اَسِتیلِن

اَسِتیلِن

اَسِتیلِن یا اِتین، کوچک‌ترین عضو خانواده آلکینهای هیدروکربنی است که از دو اتم هیدروژن و دو اتم کربن که با هم پیوند سه‌گانه دارند ساخته شده ‌است. به خاطر وجود این پیوند سه‌گانه، استیلن جزو مواد شیمیایی اشباع نشده (سیر نشده) شناخته می‌شود.

استیلن در صنعت از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به عنوان ماده اولیه و پیش ماده در سنتز و تهیه مواد شیمیایی مختلف مورد نیاز می‌باشد. از این رو، روشهای صنعتی زیادی برای تولید انبوه این ماده ابداع شده است. این ماده قابل نگهداری و قابل حمل است.

تاریخچه و کشف

استیلن در سال 1836 توسط ادموند دیوی کشف شد که آن را به عنوان "کاربورت جدید هیدروژن" معرفی کرد.  این یک کشف تصادفی هنگام تلاش برای جداسازی فلز پتاسیم بود. او با حرارت دادن کربنات پتاسیم با کربن در دماهای بسیار بالا، باقیمانده‌ای از آنچه که امروزه به عنوان کاربید پتاسیم شناخته می‌شود، (K2C2)  تولید کرد که با آب واکنش داد تا گاز جدید آزاد شود. در سال 1860 توسط شیمیدان فرانسوی  Marcellin Berthelot، که نام acetylene را ابداع کرد، دوباره کشف شد. فرمول تجربی برتلو برای استیلن (C4H2)، و همچنین نام جایگزین "quadricarbure d'hydrogène" (کوادری کاربید هیدروژن)، نادرست بود زیرا بسیاری از شیمیدانان در آن زمان از جرم اتمی اشتباهی برای کربن استفاده می‌کردند (6 به جای 12).

Berthelot توانست این گاز را با عبور بخارات ترکیبات آلی (متانول، اتانول و ...) از لوله داغ قرمز و جمع‌آوری پساب تهیه کند. او همچنین دریافت که استیلن با جرقه زدن الکتریسیته از طریق گازهای سیانوژن و هیدروژن مخلوط شده است. برتلو بعداً استیلن را مستقیماً با عبور هیدروژن بین قطب‌های یک قوس کربنی بدست آورد.

از دهه 1950، استیلن عمدتاً با احتراق جزئی متان ساخته شده است. این یک محصول جانبی بازیافت شده در تولید اتیلن با کراکینگ هیدروکربن‌ها است. در سال 1983 حدود 400000 تن با این روش تولید شده‌اند. وجود آن در اتیلن معمولاً به دلیل خاصیت انفجاری و توانایی آن در مسموم کردن کاتالیزورهای زیگلر-ناتا نامطلوب است. این به طور انتخابی به اتیلن هیدروژنه می‌شود، معمولاً با استفاده از کاتالیزورهای Pd-Ag  کارخانه استیلن با ظرفیت سالانه 90000 تن، راه اندازی شده توسط BASF در سال 1950 تا دهه 2020، زمانی که نفت جایگزین زغال سنگ به عنوان منبع اصلی کربن کاهش یافته شد، استیلن (و کسر معطر از قطران زغال سنگ) منبع اصلی مواد شیمیایی آلی در صنایع شیمیایی بود. این توسط هیدرولیز کاربید کلسیم، واکنشی که توسط فردریش ویلر در سال 1862 کشف شد، تهیه می‌شود.

مشخصات فیزیکی

تغییرات حالت

در فشار اتمسفر، استیلن نمی‌تواند به صورت مایع وجود داشته باشد و نقطه ذوب ندارد. نقطه سه گانه در نمودار فاز مربوط به نقطه ذوب (80.8- درجه سانتیگراد) در حداقل فشاری است که استیلن مایع می‌تواند وجود داشته باشد (1.27 atm). در دماهای کمتر از نقطه سه گانه، استیلن جامد می‌تواند مستقیماً با تصعید به بخار (گاز) تبدیل شود. نقطه تصعید در فشار اتمسفر -84.0 درجه سانتی‌گراد است.

در دمای اتاق، حلالیت استیلن در استون 27.9 گرم در کیلوگرم است. برای همان مقدار دی متیل فرمامید (DMF)، حلالیت 51 گرم است. در 20.26 بار، حلالیت برای استون و DMF به ترتیب به 689.0 و 628.0 گرم افزایش می‌یابد. این حلال ها در سیلندرهای گاز تحت فشار استفاده می‌شوند.

 کاربرد ها

جوشکاری

تقریبا 20 درصد استیلن توسط صنعت گازهای صنعتی برای جوشکاری و برش گاز اکسی استیلن به دلیل دمای بالای شعله تامین می‌شود. احتراق استیلن با اکسیژن شعله‌ای بیش از 3600 کلوین (3330 درجه سانتیگراد؛ 6020 درجه فارنهایت) تولید می‌کند و 11.8 کیلوژول بر گرم آزاد می‌کند. اکسی استیلن داغترین گاز سوخت معمولی است. استیلن سومین گرمترین شعله شیمیایی طبیعی پس از دی سیانو استیلن 5260 K (4990 درجه سانتیگراد؛ 9010 درجه فارنهایت) و سیانوژن در 4798 K (4525 درجه سانتیگراد؛ 8177 درجه فارنهایت) است.

جوشکاری اکسی استیلن یک فرآیند جوشکاری رایج در دهه‌های گذشته بود. توسعه و مزایای فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی باعث شده است که جوشکاری با سوخت اکسی برای بسیاری از کاربردها تقریباً منسوخ شود. مصرف استیلن برای جوشکاری به میزان قابل توجهی کاهش یافته است. از سوی دیگر، تجهیزات جوش اکسی استیلن کاملاً همه کاره هستند - نه تنها به این دلیل که مشعل برای برخی از انواع جوشکاری آهن یا فولاد ترجیح داده می‌شود (مانند کاربردهای هنری خاص)، بلکه به این دلیل که به راحتی برای لحیم کاری، جوشکاری مناسب است. گرمایش فلز (برای بازپخت یا تمپر کردن، خم کردن یا شکل دادن)، شل شدن مهره‌ها و پیچ و مهره‌های خورده شده و سایر کاربردها به کار می‌رود.

تکنسین‌های تعمیر کابل بل کانادا هنوز از کیت‌های مشعل قابل حمل با سوخت استیلن به عنوان یک ابزار لحیم‌کاری برای آب بندی اتصالات آستین سربی در منهول‌ها و در برخی مکان‌های هوایی استفاده می‌کنند.

نورپردازی قابل حمل درمورد لامپ کاربید

احتراق استیلن یک نور قوی و روشن تولید می‌کند و وجود لامپ‌های کاربید در همه جا باعث تجاری شدن استیلن در اوایل قرن بیستم شد. کاربردهای متداول شامل فانوس‌های دریایی ساحلی، چراغ‌های خیابانی، و چراغ‌های جلوی خودرو و معدن بود. در اکثر این کاربردها، احتراق مستقیم یک خطر آتش سوزی است، و بنابراین استیلن، ابتدا با لامپ‌های رشته‌ای و سال‌ها بعد با LED های کم قدرت/لومن بالا جایگزین شده است. با این وجود، لامپ‌های استیلن در مناطق دورافتاده یا غیرقابل دسترس و در کشورهایی با شبکه الکتریکی مرکزی ضعیف یا غیرقابل اعتماد همچنان استفاده محدودی دارند.

پلاستیک و مشتقات اسید اکریلیک

استیلن را می‌توان نیمه هیدروژنه به اتیلن کرد و ماده اولیه‌ای برای انواع پلاستیک های پلی اتیلن فراهم کرد. یکی دیگر از کاربردهای عمده استیلن، به ویژه در چین، تبدیل آن به مشتقات اسید اکریلیک است. این مشتقات محصولاتی مانند الیاف اکریلیک، شیشه‌ها، رنگ‌ها، رزین‌ها و پلیمرها را تشکیل می‌دهند. به جز در چین، استفاده از استیلن به عنوان یک ماده اولیه شیمیایی به دلیل هزینه و ملاحظات زیست محیطی از سال 1965 تا 2007 70 درصد کاهش یافته است.

در سال 1881، شیمیدان روسی میخائیل کوچروف هیدراتاسیون استیلن به استالدئید را با استفاده از کاتالیزورهایی مانند برمید جیوه (II) توصیف کرد. قبل از ظهور فرآیند واکر، این واکنش در مقیاس صنعتی انجام می‌شد.

پلیمریزاسیون استیلن با کاتالیزورهای Ziegler-Natta باعث تولید لایه‌های پلی استیلن می‌شود. پلی استیلن، زنجیره‌ای از مراکز CH با پیوندهای منفرد و دوگانه متناوب، یکی از اولین نیمه هادی‌های آلی کشف شده بود. واکنش آن با ید ماده‌ای با رسانایی الکتریکی بالا تولید می‌کند. اگرچه چنین مواد مفیدی نیستند، اما این اکتشافات منجر به توسعه نیمه هادی‌های آلی شد که توسط جایزه نوبل شیمی در سال 2000 به آلن جی. هیگر، آلن جی مک دیارمید و هیدکی شیراکاوا شناخته شد.

ایمنی و سلامتی

استیلن گازی سمی نیست، اما هنگامی که از کاربید کلسیم تولید می‌شود، می‌تواند حاوی ناخالصی‌های سمی مانند آثاری از فسفین و آرسین باشد که بوی مشخصی شبیه سیر به آن می‌دهد. همچنین مانند اکثر هیدروکربن‌های سبک بسیار قابل اشتعال است، از این رو از آن در جوشکاری استفاده می‌شود. منحصربه‌فردترین خطر آن به بی‌ثباتی ذاتی آن مربوط می‌شود، به‌ویژه زمانی که تحت فشار است: تحت شرایط خاصی استیلن می‌تواند در یک واکنش گرمازا از نوع افزودن واکنش نشان دهد و تعدادی محصول، معمولاً بنزن و یا وینیل استیلن، احتمالاً علاوه بر کربن و هیدروژن تشکیل دهد. در نتیجه، استیلن، اگر با گرمای شدید یا موج ضربه‌ای آغاز شود، اگر فشار مطلق گاز از حدود 200 کیلو پاسکال (29 psi) بیشتر شود، می‌تواند به صورت انفجاری تجزیه شود. اکثر تنظیم‌کننده‌ها و گیج‌های فشار روی تجهیزات، فشار گیج را گزارش می‌دهند و بنابراین حد ایمن برای استیلن 101 kPagage یا 15 psig است. بنابراین به صورت محلول در استون یا دی متیل فرمامید  (DMF)، موجود در یک سیلندر گاز با پرکننده متخلخل (Agamassan) عرضه و ذخیره می‌شود که با توجه به جابجایی مناسب، حمل و نقل و استفاده از آن را ایمن می‌سازد. سیلندرهای استیلن باید در حالت عمودی استفاده شوند تا از خروج استون در حین استفاده جلوگیری شود.

روش‌های تولید استیلن:

دو فرآیند تبدیل اساسی برای ساخت استیلن مورد استفاده قرار می‎گیرد. یکی یک فرآیند واکنش شیمیایی است که در دمای معمولی اتفاق می‏افتد. دیگری یک فرآیند ترک حرارتی است که در دماهای بسیار بالا اتفاق می‏افتد.

فرایند واکنش شیمیایی

استیلن ممکن است در اثر واکنش شیمیایی بین کاربید کلسیم و آب ایجاد شود. این واکنش مقدار قابل توجهی گرما تولید می‏کند که باید برای جلوگیری از انفجار گاز استیلن، گرما را حذف کرد. انواع مختلفی از این فرآیند وجود دارد که در آن یا کاربید کلسیم به آب اضافه می‏شود و یا آب به کاربید کلسیم اضافه می‏شود. هر دوی این تغییرات را فرآیندهای مرطوب می‏نامند زیرا مقدار آب اضافی برای جذب گرمای واکنش استفاده می‏شود. نوع سوم که فرآیند خشک نامیده می‏شود، تنها از مقدار محدودی آب استفاده می‏کند که سپس با جذب گرما تبخیر می‎شود.

1 . بیشتر ژنراتورهای استیلن با ظرفیت بالا از یک نوار نقاله پیچ دوار برای تغذیه گرانول‏های کاربید کلسیم به داخل محفظه واکنش استفاده می‏کنند که تا حد مشخصی با آب پر شده است. اندازه گرانول‏ها حدود 08/0 در 25/0 اینچ (2 میلی متر در 6 میلی متر) است که میزان مناسبی از سطوح در معرض دید را فراهم می‏کند تا یک واکنش کامل را امکان پذیر کند. نرخ تغذیه بر اساس میزان جریان گاز مورد نظر تعیین می‏شود و توسط یک سوئیچ فشار در محفظه کنترل می‏شود. اگر در یک زمان مقدار زیادی گاز تولید شود، سوئیچ فشار باز می‏شود و نرخ تغذیه را کاهش می‏دهد.

2. برای اطمینان از یک واکنش کامل، محلول گرانول‏های کاربید کلسیم و آب به طور مداوم توسط مجموعه‏ای از پدال‎های چرخان در داخل محفظه واکنش به هم می‏زند. این همچنین از شناور شدن هرگونه گرانول بر روی سطح که می‏تواند بیش از حد گرم شود و استیلن را مشتعل کند، جلوگیری می‏کند.

3. گاز استیلن به سطح حباب می‎زند و تحت فشار کم بیرون می‎کشد. هنگامی که از محفظه واکنش خارج می‎شود، گاز با اسپری آب خنک می‏شود. این اسپری آب همچنین آب را به محفظه واکنش اضافه می‎کند تا با افزودن کاربید کلسیم جدید، واکنش ادامه پیدا کند. پس از خنک شدن گاز، از یک برقگیر عبور می‏کند که از جرقه زنی تصادفی از تجهیزات پایین دست محفظه جلوگیری می‏کند.

4. هنگامی که کاربید کلسیم با آب واکنش می‎دهد، دوغاب کربنات کلسیم را تشکیل می‏دهد که به پایین محفظه فرو می‎رود. به طور دوره‏ای واکنش باید متوقف شود تا دوغاب ساخته شده از بین برود. دوغاب از محفظه تخلیه می‎شود و به یک حوضچه پمپ می‏شود، جایی که کربنات کلسیم ته نشین می‎شود و آب خارج می‎شود. کربنات کلسیم غلیظ شده سپس خشک می‏شود و برای استفاده به عنوان یک عامل تصفیه فاضلاب صنعتی، خنثی کننده اسید یا نرم کننده خاک برای ساخت و ساز جاده فروخته می‎شود.

فرآیند ترک حرارتی

استیلن همچنین ممکن است با بالا بردن دمای هیدروکربن‌های مختلف تا جایی که پیوندهای اتمی آنها شکسته می‌شود یا ترک می‌خورد، در فرآیندی که به عنوان فرآیند ترک حرارتی شناخته می‌شود، تولید شود. پس از جدا شدن اتم‎‌های هیدروکربن، می‏توان آنها را دوباره به هم متصل کرد تا مواد متفاوتی نسبت به مواد اولیه اولیه ایجاد کنند. این فرآیند به طور گسترده برای تبدیل نفت یا گاز طبیعی به انواع مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می‏گیرد.

این فرآیند بسته به مواد اولیه مورد استفاده و روش افزایش دما، تنوع زیادی دارد. برخی از فرآیندهای ترک از یک قوس الکتریکی برای گرم کردن مواد خام استفاده می‌کنند، در حالی که برخی دیگر از یک محفظه احتراق استفاده می‌کنند که بخشی از هیدروکربن‌ها را می‌سوزاند تا شعله ایجاد کنند. مقداری استیلن به عنوان یک محصول مشترک از فرآیند کراکینگ با بخار که برای ساخت اتیلن استفاده می‏شود، تولید می‏شود.

1. گاز طبیعی، که بیشتر متان است، تا حدود 1200 درجه فارنهایت (650 درجه سانتیگراد) حرارت داده می‎شود. پیش گرم کردن گاز باعث می‏شود که پس از رسیدن به مشعل، خودسوزی کند و به اکسیژن کمتری برای احتراق نیاز داشته باشد.

2. گاز گرم شده از طریق لوله باریکی به نام ونتوری می‏گذرد که در آن اکسیژن تزریق شده و با گاز داغ مخلوط می‏شود.

3. مخلوط گاز داغ و اکسیژن از یک دیفیوزر می‏گذرد که سرعت آن را به سرعت مورد نظر کاهش می‎دهد. اگر سرعت بیش از حد بالا باشد، گاز ورودی شعله را در مشعل خاموش می‏‎کند. اگر سرعت خیلی کم باشد، شعله می‌تواند به عقب برگردد و گاز را قبل از رسیدن به مشعل مشتعل کند.

4. مخلوط گاز به بلوک مشعل که شامل بیش از 100 کانال باریک است، جریان می‎یابد. همانطور که گاز به هر کانال جریان می‎یابد، خود مشتعل می‏‎شود و شعله‎ای تولید می‏‎کند که دمای گاز را به حدود 2730 درجه فارنهایت (1500 درجه سانتی گراد) می‏رساند. مقدار کمی اکسیژن در مشعل اضافه می‏شود تا احتراق را تثبیت کند.

5. گاز در حال سوزاندن به فضای واکنش درست فراتر از مشعل جریان می‏یابد، جایی که دمای بالا باعث می‏شود حدود یک سوم متان به استیلن تبدیل شود، در حالی که بیشتر بقیه متان می‏سوزد. کل فرایند احتراق فقط چند میلی ثانیه طول می‏کشد.

6. گاز شعله ور به سرعت با اسپری‏های آب در نقطه‏ای که بیشترین تبدیل به استیلن را دارد خاموش می‏شود. گاز خنک شده حاوی مقدار زیادی مونوکسید کربن و هیدروژن با مقادیر کمتر دوده کربن به علاوه دی اکسید کربن، استیلن، متان و سایر گازها است.

7. گاز از یک اسکرابر آب عبور می‏کند، که مقدار زیادی از دوده کربن را حذف می‏کند. سپس گاز از اسکرابر دوم عبور می‏کند و در آنجا با حلالی به نام N-methylpyrrolidinone پاشیده می‏شود که استیلن را جذب می‏کند، اما دیگر گازها را جذب نمی‏کند.

8. حلال به یک برج جداسازی پمپ می‏شود که در آن استیلن از حلال جوشانده می‏شود و در بالای برج به عنوان گاز بیرون کشیده می‏شود، در حالی که حلال از پایین بیرون کشیده می‏شود.

منابع

1.  Nomenclature of Organic Chemistry : IUPAC Recommendations and Preferred Names 2013 (Blue Book). Cambridge: The Royal Society of Chemistry. 2014. p. 375. doi:10.1039/9781849733069-FP001. ISBN 978-0-85404-182-4. The name acetylene is retained for the compound HC≡CH. It is the preferred IUPAC name, but substitution of any kind is not allowed; however, in general nomenclature, substitution is allowed, for example fluoroacetylene [fluoroethyne (PIN)], but not by alkyl groups or any other group that extends the carbon chain, nor by characteristic groups expressed by suffixes.
2. ^ Acyclic Hydrocarbons. Rule A-3. Unsaturated Compounds and Univalent Radicals Archived 10 October 2000 at the Wayback Machine, IUPAC Nomenclature of Organic Chemistry
3. ^ Record of Acetylene in the GESTIS Substance Database of the Institute for Occupational Safety and Health
4. ^ Jump up to:^a b c d NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards. "#0008". National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH).
5. ^ "Acetylene – Gas Encyclopedia Air Liquide". Air Liquide. Archived from the original on 4 May 2022. Retrieved 27 September 2018.
6. ^ Jump up to:^a b c CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data. William M. Haynes, David R. Lide, Thomas J. Bruno (2016-2017, 97th ed.). Boca Raton, Florida. 2016. ISBN 978-1-4987-5428-6. OCLC 930681942. Archived from the original on 4 May 2022. Retrieved 4 May 2022.
7. ^ R. H. Petrucci; W. S. Harwood; F. G. Herring (2002). General Chemistry (8th ed.). Prentice-Hall. p. 1072.
8. ^ Jump up to:^{a b c d e f g h i j} Pässler, Peter; Hefner, Werner; Buckl, Klaus; Meinass, Helmut; Meiswinkel, Andreas; Wernicke, Hans-Jürgen; Ebersberg, Günter; Müller, Richard; Bässler (2008). "Acetylene Chemistry". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a01_097.pub3.
9. ^ Compressed Gas Association (1995) Material Safety and Data Sheet – Acetylene Archived 11 July 2012 at the Wayback Machine
10. ^ Whitten K. W., Gailey K. D. and Davis R. E. General Chemistry (4th ed., Saunders College Publishing 1992), pp. 328–329, 1046. ISBN 0-03-072373-6.
11. ^ Edmund Davy (August 1836) "Notice of a new gaseous bicarburet of hydrogen" Archived 6 May 2016 at the Wayback Machine, Report of the Sixth Meeting of the British Association for the Advancement of Science …, 5: 62–63.
12. ^ Miller, S. A. (1965). Acetylene: Its Properties, Manufacture and Uses. Vol. 1. Academic Press Inc. Archived from the original on 15 April 2021. Retrieved 16 July 2021.
13. ^ Bertholet (1860) "Note sur une nouvelle série de composés organiques, le quadricarbure d'hydrogène et ses dérivés" Archived 13 July 2015 at the Wayback Machine (Note on a new series of organic compounds, tetra-carbon hydride and its derivatives), Comptes rendus, series 3, 50: 805–808.
14. ^ Ihde, Aaron J. (1961). "The Karlsruhe Congress: A centennial retrospective". Journal of Chemical Education. 38 (2): 83. Bibcode:1961JChEd..38...83I. doi:10.1021/ed038p83. Archived from the original on 30 December 2021. Retrieved 29 December 2021. Atomic weights of both 6 and 12 were both in use for carbon.
15. ^ Berthelot (1862) "Synthèse de l'acétylène par la combinaison directe du carbone avec l'hydrogène" Archived 14 August 2020 at the Wayback Machine (Synthesis of acetylene by the direct combination of carbon with hydrogen), Comptes rendus, series 3, 54: 640–644.
16. ^ Acetylene Archived 28 January 2012 at the Wayback Machine.
17. ^ Habil, Phil; Sachsse, Hans (1954). "Herstellung von Acetylen durch unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff (Production of acetylene by incomplete combustion of hydrocarbons with oxygen)". Chemie Ingenieur Technik. 26 (5): 245–253. doi:10.1002/cite.330260502.
18. ^ Habil, Phil; Bartholoméa, E. (1954). "Probleme großtechnischer Anlagen zur Erzeugung von Acetylen nach dem Sauerstoff-Verfahren (Problems of large-scale plants for the production of acetylene by the oxygen method)". Chemie Ingenieur Technik. 26 (5): 253–258. doi:10.1002/cite.330260503.