Industrielle Produktion von Acetylen

Acetylen wird auf verschiedene Weise hergestellt: Calciumcarbid-Reaktion, Teilverbrennung von Kohlenwasserstoffen, Lichtbogenprozesse, thermisches Cracken mit Wärmeträgern und als Nebenprodukt des Dampfcrackens.

1. Calciumcarbid-Reaktion:

• Diese traditionelle Methode beinhaltet die Reaktion von Calciumcarbid mit Wasser, wodurch sowohl Acetylen als auch Calciumhydroxid entstehen.
• Es ist ein einfacher und gut etablierter Prozess, aber die Herstellung von Calciumcarbid erfordert einen hohen Energiebedarf und ist umweltbedenklich.

2. Teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen:

• Diese Methode nutzt die partielle Oxidation von Erdgas, Methan oder schwereren Kohlenwasserstoffen wie Naphtha und Vakuumgasöl in einem Brenner, um vor Ort Acetylen zu erzeugen.
• Es bietet Flexibilität bei der Auswahl des Ausgangsmaterials und möglicherweise eine höhere Effizienz im Vergleich zu Calciumcarbid, aber eine präzise Kontrolle der Reaktionsbedingungen ist entscheidend.

3. Lichtbogenprozesse:

• Diese Prozesse spalten Kohlenwasserstoffe mithilfe von Hochtemperatur-Lichtbögen und treiben so direkt die endotherme Acetylensynthesereaktion an.
• Sie bieten Unabhängigkeit von der Art des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials und möglicherweise einen geringeren Kohlenwasserstoffverbrauch im Vergleich zur Teilverbrennung, erfordern jedoch hochwertige Elektrizität und ein komplexes Lichtbogenreaktordesign.

4. Thermisches Cracken mit Wärmeträgern:

• Diese Methode nutzt die indirekte Wärmeübertragung durch verschiedene Wärmeträger wie feuerfeste Materialien oder heiße Verbrennungsgase, um Ausgangsmaterialien zu cracken.
• Während ältere Verfahren wie Wulff und Hoechst HTP mit Einschränkungen konfrontiert waren, erweisen sich neuere Weiterentwicklungen wie die ACR- und Dow PCC-Verfahren als vielversprechend bei der Handhabung schwererer Beschickungen und beim Erreichen eines effizienten Crackens für die Acetylenproduktion.

5. Nebenprodukt des Dampfcrackens:

• Dampfcracken zur Olefinproduktion wie Ethylen erzeugt auf natürliche Weise Acetylen als Nebenprodukt.
• Diese Quelle kann durch die Implementierung von Acetylenentfernungstechniken wie katalytischer Hydrierung oder Lösungsmittelextraktion zur Rückgewinnung von hochreinem Acetylen erschlossen werden.

1. Thermodynamische und kinetische Aspekte

Hohe Temperaturen und schnelle Reaktionszeiten sind für die Acetylenproduktion aus Kohlenwasserstoffen unerlässlich. Dies liegt an den folgenden Aspekten:

1. Thermodynamische Einschränkungen: Bei Standardtemperaturen ist Acetylen im Vergleich zu anderen Kohlenwasserstoffen instabil (hohes ΔHf und ΔGf). Oberhalb von ~1230 °C wird Acetylen jedoch thermodynamisch bevorzugt, wobei sich der Schnittpunkt in ΔGf-Diagrammen mit abnehmender Kohlenwasserstoffkettenlänge nach links verschiebt (Methan erfordert die höchste Temperatur).
2. Kinetische Überlegungen: Selbst bei diesen hohen Temperaturen bleibt Acetylen weniger stabil als seine elementaren Bestandteile (C und H). Diese thermodynamische Bevorzugung der Zersetzung erfordert ein schnelles Abschrecken des entstehenden Acetylens (Verweilzeiten ~0,1–10 ms), um seinen Zerfall zu verhindern.
3. Konkurrierende Reaktionen: Neben der Bildung von Acetylen finden auch das Cracken und die Rekombination der Ausgangskohlenwasserstoffe sowie die weitere Umwandlung von Acetylen in Nebenprodukte statt. Kurze Verweilzeiten sind entscheidend, um diese konkurrierenden Reaktionen zu minimieren und die Acetylenausbeute zu maximieren.

Partielle Oxidation bietet einen alternativen Weg, bei dem durch die Verbrennung eines Teils des Kohlenwasserstoffs aus dem verbleibenden Teil die für die Acetylenproduktion benötigte Wärme erzeugt wird. Eine genaue Steuerung des Methan-Sauerstoff-Verhältnisses ist wichtig, um die gewünschte Reaktionstemperatur zu erreichen und die Acetylenausbeute zu optimieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine erfolgreiche Acetylenproduktion aus Kohlenwasserstoffen die Überwindung thermodynamischer Einschränkungen durch hohe Temperaturen in Kombination mit schnellem Abschrecken und präziser Reaktionssteuerung erfordert, um konkurrierende und unerwünschte Reaktionen zu minimieren.

2. Acetylenproduktion durch Teilverbrennungsprozesse

Teilverbrennungsprozesse nutzen die Wärmeerzeugung vor Ort durch teilweise Oxidation eines Teils des Ausgangsmaterials, um die Acetylensynthese aus dem verbleibenden Teil voranzutreiben.

Diese Methode ermöglicht die Verwendung verschiedener Rohstoffe, von Methan und Ethan bis hin zu schwereren Fraktionen wie Naphtha und Vakuumgasöl. Erdgas eignet sich aufgrund seiner weiten Verfügbarkeit als besonders geeigneter Rohstoff.

Prozessbeschreibung

Bei diesem Verfahren werden sowohl das Ausgangsmaterial als auch der Sauerstoff getrennt vorgewärmt, um eine optimale Leistung zu erzielen. Die vorgewärmten Ströme gelangen in einen Brenner, wo sie sich innerhalb einer Reaktionszone vermischen und entzünden. Das Produktgemisch verlässt die Reaktionszone und wird schnell abgekühlt, typischerweise mit Wasser oder Öl, um unerwünschte Zersetzung zu verhindern.

Eine effiziente Acetylenbildung erfordert eine kurze und gleichmäßige Verweilzeit des Gases in der Reaktionszone, typischerweise einige Millisekunden. Die präzise Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit gleicht eine hohe Ausbeute mit der Vermeidung von Vorentflammung, Flammeninstabilität und Koksablagerung aus.

Beispiele für Industrieanlagen sind:

1. Das BASF-Verfahren ist das am weitesten verbreitete Teilverbrennungsverfahren für Erdgas mit Tauchbrennern und effizienter Wärmerückgewinnung.
2. Submerged Flame Process (SFP) ist ein für Schwerölfraktionen konzipiertes Verfahren, das sich durch einfaches Cracken, gleichzeitige Acetylen-Ethylen-Produktion und einen hohen thermischen Wirkungsgrad auszeichnet.
3. Partial Combustion Carbide Process ist ein Verfahren im Pilotanlagenmaßstab unter Verwendung von Koks, Sauerstoff und Kalk und bietet potenzielle zukünftige Vorteile wie eine hohe Kohlenstoffumwandlung und thermische Effizienz für die kohlebasierte Acetylenproduktion.