ацетилен на практике получают при пиролизе

Ацетилен, получение, свойства, химические реакции

Ацетилен, получение, свойства, химические реакции.

Ацетилен, C₂H₂ – органическое вещество класса алкинов, непредельный углеводород.

Ацетилен, формула, газ, характеристики:

Химическая формула ацетилена C₂H₂. Структурная формула ацетилена СH≡CH. Изомеров не имеет.

Строение молекулы ацетилена:

Ацетилен обладает незначительным токсическим действием.

Физические свойства ацетилена:

* при температуре выше критической температуры газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении.

Химические свойства ацетилена:

Химические свойства ацетилена аналогичны свойствам других представителей ряда алкинов. Поэтому для него характерны следующие химические реакции:

СH≡CH + Br₂ → CHBr=CHBr (1,2-дибромэтен);

3СH≡CH → C₆H₆ (бензол) (kat = активированный уголь, t o = 450-500 о С).

Реакция тримеризации ацетилена является частным случаем реакции полимеризации ацетилена и происходит при пропускании ацетилена над активированным углем при температуре 450-500 о С.

СH≡CH + СH≡CH → CH₂=CH-С≡CH (винилацетилен) (kat = водный раствор CuCl и NH₄Cl).

Реакция димеризации ацетилена является частным случаем реакции полимеризации ацетилена.

Ацетилен горит белым ярким пламенем.

Протекание реакции и её продукты определяются средой, в которой она протекает.

СH≡CH + Н₂ → C₂H₄ ( этилен ) (kat = Ni, Pd или Pt, повышенная t o );

СH≡CH + 2Н₂ → C₂H₆ ( этан ) (kat = Ni, Pd или Pt, повышенная t o ).

Получение ацетилена в промышленности и лаборатории. Химические реакции – уравнения получения ацетилена:

Ацетилен в лабораторных условиях получается в результате следующих химических реакций:

Ацетилен в промышленности получают следующими способами и методами:

Сначала получают известь из карбоната кальция.

CаСО₃ → CаО + CO₂. (t o = 900-1200 о С).

CаО + 3С → CаС₂ + CO. (t o = 2500-3000 о С).

Далее карбид кальция обрабатывают водой по известной реакции.

В итоге получается ацетилен высокой чистоты – 99,9 %.

Высокотемпературный крекинг метана осуществляется по известной реакции дегидирования метана в электродуговых печах при температуре 2000-3000 °С и напряжении между электродами 1000 В. Выход ацетилена составляет 50 %.

Применение и использование ацетилена:

– для газовой сварки и резки металлов,

Взрывоопасность ацетилена и безопасность при обращении с ним:

Ацетилен обладает взрывоопасными свойствами.

Поэтому обращение с ацетиленом требует строгого соблюдения правил техники безопасности.

Ацетилен горит и взрывается даже в отсутствии кислорода и других окислителей.

Смеси ацетилена с воздухом взрывоопасны в очень широком диапазоне концентраций.

Струя ацетилена, выпущенная на открытый воздух, может загореться от малейшей искры, в том числе от разряда статического электричества с пальца руки.

Взрываемость ацетилена зависит от множества факторов: давления, температуры, чистоты ацетилена, содержания в нем влаги, наличия катализаторов и пр. веществ и ряда других причин.

Температура самовоспламенения ацетилена при нормальном – атмосферном давлении колеблется в пределах 500-600 °C. При повышении давления существенно уменьшается температура самовоспламенения ацетилена. Так, при давлении 2 кгс/см 2 (0,2 МПа, 1,935682 атм.) температура самовоспламенения ацетилена равна 630 °C. А при давлении 22 кгс/см 2 (2,2 МПа, 21,292502 атм.) температура самовоспламенения ацетилена равна 350 °С.

Присутствие в ацетилене частиц различных веществ увеличивают поверхность его контакта и тем самым снижает температуру самовоспламенения при атмосферном давлении. Например, активированный уголь снижает температуру самовоспламенения ацетилена до 400 °С, гидрат оксида железа (ржавчина) – до 280-300 °С, железная стружка – до 520 °С, латунная стружка – до 500-520 °С, карбид кальция – до 500 °С, оксид алюминия – до 490 °С, медная стружка – 460 °С, оксид железа – 280 °С, оксид меди – до 250 °С.

Для хранения и перевозки ацетилена используются специальные стальные баллоны белого цвета (с красной надписью «А»), заполненные инертным пористым материалом (например, древесным углём). При этом ацетилен хранится и перевозится в указанных баллонах в виде раствора ацетилена в ацетоне под давлением 1,5-2,5 МПа.

Источник

Ацетилен на практике получают при пиролизе

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.

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

МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА АЦЕТИЛЕНА

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 л С₂Н₂.

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:

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):

Как и в других подобных случаях, регулирование выхода промежуточного продукта может быть достигнуто уменьшением степени конверсии исходного углеводорода в результате снижения времени контакта. Найдено, что хороший выход ацетилена при небольшом образовании сажи можно получить при степени конверсии исходного углеводорода 50 % и времени его пребывания в зоне реакции 0,01 с. Во избежание дальнейшего разложения ацетилена необходима быстрая «закалка» реакционных газов (впрыскивание воды), при этом температура резко снижается до такой величины, при которой распада ацетилена не происходит.

При недостатке кислорода и высокой температуре сгорание метана происходит в основном по реакции:

Она протекает очень быстро, и образование ацетилена (как более медленный процесс) начинается лишь в зоне, практически лишенной кислорода. Там же происходит конверсия оксида углерода

Причем соотношение водорода, оксидов углерода и водяных паров оказывается близким к этому равновесию водяного газа. В практических условиях около 1/3 кислорода расходуется на образование воды, 10—15 % на СО₂ и 50—55 % на СО.

Поскольку процесс протекает в автотермическом режиме, для поддержания температуры 1500°С, необходимой для разложения метана, соотношение начальных объемов СН₄ и О₂ должно составлять 100:(6065), что находится вне пределов взрываемости этих смесей. Опасные концентрации могут возникнуть лишь во время смешения, проводимого при достаточно высокой скорости и турбулентности потока газов. Само горение метана характеризуется некоторым периодом индукции, длительность которого зависит от температуры и давления. Для метано-кислородных смесей указанного выше состава при атмосферном давлении и 600 °С период индукции составляет 2с, что ограничивает время от смешения предварительно подогретых газов до их попадания в горелки, где происходит самовоспламенение смеси. Скорость течения газа в сопле горелки (100 м/с) должна быть выше скорости распространения пламени, чтобы возникшее пламя не распространялось в обратном направлении. В то же время при стабильном режиме горения скорость газа не должна быть выше скорости гашения пламени, чтобы оно не отрывалось от горелки. При турбулентном потоке устойчивому горению способствуют подвод дополнительного количества кислорода в зону горения (так называемый стабилизирующий кислород), а также многосопловые устройства со множеством факелов горения, стабилизующих друг друга.

Газ из газгольдера 8 сжимается компрессором 10 до давления 1 МПа, проходя после каждой ступени холодильники и сепараторы, не показанные на схеме. В абсорбере 11 он промывается диметилформамидом или N-метилпирролидоном, а непоглотившийся газ (Н₂, СН₄, СО, СО₂) проходит скруббер 12, где при орошении водным конденсатом улавливается унесенный им растворитель. После этого газ можно использовать в качестве синтез-газа или топлива.

Раствор в кубе абсорбера 11 содержит ацетилен и его гомологи, а также значительное количество близкого к ним по растворимости диоксида углерода с примесью других газов. Он проходит дроссельный вентиль 13 и поступает в десорбер 14 первой ступени. За счет снижения давления до 0,15 МЦа и нагревания куба до 40 °С из раствора десорбируются ацетилен и менее растворимые газы. Ацетилен при своем движении вверх вытесняет из раствора диоксид углерода, который вместе с другими газами и частью ацетилена выходит с верха десорбера, предварительно отмываясь от растворителя водным конденсатом. Эти газы возвращают на компримирование. Концентрированный ацетилен выводят из средней части десорбера 14, промывают в скруббере 15 водой и через огнепреградитель 16 выводят с установки.

Рис. 1. Технологическая схема получения ацетилена окислительным пиролизом метана

Источник

Пиролиз метана из чего состоит и для каких целей применяется

Методы пиролиза

Существует два основных метода: сухой и окислительный, которые используются для утилизации разных видов сырья и отличаются по способу нагрева.

Сухой метод

Пиролиз протекает без доступа кислорода, чтобы предотвратить горение или окисление. При необходимости добавляют дегидрирующие или дегидратирующие средства. Емкости с сырьем нагреваются снаружи. Лабораторные установки оборудованы системами электрического теплоснабжения.

Различают три температурных режима:

Сухой метод подходит для переработки и обезвреживания углеводородных отходов. Полученные продукты — сырье для химической промышленности.

Окислительный метод

Пиролизуемое сырье нагревается до 600-900 °C путем подачи в закрытый контейнер горячих дымовых газов или частично сжигается. Окислительный метод пиролиза применяется для уничтожения твердых отходов промышленных предприятий и сточных вод, переработки пластика, резины и других материалов, которые нельзя сжигать или газифицировать.

Современные методы

Достоинства и недостатки

Недостатки

Достоинства

Кстати, прочтите эту статью тоже: Установка замедленного коксования

Виды установок

Пиролизные установки для переработки бытовых и промышленных отходов существуют давно. Они преобразуют твердые материалы в горючие газы. Наряду с крупными устройствами производительностью несколько тысяч тонн в год имеются небольшие, которые генерируют электроэнергию.

В 2000-е годы появились модели, предназначенные для получения биоугля.

Комплекс обращения с отходами, оборудованный пиролизной установкой, Канада

Технические комплексы собирают из разных модулей. Например, устройство, перерабатывающее пластмассы и резиновые изделия, может состоять из печи пиролиза, расположенной выше системы вытяжки отработанных газов, линии химосинтеза, вентилятора, дымососов, силовой части.

Продукты пиролиза

При высокотемпературном нагревании метана получают вещества из группы олефинов. К продуктам пиролиза газа относятся этилен и ацетилен. Помимо этих веществ, образуются такие соединения:

Ацетилен – это горючий газ. Его химическая формула – С2Н2. Он легче воздуха, имеет резкий запах.

Фактором, характеризующим эффективность реакции, является устойчивость получаемых соединений к действию высоких температур. Стойкость ацетилена при нагревании увеличивается, а других продуктов – падает.

Недостаток ацетилена – неустойчивость. За минимальный промежуток он может превратиться в водород и углерод. Поэтому газы, образованные в результате пиролитической реакции, могут пребывать в реакционной зоне 0,01 секунду.

Технический углерод (сажа) вместе с водородом являются конечными продуктами высокотемпературной обработки метана. Пиролиз используют для получения сажи. В результате реакции образуется 1 атом углерода и 2 атома водорода.

Этилен – результат превращения ацетилена. Переработка последнего усложняет процесс и делает его более затратным. Важный углеводород получают также при прямом превращении метана. С этой целью изобрели комбинированную закалку.

Промышленное применение

Области применения пиролиза метана

Раньше ацетилен использовали для освещения улиц, устанавливая лампы с этим веществом. Сейчас газ применяют в химической промышленности. Из ацетилена изготавливают каучук, пластмассы, растворители, волокна химического происхождения – вот, для чего используют пиролиз метана.

Этилен добывают как мономер для полиэтилена, сополимеров. Их применяют в следующих областях:

Пиролиз метана – реакция, с помощью которой получают важные углеводороды ацетилен и этилен. Их используют в химической промышленности, автомобилестроении, производстве резины.

Использование в быту

На бытовом уровне технологии пиролиза применяются для получения тепла и древесного угля, эффективной очистки духовок от трудно удаляемого нагара.

Пиролизные котлы для отопления

Благодаря особой конструкции у пиролизных котлов с естественной подачей кислорода высокий КПД. Сырьем служат древесина и древесный газ. При их сжигании образуется мало вредных для окружающей среды веществ. Количество производимого тепла зависит от качества топлива. Некоторые котлы рассчитаны на щепу, топливные гранулы, уголь, кокс.

Главная часть устройства — две камеры сгорания, у каждой из которых своя функция. В верхней сырье высушивается, превращается в древесный газ. Там же сгорают некоторые составляющие газа.

Трудно сжигаемые попадают в нижнюю камеру, где преобразуются в тепло при температуре выше 1000 °C.

Очистка духового шкафа

Большинство новых моделей духовок способны самоочищаться. Происходит это за счет высокой температуры. Грязь внутри духового шкафа карбонизируется, отпадает сама или легко удаляется. Этот процесс, занимающий около трех часов, относительно энергоемкий: расход электроэнергии в среднем составляет 3-4 кВт⋅ч. Пепел устраняется влажной губкой после охлаждения устройства. Перед пиролитическим самоочищением убирают решетки, кастрюли, противни.

Для получения древесного угля

При переработке древесины лиственных или хвойных пород образуются древесные:

В зависимости от температуры выделяют несколько фаз процесса. Когда она поднимается выше 280 °C, начинается сильная экзотермическая реакция, высвобождается много энергии. В последней фазе (t>500 °C) из дымовых газов при их прохождении через обугленные слои выделяются горючий монооксид углерода и водород. Твердый остаток — красный, черный или белый уголь.

Технологическая схема

Предварительный подогрев

Поток сырьевой нафты (поток П01) предварительно нагревают и смешивают с паром (С3) до достижения соотношения пара к нафте порядка 0,5 (мас.). Поскольку пар инертен (не вступает в реакцию с этаном или другими компонентами), его присутствие не приводит к образованию побочных продуктов. Поддержание пара в пределах 0,3-0,5 достаточно для снижения парциального давления, чтобы сохранить равновесие реакции по отношению к этилену и уменьшить обратное превращение в этан. Далее смесь нагревают до 500 ○С (П2) и подают на крекинг.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Установка производства серной кислоты

Печь пиролиза и блок захолаживания

Реакция крекинга проходит в змеевиках печи, где время пребывания сырья составляет порядка 0,6 с. Такое время выбирается с целью увеличить выход олефинов при режиме работы 850 °С и 1 бар. Продукты крекинга (которые выходят из печи при 850 °C в П3) охлаждаются до 230 °C (П4) путем производства пара высокого давления и низкого давления (ВД/НД) (С1 и С2) для выработки электроэнергии.

Типичная печь для проведения процесса пиролиза

Газопродуктовая смесь захолаживается с помощью H2O и части жидкого продукта фр. С9+. В реакционной смеси присутствует значительное количество олефинов, которые легко подвергаются реакциям полимеризации и поликонденсации.

Квенчинг (квенч) – это технологический метод, который дает возможность быстро прекратить реакции крекинга с помощью подачи холодного сырья или охлажденного нефтепродукта в горячие продукты крекинга.

Блок фракционирования

Полученный газ (П5) охлаждается и подается в основную колонну фракционирования, где тяжелые компоненты (C9+) выходят с куба колонны (П8). Легкие компоненты (П6) с верха колонны сначала охлаждаются до температуры окружающей среды и направляются в сепаратор, где потоки газа и жидкости разделяются. Газовый поток (П07) сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением до 3,1 МПа. В процессе компримирования газа с его последующим охлаждением образуется жидкая фаза, которая затем направляется в отпарную колонну для извлечения жидких ароматических углеводородов (П26).

Во время сжатия газа (обычно на последней стадии) газ очищают при помощи каустической соды (NaOH) для удаления кислых газов. Затем очищенный газ (П10) осушают с помощью цеолитов и направляют в секцию фракционирования установки пиролиза. Газ сначала охлаждают до температуры порядка минус 50 °С и подают в деметанизатор.

Деметанизатор

Несконденсированные газы выходят из верхней части колонны. Далее газ проходит через турбодетандер, в результате чего его давление снижается до 0,1 МПа и газ охлаждается. Охлажденный поток газа используется для захолаживания сырья на входе в деметанизатор, после чего используется в качестве топлива в печи (Т1) и в котле (Т2).

Кстати, прочтите эту статью тоже: Установка ЭЛОУ-АВТ-6

Турбодетандер, является центробежной или осевой турбиной, проходя через которую сжатый газ высокого давления расширяется с высвобождением энергии, которая часто используется для приведения в действие компрессора или генератора.

Газ низкого давления на выходе из турбины имеет очень низкую температуру минус 150 °С или менее, в зависимости от рабочего давления и свойств газа.

Нижний продукт деметанизатора при давлении 2,6 МПа (П12) подается в деэтанизатор.

Деэтанизатор

Дистиллят деэтанизатора сначала направляется в реактор гидрирования, где ацетилен (C2H2) преобразуется в этилен. Затем смесь компонентов С2 разделяется в ректификационной колонне, работающей при давлении 1,8 МПа.

Кубовый продукт деэтанизатора подается в депропанизатор.

Депропанизатор

Дистиллят депропанизатора сначала направляется в реактор гидрирования для преобразования метилацетилена (C3H4) в пропилен (C3H6), а затем направляется в колонну разделения C3, работающую при давлении 2,1 МПа.

Кубовый продукт депропанизатора направляется на разделение в дебутанизатор.

Дебутанизатор

Дистиллят дебутанизатора (П24) смешивается с оставшимися несконденсированными газами и используется в качестве топлива для котла.

Тяжелые углеводороды с куба дебутанизатора (П25) направляются на извлечение и разделение ароматических углеводородов.

Колонны разделения фракций С2 и С3

Ректификационная колонна разделения углеводородов С2 содержит более 120 тарелок. Этилен выводится с верха колонны и после рекуперации тепла доступен для проведения процесса полимеризации (П17). Колонна разделения С3 содержит более 240 тарелок для достижения желаемой чистоты пропилена (марки полимера) в выводимом дистилляте (П22).

Установка полностью интегрирована с паровым циклом, в котором пар (различного давления) производится и распределяется на установке. Тепло дымовых газов печи используется для предварительного нагрева реагентов до требуемой температуры и для производства пара. Произведенный пар имеет давление 10,0 МПа и перегревается до 500 °C. Пар низкого давления используется для реакций крекинга и для ребойлеров на установке.

Специфика применения

В идеальной ситуации пиролиз осуществляют в замкнутом пространстве без притока кислорода воздуха, с постоянным подводом энергии. Чтобы снизить затраты энергии на данный химический процесс, используют горючие газы, образующиеся во время пиролиза. В качестве основного оборудования, применяемого в производстве, необходимо упомянуть газогенераторы, фильтры, а также блоки охладителей.

Отходы в виде щепы, опилок, стружки помещают в печь, затем осуществляется процедура их сжигания при минимальной подаче воздуха. Учитывая зависимость между производительностью установки и температурой процесса, в промышленности используют вариант быстрого пиролиза, предполагающего разогревание сырья до максимальной температуры.

Выделяющиеся газы охлаждают, фильтруют, закачивают в специальные резервуары для последующего применения.

При пиролизе каменного угля получают смесь ценных продуктов. Особенность данного процесса заключается в необходимости нагревания смеси до высокой температуры. Какие ценные компоненты для химического производства можно получить при пиролизе древесины?

В первую очередь выделим кокс, применяемый в больших объемах в процессе плавки стали. Кроме того, в получаемой газообразной смеси содержится аммиак, востребованный в химии удобрений.

Анилин является основным компонентом эмалей и красок, получаемых в современной промышленности. Толуол – ценное сырье для производства красителей и взрывчатых веществ.

Особенности древесного пиролиза

Такой пиролиз — это процедура сжигания древесины без присутствия воздуха, осуществляемая при температуре около 5000 градусов. В качестве ценных продуктов, получаемых в ходе такого взаимодействия, выступают уксусная кислота, ацетон, метанол, а также смола. Особенность данной химической реакции состоит в том, что древесный уголь можно применять в качестве отличного топлива для ускорения многих химических взаимодействий.

Такой пиролиз — это процесс, который начинает протекать при двухстах градусах по Цельсию, сопровождается реакция выделением смеси оксидов углерода. При последующем сжигании продуктов в атмосфере кислорода воздуха наблюдается повышение суммарной калорийности.

Древесный пиролиз — это отдельный раздел в химии, заслуживающий детального рассмотрения и изучения.

Источник