專利名稱：制備熱處理氣氛的方法及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱處理氣氛領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及一種含氧混合物與另一種含烴混合物在氣體脫氧催化反應(yīng)器中反應(yīng)生成的氣氛。
“混合氣1”一般由空氣和深度致冷氮或是含殘量濃度氧的非純氮的混合物組成，所述非純氮可產(chǎn)生于經(jīng)滲透或吸收進行空分的場合。
至于“混合氣2”，大都為天然氣，丙烷，或是烴的混合物組成。
在生產(chǎn)實踐中，若現(xiàn)場對氣氛流量的需求多樣，則氣體發(fā)生器的操作控制是非常困難的。該問題源于兩種場合a)發(fā)生器向一廠內(nèi)幾臺熱爐供熱；b)發(fā)生器向一臺熱爐供熱。
場合a)此時，現(xiàn)場設(shè)多臺熱爐，運行期間，其中一臺或幾臺的熱爐常常在一天或一周內(nèi)隨時終止。這類停頓可以常規(guī)裝置進行，人為方式可用熱爐供氣管網(wǎng)上設(shè)置的閥門，或舉例而言，直接由氣體發(fā)生器自身自動控制有關(guān)網(wǎng)線上電磁閥的關(guān)閉。
無論采用何種裝置，氣氛發(fā)生器隨之都會接到響應(yīng)信號以降低輸出(減去停供熱爐的耗量)，如此則氣氛發(fā)生器的總輸出得以降低。
若催化反應(yīng)器的出口壓力改變，也即關(guān)閉一臺熱爐臺反應(yīng)器出口壓力降增加，則產(chǎn)生的輸出相應(yīng)降低。
事實上，由于管網(wǎng)具有長度或是其上還存在閥門、流量計等附設(shè)等，故應(yīng)考慮到每一管線還有其自身的壓降，這樣，相應(yīng)仍運行熱爐數(shù)而調(diào)節(jié)后的發(fā)生器輸出或多或少受每一網(wǎng)線壓降的影響，因之開通網(wǎng)線中的流通量也會產(chǎn)生偏離。故此，在實踐中，對每一網(wǎng)線也即每一臺熱爐而言，輸出分配并不能確保，常常是操作者還需人為地再調(diào)節(jié)每一熱爐的流量，以便使其達到相應(yīng)熱爐所需的流量水平。
場合b)以鐘形爐為例說明。此時，發(fā)生器向單臺熱爐供熱，氣體需用流量可變。
鐘形爐的溫度變化發(fā)生在幾小時甚或數(shù)十小時期間，一般包括大致規(guī)律的升溫、溫度平穩(wěn)段以及冷卻階段。一般在熱穩(wěn)定期間，用戶的氣流需用量呈臺階狀遞減。
此外，鐘形爐內(nèi)還常保持一定的過剩壓力(一般數(shù)量級為數(shù)十毫巴)，旨在限制空氣流入爐內(nèi)。在流量發(fā)生變化的特定條件下，維持相應(yīng)的過剩壓力非常困難，一般是人為地進行，實際上是借助閥門干預(yù)。
因此，本發(fā)明的一個目的是提出一種生成如上定義氣氛的改進方法，它可精確控制注入每一爐內(nèi)的氣氛量，而不必顧及現(xiàn)場使用多少臺熱爐。
按照本發(fā)明，該法利用一種含氧氣體混合物與另一種含烴的氣體混合物在催化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)制備熱處理氣氛，目的是向至少有一臺熱處理爐的用戶現(xiàn)場提供該氣氛，步驟如下a)連續(xù)測量催化反應(yīng)器出口處所得熱處理氣氛的壓力；b)將步驟a)中測得壓力與設(shè)定壓力Pc進行比較；且c)依照步驟b)中進行比較的結(jié)果，針對催化反應(yīng)器入口處混合氣1和/或混合氣2的氣流量實施必要的反饋，如此則相應(yīng)調(diào)整反應(yīng)器出口熱處理氣氛的壓力恢復(fù)至設(shè)定值Pc的水平。
本申請人的研究結(jié)果表明，不論是多臺熱爐設(shè)置還是只向單臺熱處理爐供氣，兩種場合下存在的所述問題均可通過監(jiān)控催化反應(yīng)器出口的壓力設(shè)定值獲得解決。
以三臺連續(xù)熱處理爐裝置為例說明于后。在給定時間，用戶停運第三號爐。由于第三供應(yīng)管線關(guān)閉產(chǎn)生壓降，故這個干預(yù)導致催化反應(yīng)器出口壓力增大。
按照本發(fā)明，相應(yīng)調(diào)節(jié)供應(yīng)催化反應(yīng)器的混合氣1和混合氣2的流量，以期在出口得到壓力回復(fù)設(shè)定水平Pc的熱處理氣氛。
因壓力重新達到設(shè)定壓力水平，且如前述每一管線壓力固定，故在運行中輸送至系統(tǒng)每一在線管線的流量固定在每一熱爐的常規(guī)需用流量水平，這樣運行中也就無任何干擾。
反應(yīng)器出口壓力設(shè)定值Pc依用戶現(xiàn)場的不同要求而定，它是有關(guān)現(xiàn)場最大需用流量和管網(wǎng)特定壓降的函數(shù)。
一般，設(shè)定值Pc介乎〔50毫巴，400毫巴〕之間。
有關(guān)同時向三臺熱爐供熱的場合的更多的細節(jié)例述于下文實施例中。
按照本發(fā)明，混合氣1的組分舉例而言為含殘量濃度氧的非純氮氣，這可由滲透或吸收進行空分得到，也可將空氣和深度制冷氮相混得到。
同樣作為例示，含烴的混合氣2由天然氣或是烴的混合物組成，但也可為一種更復(fù)雜的混合物，其中含工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場某一過程產(chǎn)生的工業(yè)副產(chǎn)，該副產(chǎn)優(yōu)選含氫、烴及CO混合物的比例較高一般至少占總量的50％。
舉例而言，本發(fā)明的催化反應(yīng)器含一種賤金屬(如鎳或銅)基催化劑，或以貴金屬(鉑或鈀)為基的催化劑。
按照本發(fā)明的一種實施方案，所用催化反應(yīng)器利用一種以貴金屬如鉑或鈀為基的催化劑，混合氣1與混合氣2于該反應(yīng)器內(nèi)進行反應(yīng)，溫度介于400～900℃間。
按照本發(fā)明的另一種實施方案，所用催化反應(yīng)器利用一種賤金屬(如鎳)基催化劑，混合氣1與混合氣2于該反應(yīng)器內(nèi)進行反應(yīng)時溫度為800～1200℃。
任何類型的數(shù)據(jù)處理單元均可用于監(jiān)控在反應(yīng)器出口測得的壓力，將該壓力與設(shè)定壓力Pc進行比較，以及向進入反應(yīng)器的物流實施反饋以保持壓力水平Pc，其間，這類單元只接收在催化反應(yīng)器出口測得的壓力，它包括任何執(zhí)行控制操作的裝置，如流量控制裝置(閥門、電磁閥等)。
這類控制裝置的執(zhí)行方式有多種可供選擇，例如，PID控制器或本領(lǐng)域中任何其它已知的控制器。
舉例而言，如將前述監(jiān)測、比較及反饋操作以編程方式體現(xiàn)于數(shù)據(jù)處理單元中，則該單元也包括本領(lǐng)域中已知的任一種適選可編程計算器。
例如，該單元可包括一臺可編程自動控制器。
反應(yīng)器出口壓力“連續(xù)”控制的概念應(yīng)視作與所用裝置的采樣速率有關(guān)，以可編程自動控制器為例，數(shù)據(jù)更新一般在1秒內(nèi)的各時段上進行。
就本方明的一個方面而言，催化反應(yīng)器的加熱溫度與產(chǎn)生氣氛的流量為從屬關(guān)系。例如，這種關(guān)系可通過以下方式達成按照用戶現(xiàn)場所有操作變量確定需向用戶提供的氣氛流量，據(jù)此將反應(yīng)器應(yīng)產(chǎn)出氣氛流量劃分為若干區(qū)段，再將每一區(qū)段與一個催化反應(yīng)器的加熱溫度設(shè)定值相關(guān)聯(lián)。
按照本發(fā)明方法可根據(jù)用戶現(xiàn)場特定需求制備組成多樣的熱處理氣氛，而且，氮基混合氣1中初始殘留氧濃度可適應(yīng)不同類型的熱處理環(huán)境，既可是保護性氣氛也可是較活性氣氛，例如脫碳氣氛；氮基混合氣中特別加入氫(優(yōu)選1％～30％體積)，CO(優(yōu)選0.5％～15％體積)，CO2(優(yōu)選100體積ppm～2％體積)，以及水蒸汽(其露點優(yōu)選-40℃～+20℃，甚或+30℃)。
為確保所得氣氛中基本無氧，優(yōu)選操作條件下烴的化學計量比略為過量，以使所得氣氛中尚余殘留的烴。
在此，我們將不贅述那些熟知本技術(shù)的人都能進行的有關(guān)計算，也即以氧和烴進行反應(yīng)的化學計量比以及待產(chǎn)出氣氛的給定參數(shù)(流量及組成，如CO和H2的濃度)為依據(jù)，確定原料混合氣1中所需最小殘留氧濃度，所用混合氣1的流量以及含烴混合氣2的流量并以此得出平衡化學計量比條件甚而是化學計量微過量條件。
反應(yīng)器出口氣體壓力水平P經(jīng)記錄后再傳送至數(shù)據(jù)處理單元，該單元對P和設(shè)定值Pc進行比較并調(diào)整該壓力，如此P回復(fù)至設(shè)定值Pc。
這種調(diào)整系經(jīng)調(diào)節(jié)產(chǎn)出氣氛的總流量完成，也即將P與Pc的差值變換為對應(yīng)氣氛總流量的一個設(shè)定值，該值隨后成為前所提及流量/濃度計算的基本數(shù)據(jù)。
以下以使用可編程自動控制器為例，說明這種調(diào)整的實施方法—自動控制器接收壓力測定信號P，該信號得自催化反應(yīng)器的出口；—自動控制器將該測定信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式(介于0～Nmax)；—該數(shù)字值N發(fā)送至PID控制模塊，由其實施一個控制并將表示該控制結(jié)果的N’值(舉例而言，當控制器受翻轉(zhuǎn)輸出作用時，則壓力越高而該值越低)以其輸出形式送出；
—自動控制器隨后將壓差P-Pc變換為流量設(shè)定值QC，規(guī)則有三PID輸出………流量(Nm3/h)o oNmaxQmaxN’ QC其中QC＝(Qmax×N’)/Nmax，Qmax為裝置所能產(chǎn)出的最大流量值；且—自動控制器再將總流量設(shè)定值QC轉(zhuǎn)換為含氧混合氣1的流量設(shè)定值QN2-O2和含烴混合氣2的流量設(shè)定值QCXHY。
不論采用什么方法，若從流量設(shè)定值QC和所需氣氛組成始，則以按以下時序進行轉(zhuǎn)換為好—先計算含氧混合氣1的流量設(shè)定值QN2-O2；—然后再由QN2-O2計算含烴混合氣2的流量設(shè)定值QCXCY(作為優(yōu)選，以對設(shè)定值QN2-O2的化學計量比略有過量為準)。
不難看到，上述時序的優(yōu)點是由混合氣1(如非純氮)的實際流量算得烴流量的設(shè)定值而非由氣氛總流量設(shè)定值算得。這基本上避免了積碳形成的危險，這是因為，若在控制觸發(fā)之時由氣體總流量設(shè)定值計算烴流量的設(shè)定值則會導致烴的用量對氧為非受控過剩，因而有產(chǎn)生積碳的危險。
本發(fā)明也涉及熱處理氣氛制備方法的控制方法，其間，含氧混合氣1和含烴混合氣2在催化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)后脫氧，在反應(yīng)器出口得到所需熱處理氣氛，供至少有一臺熱爐的用戶現(xiàn)場使用，這種方法是a)連續(xù)測定催化反應(yīng)器出口所得熱處理氣氛的壓力；b)將步驟a)中測得壓力與已設(shè)定壓力值PC進行比較；且c)根據(jù)步驟b)中進行比較的結(jié)果，針對催化反應(yīng)器入口處混合氣1和/或混合氣2的流量執(zhí)行必要的反饋，如此則相應(yīng)調(diào)整反應(yīng)器出口熱處理氣氛的壓力恢復(fù)至設(shè)定值PC。
本發(fā)明還涉及熱處理氣體的制備裝置，其中包括—含氧混合氣1原料；—含烴混合氣2原料；
—氣體脫氧催化反應(yīng)器，其中混合氣1與混合氣2進行反應(yīng)后在反應(yīng)器出口生成所述熱處理氣氛。
所述裝置的特征包括a)裝置1用于連續(xù)測量反應(yīng)器出口氣氛壓力；b)裝置2監(jiān)控裝置1的測量并將該測量與設(shè)定壓力PC進行比較；以及c)裝置3根據(jù)步驟b)中進行比較的結(jié)果，必要時相應(yīng)調(diào)整混合氣1和/或混合氣2在催化反應(yīng)器入口處的流量，以使氣體壓力回復(fù)至設(shè)定壓力PC。
按照本發(fā)明的一種實施方案，將裝置2與3組合在一個數(shù)據(jù)處理單元中，該單元包括一個可編程計算器以及控制流量調(diào)節(jié)裝置的裝置。
按照本發(fā)明的一種實施方案，這些控制裝置包括一臺PID控制器。
本發(fā)明的其它特點和優(yōu)勢由以下實施方案敘述及一并給出的附圖不難看出，但應(yīng)指出，這些實施方案僅為例示而非僅限于此。


圖1以框圖示出適宜實施本發(fā)明生成氣氛方法的一種設(shè)置。
圖2為圖1中催化反應(yīng)器1的更為詳細的圖示。
圖1中框內(nèi)符號1表示氣體發(fā)生器，此處，參照圖2所示，它包括一個以氧化鋁負載鉑作催化劑的催化反應(yīng)器，一臺氣/氣熱交換器以及包括一臺可編程計算器在內(nèi)的數(shù)據(jù)處理單元。
此處，作為反應(yīng)器供料的含氧混合氣1系空氣(原料2)與深度致冷氮(原料3)相混而得，另一供料含烴混合氣2在本例中由天然氣組成(原料4)。
按照本發(fā)明，混合氣1舉例而言也可由經(jīng)滲透或吸收所得非純氮組成。
上述混合氣在反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)后所得熱處理氣氛經(jīng)氣體管線5輸送至若干并列的氣體管線(6、7、8)，如此則在這些管線的終點處向三臺熱處理爐(圖中以F1、F2和F3表示)供氣。
每一管線均安裝一個產(chǎn)生壓降的裝置(分別為9、10和11)，這類裝置舉例有用于調(diào)節(jié)管線入流的節(jié)流閥和截止閥，或是氣體制動儀表。在更一般情形下，這類產(chǎn)生壓降的裝置也可通過每一管線的敷設(shè)方式實現(xiàn)，或是通過向每一爐內(nèi)噴射氣體的噴嘴的幾何構(gòu)置實現(xiàn)。
發(fā)生器輸送氣體壓力測量裝置(12)安裝在管線5上，介于發(fā)生器1與支線6、7、8之間。
圖1中—虛線(---)例示發(fā)生器1的數(shù)據(jù)處理單元所接收的數(shù)據(jù)流(特別是由壓力檢測器12發(fā)生的壓力數(shù)據(jù))；—點劃線(-·-·-)例示該單元向催化反應(yīng)器原料氣發(fā)出的反饋；且—點線(……)例示該單元作用于管線網(wǎng)之一的一個使該管線關(guān)閉的動作，例如，用戶對發(fā)生器發(fā)出的強制動作(如啟動按鈕)。
有許多可能的數(shù)據(jù)流方式以及經(jīng)數(shù)據(jù)處理單元輸出和輸入的動作方式，該圖所示配置僅為例示而已；同樣作為例示，可舉出以下數(shù)例i)至該單元的數(shù)據(jù)流；—在反應(yīng)器內(nèi)測得的溫度。舉例而言，據(jù)此可確定一個與反應(yīng)混合物相關(guān)的閾值控制該混合物的噴射，或是一個與裝置有關(guān)的安全閾值控制其關(guān)停；—在催化反應(yīng)器入口測得的壓力；—在輸送混合氣1的系統(tǒng)內(nèi)測得的壓力，如非純氮系統(tǒng)；—深度致冷氮系統(tǒng)(若使用該原料)內(nèi)測得的壓力；以及—取自熱爐的各種數(shù)據(jù)，如溫度、爐內(nèi)氣體成分等。
ii)該單元發(fā)出的動作流—針對環(huán)繞反應(yīng)器的熱電阻調(diào)節(jié)加熱溫度，按本發(fā)明的一個方面，該溫度與產(chǎn)生氣氛流量存在從屬關(guān)系；以及—與裝置有關(guān)的反饋，如過熱、需切換另一種原料時流體中某一原料的缺乏等。
圖2部分示出了催化反應(yīng)器1的一個實施方案的部分說明，其中，含氧混合氣2/3在通過板式換熱器23后，再經(jīng)管路21流入催化反應(yīng)器16的底部19。含烴的第二種混合氣4在第一種混合氣進入催化反應(yīng)器之前加入其中。
再股混合氣在反應(yīng)器16中反應(yīng)，生成的熱處理氣氛經(jīng)催化反應(yīng)器16頂部20排入與熱交換器23另一處相接的氣體管線22，經(jīng)該交換器后再從管路24引出送至一個或多個用戶地點25，F(xiàn)1，F(xiàn)2……標號17表示環(huán)繞催化反應(yīng)器的熱電阻，方框18表示反應(yīng)器周圍的熱絕緣。
為閱讀方便計，圖2中未包括數(shù)據(jù)處理單元或壓力測量系統(tǒng)以及流量控制裝置的有關(guān)細節(jié)，該單元(如自動控制器)正是從這類裝置采集數(shù)據(jù)或向其發(fā)出動作指令。
權(quán)利要求
1.一種熱處理氣氛的制備方法，該法使第一股含氧氣體混合物(2/3)與第二股含烴氣體混合物(4)于催化反應(yīng)器內(nèi)進行催化反應(yīng)，旨在向至少一處用戶現(xiàn)場(F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，25)提供所述氣氛，依照該方法a)連續(xù)測量反應(yīng)器出口所得熱處理氣氛的壓力(12)；b)將步驟a)中測得壓力與某一設(shè)定壓力PC進行比較；以及c)根據(jù)步驟b)中進行比較的結(jié)果，對第一氣體混合物和/或第二氣體混合物的相應(yīng)氣流量實施必要的反饋，以期在必要時使熱處理氣氛在反應(yīng)器出口處的壓力回復(fù)設(shè)定水平PC。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)使用一種貴金屬基催化劑且反應(yīng)在400～900℃間進行。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于反應(yīng)器內(nèi)使用一種以賤金屬為基的催化劑且反應(yīng)溫度介于800～1200℃。
4.按照權(quán)利要求2或3的方法，其特征在于反應(yīng)器的加熱溫度與產(chǎn)出氣氛流量間為從屬關(guān)系。
5.按照權(quán)利要求1至4任一項的方法，其特征在于所述第一氣體混合物系產(chǎn)自膜法或吸收法空分的非純氮氣，其中的殘余氧濃度高于或等于0.5％。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于殘余氧濃度介于2％～7％間。
7.按照權(quán)利要求1至4中任一項的方法，其特征在于所述第一氣體混合物系空氣與深度致冷制氮的混合物。
8.按照前述權(quán)利要求中任一項的方法，其特征在于熱交換在如下兩氣體介質(zhì)間進行—催化反應(yīng)器出口至用戶現(xiàn)場區(qū)間內(nèi)的所述熱處理氣氛；和—流入催化反應(yīng)器前的所述含氧第一氣體混合物。
9.一種制備熱處理氣氛方法的控制方法，其間，含氧第一氣體混合物和含烴第二氣體混合物在催化反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)并在反應(yīng)器出口得到所述熱處理氣氛，旨在向至少一處用戶現(xiàn)場提供該氣氛，依照該法a)連續(xù)測定催化反應(yīng)器出口所得熱處理氣氛的壓力P；b)將步驟a)中測得壓力P與設(shè)定壓力PC進行比較；以及c)根據(jù)步驟b)中進行比較的結(jié)果，對反應(yīng)器入口處第一氣體混合物和/或第二氣體混合物的相應(yīng)流量實施必要的反饋，以期在必要時使壓力P回復(fù)設(shè)定壓力PC。
10.按照權(quán)利要求9的控制方法，其特征在于通過調(diào)節(jié)產(chǎn)出的熱處理氣氛的總流量使壓力P回復(fù)至設(shè)定值PC的水平，也即將P與PC之差變換為氣氛總流量的一個設(shè)定值QC，而且，以總流量設(shè)定值QC和所需氣氛組成為已知數(shù)據(jù)進行下列步驟—計算含氧第一氣體混合物流量設(shè)定值QN2-O2；以及—基于設(shè)定值QN2-O2計算含烴第二氣體混合物流量設(shè)定值QCXHY。
11.制備熱處理氣氛的裝置，它包括—含氧第一氣體混合物氣源；—含烴第二氣體混合物氣源；以及—氣體脫氧催化反應(yīng)器(16)，其中第一氣體混合物與第二氣體混合物反應(yīng)后在反應(yīng)器出口產(chǎn)出所述熱處理氣氛，該裝置的特征在于包括；a)用于連續(xù)測量反應(yīng)器出口氣氛壓力的第一設(shè)備(12)；b)用于將步驟a)中測定結(jié)果與設(shè)定壓力PC進行比較的第二設(shè)備(1)；以及c)第三設(shè)備(1)，它根據(jù)步驟b)中進行比較的結(jié)果，在必要時相應(yīng)調(diào)節(jié)第一氣體混合物和/或第二氣體混合物在催化反應(yīng)器入口處的流量，以使所述壓力回復(fù)設(shè)定壓力水平PC。
12.按照權(quán)利要求11的裝置，其特征在于第二和第三設(shè)備組合在一個數(shù)據(jù)處理單元中，該單元包括一個可編程計算器以及控制流量調(diào)節(jié)裝置的裝置。
13.按照權(quán)利要求11或12的裝置，其特征在于它包括一臺可編程自動控制器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱處理氣氛的制備方法,該法使第一股含氧氣體混合物(2/3)與第二股含烴氣體混合物(4)于催化反應(yīng)器內(nèi)進行催化反應(yīng),旨在向至少一處用戶現(xiàn)場(F
文檔編號C21D11/00GK1170765SQ9711079
公開日1998年1月21日 申請日期1997年4月21日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月23日
發(fā)明者J·C·莫倫, P·波爾塔萊特麥克斯溫尼, P·波伊諾特 申請人:液體空氣喬治洛德方法利用和研究有限公司