ацетилен. Промышленные способы получения ацетилена
 Скачать 22.74 Kb.
|
|
«Промышленные способы получения ацетилена» Введение Ацетиле́н (от лат. acetum — «уксус»[3], эти́н, химическая формула — C2H2 или HC ≡ CH) — органическое соединение, возглавляющее класс непредельных углеводородов — алкинов. При нормальных условиях — бесцветный газ, легче воздуха. Чистый 100 % ацетилен не обладает запахомАцетилен - бесцветный газ, в хорошо очищенном состоянии имеет слабый приятный запах. Неприятный запах, свойственный ацетилену, полученному из карбида кальция, обусловливается следами различных примесей. При физиологическом воздействии ацетилен проявляет анестезирующие свойства и поэтому, тщательно очищенный, применялся для этих целей. 1. Ацетилен применяется в химической промышленности. · применяется в процесса органического синтеза (70 % произведенного ацетилена) при производстве искусственных волокон, пластиков, каучуков, органического стекла, лаков, взрывчатых веществ, растворителей, спиртов, уксусной кислоты 2. Ацетилен применяется в машиностроении и металлообработке · газовая сварка является одним из основных процессов, в которых применяется ацетилен. Большое преимущество ацетилена в восстановительном эффекте газовой сварки, который легко регулировать и контролировать. Обработка газовой сваркой с применением ацетилена охарактеризована хорошей способностью стыковки зазоров. Для этого швы не нужно подготавливать или совсем немного, очень удобно при сварке кромок без четкой фиксации. · ацетилен подходит для газовой сварки пластмасс. В частности для ремонта бамперов автомобилей · идеальный газ для применения в процессах термической резки · в процессах поверхностной резки для устранения недостатков при сварке или для подготовки мест сварки проходов в корне шва ( т.н. строжка) · ацетилен используется для процессов пайки твердым припоем, что дает возможность соединять материалы как одного типа, так и разных. · огневая очистка с использованием ацетилена применяется, когда для дальнейшей обработки требуется чистая металлическая поверхность. Коррозия, вторичная и другие виды окалины эффективно удаляются с помощью этого способа · для огневой правки и гибки (локальная подготовка к горячей штамповке, например выгибание труб, уменьшение площади поперечного сечения трамблеров, придание вогнутой формы днищам суден, предварительный и повторный нагрев при сварке и кислородной резке) · ацетилен используется в процессах пламенной закалки изделий из черных металлов с целью повышения износостойкости. При обработке закаленные слои образуются путем местного разогрева и охлаждения определенной поверхности без каких-либо побочных эффектов для материала сердцевины. · в процессах газопламенного напыления, для покрытия металлических и неметаллических материалов. Материал для напыления, проволока или порошок, расплавляется кислородно-ацетиленовым пламенем и напыляется на предварительно обработанную деталь сжатым воздухом или другим газом. Высокая температура кислородно-ацетиленового пламени также позволяет распылять материал с высокой точкой плавления, такой как молибден, производить износоустойчивые покрытия, модернизацию деталей машин, наносить антикоррозийные покрытия из цинка, алюминия, меди, или Cr-Ni стали. · ацетилен применяют для нанесения воспроизводимого углеродного покрытия на внутреннюю поверхность форм для производства стеклянных сосудов, что дает повышение качества изделий, и уменьшения количества пузырьков внутри слоя стекла. Приведенные примеры далеко не исчерпывают богатую химию ацетилена, из которого можно получить сотни разнообразных соединений. Недаром его годовое производство превышает 5 млн тонн. Из них примерно 70% используют для промышленного органического синтеза, а 30% - для сварки и резки металлов. Промышленные способы получения ацетилена 1892 год можно считать началом промышленного производства ацетилена. В мае 1892 г. канадский инженер Т.Л. Вильсон пытался получить из каменноугольной смолы и извести (взятых в произвольных количествах) металлический кальций для последующего восстановления им глинозема. Получив твердую кристаллическую черную массу, он опустил несколько еще раскаленных кусков в ведро с водой. При этом начал выделяться газ, который загорелся при контакте с верхней, более горячей частью массы. Однако газ не был, как они ожидали, водородом, так как горение сопровождалось образованием густого дыма. Твердое вещество было проанализировано в университете штата Северная Каролина и оказалось карбидом кальция, а выделявшийся газ - ацетиленом» Это было рождение промышленности ацетилена и открытиеныне действующего карбидного процесса. В послевоенные годы значительная часть ацетилена производится из углеводородов, однако большая часть - все еще из карбида. Получение ацетилена из карбида кальция Карбид кальция обладает, однако, такими преимуществами, как с производственной точки зрения, так и вследствие доступности и низкого эквивалентного веса кальция, что является почти единственным источником для товарного ацетилена. Химизм процесса получения ацетилена из карбида кальция основан на экзотермической реакции карбида кальция с водой: CaC2+2H2O=Ca(OH)2+C2H2+31,0 ккал При стехиометрическом соотношении реагентов и отсутствии охлаждения температура продуктов реакции составит 730°С, при этом ацетилен будет подвергаться конденсации и термическому разложению с выделением тепла, что обусловливает дальнейшее повышение температуры. Взрывные условия протекания реакции достигаются в том случае, когда реакция карбида с водой идет при недостаточном отводе тепла, особенно в присутствии воздуха. Ацетилен, предназначенный для наполнения баллонов, обычно получают в мокрых генераторах, работающих по принципу «карбид в воду». Большую часть ацетилена для химических синтезов получают в сухих генераторах. Эти крупные генераторы представляют собой аппараты низкого давления. Для производства ацетилена, используемого в качестве горючего газа, применяются генераторы различных типов, в том числе мокрые генераторы, работающие по принципу «вода на карбид». Для нормальной работы генераторов типа «карбид в воду» требуется карбид крупной грануляции (сухие генераторы были разработаны сначала для использования мелкого карбида, непригодного для мокрых генераторов); установка, показанная на рисунке 1, позволяет использовать неклассифицированный карбид 0 - 80 мм. Карбид из барабанов загружают в бункер скипового подъемника 1 (обычно емкость бункера скипа равна 2,5 т), установленного на уровне или ниже уровня рабочей площадки, поднимают на верхнюю площадку и устанавливают бункер в положение загрузки над загрузочной воронкой 5. В этот момент подача карбида из загрузочной воронки в генератор прекращается, крышку люка 3 приемной воронки открывают, бункер скипа опускают на загрузочную воронку и при помощи специального механизма открывают конический затвор 2 в днище бункера. После загрузки карбида в загрузочную воронку скиповый подъемник поднимается при открытом коническом затворе (и ацетилен, который проникает из приемной воронки в бункер скипа, при загрузке быстро выветривается), при этом крышку люка 3 приемной воронки немедленно закрывают. Скиповый подъемник возвращается на загрузочную площадку. Затем включают механизм 7 подачи карбида в генератор. Этот механизм представляет собой шнек, который приводится в действие электродвигателем с дистанционным управлением через зубчатый редуктор с плавной регулировкой. Скорость вращения шнека регулируется автоматически в соответствии с высотой колокола в ацетиленовом газгольдере (на схеме не показан). Куски карбида через желоб проваливаются на распределитель, находящийся под слоем шлама в корпусе генератора. Воду также подают через этот желоб, одновременно смывая пыль с его стенок. В резервуар для воды 10, расположенный сбоку, в верхней части генератора, подают фильтрат после фильтрования шлама и свежую воду в количестве, эквивалентном объему воды, расходуемому на реакцию и удерживаемому продуктом фильтрования. Скорость подачи воды в генератор также регулируется автоматически в соответствии с перемещением колокола газгольдера (основной водяной резервуар на схеме не показан). На газогенераторе предусмотрено также устройство для наполнения водяного резервуара через шаровой клапан непосредственно из водной магистрали, например для пуска генератора, его промывки или в целях безопасности. Шлам внутри генератора перемешивается за счет выделения газа, конвекционных токов, возникающих за счет теплоты реакции, и материальных потоков, и мелкие частицы карбида успевают прореагировать до того, как они осядут в шлам. Крупные куски карбида до полного завершения их газификации находятся на решетке из гальванизированного железа с размером отверстий 38 мм. Решетка установлена над нижней конической частью генератора. Частицы посторонних примесей оседают на дно генератора, и образовавшийся таким образом шлам один раз в сутки выпускается через дренажный вентиль 13, при этом подачу карбида в генератор прекращают (приблизительно на полчаса). Вентиль 13 приводится в действие при помощи механизма с пневматическим приводом. Шлам вместе с содержащимися в нем примесями, образующимися при его взаимодействии с другими веществами в системе обработки и фильтрования, поступает в лоток из ферросилиция 14. Из генератора шлам непрерывно выпускают в желоб (давление в генераторе (305 мм вод. ст.). Выделяющийся ацетилен отводится через гидравлический затвор, который одновременно выполняет функции предохранительного клапана, обратного клапана и дренажного устройства. Генератор работает при температуре около 70° С и весовом отношении воды к карбиду 6:1. Он нуждается в очистке, после того как будет прогазифицировано 150 т карбида. Генераторы системы «карбид в воду» весьма разнообразны по конструкции и размерам. Иногда в этих генераторах газовый колокол газгольдера помещается в корпусе самого генератора для того, чтобы не устанавливать отдельный газгольдер. Иногда такие генераторы оборудуют механизмами для механического или ручного перемешивания шлама в процессе его разгрузки. Непрерывность действия обеспечивается за счет установки двойного загрузочного бункера. Во многих случаях механизм подачи карбида представляет собой шнековый питатель, в этой системе или в некоторых ее разновидностях работа питателя регулируется давлением в генераторе (особенно в генераторах среднего давления), а не перемещением колокола газгольдера. Генераторы, основанные на принципе «карбид в воду», по существу предназначены для газификации кускового карбида, и современная тенденция их совершенствования заключается в приспособлении их для газификации мелкого карбида с пылью. Мелкий карбид и пыль склонны держаться на поверхности воды и спекаться в таком состоянии; контакт воды с таким затвердевшим материалом является недостаточным, а когда вода проникает внутрь, реакция протекает без достаточного отвода тепла и карбид сильно разогревается. Получение ацетилена из углеводородов Химизм процесса получения ацетилена из углеводородов может быть описан следующей сильно эндотермичной реакцией: C(графит)+H2(газ)=C2H2(газ) Молекула С2Н2 термодинамически нестабильна по отношению к элементам вплоть до температуры - 3900°С. Низшие парафиновые углеводороды при обычных температурах термодинамически стабильны, но при нагревании их стабильность непрерывно уменьшается и при температурах выше 1000° С (или выше 1200°С для метана) они делаются менее стабильны, чем ацетилен. Таким образом, чтобы превратить алкан в ацетилен его необходимо нагреть до температуры выше 1000°С (метан -выше 1200°С) в течение очень короткого промежутка времени, а затем охладить так быстро, чтобы не установилось полное термодинамическое равновесие с элементами. Реакция 2CH4=C2H2+3H2 характеризуется следующими термодинамическими параметрами: ?H291 = 95,4 ккал/молъ; ?FT0= 96,3-0,0647 Т ккал/моль. На практике допустимое время реакции лежит в пределах 0,5 - 10 мсек, а максимальная температура закалки 400° С. Кроме того, скорость дальнейших превращений ацетилена можно уменьшить, снижая его парциальное давление, что достигается понижением полного давления, использованием разбавителей или и тем и другим. Во многих исследованиях ацетилен был обнаружен среди продуктов (являясь часто основным продуктом) электрокрекинга ароматических углеводородов и спиртов. Методы получения ацетилена из углеводородов основаны на трех типах процессов: а) электрические процессы, в которых дуга горит непосредственно в углеводородном сырье; б) циклические процессы, в которых сырье нагревается при контакте с огнеупорным материалом, предварительно нагретым горящим топливом; в) процессы, включающие сожжение части сырья в недостатке кислорода. Использовались также модифицированный процесс в), когда сырье подается в пламя, где полностью сгорает другое горючее, и модификациированный процесс а) -- разряд происходит во вспомогательном газе, а в сырье подается образующаяся плазма. Эти методы будут рассмотрены в соответствующих разделах. В процессах типа а) крекинг-газ содержит до 25% ацетилена, в процессах типа б) и в) - 10% или менее. Затраты на выделение ацетилена из сложной смеси продуктов реакции того же порядка, что и затраты на стадию пиролиза. Заключение Применение ацетилена в органическом синтезе сохраняет свою актуальность и непрерывно ведутся работы по усовершенствованию способов его производства из углеводородного сырья. В последнее время большое внимание привлекает пиролиз углеводородных газов в дуге водородной плазмы при 2000 - 4000°С. При этой температуре происходит диссоциация молекул газа теплоносителя и углеводородного сырья, образование различных радикалов и ионизация атомов. |