[发明专利]形成热处理气氛的方法和设备

说明书

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。

本发明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。

本发明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。

按照本发明，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。本发明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。

在本发明的一种优选方案中，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发明的实施方案，而不是用来限制本发明，本发明由作为本申请部分内容的权利要求限定。

图1是本发明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是本发明的一种具体反应器的示意图;

图3是本发明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、本发明另一实施方案的示意图;

图5是与图3相似的本发明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>（Samuel    Bradbury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。