Производство ацетилена (стр. 1 из 3)

ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНЫМ ПИРОЛИЗОМ

1. Товарные и определяющие технологию свойства ацетилена

Ацетилен С₂Н₂ обладает более высокой реакционной способностью, чем олефины. Он является одним из важнейших исходных соединений для синтеза большого числа разнообразных органических продуктов.

Ацетилен — бесцветный газ, обладающий в чистом виде слабым эфирным запахом; конденсируется при —83,8°С (0,102 МПа); критическая температура +35,5 °С; критическое давление 6,04 МПа. Он имеет очень широкие пределы взрываемости в смеси с воздухом [2,0—81 % (об.) С₂Н₂] и с кислородом [2,8—78 %(об.) С₂Н₂]. Взрывоопасность ацетилена усугубляется из-за высокой экзотермичности его разложения на простые вещества:

С₂Н₂ → 2С + Н₂

= 226,7 кДж/моль.

Это разложение идет в отсутствие кислорода при наличии соответствующих инициаторов (искра, перегрев из-за трения). При давлении до 0,2 МПа разложение имеет местный характер и не является опасным. При более высоком давлении разложение приобретает характер взрыва с детонационной волной, распространяющейся со скоростью свыше 1000 м/с. Однако взрывоопасность ацетилена снижается при его разбавлении инертными газами или парами, которые аккумулируют тепло первичного разложения ацетилена и препятствуют его взрывному распаду. При этом максимальное безопасное давление смеси зависит от концентрации ацетилена (рис. 1). Взрывоопасность ацетилена сильно возрастает в присутствии металлов, способных к образованию ацетиленидов (например, Сu₂С₂), что надо иметь в виду при выборе конструкционных материалов.

Для предохранения от взрывов чаще всего ограничивают давление при производстве ацетилена и различных синтезах безопасными пределами—0,2 МПа.) При необходимости работы под давлением разбавляют ацетилен азотом, а иногда парами реагентов. При сжатии ацетилена применяют специальные ацетиленовые компрессоры, имеющие низкую скорость перемещения движущихся частей, малую степень сжатия и температуру газа после каждой ступени компрессора не более 100°С. При расчете аппаратуры и трубопроводов принимают повышенный запас прочности. Кроме того, применяют специальные предохранительные устройства, размещаемые в разных точках технологической схемы. Из них сухие затворы (в виде шарикового клапана) предохраняют только от распространения пламени. Мокрые огнепреградители и гидравлические затворы защищают предшествующую аппаратуру от распространения взрыва. Огнепреградитель представляет собой башню с насадкой, орошаемую водой, а гидравлическим затвором служит аппарат, в котором ацетилен барботирует через слой воды. Во всех случаях при превышении установленного давления сбрасывают газы в атмосферу через гидравлические затворы или предохранительные мембраны.

Другим технически важным свойством ацетилена является его растворимость, значительно более высокая, чем у других углеводородных газов. Так, в 1 объеме воды при 20 °С растворяется около 1 объема ацетилена, а при 60 °С растворяется 0,37 объема. Растворимость снижается в водных растворах солей и Са(ОН)₂. значительно выше растворимость ацетилена в органических жидкостях; при 20 °С и атмосферном давлении она составляет (в объемах ацетилена на 1 объем растворителя): в метаноле 11,2, в ацетоне 23, в диметилформамиде 32, N-метилпирролидоне 37. Растворимость ацетилена имеет важное значение при его получении и выделении из смесей с другими газами, а также в ацетиленовых баллонах, где для повышения их емкости по ацетилену и снижения давления используют растворитель (ацетон).

Рис 1 Зависимость максимально допустимого безопасного давления от концентрации ацетилена в смеси с азотом

2. Сырьевые источники получения ацетилена. Перспективы использования различного сырья

Карбид кальция получают из оксида кальция и кокса в электродуговых печах. Реакция сильно эндотермична и требует больших затрат электроэнергии, что составляет существенный элемент в себестоимости производимого ацетилена.

Исходным сырьем для получения ацетилена могут служить газообразные парафиновые углеводороды (метан, этан, пропан, бутаны) и жидкие нефтяные фракции, например прямогонные бензины.

Выбор углеводородного сырья зависит от многих факторов, в совокупности определяющих экономичность процесса в целом, от наличия ресурсов сырья, расхода энергии, выхода ацетилена и его концентрации в продуктах реакции, от количества и стоимости побочных продуктов и возможности их рентабельного использования.

Значительный интерес как источник сырья представляют дешевые нефтяные остатки. Установлено, что при пиролизе тяжелых углеводородов можно получать с высоким выходом ацетилен, концентрация которого в продуктах реакции достигает 31 – 33 %; кроме ацетилена, в них содержится 54 – 58 % водорода и 10 – 12 % олефинов, главным образом этилена. При переработке же газообразных углеводородов содержание ацетилена в продуктах реакции составляет от 7 до 16 %.

Однако промышленная технология переработки гудрона и других нефтяных остатков еще полностью не разработана, из-за чего это сырье пока не используется.

Энергетически наименее выгодным сырьем для получения ацетилена является метан. Для его пиролиза требуется затратить большее количество тепла (91 ккал/моль), в то время как для пиролиза этана и пропана требуется соответственно 78 и 61,9 ккал/моль. Пиролиз метана проводится при более высоких температурах, чем его гомологов. Однако метан используется для получения ацетилена на многих установках. Объясняется это тем, что метан – наиболее доступный и дешевый из углеводородов; он является основным компонентом природного газа, и последний может применяться для производства без разделения.

3.Современные промышленные способы получения ацетилена

Существуют два метода производства ацетилена: более старый – из карбида кальция и новый из углеводородов.

При разложении образовавшегося карбида кальция водой по экзотермической реакции получается ацетилен:

Из 1 кг технического карбида кальция, содержащего примеси кокса, оксида кальция и других веществ, получается 230—280 л ацетилена (эта величина называется литражом карбида). Теоретически из 1 кг чистого СаС₂ должно образоваться 380 лС₂Н₂.

При разложении карбида кальция следует соблюдать некоторые условия для нормального протекания процесса. Реакция является гетерогенной, и ее скорость зависит от размера кусков карбида, особенно сильно возрастая при использовании карбидной мелочи и пыли. Реакционную массу необходимо перемешивать так как иначе на кусках карбида может образоваться слой извести, препятствующий полному разложению карбида и приводящий к местным перегревам. Из реакционной зоны нужно постоянно отводить тепло, чтобы предохранить ацетилен от возможной полимеризации и разложения.

По способу подвода тепла для проведения высокоэндотермичной реакции пиролиза углеводородов в ацетилен различают четыре метода.

1). Регенеративный пиролиз в печах с огнеупорной насадкой; ее сперва разогревают топочными газами, а затем через раскаленную насадку пропускают пиролизуемое сырье. Эти периоды чередуются.

2). Электрокрекинг при помощи вольтовой дуги, когда углеводородное сырье подвергают пиролизу в электродуговых печах при напряжении между электродами 1000 В. Затраты электроэнергии доходят до 13 000 кВт-ч на 1 т ацетилена, что составляет главный недостаток метода.

3). Гомогенный пиролиз, когда сырье вводят в поток горячего топочного газа, полученного сжиганием метана в кислороде и имеющего температуру 2000°С. Этот метод можно комбинировать с другими процессами пиролиза, если в горячие газы первой ступени пиролиза вводить пары жидких углеводородов, для расщепления которых в ацетилен требуется более низкая температура. Возможно и совместное получение ацетилена и этилена.

4). Окислительный пиролиз, при котором экзотермическая реакция горения углеводородов и эндотермический процесс пиролиза совмещены в одном аппарате.

Все эти способы пиролиза углеводородов на ацетилен применяют в промышленности, но наиболее экономичным из них является окислительный пиролиз.

4. Физико-химические основы процесса получения ацетилена методом термоокисленного пиролиза метана.

Из метана и других парафинов ацетилен получают путем высокотемпературного пиролиза по следующим обратимым реакциям:

Эти реакции эндотермичны, и их равновесие смещается вправо только при 1000—1300°С. Однако при практическом осуществлении процесса с целью его ускорения требуется более высокая температура: 1500—1600°С для метана и 1200°С для жидких углеводородов.

Подобно пиролизу на олефины, реакции образования ацетилена имеют радикально-цепной механизм, причем цепь превращений метана и этана можно представить примерно так:

В полученном газе кроме низших парафинов и олефинов содержится небольшое количество бензола и ацетиленовых углеводородов — метилацетилена СН₃—С

СН, а также винилацетилена СН₂=СН—С СН, диацетилена СН С—C CH и др.

Получение ацетилена данным методом осложняется побочной реакцией его разложения на углерод и водород. Она становится заметной при 1000°С и достигает значительной скорости при 1200—1600°С, т. е. при температуре, требуемой для получения ацетилена. В результате наблюдается система последовательных реакций, при которой образующийся ацетилен разлагается на водород и углерод (сажу):