Ацетилен

<час />

Фон

Ацетилен - бесцветный горючий газ с характерным запахом. Когда ацетилен сжижается, сжимается, нагревается или смешивается с воздухом, он становится очень взрывоопасным. В результате при его производстве и обращении требуются особые меры предосторожности. Чаще всего ацетилен используется в качестве сырья для производства различных органических химикатов, включая 1,4-бутандиол, который широко используется при получении полиуретана и полиэфирных пластиков. Второй по распространенности вид топлива - это кислородно-ацетиленовая сварка и резка металлов. Некоторые коммерчески полезные соединения ацетилена включают ацетиленовую сажу, которая используется в некоторых батареях с сухими элементами, и ацетиленовые спирты, которые используются в синтезе витаминов.

Ацетилен был открыт в 1836 году, когда Эдмунд Дэви экспериментировал с карбидом калия. Одна из его химических реакций произвела горючий газ, который теперь известен как ацетилен. В 1859 году Марсель Моррен успешно произвел ацетилен, когда использовал угольные электроды для зажигания электрической дуги в атмосфере водорода. Электрическая дуга оторвала атомы углерода от электродов и связала их с атомами водорода, образуя молекулы ацетилена. Он назвал этот газ карбонизированным водородом.

К концу 1800-х годов был разработан метод получения ацетилена путем взаимодействия карбида кальция с водой. Это генерировало контролируемый поток ацетилена, который мог сжигаться на воздухе, давая яркий белый свет. Карбидные фонари использовались шахтерами, а карбидные лампы использовались для уличного освещения до того, как электрические фонари стали общедоступными. В 1897 году Жорж Клод и А. Гесс отметили, что газообразный ацетилен можно безопасно хранить, растворяя его в ацетоне. Нильс Дален использовал этот новый метод в 1905 году для разработки автоматизированных морских и железнодорожных сигнальных фонарей длительного горения. В 1906 году Дален разработал ацетиленовую горелку для сварки и резки металла.

В 1920-х годах немецкая фирма BASF разработала процесс производства ацетилена из природного газа и углеводородов на нефтяной основе. Первый завод был введен в эксплуатацию в Германии в 1940 году. Эта технология появилась в Соединенных Штатах в начале 1950-х годов и быстро стала основным методом производства ацетилена.

Спрос на ацетилен рос по мере разработки новых процессов его переработки в полезные пластмассы и химические вещества. В Соединенных Штатах спрос достиг пика где-то между 1965 и 1970 годами, а затем резко упал, когда были обнаружены новые более дешевые альтернативные конверсионные материалы. С начала 1980-х годов спрос на ацетилен медленно рос примерно на 2-4% в год.

В 1991 году в США было восемь заводов по производству ацетилена. Вместе они производили в общей сложности 352 миллиона фунтов (160 миллионов кг) ацетилена в год. Из этой продукции 66% приходится на природный газ и 15% - на переработку нефти. Большая часть ацетилена из этих двух источников использовалась на участке или рядом с ним для производства других органических химикатов. Остальные 19% приходятся на карбид кальция. Часть ацетилена из этого источника использовалась для производства органических химикатов, а остальная часть использовалась региональными производителями промышленного газа для наполнения баллонов под давлением для местных заказчиков сварки и резки металла.

В Западной Европе в 1991 году основными источниками ацетилена были природный газ и нефть, а в Восточной Европе и Японии - карбид кальция.

Сырье

Ацетилен - это углеводород, состоящий из двух атомов углерода и двух атомов водорода. Его химический символ - C ₂ . H ₂ . В коммерческих целях ацетилен может быть получен из нескольких различных видов сырья в зависимости от используемого процесса.

В простейшем процессе карбид кальция взаимодействует с водой с образованием газообразного ацетилена и суспензии карбоната кальция, называемой гашеной известью. Химическая реакция может быть записана как CaC ₂ + 2 H ₂ O → C ₂ H ₂ + Са (ОН) ₂ .

В других процессах в качестве сырья используется природный газ, который в основном представляет собой метан, или углеводороды на основе нефти, такие как сырая нефть, нафта или бункерная нефть. Также можно использовать уголь. В этих процессах используется высокая температура для преобразования сырья в широкий спектр газов, включая водород, монооксид углерода, диоксид углерода, ацетилен и другие. Химическая реакция превращения метана в ацетилен и водород может быть записана как 2 CH ₄ → C ₂ H ₂ + 3 H ₂ . Остальные газы являются продуктами сгорания с кислородом. Чтобы отделить ацетилен, его растворяют в растворителе, таком как вода, безводный аммиак, охлажденный метанол или ацетон, или в нескольких других растворителях в зависимости от процесса.

Производственный
процесс

Для производства ацетилена используются два основных процесса конверсии. Один из них - это процесс химической реакции, который происходит при нормальных температурах. Другой - процесс термического крекинга, который происходит при чрезвычайно высоких температурах.

Вот типичные последовательности операций, используемых для преобразования различного сырья в ацетилен каждым из двух основных процессов.

Процесс химической реакции

Ацетилен может образовываться в результате химической реакции между карбидом кальция и водой. В результате этой реакции выделяется значительное количество тепла, которое необходимо отводить, чтобы предотвратить взрыв газообразного ацетилена. Существует несколько вариантов этого процесса, в которых либо карбид кальция добавляют к воде, либо к карбиду кальция добавляют воду. Оба этих варианта называются мокрыми процессами, потому что для поглощения тепла реакции используется избыточное количество воды. Третий вариант, называемый сухим процессом, использует только ограниченное количество воды, которая затем испаряется, поглощая тепло. Первый вариант чаще всего используется в США и описан ниже.

1. В большинстве мощных генераторов ацетилена используется вращающийся винтовой конвейер для подачи гранул карбида кальция в реакционную камеру, которая до определенного уровня заполнена водой. Размер гранул составляет около 0,08 дюйма x 0,25 дюйма (2 мм x 6 мм), что обеспечивает необходимое количество открытых поверхностей для полной реакции. Скорость подачи определяется желаемой скоростью потока газа и регулируется реле давления в камере. Если за один раз производится слишком много газа, реле давления размыкается и снижает скорость подачи.
2. Для обеспечения полной реакции раствор гранул карбида кальция и воды постоянно перемешивают с помощью набора вращающихся лопастей внутри реакционной камеры. Это также предотвращает плавание гранул на поверхности, где они могут перегреться и воспламенить ацетилен.
3. Газообразный ацетилен пузырится на поверхности и удаляется под низким давлением. Покидая реакционную камеру, газ охлаждается струей воды. Эта водяная струя также добавляет воду в реакционную камеру для поддержания реакции при добавлении нового карбида кальция. После охлаждения газ проходит через пламегаситель, предотвращающий случайное воспламенение от оборудования, расположенного ниже по потоку от камеры.
4. Когда карбид кальция вступает в реакцию с водой, он образует суспензию карбоната кальция, которая опускается на дно камеры. Периодически реакцию необходимо останавливать, чтобы удалить скопившуюся суспензию. В Ацетилен может образовываться в результате химической реакции между карбидом кальция и водой. В результате этой реакции выделяется значительное количество тепла, которое необходимо отводить, чтобы предотвратить взрыв газообразного ацетилена. суспензия сливается из камеры и перекачивается в накопительный пруд, где оседает карбонат кальция и откачивается вода. Затем загущенный карбонат кальция сушат и продают для использования в качестве средства для очистки промышленных сточных вод, нейтрализатора кислоты или кондиционера почвы при строительстве дорог.

Процесс термического крекинга

Ацетилен также может быть получен путем повышения температуры различных углеводородов до точки, при которой их атомные связи разрываются или растрескиваются в так называемом процессе термического крекинга. После того, как атомы углеводородов распадаются, их можно заставить повторно соединиться с образованием материалов, отличных от исходного сырья. Этот процесс широко используется для преобразования нефти или природного газа в различные химические вещества.

Есть несколько вариантов этого процесса в зависимости от используемого сырья и метода повышения температуры. В некоторых процессах крекинга используется электрическая дуга для нагрева сырья, в то время как в других используется камера сгорания, которая сжигает часть углеводородов для образования пламени. Некоторое количество ацетилена образуется как побочный продукт процесса парового крекинга, используемого для производства этилена. В Соединенных Штатах наиболее распространенный процесс использует камеру сгорания для нагрева и сжигания природного газа, как описано ниже.

1. Природный газ, в основном метан, нагревается до примерно 1200 ° F (650 ° C). Предварительный нагрев газа приведет к его самовоспламенению, как только он достигнет горелки, и потребует меньше кислорода для сгорания.
2. Нагретый газ проходит через узкую трубу, называемую трубкой Вентури, в которую впрыскивается кислород и смешивается с горячим газом.
3. Смесь горячего газа и кислорода проходит через диффузор, который снижает ее скорость до желаемой скорости. Это очень важно. Если скорость слишком высока, поступающий газ задует пламя в горелке. Если скорость слишком мала, пламя может вспыхнуть и воспламенить газ до того, как он достигнет горелки.
4. Газовая смесь поступает в блок горелки, который содержит более 100 узких каналов. Когда газ поступает в каждый канал, он самовоспламеняется и образует пламя, которое повышает температуру газа примерно до 2730 ° F (1500 ° C). В горелку добавляется небольшое количество кислорода для стабилизации горения.
5. Горящий газ поступает в реакционное пространство сразу за горелкой, где из-за высокой температуры около одной трети метана превращается в ацетилен, в то время как большая часть остального метана сгорает. Весь процесс сгорания занимает всего несколько миллисекунд.
6. Горящий газ быстро гасится струей воды в точке, где конверсия в ацетилен максимальна. Охлажденный газ содержит большое количество окиси углерода и водорода, с меньшим содержанием Ацетилен также может быть получен путем повышения температуры различных углеводородов до точки, при которой их атомные связи разрываются. , или растрескивание, так называемое термическое растрескивание. количество углеродной сажи, а также двуокиси углерода, ацетилена, метана и других газов.
7. Газ проходит через водяной скруббер, который удаляет большую часть углеродной сажи. Затем газ проходит через второй скруббер, где на него распыляется растворитель, известный как N-метилпирролидинон, который поглощает ацетилен, но не другие газы.
8. Растворитель перекачивается в разделительную колонну, где ацетилен выкипает из растворителя и отводится в верхней части колонны в виде газа, а растворитель выводится из нижней части.

Хранение и обращение

Поскольку ацетилен очень взрывоопасен, с ним необходимо обращаться с большой осторожностью. Когда он транспортируется по трубопроводам, давление поддерживается на очень низком уровне, а длина трубопровода очень мала. В большинстве химических производств ацетилен транспортируется только до соседнего завода, или «через забор», как говорят в химической переработке.

Когда ацетилен должен находиться под давлением и храниться для использования при кислородно-ацетиленовой сварке и операциях резки металла, используются специальные баллоны для хранения. Цилиндры заполнены абсорбирующим материалом, например кизельгуром, и небольшим количеством ацетона. Ацетилен закачивается в цилиндры под давлением около 300 фунтов на квадратный дюйм (2070 кПа), где он растворяется в ацетоне. После растворения он теряет свою взрывоопасность, что делает его безопасным для транспортировки. Когда вентиль баллона открывается, падение давления заставляет часть ацетилена снова испаряться в газ и течь через соединительный шланг к сварочной горелке или резаку.

Контроль качества

Ацетилен марки B может содержать максимум 2% примесей и обычно используется для кислородно-ацетиленовой сварки и резки металлов. Ацетилен, полученный в результате химической реакции, соответствует этому стандарту. Ацетилен сорта А может содержать не более 0,5% примесей и обычно используется в химических производственных процессах. Ацетилен, полученный в процессе термического крекинга, может соответствовать этому стандарту или может потребовать дополнительной очистки, в зависимости от конкретного процесса и сырья.

Будущее

Ожидается, что в будущем использование ацетилена будет постепенно увеличиваться по мере разработки новых приложений. Одно из новых приложений - преобразование ацетилена в этилен для использования в производстве различных полиэтиленовых пластиков. В прошлом небольшое количество ацетилена образовывалось и выбрасывалось как часть процесса парового крекинга, используемого для производства этилена. Новый катализатор, разработанный Phillips Petroleum, позволяет превратить большую часть этого ацетилена в этилен для увеличения выхода при сниженной общей стоимости.