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Verfahren zur gesteuerten Herstellung von Gasgemischen durch Reaktion
gasförmiger Kohlenwasserstofe und Generator zur Durchführung des Verfahrens Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur gesteuerten Herstellung von Gasgemischen und
einen Generator zur Durchführung des Verfahrens.
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Insbesondere soll nach diesem Verfahren ein Gasgemisch hergestellt
werden, das in einen Ofen zur Erhitzung von Metallgegenständen eingeführt wird.
Dieses Gasgemisch kann so zusammengesetzt sein, daß es entweder »neutral« ist, d.
h. nicht mit den zu behandelnden Gegenständen reagiert, oder »aktiv« ist, d. h.
eine oder mehrere definierte Reaktionen verursacht, z. B. Einsatzhärtung, Entkohlung,
gesteuerte Oxydation, Desoxydation usw.
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Von den verschiedenen Vorrichtungen zur Herstellung derartiger Gasgemische
sollen folgende erwähnt werden.
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a) Generatoren, in denen Ammoniak zersetzt wird, b) Holzkohlengasgeneratoren,
c) Gasgeneratoren, die durch unvollkommene Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Gasgemische
entwickeln, und d) Gasgeneratoren, die mit Crackung und gesteuerter Oxydation von-
Kohlenwasserstoffen arbeiten. In Vorrichtungen der letzteren Art wird die zur Aufrechterhaltung
der Reaktionstemperatur erforderliche Wärme durch innere oder äußere Heizung zugeführt.
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Vorrichtungen mit Außenheizung weisen jedoch einen zu geringen Wirkungsgrad
auf, diejenigen mit Innenheizung besitzen nur einen engen Steuerungsbereich.
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Auch ein Verfahren zur Herstellung von Schutzgas, bei dem Gas-Luft-Gemische
verschiedener Zusammensetzung nacheinander durch eine Kontaktmasse geleitet werden,
ist bekannt. Ein auf diese Weise erzeugtes Schutzgas wechselt jedoch in seiner Zusammensetzung
periodisch je nach der Zusammensetzung des eingeführten Gas-Luft-Gemisches. Demgegenüber
werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gemische verschiedener Zusammensetzung
gleichzeitig verschiedenen Stellen der Kontaktmasse zugeführt. Die Verbrennung und
die Crackung finden also, räumlich und zeitlich gesehen, nebeneinander statt. Das
erhaltene Schutzgas hat eine stets konstante Zusammensetzung; eine zusätzliche Heizung
ist im allgemeinen überflüssig.
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Das Cracken muß bei dem bekannten Verfahren unter sehr sorgfältig
einzuhaltenden Bedingungen durchgeführt werden. Der gasförmige Kohlenwasserstoff,
der mit einem bestimmten Anteil Luft und gegebenenfalls mit Dampf vermischt ist,
wird mit einer Kontaktmasse (Katalysator), die gewöhnlich aus Aluminiumoxydteilchen
besteht, in Berührung gebracht und auf 950 bis 1150° C erhitzt. Die Kohlenwasserstoffmoleküle
werden dadurch gespalten, wobei sich der Luftsauerstoff mit dem Kohlenstoff unter
Bildung von Kohlendioxyd oder Kohlenmonoxyd verbindet, während der Wasserstoff im
freien Zustand verbleibt oder sich zu Wasser umsetzt.
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Unter gewissen Umständen kann die Temperatur der Kontaktmasse lediglich
durch die Reaktionswärme aufrechterhalten werden.
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Hierfür muß man jedoch den Sauerstoffanteil so regulieren, daß die
Erhitzungszone nicht in die Katalysatormasse in Richtung der Strömung des Gemisches
fortschreitet. Man kann ferner ein CO. -
reiches Gas herstellen, ohne Gefahr
zu laufen, daß sich das Gasgemisch in der Zuflußleitung entzündet. Die Anwendungsmöglichkeiten
solcher Vorrichtungen zur Gewinnung von Gasgemischen, die zur Behandlung von Metallen
in Öfen verwendet werden, sind daher ziemlich beschränkt.
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Diese Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden.
Mit ihm ist die Herstellung
sehr unterschiedlich eingestellter
Gasgemische möglich, die große Unterschiede in ihrer Zusammensetzung aufweisen,
wie sie mit den bekannten Vorrichtungen nicht erhalten werden konnten.
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Das Verfahren zur gesteuerten Herstellung von Gasgemischen durch Reaktion
gasförmiger Kohlenwasserstoffe mit Luft beim Durchströmen eines mit Kontaktmasse
gefüllten, vertikalen, wärmeisolierten Behälters, insbesondere zur Herstellung von
Schutzgasen für Blankglühzwecke, besteht erfindungsgemäß darin, daßKohlenwasserstoff-Luft-Gemische
verschiedener Zusammensetzung gleichzeitig in verschiedenen, einander nahen Höhenstufen
derart in die Kontaktmasse eingeleitet werden, daß eine Zweistufenreaktion der nach
oben strömenden Gase eintritt, wobei das in der unteren Stufe eingeleitete, verhältnismäßig
luftreiche Gemisch durch stark exotherme Reaktion die Kontaktmasse auf der erforderlichen
hohen Temperatur hält, während das in der oberen Stufe eingeleitete luftarme Gemisch
nur schwach exotherm oder gar endotherm reagiert. Die Einführung und die Zusammensetzung
der beiden Gemische kann hierbei so erfolgen, daß das endgültige Gemisch die für
den jeweiligen Zweck erforderliche Zusammensetzung aufweist.
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Da es zu Beginn des Verfahrens nötig ist, die Kontaktmasse auf eine
Temperatur zu bringen, die die erforderlichen Reaktionen ermöglicht, wird zum Anheizen
in die erste, untere Stufe ein luftreiches Gemisch, d. h. ein Gemisch im stöchiometrischen
Verhältnis oder mit einem geringen Luftüberschuß eingeführt und an der Oberfläche
der Kontaktmasse entzündet. Wenn an der Basis der zweiten oberen Einlaßstufe die
Reaktionstemperatur erreicht ist, werden die Zuströmgeschwindigkeiten und die Zusammensetzungen
der Luft- und Gasgemische bei beiden Stufen so eingestellt, daß das Verfahren, wie
oben erläutert, in normaler Weise ablaufen kann.
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Der Generator zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem vertikalen,
wärmeisolierten, eine Kontaktmasse enthaltenden Gefäß, in dem erfindungsgemäß in
zwei verschiedenen, benachbarten Ebenen Vorrichtungen wie durchlöcherte Rohre zur
Zufuhr des Ausgangsgemisches in zwei verschiedenen Stufen in die Kontaktmasse eingebettet
sind, welche dieAusbildung einer Zweistufenreaktion ermöglichen, wobei vorzugsweise
jedes der Rohre mit radialen, in zwei im Winkel von 90° angeordneten Lochreihen
versehen ist, und die Löcher in den Rohren der unteren Stufe nach oben und die Löcher
in den Rohren der oberen Stufe nach unten gerichtet sind.
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Die Rohre, durch welche das Gasgemisch in die Kontaktmasse eingeleitet
wird, bestehen aus den herrschenden Temperaturen entsprechend wärmebeständigen Stoffen.
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Zwischen den beiden Schichten ist eine Temperaturmeßvorrichtung eingebaut.
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Das Gefäß wird durch einen Deckel verschlossen, der z. B. mit Sand
abgedichtet ist und in der Mitte eine Öffnung aufweist, die durch eine drehbare,
mit einem Fenster versehene Scheibe verschlossen ist; durch sie wird am Anfang die
Reaktion gezündet und später der Ablauf der Reaktion beobachtet.
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Ein Ausführungsbeispiel des Generators wird im folgenden an Hand von
Zeichnungen näher erläutert. Der Generator, der in Fig. 1 im Längsschnitt und in
den Fig. 2, 3 und 4 im Querschnitt entlang der Linien II-II, HI-III bzw. IV-IV gezeigt
ist, besteht aus einem rechteckigen Gefäß mit zwei Metallwandungen 1 und 1', die
im rechten Winkel auf die Grundplatte 2 aufgeschweißt sind und zwischen denen sich
ein Wärmeisoliermittel befindet.
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Am oberen Teil der Wand 1 und an ihrer Außenseite ist ein Kanal 3
angeordnet, der mit einem Z-förmigen Profilstück an die Wand angeschweißt ist.
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Das Gefäß kann mit dem Deckel s verschlossen werden, der mit zwei
Handgriffen 6 und einer in den Kanal 3 hineinragenden Kante 7 versehen ist. Wenn
man den Kanal 3 mit Sand auffüllt, erhält man eine gasdichte Verbindung. Der Deckel
5 ist auf dem Gefäß mit vier Hebelverschlüssen 8 befestigt, von denen jeder an einer
Welle 9, die ein Teil des Profilstücks 4 ist, sitzt und mit je einem der vier Bolzen
10 an den Seiten des Deckels zusammenwirkt.
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In der Mitte des Deckels befindet sich eine öffnung 11, die durch
die Rundscheibe 12 verschlossen ist, welche am Zapfen 13 des Deckels 5 drehbar angebracht
ist. Die Scheibe 12 besitzt ihrerseits eine mit einer Glimmerplatte 14 verschlossene
Öffnung. Die Glimmerplatte ist mit Hilfe eines elastischen Rings 15 in der Scheibe
befestigt. Der mit einem Gewinde versehene Zapfen 13 dient dazu, um mit der Schraubenmutter
16 die Rundscheibe 12 an die CSffnung 11 zu pressen.
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Innerhalb des Gefäßes sind drei feuerfeste Wände 17, 17' und 17" gezogen,
die zwischen sich zwei Kamine 18 und 18' bilden und sich auf etwa zwei Drittel der
Höhe des Gefäßes erstrecken.
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Die beiden Kamine 18 und 18' werden von den Rohren 19, 19', 20 und
20' durchzogen, die in zwei parallelen horizontalen Ebenen angeordnet sind.
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Diese vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl bestehenden Rohre sind
radial mit zwei Lochreihen 19 a, 19 a', 20 a und 20 a' versehen, wobei
die Reihen in jedem Rohr im Winkel von 90° zueinander stehen.
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Die Löcher in den Rohren 19 und 19' der unteren Ebene sind nach oben
gerichtet, während die Löcher in den Rohren 20 und 20' der oberen Ebene nach unten
gerichtet sind.
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Zwischen den beiden Rohrreihen ist ein an einer Seite verschlossenes
Rohr 21 mit Flansch 22 angebracht für die Einführung eines Thermometers in die Kamine.
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Die Rohre 19 und 19' gehen durch die Wände 1 und 1', wo sie mit Buchsen
23 versehen sind, die an die beiden Wände angeschweißt sind.
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Diese Rohre sind an ihrem Ende ebenso verschlossen wie die an deren
Ende von den Buchsen 23 gebildeten Taschen.
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Die Rohre 19 und 19' sind fest in die mit Muffen 26 und 27 versehenen
Flansche 24 und 25 eingepaßt. Auf diese Muffen ist ein T-Verbindungsstück 28 bzw.
ein Knie 29 aufgeschraubt, mit dem die Rohre untereinander über ein Rohr 30 verbunden
und weiterhin mittels eines anderen Rohrs 32 und dem Verbindungsstück 33 an den
Einlaßkasten 31 angeschlossen sind. Der Einlaßkasten 31 ist mit dem tangential angeordneten
Mundstück 34 und einem Rohr 35 versehen, das mit Löchern versehen ist und mit dem
Gaseinlaßrohr, bestehend aus den Rohren 32 und 30, in Verbindung steht.
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Die Rohre 20 und 20' der Fig. 3 sind wie die Rohre 19 und 19', aber
in umgekehrter Stellung angeordnet. Die Rohre 20 und 20' passen dicht in die Muffen
26' und 27', die ein Teil der Flansche 24' und 25' darstellen. Ein T-Verbindungsstück
28' bzw.
ein Knie 29', verbunden durch das Rohr 30', sind auf die
Muffen 26' bzw. 27' aufgeschraubt.
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Die Verbindung 28' ist durch das Rohr 32' und das Verbindungsstück
33' mit dem Einlaßkasten 31' verbunden, der mit einem tangential angeordneten Mundstück
34' und einem Einlaßrohr 35' versehen ist.
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Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ragt durch die Wände 1 und 1' des Gefäßes
das Rohr 36, durch welches das in dem Generator erhaltene Gasgemisch gesammelt und
abgeleitet werden kann.
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Die Kontaktmasse befindet sich in den vertikalen Kaminen 18 und 18'.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgende: Das Gasgemisch, das
z. B. aus Propan und Luft besteht, wird in die Rohrpaare 19, 1.9' und 20, 20' eingeführt
und strömt durch die Vorrichtung nach oben.
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Im unteren Teil wird durch die Rohre 19 und 19' ein verhältnismäßig
luftreiches Gemisch eingeleitet, das eine stark exotherme Reaktion bewirkt, die
Kontaktmasse auf hohe Temperatur bringt und gleichzeitig heiße Reaktionsprodukte
erzeugt.
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Dieses Gemisch wird durch das Mundstück 34 und denEinlaßkasten 31
eingeleitet, in welchem es infolge der tangentialen Stellung des Mundstücks 34 in
rotierende Bewegung versetzt wird. Das Gemisch durchströmt das Einlaßrohr 32-30
und erreicht die Rohre 19 und 19', aus denen es durch die Löcher 19 a entweicht.
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In die obere Stufe, bestehend aus den Rohren 20 und 20', wird ein
Gasgemisch eingeleitet, das einen sehr niedrigen Luftgehalt aufweisen kann und eine
schwach exotherme oder sogar endotherme Reaktion erzeugt. Diese Reaktion findet
zwischen dem Kohlenwasserstoff und der in dieser Stufe eingeführten Luft und den
Reaktionsprodukten der unteren Stufe statt.
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Das Gemisch wird durch Mundstück 34' und den Einlaßkasten 31' geliefert
und erreicht über die Einlaßleitung 32'-30' die Rohre 20 und 20', aus denen es in
die Kamine 18 und 18' durch die Löcher 20 a und 20a' entweicht.
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Zu Beginn der Reaktion muß man die Kontaktmasse auf genügend hohe
Temperaturen bringen, was man durch Einleiten eines luftreichen Gemisches mit einer
stöchiometrischen Menge oder einem überschuß an Luft durch das Mundstück 34, den
Kasten 31, die Leitung 32-30 und die Rohre 19 und 19' erreicht. An der Oberfläche
des Katalysators entzündet man das Gasgemisch durch die Öffnung 11, nachdem man
die Scheibe 12 durch Drehen um den Zapfen 13 entfernt hat.
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Nach einigen Augenblicken bemerkt man durch das Schauglas der wieder
geschlossenen Öffnung, daß die Flamme in die Katalysatormasse eintritt und daß die
Verbrennung schließlich im Mittelpunkt der Masse ohne Flamme vor sich geht.
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Wenn die Reaktionstemperatur, die mit Hilfe eines in die Rohrtasche
21 eingeführten Kontaktthermometers beobachtet wird, erreicht ist, werden die Einlaßgeschwindigkeiten
und das Verhältnis von Luft zu Gas in beiden Stufen einreguliert. Die Reaktion verläuft
dann wie oben beschrieben.
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Bei normalem Betrieb werden die Reaktionsprodukte der unteren Stufe
bereits eine so hohe Temperatur aufweisen, daß man mit diesem Zweistufenverfahren
eine Reaktion durchführen kann, wie sie niemals in einer einzigen Stufe, d. h. durch
beständiges Halten der Kontaktmasse auf so hoher Temperatur, erreicht werden könnte.
Die Temperatur kann außerdem zur besseren Steuerung des Verfahrens auch an anderen
Stellen, z. B. am oberen Ende der Kontaktmasse, gemessen werden. Weiterhin kann
das Verhältnis eines oder mehrerer Gase im Endgemisch bestimmt werden.
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Die zur Steuerung des Verfahrens verwendbaren Variablen sind die Zufuhrgeschwindigkeit
der Gemische in jeder Stufe und die Zusammensetzung der Gemische in jeder Stufe.
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Die folgenden Beispiele zeigen Gasgemische, die mit einem erfindungsgemäßen
Generator erhalten wurden.
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1. Gas zum Ausglühen von Kupfer Einstellung Gemisch in der unteren
Stufe: Propan ....................... 9501/h Luft .......................... 95001/h
Gemisch in der oberen Stufe: Propan ....................... 01/h Luft ..........................
78001/h Gaszusammensetzung 02 ........................ 0% CO ......................
1,5 bis 2% C02 ...................... 9 bis 11% H2 -I- CH4 ................
1,50/0 N2 -I- H20 (vordemTrocknen) 85,5 bis 88% II. Desoxydierendes Gasgemisch Einstellung
Gemisch in der unteren Stufe: Propan ....................... 2821/h Luft ..........................
13001/h Gemisch in der oberen Stufe: Propan ....................... 13001/h Luft
.......................... 30271/h Wasserdampf .................. 32001/h Gaszusammensetzung
02 .............................. OD/o C02 ............................ 8,8% CO
............................. 13,3% H@ .............................. 36"/o N2 ..............................
41,6% CH4 ............................ 0,3% Mit dem oben beschriebenen Generator
lassen sich Gasgemische mit folgender Zusammensetzung herstellen.
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H2 ........................ 0 bis 40% O., ........................
0 bis 7% C"4 ....................... O bis 8% CO ........................ 0 bis
20 % CO., ...................... 0 bis 13 "/o H2Ö ......................
0 bis 16 %