Способ получения контролируемой атмосферы

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 1965991(22) Заявлено 02,06.80 (21) 2956259/23-26 51 М.Кл з с присоединением заявки Йо(23) Приоритет С 01 В 3/32 УС 21 Р 1/74 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийОпубликовано 151032 Бюллетень М 938 Дата опубликования описания 15.10.82 53) УДК 661. 961.(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОНТРОЛИРУЕМОИ АТМОСФЕРЕ Изобретение относится к химичес. кой технологии, в основном к способам получения восстановительных атмосфер, используемых в металлургии и машиностроении при термической обработке металлов,Известен способ получения контролируемой атмосферы путем неполного сжигания металла в воздухе при коэффициенте расхода воздуха меньше единицы 1. Недостатком известного способа является высокое остаточное содержание двуокиси углерода и воды .в готовой атмосфере.Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ получения контролируемой атмосферы, включающий неполное сжигание углеводородов с коэффициентом расхода воздуха 0,5-0,98, каталитическую очистку продуктов сжигания от кислорода и охлаждение полученной атмосферы до 20-30 С )21.Недостатком этого способа является повышенное содержание двуокиси углерода (до 12 об.%) и воды до влагосодержания, соответствующего точке росы при 20-30 С, что существенноо ухудшает качество контролируемой атмосферы.Цель изобретения - снижение остаточного содержания двуокиси углерода и воды в готовой атмосфере.Поставленная цель достигается согласно способу получения контролируемой атмосферы включающему неполноесжигание углеводородов с коэффициентом расхода воздуха 0,5-0,95, каталитическую очистку продуктов сжиганияот кислорода и охлаждение полученнойатмосферы до 20-30 С, процесс сжигаония ведут при коэффициенте расходавоздуха 0,25-0,5 и продукты сжигания,подвергают предварительному охлаждению, после чего часть их смешиваютс азотом, содержащим до 1 об, кислорода, направляют полученную смесьна каталитическую очистку от кислорода, а затем их смешивают с оставшейся частью продуктов сгорания иполученную смесь направляют на стадиюохлаждения.25 Кроме того, отношение объема продуктов сгорания к объему азота .составляет (1:1) в (1:20),При этом предварительное охлаждение продуктов сгорания осуществля ют до 100-900 С.Предлагаемый способ позволяетснизить содержание двуокиси углеродав готовой атмосфере до. О005-3 0т.е.в 1000 раз и содержание влаги с 19-35до 0,3 г/м 3, т.е. в 100 раз.П д и м е р 1. Требуется получить 5100 м/ч контролируемой атмосферы,содержащей, : СО 10; Н20, М остальное Содержание примесей не должно превьааатъ,: СНц 0,2; СОя. 0,1, асодержание влаги должно соответст-10вовать точке росы при температуре невыше -5 С. Исходное сырье природныйгаз, содержащий, : СН 4 92,3;СНб 0,7, СН 8 0,5, С 4 Нлп 0,5;СбНл О 2; М 5 3, НО О 5. 59,8 м/ч природного газа под давлением 300 мм вод.ст. поступают в га-.,зодувку, куда одновременно засасывается 23,5 м/ч атмосферного воздуха.Образовавшаяся смесь нагнетается поддавлением 700 мм вод.ст. в обогрева"емый слой катализатора, в присутствии которого при 1050 С происходитее сгорание (конверсия природного газа с кислородом воздуха) с коэффициентом расхода воздуха.0,25, Образовавшиеся 50 м 3/ч продуктов сгораниясодержат, : СО 20; Н 2 40, СО 0,1;СН 4 0,2; Н 10 0,6; М остальное. Притемпературе 1050 фС и давлении 200 ммвод.ст. они поступают на охлаждениедо 300 С, Часть охлажденных продуктовсгорания в количестве 25 м/ч смешивают с 50 м/ч азота, который получают путем разделения воздуха. Азотсодержит 0,02 О. Образовавшуюся 35смесь при 100 ОС направляют на каталитическую очистку от кислорода вслой палладиевого катализатора. Выходящую из слоя катализатора и очищенную от кислорода смесь смешивают 40с остальными 25 м/ч охлажденнымипродуктами сгорания, после. чего новую смесь окончательно охлаждаютводой до 20 С. Температуру в слоекатализатора регулируют изменением 45расхода двух охлажденных до 300 Спотоков продуктов сгорания по импульсу, поступающему от термопары, размещенной в слое катализатора. Такимобразом, на выходе из охладителя получают 100 м /ч контролируемой атмосЪферы, содержащей, : СО 10; Н 20;М остальное. При этом количествопримесей составляет, г СО 0,05;СН 4 0,1; Н О 0,3 (точка росы -8 С).Полученная атмосфера близка по своему составу контролируемой атмосферебогатого экзогаза, очищенного от СОи НО,Для приготовления экзотермическойконтролируемой атмосферы такого же 60состава расходуется 17 м/ч поиоодного газа, а в данном поимеое расходуется 9,8 м /ч природного газа. Таким5образом, расход дефицитного углеводородного газа сокращается в 1,7 раза. Экзотермическая контролируемая атмос фера, содержащая 10 СО и не прошедшая специальной очистки, содержит,: СО 5 и Н О 3 (точка росы +25 С) а в данном примере в готовой контролируемой атмосфере содержится, : СО 0,05 и НО 0,3 (точка росы -8 С), Таким образом, качество готовой атмосферы улучшено по содержанию СО в 100 раз, а по содержанию влаги - в 10 разП р и м е р 2. Требуется получить 100 м /ч контролируемой атмосФеры, содержащей, : СО 4; Н 8;Мостальное. Содержание примесей не должно превышать, : С 02 0,1; СН 4 0,05; Н О 0,007 (точка росы -45 С). Исходное сырье природный газ (состав приведен в примере 1).3,8 м/ч природного газа под дав.- лением 200 мм вод.ст. поступают в гаэодувку вместе с 10 м/ч воздуха. Образовавшуются смесь под давлением 1000 мм вод.ст. нагнетают в нагретый до 1070 С слой катализатора, в присутствии которого протекает реакция конверсии углеводородного газа кислородом воздуха. Коэффициент расхода воздуха 0,27. Образовавшиеся 20 м 3/ч продуктов сгорания (конверсии) содержат, : СО 20, Н, 40; СО 0,3;СН, 0,2, НО 1, М остальйсе. С температурой 1070 ОС и давлением 300 мм вод,ст. их подают на охлаждение до 600 ОС. 16 м/ч охлажденныхпродуктов сгорания смешивают с 80 м /ч азота, полученногоЪразделением воздуха, Азот содержито 0,1 О, Полученную смесь при 110 С направляют в слой палладиевого катализатора для очистки от кислорода. В очищенную смесь добавляют оставшиеся 4 м/ч продуктов сгорания, после че го смесь поступает на окончательное охлаждение до 30 С. Регулируют температуру катализатора изменением соотношения двух расходов охлажденных до 600 ОС продуктов сгорания. Уменьшая расход основного потока (16 м/ч), понижают температуру слоя катализатора, а увеличивая этот расход - повышают температуру катализатора.Охлажденную до 30 С газовую смесь направляют в слой силикагеля, где при комнатной температуре она осушается до остаточного содержания влаги 0,004 (точка росы -50 С). На выходе из слоя силикагеля 100 м/ч готовой контролируемой атмосферы получают состав,: СО 4; Н .8; СО 0,06, СН 4 0,04; НО 0,004; М остальное.. В полученной готовой атмосфере сокращен расход дефицитного углеводородного газа с 14 до 3,8 и /ч, т,е-. в 3,7 раза (14 мф/ч природного газа расходуется для получения 100 м/ч экзотермической контролируемой атмосферы, содержащей 4 СО). Качество готовой контролируемой атмосферы также улучшено по содержаниюСО;. которое снижено с 8 до 0,06,т.е. в 133 раза (8 СО содержится вэкзогазе с 4 СО). Кроме того, количество влаги, поступающей на осушкув .слой силикагеля, составляет 0,2 5.по сравнению с 4,37, содержащимисяв экаогазе, что позволяет резко сократить и удешевить узел адсорбцион- .ной осушки газа на силикагеле. 15 10П р и м е р 3. Требуется получить 100.м /ч контролируемой атмосферы, содержащей, : СО 1,8;Н, 3,6; М, остальное, при содержании примесей, не превышающем, : СО 0,0001; СН 4 0,02; НО 0,001. Исходный углеводородный газ того же состана,что и в предыдущих примерах. 1,62 м /ч природного газа под давлением 400 мм вод.ст. поступают н газодувку вместе с 4,63 м /ч атмосферного воздуха. Образовавшуюся смесь под давлением 800 мм нод.ст. нагнетают в нагретый до 1030 С слой катализатора,.на коотором углеводородный газ конвертируют кислородом воздуха с коэффициентом расхода последнего 0,3. Образовавшиеся продукты сгорания (конверсии) н количестве 9 м /ч содержат, : СО 20; Н 40; СО. 0 5; СН 4 0 2; НО 1,7 М остальное. При температу-ЗО ре 1030 С и давлении 400 мм нод.ст. их подают на охлаждение до 900 С.5 м/ч охлажденных продуктов сгорания смешивают с 94 м/ч азота, полученного разделением воздуха и содер жащего 1 О) . Полученную смесь прио60 С направляют в слой палладиевого катализатора, где происходит очистка от кислорода. При этом происхсщит связывание 1 м /ч кислорода 2-мя м /ч3водорода. В результате остается 96 м /ч смеси, очищенной от кислоро 5да. Температура в слое изменяется ото60 С (на входе в катализатор ) доо200-220 С (на выходе из слоя катализатора) за счет. экзотермичности реакции связывания кислорода. В очищенную смесь добавляют оставшиеся 4 м /ч, охлажденных до 900 С продук 3о том сгорания, после чего смесь поступает на окончательное. охлажпение до 1 У С. Как и в предыдущих примерах температуру в слое катализатора регулируют, меняя соотношение расходов .двух потоков охласденных продуктов сгорания (5 и 4 м/ч) . Охлажденную 550до 15 С смесь направляют в слой синтетических цеолитов, где ее осушают и очищают от двуокиси углерода, Остаточное содержание влаги после слоя цеолитов сбответствует точке 60 росы при -60 С (0,001), а СО,2 0,0001. Готовая контролируемая атмосфера имеет состав,: СО 1,8;. На 3,6) СО 0,001СН 4 0,018НО О, 001, М .остальное. В полученной готовой атмосфере сокращен расход дефицитного углеводородного газа с 11 ь/ч (в экзогазе с 1,8 СО) до 1,62 м /ч, т.е, в 6,8 раза. Улучшено качество контролируемой атмосферы. За счет снижения содержания СО перед цеолитовой очисткой (с 10 в экзогазе до 0,044) остаточное содержание СО н готовой контролируемой атмосфере снижено с 0,001 СО(в экзогазе) до 0,0001 СО т.е. в 10 раз.П р и м е р 4. Требуется получить 100 м /ч контролируемой атмосфе 3ры, содержащей, : СО 0,01; Н 2, М остальное, при содержании йримесей не более,з СО 0,005;СН 0,01, . Н.О 0,9. Исходный углеводородный газ того же состава, что и в примере 1.0,98 м /ч природного газа под давлением 250 мм вод.ст. поступают в газодувку вместе с 2,35 м/ч воздуха. Образовавшуюся смесь под данлением 700 мм вод,ст. подают н нагретый.до 1050 С слой катализатора, на котором природный газ конвертируется кислородом воздуха с коэФфициентом расхода последнего 0,25. Продукты конверсии и количестве 5 м/ч содержат, : СО 20, Н40; СО 0,1, СН 4 0 2 Н О 0,6, М остальное, С температурой 1050 С и давлением 350 мм вод.ст. они поступают на охлаждение до 800 СЬе 4 м /ч охлажденных продуктов сгорания смешивают со 102 м 3/ч азота, полученного путем разделения воздуха и содержащего 2 О. Полученную смесь с температурой 50 фС предварительно охлаждают до 20"С, затем подают на трехступенчатую каталитическую очистку от кислорода с. промежуточным охлаждением между ступенями. Охлаждение ведут таким образом, чтобы температура катализатора не превышала 200 С. Очищенную от кислорода смесь в количестве 99 м /ч соединяют с оставшимЪ3ся 1 .м /ч охлажденных продуктов сго рания и направляют на окончательное охлаждение до 20 С, после чего ее подают на осушку холодом, используя н качестве хладоагента фреон. Осушку осуществляют до остаточного содержа,ния влаги, соответствующего температуре точки росы 5 С (0,86). На выходе из осушителя.получается 101 мэ/ч контролируемой атмосферы давлением 200 мм вод.ст. и содержащей, : СО 1, Н 2; СО 0,005; СН 4 0,01 и Н 0 0,86. После этогоконтролируемую атмосферу направляют н слой цео" литов Сай, где при -15 С ее очищаю ют от окиси углерода, получая 100 мз/ч готоной контролируемой ат-. мосферы, содержащей 0,01 СО, при этом сокращен расход природного газа с 10 до 0,98 м/ч, т.е. в 10 раз. Улучшено качество готовой контролируемой атмосферы: снижено содержаниеЗаказ 7762/31 Тираж 509 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5 Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 С 04 с 11% (в экэогаэе) до 0,005%, т.е. более, чем на три порядка.П р и м е р 5, Условия и требова ния соответствуют примеру 1. Отличие осуществления способа по примеру 5 от примера 1 заключается в том, что 50 м/ч продуктов сгорания охлаждают до 100 фС и смешивают их с 50 м /ч азота, а.образовавшуюся смесь с температурой 50 фС подают в слой катализатора. Количество и состав готовой О контролируемой атмосферы соответствуют примеру 1.Внедрение предлагаемого изобрете-. ния в промышленность позволяет получить значительный экономический.эф фекл за счет улучшения качества готовой контролируемой атмосферы. Формула изобретения 20 1, Способ получения контролируемой атмосферы, включающий неполное сжигание углеводородов с коэффициентом расхода воздуха 6,5-0,95, каталити ческую очистку продуктов сжигания от кислорода и охлаждение полученной атмосферы до 20-30 С, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью снижения остаточного содержания двуокисиуглерода и воды в готовой атмосфере, процесс сжигания ведут при ко-.эффициенте расхода воздуха 0,25-0,5и продукты .сжигания подвергают предварительному охлаждению, после чегочасть их смешивают с .азотом, содержащим до 1 об.Ъ кислорода, направляют полученную смесь на каталитическуюочистку от кислорода, а затем их смешивают с оставшейся частью продуктовсгорания и понученную смесь направляют на стадию охлаждения.2. Способ по п,1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что отношение объема продуктов сгорания к объему азотасоставляет (1: 1) - 1: 20),3. Способ по пп,1 и 2, о т л ич а ю щ. и й с я тем, что предварительное охлаждение продуктов сгоранияосуществляют до температуры 100-900 С.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 260671, кл. С 21 Х) 1/74, 1970.2, Васильев С.З. и др. Установкиэкэогаза. М., "Энергия", 1977, с.1115 (прототиг.