S. Bajohr

Modeling of Acetylene Pyrolysis under Steel Vacuum Carburizing Conditions in a Tubular Flow Reactor

In the present work, the pyrolysis of acetylene was studied under steel vacuum carburizing conditions in a tubular flow reactor. The pyrolysis temperature ranged from 650 degrees C to 1050 degrees C. The partial pressure of acetylene in the feed mixture was 10 and 20 mbar, respectively, while the rest of the mixture consisted of nitrogen. The total pressure of the mixture was 1.6 bar. A kinetic mechanism which consists of seven species and nine reactions has been used in the commercial computational fluid dynamics (CFD) software Fluent. The species transport and reaction model of Fluent was used in the simulations. A comparison of simulated and experimental results is presented in this paper.

Modellierung des Pyrolyseverhaltens von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl

Kurzfassung Die bei der Niederdruckaufkohlung von Stahl im Ofenraum und an der Stahloberfläche ablaufenden Pyrolyse- und Aufkohlungsvorgänge sind bisher nur zum Teil verstanden. Am Engler-Bunte-Institut wird vor allem unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der Aufbauproduktbildung und des Verständnisses der Entstehung höherer Kohlenwasserstoffe die Aufkohlung mit verschiedenen kurzkettigen Kohlenwasserstoffen untersucht. Im Rahmen des vorliegenden Artikels wird die Modellierung des homogenen Pyrolyseverhaltens von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl vorgestellt. Mit einem formalkinetischen Modell für die homogene Ethinpyrolyse können die in verschiedenen Laborapparaturen ablaufenden Pyrolysereaktionen über einen weiten Versuchsparameterbereich, unter Bedingungen nahe denen industrieller Anlagen, zuverlässig beschrieben werden.

Niederdruck-Carbonitrieren mit Aminen* Low Pressure Carbonitriding with Amines

Kurzfassung Das Niederdruck-Carbonitrieren ist ein modernes Verfahren zum Einsatzhärten von niedriglegierten Einsatzstählen. Bei ihm werden Kohlenstoff und Stickstoff bei Gesamtdrücken von kleiner 50 mbar und bei Temperaturen über 800 °C in der Randschicht der zu behandelnden Werkstücke angereichert. In der Literatur wird fast ausschließlich Ammoniak als Stickstoffdonator, in Verbindung mit einem Kohlenstoffdonator, meist Ethin oder Propan, als Prozessgas diskutiert [1–3]. Der Einsatz anderer Gase bzw. Gasmischungen als Donatoren für Kohlenstoff und Stickstoff sowie deren Wirksamkeit bei der Anreicherung der Randschicht mit den genannten Elementen wird so gut wie nicht behandelt. Am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie wurden daher potenzielle Prozessgase für das Niederdruck-Carbonitrieren identifiziert. Deren Wirksamkeit beim Anreichern einer Bauteils-Randschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff wurde in einer Thermowaage experimentell untersucht. Mit Methylamin (CH3NH2) und Dimethylamin ((CH3)2NH) konnten zwei Prozessgase gefunden werden, die im Vergleich zu Ammoniak in Verbindung mit einem Kohlenstoffdonator (z. B. Ethin, Propan) zu einer guten Anreicherung der Randschicht mit Kohlenstoff und Stickstoff führen. Auf Basis einer vorangegangenen Potenzialanalyse werden in der vorliegenden Veröffentlichung ausschließlich Untersuchungsergebnisse zum Niederdruck-Carbonitrieren mit Methylamin vorgestellt.

Thermogravimetrische Untersuchungen zur Aufkohlungswirkung verschiedener Kohlenwasserstoffe

Kurzfassung Die bei der Niederdruckaufkohlung im Ofenraum und an der Stahloberfläche ablaufenden Pyrolyse- und Aufkohlungsvorgänge sind bisher nur zum Teil verstanden. Am Engler-Bunte-Institut, Karlsruhe, wird vor allem unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der Aufbauproduktbildung und des Verständnisses der Entstehung höherer Kohlenwasserstoffe die Aufkohlung mit verschiedenen kurzkettigen Kohlenwasserstoffen untersucht. Im Rahmen des vorliegenden Artikels werden Ergebnisse zur thermogravimetrischen Untersuchung der Aufkohlung von 16MnCr5 mit den Kohlenwasserstoffen Ethin, Ethen, Propan und Vinylacetylen vorgestellt und kritisch bewertet. Mit Hilfe von zeitlich aufgelösten Aufkohlungsverläufen lassen sich die Interaktionen zwischen Pyrolysereaktionen in der Gasphase und der Aufkohlungswirkung erklären. Das Ergebnis zeigt lösungsmittelfreies Ethin als den aufkohlungswirksamsten der untersuchten Kohlenwasserstoffe, und dass aber auch Ethen besonders bei hohen Aufkohlungstemperaturen geeignet ist.

Simulation der Pyrolyse- und der Oberflächenreaktionen von Ethin beim Niederdruckaufkohlen von Stahl*

Kurzfassung Die bei der Niederdruckaufkohlung von Stahl im Ofenraum und an der Stahloberfläche ablaufenden Pyrolyse- und Aufkohlungsvorgänge sind bisher nur zum Teil verstanden. Am Engler-Bunte-Institut wird vor allem unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der Aufbauproduktbildung und des Verständnisses der Entstehung höherer Kohlenwasserstoffe die Aufkohlung mit verschiedenen kurzkettigen Kohlenwasserstoffen untersucht. Im vorliegenden Artikel wird die Modellierung der Pyrolyse- und der Oberflächenreaktionen von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl vorgestellt. Mit einem formalkinetischen Modell zur Beschreibung der homogenen Ethinpyrolyse können die in verschiedenen Laborapparaturen untersuchten Pyrolysereaktionen über einen weiten Versuchsparameterbereich und unter Bedingungen nahe denen industrieller Anlagen zuverlässig beschrieben werden. Durch Einführung einer zusätzlichen Oberflächenreaktion wurde ein Aufkohlungsmodell formuliert, welches die Gasphasenzusammensetzungen auch während des instationären Aufkohlungsvorgangs beschreiben kann.

Scale-Up of Innovative Honeycomb Reactors for Power-to-Gas Applications - The Project Store&Go

Abstract The German “Energiewende” is heavily based on electric power and, therefore, requests solutions to serve non‐electric energy uses and to store electric energy in large scale. Synthetic natural gas (SNG) produced with hydrogen from water electrolysis and with CO2 from mainly renewable sources is one approach. For the catalytic SNG production efficient removal and utilization of the reaction heat is the main issue. A metallic honeycomb‐like carrier‐based reactor proved in laboratory scale to match this challenge. This type of reactor shows good heat conductivity and enables optimized operation. In the EU‐funded project Store&Go the honeycomb methanation is scaled up to MW‐scale. For this, heat transfer and kinetic data were determined experimentally and used in CFD calculations for the reactor design. Finally a SNG plant with 1 MW feed‐in will be built and fully integrated operation will be shown.

Some Aspects of Low Methylamine Partial Pressure Carbonitriding

Abstract Low pressure carbonitriding is a case hardening process under development. At temperatures between 800 °C and 1050 °C and at total pressures below 50 mbar the carbon and nitrogen concentrations in the outer layer of steel parts are increased and the parts are subsequently hardened by quenching. As state of the art, ammonia is used as the nitrogen donor, in combination with a carbon donor gas, mainly acetylene or propane [1–3]. Other possible carbonitriding gases are not mentioned in recent literature with the exception of a Soviet Union patent [4], but no information on the application of this invention was found. At the Engler-Bunte-Institut of the Karlsruhe Institute of Technology, methylamine and dimethylamine were identified as potential carbonitriding gases, and their carbonitriding behavior was experimentally studied using a thermobalance. The experiments proved an increased nitrogen uptake of the steel samples in comparison to the state of the art. The carbon uptakes were in the same order of magnitude to a comparable process with acetylene. In addition to earlier published results for methylamine as the carbonitriding gas [5], this paper focuses on some operational and kinetic effects.

Modellierung des Niederdruckaufkohlungsprozesses mit Ethin in einer großtechnischen Aufkohlungskammer

Kurzfassung Die bei der Niederdruckaufkohlung von Stahl im Ofenraum und an der Stahloberfläche ablaufenden Pyrolyse- und Aufkohlungsvorgänge sind bisher nicht vollständig verstanden. Am Engler-Bunte-Institut wird vor allem unter dem Gesichtspunkt der Minimierung der Aufbauproduktbildung und des Verständnisses der Entstehung höherer Kohlenwasserstoffe die Aufkohlung mit verschiedenen kurzkettigen Kohlenwasserstoffen untersucht. Im vorliegenden Artikel wird die Modellierung des großtechnischen Niederdruckaufkohlungsprozesses mit Ethin auf Basis einer numerischen Strömungssimulation vorgestellt. Dieses Modell vereint ein formalkinetisches Modell zur Beschreibung der homogenen Ethinpyrolyse, ein Modell zur Beschreibung der Kohlenstoffabstraktion an der Bauteiloberfläche und der Kohlenstoffdiffusion im Bauteil mit dem kommerziell erhältlichen Programmcode Fluent® zur Berechnung der Strömung im freien Gasraum. Mit diesem komplexen Modell können die Zusammensetzung der Abgase, der Aufkohlungsstrom während des instationären Aufkohlungsvorgangs und des Weiteren das resultierende Kohlenstoffprofil in den Bauteilen berechnet werden. Nach erfolgreicher Validierung des Modells an verschiedenen Laborapparaturen wurde der Pyrolyse- und Aufkohlungsprozess in einer industriellen Niederdruckaufkohlungsanlage simuliert.

Katalytische Abgasreinigung unter den Bedingungen der industriellen Niederdruckaufkohlung mit Acetylen

Kurzfassung Die Niederdruckaufkohlung von Stahl ist ein modernes Aufkohlungsverfahren, welches bei der Einsatzhärtung stark beanspruchter Bauteile eingesetzt wird. Die Niederdruckaufkohlung bietet im Vergleich zu anderen Aufkohlungsmethoden den Vorteil hoher Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit der Aufkohlungsergebnisse. Als problematisch bei diesem Verfahren ist jedoch vor allem die ungewollte, aber unvermeidliche Bildung von Polymeren und polyzyklischen Aromaten, wie z.B. Benzol und Naphthalin, anzusehen. Diese höheren Kohlenwasserstoffe kondensieren in den Rohrleitungen und lösen sich im Vakuumpumpenöl, was zu erheblicher Beeinträchtigung des Verfahrens führen kann. Der höhere Wartungs- und Reinigungsaufwand der Anlagen ist mit zusätzlichen Kosten verbunden. In der vorliegenden Arbeit soll ein Lösungsansatz zur katalytisch unterstützten Reinigung von Abgasen aus der Niederdruckaufkohlung von Stahl vorgestellt werden. Mit einer solchen Prozessstufe sollte es möglich sein, die Abgase aus der Aufkohlung direkt in für den Gesamtprozess unkritische Verbindungen umzusetzen. Um die Möglichkeiten einer solchen katalytischen Nachbehandlung zu überprüfen, wurde in einer geeigneten Versuchsapparatur zunächst das Aufkohlungsgas C2H2 unter ähnlichen Bedingungen wie bei der industriellen Niederdruckaufkohlung pyrolysiert. Anschließend wurde das entstehende Pyrolysegas in einen zweiten Reaktor geleitet, in welchem verschiedene Katalysatorsysteme zur Umsetzung der Pyrolysegase getestet wurden. Hierbei kristallisierte sich ein Katalysatorsystem auf der Basis NiCrLa/Al2O3 als besonders geeignet für die gestellte Aufgabe heraus.