Acetilena

UNIVERSITATEA POLITEHNICA din BUCUREȘTI

Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria și Managementul Afacerilor

ACETILENA

Profesor : Conf. dr. ing. CHIPURICI Petre

Studentă : NICOLAE Mihaela

Grupa : 1541C IEICM

București 2016

CUPRINS

Scurt istoric

Molecula de acetilenă Eficiența extrem de ridicată a acetilenei poate fi explicată

foarte simplu: energie enormă eliberată la arderea ei, temperatură ridicată a flãcării și viteză mare de propagare a acesteia, datorate structurii moleculare favorabile a acetilenei. În comparație cu alte hidrocarburi, la descompunerea acetilenei în procesul de ardere se dezvoltă o cantitate de energie foarte mare: așa zisa energie sau entalpie de formare.

Acetilena eliberează în această fază o energie utilă egală cu 8714kJ/kg. La aceasta se adaugă energia din prima fază de ardere în oxigen – în flacăra primară – singura care are importanță în tehnica oxi-acetilenică. Aceasta este o particularitate intrinsecă a acetilenei [1].

Acetilena este o hidrocarbură alifatică nesaturată, cu o triplă legătură, descoperită de H. Davy în 1836 și sintetizată din elemente de M. Berthelot în 1862. Este un gaz incolor, fără miros în stare pură, foarte solubil în acetonă. Formează acetiluri de cupru, argint și mercur. Dă reacții de adiție, de polimerizare etc. Se poate obține prin reacția dintre carbura de calciu (carbid) și apă sau din metan, prin oxidare parțială cu oxigen ori prin cracare în arc electric. Este un compus de mare importanță, constituind baza pentru obținerea unui număr foarte mare de compuși în industria chimică. Din acetilenă se prepară aldehida acetică, acetona, clorura de vinil, acetatul de vinil, vinilacetilena, nitrilul acrilic. Se folosește de asemenea la sudura oxiacetilenică și la iluminat. Se păstrează în tuburi sub presiune. În 1962 în R.P.R. se fabrica la Rîșnov (reg. Brașov) din gaz metan, iar la Turda (reg. Cluj) și Tîrnăveni (reg. Mureș-Autonomă Maghiară) din carbid [1] .

Acetilena a fost, după anul 1990, o materie primă de bază pentru fabricarea de solvenți clorurați (tratracloretan, tricloretenă), acetaldehidă, acid acetic, anhidridă acetică, acetonă, monomeri vinilici și acrilici, cauciuc sintetic (polibutadienic, neopren). După anul 1960, importanța întrebuințării acetilenei în petrochimie a marcat un declin substanțial, fiind înlocuită, în aproape toate aplicațiile sale, cu materii petrochimice mai ieftine: etenă, propenă, butadienă [1].

Deși acetilena este foarte reactivă, costul ei mai ridicat (aproape dublu față de etenă), pericolul pe care îl prezintă în manipulare și depozitare, dezvoltarea unor tehnologii de prelucrare a etenei, propenei și butadienei, au determinat ca importanța ei să scadă [1].

În anul 1981, producția mondială de acetilenă a fost de 560 kt. Acum este probabilă o producție de același nivel, în S.U.A. fiind de 130 kt/an, iar în Japonia de 150 kt/an . Probabil că, jumătate din producția mondială de acetilă se fabrică din carbid, iar cealaltă parte pe cale petrochimică, din metan, fracțiuni petroliere lichide, până la țiței [2].

Prin procese naturale se formează acetilenă în apa de mare. Concentrația acetilenei în atmosferă este de 50-3 000 p.p.t.v. Distrugerea sa în atmosferă se produce numai prin radicali HO. Timpul mediu de înjumătățire în troposferă este de circa 2 luni. Fluxul marin global de acetilenă este de 0,2-1,4 Mt carbon/an. În stratosferă împiedică distrugerea ozonului [3].

Se pare că în intervalul 1987-1991, în S.U.A. , producția de acetilenă a crescut constant cu 2-3% pe an, structura consumului acesteia fiind: 40% pentru clorura de vinil, 27% pentru 1,4 butandiol, 28% pentru alți derivați vinilici și acrilici și 5% pentru cărbune de acetilenă [4]. Se semnalizează o creștere a interesului față de acetilenă, ca materie primă, în fabricațiile de poliacetilene (semi-, foto- și supraconductori) [5], biosinteze de comopuși vinilici, diamante artificiale [6].

Gazul cu cea mai mare temperatură și mai eficient dintre toate gazele combustibile, acetilena (C2H2) oferă nivele înalte de productivitate datorită unei încălziri bine localizate cu un minim de risipă de energie termică. De asemenea, are nevoie de cantitatea cea mai mică de oxigen pentru a asigura arderea completă. Acest gaz inflamabil și incolor este mai ușor decât aerul, așa că nu se acumulează la nivelele inferioare, unde ar putea cauza un potențial pericol. Este furnizat de obicei dizolvat în acetonă sau DMF (dimetilformamidă) în cilindri special proiectați pentru a preveni descompunerea [7].

Un amestec de flacără cu umiditate redusă face din acest gaz o bună alegere pentru multe procese critice de încălzire. Aplicațiile tipice include încălzirea cu flacără, decaparea cu flacără, sudura, întărirea cu flacără, curățarea la flacără, îndreptarea la flacără, pulverizarea termică, încălzirea locală, brazare, texturare, profilare, marcarea paleților din lemn, maturarea lemnului și învelirea cu carbon [7].

Acetilena este singurul gaz combustibil recomandat pentru condiții de lucru subterane, deoarece este mai ușor decât aerul. Este de asemenea singurul gaz combustibil, de exemplu, care poate fi utilizat pentru sudura oțelului [7].

La tăiere, oxiacetilena oferă cea mai rapidă încălzire și străpungere din toate combinațiile de gaze.

Printre avantaje se număra:

Calitate îmbunătățită a tăierii

Viteze mai mari de tăiere

Timp mai rapid de inițiere a tăierii

Cantitate redusă de oxigen utilizată [7].

Capitolul 1. Utilizările acetilenei

Acetilena este un compus de mare importanță, constituind baza pentru obținerea unui număr foarte mare de compuși în industria chimică. Din acetilenă se prepară aldehida acetică, acetona, clorura de vinil, acetatul de vinil, vinilacetilena, nitrilul acrilic. Se folosește de asemenea la sudura oxiacetilenică și la iluminat [8].

În speologie se folosește la iluminat în lămpile ce funcționează pe bază de acetilenă denumite și lămpi de carbid [8].

Acetilena a constituit mult timp una dintre cele mai utilizate materii prime ale industriei chimice organice [8].

Din acetilena se pot obține:

obținerea solvenților

a maselor plastice

prepararea cauciucului sintetic

fibre sintetice(melana)

acid acetic

alcool etilic

aparatul de sudură autogenă

intermediar in alte reacții chimice

policlorura de vinil

producția de lampback

arzătoare

analiza metalelor în spectrometre cu absorbție atomică și altele [8].

Utilizările acetilenei în petrochimie

Acetilena poate fi hidrogenată la etenă care, prin oligomerizare, produce carburanți. Acetilena poate constitui o materie primă atractivă, spre exemplu, în următoarele fabricații [8] :

Clorura de vinil: dintr-o materie primă adecvată etenă-acetilenă, prin aplicarea procedeului „echilibrat” („ balanced”), etena și clorul reacționează și dau 1,2-dicloretan care, prin descompunere, produce clorură de vinil și HCl. În continuare, HCl și acetilena formează clorura de vinil [8].

Acetatul de vinil: prin oxidarea parțială a hidrocarburilor pentru fabricarea acetilenei se obține și CO [8].

Sursa : http://chimieaplicativa.blogspot.ro/

Capitolul 2. Principalii producători pe plan mondial. Normative europene

După cum am precizat și în capitolul anterior, acetilena este un compus de mare importanță în industria chimică. Acetilena este un gaz care a contribuit decisiv la progresul industrial; de la începutul secolului XX, aceasta a fost utilizată pe scară largă în activitățile de manufacturare (sudura autogenă) și în domeniul iluminatului civil și maritim (faruri și balize).
Transportabilitatea sa, din cauza inflamabilității sale foarte ridicate și a tendinței de descompunere explozivă, a constituit o problemă tehnică foarte mult dezbătută timp de mulți ani [8].

Acetilena este un compus extrem de versatil al industriei chimice speciale, datorită reactivității sale controlabile în variate aplicații sintetice și care deține caracteristici deosebite. Potențialul de sinteză al acetilenei o face extrem de utilă pentru diverse aplicații din industria chimică, cum ar fi producția de compuși care intră în structura parfumurilor, vitamine, aditivi polimerici, solvenți și agenți tensioactivi [8].

Printre principalii producători ai acesteia se numără diverse companii cum ar fi :

The Linde Group

Sursa : http://www.zf.ro/wikizf/linde-gaz-romania-s-r-l-8509958/poze/

SIAD

Sursa : http://www.medtechnik.cz/en/katalog/siad_czech.html

GCE WORLDWIDE

Sursa : http://romania.gcegroup.com/

Megainvest SRL

Sursa : http://megainvest.ro/

În țara noastră se mai fabrică acetilenă prin procedeul de cracare a metanului în arc electric (Borzești) și prin cel de oxidare parțială (Săvinești, Craiova) [8].

Normative europene (accesați linkul din titlu)

Capitolul 3. Procedee tehnologice alternative

Tehnicile de transmitere a căldurii, aplicate industrial pentru scopul propus, diferențiază procedeele industriale în :

procedee de combustie parțială (Sachsse, BASF, SBA-Kellogg și Hoechst), în care o parte din materia primă arde pentru a genera căldura necesară;

procedee regenerative (Wulff), în care materia primă preia căldura de la un sistem refractar, încălzit anterior prin contact direct, și

procedee cu arc electric (Huls, DuPont) în care temperatura înaltă este atinsă de materia primă prin contact direct cu un arc electric [8].

Procedeul de combustie parțială

Acest procedeu este aplicat în majoritatea instalațiilor de fabricare a acetilenei. Materia primă poate fi metanul, gazele asociate sau benzina și oxigenul de concentrație peste 90%. Căldura necesară reacției este furnizată prin arderea unei părți din materia primă [8].

Proiectarea reactorului trebuie să asigure o amestecare intimă între hidrocarbură și oxigen, pentru a realiza o temperatură cât mai uniformă și să ofere un regim de curgere adecvat, pentru a realiza un timp de reacție uniform. În figura 5.7. se prezintă schița unui reactor de tip Sachsse [8].

Hidrocarbura și oxigenul se încălzesc separat, la 600˚C și pătrund în zona de amestecare a reactorului; în continuare, acestea trec printr-un sistem de duze, în zona de combustie. Temperatura este de 1 300 – 1 500˚C, iar timpul de reacție este de 0,001 – 0,01s. Gazele de reacție sunt răcite prin contact direct cu apă rece sau cu o fracțiune de hidrocarburi lichide. Compoziția acestor gaze este redată orientativ în tabelul 5.2 [8].

Se observă că gazul de sinteză reprezintă în acest amestec, mai mult de 80%.

Separarea și purificarea acetilenei se face prin: eliminarea carbonului, absorția dioxidului de carbon, dizolvarea selectivă a acetilenei, aliminarea acetilenelor superioare, recuperarea etenei și a gazului de sinteză din gazele reziduale. Se obține acetilenă de puritate peste 98,8%, cu un randament de 23-40% [8].

Pentru o tonă de acetilenă, se consumă 4,2 t de materie primă, 4,5 t oxigen și 3 000 kW/h.

O variantă a procedeului de combustie parțială este propagarea unei flăcări în interiorul unei fracțiuni de hidrocarburi lichide, chiar țiței. Se formează o cantitate apreciabilă de gudron și funingine, care se elimină prin recircularea continuă a unui flux de lichid la exterior și filtrare [8].

Tabelul 5.2

Compoziția gazelor de reacție obținute în procedeul Sachsse

Procedeul regenerativ

Reactorul este constituit în principal dintr-o structură ceramică tridimensională plasată într-un cuptor (figura 5.8).

Procedeul aplică un sistem ciclic, astfel:

aerul intră, de exemplu, prin partea dreaptă, se încălzește până la 1 100˚C și ajunge în camera de combustie a reactorului, unde, în urma unei reacții de ardere a combustibilului injectat, temperatura se ridică la 1 200 – 1 400˚C. Gazele parcurg în continuare partea stângă a cuptorului și ies din cuptor la 400˚C;

alimentarea vaporizată și amestecată cu vapori de apă intră în cuptor prin partea stângă și, ajungând în zona centrală a cuptorului, are loc reacția și părăsesc cuptorul prin partea dreaptă, la 400˚C;

această etapă este similară etapei a, dar aerul va intra acum prin partea stângă;

această etapă este similară etapei b, dar alimentarea va intra acum prin partea dreaptă, etc [8].

Figura 5.8. Schița unui reactor de tip cuptor regenerativ.

Tabelul 5.3

Compoziția gazelor rezultate în procedeul Wulff, % vol

Materiile prime pot fi cuprinse între metan și motorină. Se poate lucra la presiune redusă sau în prezența vaporilor de apă. Timpul de contact este de 0.03 s; întregul ciclu a-d durează un minut. Compoziția gazelor de reacție se arată în tabelul 5.3.

Separarea și purificarea acetilenei necesită eliminarea gudronului, a hidrocarburilor aromatice și a acetilenelor superioare, absorbția selectivă a acetilenei, separarea etenei.

Avantajele acestui procedeu:

buna folosire a căldurii și întrebuințarea depozitelor de carbon și gudroane formate în cursul reacției (prin arderea lor în etapele a și c menționate);

marea flexibilitate față de diferitele materii prime.

Dezavatajele procedeului:

capacitatea limitată a unei perechi de reactoare (4 500 t/an);

randamentele mici în acetilenă, datorită duratelor de reacție mari [8].

Procedeul cu arc electric

Acest procedeu s-a aplicat primul pentru fabricarea de acetilenă, de către Huls, în anul 1940. Temperatura necesară reacției este furnizată de un arc electric care se produce între doi electrozi, o parte din energie consumându-se în producerea acestui arc electric. Schița unui reactor cu arc electric este prezentată în figura 5.9 [8].

Fig. 5.9. Schița unui reactor pentru sinteza acetilenei din metan, prin procedeul cu arc electric.

Catodul este plasat la partea superioară a reactorului și are forma unui clopot. Anodul are formă de țeavă, cu lungimea de 1,5 m și diametrul de 100 mm. Arcul electric are o lungime de aproximativ 1 m [8].

Materia primă intră tangențial în camera de turbulență, parcurgând spațiul anodic într-o mișcare turbionară, cu o viteză de 600 m/s. Intrând în zona arcului electric, primește un șoc termic, descompunerea în acetilenă având loc la circa 1 600˚C [8].

În partea inferioară a reactorului, efluentul întâlnește o alimentare secundară (>C₂), care este cracată parțial în etenă, și scade temperatura efluentului. Prin injecție de apă, efluentul din reactor este răcit brusc la 150˚C [8].

Reactorul asigură o temperatură de 1 600˚C, presiune atmosferică și un timp de contact de 0,001 s. Conversia este de 50-65%. Compozițiile alimentării și gazelor rezultate sunt menționate în tabelul 5.4 [8].

Tabelul 5.4

Compozițiile alimentării și gazelor rezultate în cracarea în arc electric pentru fabricarea acetilenei

Pentru o tonă de acetilenă, se consumă: 1,4 – 1,8 t de hidrocarburi, 9 000 kW/h la conversia de 65 % și 8 000 kW/h la conversia de 50 %.

Produsele secundare sunt ( la 1 t acetilenă ): 0,1 – 0,2 t etenă, 0,29 t negru de fum, 0,15 t gudron, 0,2- 0,4 t hidrogen [8].

Dezavantaje:

o parte din energie se pierde în generarea arcului electric;

zona temperaturilor înalte este foarte neregulată, din această cauză și reacțiile în diferite puncte sunt diferite, determinând formarea de numeroase produse;

temperaturile extreme din arc deteriorează repede echipamentul. Durata de funcționare a unui catod este de 800 ore, iar a unui anod de 150 ore. Se lucrează cu perechi de reactoare, pentru o producție în flux continuu;

un consum mare de energie electrică și o eficiență scăzută a întrebuințării energiei [8].

În țara noastră se fabrică acetilenă prin procedeul de cracare a metanului în arc electric (Borzești) și prin cel de oxidare parțială (Săvinești, Craiova) [8].

Procedeul de obținere a particulelor de carbonat de calciu la fabricarea acetilenei

În acest sens, există un brevet de invenție, publicat în anul 2013, care se referă la un procedeu de obținere a particulelor de carbonat de calciu din hidroxidul de calciu rezultat ca produs secundar, la fabricarea acetilenei [sursa: OSIM – brevet de invenție/28.02.2013].

Procesele de fabricare a acetilenei constau din adăugarea treptată a carbidului, cu o granulație de 15-25 mm, sub agitare, într-un rezervor de apă, etanș, unde reacționează spontan. Acetilena este evacuată pe partea superioară a rezervorului, în timp ce hidroxidul de calciu, împreună cu impuritățile solubile și insolubile, formează o suspensie apoasă. Suspenia apoasă de hidroxid de calciu constituie produsul secundar al procesului și este considerat deșeu [sursa: OSIM – brevet de invenție/28.02.2013].

Conform acestei invenții, procedeul pentru valorificarea șlamului de hidroxid de calciu, rezultat de la fabricarea acetilenei, sub formă de particule sferice de carbonat de calciu de puritate avansată, se desfășoară printr-o serie de etape conform schemei tehnologice de principiu, prezentată în figura 1. [sursa: OSIM – brevet de invenție/28.02.2013].

Figura 1.

Sursa : OSIM – brevet de invenție/28.02.2013

Eficiența economică

Pentru practician, utilizarea acetilenei la tăiere înseamnă realizarea unor viteze de tăiere mari, preîncălzire și încălzire rapidă, aport de căldură concentrat, rezultatul fiind creșterea productivității [ http://www.linde-gas.ro ] .

La aprecierea eficienței economice a unui procedeu nu este suficientă numai evaluarea cheltuielilor pentru gazul combustibil și oxigen. Hotărâtoare sunt cheltuielile cu manopera și cele referitoare la costul echipamentelor: proporția acestora poate să atingă până la 90% din costurile totale. Cheia câștigului constă în utilizarea acetilenei ca și gaz combustibil și valorificarea optimă a energiei acesteia

[ http://www.linde-gas.ro ] .

Sursa : http://www.linde-gas.ro – accesat la data de 23.04.2016

Se constată că pornind de la acetilenă ca materie primă de bază s-a înălțat astăzi un edificiu uriaș, care cuprinde un mare număr de fabricații dintre cele mai importante, având un rol hotărâtor în marea industrie alifatică germană [9].

Se poate recunoaște numărul mare de materii prime pentru industria chimică, numeroșii dizolvanți și plastifianți de sinteză, marea varietate de monomeri pentru obținerea maselor plastice și a cauciucului sintetic, apoi produse care sunt indispensabile pentru fabricarea explozivilor, coloranților, medicamentelor, mătăsii artificiale și auxiliarilor textili. Chiar dacă o mare parte din chimia atât de dezvoltată a acetilenei a fost și va mai fi încă înlocuită prin includerea țițeiului ca bază ieftină de materii prime și a procedeelor de fabricație bazate pe acesta, meritul chimiei acetilenei rămâne acela de a fi pus pentru prima dată bazele unor procedee industriale pentru producerea compușilor alifatici [9].

Seria de produși care pot fi sintetizați din acetilenă nu este nici pe departe epuizată; dimpotrivă, numărul de combinații interesante din punct de vedere științific ce se pot obține din ea este foarte mare și în continuă creștere. Prin lucrările de pionierat ale lui W. Reppe executate în fosta uzină I.G.Ludwigshafen s-au ivit în ultimii 10 ani și noi posibilități; prin folosirea vinilării, etinilării, carbonilării și ciclizării se mai așteaptă și alte succese tehnice [9].

Capitolul 4. Analiza punctelor sensibile din tehnologia de fabricație

Un punct sensibil din tehnologia de fabricație a acetilenei poate fi considerat următorul: pe cale nepetrochimică, acetilena se fabrică din carbid. Aproape întreaga cantitate de energie necesară se consumă pentru fabricarea carbidului. În procesul electrotermic, reacția de formare a carbidului se produce la peste 1 850˚C. Necesarul de energie este de aproximativ 4,0 MJ/mol de acetilenă, ceea ce reprezintă de 3 ori mai mult decât valoarea acetilenei, în calitate de combustibil [10]. În funcție de procese și procedee, de conjunctura locală, costul de fabricație a acetilenei este cu 30 până la 100% mai mare decât al etenei.

În concurența etenă-acetilenă, la nivelul tehnologiilor actuale (piroliza pentru etenă, arc electric pentru acetilenă), roluri determinante au prețul țițeiului și prețul energiei electrice, două date importante, dar cu evoluție greu de prevăzut. Influența celor două date asupra prețurilor celor două hidrocarburi este arătată în figura 5.12 [11].

Prețul energiei electrice, chiar a celei obținute în centrale nucleare, nu este total independent de prețul țițeiului; există o dependență fizică, de exemplu faptul că centralele nucleare încorporează materiale pentru a căror producere s-a consumat multă energie: oțel, ciment etc [11].

La prețurile din 1975, de 6-7 centime FF/kWh și 320 FF/t țiței, se vede din figura 5.12 că etena are un preț de 1 170 FF/t, iar acetilena 2 000 FF/t. La o eventuală triplare a prețului țițeiului, la aproximativ 950 FF/t, caz în care prețul kW/h ar fi de 13 centime FF, prețurile celor două hidrocarburi ar fi, conform figurii 5.12, 3 000 FF/t etenă și 3 400 FF/t acetilenă [11].

La nivelul actual de siguranță a prevederilor, nu se poate întrevedea deci o situație favorabilă pentru acetilenă, în concurență cu etena, în sensul că acetilena să redevină o materie primă de importanță majoră.Totuși, unele particularități economice, în mod deosebit dacă prețul țițeiului se va mări, ar putea justifica o renaștere locală și limitată a interesului pentru producția de acetilenă [11].

Fig. 5.12. Prețurile etenei și acetilenei în funcție de prețul țițeiului. Parametru: prețul kW/h în centime FRF (15).

Acetilena nu trebuie comprimată la presiuni mai mari de 2 ata și nu trebuie să atingă temperaturi mai mari de 105˚C (la presiunea atmosferică), deoarece se descompune exploziv [11].

BIBLIOGRAFIE

Lucrări de specialitate :

1. E. Ceaușescu; (1983), Enciclopedia de Chimie, vol.I, Editura științifică și enciclopedică, București, p. 41;

2. Blackie, Glasgow; (1991), An Introduction to Inustrial Chemistry, Editura C.A, Londra, p. 366;

3. Kanakidou, M. și alții; (1988), Nature, p.51-2

4. Household and Personal Products Industry; (1992), p. 105

5. Process Eng.; (1990), p. 9

6. Chem. Week; (1993), p. 6

7. http://www.linde-gas.ro (accesat la data de 22.04.2016)

8. I. Ghejan, S. Feyer Ionescu, I. Opriș; (1999), Ingineria Prelucrării Hidrocarburilor, vol. V, Editura Tehnică București, p.161-174

9.Chauvel, A., Lefebvre, G.; (1989), Petrochemical processes, vol II, Ed. Technip, Paris

10. http://chimieaplicativa.blogspot.ro/ (accesat la data de 10.05.2016)

11. OSIM – brevet de invenție/28.02.2013

12. Blackie, Glasgow; (1991), An Introduction to Inustrial Chemistry, Editura C.A, Londra, p. 360;

13. Cociașu, C.A., Corobea, M.; (1989), Rev.Chim., București, p. 9-16

14. Blackie, Glasgow; (1991), An Introduction to Inustrial Chemistry, Editura C.A, Londra, p. 361;

Site-uri web :

1. http://chimieaplicativa.blogspot.ro/

2. http://www.zf.ro/wikizf/linde-gaz-romania-s-r-l-8509958/poze/

3. http://www.medtechnik.cz/en/katalog/siad_czech.html

4. http://romania.gcegroup.com/

5. http://megainvest.ro/

6. http://igsu.ro/documente/legislatie/Normativ_acetilena_2006.pdf

7.http://pub.osim.ro/publication-server/pdf-document?PN=RO123510%20RO%20123510&iDocId=3738&iepatch=.pdf

8. http://www.linde-gas.ro