المورد الرائد لكربيد الكالسيوم في العالم .
تحسين عملية إنتاج الأسيتيلين: مطابقة دقيقة بين نقاء كربيد الكالسيوم ودرجة حرارة التحلل المائي
2026-01-12
يُعدّ اختيار درجة حرارة التحلل المائي المناسبة لكربيد الكالسيوم أمرًا بالغ الأهمية لضمان السلامة وتحقيق أقصى إنتاجية للأسيتيلين. وتُعتبر عملية التحلل المائي طاردة للحرارة بشدة، إذ يُمكن أن يُطلق كيلوغرام واحد من كربيد الكالسيوم 1985.6 كيلوجول من الحرارة عند تفاعله مع الماء. وإذا لم يتم التحكم في درجة الحرارة، فقد ترتفع بشكل كبير مما يؤدي إلى تحلل الأسيتيلين بشكل انفجاري.
يُعدّ الأسيتيلين ( C₂H₂ ) مادة خام أساسية للعديد من عمليات التصنيع الكيميائي، مثل البولي فينيل كلوريد ( PVC) وأسيتات الفينيل واللحام. وهو الغاز الوحيد المتوفر تجاريًا والقادر على لحام الفولاذ بكفاءة عالية. بينما تتطلب عمليات اللحام الأخرى ذات الحرارة العالية الكهرباء وغازات متخصصة، كما هو الحال في لحام القوس التنغستني بالغاز الخامل (TIG) ولحام القوس المعدني بالغاز الخامل (MIG). ويمكن لمزيج غاز الأوكسي أسيتيلين أن يصل إلى درجات حرارة تصل إلى 3150 درجة مئوية. إنه غاز قيّم، ويمكن أن يُسهم تحسين إنتاجيته في مساعدة الصناعيين على تعظيم الأرباح وتقليل الخسائر.
ستتناول هذه المقالة بالتفصيل عملية التحلل المائي ومعاييرها الرئيسية التي يحتاج المستخدم إلى التحكم بها. ثم ستشرح كيفية استخدام كربيد الكالسيوم المتوفر تجاريًا وتحسين إنتاج الأسيتيلين. كما ستذكر الاستراتيجيات المتقدمة لتحسين العملية بشكل أكبر. وأخيرًا، ستتطرق إلى التوجهات المستقبلية.
تحلل كربيد الكالسيوم في إنتاج الأسيتيلين
آلية التفاعل والديناميكا الحرارية
التفاعل الأساسي الذي يؤدي إلى إنتاج الأسيتيلين هو كربيد الكالسيوم في الماء.
CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ + حرارة
يجب التحكم في الحرارة الناتجة عن التفاعل لأنها قد ترفع درجة الحرارة بسرعة. يُعدّ رفع درجة حرارة التفاعل مفيدًا لإنتاج الأسيتيلين، ولكن إذا تجاوزت 350 درجة مئوية، سيبدأ الأسيتيلين بالتكتل، وهو أمر غير مرغوب فيه ويؤدي إلى انخفاض إنتاجية الأسيتيلين. مع ذلك، إذا استمرت درجة الحرارة في الارتفاع (400-600 درجة مئوية)، فقد يؤدي ذلك إلى تحلل انفجاري، وهو ما يُشكّل خطرًا جسيمًا على السلامة. فيما يلي جانبان رئيسيان يجب مراعاتهما:
التحكم في الضغط والحرارة
يُعدّ التحكم في درجة حرارة وضغط المولد المغلق، الذي تجري فيه التفاعلات شديدة الحرارة، أمرًا بالغ الأهمية. تُصنّف مولدات المفاعلات صناعيًا إلى نوعين: منخفض الضغط ومتوسط الضغط. ويُعدّ التحكم في ضغط المولد المغلق، لضمان عدم تجاوزه حد الأمان الحرج البالغ 15 رطل لكل بوصة مربعة (ما يُعادل تقريبًا 2 ضغط جوي مطلق)، أمرًا أساسيًا لمنع التحلل الانفجاري للأسيتيلين. تبلغ السعة الحرارية النموذجية للملاط حوالي 4.2 جول/غرام درجة مئوية. ويتطلب تبريده حوالي 500 كيلوجول/كيلوغرام لرفع درجة حرارته بمقدار 50 درجة مئوية (وانغ وآخرون، 2024).
حجم جزيئات كربيد الكالسيوم
تُعدّ مساحة سطح الجسيمات المتفاعلة مع الماء عاملاً أساسياً في التفاعل. فالحبيبات ذات مساحة السطح الكبيرة، والتي تتراوح عادةً بين 15 و25 مم، تصل إلى حالة التوازن خلال 5 دقائق عند درجة حرارة 50 درجة مئوية، مُنتجةً ما بين 310 و320 لتر/كجم. في المقابل، تستغرق الحبيبات التي يتراوح حجمها بين 80 و120 مم ما بين 10 و15 دقيقة. وتُسرّع الجسيمات الأصغر حجماً معدل التفاعل بمقدار يصل إلى الضعف.
تحليل النقاء ودرجة الحرارة
يلعب هذان العاملان دورًا حاسمًا في ضمان تحسين إنتاج الأسيتيلين.
تعزيز حركية درجة الحرارة
يمكن تحسين تحليل الاستجابة الديناميكية الحرارية للتفاعل نظريًا باستخدام محاكاة Aspen Plus. تشير إحدى هذه الدراسات التي أجراها وانغ وآخرون (2024) إلى أن التشغيل عند درجة حرارة تتراوح بين 70 و80 درجة مئوية يُسرّع التفاعل بشكل ملحوظ، حيث تنخفض الطاقة اللازمة لتفاعل كربيد الكالسيوم مع الماء بمقدار 10-15 كيلوجول/مول.
نقاء عالٍ مثالي (>90%) ونافذة للتحكم في درجة الحرارة
على الرغم من أن الوصول إلى نقاء عالٍ يزيد عن 90% هو الهدف المنشود، إلا أنه غير قابل للتحقيق تجاريًا. من الناحية المثالية، يسمح نقاء يزيد عن 92% بنطاق أوسع لدرجات حرارة التشغيل. هناك نطاق حراري يتراوح بين 45 و70 درجة مئوية، مما يمنح المشغلين مرونة أكبر. إلى جانب مرونة التشغيل في درجات الحرارة، يتميز التفاعل أيضًا بدرجة عالية من الدقة مع تغيرات لا تتجاوز 3%. يكون الغاز الناتج أنظف بكثير، واحتمالية التآكل منخفضة للغاية. كما أن إنتاجية العملية عالية أيضًا، حيث تتراوح بين 300 و320 لترًا/كجم.
نقاء قياسي (75-85%) ونافذة للتحكم في درجة الحرارة
يُعد نطاق النقاء القياسي مُجديًا تجاريًا. ويتميز بنطاق أضيق للتحكم في درجة الحرارة، يتراوح عادةً بين 70 و80 درجة مئوية. توجد تفاعلات جانبية تُنتج غازات سامة، ولكن يمكن السيطرة عليها. ومع ذلك، يُوفر التفاعل بأكمله إنتاجية غاز كبيرة تصل إلى 300 لتر/كجم بنقاء 80.6%. وهو قريب من إنتاج الأسيتيلين المثالي لكل كيلوغرام من كربيد الكالسيوم المُستخدم. تم اختيار نطاق درجة الحرارة لتجنب خطر التفاعل الجامح في حال ارتفاع الحرارة إلى 100 درجة مئوية. يُسبب التآكل تنقيرًا في الوعاء يصل إلى 0.6 مم/سنة، مما يزيد تكلفة إنتاج الأسيتيلين النهائي بمقدار 0.15-0.25 كجم، ولكنه يبقى مُجديًا تجاريًا.
تحسين التبريد
يُعدّ الماء مصدر التبريد في التفاعل، وهو أيضاً عنصر أساسي فيه. لذا، يُعدّ اختيار الكمية المناسبة أمراً بالغ الأهمية. ففي حال استخدام التفاعل الكيميائي وحده، نحتاج فقط إلى 0.56 لتر من الماء لكل كيلوغرام من كربيد الكالسيوم. مع ذلك، لا يُوفّر الماء تأثير التبريد المطلوب. أما في التطبيقات الصناعية، فنحتاج إلى 5-20 لتر/كيلوغرام، ما يسمح للتفاعل بالبقاء ضمن نطاق درجة الحرارة الآمنة 70-80 درجة مئوية، وهي أقل بكثير من خطر الاحتراق غير الطبيعي الذي يبلغ 100 درجة مئوية لضمان التشغيل الآمن. ويمكن تحسين نسبة الماء لتحقيق نتائج مثالية.
تشير إحدى الدراسات التي أجراها روديجين وآخرون (2022) إلى أن نسبة 2:1 أو 3:1 يمكن أن توفر ما بين 15 و20% من الطاقة وتقلل حجم معلق هيدروكسيد الكالسيوم بنسبة 20%. مع ذلك، عمليًا، قد يصعب التحكم في هذه النسبة والحصول على غلة جيدة. لذا، فإن نسبة 5-20 غ/كغ أكثر عملية.
منتجات كربيد الكالسيوم التجارية وإمكانات تحسينها
لقد تأكدنا الآن من أن نقاء كربيد الكالسيوم ودرجة حرارة التحلل المائي يلعبان دورًا رئيسيًا في إنتاج الأسيتيلين. فلنحلل الآن ما يمكن أن يوفره حجم الجسيمات عند توافقه مع درجة الحرارة المناسبة.
لنأخذ شركة TYWH (شركة تيانجين TYWH الكيميائية المحدودة) كمثال ، وهي شركة صينية رائدة في إنتاج كربيد الكالسيوم. يبلغ معدل إنتاجها 120 ألف طن سنوياً، وهو معدل مذهل. تُوجّه منتجاتها للمستهلكين الصناعيين وتُستخدم على نطاق واسع في إنتاج الأسيتيلين.
نظرة عامة على مجموعة منتجات TYWH
تستخدم شركة TYWH براميل محكمة الإغلاق تتسع لـ 50 أو 100 كيلوغرام من كربيد الكالسيوم. هذه البراميل جاهزة للشحن وتتوافق مع معايير ISO 9001/14001. يبلغ عمرها الافتراضي حوالي 12-18 شهرًا، وعادةً ما تحافظ على نسبة الرطوبة داخلها أقل من 1%.
المنتج مطابق للمعايير الدولية، التي تشترط ألا تتجاوز نسبة الرماد 1%. جميع منتجات TYWH خالية من الشوائب السامة، حيث تبلغ نسبة الرقم الهيدروجيني 3 أقل من 0.04% ونسبة كبريتيد الهيدروجين أقل من 0.06%. يُعدّ المنتج مثاليًا للتحلل المائي، إذ ينتج عنه الحد الأدنى من السموم بما يتوافق مع معايير الصناعة.
مطابقة درجات TYWH مع ظروف التحلل المائي
للحصول على أفضل إنتاجية لغاز الأسيتيلين، يكمن المفتاح في ضبط درجة الحرارة ومطابقتها مع درجة النقاء المناسبة. والنتيجة هي كفاءة أعلى لعملية الإنتاج. إليكم جدول يوضح ذلك.TYWH درجات المنتج ومعاييرها ذات الصلة عند المرور بعملية إنتاج الأسيتيلين:
CaC2 (%) | 63.14 | 68.52 | 72.54 | 73.89 | 75.2 | 76.57 | 77.91 | 80.6 | 81.95 | 83.29 |
الغاز الإنتاجية (لتر/كجم) | 235 | 255 | 270 | 275 | 280 | 285 | 290 | 300 | 305 | 310 |
الفوائد الرئيسية لتحسين إنتاج الأسيتيلين
الطاقة والإنتاجية
يمكن أن يؤدي تحسين هذا التوافق إلى تقليل هدر الحرارة بنسبة 20-25%، ورفع كفاءة الطاقة المتاحة إلى حوالي 73.2% في أنظمة الكتلة الحيوية المتكاملة، وتوفير حوالي 0.20 دولار لكل كيلوغرام في تكاليف الطاقة.
التوسع
تُستخدم الأحجام الأصغر (15-25 مم) في الأنظمة التجريبية التي تنتج أقل من 10 كيلوغرامات في الساعة. أما الأحجام الأكبر (80-120 مم) فتُستخدم في المصانع التي تنتج أكثر من طن واحد في الساعة، حيث تُحقق زيادة في الإنتاجية بنسبة 5-10% عند تشغيلها في درجة الحرارة المناسبة.
وفورات التحكم في الشوائب
كما أن استخدام درجات عالية النقاء عند درجات الحرارة المتطابقة يقلل من كمية وسائط التنظيف المطلوبة بعد التحلل المائي بنسبة 15-20%، مما يؤدي فعليًا إلى مضاعفة عمر خدمة الوسائط.
استراتيجيات التحسين المتقدمة: دمج إدارة الحرارة والاستدامة
يضمن النهج الحديث في التصنيع بيئة أنظف، ويُدمج التكنولوجيا لتعزيز المراقبة والتحكم. والنتيجة هي بيئة أنظف وأكثر كفاءة، مع تقليل أعمال الصيانة التصحيحية. فيما يلي المجالات الثلاثة التي يتجه إليها إنتاج الأسيتيلين الحديث:
● استعادة الحرارة: يمكن أن يؤدي استخدام مبادلات حرارية متطورة تستغل الحرارة المهدرة لتسخين الماء مسبقًا أو إنتاج البخار إلى زيادة الكفاءة. وتقل الطاقة اللازمة لإنتاج الأسيتيلين بشكل كبير. ويمكن لبعض المبادلات الحرارية استعادة 45% من الحرارة المهدرة.
● التقنيات الخضراء: إن دمج الكتلة الحيوية (BCCA) وإعادة تدوير النفايات باستخدام دورة الكالسيوم يمكن أن يقلل من البصمة الكربونية للعملية بأكملها بنسبة 65٪.
● أنظمة التحكم الذكية: يُتيح دمج أحدث التقنيات، مثل الذكاء الاصطناعي وأجهزة إنترنت الأشياء، مراقبة وتحليل العمليات في الوقت الفعلي. والنتيجة هي تعديل سريع للمعايير وتحكم أفضل، مما يؤدي إلى زيادة الإنتاجية بنسبة 25%. علاوة على ذلك، يُقلل ذلك بشكل كبير من الحاجة إلى الصيانة من خلال فحوصات سلامة المعدات.
خاتمة
الأسيتيلين غاز قيّم يُستخدم في اللحام وتصنيع البلاستيك والبوليمرات. وتُعدّ عملية إنتاجه باستخدام كربيد الكالسيوم والماء الأكثر شيوعًا، فهي العملية الأكثر جدوى تجاريًا نظرًا لإنتاجيتها العالية وبساطتها. في هذه المقالة، استكشفنا تأثير درجة حرارة التفاعل على إنتاج الأسيتيلين، وتحديدًا تأثير حجم جزيئات كربيد الكالسيوم ونقائها على إنتاجية الأسيتيلين. علاوة على ذلك، جمعنا تأثيرات هذه العوامل معًا للوصول إلى التوازن الأمثل بين نقاوة كربيد الكالسيوم وحجم جزيئاته ودرجة حرارة التحلل المائي. وقد تبيّن أن أفضل النتائج تتحقق باستخدام كربيد كالسيوم عالي النقاوة (أكثر من 80%) والتحكم في درجة الحرارة بين 70 و80 درجة مئوية. ولضمان السلامة، يجب ألا تتجاوز درجة الحرارة 100 درجة مئوية، لذا يُعدّ العمل بهامش أمان أمرًا بالغ الأهمية.
ومع ذلك، قد تجد كل صناعة درجات حرارة ونقاء مختلفة مثالية لإنتاج الأسيتيلين؛ لكن الدراسة الرئيسية تبقى كما هي.
موصى به لك
لايوجد بيانات
تواصل معنا
المكتب الرئيسي: الغرفة 438، رقم 58 طريق وانكسيانج، شارع غولين، منطقة بينهاي الجديدة، تيانجين، الصين
المصنع: منطقة مشروع لاوشيدان في منطقة هاينان الصناعية، مقاطعة هاينان، مدينة ووهاي، منغوليا الداخلية، الصين