DE19610722B4 - Process for the preparation of protective or reaction gases for the heat treatment of metals - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Herstellen von Schutz- oder Reaktionsgasen für die Wärmebehandlung von Metallen aus mit Sauerstoff verunreinigtem Stickstoff und Kohlenwasserstoff, die als Gasstrom einem endothermen katalytischen Reaktor zugeführt werden und bei dem der Sauerstoffanteil im Stickstoff erfaßt und einer Regeleinrichtung als Istwert zur Verfügung gestellt und dem dem Gasstrom in Abhängigkeit von dem erfaßten Istwert mindestens Stickstoff oder Sauerstoff zudosiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Sauerstoff verunreinigte Stickstoff mittels einer Membran- oder Druckwechseladsorptionserzeugungsanlage hergestellt wird, und daß in Abhängigkeit von dem erfaßten Istwert dem Gasstrom kryogener Stickstoff zudosiert wird.method for the production of protective or reaction gases for the heat treatment of metals oxygen-contaminated nitrogen and hydrocarbon, which are fed as gas stream to an endothermic catalytic reactor and wherein the oxygen content detected in the nitrogen and a Control device provided as an actual value and the gas flow in dependence from the captured Actual value at least nitrogen or oxygen are added, characterized in that the Nitrogen-contaminated nitrogen by means of a membrane or Pressure swing adsorption plant is produced, and that depending on the captured Actual value is added to the gas stream cryogenic nitrogen.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schutz- oder Reaktionsgasen für die Wärmebehandlung von Metallen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The The invention relates to a method for producing protective or Reaction gases for the heat treatment of metals according to the preamble of claim 1.

Wärmebehandlungen von metallischen Werkstücken werden in bekannten Wärmebehandlungsöfen unter einer Schutz- oder Reaktionsgasatmosphäre durchgeführt. Die Gasatmosphäre besteht überwiegend aus der Inertgaskomponente Stickstoff mit unterschiedlichen Anteilen an Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Wasserstoff dient dazu, Verunreinigungen, die in den Ofenraum eingedrungen sind, wie z. B. Sauerstoff, an den Wasserstoff zu binden, während mittels CO der Kohlenstoffpegel in der Schutzgasatmosphäre eingestellt wird, um z. B. eine Randentkohlung bei kohlenstoffhaltigen Stählen zu vermeiden. Nach dem Stand der Technik wird die Inertgaskomponente Stickstoff in Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen in sehr reiner Form mit kleinem Sauerstoffgehalt gewonnen und verflüssigt. Der Stickstoff wird in vakuumisolierten Tanks beim Verbraucher gespeichert. Die Reaktivgaskomponenten H2 und CO werden entweder ebenfalls im Druckbehälter gespeichert bzw. vor Ort durch Spaltung von Methanol oder durch endotherme Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mit Luft erzeugt. Durch Mischung mit kryogenem Stickstoff wird eine sehr reine Schutzgasatmosphäre, d. h. niedriger Taupunkt und geringe CO2-Konzentration mit der gewünschten Zusammensetzung hergestellt. Neben der Tieftemperaturzerlegung kann Stickstoff heute auch durch adsorptive bzw. permeative Verfahren aus der Luft gewonnen werden. Dieser in On-Site-Anlagen gewonnene Stickstoff wird nach dem Druckwechseladsorptions- (PSA = Pressure-Swing-Adsorption) oder Membranverfahren hergestellt.Heat treatments of metallic workpieces are carried out in known heat treatment furnaces under a protective or reaction gas atmosphere. The gas atmosphere consists predominantly of the inert gas component nitrogen with different proportions of hydrogen and carbon monoxide. Hydrogen serves to contaminants that have penetrated into the furnace chamber, such. As oxygen, to bind to the hydrogen, while using CO, the carbon level is set in the inert gas atmosphere to z. B. to avoid a Randentkohlung at carbonaceous steels. According to the prior art, the inert gas component nitrogen is obtained in low-temperature air separation plants in a very pure form with low oxygen content and liquefied. The nitrogen is stored in vacuum insulated tanks at the consumer. The reactive gas components H 2 and CO are either also stored in the pressure vessel or generated locally by cleavage of methanol or by endothermic conversion of hydrocarbons with air. By mixing with cryogenic nitrogen, a very pure inert gas atmosphere, ie low dew point and low CO 2 concentration with the desired composition is produced. In addition to cryogenic decomposition, nitrogen can also be extracted from the air today by adsorptive or permeative processes. This nitrogen produced in on-site plants is produced by pressure swing adsorption (PSA) or membrane processes.

Der Einsatz eines in derartigen On-Site-Stickstofferzeugungsanlagen hergestellten Stickstoffs in der Wärmebehandlung z. B. zum Blankglühen und Kohlungsneutralglühen ist wegen des verfahrensbedingten Restsauerstoffgehaltes von ca. 0,1 bis 5 Vol.-% Sauerstoff weitgehend eingeschränkt. Diese hohe Sauerstoffkonzentration bewirkt eine Oxidation bzw. Verzunderung des Metalls und eine Entkohlung von z. B. kohlenstoffhaltigen Stählen. Beim Blankglühen von Metallen sind Sauerstoffgehalte im Schutzgas kleiner 10 vpm notwendig.Of the Use of one in such on-site nitrogen generation plants produced nitrogen in the heat treatment z. B. for bright annealing and Kohlungsneutralglühen is due to the process-related residual oxygen content of approx. 0.1 to 5 vol .-% oxygen largely limited. This high oxygen concentration causes oxidation or scaling of the metal and decarburization from Z. As carbonaceous steels. When bright annealing Of metals, oxygen contents in the protective gas are less than 10 vpm necessary.

Nicht kryogen erzeugter Stickstoff muß deshalb nachgereinigt werden. Bei den bekannten Nachreinigungsverfahren wird der mit Sauerstoff verunreinigte Stickstoff zusammen mit Kohlenwasserstoffen einem endothermen katalytischen Reaktor zugeführt, in dem der im Stickstoff enthaltene Sauerstoff unter Bildung von CO und H2 entfernt wird. Es entsteht ein im wesentlichen N2, H2 und CO enthaltendes Schutz- bzw. Reaktionsgas dessen Zusammensetzung vom Sauerstoffanteil im nichtkryogen erzeugten Stickstoff abhängt. In „Metal" Science and Heat Treatment, Vol. 20, No. 5/6", Mai 1978, Seiten 377 bis 381 sind die Zusammenhänge zwischen dem Sauerstoffanteil im Stickstoff und den CO und H2-Anteilen im Schutz- oder Reaktionsgas nach der Umsetzung in einem mit Nickel gefüllten Reaktor näher beschrieben. Dabei wird ein Stickstoff-Luftgemisch mit einem Sauerstoffanteil von 1 bis 21% einem Reaktor zugeführt. Um das in seiner Zusammensetzung schwankende Stickstoff-Luftgemisch konstant zu halten, wird der Sauerstoffgehalt dieses Stickstoff-Luftgemisches vor Eintritt in den Reaktor gemessen und ein konstanter Sauerstoffanteil im Stickstoff durch Zudosierung von Luft eingestellt. Dabei erhöht sich das den Wärmebehandlungsöfen zugeführte Gasvolumen.Non-cryogenically generated nitrogen must therefore be purified. In the known Nachreinigungsverfahren the oxygen-contaminated nitrogen is fed together with hydrocarbons to an endothermic catalytic reactor in which the oxygen contained in the nitrogen is removed to form CO and H 2 . The result is a substantially N 2 , H 2 and CO containing protective or reaction gas whose composition depends on the oxygen content in non-cryogenically generated nitrogen. In "Metal" Science and Heat Treatment, Vol. 20, No. 5/6 ", May 1978, pages 377 to 381, the relationships between the oxygen content in the nitrogen and the CO and H 2 levels in the protective or reaction gas after the Reaction in a nickel-filled reactor described in more detail. In this case, a nitrogen-air mixture is fed with an oxygen content of 1 to 21% to a reactor. In order to keep the nitrogen-air mixture fluctuating in its composition constant, the oxygen content of this nitrogen-air mixture is measured before entering the reactor and a constant oxygen content in the nitrogen is adjusted by metering in air. This increases the heat treatment furnaces supplied gas volume.

Weiterhin ist aus der DE 42 12 307 C2 ein Herstellverfahren für Schutz- oder Reaktionsgase für die Wärmebehandlung von Metallen mittels Druckwechseladsorptions- (PSA-) oder Membranverfahren bekannt, bei dem ein höherer Sauerstoffanteil im Stickstoff durch Erhöhung der Durchsatzleistung der Druckwechseladsorptions- oder Membrananlage oder durch Zumischen von Luft zum nichtkryogenen Stickstoff eingestellt wird. Durch die Zumischung von Luft und/oder der Erhöhung der Durchsatzleitung einer Druckwechseladsorptions- oder Membrananlage kann der Sauerstoffanteil im Stickstoff in Abhängigkeit von der Abnahmemenge der Druckwechseladsorptions- oder Membrananlage in weiten Bereichen eingestellt werden. Wünschenswert wäre dabei ein Verfahren mit dem die ganze Bandbreite der Schutz- oder Reaktionsgase unabhängig von der Abnahmemenge einer Druckwechseladsorptions- oder Membrananlage eingestellt und auf konstanten Werten gehalten werden kann, damit die Schutz- oder Reaktionsgase wirtschaftlich hergestellt werden können.Furthermore, from the DE 42 12 307 C2 a production process for protective or reaction gases for the heat treatment of metals by pressure swing adsorption (PSA) or membrane process is known, in which a higher oxygen content in the nitrogen by increasing the throughput of the pressure swing adsorption or membrane plant or by mixing air is added to the non-cryogenic nitrogen. By mixing in air and / or increasing the flow rate of a pressure swing adsorption or membrane unit, the proportion of oxygen in the nitrogen can be adjusted in a wide range depending on the decrease in the pressure swing adsorption or membrane unit. It would be desirable in this case to set a method with which the entire range of protective or reaction gases can be set independently of the decrease in quantity of a pressure swing adsorption or membrane system and kept at constant values so that the protective gases or reaction gases can be produced economically.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Schutz- oder Reaktionsgasen für die Wärmebehandlung von Metallen zur Verfügung zu stellen, das eine beliebige Zusammensetzung der Schutz- oder Reaktionsgase zur Wärmebehandlung von Metallen bei reduzierten Herstellkosten ermöglicht.Of the The invention is therefore based on the object, a method for manufacturing protective or reactive gases for the heat treatment of metals to disposal to make any composition of the protective or Reaction gases for heat treatment of metals at reduced production costs.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.outgoing from the mentioned in the preamble of claim 1 prior art this object is achieved according to the invention with the specified in the characterizing part of claim 1 features.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in the subclaims.

Durch die Erfindung wird es vorteilhaft möglich alle für die Wärmebehandlung von Metallen benötigten Schutz- bzw. Reaktionsgase auf der Basis von in On-Site-Stickstofferzeugungsanlagen nach dem Druckwechseladsorptions- oder Membranverfahren hergestellten, mit Sauerstoff verunreinigtem Stickstoff unter Zuführung von Kohlenwasserstoffen in einem Reaktor zu erzeugen. Das so hergestellte Schutz- oder Reaktionsgas ist unabhängig von der Abnahmemenge der On-Site-Stickstofferzeugungsanlage, da unabhängig von der wirtschaftlichsten Betriebsweise der Druckwechseladsorptionsstickstoff- oder Membranstickstofferzeugungsanlage der Anteil des Sauerstoffs im Stickstoff beliebig erhöht und/oder durch Zugabe von kryogen erzeugtem Stickstoff verringert werden kann. Durch das Verfahren nach der Erfindung kann die On-Site-Stickstofferzeugungsanlage immer im Bereich ihres betriebswirtschaftlichen Optimums bei geringsten Energiekosten betrieben werden, wobei Bedarfsspitzen über die Zudosierung von kryogen erzeugtem Stickstoff und/oder kryogen erzeugtem Sauerstoff oder Luft abgedeckt werden können. Die Erfindung ermöglicht darüber hinaus eine exakte Einstellung des Sauerstoffgehaltes im Stickstoff, da je nach Bedarfsfall, Stickstoff vor dem Reaktor zudosiert werden kann. Leistungsschwankungen der On-Site-Stickstofferzeugungsanlagen können durch das Verfahren nach der Erfindung im Betrieb kompensiert werden und Schutz- oder Reaktionsgase mit erwünschten CO und H2-Anteilen beliebig eingestellt werden.Advantageously, the present invention makes it possible to produce all the protective gases or reaction gases required for the heat treatment of metals on the basis of nitrogen-contaminated nitrogen produced in on-site nitrogen production plants by pressure swing adsorption or membrane processes in a reactor , The protective or reaction gas thus produced is independent of the decrease in the quantity of the on-site nitrogen production plant, since regardless of the most economical mode of operation of the pressure swing adsorption nitrogen or membrane nitrogen production plant, the proportion of oxygen in the nitrogen can be arbitrarily increased and / or reduced by the addition of cryogenically generated nitrogen , By means of the process according to the invention, the on-site nitrogen production plant can always be operated within the range of its economic optimum at the lowest energy costs, whereby demand peaks can be covered by the metered addition of cryogenically generated nitrogen and / or cryogenically generated oxygen or air. In addition, the invention makes it possible to precisely set the oxygen content in the nitrogen, since nitrogen can be metered in before the reactor, as required. Power fluctuations of the on-site nitrogen generation plants can be compensated for by the method according to the invention in operation and protection or reaction gases with desired CO and H 2 proportions can be set arbitrarily.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:
Es zeigen:An embodiment of the invention is illustrated in the drawing and will be described in more detail below:
Show it:

1: Ein Verfahrensschema der Erfindung, 1 : A process scheme of the invention,

2: ein Diagramm über den Zusammenhang des Sauerstoffgehaltes im nichtkryogen mittels Druckwechseladsorptionsanlage hergestellten Stickstoff und der Abnahmemenge. 2 : A diagram of the relationship between the oxygen content in the non-cryogenically produced by pressure swing adsorption nitrogen and the decrease amount.

In 2 ist der im Stickstoff enthaltende Sauerstoffgehalt in Abhängigkeit von der in der On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13 (2) erzeugten Abnahmemenge des mit Sauerstoff verunreinigten Stickstoffs dargestellt. Auf der Abszisse 11 ist die Abnahmemenge in Nm3/h und auf der Ordinate 12 der Sauerstoffgehalt in Volumen-% für eine Druckwechseladsorpions(PSA)-Stickstofferzeugungsanlage dargestellt. Wie aus dem Schaubild zu sehen ist steigt der Sauerstoffgehalt von 0,1 Vol.-% bei einer Abnahmemenge von 40 Nm3/h auf 4,8 Vol.-% bei einer Abnahmemenge von ca. 180 Nm3/h an.In 2 is the nitrogen content in the nitrogen depending on that in the on-site nitrogen generation plant 13 ( 2 ) produced amount of oxygen contaminated nitrogen. On the abscissa 11 is the purchase quantity in Nm 3 / h and on the ordinate 12 % oxygen content for a pressure swing adsorption (PSA) nitrogen production system. As can be seen from the graph, the oxygen content increases from 0.1% by volume with a decrease of 40 Nm 3 / h to 4.8% by volume with a decrease of approximately 180 Nm 3 / h.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt, die im wesentlichen eine On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13, bestehend aus einer Druckluftquelle 14, einer Druckluftaufbereitung 15 und einem nach der Membrantechnik arbeitenden Membranmodul 16, sowie eine Stickstoffquelle 17 für kryogen erzeugten Stickstoff und einen endothermen, katalytischen Reaktor 18 enthält. Die On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13 ist über Leitung 19 mit dem Reaktor 18 verbunden. In der Leitung 19 ist nach dem Ausgang 20 des Membranmoduls 16 Durchflußmengenbegrenzer 21, vorzugsweise ein ansteuerbares Ventil, ein Sauerstoffmeßgerät 22 und eine Dosiereinheit 23 angeordnet. Über die Dosiereinheit 23 ist die Kohlenwasserstoffquelle 24, z. B. eine Erdgasquelle, mit der Leitung 19 verbunden. Die Stickstoffquelle 17 ist über Zuführung 25 mit der Leitung 19 verbunden. Die Zuführung 25 weist von ihr abzweigende, getrennt verlaufenden Abschnitte 26 und 27 auf, die zwischen dem Durchflußmengenbegrenzer 21 und der Dosiereinheit 23 an die Leitung 19 angeschlossen sind.In the 1 a device according to the invention is shown, which is essentially an on-site nitrogen production plant 13 , consisting of a compressed air source 14 , a compressed air treatment 15 and a diaphragm module operating according to membrane technology 16 , as well as a nitrogen source 17 for cryogenically generated nitrogen and an endothermic catalytic reactor 18 contains. The on-site nitrogen production plant 13 is over lead 19 with the reactor 18 connected. In the line 19 is after the exit 20 of the membrane module 16 flow limiter 21 , preferably a controllable valve, an oxygen meter 22 and a dosing unit 23 arranged. About the dosing unit 23 is the hydrocarbon source 24 , z. As a natural gas source, with the line 19 connected. The nitrogen source 17 is about feed 25 with the line 19 connected. The feeder 25 has branching off, separated sections 26 and 27 on that between the flow rate limiter 21 and the dosing unit 23 to the line 19 are connected.

In dem Abschnitt 26 ist eine ansteuerbare Armatur 28, beispielsweise ein Motorregelventil, und in Abschnitt 27 ein Druckhalteventil 29 angeordnet. In Stömungsrichtung 30 der Druckluft zweigt nach der Druckluftaufbereitung 15 eine Bypassleitung 31, ab, die wahlweise nach der Armatur 33 mit dem Abschnitt 26 der Zuführung 25 oder nach dem Durchflußmengenbegrenzer 21 mit der Leitung 19 verbunden ist.In the section 26 is a controllable valve 28 , For example, an engine control valve, and in section 27 a pressure-holding valve 29 arranged. In the direction of flow 30 the compressed air branches after the compressed air preparation 15 a bypass line 31 , off, which optionally after the fitting 33 with the section 26 the feeder 25 or after the flow restrictor 21 with the line 19 connected is.

Die Bypassleitung 31 kann nach einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel auch mit dem Eingang 32 an eine separate Druckluftquelle, z. B. ein Druckluftleitungsnetz, oder an eine Sauerstoffquelle, z. B. einen Standtank mit kryogen erzeugtem Sauerstoff, angeschlossen sein. In der Bypassleitung 31 ist eine ansteuerbare Armatur 33, beispielsweise ein Motorregelventil, angeordnet.The bypass line 31 can according to a further, not shown embodiment with the input 32 to a separate compressed air source, eg. B. a compressed air line network, or to an oxygen source, for. B. a stationary tank with cryogenically generated oxygen to be connected. In the bypass line 31 is a controllable valve 33 , For example, a motor control valve arranged.

Die Armaturen 28, 33, das Sauerstoffmessgerät 22, der Durchflußmengenbegrenzer 21 und wahlweise die Dosiereinheit 23 sind mit einer Regeleinrichtung 34 über Steuerleitungen 35, 36, 37, 38, 39 verbunden. Die Regeleinrichtung 34 ist beispielsweise als speicherprogrammierbare Steuerung ausgebildet. Die Regeleinrichtung 34 verfügt über eine nur schematisch dargestellte Eingabe 40.The fittings 28 . 33 , the oxygen meter 22 , the flow limiter 21 and optionally the dosing unit 23 are with a control device 34 via control lines 35 . 36 . 37 . 38 . 39 connected. The control device 34 is designed for example as a programmable logic controller. The control device 34 has an input shown only schematically 40 ,

Die Einrichtung nach 1 arbeitet wie folgt:
Die von der Druckluftquelle, z. B. einem Kompressor, zur Verfügung gestellte Druckluft durchströmt nach der Druckluftaufbereitung 15, z. B. bestehend aus Vorfilter, Kältetrockner, Submikrofilter, Aktivkohlefilter und Erhitzer, einen oder mehrere mit Hohlfasern gefüllte Membranmodule 16. Die unterschiedliche Diffisionsgeschwindigkeit der einzelnen Gaskomponenten durch die Wandungen der Hohlfasern (Membranen) bewirkt den Trennvorgang der Druckluft. Mit einer Reinheit von 95 bis 99% verläßt der so produzierte Stickstoffstrom die Membranmodule 16. Der mit einem entsprechenden Sauerstoffgehalt von 1 bis 5 Vol.-% ver unreinigte Stickstoff wird nach einem Ausführungsbeispiel mittels Durchflußmengenbegrenzer 21 auf eine optimale Menge eingestellt, bei der der gewünschte Sauerstoffgehalt im Stickstoff erreicht wird. Zur Einstellung der Menge wird über die Eingabe 40 der Regeleinrichtung 34 ein Mengen-Sollwert vorgegeben. In Abhängigkeit von diesem Sollwert steuert die Regeleinrichtung 34 über Steuerleitung 35 den Durchflußmengenbegrenzer 21 an und vergrößert oder verkleinert den Durchflußquerschnitt. Die vorstehend beschriebene Einstellung der mit Sauerstoff verunreinigten Stickstoffmenge auf die zur Wärmebehandlung von Metallen benötigte optimalen Schutz- oder Reaktionsgasmenge stellt dabei nur ein Beispiel dar. Sie ist auf dieses Beispiel nicht beschränkt und kann in Abwandlung des Beispiels z. B. über die Leistungseinstellung der On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13 oder über Bypassleitungen mit darin angeordneten Blenden oder handbetätigten Dosierventilen und vorgeschalteten AUF/ZU-Ventilen, die von der Regeleinrichtung entsprechend der benötigten Durchflußmenge geöffnet oder geschlossen werden, erfolgen.The furnishings after 1 works as follows:
The of the compressed air source, z. B. a compressor, provided compressed air flows through the compressed air treatment 15 , z. B. consisting of pre-filter, refrigerant dryer, submicron filter, activated carbon filter and heater, one or more filled with hollow fibers membrane modules 16 , The different speed of diffusion of the individual gas components through the walls of the hollow fibers (membranes) causes the separation process of the compressed air. With a purity of 95 to 99% of the thus produced nitrogen flow leaves the membrane modules 16 , The contaminated ver with a corresponding oxygen content of 1 to 5 vol .-% nitrogen is according to an embodiment by Durchflußmengenbegrenzer 21 adjusted to an optimum amount at which the desired oxygen content in the nitrogen is achieved. To set the quantity is via the input 40 the control device 34 a setpoint setpoint specified. Depending on this setpoint, the controller controls 34 via control line 35 the flow restrictor 21 and increases or decreases the flow area. The above-described adjustment of the amount of nitrogen contaminated with oxygen to the optimum amount of protective or reaction gas required for the heat treatment of metals is only an example. It is not limited to this example and can be modified in a modification of the example. On the power setting of the on-site nitrogen generation plant 13 or via bypass lines with therein orifices or manually operated metering valves and upstream open / close valves, which are opened or closed by the control device according to the required flow rate, take place.

Der mit Sauerstoff verunreinigte Stickstoff strömt nach dem Durchflußmengenbegrenzer 21 zu der Dosiereinheit 23, über die Kohlenwasserstoffe aus der Kohlenwasserstoffquelle 24 zudosiert werden. Hierzu wird der Sauerstoffgehalt mit dem Sauerstoffmeßgerät 22 in der Leitung 19 vor der Dosiereinheit 23 erfaßt und der Regeleinrichtung 34 als Istwert zugeführt. In Abhängigkeit von dem Istwert werden die Kohlenwasserstoffe, z. B. Erdgas, dem mit Sauerstoff verunreinigten Stickstoff zudosiert.The oxygen contaminated nitrogen flows past the flow restrictor 21 to the dosing unit 23 , about the hydrocarbons from the hydrocarbon source 24 be dosed. For this purpose, the oxygen content with the Sauerstoffmeßgerät 22 in the pipe 19 before the dosing unit 23 recorded and the control device 34 fed as actual value. Depending on the actual value, the hydrocarbons, eg. As natural gas, added to the oxygen-contaminated nitrogen.

Der von dem Sauerstoffmeßgerät 22 erfaßte Istwert des Sauerstoffgehaltes des Stickstoffes wird erfindungsgemäß mit einem über Eingabe 40 der Regeleinrichtung 34 eingegebenen Sollwert verglichen und bei Abweichungen des Istwertes von dem Sollwert oder von einem dem Sollwert zugeordneten Toleranzbereich nachgeregelt. Die Einstellung des Sauerstoffgehalts im Stickstoffstrom erfolgt durch Zugabe von Stickstoff und/oder Luft und/oder Sauerstoff zu dem, oder als Ersatz für den in der On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13 erzeugten, mit Sauerstoff verunreinigten Stickstoff.The one from the oxygen meter 22 detected actual value of the oxygen content of the nitrogen is according to the invention with an over input 40 the control device 34 compared setpoint input and readjusted in case of deviations of the actual value of the setpoint or by a tolerance range associated with the setpoint. The adjustment of the oxygen content in the nitrogen stream is made by adding nitrogen and / or air and / or oxygen to, or replacing, the one in the on-site nitrogen production plant 13 generated, contaminated with oxygen nitrogen.

Bei Verringerung der Abnahmemenge verringert sich entsprechend der Restsauerstoffgehalt (2). Diese Abweichung vom Sollwert wird von dem Sauerstoffmeßgerät 22 erfaßt, der Regeleinrichtung 34 zugeführt die entsprechend das Motorregelventil 33 in der Bypassleitung 31 öffnet, bis die einströmende Druckluft den Restsauerstoffgehalt im Stickstoffstrom auf den vorgegebenen Sollwert angehoben hat. Da der Druckverlust innerhalb der On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13 größer als in der Bypassleitung 31 ist, kann die Luft in Leitung 19 eindosiert werden. Gemäß einem nicht näher dargestellten Beispiel ist die Bypassleitung 31 mit ihrem Eingang 32 mit einer Sauerstoffquelle verbunden. Über Motorregelventil 33 wird in diesem Fall kryogen erzeugter Sauerstoff zudosiert, bis der Sollwert erreicht ist.When the purchase quantity is reduced, the residual oxygen content decreases correspondingly ( 2 ). This deviation from the setpoint is determined by the oxygen meter 22 recorded, the control device 34 fed according to the engine control valve 33 in the bypass line 31 opens until the incoming compressed air has raised the residual oxygen content in the nitrogen flow to the specified setpoint. Because the pressure loss within the on-site nitrogen production plant 13 larger than in the bypass line 31 is, can the air in pipe 19 be metered. According to an example not shown, the bypass line 31 with her entrance 32 connected to an oxygen source. Via engine control valve 33 In this case, cryogenically generated oxygen is metered in until the desired value is reached.

Bei Erhöhung der Abnahmemenge erhöht sich, wie in 2 dargestellt, entsprechend der Sauerstoffgehalt. Diese Abweichung vom Sollwert wird von dem Sauerstoffmeßgerät 22 erfaßt, der Istwert des Sauerstoffgehaltes der Regeleinrichtung 34 zugeführt, die das Motorregelventil 28 in dem Abschnitt 26 der Zuführung 25 entsprechend öffnet bis das einströmende kryogene Stickstoffgas den Sauerstoffgehalt im Stickstoffstrom auf den Sollwert verringert hat. Eine Abnahmemenge, die über der von der On-Site-Stickstofferzeugungsanlage 13 erzeugten Produktionsmenge hinaus liegt, führt zu einem Druckabfall in der Leitung 19. Dieser Druckabfall in Leitung 19 bewirkt eine Öffnung des Druckhalteventils 29 im Abschnitt 27 der Zuführung 25. Von der Stickstoffquelle 17 strömt kryogener Stickstoff über die Zuführung 25 in Leitung 19 bis der am Druckhalteventil 29 vorgegebene Solldruck erreicht. ist. Über das Sauerstoffmeßgerät 22 wird der Sauerstoffgehalt erfaßt und Druckluft oder Sauerstoff entsprechend den vorstehenden Ausführungen zudosiert. Beim Ausfall oder Störung bzw. Wartung der Membranmodule 16 schließt das Ventil 21 und das gesamte Schutz- oder Reaktionsgas wird über die Stickstoffquelle 17 mit kryogenem Stickstoff und über die Bypassleitung 31 mit Druckluft oder Sauerstoff versorgt.When increasing the purchase amount increases, as in 2 shown, according to the oxygen content. This deviation from the setpoint is determined by the oxygen meter 22 detected, the actual value of the oxygen content of the control device 34 fed to the engine control valve 28 in the section 26 the feeder 25 accordingly opens until the incoming cryogenic nitrogen gas has reduced the oxygen content in the nitrogen stream to the set point. A purchase volume that exceeds that of the on-site nitrogen production facility 13 produced amount of production results in a pressure drop in the line 19 , This pressure drop in pipe 19 causes an opening of the pressure holding valve 29 in the section 27 the feeder 25 , From the nitrogen source 17 Cryogenic nitrogen flows over the feeder 25 in line 19 until the pressure-retaining valve 29 reached predetermined target pressure. is. About the oxygen meter 22 the oxygen content is detected and metered compressed air or oxygen according to the above statements. In case of failure or malfunction or maintenance of the membrane modules 16 closes the valve 21 and all the protective or reaction gas is via the nitrogen source 17 with cryogenic nitrogen and via the bypass line 31 supplied with compressed air or oxygen.

Mit der Einrichtung ist ein konstanter Sauerstoffgehalt bei unterschiedlichen Abnahmemengen und/oder unterschiedlichen Schutz- oder Reaktionsgasen einstellbar und nachregelbar, indem bedarfsweise Luft- und/oder Sauerstoff- und/oder Stickstoff zudosiert wird. So können Schutz- oder Reaktionsgase mit beliebigen Anteilen von CO und H2 in dem endothermen katalytischen Reaktor 18 erzeugt werden.With the device, a constant oxygen content at different purchase quantities and / or different protective or reaction gases can be adjusted and readjusted by metering, if necessary, air and / or oxygen and / or nitrogen. Thus, protective or reactive gases with any proportions of CO and H 2 in the endothermic catalytic reactor 18 be generated.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Ein Rohrhersteller verwendet 3 Rollenherddurchlauföfen für das Zwischen- und Fertigglühen. Das eingesetzte Reaktionsgas besteht aus:
H2 = 6 Vol.-%
CO = 3 Vol.-%
Rest = N2 One pipe manufacturer uses 3 roller hearth furnaces for intermediate and finish annealing. The reaction gas used consists of:
H 2 = 6 vol.%
CO = 3 vol.%
Remainder = N 2

Bedingt durch die Auftragslage und Wartungsarbeiten bzw. Störungen ergeben sich unterschiedliche Auslastungszeiten der Ofenanlagen:conditioned due to the order situation and maintenance work or faults Different utilization times of the kilns:

Technische Daten in der Glüherei

Figure 00090001
Technical data in the annealing shop
Figure 00090001

Um die geforderte Reaktionsgaszusammensetzung zu erzielen, ist ein Sauerstoffgehalt im Stickstoff von ungefähr 2,3 Vol.-% erforderlich.Around to achieve the required reaction gas composition is a Oxygen content in nitrogen of about 2.3 vol .-% required.

Basis ist die vereinfachte endotherme, katalytische Reaktion: 2CH4 + O2 + x N2 → 4H2 + 2CO + x N2 The basis is the simplified endothermic, catalytic reaction: 2CH 4 + O 2 + xN 2 → 4H 2 + 2CO + xN 2

Die technische Umsetzung der Schutzgasversorgung ist auf 3 Wegen möglich:

  • 1. Auslegung der On-Site-Anlage auf eine Normleistung von 180 bei 2,3 m3/h Vol.-% Rest – O2. Bei abgeschalteter Ofenanlage 3 reduziert sich der Bedarf auf 140 m3/h. Der geforderte Rest-O2-Gehalt von 2,3 Vol.-% wird über gezielte Einspeisung von Luft erreicht. Energiebedarf = 80 kW
  • 2. Auslegung der On-Site-Anlage auf eine Normleistung von 140 m3/h. Bei Betrieb der Ofenanlage 3 wird der Mehrbedarf durch Zumischen von cryogenem Stickstoff und Druckluft erreicht. Mehrbedarf: Cryogener N2 = 35,4 m3/h Mehrbedarf: Druckluft = 4,6 m3/h Energiebedarf der on-site-Anlage = 55 kW
  • 3. Auslegung der On-Site-Anlage auf eine Normleistung von 140 m3/h. Bei Betrieb der Ofenanlage 3 wird der Mehrbedarf durch erhöhen der Abnahmemenge der on-site-Anlage und Zumischen von cryogenem Stickstoff erreicht.
The technical implementation of the protective gas supply is possible in 3 ways:
  • 1. Design of the on-site plant to a standard capacity of 180 at 2.3 m 3 / h Vol .-% balance - O 2 . When the furnace 3 is switched off, the demand is reduced to 140 m 3 / h. The required residual O 2 content of 2.3% by volume is achieved by targeted feeding of air. Energy requirement = 80 kW
  • 2. Design of the on-site system to a standard capacity of 140 m 3 / h. When operating the furnace 3, the additional demand is achieved by adding cryogenic nitrogen and compressed air. Additional requirements: Cryogenic N2 = 35.4 m 3 / h Additional requirements: Compressed air = 4.6 m 3 / h Energy requirement of the on-site system = 55 kW
  • 3. Design of the on-site system to a standard capacity of 140 m 3 / h. When operating the kiln 3, the additional demand is achieved by increasing the amount of on-site equipment and adding cryogenic nitrogen.

Claims (6)

Verfahren zum Herstellen von Schutz- oder Reaktionsgasen für die Wärmebehandlung von Metallen aus mit Sauerstoff verunreinigtem Stickstoff und Kohlenwasserstoff, die als Gasstrom einem endothermen katalytischen Reaktor zugeführt werden und bei dem der Sauerstoffanteil im Stickstoff erfaßt und einer Regeleinrichtung als Istwert zur Verfügung gestellt und dem dem Gasstrom in Abhängigkeit von dem erfaßten Istwert mindestens Stickstoff oder Sauerstoff zudosiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Sauerstoff verunreinigte Stickstoff mittels einer Membran- oder Druckwechseladsorptionserzeugungsanlage hergestellt wird, und daß in Abhängigkeit von dem erfaßten Istwert dem Gasstrom kryogener Stickstoff zudosiert wird.Process for the preparation of protective or reaction gases for the heat treatment of metals from oxygen-contaminated nitrogen and hydrocarbon, which are fed as a gas stream to an endothermic catalytic reactor and in which the oxygen content in the nitrogen detected and provided to a controller as an actual value and the gas stream at least nitrogen or oxygen are metered in as a function of the detected actual value, characterized in that the nitrogen contaminated with oxygen is produced by means of a membrane or pressure swing adsorption plant, and that cryogenic nitrogen is metered into the gas flow as a function of the detected actual value. Einrichtung zum Herstellen von Schutz- oder Reaktionsgasen für die Wärmebehandlung von Metallen, gekennzeichnet durch – eine On-Site-Stickstofferzeugungsanlage (13) zum Herstellen von mit Sauerstoff verunreinigtem Stickstoff und einer Kohlenwasserstoffversorgung (24), die über eine Leitung (19) mit einem Reaktor (18) verbunden sind, – einem mit der Leitung (19) verbundenen Sauerstoffmessgerät (22) zum Erfassen des Istwertes des Sauerstoffgehaltes im Stickstoff, – eine Regeleinrichtung (34), der der von dem Sauerstoffmeßgerät (22) erfaßte Istwert zuführbar und der ein Sollwert (40) eingebbar ist, – eine mit der Leitung (19) über eine Zuführung (25) verbundene Quelle (1) für kryogenen Stickstoff und – mindestens eine in der Zuführung (25) angeordnete Armatur (28, 33), die in Abhängigkeit von den Ist-/Sollwerten ansteuerbar ist.Apparatus for producing protective or reactive gases for the heat treatment of metals, characterized by - an on-site nitrogen production plant ( 13 ) for producing oxygen-contaminated nitrogen and a hydrocarbon supply ( 24 ), via a line ( 19 ) with a reactor ( 18 ), - one with the line ( 19 ) connected oxygen meter ( 22 ) for detecting the actual value of the oxygen content in the nitrogen, - a control device ( 34 ), that of the oxygen meter ( 22 ) detected actual value can be supplied and a setpoint ( 40 ), - one with the line ( 19 ) via a feeder ( 25 ) connected source ( 1 ) for cryogenic nitrogen and - at least one in the feed ( 25 ) arranged fitting ( 28 . 33 ), which can be controlled as a function of the actual / setpoint values. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (19) zwischen der On-Site-Anlage (13) und dem Reaktor (18) ein den Gasstrom einstellender Druckflussmengenbegrenzer (21) angeordnet ist.Device according to claim 2, characterized in that in the line ( 19 ) between the on-site facility ( 13 ) and the reactor ( 18 ) a gas flow adjusting Druckflußmengenbegrenzer ( 21 ) is arranged. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflussmengenbegrenzer (21) als Ventil ausgebildet ist, das von der Regeleinrichtung (34) ansteuerbar ist.Device according to claim 2 or 3, characterized in that the flow rate limiter ( 21 ) is designed as a valve, which is controlled by the control device ( 34 ) is controllable. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Durchflußmengenbegrenzer (21) und dem Sauerstoffmeßgerät (22) eine Luft- oder Sauerstoffversorgung (17, 31) mit der Leitung (29) verbunden ist.Device according to one of claims 2 or 4, characterized in that between the flow rate limiter ( 21 ) and the oxygen meter ( 22 ) an air or oxygen supply ( 17 . 31 ) with the line ( 29 ) connected is. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die On-Site-Stickstofferzeugungsanlage (13) eine Druckluftquelle (14) aufweist die, von der Regeleinrichtung (34) ansteuerbar und deren Druckluftmenge veränderbar ist.Device according to one of Claims 2 to 4, characterized in that the on-site nitrogen production plant ( 13 ) a compressed air source ( 14 ), which, from the control device ( 34 ) can be controlled and the amount of compressed air is variable.
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