Πώς κατασκευάζεται το καρβίδιο ασβεστίου σε βιομηχανική κλίμακα;

Μενού περιεχομένου

● Προετοιμασία πρώτων υλών

● Ηλεκτροθερμική μείωση των κλιβάνων τόξου

>> Σχεδιασμός και λειτουργία του κλιβάνου

● Ψύξη και στερεοποίηση

● Έλεγχος και δοκιμές ποιότητας

>> Δοκιμασία απόδοσης ακετυλενίου

>> Ανάλυση ακαθαρσίας

● Μέτρα ασφάλειας και περιβαλλοντικών

>> Μετριασμός των κινδύνων

>> Έλεγχος εκπομπών

● Βιομηχανικές εφαρμογές καρβιδίου ασβεστίου

● Σύναψη

● Συχνές ερωτήσεις

>> 1. Ποιες πρώτες ύλες είναι κρίσιμες για την παραγωγή καρβιδίου ασβεστίου;

>> 2. Γιατί προτιμούν οι φούρνοι ηλεκτρικών τόξων σε σχέση με τα συστήματα που βασίζονται στην καύση;

>> 3. Πώς εξασφαλίζεται η καθαρότητα του καρβιδίου ασβεστίου;

>> 4. Ποιοι είναι οι κύριοι κίνδυνοι ασφαλείας κατά τη διάρκεια της παραγωγής;

>> 5 Μπορεί η παραγωγή καρβιδίου ασβεστίου να είναι περιβαλλοντικά βιώσιμη;

● Αναφορές:

Το καρβίδιο του ασβεστίου (CAC₂) είναι ένας ακρογωνιαίος λίθος της σύγχρονης βιομηχανικής χημείας, επιτρέποντας εφαρμογές που καλύπτουν την παραγωγή ακετυλενίου, τη χάλυβα και τη σύνθεση λιπασμάτων. Η κατασκευή της συνδυάζει τη μεταλλουργία υψηλής θερμοκρασίας, την ακριβή επιστήμη των υλικών και τα αυστηρά πρωτόκολλα ασφαλείας. Παρακάτω, διερευνούμε τη διαδικασία παραγωγής βιομηχανικής κλίμακας, από τις πρώτες ύλες μέχρι το τελικό προϊόν.

Προετοιμασία πρώτων υλών

Οξείδιο του ασβεστίου (quicklime)

Που προέρχεται από ασβεστόλιθο (CACO₃) μέσω ασβεστοποίησης στους 900-1.200 ° C, το οξείδιο του ασβεστίου (CAO) πρέπει να υπερβαίνει την καθαρότητα 95%. Οι ακαθαρσίες όπως το σίλικα (Sio₂) ή η αλουμίνα (al₂o₃) ελαχιστοποιούνται για να αποφευχθούν οι πλευρικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια της σύνθεσης καρβιδίου [1] [6].

Πηγές άνθρακα

Οπόλας πετρελαίου, ανθρακίτης άνθρακα ή μεταλλουργικός οπτάνθρακας παρέχει τον άνθρακα που απαιτείται για τη διαδικασία μείωσης. Αυτά τα υλικά κονιοποιούνται και αναμειγνύονται με CAO σε αναλογία 1: 3 για να βελτιστοποιήσουν την αντιδραστικότητα [6] [7].

Ηλεκτροθερμική μείωση των κλιβάνων τόξου

Σχεδιασμός και λειτουργία του κλιβάνου

Το βιομηχανικό καρβίδιο ασβεστίου συντίθεται σε φούρνους ηλεκτρικού τόξου που λειτουργούν σε 1.800-2.200 ° C [1] [2]. Τα ηλεκτρόδια γραφίτη παρέχουν την έντονη θερμότητα που απαιτείται για την οδήγηση της αντίδρασης:

CAO+3C → CAC ₂+CO (ΔH =+465kJ/mol)

Βασικές επιχειρησιακές εκτιμήσεις περιλαμβάνουν:

- Έλεγχος θερμοκρασίας: Η υπερβολική θερμότητα (> 2.000 ° C) κινδυνεύει να αποσυντίθεται CAC₂ σε ασβέστιο και άνθρακα [1].

- Σχέδιο επιβάρυνσης: Ένα στρώμα μείγμα οπτάνθρακα και ασβέστη εξασφαλίζει ομοιόμορφη θέρμανση και εμποδίζει την τήξη του τήγμα [1] [6].

- Διαχείριση αερίου: Οι κουκούλες του κλιβάνου διατηρούν ελαφρά αρνητική πίεση για να περιέχουν τοξικό μονοξείδιο του άνθρακα (CO) [6].

Ψύξη και στερεοποίηση

Το τετηγμένο καρβίδιο του ασβεστίου (1.700-2.100 ° C) αντιστοιχεί σε προ-ψυκμένα καλούπια. Η τεχνική βαθμολογία CAC₂ (~ 80% καθαρότητα) στερεοποιείται γρήγορα, σχηματίζοντας εύθραυστα, γκρίζα μαύρα κομμάτια [1] [6]. Μετά τη ψύξη, το υλικό υφίσταται:

1. Πρωτογενής θραύση: Οι θραυστήρες των γνάθων μειώνουν τα κομμάτια στα τεμάχια 50-200 mm [3] [6].

2. Δευτερεύουσα σύνθλιψη και εξέταση: Οι ελαιοτριβεία και οι δονητικές οθόνες παράγουν κόκκους 2-50 mm, με λεπτότερα κλάσματα που απορρίπτονται λόγω υψηλότερου περιεχομένου ακαθαρσιών [3] [6].

Έλεγχος και δοκιμές ποιότητας

Δοκιμασία απόδοσης ακετυλενίου

Η καθαρότητα CAC₂ προσδιορίζεται με υδρολύματα ενός δείγματος και μέτρησης όγκου αερίου ακετυλενίου:

CAC ₂+2H ₂O → C ₂H ₂+CA (OH)₂

Τα βιομηχανικά πρότυπα απαιτούν απόδοση ≥295 l/kg ακετυλενίου [2] [6].

Ανάλυση ακαθαρσίας

- Η φωσφίνη (PH₃) και το υδρόθειο (H₂S): Η χρωματογραφία αερίου εξασφαλίζει ότι τα επίπεδα παραμένουν κάτω από 0,1%[3] [5].

- Μεταλλικές ακαθαρσίες: Ο φθορισμός ακτίνων Χ ανιχνεύει τα ιχνοστοιχεία (π.χ. Fe, AL) που υποβαθμίζουν την ποιότητα του προϊόντος [3].

Μέτρα ασφάλειας και περιβαλλοντικών

Μετριασμός των κινδύνων

- Παρακολούθηση ακετυλενίου: Οι αισθητήρες ενεργοποιούν συναγερμούς εάν οι συγκεντρώσεις αερίου υπερβαίνουν το 1% LEL κατά τη σύνθλιψη [3].

- Συστάνηση αδρανής ατμόσφαιρα: Ο καθαρισμός αζώτου εμποδίζει την τυχαία ανάφλεξη ακετυλενίου [6].

- Εξοπλισμός προσωπικής προστασίας (PPE): Τα κοστούμια που είναι ανθεκτικά στην πυρκαγιά, οι ασπίδες προσώπου και οι αναπνευστήρες είναι υποχρεωτικοί για τους χειριστές του κλιβάνου [1] [6].

Έλεγχος εκπομπών

- σωματίδια: Οι βαγονίες και οι ηλεκτροστατικοί κατακρημνιστές καταγράφουν το 99% της σκόνης του κλιβάνου [6].

- CO SHRUBBING: Οι καταλυτικοί μετατροπείς οξειδώνουν τις εκπομπές CO σε CO₂ πριν από την απελευθέρωση [6].

Βιομηχανικές εφαρμογές της καρβιδίου ασβεστίου Περιγραφή Περιγραφή

εφαρμογής	διαδικασίας	κλειδιού
Παραγωγή ακετυλενίου	Υδρόλυση του CAC₂	Συγκόλληση, κοπή, φωτισμός
Αποχέτευση από χάλυβα	Έγχυση σε λιωμένο σίδηρο	Αφαίρεση θείου στα χυτήρια
Κυανμίδιο ασβεστίου	Σταθεροποίηση αζώτου στους 1.000-1.200 ° C	Λιπάσματα, φυτοφάρμακα

Σύναψη

Η βιομηχανική σύνθεση καρβιδίου ασβεστίου ισορροπεί ακραία θερμοδυναμική με σχολαστικό έλεγχο της διαδικασίας. Οι πρόοδοι στον αυτοματισμό του κλιβάνου, στη διαχείριση των εκπομπών και στα πρωτόκολλα ασφαλείας έχουν βελτιστοποιήσει την αποτελεσματικότητα της παραγωγής, ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Καθώς η ζήτηση αυξάνεται για χημικές ουσίες που προέρχονται από ακετυλένιο και χάλυβα χαμηλής θάλασσας, το CAC₂ παραμένει απαραίτητο για την παγκόσμια βιομηχανία.

Συχνές ερωτήσεις

1. Ποιες πρώτες ύλες είναι κρίσιμες για την παραγωγή καρβιδίου ασβεστίου;

Οι ασβεστόλιθοι υψηλής καθαρότητας (για CAO) και πηγές άνθρακα χαμηλής τέφρας (οπτάνθρακα, ανθρακίτης) είναι απαραίτητες. Οι ακαθαρσίες άνω του 0,5% στην ασβέστη υποβαθμίζουν την τελική ποιότητα του προϊόντος [6] [7].

2. Γιατί προτιμούν οι φούρνοι ηλεκτρικών τόξων σε σχέση με τα συστήματα που βασίζονται στην καύση;

Η παραδοσιακή καύση δεν μπορεί να επιτύχει τις απαιτούμενες θερμοκρασίες 2.000 ° C+. Τα ηλεκτρικά τόξα παρέχουν ακριβή, κλιμακωτή θερμότητα χωρίς να εισάγουν μολυσματικές ουσίες [2] [5].

3. Πώς εξασφαλίζεται η καθαρότητα του καρβιδίου ασβεστίου;

Η δοκιμή απόδοσης ακετυλενίου και ο έλεγχος των ακαθαρσιών (π.χ. PH₃, H₂S) διεξάγονται σε πολλαπλά στάδια. Η τεχνική βαθμολογία CAC₂ πρέπει να υπερβαίνει την καθαρότητα 80% [2] [3].

4. Ποιοι είναι οι κύριοι κίνδυνοι ασφαλείας κατά τη διάρκεια της παραγωγής;

Η έκθεση σε CO, οι εκρήξεις ακετυλενίου και οι πιτσιλίσματα τετηγμένου μετάλλου απαιτούν αυστηρή ΜΑΠ, παρακολούθηση αερίου και επεξεργασία αδρανείας-ατμόσφαιρας [1] [6].

5 Μπορεί η παραγωγή καρβιδίου ασβεστίου να είναι περιβαλλοντικά βιώσιμη;

Τα σύγχρονα συστήματα ψύξης και κλειστού βρόχου μειώνουν τις εκπομπές κατά 90%. Η έρευνα σχετικά με τη σύλληψη άνθρακα κατά τη διάρκεια της εκκένωσης CO είναι σε εξέλιξη [6] [8].

Αναφορές:

[1] https://chemcess.com/calcium-carbide-properties-production-and-uses/

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/calcium_carbide

[3] https://www.tjtywh.com/tywh-calcium-carbide-manufacturing-process.html

[4] https://www.tjtywh.com/a-step-by-step-guide-to-making-calcium-carbide-at-home.html

[5] https://sathee.prutor.ai/article/chemistry/chemistry-calcium-carbide/

[6] https://www3.epa.gov/ttnchie1/ap42/ch11/final/c11s04.pdf

[7] https://enterclimate.com/calcium-carbide-manuacturing-unit-setup

[8] https://www.vedantu.com/chemistry/calcium-carbide

[9] https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/calciumcarbideacetylene.html

[10] https://www.youtube.com/watch?v=BTFSHPBY9BG

[11] https://www.pyrometallurgy.co.za/infaconxiv/149-mccaffrey.pdf

[12] https://www.shutterstock.com/search/calcium-carbure

[13] https://www.alamy.com/stock-photo/calcium-carbide.html?page=2

[14] https://cdn.intratec.us/docs/reports/previews/calcium-carbide-e11a-b.pdf

[15] https://tanabe-co.co.jp/eng/product/alloy-iron-and-calcium-carbide

[16] https://byjus.com/chemistry/calcium-carbide/

[17] https://gaftp.epa.gov/ap42/ch11/s04/related/rel01_c11s04.pdf

[18] https://edu.rsc.org/download?ac=515424

[19] https://www.dhet.gov.za/nols%20%20ncv/2019%20February%20Supplementary%20L2%20Nemember%202019/Process%20Plant%20Operations/L2/QPS/NC2440%20Process%20Chemistry%20L2%20P

[20] https://www.tjtywh.com/frequally-asked-questions-about-calcium-carbide-procurement-how-to-avoid-quality-issues-and-supply-shortages.html

[21] https://patents.google.com/patent/us4594236a/en

[22] https://www.ascconline.com/img/services/project_report/calcium_carbide_project_report_sample.pdf

[23] https://rexarc.com/blog/calcium-carbide-for-acetylene-production/

[24] https://www.alamy.com/stock-photo/calcium-carbide.html

[25] https://www.youtube.com/watch?v=olalos0er00

[26] https://www.niir.org/blog/wp-content/uploads/2021/11/manuacturing-business-of-calcium-carbide-calcium-acetylide.-invportunities-in-chemical-industry.-1.pdf