Для газопламенных работ необходимо осуществить передачу тепла из пламени в металл в количестве, достаточном для конкретных условий работ. Горючие газы сгорают, как правило, в смеси с кислородом. Наибольшей температурой обладает ацетилено-кислородное пламя (3200°С), что позволяет использовать ацетилен при любых видах газопламенной обработки металлов. Интенсивность горения пламени определяется произведением нормальной скорости горения на теплоту сгорания смеси. Ацетилен обладает наивысшей «интенсивностью горения», которая для смеси стехиометрического состава составляет 27 700 ккал/(м 2 *с).
Ацетилен
30%). Скорости распространения пламени и детонации достигают наибольшего значения при соотношении ацетилена и кислорода 1:2,5 и соответственно равны 13,5 и 2400 м/с при нормальных условиях. Давление, образующееся при взрыве ацетилена, зависит от начальных параметров и характера взрыва. Оно может возрасти примерно в 10 – 12 раз по сравнению с начальным при взрыве в небольших сосудах и может быть увеличено в 22 раза при детонации чистого ацетилена и в 50 раз при детонации ацетилено-кислородной смеси.
Физико-химические показатели газообразного и растворенного технического ацетилена оговорены ГОСТ 5457 – 75. По содержанию допустимого количества примесей различают ацетилен растворенный, растворенный и газообразный; допустимое содержание примесей (в объемных долях) соответственно равно:
Для газопламенной обработки металлов, наряду с ацетиленом, полученным из карбида кальция, применяют пиролизный ацетилен, получаемый из природного газа термоокислительным пиролизом метана с кислородом. Пиролизный ацетилен также хранят и транспортируют в баллонах в растворенном виде. Наполнитель и растворитель для пиролизного ацетилена тот же, что и для ацетилена из карбида кальция.
При применении растворенного ацетилена по сравнению с газообразным обеспечиваются наибольший коэффициент использования карбида, чистота рабочего места сварщика, устойчивая работа аппаратуры и безопасность в работе. Основным сырьем для получения ацетилена, используемого при газопламенной обработке металлов, является карбид кальция. Карбид кальция получают в электрических печах при взаимодействии обожженной извести с коксом или антрацитом. Расплавленный карбид кальция разливают в изложницы, где он застывает; затем его дробят в кусковых дробилках и сортируют по размерам кусков согласно ГОСТ 1460. Ацетилен получают в результате разложения (гидролиза) карбида кальция водой. Действительный «литраж» ацетилена из 1 кг технического карбида при 20°С и 760 мм рт. ст. не превышает 285 л и зависит от грануляции карбида. С увеличением размеров кусков карбида «литраж» увеличивается, однако скорость разложения его уменьшается, т. е. увеличивается длительность разложения карбида (табл. 1).
Карбид кальция транспортируют и хранят в железных барабанах с толщиной стенки не менее 0,51 мм и массой 50 – 130 кг. Боковую поверхность барабанов делают гофрированной для большей жесткости. Карбид кальция интенсивно поглощает влагу даже из воздуха, поэтому при плохой герметичности тары возможно образование ацетилена непосредственно в барабане. Герметичность барабанов следует тщательно проверять; при перевозке барабанов на открытых машинах необходимо покрывать барабаны брезентом. При обнаружении повреждения барабана, карбид должен быть пересыпан в другую герметичную тару.
При обслуживании стационарных генераторов карбид из барабанов пересыпают в специальные приемники-бункеры. Вскрытие барабанов на станции, как правило, механизировано. Для этих целей применяют станки, в которых верхняя крышка вырезается специальным режущим роликом или клиновыми ножами. Ножи и ролик изготовляют из неискрящегося материала. Кроме того, к месту реза подается масло или азот.
Транспортировка карбида кальция в барабанах для стационарных генераторов производительностью свыше 20 м 3 /ч экономически не оправдана, так как раскупорка барабанов занимает значительное время; накапливается большое количество порожней тары, которая вторично не может быть использована; потери карбида за счет его дробления при перекатывании барабанов и последующего отсева от пыли значительны. Поэтому можно считать наиболее перспективным контейнерный способ перевозки и хранения карбида для стационарных установок. При газопламенной обработке алюминия, латуни, свинца и других металлов, имеющих температуру плавления ниже температуры плавления стали, в качестве горючего газа целесообразно применять не ацетилен, а газы – заменители ацетилена или жидкие горючие. Основные физические и тепловые свойства горючих газов приведены в табл. 2.
Зачем нам нужен ацетилен? Как его производят? Что такое пористая масса и зачем она нужна?
Ацетилен (C2H2) – химическое газообразное соединение углерода с водородом, без цвета, со слабым эфирным запахом и сладковатым вкусом.
Ацетилен в газосварочном производстве получил наибольшее распространение благодаря важным для сварки качествам (высокая температура пламени, большая теплота сгорания). Так, при разложении 1 кг ацетилена выделяется 8473,6 кДж теплоты. Это единственный газ, горение которого возможно при отсутствии кислорода (или окислителя вообще).
Выделение тепла при сгорании ацетилена обусловлено следующими процессами:
Ацетилен легче воздуха, масса 1 м3 ацетилена при температуре 20 °С (273 К) и нормальном атмосферном давлении составляет 1,09 кг. При нормальном давлении и температуре от –82,4 °С (190,6 К) до –84,0 °С (189 К) ацетилен переходит в жидкое состояние, а при температуре –85 °С (188 К) затвердевает, образуя кристаллы.
Технический ацетилен выпускается двух видов: растворенный и газообразный.
Технический растворенный ацетилен марки А предназначается для питания осветительных установок, технический растворенный ацетилен марки Б и технический газообразный ацетилен предназначаются в качестве горючего газа при газопламенной обработке металлов.
Технический ацетилен получают из карбида кальция путем разложения последнего водой. При этом из карбида кальция в ацетилен переходят вредные примеси, загрязняющие ацетилен: сероводород, аммиак, фосфорный водород, кремнистый водород. Эти примеси могут ухудшать свойства наплавленного металла и поэтому удаляются из ацетилена промывкой в воде и химической очисткой. Особенно нежелательна примесь фосфористого водорода, содержание более 0,7 % в ацетилене повышает взрывоопасность последнего.
Основные свойства ацетилена приведены в таблице 1.
Таблица 1— Основные свойства ацетилена
Плотность (при 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3
Плотность (при 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3
Критическая температура, °С
Критическое давление, кгс/см2
Температура пламени, °С
Температура кипения (при 760 мм рт. ст.), °С
Температура плавления (затвердевания) (при 760 мм рт. ст.), °С
Высшая удельная теплота сгорания, кДж/м3
Низшая удельная теплота сгорания, кДж/м3
Температура самовоспламенения, °С
Давление самовоспламенения, МПа
По физико-химическим показателям технический ацетилен должен соответствовать нормам, указанным в таблице 2.
Таблица 2— Физико-химические показатели технического ацетилена
высшей категории качества
высшей категории качества
первой категории качества
Объемная доля ацетилена, % не менее
Объемная доля воздуха и других малорастворимых в воде газов, % не более
Объемная доля фосфористого водорода, % не более
Объемная доля сероводорода, % не более
Массовая концентрация водяных паров при температуре 20 °С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), г/м3, не более Что соответствует температуре насыщения, °С, не выше
Газообразный ацетилен может растворятся во многих жидкостях. Данные о растворимости ацетилена в некоторых жидкостях при атмосферном давлении и температуре 15 °С приведены в таблице 3.
Таблица 3— Растворимость ацетилена в жидкостях
Растворимость ацетилена в 1 л жидкости, л
Растворимость ацетилена в жидкостях с понижением температуры увеличивается. Данные о растворимости ацетилена в ацетоне при различных температурах приведены в таблице 4.
Таблица 4— Влияние температуры на растворимость ацетилена в ацетоне
Растворенным ацетиленом называется ацетилен, находящийся в баллоне, заполненном пористой массой, пропитанной растворителем – ацетоном. Искусственное охлаждение баллонов ускоряет процесс их наполнения. В порах пористой массы ацетилен растворен в ацетоне. При открывании вентиля баллона ацетилен выделяется из ацетона в виде газа. Растворенный ацетилен предназначен для его хранения и транспортирования.
Температура самовоспламенения ацетилена зависит от давления (таблица 5).
Таблица 5— Зависимость температуры самовоспламенения ацетилена от давления
Абсолютное давление, кгс/см3 (МПа)
Температура самовоспламенения, °С (К)
Повышение давления существенно уменьшает температуру самовоспламенения ацетилена. Частицы других веществ, присутствующие в ацетилене, увеличивают поверхность его контакта и тем самым снижают температуру самовоспламенения при атмосферном давлении до следующих значений, °С (К):
Если ацетилен медленно нагревать до температуры 700–800 °С (973–1073 К) при атмосферном давлении, то происходит его полимеризация, при которой молекулы уплотняются и образуют более сложные соединения: бензол C6H6, стирол C8H8, нафталин C10H8, толуол C7H8 и др. Полимеризация всегда сопровождается выделением теплоты и при быстром нагреве ацетилена может перейти в его самовоспламенение или взрывчатый распад.
Если при сжатии ацетилена в компрессоре до давления 29 кгс/м3 (2,9 МПа) те5мпература при завершении этого процесса не превышает 275 °С (548 К), то воспламенения не происходит, что позволяет наполнять баллоны ацетоном с целью его длительного хранения и транспортирования. С повышением давления температура, при которой начинается процесс полимеризации, понижается (рис.1).
Рис.1.Области полимеризации (I) и взрывчатого распада (II) ацетилена
При практическом использовании ацетилена допустим его нагрев до следующих значений температуры, °С (К):
300 (573) – при давлении 1 кгс/см2 (0,1 МПа); 150–180 (423–453) – при 2,5 кгс/см2 (0,25 МПа); 100 (373) – при более высоких давлениях.
Одним из важных показателей взрывоопасности горючих газов и паров является энергия зажигания. Чем меньше эта величина, тем взрывоопаснее данной вещество. Значения энергии зажигания ацетилена (при нормальных условиях): с воздухом – 19 кДж; в кислородом – 0,3 кДж.
Водяной пар служит флегматизатором для ацетилена, т.е. его присутствие существенно снижает способность ацетилена к самовоспламенению при наличии случайных источников теплоты и взрывчатому распаду. Согласно действующим нормам для ацетиленовых генераторов, в которых ацетилен всегда насыщен парами воды, предельное избыточное давление составляет 150 кПа, а абсолютное – 250 кПа.
При атмосферном давлении смесь ацетилена с воздухом взрывоопасна, если в ней содержатся 2,2 % ацетилена и более, смесь с кислородом – 2,8 % ацетилена и более (верхних пределов концентрации ацетилена для его смесей с воздухом и кислородом не существует, так как при достаточной энергии зажигания способен взрываться и чистый ацетилен).
В промышленности ацетилен получают при разложении жидких горючих, таких как нефть, керосин, воздействием электродугового разряда. Применяется также способ производства ацетилена из природного газа (метана). Смесь метана с кислородом сжигают в специальных реакторах при температуре 1300–1500 °С. Из полученной смеси с помощью растворителя извлекается концентрированный ацетилен. Получение ацетилена промышленным способом на 30–40 % дешевле, чем из карбида калия. Промышленный ацетилен закачивается в баллоны, где находится в порах специальный массы растворенным в ацетоне. В таком виде потребители получают баллонный промышленный ацетилен. Свойства ацетилена не зависят от способа его получения. Остаточное давление в ацетиленовом баллоне при температуре 20 °С должно быть 0,05–0,1 МПа (0,5–1,0 кгс/см2). Рабочее давление в наполненном баллоне не должно превышать 1,9 МПа (19 кгс/см2) при 20 °С.
Для сохранности наполнительной массы нельзя отбирать ацетилен из баллона со скоростью 1700 дм3/ч.
Рассмотрим подробнее способ получения ацетилена в генераторе из карбида кальция. Карбид кальция получают путем сплавления кокса и негашеной извести в электрических дуговых печах при температуре 1900–2300 °С, при которой протекает реакция:
Расплавленный карбид кальция сливают из печи в формы-изложницы, где он остывает. Далее его дробят и сортируют на куски размером от 2 до 80 мм. Готовый карбид кальция упаковывают в герметически закрываемые кальция не должно быть более 3 % частиц размером менее 2 мм (пыль). По ГОСТу 1460-81 устанавливаются размеры (грануляция) кусков карбида кальция: 2×8; 8×15; 15×25; 25×80 мм.
При взаимодействии с водой карбид кальция выделяет газообразный ацетилен и образует в остатке гашеную известь, являющуюся отходом.
Реакция разложения карбида кальция водой происходит по схеме:
При нормальных условиях — бесцветный газ, малорастворим в воде, легче воздуха. Температура кипения −83,8 °C. При сжатии разлагается со взрывом, хранят в баллонах, заполненных кизельгуром или активированным углем, пропитанным ацетоном, в котором ацетилен растворяется под давлением в больших количествах. Взрывоопасный. Нельзя выпускать на открытый воздух. C2H2 обнаружен на Уране и Нептуне.
Химические свойства
Для ацетилена (этина) характерны реакции присоединения:
Ацетилен с водой, в присутствии солей ртути и других катализаторов, образует уксусный альдегид (реакция Кучерова). В силу наличия тройной связи, молекула высокоэнергетична и обладает большой удельной теплотой сгорания — 14000 ккал/м³. При сгорании в кислороде температура пламени достигает 3150 °C. Ацетилен может полимеризироваться в бензол и другие органические соединения (полиацетилен, винилацетилен). Для полимеризации в бензол необходим графит и температура в 400 °C.
Ацетилен обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия.
Основные химические реакции ацетилена (реакции присоединения, сводная таблица 1.):
Основные химические реакции ацетилена (реакции присоединения, димеризации, полимеризации, цикломеризации, сводная таблица 2.):
История
Открыт в 1836 г. Э. Дэви, синтезирован из угля и водорода (дуговой разряд между двумя угольными электродами в атмосфере водорода) М. Бертло (1862 г.).
Способ производства
В лаборатории ацетилен получают действием воды на карбид кальция см. видео данного процесса (Ф. Вёлер, 1862 г.),
а также при дегидрировании двух молекул метана при температуре свыше 1400 °C:
Применение
Безопасность
Поскольку ацетилен растворим в воде, и его смеси с кислородом могут взрываться в очень широком диапазоне концентраций, его нельзя собирать в газометры.
Ацетилен взрывается при температуре около 500 °C или давлении выше 0,2 МПа; КПВ 2,3-80,7 %, температура самовоспламенения 335 °C. Взрывоопасность уменьшается при разбавлении ацетилена другими газами, например азотом, метаном или пропаном. При длительном соприкосновении ацетилена с медью и серебром образуются ацетилениды меди и серебра, которые взрываются при ударе или повышении температуры. Поэтому при хранении ацетилена не используются материалы, содержащие медь (например, вентили баллонов).
Ацетилен обладает слабым токсическим действием. Для ацетилена нормирован ПДКм.р. = ПДК с.с. = 1,5 мг/м 3 согласно гигиеническим нормативам ГН 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».
ПДКр.з. (рабочей зоны) не установлен (по ГОСТ 5457-75 и ГН 2.2.5.1314-03), так как концентрационные пределы распределения пламени в смеси с воздухом составляет 2,5-100 %.
Хранят и перевозят его в заполненных инертной пористой массой (например, древесным углем) стальных баллонах белого цвета (с красной надписью «А») в виде раствора в ацетоне под давлением 1,5-2,5 МПа.
Газ ацетилен был открыт еще в 1836 году ученым Эдмундом Дэви вследствие воздействия водой на карбид кальция. С 1855 по 1862 год французский химик Марселен Бертло смог получить ацетилен, или как раньше его назвали «двууглеродистый водород», сразу несколькими способами, он же присвоил ему название «ацетилен».
Яркое, теплого спектра и горячее пламя ацетилена стали использовать в светильниках вместо газовых фонарей не только в домашних условиях, но и для освещения улиц и даже в качестве фонаря для велосипедов и карет.
Свойства ацетилена
Ацетилен в советское время применяли на стройках путем смешивания карбида кальция с водой. Неприятный запах, сопровождавший процесс, был обусловлен примесями аммиака и сероводорода в техническом карбиде. Сам по себе чистый ацетилен:
В таблице ниже представлены основные значения плотности, молярной массы и веса литра газа ацетилена при нормальных условиях.
Основные значения плотности, молярной массы и веса литра и 1м3 газа ацетилена при нормальных условиях
Вещество
Химическая формула
Удельный вес (кг/м3)
Плотность (г/см3)
Вес 1 литра (г)
Молярная масса (г/моль)
Ацетилен
C2H2
1,09
1,00109
1,0896
26,038
Особой характеристикой, которая в большой степени обусловила области использования ацетилена, стала его повышенная взрывоопасность во множестве сопутствующих условий, например, при резком повышении температуры (даже в результате трения) до 450 – 500ºС.
Смесь воздуха, а тем более кислорода с ацетиленом взрывоопасна в большом диапазоне концентраций (от 2,8% и до 81%). При 335ºС происходит самовоспламенение газа. Соединения ацетилена с медью или серебром взрываются от удара.
Для понижения взрывчатости ацетилен хранится и перевозится в баллонах с мелкокапиллярным пористым наполнителем либо растворяется в ацетоне, азоте, метане, пропане.
Применение
Ацетилен – один из наиболее значимых углеводородов, активно вступающих в химические связи. Применение газа довольно широко:
Ацетилен технический растворённый марки А и Б по ГОСТ 5457-85
Ацетилен C2H2 получают из карбида кальция в стационарных генераторах.
Технический растворенный ацетилен марки А предназначается для питания осветительных установок; технический растворенный ацетилен марки Б и технический газообразный ацетилен предназначаются для использования в качестве горючего газа при газопламенной обработке металлов.
Растворенный ацетилен представляет собой находящийся под давлением в баллоне раствор ацетилена в ацетоне, равномерно распределенный в пористой массе.
Газообразный ацетилен – бесцветный газ плотностью 1,173 кг/м³ при 0 °С и 101,3 кПа (760 мм рт. ст.).
Ацетилен – взрывоопасный газ. С воздухом образует взрывоопасную смесь. Температура самовоспламенения ацетилена 335 °С.
Технические характеристики
Техническое наименование
ацетилен технический растворенный
Химическая формула
С2H2
Номер по списку OOН
1001
Класс опасности при перевозках
2.3
Физические свойства
Физическое состояние
хранится в баллонах в виде раствора в ацетоне
Плотность, при нормальных условиях (101,3 кПа, 20 °C) кг/м³
1,177
Температура кипения, °С при 101,3 кПа
-83,6
Температура тройной точки и равновесное ей давление °С, мПА
-80,7 (0,128)
Растворимость в воде
ацетилена незначительна; ацетона неограничена
Пожаро- и взрывоопасность
пожаро-взрывоопасен
Стабильность и химическая активность
Стабильность
нестабилен
Реакционная способность
Активно горит в кислороде и других окислителях. Способен к взрыву в среде ацетилена за счет разрыва внутр. связей
Температура воспламенения, °С
Пределы воспламенения, объемные доли, % газа
Опасность для человека
ПДК, мг/м³
500
Токсическое воздействие
малотоксичен
Экологическая опасность
образует взрывчатые смеси с воздухом
Средства пожаротушения
применимы любые огнетушащие средства
Требования к составу
Наименование показателя
Норма для растворенного ацетилена
марки А
марки Б
высшей категории качества
высшей категории качества
первой категории качества
первого сорта
второго сорта
Объемная доля ацетилена, %, не менее
99,5
99,1
98,8
Объемная доля воздуха и других малорастворимых в воде газов, %, не более
0,5
0,8
1,0
Объемная доля фосфористого водорода, %, не более
0,005
0,02
0,05
Объемная доля сероводорода, %, не более
0,002
0,005
0,05
Массовая концентрация водяных паров при температуре 20 °С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст), г/м³, не более
0,4
0,5
0,6
что соответствует температуре насыщения, °С, не выше
-26
-24
-22
Техническим растворенным ацетиленом наполняют стальные баллоны для растворенного ацетилена с пористой массой (активированным углем или литой пористой массой) и ацетоном.
Баллоны окрашены в белый цвет и оснащены вентилями специальных типов, предназначенными для ацетиленовых баллонов.
Транспортная маркировка должна быть нанесена на ящики с наполненными баллонами.
При повагонной отправке наполненных баллонов железнодорожным транспортом ярлык с транспортной маркировкой должен быть укреплен не менее чем на четырех баллонах у дверей вагона. При одиночных отправках маркировочный ярлык укрепляют на каждом баллоне.
Транспортную маркировку разрешается не наносить при перевозке наполненных баллонов автомобильным транспортом.
Растворенный ацетилен в баллонах перевозят всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки опасных грузов, действующими на данном виде транспорта, и правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, утвержденными Госгортехнадзором РФ.
По железной дороге баллоны, наполненные растворенным ацетиленом, транспортируют повагонными и мелкими отправками в крытых вагонах. При транспортировании мелкими отправками колпаки баллонов должны быть опломбированы.
Для механизации погрузочно-разгрузочных работ и укрупнения перевозок автомобильным транспортом баллоны среднего объема помещают в металлические специальные контейнеры.
Транспортирование баллонов речным транспортом производится в контейнерах.
При транспортировании баллонов малого объема всеми видами транспорта они должны быть дополнительно упакованы в дощатые решетчатые ящики типа VII по ГОСТ 2991-76. Баллоны должны укладываться в ящики горизонтально, вентилями в одну сторону с обязательными прокладками между баллонами, предохраняющими их от ударов друг о друга.
Ящики в количестве двух и более грузовых мест подлежат укрупнению в транспортные пакеты по ГОСТ 21929-76 с основными параметрами и размерами по ГОСТ 24597-81 с использованием средств скрепления по ГОСТ 21650-76 и поддонов по ГОСТ 9078-84.
