Acetileno

Antecedentes

El acetileno es un gas combustible incoloro con un olor distintivo. Cuando el acetileno se licua, se comprime, se calienta o se mezcla con aire, se vuelve altamente explosivo. Como resultado, se requieren precauciones especiales durante su producción y manipulación. El uso más común del acetileno es como materia prima para la producción de diversos productos químicos orgánicos, incluido el 1,4-butanodiol, que se usa ampliamente en la preparación de plásticos de poliuretano y poliéster. El segundo uso más común es como componente combustible en soldadura con oxiacetileno y corte de metales. Algunos compuestos de acetileno comercialmente útiles incluyen el negro de acetileno, que se usa en ciertas baterías de celda seca, y los alcoholes acetilénicos, que se usan en la síntesis de vitaminas.

El acetileno se descubrió en 1836, cuando Edmund Davy estaba experimentando con carburo de potasio. Una de sus reacciones químicas produjo un gas inflamable, que ahora se conoce como acetileno. En 1859, Marcel Morren generó acetileno con éxito cuando utilizó electrodos de carbono para iniciar un arco eléctrico en una atmósfera de hidrógeno. El arco eléctrico arrancó los átomos de carbono de los electrodos y los unió con átomos de hidrógeno para formar moléculas de acetileno. Llamó a este gas hidrógeno carbonizado.

A fines del siglo XIX, se había desarrollado un método para fabricar acetileno haciendo reaccionar carburo de calcio con agua. Esto generó un flujo controlado de acetileno que podría quemarse en el aire para producir una luz blanca brillante. Los mineros usaban linternas de carburo y las lámparas de carburo para la iluminación de las calles antes de la disponibilidad general de las luces eléctricas. En 1897, Georges Claude y A. Hess notaron que el gas acetileno se podía almacenar de manera segura disolviéndolo en acetona. Nils Dalen utilizó este nuevo método en 1905 para desarrollar luces de señalización marítimas y ferroviarias automatizadas y de larga duración. En 1906, Dalen pasó a desarrollar un soplete de acetileno para soldar y cortar metales.

En la década de 1920, la empresa alemana BASF desarrolló un proceso para fabricar acetileno a partir de gas natural e hidrocarburos derivados del petróleo. La primera planta entró en funcionamiento en Alemania en 1940. La tecnología llegó a los Estados Unidos a principios de la década de 1950 y rápidamente se convirtió en el método principal de producción de acetileno.

La demanda de acetileno creció a medida que se desarrollaron nuevos procesos para convertirlo en plásticos y productos químicos útiles. En los Estados Unidos, la demanda alcanzó su punto máximo en algún momento entre 1965 y 1970, luego cayó drásticamente cuando se descubrieron nuevos materiales de conversión alternativos de menor costo. Desde principios de la década de 1980, la demanda de acetileno ha crecido lentamente a un ritmo de alrededor del 2 al 4% anual.

En 1991, había ocho plantas en los Estados Unidos que producían acetileno. Juntos produjeron un total de 352 millones de libras (160 millones de kg) de acetileno por año. De esta producción, el 66% se derivó del gas natural y el 15% del procesamiento del petróleo. La mayor parte del acetileno de estas dos fuentes se usó en o cerca del sitio donde se produjo para fabricar otras sustancias químicas orgánicas. El 19% restante provino de carburo de calcio. Parte del acetileno de esta fuente se utilizó para fabricar productos químicos orgánicos y el resto lo utilizaron los productores regionales de gas industrial para llenar cilindros presurizados para clientes locales de soldadura y corte de metales.

En Europa occidental, el gas natural y el petróleo fueron las principales fuentes de acetileno en 1991, mientras que el carburo de calcio fue la principal fuente en Europa oriental y Japón.

Materias primas

El acetileno es un hidrocarburo que consta de dos átomos de carbono y dos átomos de hidrógeno. Su símbolo químico es C ₂ H ₂ . Para fines comerciales, el acetileno se puede fabricar a partir de varias materias primas diferentes según el proceso utilizado.

El proceso más simple hace reaccionar el carburo de calcio con agua para producir gas acetileno y una suspensión de carbonato de calcio, llamada cal hidratada. La reacción química puede escribirse como CaC ₂ + 2 H ₂ O → C ₂ H ₂ + Ca (OH) ₂ .

Otros procesos utilizan gas natural, que es principalmente metano, o un hidrocarburo a base de petróleo como el petróleo crudo, la nafta o el petróleo bunker C como materias primas. También se puede utilizar carbón. Estos procesos utilizan alta temperatura para convertir las materias primas en una amplia variedad de gases, incluidos hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, acetileno y otros. La reacción química para convertir metano en acetileno e hidrógeno se puede escribir 2 CH ₄ → C ₂ H ₂ + 3 H ₂ . Los otros gases son productos de la combustión con oxígeno. Para separar el acetileno, se disuelve en un solvente como agua, amoníaco anhidro, metanol enfriado o acetona, o varios otros solventes dependiendo del proceso.

El
proceso de fabricación

Hay dos procesos de conversión básicos que se utilizan para fabricar acetileno. Uno es un proceso de reacción química, que ocurre a temperaturas normales. El otro es un proceso de craqueo térmico, que se produce a temperaturas extremadamente altas.

A continuación, se muestran secuencias típicas de operaciones que se utilizan para convertir diversas materias primas en acetileno mediante cada uno de los dos procesos básicos.

Proceso de reacción química

El acetileno se puede generar por la reacción química entre el carburo de calcio y el agua. Esta reacción produce una cantidad considerable de calor, que debe eliminarse para evitar que el gas acetileno explote. Hay varias variaciones de este proceso en las que se agrega carburo de calcio al agua o se agrega agua al carburo de calcio. Ambas variaciones se denominan procesos húmedos porque se utiliza una cantidad excesiva de agua para absorber el calor de la reacción. Una tercera variación, denominada proceso seco, utiliza solo una cantidad limitada de agua, que luego se evapora a medida que absorbe el calor. La primera variación se usa con mayor frecuencia en los Estados Unidos y se describe a continuación.

1. La mayoría de los generadores de acetileno de alta capacidad utilizan un transportador de tornillo giratorio para alimentar gránulos de carburo de calcio en la cámara de reacción, que se ha llenado hasta cierto nivel con agua. Los gránulos miden aproximadamente 0,08 pulgadas x 0,25 pulgadas (2 mm x 6 mm), lo que proporciona la cantidad correcta de superficies expuestas para permitir una reacción completa. La tasa de alimentación está determinada por la tasa deseada de flujo de gas y está controlada por un interruptor de presión en la cámara. Si se produce demasiado gas a la vez, el interruptor de presión se abre y reduce la velocidad de alimentación.
2. Para asegurar una reacción completa, la solución de gránulos de carburo de calcio y agua se agita constantemente mediante un juego de paletas giratorias dentro de la cámara de reacción. Esto también evita que los gránulos floten en la superficie donde podrían sobrecalentarse y encender el acetileno
3. El gas acetileno burbujea hacia la superficie y se extrae a baja presión. Al salir de la cámara de reacción, el gas se enfría mediante un rociado de agua. Este rocío de agua también agrega agua a la cámara de reacción para mantener la reacción en marcha a medida que se agrega nuevo carburo de calcio. Después de que el gas se enfría, pasa a través de un pararrayos, que evita cualquier encendido accidental del equipo aguas abajo de la cámara.
4. A medida que el carburo de calcio reacciona con el agua, forma una suspensión de carbonato de calcio, que se hunde hasta el fondo de la cámara. Periódicamente, la reacción debe detenerse para eliminar la lechada acumulada. El El acetileno puede generarse por reacción química entre el carburo de calcio y el agua. Esta reacción produce una cantidad considerable de calor, que debe eliminarse para evitar que el gas acetileno explote. la lechada se drena de la cámara y se bombea a un estanque de retención, donde se deposita el carbonato de calcio y se extrae el agua. A continuación, el carbonato de calcio espesado se seca y se vende para su uso como agente de tratamiento de aguas residuales industriales, neutralizador de ácido o acondicionador de suelos para la construcción de carreteras.

Proceso de craqueo térmico

El acetileno también se puede generar elevando la temperatura de varios hidrocarburos hasta el punto en que sus enlaces atómicos se rompen o agrietan, en lo que se conoce como proceso de craqueo térmico. Una vez que los átomos de hidrocarburos se rompen, se pueden volver a unir para formar materiales diferentes a los de las materias primas originales. Este proceso se usa ampliamente para convertir petróleo o gas natural en una variedad de productos químicos.

Hay varias variaciones de este proceso según las materias primas utilizadas y el método para elevar la temperatura. Algunos procesos de craqueo utilizan un arco eléctrico para calentar las materias primas, mientras que otros utilizan una cámara de combustión que quema parte de los hidrocarburos para producir una llama. Algo de acetileno se genera como un coproducto del proceso de craqueo al vapor que se utiliza para producir etileno. En los Estados Unidos, el proceso más común utiliza una cámara de combustión para calentar y quemar gas natural como se describe a continuación.

1. El gas natural, que es principalmente metano, se calienta a aproximadamente 1200 ° F (650 ° C). El precalentamiento del gas hará que se encienda automáticamente una vez que llegue al quemador y requiera menos oxígeno para la combustión.
2. El gas calentado pasa a través de una tubería estrecha, llamada venturi, donde se inyecta oxígeno y se mezcla con el gas caliente.
3. La mezcla de gas caliente y oxígeno pasa a través de un difusor, que reduce su velocidad a la velocidad deseada. Esto es fundamental. Si la velocidad es demasiado alta, el gas entrante apagará la llama del quemador. Si la velocidad es demasiado baja, la llama puede retroceder y encender el gas antes de que llegue al quemador.
4. La mezcla de gas fluye hacia el bloque del quemador, que contiene más de 100 canales estrechos. A medida que el gas fluye hacia cada canal, se enciende automáticamente y produce una llama que eleva la temperatura del gas a aproximadamente 2.730 ° F (1.500 ° C). Se agrega una pequeña cantidad de oxígeno al quemador para estabilizar la combustión.
5. El gas en combustión fluye hacia el espacio de reacción justo más allá del quemador, donde la alta temperatura hace que alrededor de un tercio del metano se convierta en acetileno, mientras que la mayor parte del resto del metano se quema. Todo el proceso de combustión toma solo unos pocos milisegundos.
6. El gas en llamas se apaga rápidamente con rociadores de agua en el punto donde la conversión a acetileno es mayor. El gas enfriado contiene una gran cantidad de monóxido de carbono e hidrógeno, con menos El acetileno también se puede generar elevando la temperatura de varios hidrocarburos hasta el punto en que se rompen sus enlaces atómicos. , o crack, en lo que se conoce como proceso de craqueo térmico. cantidades de hollín de carbono, más dióxido de carbono, acetileno, metano y otros gases.
7. El gas pasa a través de un depurador de agua, que elimina gran parte del hollín de carbono. Luego, el gas pasa a través de un segundo lavador donde se rocía con un solvente conocido como N-metilpirrolidinona que absorbe el acetileno, pero no los otros gases.
8. El disolvente se bombea a una torre de separación donde el acetileno se extrae del disolvente por ebullición y se extrae en la parte superior de la torre como gas, mientras que el disolvente se extrae por la parte inferior.

Almacenamiento y manipulación

Debido a que el acetileno es altamente explosivo, debe almacenarse y manipularse con mucho cuidado. Cuando se transporta a través de tuberías, la presión se mantiene muy baja y la longitud de la tubería es muy corta. En la mayoría de las operaciones de producción de productos químicos, el acetileno se transporta solo hasta una planta adyacente, o "sobre la cerca", como se dice en el negocio de procesamiento de productos químicos.

Cuando el acetileno debe presurizarse y almacenarse para su uso en operaciones de soldadura con oxiacetileno y corte de metales, se utilizan cilindros de almacenamiento especiales. Los cilindros están llenos de un material absorbente, como tierra de diatomeas, y una pequeña cantidad de acetona. El acetileno se bombea a los cilindros a una presión de aproximadamente 300 psi (2070 kPa), donde se disuelve en la acetona. Una vez disuelto, pierde su capacidad explosiva, lo que lo hace seguro para su transporte. Cuando se abre la válvula del cilindro, la caída de presión hace que parte del acetileno se vaporice nuevamente en gas y fluya a través de la manguera de conexión hacia el soplete de soldadura o corte.

Control de calidad

El acetileno de grado B puede tener un máximo de 2% de impurezas y generalmente se usa para soldadura con oxiacetileno y corte de metales. El acetileno producido por el proceso de reacción química cumple con este estándar. El acetileno de grado A no puede tener más del 0,5% de impurezas y se utiliza generalmente para procesos de producción química. El acetileno producido por el proceso de craqueo térmico puede cumplir con este estándar o puede requerir una mayor purificación, según el proceso específico y las materias primas.

El futuro

Se espera que el uso de acetileno continúe aumentando gradualmente en el futuro a medida que se desarrollen nuevas aplicaciones. Una nueva aplicación es la conversión de acetileno en etileno para su uso en la fabricación de una variedad de plásticos de polietileno. En el pasado, se generaba y desperdiciaba una pequeña cantidad de acetileno como parte del proceso de craqueo al vapor utilizado para fabricar etileno. Un nuevo catalizador desarrollado por Phillips Petroleum permite que la mayor parte de este acetileno se convierta en etileno para obtener mayores rendimientos a un costo total reducido.