Ацетилен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оглавление

Введение   3

Раздел 1. Карбидный способ производства ацетилена 5

Раздел 2. Производство ацетилена пиролизом углеводородов 8

2.1. Материальный  баланс процесса пиролиза природного  газа  10

Заключение 17

Список использованной литературы 18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В настоящее  время производство ацетилена является одним из важных органических синтезов.

Ацетилен может  служить исходным реагентом для синтеза многих более сложных органических соединений. Эта область применения ацетилена в настоящее время является самой обширной. Ацетилен – активное соединение, вступающее в многочисленные реакции. Химия ацетилена богата, из него можно получить сотни разнообразных соединений. Ацетилен применяется в производстве взрывчатых веществ (ацетилениды), для получения уксусной кислоты, этилового спирта, растворителей, пластических масс, каучука, ароматических углеводородов.

Также ацетилен широко используют для так называемой автогенной сварки и резки металлов. При сгорании ацетилена в кислороде получается очень горячее пламя; максимальная его температура (3200° С) достигается при содержании ацетилена 45% по объему.

Как источник очень яркого, белого света он применяется в автономных светильниках, где задействована реакция карбида кальция и воды.

При нормальных условиях ацетилен – бесцветный газ с характерным чесночным запахом, малорастворим в воде, легче воздуха. Чистый ацетилен при охлаждении сжижается при -83,8 °С, а при дальнейшем понижении температуры быстро затвердевает. Хорошо растворим в органических растворителях, особенно в ацетоне.

Термодинамически  ацетилен неустойчив: он взрывается при  нагревании до 500° С, а при обычной температуре – при повышении давления до 0,2 МПа, поэтому его хранят в баллонах, наполненных пористым инертным материалом, который пропитан ацетоном.

Для ацетилена  характерны реакции присоединения, димеризации, полимеризации, цикломеризации. С водой, в присутствии солей ртути и других катализаторов, он образует уксусный альдегид (реакция Кучерова). В силу наличия тройной связи, молекула ацетилена высокоэнергетична и обладает большой удельной теплотой сгорания. Ацетилен может полимеризироваться в бензол и другие органические соединения (полиацетилен, винилацетилен). Например, для полимеризации его в бензол необходим графит и температура всего в 400 °C.

Атомы водорода ацетилена относительно легко отщепляются  в виде протонов, то есть он проявляет  кислотные свойства. Так, ацетилен вытесняет метан из эфирного раствора метилмагнийбромида (образуется содержащий ацетиленид-ион раствор), образует нерастворимые взрывчатые осадки с солями серебра и одновалентной меди. Ацетилен обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия.

В настоящее  время в промышленности существуют два основных метода производства ацетилена: более старый – из карбида кальция и новый – из углеводородов. Сравнение этих двух способов, в свете последних тенденций развития сырьевой базы, есть достаточно актуальным.

Объектом работы есть ацетилен.

Предметом работы есть производственные способы получения ацетилена.

Цель  работы состоит в анализе способов получения ацетилена, исходя из сырьевого исходного.

Цель  работы достигается за счет решения следящих задач.

1. Анализ сырьевых  исходных при получении  ацетилена  промышленным способом.

2. Рассмотреть аппаратурное оформление для каждого из найденных способов.

3. Рассчитать  материальный баланс для каждого  из способов.

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 1. КАРБИДНЫЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА АЦЕТИЛЕНА

 

Наличиевацетиленененасыщенныхсвязейспособствуетчрезвычайновысокойреакционнойспособностиипоэтому его используютдля синтезамногихорганическихпродуктов.

Ацетиленпроизводят впромышленностидвумя способами: карбиднымипиролизомуглеводородов.[2]

Карбидныйспособ применяетсядостаточно давно. При производствеацетиленаэтим способомкарбидкальцияраскладываютводой. Для разложениякарбидаприменяютмокрыйилисухой метод. Помокрому методу, который называетсяеще«карбид в воду», карбидподает вгенератор, заполненный водой. Схемуацетиленовойстанциипо производствуацетиленамокрым способомпоказанона рис. 1.Посколькуацетиленобразуетс воздухомвзрывчатые смесив широкоминтервалеконцентраций(от 2,8 до 65% по объему), то нагенераторезакреплены два подвешенныхбуферныхбункера, заполненные инертнымгазом, которые препятствуют попадание воздуха в генератор.

Рис, 1. Схема ацетиленовой станции: 
1 - ацетиленовый генератор системы «карбид в воду», 2 и 3 - холодильники, 4 - скруббер, 5 - ловушка, 6 - сборщик промывочного раствора, 7 - загуститель известкового молока, 8 - центробежные насосы, 9-газгольдер, 10-компрессор.

 

В результате реакции  карбида кальция с водой

СаС₂ + 2Н₂О → Са(ОН)₂ + С₂Н₂[3]

на поверхности кусков карбида образуется слой гидроксида кальция («шуба»), который мешает реакции. Поэтому в генераторе является вал  с гребками, который делает 2 об / мин и разрушает «шубу». Образующийся ацетилен проходит через холодильник 3 и попадает для очистки в скруббер 4, который орошается водным раствором гипохлорита с добавками хлора или сернокислым раствором дихромата натрия (в 1200 мл воды растворено 112 г концентрированной Н₂SO₄ и 45 г Nа₂Сr₂O₇). В этом случае ацетилен очищается от фосфина, силана, арсина и других вредных примесей. Очищенный ацетилен направляется в газособиратель, а оттуда - потребителям. Известковое молоко из генератора попадает в отстойник 7, откуда периодически удаляется шлам, а вода возвращается в генератор.[8]

По сухому методу, который называется еще «воду на карбид», в генератор подают карбид и такое количество воды, которая обеспечивает определенную производительность работы генератора. Образующийся ацетилен охлаждается и очищается от пыли, а гашеная известь удаляется из нижней части генератора.[9]

Себестоимость ацетилена, произведенного карбидным  способом, достаточно высока, поэтому  этот способ постепенно вытесняется  способом пиролиза углеводородов. Чаще всего для этой цели применяют природный газ.[14]

При получении  ацетилена и его очистке от вредных примесей дополнительно  расходуются электроэнергия и дорогие  химические реагенты (гипохлорит натрия, едкие щелочи и серная кислота). Увеличиваются также затраты на амортизацию дополнительного оборудования и оплату обслуживающего персонала.[10-13]

Суммарные расходные показатели на 1 точищенного ацетилена составляют:

Известняк, т        6,6—7,6

Углеродистое сырье (включая  расход на электродную массу и производство извести), т       2,7—3,0

Карбид кальция (в пересчете  на литраж 250 л/кг), т   3,7

Вода, м³         500—600

Шламовая известь, т       4,4—4,5

Отходящие газы (калорийность 1800 ккал/м³), м³  1000

Электроэнергия (включая  расход на производство извести),

кВт/ч             11000—11500

 

РАЗДЕЛ 2. ПРОИЗВОДСТВО АЦЕТИЛЕНА ПИРОЛИЗОМ  УГЛЕВОДОРОДОВ

При нагревании природного и других газов, содержащих метан и его гомологи, при определенных температурах наступает ступенчатое  разложение с образованием нестабильных радикалов СН₃-, СН₂ = и СН =, существование которых определяется долями секунды. Если такую ​​газовую смесь быстро охладить («закалить»), то радикалы соединяются между собой, образуя углеводороды. Если природный газ нагреть до 1600°С и быстро охладить до 150 ° С, то образованная газовая смесь будет состав 13% ацетилена и его гомологов, 45% водорода, 1% этилена, 1% сажи, 30-35% метана и других примесей.[6]

Производство  ацетилена из природного газа осуществляют двумя способами: электро-и термоокислительный крекинг.[5]

 

Рис. 2. Электродуговая печь для электрокрекинга: 
1 - пусковой электрод, 2 - катод, 3 - реакционная камера, 4 - заземлен анод, 5-вывод для газов крекинга.[8]

 

Электрокрекинг природного газа осуществляется в электродуговой печи, схема которой приведена на рис. 2. Природный газ под давлением 1,4 X 10⁵ Па со скоростью 100 м / с подается в реакционную камеру, осуществляя оборот в электротяге, создаваемого постоянным током при напряжении 8000 В, нагревается до 1600 ° С и со скоростью 600 м / с выводится из печи , охлаждаясь водой до 150 ° С.[1]

В печах термоокислительного  крекинга высокая температура достигается 1 вследствие частичного сжигания газа (соотношение СН₄: O₂ = C: 2)

6СН₄ + 4O₂-> СН = СН + 8Н₂ + 3СО + СО₂ + 3Н₂O.

Если природный  газ и кислород предварительно нагреть  до 550-600 ° С, то в печи температура  повышается до 1500 ° С. Газы подаются в печь со скоростью, значительно  превышающей скорость распространения  пламени. При таком режиме работы печи образована газовая смесь имеет следующий состав: 8% ацетилена; 55% Н₂, 26% СО, 5% СН₄; 0,2% гомологов ацетилена; 0,1% ароматических углеводородов, а остальные примеси. 
При пиролизе природного газа образуются сложные смеси, из которых ацетилен выделяют абсорбционным методом, применяя как адсорбенты воду и диметилформамид. На рис. 3 приведена схема выделения ацетилена из газов абсорбцией водой. Газовую смесь, предварительно очищенную от сажи, ароматических углеводородов, диацетилена и сероводорода, сжимают компрессором до 20-105 Па и через холодильник 2 подают в абсорбционную колонну 3, где ацетилен полностью поглощается водой, поскольку его растворимость в воде при повышении давления значительно возрастает а остальных газов - только частично. С понижением давления в сепараторах 4, 5. 6 и 7 поглощеные газы выделяются. При снижении давления с помощью дросселя 8 в сепараторе 4 до 2 • 10⁵ Па выделяется газовая смесь, содержащая 45% ацетилена, которая направляется в компрессор 1 и на поглощение. В сепараторах 5, 6 и 7 давление соответственно снижается до 0,98, 0,143 и 0,049 • 105 Па, в результате чего выделяется газ, содержащий 94-95% ацетилена. [4]

Рис. 3.Выделениеацетиленаиз реакционныхгазов(абсорбент - вода).

 

Этот газ  после сборщика 9 компрессором 10 подается в три абсорберы, что орошаются маслом (11), серной кислотой (12) и 0,5%-ным раствором NaОН (13). Масло и серная кислота поглощают углеводороды, а раствор щелочи - капли кислоты и углекислый газ. Очищенный газ с содержанием 97-98% ацетилена направляется потребителям.[5]

 

2.1. Материальный баланс процесса пиролиза природного газа

при окислительном  пиролизе протекают следующие реакции:

2СН₄↔С₂Н₂+Н₂ – Q       (1)

4СН₄+3О₂↔2С₂Н₂+6Н₂О+Q     (2)

СН₄+О₂↔СО+Н₂+Н₂О+Q      (3)

2СН₄+О₂↔2СО+4Н₂+Q      (4)

 

Данные для  расчета

 

1) Состав технического  кислорода, % (об.):

кислород –      98,0;

азот -      1,0;

аргон -     1,0.

2) Число дней  отводимых на ремонт – 15.

3) Состав природного  газа, % (об.):

СН₄ -      97,5;

С₂Н₆ -      0,16;

СО₂ -      0,50;

N₂ -      1,80;

высшие углеводороды –  0,04.

4) Мощность установки  по С₂Н₂, тыс.т/год   200;

5) Выход С₂Н₂ на непрореагировавший метан, %  8,8;

6) Доля СН₄ на реакцию (1)     0,72;

7) Распределение  СН₄ на реакции (3) : (4)   1 : 4.

 

Часовая производительность установки

Из реакций (1) и (2) следует, что 1 моль С₂Н₂ получают из 2-х молей СН₄, т.е. расход метана на целевые реакции составит

По заданию  – выход ацетилена составляет 8,8% на метан, следовательно, количество поступившего на установку метана:

;

 

Состав газа в %(масс.):

Для пересчета  объемного состава в массовый и обратно необходимо знать плотность r_i каждого компонента:

Масса любого газа при нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е. , где - плотность газа при нормальных условиях.

 

;

;

 

Исходя из того, что расход метана, идущего на целевые реакции 29305кг/ч, и доля метана на реакцию (1) составляет 0,72 расход метана на реакции составит:

 

(1)  ;

(2)  ;

Количество  метана на реакции (3) и (4)

(3) 

(4) 

 

 

Материальный  баланс процесса

 

По реакции (1)

Из 2 моль СН₄ – 1моль С₂Н₂ и 3 моль Н₂;

Для ацетилена  –  ;  ;

Для водорода –  ;  .

 

По реакции (2)

Из 4 моль СН₄ и 3 моль О₂ – 2 моль С₂Н₂ и 6 моль Н₂О;

Для ацетилена - ;  ;

Для воды -    ;

Для кислорода -   .

 

По реакции (3)

Из 1 моль СН₄ и 1 моль О₂ – 1 моль СО, 1моль Н₂О и 1 моль Н₂;

Для окиси углерода –  ;  ;

Для воды –  ;  ;

Для водорода –  ;  ;

Для кислорода  –  ; 

 

По реакции (4)

Из 2 моль СН₄ и 1моль О₂ – 2 моль СО и 4 моль Н₂;

Для окиси углерода –  ; ;

Для водорода –  ;  ;

Для кислорода  –  ; 

 

Расход кислорода (на технический кислород)

Расход чистого  кислорода  12 308+96 506+193010=301824 кг/ч;

Расход примесей:

;

;

;

 

G_{техн.кисл.}

Материальный  баланс процесса пиролиза метана

П Р И Х  О Д
	кг/ч	%(масс.)	Нм3/ч	%(об.)
Газ	282460	47,81	176215	44,98
В том числе:
метан	270568	45,80	336695	85,95
этан	734	0,12	548	0,14
двуокись углерода	3390	0,57	1726	0,44
азот	7768	1,31	6214	1,59
Кислород технический	308298	52,19	215528	55,02
В том числе:
кислород	301824	51,09	211273	53,93
азот	2621	0,44	2097	0,54
аргон	3853	0,65	2158	0,55
ИТОГО:	590758	100,00	391743	100,00
Р А С Х  О Д
	кг/ч	%(масс.)	Нм3/ч	%(об.)
ацетилен	23810	4,03	20513	1,88
Побочные продукты
окись углерода	422211	71,47	337769	30,93
водород	58240	9,86	652288	59,73
водяной пар	68131	11,53	68131	6,24
Транзитное
этан	734	0,12	548	0,05
двуокись углерода	3390	0,57	1726	0,16
азот	10389	1,76	8311	0,76
Примеси	3853	0,65	2757	0,25
ИТОГО:	590758	99,99	1092043	100,00

 

Основные технологические  показатели

 

Конверсия исходного  сырья.

Количество  метана и кислорода обозначаю G_з , количество ацетилена – G_п. Тогда конверсию сырья в процентах выражается следующим уравнением:

На метан  

На кислород 

 

Селективность нахожу как отношение готового продукта G_п к сырью G_c (на метан)

 

Выход целевого продукта.

 

 

Расходные коэффициенты на получение 1 тонны продукта:

1. По метану стехиометрический коэффициент на 1 т ацетилена:

Расходный коэффициент  с учетом селективности

К_р= К_с/ = 0,615 / 0,088= 6,99 т/т продукта.

2. По кислороду стехиометрический расходный коэффициент на 1 т ацетилена:

Расходный коэффициент  с учетом селективности

К_р= К_с/ = 0,923 / 0,088 = 10,49 т/т продукта.[7]

 

 

 

Заключение

Ацетилен является исходным сырьем для синтеза мономерных веществ, из которых получают химические волокна, пластические массы, каучук и другие важные продукты и материалы. К таким мономерам относятся винилхлорид, винилацетат, акрилонитрил, хлоропрен и т. д. В связи с большой потребностью в продуктах, получаемых на основе ацетилена, планами развития народного хозяйства  предусмотрено увеличение производства ацетилена, как из углеводородного сырья, так и классическим способом — через карбид кальция.

Шире сейчас применяются методы получения ацетилена  из природного газа – метана:

электрокрекинг  (струю метана пропускают между электродами при температуре 1600°С и быстро охлаждают, чтобы предотвратить разложение ацетилена);

термоокислительный  крекинг (неполное окисление), где в реакции используют теплоту частичного сгорания ацетилена.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

1. Саранчук В.И., Ошовский В.В., Власов Г.А. Физико-химические основы переработки горючих ископаемых. – Донецк, Дон ГТУ, Східний видавничий дім, 2001.-304 с.
2. Авербух А.Я. Комплексное использование химического сырья – М.:Знание, 1975.
3. Химические вещества из угля / под ред. Ю.Фальбе/ - М.: Химия, 1980.
4. Громов Б.В., Зайцев В.А. и др..Безотходное промышленное производство. Основные принципы безотходных производств.- Итоги науки и техники,т.9 – М. 1981.
5. Теддер Дж.,Нехватал А.,Джубб А. Промышленная органическая химия – М.: Мир, 1977.
6. Гутник С.П. и др.Примеры и задачи по технологии органического синтеза  - М.: „Химия ”, 1984, 192 с.
7. Кричко А.А.,Лебедев В.В., Фарберов И.Л. Нетопливное  использование углей – М., Недра:, 1978 г.
8. Лапидус А.Л., Крилова А.Ю. Уголь и природный газ – источники для получения искусственного жидкого топлива и химических продуктов – М.:”Знание”,1986.
9. Комплексное использование  химического сырья. -  М.:Знание,1975.
10. Мухленов И.П., Горштейн А.Е. и др. Основы химической технологии. — М.: Высшая школа, 1991 – 463с.
11. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. — М.: Химия , 1981
12. Основные процессы и аппараты химической технологии / Под ред. Ю.И.Дытнерской. – М.: Химия, 1991. – 496 с.
13. Соколов Р.С. Химическая технология. В 2 т. – М.: Изд.центр «ВЛАДОС», 2009. – Т.1 – 368 с.; Т.2 – 448 с.
14. Химическая технология неорганических веществ : В 2 кн./Под ред. Т. Г. Ахметова – М.:Высшая школа, 2002.- 1 кн. -488с.2 кн.  -533