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Prozessoptimierung der Acetylenherstellung: Präzise Abstimmung der Calciumcarbid-Reinheit auf die Hydrolysetemperatur
2026-01-12
Die Abstimmung des Calciumcarbids auf die richtige Hydrolysetemperatur ist entscheidend für die Sicherheit und die Maximierung der Acetylenproduktionsrate. Der Hydrolyseprozess ist stark exotherm. 1 kg Calciumcarbid kann bei der Reaktion mit Wasser 1985,6 kJ Wärme freisetzen. Wird die Temperatur nicht kontrolliert, kann sie ansteigen und eine explosive Zersetzung des Acetylens verursachen.
Acetylen ( C₂H₂ ) ist ein wichtiger Rohstoff für viele chemische Produktionsprozesse, beispielsweise für PVC, Vinylacetat und zum Schweißen. Es ist das einzige kommerziell erhältliche Gas, mit dem sich Stahl zuverlässig schweißen lässt. Andere Hochtemperaturverfahren, wie das WIG/MIG - Schweißen, benötigen Strom und Spezialgase. Das Sauerstoff-Acetylen-Gemisch kann Temperaturen von bis zu 3150 °C erreichen. Es ist ein wertvolles Gas, und eine Steigerung seiner Ausbeute kann Industrieunternehmen helfen, Gewinne zu maximieren und Verluste zu minimieren.
Dieser Artikel erläutert den Hydrolyseprozess und seine wichtigsten, vom Anwender zu steuernden Parameter. Anschließend wird erklärt, wie handelsübliches Calciumcarbid zur Optimierung der Acetylenproduktion eingesetzt werden kann. Weiterführende Strategien zur Prozessoptimierung werden vorgestellt. Abschließend wird ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen gegeben.
Calciumcarbidhydrolyse bei der Acetylenproduktion
Reaktionsmechanismus und Thermodynamik
Die Kernreaktion, die zur Herstellung von Acetylen führt, ist die Reaktion von Calciumcarbid mit Wasser.
CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ + Wärme
Die bei der Reaktion entstehende Wärme muss kontrolliert werden, da sie die Temperatur rasch ansteigen lassen kann. Eine höhere Reaktionstemperatur ist zwar für die Acetylenproduktion förderlich, doch bei Temperaturen über 350 °C beginnt das Acetylen zu polymerisieren, was unerwünscht ist und zu einer geringeren Acetylenausbeute führt. Steigt die Temperatur jedoch weiter an (400–600 °C), kann dies zu einer explosiven Zersetzung führen, was ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Zwei wichtige Aspekte sind dabei zu beachten:
Druck- und Wärmeregelung
Die Kontrolle von Temperatur und Druck in einem geschlossenen Generator, in dem die stark exotherme Reaktion stattfindet, ist von entscheidender Bedeutung. Reaktorgeneratoren werden industriell in Niederdruck- und Mitteldruckgeneratoren unterteilt. Die Kontrolle des Drucks im geschlossenen Generator, um sicherzustellen, dass der kritische Sicherheitsgrenzwert von 15 psig (ca. 2 atm absolut) niemals überschritten wird, ist der Schlüssel zur Verhinderung der explosiven Zersetzung von Acetylen. Die typische Wärmekapazität der Suspension beträgt ca. Cp = 4,2 J/g°C. Für einen Temperaturanstieg von 50 °C sind ca. 500 kJ/kg Kühlung erforderlich (Wang et al., 2024).
Calciumcarbid-Partikelgröße
Die Oberfläche der Partikel, die mit Wasser in Kontakt kommt, ist ebenfalls ein entscheidender Parameter für die Reaktion. Granulate mit einer großen Oberfläche (typischerweise 15–25 mm) erreichen bei 50 °C innerhalb von 5 Minuten den Gleichgewichtszustand und erzielen eine Ausbeute von 310–320 l/kg. Im Vergleich dazu benötigen Granulate mit einer Größe von 80–120 mm 10–15 Minuten. Feinere Partikel beschleunigen die Reaktion um bis zu das Doppelte.
Analyse von Reinheit und Temperatur
Die beiden Parameter spielen eine entscheidende Rolle bei der Optimierung der Acetylenproduktion.
Temperaturkinetischer Schub
Die thermodynamische Reaktion lässt sich mithilfe von Aspen Plus-Simulationen theoretisch optimieren. Eine Studie von Wang et al. (2024) zeigt, dass eine Temperatur zwischen 70 und 80 °C die Reaktion deutlich beschleunigt. Die für die Reaktion von Calciumcarbid und Wasser benötigte Energie reduziert sich dadurch um 10–15 kJ/mol.
Ideales Fenster für hohe Reinheit (>90 %) und Temperaturkontrolle
Eine hohe Reinheit von >90 % ist zwar das Ziel, aber wirtschaftlich nicht realisierbar. Idealerweise ermöglicht eine Reinheit von >92 % einen größeren Betriebstemperaturbereich. Ein Temperaturfenster von 45–70 °C bietet den Bedienern mehr Flexibilität. Neben der flexiblen Temperaturregelung ist die Reaktion mit einer Abweichung von <3 % sehr gut vorhersagbar. Das Gas ist deutlich sauberer, und die Korrosionsgefahr ist sehr gering. Die Ausbeute des Verfahrens ist mit 300–320 l/kg ebenfalls hoch.
Standardreinheit (75-85 %) und Temperaturkontrollfenster
Der Standardreinheitsbereich ist wirtschaftlich rentabel. Er erfordert eine engere Temperaturkontrolle, typischerweise zwischen 70 und 80 °C. Nebenreaktionen führen zur Bildung toxischer Gase, sind aber kontrollierbar. Die Gesamtreaktion liefert weiterhin signifikante Gasausbeuten von 300 l/kg mit einer Reinheit von 80,6 %. Dies entspricht nahezu der idealen Acetylenproduktion pro Kilogramm eingesetztem Calciumcarbid. Der Temperaturbereich wurde so gewählt, dass ein unkontrolliertes Durchgehen der Reaktion bei einer Temperatur von 100 °C vermieden wird. Die Korrosion verursacht Lochfraß von bis zu 0,6 mm/Jahr, wodurch die Herstellung des finalen Acetylens um 0,15–0,25 kg teurer wird. Dennoch ist das Verfahren wirtschaftlich rentabel.
Kühlungsoptimierung
Das Wasser dient in der Reaktion als Kühlquelle und ist gleichzeitig ein kritischer Bestandteil. Die Wahl der richtigen Wassermenge ist entscheidend. Für die chemische Reaktion allein reichen 0,56 Liter Wasser pro Kilogramm Calciumcarbid aus. Dies bewirkt jedoch keine Kühlung. Für industrielle Anwendungen sind 5–20 Liter pro Kilogramm erforderlich, um die Reaktionstemperatur im sicheren Bereich von 70–80 °C zu halten. Dieser Wert liegt deutlich unter der kritischen Temperatur von 100 °C, die für einen sicheren Betrieb unerlässlich ist. Durch Optimierung des Wasseranteils lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit optimieren.
Eine Studie von Rodygin et al. (2022) zeigt, dass ein Verhältnis von 2:1 oder 3:1 15–20 % Energie einsparen und das Volumen der Ca(OH) ₂ -Suspension um 20 % reduzieren kann. In der Praxis kann die Kontrolle und das Erreichen guter Ausbeuten jedoch schwierig sein. Daher ist ein Verhältnis von 5–20 g/kg praktikabler.
Kommerzielle Calciumcarbidprodukte und deren Optimierungspotenzial
Wir haben nun festgestellt, dass die Reinheit des Calciumcarbids und die Hydrolysetemperatur eine entscheidende Rolle bei der Acetylenherstellung spielen. Analysieren wir nun, welchen Einfluss die Partikelgröße in Kombination mit der richtigen Temperatur hat.
Betrachten wir TYWH (Tianjin TYWH Chemical Co., Ltd.) , einen der größten Calciumcarbid-Produzenten Chinas. Ihre Produktionsrate ist beeindruckend: 120.000 Tonnen pro Jahr. Ihre Produkte sind für industrielle Abnehmer bestimmt und werden häufig zur Acetylenherstellung eingesetzt.
TYWH-Produktportfolio – Übersicht
TYWH verwendet luftdichte Fässer mit einem Fassungsvermögen von 50 kg oder 100 kg Calciumcarbid. Diese Fässer sind versandfertig und entsprechen den Normen ISO 9001/14001. Ihre Haltbarkeit beträgt ca. 12–18 Monate, und die Restfeuchte in den Fässern liegt üblicherweise unter 1 %.
Das Produkt entspricht den internationalen Standards, die einen Aschegehalt von unter 1 % vorschreiben. Alle Produkte von TYWH enthalten keine toxischen Verunreinigungen ( pH₃ < 0,04 % und H₂S < 0,06 %). Das Produkt eignet sich ideal für die Hydrolyse, da dabei nur minimale Mengen an Toxinen entstehen, die den Industriestandards entsprechen.
Anpassung von TYWH-Sorten an Hydrolysebedingungen
Für optimale Acetylen-Ausbeuten ist die Optimierung der Temperatur und die richtige Reinheit entscheidend. Dies führt zu einer höheren Effizienz des Produktionsprozesses. Die folgende Tabelle veranschaulicht die Ergebnisse.TYWH Produktqualitäten und ihre relevanten Parameter während des Produktionsprozesses von Acetylen:
CaC2 (%) | 63.14 | 68.52 | 72.54 | 73.89 | 75.2 | 76.57 | 77.91 | 80.6 | 81.95 | 83.29 |
Gas Ausbeute (L/KG) | 235 | 255 | 270 | 275 | 280 | 285 | 290 | 300 | 305 | 310 |
Wichtigste Vorteile der Optimierung der Acetylenproduktion
Energie und Ertrag
Durch die Optimierung dieser Abstimmung können Wärmeverluste um 20–25 % reduziert, die Exergieeffizienz in integrierten Biomasseanlagen auf etwa 73,2 % gesteigert und Energiekosten um etwa 0,20 US-Dollar pro Kilogramm eingespart werden.
Skalierung
Kleinere Korngrößen von 15–25 mm werden in Pilotanlagen mit einer Produktionsleistung von unter 10 Kilogramm pro Stunde eingesetzt. Größere Korngrößen von 80–120 mm kommen in Anlagen mit einer Produktionsleistung von über 1 Tonne pro Stunde zum Einsatz, wo sie bei korrekter Betriebstemperatur einen Ertragsvorteil von 5–10 % erzielen.
Einsparungen bei der Reinheitskontrolle
Durch die Verwendung hochreiner Qualitäten bei den entsprechenden Temperaturen wird die nach der Hydrolyse benötigte Menge an Wäschermedien um 15–20 % reduziert, wodurch sich die Lebensdauer der Medien effektiv verdoppelt.
Fortschrittliche Optimierungsstrategien: Integration von Wärmemanagement und Nachhaltigkeit
Der moderne Fertigungsansatz gewährleistet eine sauberere Umwelt und integriert Technologien zur verbesserten Überwachung und Steuerung. Das Ergebnis sind sauberere, effizientere Prozesse und weniger Wartungsarbeiten. Hier sind die drei Bereiche, in die sich die moderne Acetylenproduktion entwickelt:
● Wärmerückgewinnung: Der Einsatz moderner Wärmetauscher, die die Abwärme zur Vorwärmung von Wasser oder zur Dampferzeugung nutzen, kann die Effizienz steigern. Der Energiebedarf für die Acetylenproduktion wird dadurch drastisch reduziert. Einige Wärmetauscher können bis zu 45 % der Abwärme zurückgewinnen.
● Grüne Technologien: Durch die Integration von Biomasse (BCCA) und das Recycling von Abfällen mittels Calcium-Looping kann der CO2-Fußabdruck des gesamten Prozesses um 65 % reduziert werden.
● Intelligente Steuerung: Durch den Einsatz neuester Technologien wie KI (Künstliche Intelligenz) und IoT-Geräten (Internet der Dinge) können Prozesse in Echtzeit überwacht und analysiert werden. Dies führt zu einer schnellen Anpassung der Parameter und einer besseren Steuerung, was eine Ertragssteigerung von 25 % ermöglicht. Zudem wird der Wartungsaufwand durch die Überprüfung des Anlagenzustands drastisch reduziert.
Abschluss
Acetylen ist ein wertvolles Gas, das zum Schweißen und zur Herstellung von Kunststoffen und Polymeren verwendet wird. Das gängigste Herstellungsverfahren ist die Verwendung von Calciumcarbid mit Wasser. Es ist das wirtschaftlichste Verfahren mit hoher Ausbeute und relativ geringem Aufwand. In diesem Artikel untersuchen wir den Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Acetylenproduktion sowie den Einfluss der Calciumcarbid- Partikelgröße und -Reinheit auf die Acetylenausbeute. Darüber hinaus haben wir die Kombination dieser Faktoren analysiert, um die optimale Kombination aus Calciumcarbid-Reinheit, Partikelgröße und Hydrolysetemperatur zu ermitteln. Das beste Ergebnis erwies sich bei Verwendung von hochreinem Calciumcarbid (>80 %) und einer Temperatur von 70–80 °C. Aus Sicherheitsgründen muss die Temperatur unter 100 °C bleiben. Daher ist ein ausreichender Sicherheitsabstand unerlässlich.
Allerdings finden verschiedene Branchen unterschiedliche Temperaturen und Reinheitsgrade ideal für die Acetylenproduktion; die grundlegende Studie bleibt jedoch dieselbe.
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