Acetileno

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Antecedentes

O acetileno é um gás combustível incolor com um odor característico. Quando o acetileno é liquefeito, comprimido, aquecido ou misturado ao ar, ele se torna altamente explosivo. Como resultado, precauções especiais são necessárias durante sua produção e manuseio. O uso mais comum de acetileno é como matéria-prima para a produção de vários produtos químicos orgânicos, incluindo 1,4-butanodiol, que é amplamente utilizado na preparação de poliuretano e plásticos de poliéster. O segundo uso mais comum é como componente de combustível em soldagem oxi-acetileno e corte de metal. Alguns compostos de acetileno comercialmente úteis incluem negro de acetileno, que é usado em certas baterias de células secas, e álcoois acetilênicos, que são usados ​​na síntese de vitaminas.

O acetileno foi descoberto em 1836, quando Edmund Davy fazia experiências com carboneto de potássio. Uma de suas reações químicas produziu um gás inflamável, que agora é conhecido como acetileno. Em 1859, Marcel Morren gerou acetileno com sucesso ao usar eletrodos de carbono para abrir um arco elétrico em uma atmosfera de hidrogênio. O arco elétrico separou os átomos de carbono dos eletrodos e os uniu com átomos de hidrogênio para formar moléculas de acetileno. Ele chamou esse gás de hidrogênio carbonizado.

No final de 1800, um método foi desenvolvido para fazer acetileno por meio da reação de carboneto de cálcio com água. Isso gerou um fluxo controlado de acetileno que poderia ser queimado no ar para produzir uma luz branca brilhante. Lanternas de carboneto foram usadas por mineiros e lâmpadas de carboneto foram usadas para iluminação de ruas antes da disponibilidade geral de luz elétrica. Em 1897, Georges Claude e A. Hess notaram que o gás acetileno poderia ser armazenado com segurança dissolvendo-o em acetona. Nils Dalen usou este novo método em 1905 para desenvolver luzes de sinalização marítimas e ferroviárias de longa duração, automatizadas. Em 1906, Dalen desenvolveu uma tocha de acetileno para soldagem e corte de metal.

Na década de 1920, a empresa alemã BASF desenvolveu um processo para a fabricação de acetileno a partir de gás natural e hidrocarbonetos à base de petróleo. A primeira planta entrou em operação na Alemanha em 1940. A tecnologia chegou aos Estados Unidos no início da década de 1950 e rapidamente se tornou o principal método de produção de acetileno.

A demanda por acetileno cresceu à medida que novos processos foram desenvolvidos para convertê-lo em plásticos e produtos químicos úteis. Nos Estados Unidos, a demanda atingiu o pico em algum momento entre 1965 e 1970 e, em seguida, caiu drasticamente à medida que novos materiais de conversão alternativos de custo mais baixo foram descobertos. Desde o início dos anos 1980, a demanda por acetileno cresceu lentamente a uma taxa de cerca de 2 a 4% ao ano.

Em 1991, havia oito fábricas nos Estados Unidos que produziam acetileno. Juntos, eles produziram um total de 352 milhões de libras (160 milhões de kg) de acetileno por ano. Dessa produção, 66% foi proveniente do gás natural e 15% do processamento de petróleo. A maior parte do acetileno dessas duas fontes foi usado no local ou próximo ao local onde foi produzido para fazer outros produtos químicos orgânicos. Os 19% restantes vieram do carboneto de cálcio. Parte do acetileno dessa fonte foi usado para fazer produtos químicos orgânicos e o restante foi usado por produtores regionais de gás industrial para encher cilindros pressurizados para clientes locais de soldagem e corte de metal.

Na Europa Ocidental, o gás natural e o petróleo foram as principais fontes de acetileno em 1991, enquanto o carboneto de cálcio foi a principal fonte na Europa Oriental e no Japão.

Matérias-primas

O acetileno é um hidrocarboneto que consiste em dois átomos de carbono e dois átomos de hidrogênio. Seu símbolo químico é C ₂ H ₂ . Para fins comerciais, o acetileno pode ser feito de várias matérias-primas diferentes, dependendo do processo usado.

O processo mais simples reage o carboneto de cálcio com água para produzir gás acetileno e uma pasta de carbonato de cálcio, chamada cal hidratada. A reação química pode ser escrita como CaC ₂ + 2 H ₂ O → C ₂ H ₂ + Ca (OH) ₂ .

Outros processos usam gás natural, que é principalmente metano, ou um hidrocarboneto à base de petróleo, como petróleo bruto, nafta ou óleo C de bunker, como matérias-primas. O carvão também pode ser usado. Esses processos usam alta temperatura para converter as matérias-primas em uma ampla variedade de gases, incluindo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono, acetileno e outros. A reação química para converter metano em acetileno e hidrogênio pode ser escrita 2 CH ₄ → C ₂ H ₂ + 3 H ₂ . Os outros gases são produtos da combustão com oxigênio. Para separar o acetileno, ele é dissolvido em um solvente como água, amônia anidra, metanol resfriado ou acetona, ou vários outros solventes dependendo do processo.

O processo de fabricação

Existem dois processos básicos de conversão usados ​​para fazer acetileno. Um é um processo de reação química, que ocorre em temperaturas normais. O outro é um processo de craqueamento térmico, que ocorre em temperaturas extremamente altas.

Aqui estão sequências típicas de operações usadas para converter várias matérias-primas em acetileno por cada um dos dois processos básicos.

Processo de reação química

O acetileno pode ser gerado pela reação química entre o carboneto de cálcio e a água. Essa reação produz uma quantidade considerável de calor, que deve ser removido para evitar a explosão do gás acetileno. Existem várias variações desse processo, em que o carboneto de cálcio é adicionado à água ou a água é adicionada ao carboneto de cálcio. Ambas as variações são chamadas de processos úmidos porque uma quantidade excessiva de água é usada para absorver o calor da reação. Uma terceira variação, chamada de processo seco, usa apenas uma quantidade limitada de água, que então evapora ao absorver o calor. A primeira variação é mais comumente usada nos Estados Unidos e é descrita abaixo.

1. A maioria dos geradores de acetileno de alta capacidade usa um transportador helicoidal rotativo para alimentar os grânulos de carboneto de cálcio na câmara de reação, que foi preenchida até um certo nível com água. Os grânulos medem cerca de 0,08 pol. X 0,25 pol. (2 mm x 6 mm), o que fornece a quantidade certa de superfícies expostas para permitir uma reação completa. A taxa de alimentação é determinada pela taxa desejada de fluxo de gás e é controlada por um interruptor de pressão na câmara. Se muito gás estiver sendo produzido de uma vez, o interruptor de pressão abre e reduz a taxa de alimentação.
2. Para garantir uma reação completa, a solução de grânulos de carboneto de cálcio e água é constantemente agitada por um conjunto de pás rotativas dentro da câmara de reação. Isso também evita que qualquer grânulo flutue na superfície, onde eles podem superaquecer e inflamar o acetileno.
3. O gás acetileno borbulha na superfície e é retirado sob baixa pressão. Ao sair da câmara de reação, o gás é resfriado por um spray de água. Este spray de água também adiciona água à câmara de reação para manter a reação enquanto um novo carboneto de cálcio é adicionado. Depois que o gás é resfriado, ele passa por um pára-raios, que evita qualquer ignição acidental do equipamento a jusante da câmara.
4. À medida que o carboneto de cálcio reage com a água, ele forma uma pasta de carbonato de cálcio, que afunda para o fundo da câmara. Periodicamente, a reação deve ser interrompida para remover a lama acumulada. O O acetileno pode ser gerado pela reação química entre carboneto de cálcio e água. Essa reação produz uma quantidade considerável de calor, que deve ser removido para evitar a explosão do gás acetileno. a lama é drenada da câmara e bombeada para um tanque de retenção, onde o carbonato de cálcio se deposita e a água é retirada. O carbonato de cálcio espessado é então seco e vendido para uso como agente de tratamento de águas residuais industriais, neutralizador de ácido ou condicionador de solo para construção de estradas.

Processo de craqueamento térmico

O acetileno também pode ser gerado pelo aumento da temperatura de vários hidrocarbonetos até o ponto em que suas ligações atômicas se rompam, ou se quebrem, no que é conhecido como processo de craqueamento térmico. Depois que os átomos de hidrocarbonetos se separam, eles podem ser novamente colados para formar materiais diferentes das matérias-primas originais. Este processo é amplamente utilizado para converter petróleo ou gás natural em uma variedade de produtos químicos.

Existem várias variações deste processo dependendo das matérias-primas utilizadas e do método de elevação da temperatura. Alguns processos de craqueamento usam um arco elétrico para aquecer as matérias-primas, enquanto outros usam uma câmara de combustão que queima parte dos hidrocarbonetos para fornecer uma chama. Algum acetileno é gerado como um coproduto do processo de craqueamento a vapor usado para fazer etileno. Nos Estados Unidos, o processo mais comum usa uma câmara de combustão para aquecer e queimar gás natural, conforme descrito a seguir.

1. O gás natural, que é principalmente metano, é aquecido a cerca de 1.200 ° F (650 ° C). O pré-aquecimento do gás fará com que ele se auto-acenda assim que chegar ao queimador e requer menos oxigênio para a combustão.
2. O gás aquecido passa por um tubo estreito, denominado venturi, onde o oxigênio é injetado e misturado ao gás quente.
3. A mistura de gás quente e oxigênio passa por um difusor, que diminui sua velocidade até a velocidade desejada. Isso é crítico. Se a velocidade for muito alta, o gás que entra apagará a chama do queimador. Se a velocidade for muito baixa, a chama pode piscar de volta e acender o gás antes que ele alcance o queimador.
4. A mistura de gás flui para o bloco do queimador, que contém mais de 100 canais estreitos. Conforme o gás flui para cada canal, ele se auto-inflama e produz uma chama que aumenta a temperatura do gás para cerca de 2.730 ° F (1.500 ° C). Uma pequena quantidade de oxigênio é adicionada ao queimador para estabilizar a combustão.
5. O gás em combustão flui para o espaço de reação logo além do queimador, onde a alta temperatura faz com que cerca de um terço do metano seja convertido em acetileno, enquanto a maior parte do restante do metano é queimada. Todo o processo de combustão leva apenas alguns milissegundos.
6. O gás em chamas é rapidamente extinto com borrifos de água no ponto onde a conversão para acetileno é maior. O gás resfriado contém uma grande quantidade de monóxido de carbono e hidrogênio, com menor O acetileno também pode ser gerado pelo aumento da temperatura de vários hidrocarbonetos até o ponto em que suas ligações atômicas se rompem , ou crack, no que é conhecido como um processo de craqueamento térmico. quantidades de fuligem de carbono, além de dióxido de carbono, acetileno, metano e outros gases.
7. O gás passa por um purificador de água, que remove grande parte da fuligem de carbono. O gás então passa por um segundo purificador onde é pulverizado com um solvente conhecido como N-metilpirrolidinona, que absorve o acetileno, mas não os outros gases.
8. O solvente é bombeado para uma torre de separação onde o acetileno é fervido para fora do solvente e é extraído no topo da torre como um gás, enquanto o solvente é extraído do fundo.

Armazenamento e manuseio

Como o acetileno é altamente explosivo, ele deve ser armazenado e manuseado com muito cuidado. Quando é transportado por dutos, a pressão é mantida muito baixa e o comprimento do duto é muito curto. Na maioria das operações de produção de produtos químicos, o acetileno é transportado apenas até uma fábrica adjacente ou "além do muro", como se costuma dizer no negócio de processamento químico.

Quando o acetileno deve ser pressurizado e armazenado para uso em operações de soldagem oxi-acetileno e corte de metal, cilindros especiais de armazenamento são usados. Os cilindros são preenchidos com um material absorvente, como terra de diatomáceas, e uma pequena quantidade de acetona. O acetileno é bombeado para os cilindros a uma pressão de cerca de 300 psi (2.070 kPa), onde é dissolvido na acetona. Uma vez dissolvido, ele perde sua capacidade explosiva, tornando-o seguro para o transporte. Quando a válvula do cilindro é aberta, a queda de pressão faz com que parte do acetileno se vaporize novamente em gás e flua através da mangueira de conexão para a tocha de soldagem ou corte.

Controle de qualidade

O acetileno grau B pode ter no máximo 2% de impurezas e é geralmente usado para soldagem oxiacetileno e corte de metal. O acetileno produzido pelo processo de reação química atende a esse padrão. O acetileno de grau A não pode ter mais do que 0,5% de impurezas e é geralmente usado em processos de produção de produtos químicos. O acetileno produzido pelo processo de craqueamento térmico pode atender a esse padrão ou exigir purificação adicional, dependendo do processo específico e das matérias-primas.

O Futuro

Espera-se que o uso de acetileno continue a aumentar gradativamente no futuro, à medida que novas aplicações forem desenvolvidas. Uma nova aplicação é a conversão de acetileno em etileno para uso na fabricação de uma variedade de plásticos de polietileno. No passado, uma pequena quantidade de acetileno era gerada e perdida como parte do processo de craqueamento a vapor usado para fazer etileno. Um novo catalisador desenvolvido pela Phillips Petroleum permite que a maior parte desse acetileno seja convertido em etileno para aumentar o rendimento a um custo geral reduzido.