Industriële productie van acetyleen

Acetyleen wordt geproduceerd door verschillende methoden: calciumcarbide-reactie, gedeeltelijke verbranding van koolwaterstoffen, elektrische boogprocessen, thermisch kraken met warmtedragers en als bijproduct van stoomkraken.

1. Reactie op calciumcarbide:

• Deze traditionele methode omvat het laten reageren van calciumcarbide met water, waarbij zowel acetyleen als calciumhydroxide ontstaat.
• Het is een eenvoudig en goed ingeburgerd proces, maar de productie van calciumcarbide vereist veel energie en brengt milieuproblemen met zich mee.

2. Gedeeltelijke verbranding van koolwaterstoffen:

• Deze methode maakt gebruik van de gedeeltelijke oxidatie van aardgas, methaan of zwaardere koolwaterstoffen zoals nafta en vacuümgasolie in een brander om ter plaatse acetyleen te genereren.
• Het biedt flexibiliteit in de keuze van de grondstof en mogelijk een hogere efficiëntie vergeleken met calciumcarbide, maar nauwkeurige controle van de reactieomstandigheden is cruciaal.

3. Elektrische boogprocessen:

• Deze processen kraken koolwaterstoffen met behulp van elektrische bogen met hoge temperatuur, waardoor de endotherme acetyleensynthesereactie direct wordt aangestuurd.
• Ze bieden onafhankelijkheid van het type koolwaterstofgrondstof en potentieel verminderd koolwaterstofverbruik vergeleken met gedeeltelijke verbranding, maar vereisen hoogwaardige elektriciteit en een complex boogreactorontwerp.

4. Thermisch kraken met warmtedragers:

• Deze methode maakt gebruik van indirecte warmteoverdracht via verschillende warmtedragers zoals vuurvaste materialen of hete verbrandingsgassen om grondstoffen te kraken.
• Hoewel oudere processen zoals Wulff en Hoechst HTP beperkingen ondervonden, zijn nieuwere ontwikkelingen zoals de ACR en Dow PCC-processen veelbelovend voor het verwerken van zwaardere grondstoffen en het bereiken van efficiënt kraken voor acetyleenproductie.

5. Bijproduct van stoomkraken:

• Stoomkraken voor olefinproductie zoals ethyleen creëert op natuurlijke wijze acetyleen als bijproduct.
• Deze bron kan worden aangeboord door acetyleenverwijderingstechnieken te implementeren zoals katalytische hydrogenering of oplosmiddelextractie voor acetyleenwinning met een hoge zuiverheid.

1. Thermodynamische en kinetische aspecten

Hoge temperaturen en snelle reactietijden zijn essentieel voor acetyleenproductie uit koolwaterstoffen. Dit komt door de volgende aspecten:

1. Thermodynamische beperkingen: Bij standaardtemperaturen is acetyleen instabiel vergeleken met andere koolwaterstoffen (hoge ΔHf en ΔGf). Boven ~1230 °C wordt acetyleen echter thermodynamisch bevoordeeld, waarbij het snijpunt in ΔGf-diagrammen naar links verschuift met afnemende koolwaterstofketenlengte (methaan vereist de hoogste temperatuur).
2. Kinetische overwegingen: Zelfs bij deze hoge temperaturen blijft acetyleen minder stabiel dan zijn elementaire bestanddelen (C en H). Deze thermodynamische voorkeur voor ontleding vereist snelle blussing van nieuw gevormd acetyleen (verblijftijden ~0,1-10 ms) om afbraak te voorkomen.
3. Concurrerende reacties: Kraken en recombinatie van grondstofkoolwaterstoffen, samen met verdere acetyleenconversie naar bijproducten, vinden plaats naast acetyleenvorming. Korte verblijftijden zijn cruciaal om deze concurrerende reacties te minimaliseren en de acetyleenopbrengst te maximaliseren.

Gedeeltelijke oxidatie biedt een alternatieve route, waarbij verbranding van een deel van de koolwaterstof de warmte genereert die nodig is voor acetyleenproductie uit het resterende deel. Precieze controle van de methaan:zuurstofverhouding is belangrijk om de gewenste reactietemperatuur te bereiken en de acetyleenopbrengst te optimaliseren.

Samenvattend vereist succesvolle acetyleenproductie uit koolwaterstoffen het overwinnen van thermodynamische beperkingen door hoge temperaturen, gecombineerd met snelle blussing en nauwkeurige reactiecontrole om concurrerende en ongewenste reacties te minimaliseren.

2. Productie van acetyleen door gedeeltelijke verbrandingsprocessen

Gedeeltelijke verbrandingsprocessen maken gebruik van in situ warmtegeneratie door gedeeltelijke oxidatie van een deel van de grondstof om acetyleensynthese uit het resterende deel aan te drijven. Deze methode maakt het gebruik van diverse grondstoffen mogelijk, van methaan en ethaan tot zwaardere fracties zoals nafta en vacuümgasolie. Aardgas is vanwege de brede beschikbaarheid een bijzonder geschikte grondstof.

Procesbeschrijving

In dit proces ondergaan zowel de grondstof als de zuurstof een aparte voorverwarming voor optimale prestaties. De voorverwarmde stromen komen in een brander, waar ze mengen en ontbranden in een reactiezone. Het productmengsel verlaat de reactiezone en wordt snel gekoeld, meestal met water of olie, om ongewenste ontleding te voorkomen.

Efficiënte acetyleenvorming vereist een korte en uniforme verblijftijd voor het gas in de reactiezone, meestal een paar milliseconden. Nauwkeurige controle van de stroomsnelheid balanceert een hoge opbrengst met het vermijden van voorontsteking, vlaminstabiliteit en cokesafzetting.

Voorbeelden van industriële installaties zijn:

1. BASF-proces is het meest gebruikte gedeeltelijke verbrandingsproces voor aardgas, met ondergedompelde branders en efficiënte warmteterugwinning.
2. Submerged Flame Process (SFP) is een proces dat is ontworpen voor zware oliefracties, met eenvoudig kraken, gelijktijdige acetyleen-ethyleenproductie en een hoge thermische efficiëntie.
3. Partial Combustion Carbide Process is een proces op pilot-plant-schaal met cokes, zuurstof en kalk, dat potentiële toekomstige voordelen biedt zoals een hoge koolstofconversie en thermische efficiëntie voor op steenkool gebaseerde acetyleenproductie.