustausch zwischen dem Ausgangsgas und dem Eingangsgas stattfindet, so dass es nicht notwenig ist, eine Hilfserwärmungsanordnung wie z. B. Heizschlangen oder eine Flamme zum Erwärmen der eintretenden Gase während des Betriebs wie beim Stand der Technik bereitzustellen. Es kann jedoch erforderlich sein, die eintretenden Gase am Beginn des Betriebs anfänglich zu erwärmen, um das Wärmeaustauschverfahren in Gang zu setzen.
Auf Fig. 4 Bezug nehmend ist ein schematischer Querschnitt eines typischen Wärmebehandlungsofens 20 illustriert, der die Reaktorstruktur 8 aus Fig. 3 als innerhalb des Ofens angeordnet darstellt. Der Betrieb der Reaktorstruktur 8 fällt wie oben beschrieben aus, jedoch mit der Ausnahme, dass die Ausgangsgase von der Reaktorstruktur innerhalb des Ofens eingespeist werden. Ein Vorteil des Anordnens der Reaktorstruktur 8 innerhalb des Ofens 20 besteht darin, dass das Isolationsmaterial 10 von der Reaktorstruktur 8 beseitigt werden kann, so dass die Wärme des Ofens in dem Wärmeaustauschverfahren benutzt werden kann.
Fig. 5 zeigt die Eigenschaften, die bei sehr hohen Raumgeschwindigkeiten von 28.317 Standard-m³/h (1.000 000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator oder höher erhältlich sind. Es finden keine reformierenden Reaktionen statt.
Die in Fig. 5 dargestellten Daten wurden in einer weiteren Ausführungsform erhalten, in der ein vernetzter Aluminiumoxidschaum mit etwa 80 Poren pro inch mit 10 Gew.-% Rhodium beladen wurde. Der Monolith wies einen Durchmesser von 1,590 cm (5/8 inch) und eine Länge von 1,27 cm (1/2 inch) auf. Der Katalysator wurde zwischen zwei Cordieritstücke mit offenem Kanal montiert und in einem Rohrofen erwärmt. Gemische von Methan/Luft, Methan/33% O&sub2; in N&sub2;, Methan/O&sub2; und Propan/Luft mit verschiedenen O&sub2;/Kohlenwasserstoff-Stöchiometrien wurden über den Katalysator geleitet. Die Austrittsgase wurden abgeschreckt und hinsichtlich H&sub2;, H&sub2;O, CO, CO&sub2; und CH&sub4; analysiert. Die Ergebnisse sind in Fig. 5 zusammengefasst. Es ist ersichtlich, dass für jedes verwendete Oxidationsmittel ein optimales O&sub2;/CH&sub4;-Verhältnis in dem Gemisch vorliegt, welches das höchste CO/CO&sub2;- und H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis bewerkstelligt. Die konstanten Temperaturlinien geben diejenigen Temperaturen an, bei welchen sich die beobachteten Verhältnisse im Gleichgewicht befänden. Es versteht sich, dass diese Verhältnisse weit außerhalb des Gleichgewichts liegen, da die adiabatischen Temperaturen in dem Katalysator in Abhängigkeit von der Zusammensetzung und der Menge an Vorwärme in dem Bereich von 600º bis 900ºC liegen. Wenn diese Austrittsgasmischungen z. B. in einen Stahlglühofen injiziert werden, wurde die Wasserverdrängungsreaktion die Verhältnisse entlang einer konstanten O&sub2;/CH&sub4;-Linie verändern und die Gleichgewichtszusammensetzung bei der Ofentemperatur erreichen. Es ist ersichtlich, dass optimale Gemische für die Rh/Luft (25ºC), Rh/O&sub2; (25ºC), Rh/O&sub2; (300ºC) und Pt/O&sub2; (25ºC) alle zu Ofenzusammensetzungen führen, die stahlreduzierend sind und somit ein blankes Produkt bewirken. Die Pt/Luft (25ºC) wäre jedoch stahloxidierend, da die H&sub2;-Selektivität in dem direkten Oxidationsschritt nicht hoch genug ist. Wie anhand der nachfolgenden Beispiele gezeigt ermöglicht ein Absenken der Raumgeschwindigkeit das Auftreten der H&sub2;O-Reformierungsreaktion und es können befriedigende Atmosphärenzusammensetzungen mit nicht vorgewärmten Pt/Luft-Gemischen bei diesen niedrigeren Raumgeschwindigkeiten erhalten werden.
In dem obigen Beispiel wurde gezeigt, dass bei dem Methan/Luft-Gemisch auf einem Pt-Katalysator ohne Vorwärme, die direkte Oxidationsreaktion zu adäquaten CO/CO&sub2;-Verhältnissen führen kann, aber das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis beträgt weniger als 1. In der zweiten Ausführungsform ist gezeigt, dass durch ein Absenken der Raumgeschwindigkeiten ein H&sub2;O-Reformieren auftritt und zufrieden stellende H&sub2;/H&sub2;O- Verhältnisse erhalten werden. Die Raumgeschwindigkeiten liegen immer noch um 5 bis 10-Fach höher als bei Endogeneratoren gemäß des Stands der Technik. Ebenfalls wird der Effekt des Vorwärmens des Reaktionsgemisches dargestellt werden.
Ein Platinkatalysator auf Aluminiumoxidträger gemäß einer zweiten Ausführungsform mit 0,5 Gew.-% Pt- Beladung wurde in der Form von 0,32 cm · 0,32 cm (1/8 inch · 1/8 inch) zylindrischen Pellets verwendet. Näherungsweise 140 g dieses Katalysators wurde in eine Röhre (annähernder Durchmesser 3,8 cm (1,5 inch)) innerhalb eines Ofens angeordnet. Ein Luft/Methan-Gemisch mit einem Verhältnis von etwa 2,38 wurde über den Katalysator mit einer Raumgeschwindigkeit von etwa 453,1 Standard-m³/h (16.000 Standardkubikfuß pro Stunde (SCFH)) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator geströmt. Die Eingangsgastemperatur betrug 24ºC (keine Vorwärme), die Ofentemperatur 760ºC. Die Austrittsgase von dem Katalysatorbett wurden abgeschreckt und unter Verwendung eines Gaschromatographen analysiert. Das CO/CO&sub2;-Verhältnis betrug etwa 12 und das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis etwa 11.
In einem weiteren Test wurde ein Luft/Methan-Gemisch mit einem Verhältnis von etwa 2,38 über den Katalysator mit einer Raumgeschwindigkeit von etwa 453,1 Standard-m³/h (16.000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator geströmt. Das Eingangsgas wurde auf 252ºC vorgewärmt, die Ofentemperatur betrug 760ºC. Die Austrittsgastemperatur lag bei 775ºC. Die Austrittsgase von dem Katalysatorbett wurden abgeschreckt und unter Verwendung eines Gaschromatographen analysiert. Das CO/CO&sub2;-Verhältnis betrug etwa 18 und das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis etwa 14.
In einem weiteren Test wurde ein Luft/Methan-Gemisch mit einem Verhältnis von etwa 2,38 über den Katalysator mit einer Raumgeschwindigkeit von etwa 453,1 Standard-m³/h (16000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator geströmt. Das Eingangsgas wurde auf 505ºC vorgewärmt, die Ofentemperatur betrug 760ºC. Die Austrittsgastemperatur lag bei 825ºC. Die Austrittsgase von dem Katalysatorbett wurden abgeschreckt und unter Verwendung eines Gaschromatographen analysiert. Das CO/CO&sub2;-Verhältnis betrug etwa 24 und das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis etwa 16.
In einem weiteren Test wurde ein Luft/Methan-Gemisch mit einem Verhältnis von etwa 2,38 über den Katalysator mit einer Raumgeschwindigkeit von etwa 453,1 Standard-m³/h (16000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator geströmt. Das Eingangsgas wurde auf 654ºC vorgewärmt, die Ofentemperatur betrug 870ºC. Die Austrittsgastemperatur lag bei 794ºC. Die Austrittsgase von dem Katalysatorbett wurden abgeschreckt und unter Verwendung eines Gaschromatographen analysiert. Das CO/CO&sub2;-Verhältnis betrug etwa 80 und das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis was etwa 41.
Aus diesen Beispielen wird ersichtlich, dass hohe Verhältnisse mit Methan/Luft-Gemischen über Pt- Katalysatoren bei Raumgeschwindigkeiten von 453,1 Standard-m³/h (16.000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator erhalten werden können. Das Vorwärmen der Eingangsgase erhöht die Verhältnisse. Anhand der beobachteten Austrittsgastemperaturen wird deutlich, dass die Eingangsgase unter Verwendung von Standard-Gas-zu-Gas Wärmetauschern vorgewärmt werden können. Kein externer Wärmeeingang ist erforderlich.
In der vorliegenden Erfindung kann sowohl Propan wie Methan als das Kohlenwasserstoffgas benutzt werden.
Somit wurde in einer Propan-Ausführungsform ein Platinkatalysator auf Aluminiumoxidträger mit 1 Gew.-% Pt-Beladung in der Form von sphärischen Pellets mit einem Durchmesser von 0,32 cm (1/8 inch) verwendet. Ein Luft/Propan-Gemisch mit einem Verhältnis von etwa 7,11 wurde über den Katalysator mit einer Raumgeschwindigkeit von 453,1 Standard-m³/h (100.000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator geströmt. Die Eingangsgastemperatur betrug 81ºC; die Ofentemperatur 870ºC. Die Austrittsgase von dem Katalysatorbett wurden abgeschreckt und unter Verwendung eines Gaschromatographen analysiert. Das CO/CO&sub2;-Verhälrnis betrug etwa 31 und das H&sub2;O-Verhältnis etwa 27.
Ebenfalls kann ein O&sub2;% in Oxidationsmittel < 21% (Luft) verwendet werden.
Daher wurde in noch einer weiteren Ausführungsform ein Platinkatalysator auf Aluminiumoxidträger mit 1 Gew.-% Pt-Beladung in der Form von sphärischen Pellets mit einem Durchmesser von 0,32 cm (1/8 inch) benutzt. Das Oxidationsmittel war ein N&sub2;/O&sub2;-Gemisch mit 12% O&sub2;. Ein Oxidationsmittel/Methan-Gemisch mit einem Verhältnis von etwa 16,7 wurde über den Katalysator mit einer Raumgeschwindigkeit von 1416 Standard-m³/h (50.000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator geströmt. Das Eingangsgas wurde auf 335ºC vorgewärmt; die Ofentemperatur betrug 870ºC. Die Austrittsgase von dem Katalysatorbett wurden abgeschreckt und unter Verwendung eines Gaschromatographen analysiert. Das CO/CO&sub2;-Verhältnis betrug etwa 10 und das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis etwa 8.
In der dritten Ausführungsform wurde ein Platinkatalysator auf Aluminiumoxidträger mit 0,5 Gew.-% Pt- Beladung in der Form von 0,32 cm · 0,32 cm (1/8 inch · 1/8 inch) zylindrischen Pellets verwendet. Annähernd 16 lbs dieses Katalysators wurde in 2 identischen Behältern, die jeweils einen Durchmesser von näherungsweise 14,0 cm (5,5 inch) und eine Länge von etwa 76,2 cm (30 inch) aufwiesen, innerhalb eines Industriestoßofens angeordnet. Ein Injektor ist ausführlich in Fig. 4 dargestellt. Insgesamt 26,5 Standard-m³/h (935 SCFH) Erdgas und 63,0 Standard-m³/h (2225 SCFH) Luft wurden in einer Brennstoff/Luft-Mischmaschine vermischt und über die Katalysatorbetten geströmt, wobei eine Raumgeschwindigkeit von etwa 453,1 Standard-m³/h (16.000 Standardkubikfuß pro Stunde) von Ausgangsgas pro Kubikfuß von verwendetem Katalysator benutzt wurde. Die Ofentemperatur betrug 732ºC. Etwa 133 Standard-m³/h (4700 SCFH) an reagiertem Gas wurden von den Injektoren erzeugt. Das an dem Injektorausgang in dem Ofen gemessene CO/CO&sub2;-Verhältnis betrug etwa 8 und das H&sub2;/H&sub2;O-Verhältnis lag bei etwa 16. Ebenfalls wurden 186,9 Standard-m³/h (6.600 SCFH) N&sub2; mit etwa 0,8% Sauerstoff aus einer Membraneinheit injiziert. Etwa 4,2 Standard-m³/h (150 SCFH) Propan wurden als ein Anreicherungsgas zugefügt. Die Analyse der Ofenzusammensetzung wies 8% CO, 0,9% CO&sub2;, 15% H&sub2; und 0,8% H&sub2;O auf. Diese Atmosphäre ermöglichte das dekarburierungsfreie Glühen einer Vielzahl von Stählen mit geringem und mittlerem Kohlenstoffgehalt.
Die Fig. 6 und 7 illustrieren die Betriebsdomäne für den endothermen Reaktor der vorliegenden Erfindung. Sein wesentliches Merkmal besteht darin, dass der O&sub2;-Gehalt in dem Gemisch genügend hoch ausfällt (> 5%) und dass sich ausreichend CO&sub2; und H&sub2;O ausbilden kann, um die adiabatische Reaktortemperatur auf die Betriebstemperatur von Edelmetallkatalysatoren zu bringen. Eine moderate Menge an Vorwärme kann zugeführt werden, wenn höhere Verhältnisse erwünscht sind.
Die Fig. 8-12 stellen Ausführungsformen von Reaktoren gemäß der Erfindung dar.
In Fig. 8 wurde ein Platinkatalysator auf Aluminiumoxidträger in einem Behälter angeordnet, um ein Katalysatorbett 26 auszubilden. Die Außenseite des Katalysatorbetts ist mit einer Isolierung 28 umgeben und eine poröse Keramikscheibe 30 wird an der Oberseite vorgesehen, um den Wärmeverlust von der Oberseite des Betts abzusenken. Zusätzlich zu der Minimierung von Wärmeverlusten von der Oberseite des Betts dient die poröse Keramikscheibe 30 ebenfalls als Stabilisierung des Betts. Das Gewicht des Monoliths drückt auf die Katalysatoren herunter (der typischerweise in der Form von Kügelchen vorliegen) und verhindert ihre Relativbewegung zueinander, wenn die Reaktionspartner durch das Bett strömen. Es hat sich gezeigt, dass ohne diese Belastungsart des Katalysatorbetts der Katalysator einem Abrieb ausgesetzt ist.
Röhren 32 werden mit dem Boden des zylindrischen Behälters verbunden, um den Strom des heißen Produktendogases bei seinem Austritt aus dem Katalysatorbett auszurichten. Die Röhren weisen ihren Längen entlang installierte alternierende segmentierte Leitwände 34 auf, um die Strömung von Einsatzgas um sie herum zu ermöglichen.
Die Röhren und das Katalysatorbett sind durch einen zylindrischen Behälter 24 mit einer Öffnung 36 zum Einspeisen des Luft/Brennstoff-Gemisches umgeben. Die unteren Enden der Röhren sind in einem ringförmigen Rohrmantel eingeschlossen. Der Außendurchmesser des Rohrmantels ist gegen den Innendurchmesser des zylindrischen Behälters abgedichtet. Dies bildet einen Durchlass, der das Luft/Brennstoff-Gemisch um die Außenseite der Gasröhren 32 in einem Gegenstrom-/Querström-Muster führt (wie in Fig. 9 dargestellt). Auf diese Weise wird das die Röhren 32 durchlaufende heiße Reaktionsproduktgas mittels Wärmeaustausch durch das Durchleiten des Luft/Brennstoff-Gemisches um die Außenseite der Röhren 32 entsprechend der Führung durch die Leitwände 34 und wie durch die Pfeile dargestellt abgekühlt.
Fig. 9 stellt eine Ansicht des Reaktors entlang der Linie A-A dar. Produktgas strömt durch die Röhren 32. Die Pfeile geben die Richtung der Wärmeaustauschströmung des Einsatzgases um die Röhren 32 herum an. Diese Figur trifft auf den in den Fig. 8 und 10-12 dargestellten Reaktor zu.
Der Wärmetauscher in der Fig. 8 weist die kühleren Reaktionspartner auf, die an der Ummantelungsseite des Mantel- und Röhren-Wärmetauschers entlang strömen. In einer alternativen, jedoch weniger bevorzugten Ausführungsform strömt das Endogas an der Ummantelungsseite wie in Fig. 3. Obgleich sich jeder Ansatz als funktional erweist, ermöglicht der Entwurf von Fig. 8 die Verwendung von weniger teuren Materialien an der Ummantelungsseite des Wärmetauschers. Gleichfalls ordnet er das Katalysatorbett an der Oberseite des Reaktors an, wo es während Katalysatorauswechslungen einfach erreicht werden kann. Der Reaktorentwurf von Fig. 3, in dem das Endogas an der Ummantelungsseite strömt, erfordert es, dass das Katalysatorbett zusammen mit dem Röhrenbündel entfernt wird. Und schließlich stammt das größte Potential für Verschmutzungen in dem Wärmetauscher von dem Endogas, das möglicherweise in dem Wärmetauscher rußen könnte. Dadurch dass das Endogas durch die Röhrenseite geführt, würde jegliches Rußen an dem Innendurchmesser der Röhren auftreten. Das Innere der Röhren könnte unter Verwendung konventioneller Techniken einfach gereinigt werden.
In Fig. 8 ist eine Umgehungsleitung 40 an dem Wärmetauscher dargestellt. Diese Leitung ermöglicht ein Abzweigen eines Teils des Luft/Brennstoff-Gemisches weg von dem Wärmetauscher und hinauf zu der Oberseite des Reaktors, wo es nachfolgend mit dem Hauptstrom des den Wärmetauscher durchlaufenden Gases vermischt wird. Der Nutzeffekt eines Öffnens dieses Ventils besteht in einer Reduzierung der Vorwärme für die eintretenden Reaktionspartner. Dies kann besonders dann wichtig sein, wenn der für die Reaktion verwendete Kohlenwasserstoff reaktiver als Methan (z. B. Propan) ist. Propan kann vor dem Katalysatorbett reagieren, wenn die Vorwärme über 250ºC ansteigt. Ein Umgehungsventil dieses Typs könnte zum Begrenzen der Vorwärme benutzt werden. Dies reduziert den Bedarf nach Reaktoren, die für jede unterschiedliche Brennstoffquelle individuell angefertigt werden müssen.
Der gesamte Reaktor kann zur Minimierung von Wärmeverlusten mit einer Isolierungsschicht abgedeckt werden. Das Produktendogas strömt über einen Auslass 38 aus dem Reaktor heraus.
Aufgrund des neuen Entwurfs dieses Reaktors muss nur ein Teil des Katalysators 26 während eines Kaltstarts erwärmt werden. Das örtlich begrenzte Erwärmen des Katalysators 26 kann mit einem Element 42 bewerkstelligt werden. Dieses Heizelement kann jede Quelle von lokaler Wärme einschließlich eines elektrischen Widerstandselements oder eines kleinen Brenners sein, ohne sich jedoch darauf zu begrenzen. Diese Energiequelle ist bei sämtlichen Wärmebehandlungseinrichtungen verfügbar. Das Element 42 (in den Fig. 10-12 als 42', 42" und 42''' bezeichnet) kann zur Erwärmung eines Stickstoffstroms verwendet werden, der wiederum einen kleinen Teil des Katalysators wie in dem nachstehend angeführten Beispiel erwärmt. Dieser Ansatz trägt zum Spülen von Verbrennungsmaterialen aus dem Bett bei und bewerkstelligt ein verringertes Sicherheitsrisiko. In einer alternativen Ausführungsform (anwendbar auf die Fig. 8 und 10-12) kann ein ummanteltes Heizelement zum Erwärmen des Katalysators mittels Direktkontakt benutzt werden. Dieses kann auch zusammen mit einer externen Spülung angewendet werden.
Der Umstand, dass nur ein örtlich begrenzter Teil des Katalysators während der Startphase erwärmt werden muss, ist überraschend und bietet einen signifikanten kommerziellen Vorteil gegenüber anderen Systemen. Im einzelnen beträgt die zum Starten des Systems notwendige Menge an Energie etwa 5,3 kJ (5 BTU) und vorzugsweise etwa 10,5 kJ (10 BTU). Im Vergleich dazu beträgt die zum Erwärmen des gesamten Katalysatorbetts erforderliche Energie etwa 1794 kJ (1700 BTU). Dieser Vorteil trifft ebenfalls für den zum Starten des Reaktors erforderlichen Zeitraum zu. Die in den Fig. 8-12 illustrierte Ausführungsform benötigt nur etwa 15 min gegenüber etwa 120 min für ein System, in dem das gesamte Katalysatorbett erwärmt wird.
In einem Beispiel wurde unter Verwendung des anhand der Fig. 8 beschriebenen Reaktors ein Platinkatalysator auf Aluminiumoxidträger mit einer 1,0 Gew.-%-Beladung in der Form von Pellets mit einem Durchmesser von 0,32 cm (1/8 inch) benutzt. Annähernd 2 kg (4,5 lbs) dieses Katalysators wurde in einem zylindrischen Behälter mit einem Innendurchmesser von näherungsweise 24,1 cm (9,5 inch) angeordnet. Es wurden 30 Röhren mit einem Außendurchmesser von 2,13 cm (0,84 inch), einer Wandstärke von 0,28 cm (0,109 inch) und einer Länge von 1,37 m (4,5 Fuß) verwendet. Ein Luft/CH&sub4;-Gemisch wurde bei einem Verhältnis von 2,4/l in den Reaktor eingespeist. Das lokale Erwärmen in dem Reaktor wird mit einem elektrischen Element bewerkstelligt.
Annähernd 4,25 Standard-m³/h (150 scfh) Stickstoff wurden durch das elektrische Element geführt und erwärmt, um den oberen Zentralbereich des Katalysatorbetts auf etwa 500ºC (932ºF) zu erwärmen. Beginnend mit einer gleichförmigen Katalysatortemperatur von 7,2ºC (45ºF) wurde die Reaktion 19 min nach Anschalten des Heizgeräts ausgelöst.
Insgesamt 65,9 Standard-m³/h (2.328 scfh) Erdgas und 156,6 Standard-m³/h (5.532 scfh) Luft wurden in einer Luft/Brennstoff-Mischmaschine vermischt und durch den Wärmetauscher und über das Katalysatorbett unter Verwendung einer Raumgeschwindigkeit von etwa 83.200 pro Stunde geleitet. Etwa 329,9 Standard-m³/h (11.650 scfh) reagiertes Gas wurden von diesem Reaktor erzeugt. Die Tabelle 1 zeigt die Betriebstemperaturen und die Zusammensetzung des Produktendogases. Die Bezüge auf T1-T4 sind in Fig. 8 angegeben. Tabelle 1
Für anhand der Fig. 8 beschriebene Nicht-vor-Ort-Anwendungen wird der Reaktor mit einer Isolierungsschicht umgeben, um den Wärmeverlust zu minimieren. Für Vor-Ort-Anwendungen minimiert der Hochtemperaturofen die Wärmeverluste, so dass keine Isolierung verwendet werden würde. Für Vor-Ort- Anwendungen kann die Ofenwärme anstatt des separaten Heizelements zur Auslösung der Reaktion benutzt werden. Das Heizelement kann zum Erwärmen eines Gasstroms verwendet werden, der wiederum und wie in der obigen Ausführungsform beschrieben den Katalysator erwärmen würde, oder es kann ein ummanteltes Element ohne Gasströmung sein. Die heiße Oberfläche des Elements würde den benachbarten Katalysator mittels Direktkontakt erwärmen. Der Reaktor kann wie in Fig. 8 dargestellt vertikal ausgerichtet oder wie in den Fig. 11 und 12 dargestellt horizontal angeordnet werden, was nachstehend erläutert werden wird.
Das Produktgas kann in die Auslassröhren, die den Auslass 38 des Reaktors mit einem Metallbehandlungsofen verbinden, hineinrußen, wenn es nicht schnell auf unter 316ºC (600ºF) gebracht wird. Die Rußbildung stellt kein Problem dar, wenn der Reaktor in der Nähe des Ofens oder in ihm angeordnet wird. Ein luft- oder wassergekühlter Wärmetauscher kann dort benutzt werden, wo das Gas über lange Abstände hinweg durch Rohre geführt werden muss oder wo ein Wunsch nach einer Messung des Austrittsgasstroms mit konventionellen Rotometern besteht.
Gemäß der Erfindung ist diese Abschreckausrüstung wegen der niedrigeren Austrittsgastemperaturen kleiner als diejenige für einen typischen Endogenerator. Viele Anwendungen erfordern es, dass das Gas weiter mit Stickstoff verdünnt werden muss. Ein Vermischen des Endogases mit einem Volumen von 25% oder mehr Stickstoff wird die Rußbildungsreaktion anhalten.
In dem Katalysatorbettentwurf wurde der Schwerpunkt darauf gelegt, die von der Verbrennungsreaktion resultierende Wärme zu konservieren und diese Wärme zum Antreiben der Dampfreformierreaktion zu verwenden. Die oben erwähnte Isolierung 28 an der Oberseite und den Seiten des Katalysatorbetts trägt dazu bei, dieses Ziel zu verwirklichen.
Fig. 10 illustriert eine Radialbettentwurfsalternative zu dem in Fig. 8 dargestellten Reaktor, bei der das Einsatzgas radial (z. B. durch einen Einsatzeinlass in dem Bettzentrum) über den Radius des Katalysatorbetts 50 strömt. Eine Isolierung 52 reduziert den Wärmeverlust und der Druck wird der Oberseite des Betts in der Form von Gewichten 54 zugeführt, um das Bett eng gepackt zu halten und dem Katalysatorabrieb entgegenzuwirken. Sämtliche andere Merkmale des Betts sind im wesentlichen die gleichen.
Die Fig. 11 und 12 illustrieren alternative Ausführungsformen des Reaktors von Fig. 8. In diesen Ausführungsformen ist der Wärmetauscherbereich des Reaktors horizontal angeordnet, während die Strömung des Einsatzes über den Katalysator vertikal verläuft. Die Pfeile geben die Strömungsrichtung des Einsatzgases zu dem Katalysatorbett 26' (Fig. 11) und 26" (Fig. 12) an. Diese Figuren stellen denjenigen Bereich des Reaktors dar, der sich von dem Bereich in Fig. 8 unterscheidet. Der nicht gezeigte Bereich des Reaktors ist im wesentlichen der gleiche wie der Bereich in Fig. 8 (mit der Ausnahme, dass er horizontal ausgerichtet ist). Indem das Katalysatorbett 26' (26") vertikal gehalten wird, wird seine strukturelle Stabilität beibehalten und es kann einfacher entfernt werden, wenn eine derartige Entfernung notwendig wird. Natürlich ist auch berücksichtigt, dass die Strömung der Gase der Reaktionspartner über den Katalysator in einer radialen Richtung wie in Fig. 10 verlaufen kann (wobei das Katalysatorbett einen zu dem in dieser Figur ähnlichen Entwurf aufweisen kann).
Die hohen Betriebstemperaturen an den anfänglichen Katalysatorlagen können ein vorzeitiges Versagen des konventionellen Katalysators bewirken, da der Katalysatorträger sintern kann, wodurch die effektive Oberfläche des Katalysators reduziert wird. Zur Minimierung dieses Problems können Kombinationen von bei hohen Temperaturen stabilen Katalysatorträgern mit dem Katalysator kombiniert werden.
Ein Beispiel eines bei einer hohen Temperatur stabilen Katalysators ist ein auf einem Aluminiumoxid- Monolith abgeschiedenes Pt. Die Hochtemperatur-Verbrennungsreaktionen würde auf dem Monolith stattfinden, während der Katalysator mit hoher Oberfläche für die Wasserverdrängungsreaktion und zur Erzielung des Dampfreformiergleichgewichts verwendet werden würde. Eine Ausführungsform dieses Entwurfs bestünde darin, den keramischen Isolator an der Oberseite des Betts mit einem Edelmetall zu beladen. Eine weitere Ausführungsform könnte darin bestehen, den Monolith mit konventionellem Katalysator zu umgeben. Das Oxidationsmittel/Brennstoff wird zuerst über den Monolith geführt und anschließend über den umgebenden Katalysator geleitet. Der Gasstrom, wo sich die Verbrennungsreaktion vollzieht, ist im Gegenstrom zu dem Gasstrom, wo ein Dampfreformieren auftritt. Dies erfolgt, um den vollständigen Vorteil der durch die Verbrennungsreaktion erzeugten Wärme zum Antreiben der Reformierreaktion und zur Minimierung der Spitzentemperaturen an dem Katalysator zu verwenden.
Die Reaktoren der Fig. 8-12 bieten verschiedene Vorteile, selbst gegenüber dem Reaktor von Fig. 3. Im einzelnen ist ermittelt worden, dass der Abstand zwischen dem Katalysator und dem Wärmetauscher für die Erfindung gemäß den Fig. 8-12 kritisch ist. Insbesondere ist festgestellt worden, dass die Reaktionspartner, die in dem Wärmetauscher vorgewärmt worden sind, weniger als 1 s, vorzugsweise weniger als 500 Millisekunden und noch bevorzugter weniger als 75 Millisekunden zwischen dem Zeitpunkt ihres Austritts aus dem Tauscher und demjenigen Zeitpunkt benötigen sollten, an dem sie mit dem Katalysator in Kontakt treten. Dieses Timing ist insofern wichtig, als dass es nicht nur den Wärmeverlust während der Durchleitung von dem Tauscher zu dem Katalysator minimiert, sondern dass es auch kurz genug ausfällt, um eine vorzeitige Reaktion der Reaktionspartner vor ihrem Kontakt mit dem Katalysator zu verhindern.
Der praktische Vorteil dieses Umstands besteht darin, dass das System dieser Ausführungsform ein Verändern der Strömung von Reaktionspartnern um einen Faktor von mindestens 6 und sogar bis zu 10 ermöglicht, ohne die Effizienz des Systems und die Qualität des erzeugten Endogases zu beeinflussen. Im Vergleich dazu erlaubt das System von Fig. 3 eine maximale Strömungsreduzierung von etwa 4.
Ein weiterer Vorteil des Reaktors der Fig. 8-12 besteht darin, dass der Ausgang dieses endothermen Reaktors vorteilhaft mit kostengünstigem Stickstoff aus einer nicht kryogenen Quelle vermischt werden kann, um für die Wärmebehandlung geeignete Atmosphären zu erhalten.

Claims

1. Reaktorvorrichtung für die endotherme Erzeugung von Kohlenmonoxid- und Wasserstoffatmosphären für die Wärmebehandlung von eisenhaltigen Metallen, Nichteisenmetallen, Legierungen und Metall- und/oder Keramikpulvern, versehen mit:

einem äußeren Behälter (24) mit zylindrischem Querschnitt und einer Öffnung (36) zum Einbringen eines Einsatzgemisches nahe einem ersten Ende des äußeren Behälters;

einem Katalysatorbehälter, der innerhalb des zylindrischen äußeren Behälters (24) benachbart einem zweiten Ende davon angeordnet ist;

einem Edelmetall-Katalysator, der von einer porösen keramischen Trägeranordnung getragen wird, die innerhalb des Katalysatorbehälters angeordnet ist, um ein Katalysatorbett (26, 26',26") zu bilden, wobei der Katalysator ausgewählt ist aus den Metallen der Platingruppe: Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium, Osmium, Iridium und deren Gemischen;

einer Wärmequelle (42) zum Erwärmen eines Teils des Katalysatorbettes (26, 26' 26");

einer Mehrzahl von Röhren (32), deren eines Ende jeweils mit dem unteren Teil des Katalysatorbehälters verbunden ist und deren entgegengesetztes Ende jeweils mit einem Reaktorauslass (38) kommuniziert und in einem kreisförmigen Rohrmantel eingeschlossen ist, wobei der Außendurchmesser des Rohrmantels gegenüber dem Innendurchmesser des äußeren Behälters (24) abgedichtet ist;

einer Mehrzahl von alternierenden segmentierten Leitwänden (34), die innerhalb des äußeren Behälters (24) entlang der Länge der Röhren (32) angeordnet sind;

wobei das Einsatzgemisch, welches in den äußeren Behälter nahe dem ersten Ende des äußeren Behälters eintritt, um die Außenseite der Röhren in einem Gegenstrom-/Querstrom-Muster zu dem zweiten Ende des äußeren Behälters, durch das Katalysatorbett, durch die Röhren und durch den Reaktorauslass geleitet wird.

2. Reaktorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Katalysatorbett (26, 26', 26") von einer Isolierung (28) umgeben ist.

3. Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher eine poröse Keramikscheibe (30) auf der Oberseite des Katalysatorbetts (26, 26', 26") angeordnet ist.

4. Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die poröse keramische Trägeranordnung aus einem keramischen Werkstoff besteht, der aus der aus Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Zirkonoxid, Titanoxid und Magnesiumoxid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Katalysator aus der aus Rhodium, Platin, Ruthenium, Palladium, Osmium und Iridium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Reaktorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die poröse keramische Trägeranordnung ein vernetzter Aluminiumoxidschaum mit Poren darin ist, wobei der Katalysator Platin ist, welches mit der Aluminiumoxidschaumträgeranordnung kombiniert ist.

7. Reaktorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Wärmequelle (42) ein ummanteltes Heizelement ist, um den Katalysator mittels Direktkontakt zu erwärmen.

8. Reaktorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Wärmequelle (42) ein Heizelement zum Erwärmen eines Stickstoffstroms ist, der zu dem Katalysatorbett geleitet wird.