Etylen (eten): definicja, właściwości, zastosowania i produkcja polietylenu
Etylen (eten): definicja, właściwości, zastosowania i produkcja polietylenu — kluczowy surowiec przemysłu chemicznego, skala produkcji i najważniejsze zastosowania.
Etylen lub eten jest związkiem chemicznym z dwoma atomami węgla i czterema atomami wodoru w każdej cząsteczce. Cząsteczki te połączone są wiązaniem podwójnym, co czyni go węglowodorem. Jest on bardzo ważny w przemyśle, a w biologii był nawet wykorzystywany jako hormon. Jest to również najczęściej produkowana substancja chemiczna. W ostatnich latach produkcja światowa etylenu przekraczała powszechnie 150 mln ton rocznie, a jego najważniejszym zastosowaniem jest produkcja polietylenu.
Budowa i podstawowe właściwości
- Wzór sumaryczny: C2H4. Masa molowa: około 28,05 g·mol−1.
- Struktura: dwa atomy węgla połączone wiązaniem podwójnym (C=C). Każdy atom węgla ma hybrydyzację sp2, co nadaje fragmentowi geometrycznie płaską (planarną) strukturę.
- Stan skupienia: bezbarwny gaz o słodkawym zapachu; łatwopalny i niewybuchowy w czystej postaci przy niskim stężeniu tlenu (ale tworzy mieszaniny wybuchowe z powietrzem w określonych stężeniach).
- Temperatura wrzenia: około −103,7 °C; temperatura topnienia: około −169 °C.
- Właściwości chemiczne: etylen jest alkenem (nienasycony węglowodór) i łatwo ulega reakcjom addycji — np. hydrogenacji, halogenowaniu, hydrohalogenowaniu. Jest też bardzo reaktywny w procesach polimeryzacji.
Reakcje i zachowanie chemiczne
- Etylen ulega łatwym addycjom przy udziale katalizatorów (np. hydrogenacja do etanu, halogenowanie do 1,2-dihalogenoalkanów).
- Polimeryzacja: pod wpływem wolnych rodników (wysokie ciśnienie, LDPE) lub katalizatorów takich jak Ziegler–Natta i metaloceinowe (niskie ciśnienie, HDPE, LLDPE) etylen łączy się w łańcuchy tworząc polietylen.
- Może być utleniany do związków takich jak tlenek etylenu (ważny surowiec chemiczny) lub dalej do glikoli.
Zastosowania
Etylen ma bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle chemicznym i rolniczym. Do najważniejszych należą:
- Produkcja polietylenu — najważniejszy kierunek użycia etylenu. Z różnych procesów otrzymuje się m.in. LDPE (polietylen o niskiej gęstości), HDPE (o wysokiej gęstości) i LLDPE (liniowy z rozgałęzieniami krótkołańcuchowymi). Polietylen znajduje zastosowanie w opakowaniach, rurach, foliach, elementach samochodowych i wielu innych produktach.
- Surowiec do syntez — etylen jest substratem do produkcji tlenku etylenu (i dalej glikoli), etanolu, alkoholi, aldehydów i wielu innych związków pośrednich.
- Produkcja związków aromatycznych i monomerów — m.in. etylobenzen (do styrenu), chlorek winylu (poprzez dichloroetan → VCM → PVC).
- Rolnictwo i ogrodnictwo — etylen działa jako hormon roślinny: reguluje dojrzewanie owoców, opadanie liści, kwitnienie i reakcje stresowe. Jest stosowany komercyjnie do przyspieszania dojrzewania bananów, pomidorów i innych owoców.
- Inne zastosowania przemysłowe — m.in. jako gaz kalibracyjny, reagent w syntezach chemicznych, prekursor do innych monomerów i polimerów.
Produkcja etylenu
Przemysłowo etylen wytwarza się głównie w procesie krakingu parowego surowców węglowodorowych:
- Kraking etanu i lekkich frakcji gazu ziemnego: pod wpływem bardzo wysokiej temperatury (450–900 °C) w krótkim czasie etan pęka do etylenu i wodoru; ta metoda jest szczególnie popularna tam, gdzie dostępny jest tani gaz łupkowy/etany.
- Kraking naphthy i cięższych frakcji ropy naftowej: prowadzi do mieszaniny etylenu, propylenu, butadenów i innych produktów, wymagających separacji.
- Następnie surowy gaz jest oczyszczany (separacja związków węglowych, usuwanie siarki, CO2, itp.) i frakcjonowany, aby uzyskać etylen o wymaganej czystości.
W ostatnich dekadach zmiany w dostępności surowców (np. tanie źródła etanu z gazu łupkowego) i rozwój katalizatorów wpływały na strukturę produkcji etylenu i koszty. Pojawiły się także technologie produkcji etylenu z surowców odnawialnych — np. dehydratacja bioetanolu, ale ich udział w rynku pozostaje ciągle ograniczony.
Produkcja polietylenu (procesy i rodzaje)
- LDPE (polietylen niskiej gęstości): produkowany głównie metodą polimeryzacji rodnikowej przy wysokim ciśnieniu i temperaturze; ma rozgałęzioną strukturę, dobrą giętkość i przezroczystość — używany do folii opakowaniowych, torebek.
- HDPE (polietylen wysokiej gęstości): wytwarzany w warunkach niskiego ciśnienia przy użyciu katalizatorów Ziegler–Natta lub metaloceinowych; struktura bardziej liniowa, większa wytrzymałość i sztywność — używany do rur, pojemników, zbiorników.
- LLDPE (liniowy polietylen o niskiej gęstości): otrzymywany przez kopolimeryzację etylenu z niewielką ilością α-olefin (np. butenu, heksenu) przy użyciu katalizatorów; łączy właściwości LDPE i HDPE (elastyczność i wytrzymałość) — często stosowany w cienkich foliach rozciągliwych.
- Katalizatory i procesy: kluczowymi technologiami są katalizatory Ziegler–Natta, katalizatory metaloceinowe i procesy rodnikowe; dobór technologii wpływa na właściwości końcowego polietylenu oraz koszty produkcji.
Bezpieczeństwo i wpływ na środowisko
- Etylen jest gazem łatwopalnym i może tworzyć z powietrzem mieszaniny wybuchowe; wymagana jest ostrożność przy jego magazynowaniu i transporcie.
- Jako gaz nie jest toksyczny w niskich stężeniach, ale w wysokich może wywoływać objawy niedotlenienia przez wypieranie tlenu.
- Produkcja i powszechne użycie polietylenu i innych produktów na bazie etylenu wiąże się z problemami środowiskowymi: odpady tworzyw sztucznych, emisje CO2 z procesów krakingu, oraz wpływ na ekosystemy. Rosnące znaczenie mają recykling mechaniczny i chemiczny oraz rozwój bio‑etylenów i materiałów biodegradowalnych jako alternatyw.
Podsumowanie
Etylen (eten) to podstawowy surowiec petrochemiczny i jednocześnie ważny hormon roślinny. Dzięki swojej reaktywności (wiązanie podwójne) jest kluczowy jako prekursor do produkcji polietylenu oraz wielu innych związków chemicznych. Przemysłowa produkcja opiera się głównie na krakingu parowym surowców węglowodorowych, a rozwój katalizatorów i procesów polimeryzacji decyduje o właściwościach i zastosowaniach otrzymywanych polimerów. W obliczu wyzwań środowiskowych rośnie zainteresowanie efektywnym recyklingiem oraz alternatywnymi źródłami etylenu.
Historia
Od 1795 r. etylen nazywany był olefiantem, czyli gazem wytwarzającym ropę naftową. Wynikało to z faktu, że w połączeniu z chlorem tworzył olej holenderskich chemików.
W 1866 r. niemiecki chemik August Wilhelm von Hofmann wymyślił system nazewnictwa węglowodorów. Przyrostki -an, -en, -ine, -one i -une służyły do nazywania węglowodorów o 0, 2, 4, 6 i 8 atomach wodoru mniej niż alkan, z którego się wywodziły. Z powodu tego systemu etylen stał się etenem.
W 1979 r. IUPAC zdecydował, że etylen pozostanie etylenem.
Jak to jest zrobione
Etylen jest wytwarzany w przemyśle chemicznym poprzez kraking parowy. Niektóre z części instalacji do produkcji etylenu mogą być:
- Piece do krakingu parowego;
- Systemy odzysku ciepła;
- System recyklingu pary;
- Układ do sprężania pękniętego gazu;
- System do usuwania kwaśnych gazów;
W instalacji do produkcji etylenu istnieją jeszcze inne układy. Wymienione powyżej układy są najważniejszymi układami w instalacji etylenu.
Ponieważ produkcja etylenu zużywa dużo energii, ludzie wytwarzający etylen bardzo się starają, aby ciepło gazów nie wydostawało się z pieców.
Pytania i odpowiedzi
P: Czym jest etylen?
O: Etylen to związek chemiczny składający się z dwóch atomów węgla i czterech atomów wodoru z podwójnym wiązaniem, co czyni go węglowodorem.
P: Jakie jest znaczenie etylenu w przemyśle?
Etylen jest niezbędny w przemyśle ze względu na jego szeroki zakres zastosowań w produkcji różnych chemikaliów.
P: Czy etylen może być wykorzystywany w biologii?
O: Tak, etylen może być wykorzystywany w biologii jako hormon.
P: Ile etylenu produkuje się każdego roku?
O: Od 2005 roku produkuje się około 75 milionów ton etylenu rocznie, co czyni go najczęściej produkowaną substancją chemiczną.
P: Jakie jest główne zastosowanie etylenu?
O: Głównym zastosowaniem etylenu jest produkcja polietylenu.
P: Jaki rodzaj wiązania ma etylen?
O: Etylen ma podwójne wiązanie, co czyni go węglowodorem.
P: Ile atomów wodoru znajduje się w każdej cząsteczce etylenu?
O: Każda cząsteczka etylenu zawiera cztery atomy wodoru.
Przeszukaj encyklopedię