کشف اتفاقی یک گاز
اتان برای اولین بار در سال ۱۸۳۴ توسط شیمیدان انگلیسی، مایکل فارادی، کشف شد. او هنگام مطالعه روی گازهای هیدروکربنی مختلف، این گاز را به‌عنوان یک ترکیب جدید شناسایی کرد. فارادی در تلاش بود تا گازهای مختلف را در حالت مایع آزمایش کند و ویژگی‌های آن‌ها را بررسی نماید. او متوجه شد که یکی از ترکیبات هیدروکربنی ساده، که از تجزیه برخی مواد آلی به دست می‌آید، خصوصیات شیمیایی متفاوتی دارد. با بررسی‌های بیشتر، او این گاز را به عنوان یک هیدروکربن اشباع‌شده جدید شناسایی کرد سپس در اواخر قرن نوزدهم فرمول شیمیایی گاز اتان توسط دانشمندان دیگر کشف شد.
اتان، دومین عضو خانواده آلکان ها
نام اتان در یونانی به معنای “درخشش یا سوختن” است. زیرا گاز اتان به‌راحتی می‌سوزد و شعله‌ای روشن تولید می‌کند. گاز اتان به عنوان دومین عضو خانواده آلکان ها،یک هیدروکربن گازی اشباع‌شده با فرمول شیمیایی C2H6است که پس از متان، دومین جزء اصلی گاز طبیعی محسوب می‌شود. این گاز در شرایط استاندارد دما و فشار (STP) به صورت گاز موجود است و از دو اتم کربن و شش اتم هیدروژن تشکیل شده است. تمامی پیوند ها در ساختار شیمیایی این مولکول از نوع یگانه هستند.
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی
| جرم مولی | ۳۰.۰۷ گرم بر مول |
| حالت در دمای اتاق | گاز |
| رنگ و بو | بی‌رنگ و بی‌بو (در حالت خالص) |
| نقطه ذوب | −۱۸۲.۸ درجه سانتی‌گراد |
| نقطه جوش | −۸۸.۶ درجه سانتی‌گراد |
| چگالی | ۱.۲۶ کیلوگرم بر متر مکعب در شرایط STP |
| انحلال‌پذیری در آب | بسیار کم؛ تقریباً ۰.۰۰۶۴ گرم در هر ۱۰۰ میلی‌لیتر آب در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد |
کاربرد گاز اتان
- تولید اتیلن:گاز اتان به عنوان ماده اولیه برای تولید اتیلن، یکی از مهم‌ترین ترکیبات پایه در صنایع پتروشیمی استفاده می‌شود. اتیلن خود ماده اصلی برای تولید پلاستیک‌ها، رزین‌ها و الیاف مصنوعی است.
- سوخت صنعتی: گاز اتان در برخی موارد به عنوان سوخت در صنایع مختلف استفاده می‌شود. این گاز در صورت احتراق، انرژی حرارتی بالایی تولید می‌کند که در فرآیندهای صنعتی کاربرد دارد.
- کاربرد در فرآیندهای سرمایشی: گاز اتان به دلیل دمای جوش پایین، در سیستم‌های سرمایشی صنعتی و فرایندهای مایع‌سازی گاز طبیعی (LNG) به عنوان یک مبرد در دماهای بسیار پایین استفاده می‌شود.
- تحقیق و توسعه در آزمایشگاه‌ها: اتان به عنوان یک گاز استاندارد برای آزمایش‌ها و پژوهش‌های علمی در زمینه شیمی و فیزیک گازها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این گاز به دلیل خواص شناخته‌شده‌اش، به محققان کمک می‌کند تا واکنش‌های شیمیایی را مطالعه کنند.
چهار دلیل برتری ایزوبوتان بر اتان به عنوان سردکننده خانگی
- ایزوبوتان دارای نقطه جوش “−۱۱.۷°C” است که برای سیستم‌های سرمایشی خانگی (مانند یخچال‌ها و فریزرها) ایده‌آل است. در مقابل، اتان با نقطه جوش بسیار پایین ” ۸۸.۵°C-” بیشتر برای کاربردهای سرمایشی صنعتی با دمای بسیار پایین مناسب است.
- ایزوبوتان بازده انرژی بالاتری دارد و می‌تواند با مصرف انرژی کمتر، سرمای مطلوب برای دستگاه‌های خانگی را فراهم کند. این ویژگی آن را برای استفاده در یخچال‌ها و تهویه‌های خانگی اقتصادی‌تر می‌کند.
- اگرچه هر دو گاز اشتعال پذیر هستند ولی اشتعال پذیری گاز ایزوبوتان کمتر است و علاوه بر آن فشار عملیلتی پایین تر این گاز باعث ایمنی بیشتر آن نسبت به گاز اتان شده است.
- ایزوبوتان یک گاز طبیعی و دوستدار محیط زیست است که اثر گلخانه‌ای بسیار کم و تخریب لایه اوزون ندارد. این گاز در مقایسه با اتان، برای استانداردهای محیط زیستی سختگیرانه‌ای که در طراحی سیستم‌های خانگی اعمال می‌شود، مناسب‌تر است.
مراحل تولید اتیلن از اتان
اتن یا اتیلن یک هیدروکربن غیراشباع است که به علت داشتن پیوند دوگانه واکنش پذیری بالایی دارد و از آن در تولید پلاستیک ها و پلی وینل کلرید یا PVC استفاده می‌شود.
تولید اتیلن از اتان شامل چهار مرحله است:
مرحله اول: آماده‌سازی خوراک
برای تولید اتیلن، خوراک اتان باید قبل از ورود به فرآیند کراکینگ بخار خالص‌سازی شود تا از ایجاد مشکلات عملیاتی و کاهش بازدهی جلوگیری شود. این آماده‌سازی شامل حذف ناخالصی‌هایی مانند گوگرد، دی‌اکسید کربن، آب و سایر ترکیبات ناخواسته است. فرآیند خالص‌سازی معمولاً شامل عبور گاز اتان از جاذب‌های شیمیایی یا فیلترهای گاز برای جذب گوگرد و دی‌اکسید کربن، و استفاده از خشک‌کن‌ها برای حذف رطوبت است. این مراحل به جلوگیری از خوردگی تجهیزات و واکنش‌های ناخواسته در کوره کراکینگ کمک کرده و کیفیت خوراک را برای تولید اتیلن بهینه می‌کند.
مرحله دوم: کراکینگ بخار
کراکینگ بخار اصلی‌ترین مرحله در تولید اتیلن از گاز اتان است که شامل تجزیه حرارتی مولکول‌های اتان در دمای بالا و فشار پایین می‌شود. در این فرآیند، اتان به همراه بخار آب وارد کوره کراکینگ می‌شود، جایی که در دمای حدود °C850 تا °C950 و فشار کمتر از ۲ اتمسفر حرارت می‌بیند. بخار آب در اینجا نقش رقیق‌کننده را ایفا می‌کند و از تشکیل کربن و واکنش‌های جانبی ناخواسته جلوگیری می‌کند.
در اثر حرارت شدید، پیوندهای کربن-هیدروژن موجود در مولکول اتان شکسته می‌شود و مولکول به اتیلن و هیدروژن تجزیه می‌شود. معادله شیمیایی این واکنش به صورت زیر است:
C2H6 →C2H4+H2
محصولات خروجی از کوره شامل یک مخلوط گازی است که علاوه بر اتیلن و هیدروژن، مقادیر کمی از متان، گاز پروپان و سایر هیدروکربن‌های سنگین‌تر را نیز شامل می‌شود. این محصولات پس از ترک کوره، برای جلوگیری از واکنش‌های بیشتر، بلافاصله وارد مرحله سردسازی سریع می‌شوند.
فرآیند کراکینگ بخار به دلیل بازدهی بالا در تولید اتیلن و استفاده از خوراک فراوان و ارزان (گاز اتان)، به طور گسترده در صنایع پتروشیمی استفاده می‌شود.
مرحله سوم: سردسازی سریع
گازهای خروجی از کوره کراکینگ به سرعت خنک می‌شوند تا از واکنش‌های جانبی و تشکیل کربن جلوگیری شود.این مرحله با استفاده از آب یا روغن‌های خنک‌کننده انجام می‌شود.هدف اصلی این مرحله توقف واکنش‌های ناخواسته و جلوگیری از اتلاف اتیلن است.
مرحله چهارم: مرحله جداسازی و خالص‌سازی نهایی
پس از سردسازی، مخلوط گازی شامل اتیلن، هیدروژن، متان، و سایر هیدروکربن‌ها به برج‌های جداسازی منتقل می‌شود. ابتدا اجزای سنگین‌تر از اتیلن مانند پروپان و بوتان جدا می‌شوند، سپس با استفاده از تقطیر کرایوژنیک (در دماهای بسیار پایین)، اتیلن از گازهای سبکتر مانند هیدروژن و گاز متان جدا می‌شود. در مرحله آخر، اتیلن از ناخالصی‌های باقیمانده خالص‌سازی می‌شود و به درجه خلوص بالای بیش از ۹۹.۹% می‌رسد، تا برای استفاده در صنایع پتروشیمی آماده شود.
آیا گاز اتان ، تهدیدی برای محیط زیست است؟
اتان یک گاز گلخانه‌ای نسبتاً ضعیف است که در مقایسه با متان و دی‌اکسید کربن تأثیر کمتری بر گرمایش جهانی دارد. یکی از دلایل این امر، عمر کوتاه اتان در جو است که تنها چند ماه طول می‌کشد، در حالی که متان و دی‌اکسید کربن می‌توانند سال‌ها یا حتی دهه‌ها در جو باقی بمانند. به همین دلیل، اثر گلخانه‌ای اتان نسبت به این گازها بسیار محدودتر است و تأثیر کمتری بر تغییرات آب‌وهوایی دارد.
با این حال گاز اتان توانایی این را دارد تا به گاز متان تبدیل شود و از این طریق تاثیرات قابل توجهی بر محیط زیست بگذارد.گاز اتان در اثر واکنش با رادیکال‌های هیدروکسیل در اتمسفر تجزیه شده و به متان تبدیل می‌شود که یکی از گازهای گلخانه‌ای بسیار قوی است و نقش مهمی در افزایش گرمایش جهانی دارد. علاوه بر این، انتشار اتان از منابع مختلف، مانند نشت گاز طبیعی و فرآیندهای صنعتی، می‌تواند به افزایش سطح اوزون در لایه تروپوسفر منجر شود. اوزون در این لایه به‌عنوان یک آلاینده خطرناک برای سلامتی انسان و گیاهان شناخته می‌شود. بنابراین، اگرچه اتان به‌خودی‌خود گاز گلخانه‌ای ضعیفی است، تأثیرات غیرمستقیم آن می‌تواند بر تغییرات آب‌وهوایی و کیفیت هوا اثرات قابل‌توجهی داشته باشد.