Acetyleen productie

Acetyleen productie

Acetyleen Achtergrond

Acetyleen is een kleurloos, brandbaar gas met een kenmerkende geur. Wanneer acetyleen vloeibaar wordt gemaakt, gecomprimeerd, verwarmd of gemengd met lucht, wordt het zeer explosief. Als gevolg hiervan zijn speciale voorzorgsmaatregelen vereist tijdens de productie en hantering.

Carbid Klasse A 50/80 mm

Acetyleen wordt het meest gebruikt als grondstof voor de productie van verschillende organische chemicaliën, waaronder 1,4-butaandiol, dat veel wordt gebruikt bij de bereiding van polyurethaan- en polyesterplastic. Het op een na meest voorkomende gebruik is als brandstofcomponent bij oxy-acetyleenlassen en metaalsnijden. Enkele commercieel bruikbare acetyleenverbindingen zijn onder meer acetyleenzwart, dat wordt gebruikt in bepaalde droge-celbatterijen, en acetyleenalcoholen, die worden gebruikt bij de synthese van vitamines.

Ontdekking acetyleen

Acetyleen werd ontdekt in 1836, toen Edmund Davy experimenteerde met kaliumcarbide. Een van zijn chemische reacties leverde een brandbaar gas op, dat nu bekend staat als acetyleen. In 1859 genereerde Marcel Morren met succes acetyleen toen hij koolstofelektroden gebruikte om een elektrische boog te maken in een atmosfeer van waterstof. De elektrische boog rukte koolstofatomen weg van de elektroden en bond ze met waterstofatomen om acetyleenmoleculen te vormen. Hij noemde dit gas verkoolde waterstof.

Aan het eind van de 19e eeuw was er een methode ontwikkeld om acetyleen te maken door calciumcarbide met water te laten reageren. Dit genereerde een gecontroleerde stroom acetyleen die in de lucht kon worden verbrand om een schitterend wit licht te produceren. Carbide lantaarns werden gebruikt door mijnwerkers en carbide lampen werden gebruikt voor straatverlichting voordat elektrische verlichting algemeen beschikbaar was. In 1897 merkten Georges Claude en A. Hess op dat acetyleengas veilig kon worden opgeslagen door het op te lossen in aceton. Nils Dalen gebruikte deze nieuwe methode in 1905 om lang brandende, geautomatiseerde scheepvaart- en spoorwegsignaallichten te ontwikkelen. In 1906 ontwikkelde Dalen een acetyleenbrander voor lassen en metaalsnijden.

BASF

In de jaren twintig ontwikkelde de Duitse firma BASF een proces om acetyleen te produceren uit aardgas en op aardolie gebaseerde koolwaterstoffen. De eerste fabriek werd in 1940 in Duitsland in gebruik genomen. De technologie kwam begin jaren vijftig naar de Verenigde Staten en werd al snel de belangrijkste methode om acetyleen te produceren.

De vraag naar acetyleen groeide naarmate er nieuwe processen werden ontwikkeld om dit om te zetten in bruikbare kunststoffen en chemicaliën. In de Verenigde Staten piekte de vraag ergens tussen 1965 en 1970, en daalde daarna sterk toen nieuwe, goedkopere alternatieve conversiematerialen werden ontdekt. Sinds het begin van de jaren tachtig is de vraag naar acetyleen langzaam gegroeid met ongeveer 2-4% per jaar.

In 1991 waren er acht fabrieken in de Verenigde Staten die acetyleen produceerden. Samen produceerden ze in totaal 352 miljoen pond (160 miljoen kg) acetyleen per jaar. Van deze productie was 66% afkomstig van aardgas en 15% van petroleumverwerking. Het meeste acetyleen uit deze twee bronnen werd gebruikt op of nabij de plaats waar het werd geproduceerd om andere organische chemicaliën te maken. De overige 19% was afkomstig van calciumcarbide. Een deel van het acetyleen uit deze bron werd gebruikt om organische chemicaliën te maken, en de rest werd gebruikt door regionale industriële gasproducenten om drukcilinders te vullen voor lokale klanten voor lassen en metaalsnijden.

In West-Europa waren aardgas en petroleum de belangrijkste bronnen van acetyleen in 1991, terwijl calciumcarbide de belangrijkste bron was in Oost-Europa en Japan.

Grondstoffen

Acetyleen is een koolwaterstof die bestaat uit twee koolstofatomen en twee waterstofatomen. Het chemische symbool is C 2 H 2 . Voor commerciële doeleinden kan acetyleen worden gemaakt van verschillende grondstoffen, afhankelijk van het gebruikte proces.

Het eenvoudigste proces reageert calciumcarbide met water om acetyleengas en een calciumcarbonaatslurry te produceren, gehydrateerde kalk genoemd. De chemische reactie kan worden geschreven als CaC 2 + 2 H 2 O → C 2 H 2 + Ca (OH) 2 .

Andere processen gebruiken aardgas, dat meestal methaan is, of een op aardolie gebaseerde koolwaterstof zoals ruwe olie, nafta of bunker C-olie als grondstof. Kolen kunnen ook worden gebruikt. Deze processen maken gebruik van hoge temperaturen om de grondstoffen om te zetten in een breed scala aan gassen, waaronder waterstof, koolmonoxide, kooldioxide, acetyleen en andere. De chemische reactie voor het omzetten van methaan in acetyleen en waterstof kan worden geschreven 2 CH 4 → C 2 H 2 + 3 H 2 . De andere gassen zijn de verbrandingsproducten met zuurstof. Om het acetyleen te scheiden, wordt het opgelost in een oplosmiddel zoals water, watervrije ammoniak, gekoelde methanol of aceton, of verschillende andere oplosmiddelen, afhankelijk van het proces.

Het productieproces

Er zijn twee basisconversieprocessen die worden gebruikt om acetyleen te maken. Een daarvan is een chemisch reactieproces, dat plaatsvindt bij normale temperaturen. De andere is een thermisch kraakproces, dat plaatsvindt bij extreem hoge temperaturen.

Hier zijn typische opeenvolgingen van bewerkingen die worden gebruikt om verschillende grondstoffen om te zetten in acetyleen door elk van de twee basisprocessen.

Chemisch reactieproces

Acetyleen kan worden gegenereerd door de chemische reactie tussen calciumcarbide en water. Deze reactie produceert een aanzienlijke hoeveelheid warmte die moet worden afgevoerd om te voorkomen dat het acetyleengas explodeert. Er zijn verschillende variaties op dit proces waarbij calciumcarbide wordt toegevoegd aan water of water wordt toegevoegd aan calciumcarbide. Beide variaties worden natte processen genoemd omdat er een overmaat aan water wordt gebruikt om de reactiewarmte te absorberen. Een derde variant, een droog proces genaamd, gebruikt slechts een beperkte hoeveelheid water, dat vervolgens verdampt terwijl het de warmte absorbeert.

De eerste variant wordt het meest gebruikt in de Verenigde Staten en wordt hieronder beschreven.

De meeste acetyleengeneratoren met een hoge capaciteit gebruiken een roterende schroeftransporteur om calciumcarbidekorrels in de reactiekamer te voeren, die tot een bepaald niveau met water is gevuld. De korrels meten ongeveer 0,08 in x 0,25 in (2 mm x 6 mm), wat de juiste hoeveelheid blootgestelde oppervlakken oplevert om een volledige reactie mogelijk te maken. De toevoersnelheid wordt bepaald door de gewenste gasstroom en wordt geregeld door een drukschakelaar in de kamer. Als er in een keer te veel gas wordt geproduceerd, wordt de drukschakelaar geopend en wordt de toevoersnelheid verlaagd.
Om een volledige reactie te garanderen, wordt de oplossing van calciumcarbidekorrels en water constant in beweging gebracht door een set roterende schoepen in de reactiekamer. Dit voorkomt ook dat korrels op het oppervlak drijven, waar ze oververhit kunnen raken en het acetyleen kunnen ontsteken
Het acetyleengas borrelt naar het oppervlak en wordt onder lage druk afgezogen. Als het de reactiekamer verlaat, wordt het gas gekoeld door een waterstraal. Deze waterspray voegt ook water toe aan de reactiekamer om de reactie gaande te houden wanneer er nieuw calciumcarbide wordt toegevoegd. Nadat het gas is afgekoeld, gaat het door een flitsafleider, die elke onbedoelde ontsteking door apparatuur stroomafwaarts van de kamer voorkomt.
Terwijl het calciumcarbide reageert met het water, vormt het een suspensie van calciumcarbonaat, die naar de bodem van de kamer zinkt. Periodiek moet de reactie worden gestopt om de opgebouwde slurry te verwijderen.
Acetyleen kan worden gegenereerd door de chemische reactie tussen calciumcarbide en water. Deze reactie produceert een aanzienlijke hoeveelheid warmte, die moet worden afgevoerd om te voorkomen dat het acetyleengas explodeert.
Acetyleen kan worden gegenereerd door de chemische reactie tussen calciumcarbide en water. Deze reactie produceert een aanzienlijke hoeveelheid warmte, die moet worden afgevoerd om te voorkomen dat het acetyleengas explodeert.
drijfmest wordt uit de kamer afgevoerd en in een opslagvijver gepompt, waar het calciumcarbonaat bezinkt en het water wordt afgevoerd. Het verdikte calciumcarbonaat wordt vervolgens gedroogd en verkocht voor gebruik als industrieel afvalwaterbehandelingsmiddel, zuurneutralisator of bodemverbeteraar voor wegenbouw.

Thermisch kraakproces

Acetyleen kan ook worden gegenereerd door de temperatuur van verschillende koolwaterstoffen te verhogen tot het punt waarop hun atoombindingen breken of barsten, in wat bekend staat als een thermisch kraakproces. Nadat de koolwaterstofatomen uit elkaar zijn gevallen, kunnen ze opnieuw worden verenigd om andere materialen te vormen dan de oorspronkelijke grondstoffen. Dit proces wordt veel gebruikt om olie of aardgas om te zetten in een verscheidenheid aan chemicaliën.

Er zijn verschillende variaties op dit proces, afhankelijk van de gebruikte grondstoffen en de methode om de temperatuur te verhogen. Sommige kraakprocessen gebruiken een elektrische boog om de grondstoffen te verwarmen, terwijl andere een verbrandingskamer gebruiken die een deel van de koolwaterstoffen verbrandt om een vlam te creëren. Een beetje acetyleen wordt gegenereerd als een bijproduct van het stoomkraakproces dat wordt gebruikt om ethyleen te maken. In de Verenigde Staten wordt bij het meest gebruikelijke proces een verbrandingskamer gebruikt om aardgas te verwarmen en te verbranden, zoals hieronder beschreven.

Aardgas, dat meestal methaan is, wordt verwarmd tot ongeveer 1200 ° F (650 ° C). Door het gas voor te verwarmen, ontbrandt het zelf zodra het de brander bereikt en heeft het minder zuurstof nodig voor verbranding.
Het verwarmde gas passeert een smalle buis, een venturi genaamd, waar zuurstof wordt geïnjecteerd en gemengd met het hete gas.
Het mengsel van heet gas en zuurstof gaat door een diffusor, die zijn snelheid vertraagt tot de gewenste snelheid. Dit is cruciaal. Als de snelheid te hoog is, blaast het inkomende gas de vlam in de brander uit. Als de snelheid te laag is, kan de vlam terugflitsen en het gas ontsteken voordat het de brander bereikt.  Het gasmengsel stroomt in het branderblok, dat meer dan 100 smalle kanaaltjes bevat. Terwijl het gas in elk kanaal stroomt, ontsteekt het zelf en produceert het een vlam die de gastemperatuur verhoogt tot ongeveer 2.730 ° F (1.500 ° C). Een kleine hoeveelheid zuurstof wordt in de brander toegevoegd om de verbranding te stabiliseren.
Het brandende gas stroomt in de reactieruimte net voorbij de brander waar door de hoge temperatuur ongeveer een derde van het methaan wordt omgezet in acetyleen, terwijl het meeste van de rest van het methaan wordt verbrand. Het hele verbrandingsproces duurt slechts enkele milliseconden.
Het brandende gas wordt snel geblust met watersproeiers op het punt waar de omzetting naar acetyleen het grootst is. Het afgekoelde gas bevat een grote hoeveelheid koolmonoxide en waterstof, met minder
Acetyleen kan ook worden gegenereerd door de temperatuur van verschillende koolwaterstoffen te verhogen tot het punt waarop hun atoombindingen breken of barsten, in wat bekend staat als een thermisch kraakproces.
Acetyleen kan ook worden gegenereerd door de temperatuur van verschillende koolwaterstoffen te verhogen tot het punt waarop hun atoombindingen breken of barsten, in wat bekend staat als een thermisch kraakproces.
hoeveelheden koolstofroet, plus kooldioxide, acetyleen, methaan en andere gassen.
Het gas gaat door een waterwasser, die veel van het koolstofroet verwijdert. Het gas gaat vervolgens door een tweede gaswasser waar het wordt besproeid met een oplosmiddel dat bekend staat als N-methylpyrrolidinon, dat het acetyleen absorbeert, maar niet de andere gassen.
Het oplosmiddel wordt in een scheidingstoren gepompt waar het acetyleen uit het oplosmiddel wordt gekookt en bovenaan de toren als gas wordt afgezogen, terwijl het oplosmiddel aan de onderkant wordt afgezogen.

Opslag en behandeling

Omdat acetyleen zeer explosief is, moet het met grote zorg worden bewaard en gehanteerd. Wanneer het door pijpleidingen wordt getransporteerd, wordt de druk erg laag gehouden en is de lengte van de pijpleiding erg kort. Bij de meeste chemische productieactiviteiten wordt het acetyleen slechts tot aan een aangrenzende fabriek getransporteerd, of “over het hek”, zoals ze zeggen in de chemische verwerkingsindustrie.

Wanneer acetyleen onder druk moet worden gezet en opgeslagen voor gebruik bij autogeen lassen en metaalsnijden, worden speciale opslagcilinders gebruikt. De cilinders zijn gevuld met een absorberend materiaal, zoals diatomeeënaarde, en een kleine hoeveelheid aceton. Het acetyleen wordt met een druk van ongeveer 300 psi (2070 kPa) in de cilinders gepompt, waar het wordt opgelost in de aceton. Eenmaal opgelost, verliest het zijn explosieve vermogen, waardoor het veilig kan worden vervoerd. Bij het openen van de cilinderklep zorgt de drukval ervoor dat een deel van het acetyleen weer in gas verdampt en door de verbindingsslang naar de las- of snijbrander stroomt.

Kwaliteitscontrole

Klasse B-acetyleen

mag maximaal 2% onzuiverheden bevatten en wordt over het algemeen gebruikt voor oxyacetyleenlassen en metaalsnijden. Acetyleen geproduceerd door het chemische reactieproces voldoet aan deze norm.

Klasse A Acetyleen

mag niet meer dan 0,5% onzuiverheden bevatten en wordt over het algemeen gebruikt voor chemische productieprocessen. Acetyleen geproduceerd door het thermisch kraakproces kan aan deze norm voldoen of kan verdere zuivering vereisen, afhankelijk van het specifieke proces en de grondstoffen.

De toekomst

Het gebruik van acetyleen zal naar verwachting in de toekomst geleidelijk toenemen naarmate nieuwe toepassingen worden ontwikkeld. Een nieuwe toepassing is de omzetting van acetyleen in ethyleen voor gebruik bij het maken van een verscheidenheid aan polyethyleen kunststoffen. In het verleden werd een kleine hoeveelheid acetyleen gegenereerd en verspild als onderdeel van het stoomkraakproces dat wordt gebruikt om ethyleen te maken. Een nieuwe katalysator ontwikkeld door Phillips Petroleum zorgt ervoor dat het grootste deel van dit acetyleen kan worden omgezet in ethyleen voor hogere opbrengsten tegen lagere totale kosten.