[发明专利]膜分离制备金属热处理氮基气氛的方法及设备

说明书

本发明属于氮基气氛的生产方法及设备。

用于机械制造和冶金工业的含氢和一氧化碳的氮基气氛有多种生产方法。目前，较多报导的是从甲醇出发制备氮基气氛。如中国专利CN881033050.3公开一种甲醇与含氧氮气在燃烧裂解双功能催化剂作用下制备氮基保护气氛的方法。又如中国专利90107440.3提供一种“金属热处理用氮基可控气氛的生产方法”，该方法是将甲醇与工业普氮通入含有甲醇裂解、氧化双功能催化剂的固定床反应器中，甲醇裂解生成的氢和一氧化碳与工业氮气中的氧发生反应脱除氧，改变甲醇与工业普氮的配比可方便地调节可控气氛中的氢、一氧化碳及氮气的含量，或者采用甲醇裂解气与工业氮气混合后脱氧的方法。上述方法在反应过程中都不同程度地发生一氧化碳和氧反应生成二氧化碳的问题，因而产气中的二氧化碳含量较高，有的甚至达到10％以上。根据热处理工艺的不同要求，特别是氢气和一氧化碳含量在3％左右的弱还原性气氛中二氧化碳含量应在10-100ppm，否则不仅要脱水还要脱除二氧化碳。二氧化碳的脱除比较困难，设备庞大，造价高，能耗大。

本发明的目的在于提供一种新的制备氮基气氛的方法及设备，该方法及设备能尽可能减少二氧化碳的生成，并具有简单、节能降耗、操作方便、灵活多样、适应性广的优点。

本发明的膜分离制备金属热处理氮基气氛的方法包括如下步骤：

(1).将液体甲醇加压汽化后通入装填有裂解、氧化双功能催化剂的固定床反应器内进行催化裂解反应，生成含氢、一氧化碳及少量甲烷和二氧化碳的甲醇裂解气体，

(2).将上述甲醇裂解气体全部或部分导入膜分离器，在0.2-5.0Mpa压力下，裂解气经膜分离器后产生两路气体：渗透气和未渗透气，

(3).渗透气与纯度＞95％的工业氮气混合，经脱氧、冷凝、净化后输出含氢的高纯氮气，

(4).未渗透气可以排空也可以和未进入膜分离器的甲醇裂解气混合后与脱氧、冷凝的氮气混合，净化后配制氮基气氛，

所说的未渗透气和未进入膜分离器的甲醇裂解气与脱氧、冷凝的氮气可以先混合后净化，亦可先将氮气净化后再混合配制成适用的氮基气氛，

为了减少二氧化碳的生成和满足某些热处理工艺对气氛中甲烷含量的要求，可以在脱氧反应后加一级甲烷化反应，使氮气脱氧反应生成的少量二氧化碳转化成甲烷，或定量配入未渗透气和未进入膜分离器的甲醇裂解气，使其中的一氧化碳和少量的二氧化碳转化成甲烷，制成富甲烷的氮基气氛。

为实施上述膜分离制备金属热处理氮基气氛的方法而设计的专用设备，包括进料泵，缓冲罐，汽化器，裂解反应器，裂解气冷凝器，膜分离器，脱氧反应器，甲烷化反应器，冷凝器，净化器，各部件之间用管线连接，用阀门、流量及压力控制元件控制。

本发明采用的膜分离技术，对甲醇裂解所产生的甲醇裂解气有良好的分离效果。渗透气的组成主要是氢气和少量的一氧化碳，氢气纯度95-97％，收率25-75％，一氧化碳含量3-5％。渗透气直接与工业氮气混合，进行脱氧反应。未渗透气主要是剩余的氢气和一氧化碳，不参与脱氧反应，可直接或净化后用于配制氮基气氛。膜分离器的分离效果即分离后的氢气纯度和气量与压差、温度、膜元件的连接及其膜材料有关，本发明选用的压力为0.2-5.0MPa，通过调节膜分离器入口和渗透气出口的压差大小可以控制渗透气气量的大小，温度高(不得达到膜材料的极限温度)虽然渗透气量大但选择性差，温度低则反之，为了延长膜材料的使用寿命一般选用室温即可。膜材料可选用聚砜、聚酰亚胺、醋酸纤维素以及其它具有良好的氢气与一氧化碳分离性能的膜材料。膜分离器市场已有商品出售，根据需要可选用1-4个，以串联、并联或串并联方式连接，以提高氢气的纯度和收率。

本发明的甲醇裂解可采用工业已有技术，所用催化剂最好选用甲醇裂解、氧化双功能催化剂(该催化剂无氮气不脱氧时，即是甲醇裂解催化剂)也可选择用铜基或锌铬催化剂，后者可从市场上买到。本发明所述的氮源最好是深冷分离法、变压吸附法或气体膜分离法制备的空分氮，氧含量在0.1-5％，如果氮气中氧含量大于3％，就必须采用分级脱氧，否则反应放出的热会把催化剂烧坏，同时操作也不安全。本发明所采用的脱氧、甲烷化、冷凝及净化均可采用公知技术完成，脱氧催化剂可用市售的“1589”、“105”、钯系或铜系、锰系等氢气脱氧催化剂。