Виробництво ацетилену
Виробництво ацетилену карбідним способом
Ацетилен є вихідною сировиною для синтезу мономерних речовин, з яких одержують хімічні волокна, пластичні маси, каучук та інші важливі продукти та матеріали. До таких мономерів відносяться вінілхлорид, вінілацетат, акрилонітрил, хлоропрен і т. д. У зв'язку з великою потребою в продуктах, одержуваних на основі ацетилену, планами розвитку народного господарства передбачено збільшення виробництва ацетилену як з вуглеводневої сировини, так і класичним способом через карбід кальцію.
Фізичні властивості ацетилену
Ацетилен СН? СН було відкрито 1836 р. англійським хіміком Деві для дослідження складу світильного газу. У ряді ненасичених аліфатичних вуглеводнів загальної формули CnH2n-2 ацетилен є першим представником і має молекулярну вагу 86,04.
Ацетилен за звичайних умов є безбарвним газом з такими фізичними характеристиками:
Критичний тиск,ат61,6
Потрійна точка ацетилену, що відповідає стійкому рівноцінно трьох фаз, характеризується такими величинами: температура -80,6 С, тиск 962мм рт. ст.
Щільність рідкого ацетилену при критичному тиску та 0° С дорівнює 0,451кг/л.
Ацетилен добре розчиняється у багатьох органічних та неорганічних рідинах, що дозволяє виділяти концентрований ацетилен з реакційних газів при виробництві його з природного газу або нафтових вуглеводнів.
Ацетилен може горіти із виділенням великої кількості тепла. Теплотворна здатність його дорівнює 13 387ккал/м3(вища) і 12710ккал/м3(нижча). Завдяки такій високій теплотворній здатності ацетилен знаходитьзастосування для газополум'яного різання та зварювання металів. Ацетилен є ендотермічним з'єднанням, в певних умовах здатним до вибухового розкладання на прості речовини:
Температура при цьому досягає 2800 ° С. За наявності джерела займання ацетилен також здатний вибухати. Вибухові властивості його вищі, ніж у багатьох сильно вибухових речовин.
Одержання ацетилену з карбіду кальцію
Придіїводинакабідкальціювиділяєтьсяацетиленіутворюєтьсягашеневапно:
Тепло,що виділяєтьсяприрозкладаннітехнічногокарбіду кальцію,представляєсобоюсумукількостейтепла,що виділяється привзаємодіїсводоюкарбідукальціюіміститьсявтехнічномукарбіденегашеноївідомі.Реакціявідомізводоюпротікаєалерівнянню:
Теоретично для розкладання 1 кгхімічночистогокарбіду кальціюпотрібно витратити 0,562кгподи;прицеутворюється1,156кг гашеного вапна і 0,406 кг ацетилену.Такимобразом,теоретичний вихідсухогоацетиленузхімічночистогокарбідукальціяпри0? С та 760 мм рт. ст.становить372,3л/кг.Фактичнийвихід ацетиленузтехнічногокарбідукальціювнаслідокнаявності востанньомудомішокірозкладанняйоговологоюповітряколивається від 230до310л/кг.
Нормивиходуацетиленупривеличинікусківкарбідукальцію від2до80ммрегламентуютьсяГОСТ1460-56.Спідвищенням розміріввихідацетиленузростає,такякдрібнішматкисильнішепритягуютьатмосфернувологуівнаслідокцьоговтрачаютьацетилен участранспортування.Значнийтепловийефектреакціїрозкладаннякарбідукальціюінебажаністьперегрівуацетиленунаводитьдотому,щовпрактичнихумовахпроцесрозкладанняведутьзвеликимнадлишкомводипротитеоретичногокількості.
Процесосвітиацетиленучастоускладнюєтьсячерезпояви>кіркинашматкахкарбідукальція,виникаєприконтактіїхзгашеноївапном,вяке>перетворюєтьсяСаС2при діїводи.Ценаводитьдозамулюванняіперегрівугенератора.
Для нормального перебігу реакції кірку вапна необхідно видаляти.
При зануренні шматків карбіду кальцію у воду процес розкладання протікає безперервно. Реакція починається дуже бурхливо, з великим виділенням ацетилену, потім її поступово знижується. Це також пов'язано з утворенням кірки вапна, що перешкоджає вільному доступу води. При перемішуванні реакційної маси в генераторі розкладання карбіду кальцію протікає швидше і рівномірніше. Ззменшенням розмірів шматків зростає загальна поверхня зіткнення фаз і, отже, швидкість розкладання підвищується.
На практиці процес виробництва ацетилену оцінюють за часом, протягом якого виділяється 98% загальної кількості ацетилену, що утворюється під час розкладання даної кількості карбіду кальцію. Залишок карбіду розкладається дуже повільно, внаслідок чого цей час практично не характеризує процес в умовах роботи ацетиленових генераторів.
Ацетиленові генератори класифікують за продуктивністю, граничним тиском ацетилену, що виробляється, і головне - за способом розкладання карбіду кальцію водою.
Продуктивність генераторів по ацетилену може бути від 0,8 до 2000м3/чі більше. Для зварювальних робіт використовують невеликі пересувні генератори - переважно до 80м3/год,у хімічній промисловості застосовують генератори на 500-2000м3/ч.
По граничному тиску ацетилену, що виробляється, генератори поділяють на генератори низького тиску-до 0,1 атм. (герметизація за допомогою гідравлічного затвора) генератори середнього тиску - від 0,1 до 1,5ат(закриті апарати) та генерації високого тиску - понад 1,5ат(тільки закриті апарати ).
За способом розкладання карбіду кальцію водою генератори поділяються на три основні системи:
1. Генератори системи «карбід у воду» (апарати безперервної дії). Шматки карбіду скидають у воду, що у газоутворювачі і там відбувається розкладання. Тепло, що виділяється, витрачається в основному на нагрівання води. гідроксид кальцію, що утворюється при реакції, видаляється разом з водою у вигляді суспензії.
2. Генератори системи «вода на карбід». Воду періодично (абобезперервно) подають на шматки карбіду, завантажені в газоутворювач. Регулюють процес розкладання, змінюючи кількість води, що подається. У цих апаратах можна вести «мокрий» чи «сухий» процес газоутворення. У генераторах «мокрого» типу воду подають на нерухомий карбід кальцію, який повністю розкладається у присутності значного надлишку води. У «сухих» генераторах вода надходить на шматки карбіду кальцію, що безперервно рухаються, який знаходиться в надлишку по відношенню до кількості води, що подається. Відходом є порошкоподібний гідроокис кальцію (вапно-пушонка);
3. Контактні генератори. Взаємодія карбіду кальцію із залитою в апарат водою здійснюється періодично, у міру витрачання ацетилену. Такі генератори бувають лише малої продуктивності (використання ацетилену для зварювання та різання металів).
У генераторах системи «карбід у воду» відбувається найбільш повне розкладання карбіду кальцію з мінімальними втратами ацетилену; в них можна переробляти шматки будь-яких розмірів, включаючи дрібницю, а також регулювати продуктивність. Недоліком цих генераторів є відносна складність і громіздкість завантажувальних пристроїв, висока витрата води (10м3на 1тС2Н2) і наслідок цього велика кількість відходів (рідкого мулу). Генератори системи «карбід у воду» застосовуються переважно як стаціонарні апарати великої продуктивності і знаходять найширше застосування в хімічній промисловості.
Па рис. 11-6 показаний генератор системи «карбід у воду» продуктивністю до 500м3/ч.Апарат заповнений водою на 3/4 висоти.Гранульованийкарбід кальцію (розмір шматків 50-80мм)з завантажувальних бункерів1і2надходить у генератор через шахту4,нижня частина якої занурена у воду. Подача карбіду регулюється секторним живильником3,, що обертається зі швидкістю 16-18 об/год.
Малюнок 11-6. Ацетиленовий генератор системи «карбід у воду»:
1 — верхній завантажувальний бункер;2— нижній завантажувальний бункер;3— секторний живильник;4— шахта;5— розподільчий конус;6— корпус апарату; 7 — гребки;8— полиці;9— вал, що обертається; - Шлюзовий затвор; 11 - зрівняльна труба;12- гідравлічний затвор.
За допомогою встановленого під шахтою конуса5карбід рівномірно розподіляється за перерізом генератора. Для видалення кірки вапна з шматків карбіду є пристрій, що перемішує — обертовий (до 120 об/год) вертикальний вал9з лопатями. На верхній сітчастій полиці шматки карбіду переміщаються від центру до периферії і потрапляють на нижню полицю, що має ухил до центру. При терті шматків карбіду об полиці кірка вапна зсипається. Гашена звістка видаляється з генератора у вигляді вапняного молока по сифонній трубі11, що є регулятором рівня води. Тяжкі домішки карбіду кальцію (феросиліцій та ін) збираються в нижньому бункері (шлюзовий затвор10), звідки їх періодично видаляють.
Більш раціональні генератори системи «вода на карбід» із «сухим» процесом розкладання карбіду кальцію. Отримуване в них сухе вапно-пушонка (5% вологи) є гарним будівельним матеріалом і легко транспортується. Цим спрощується використання відходів. Невеликий надлишок води під час роботи генератора практично повністю випаровується, що сприяє створенню більшої безпеки під час експлуатації апарату. На випаровування витрачається частина реакційноготепла, тому ацетилен не перегрівається. Він насичений водяними парами, внаслідок чого значно менш вибухонебезпечний. Це одна з важливих переваг генераторів системи «вода на карбід».
У «сухому» генераторі карбід кальцію через секторний живильник і горизонтальний шнек безперервно надходить на верхню полицю, куди пристроями, що розбризкують, подається вода. Карбід взаємодіє з водою на полицях генератора. За великої кількості полиць досягається майже повне розкладання карбіду (на 98%). Сухе вапно виводиться з генератора через конусну частину і потрапляє в нижній циліндр. Щоб запобігти «зависанню» вапна, конусна частина забезпечується механічними ворушниками. Температура повинна підтримуватися 50-60 ° С, для чого в генератор подають холодну воду. Завантажувальні та нижні вивантажувальні бункери влаштовані за принципом шлюзових затворів та продуваються азотом. Постійний надлишковий тиск у генераторі не повинен перевищувати 300-400 мм рт. ст. У разі підвищення тиску надлишковий ацетилен через гідравлічний затвор відводять в атмосферу. Витрата води в «сухих» генераторах майже в 5 разів менша, ніж у «мокрих».
На рис.11-7 зображено «сухий» ацетиленовий генератор, в якому розкладання карбіду кальцію проводять при невеликому надлишку води. У нижньому циліндрі підтримується певний рівень і шість, який перешкоджає проникненню ацетилену в нижній шпек. Для остаточного підсушування пушонки в конус і нижній циліндр подають пару спеціальними сорочками. Ацетилен відводиться з генератора трубою, розташованої в конусній частині апарату.