Газ ацетилен. Все о газе ацетилен. Ацетилен и горючие газы Ацетилен имеет

Ацетилен представляет собой углеводород ненасыщенного ряда С п Н 2n-2 . Его химическая формула С 2 Н 2 , структурная формула Н-С=С-Н. При атмосферном давлении и нормальной температуре ацетилен - бесцветный газ. Технический ацетилен вследствие присутствия в нем примесей, например фосфористого водорода и сероводорода, имеет резкий специфический запах. При 20°С и 760 мм рт. ст. плотность ацетилена р = 1,091 кг/м 3 . Физические константы ацетилена следующие:

При атмосферном давлении ацетилен сжижается при температуре -82,4...-83,6°С. При температуре -85°С и ниже ацетилен переходит в твердое состояние, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м 3 . Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от трения, механического или гидравлического удара и действия детонатора.
Полное сгорание ацетилена происходит по реакции

С 2 Н 2 +2,5О 2 =2СО 2 +Н 2 О+Q (1)

Из уравнения реакции (1) следует, что для полного сгорания одного объема ацетилена требуется 2,5 объема кислорода. Высшая теплотворная способность ацетилена при 0°С и 760 мм рт. ст.
равна Qв=58 660 кДж/м 3 (14 000 ккал/м3), низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята Qн=55 890 кДж/м 3 (13 500 ккал/м 3).
Теплота реакции (1) сгорания ацетилена С} слагается из теплоты реакции экзотермического распада ацетилена и суммы теплот первичных реакций сгорания углерода и водорода. Экзотермический распад ацетилена происходит по реакции

Теплота распада Q о =225,8 кДж/моль (53,9 ккал/г-мол) или Q о =225,8*100/26,036=8686 кДж/кг (2070 ккал/кг).
Теплота сгорания С в СО 2 равна 395,7 кДж/моль (94,45 ккал/г-мол), Н 2 в Н 2 О равна 290,4 кДж/моль (68,35 ккал/г-мол). Тогда для теплоты реакции сгорания ацетилена по уравнению (1) получаем 225,8+2-395,7+290,4=1307 кДж/моль (311,15 ккал/г-мол) или Q=1307,6*1000/26,036=50000 кДж, или 50 000*1,17=58 500 кДж/м 3 (14 000 ккал/м 3);
здесь 1,17 кг/м 3 - плотность ацетилена при 0°С и 760 мм рт. ст.
Ацетилен широко используют в химической промышленности в качестве основного исходного вещества для получения ряда важнейших продуктов органического синтеза: синтетического каучука, пластмасс, растворителей, уксусной кислоты и т. п.
Ацетилен - универсальное и самое распространенное горючее, используемое в процессах газопламенной обработки. При сгорании с кислородом он дает пламя с наиболее высокой температурой, равной 3150°С. Достигнуть столь высокой температуры пламени при использовании других горючих не удается.
При использовании ацетилена необходимо учитывать его взрывные свойства, для того чтобы обеспечить полную безопасность работ. Следует всегда иметь в виду, что ацетилен (как и водород) относится к наиболее взрывоопасным газам.
Температура самовоспламенения ацетилена находится в пределах 240-630°С и зависит от давления и присутствия в нем различных веществ:

Повышение давления существенно снижает температуру самовоспламенения ацетилена. Присутствие в ацетилене частиц других веществ увеличивает поверхность контакта и тем понижает температуру самовоспламенения.
Практически в зависимости от давления допустимо нагревание ацетилена до следующих температур: при абсолютном давлении 0,1 МПа (1 кгс/см 2) - до 300°С, при абсолютном давлении 0,25 МПа (2,5 кгс/см 2) - до 150-180°С, при более высоких давлениях - до 100°С.
Один из важных показателей взрывоопасности горючих газов и паров - величина энергии зажигания. Чем ниже эта величина, тем взрывоопаснее данное вещество. Значения энергии зажигания для газовых смесей стехиометрического состава при атмосферном давлении и 20°С приведены в табл. 1.

Как видно из этих данных, энергия зажигания кислородно-газовых смесей примерно в 100 раз меньше, чем воздушно-газовых. Ацетилен имеет наименьшую энергию зажигания и в отношении взрывоопасности подобен водороду.
Основной способ получения ацетилена основан на реакции взаимодействия карбида кальция с водой. Карбид кальция СаС 2 - твердое вещество кристаллического строения, имеющее в изломе темносерый или коричневый цвет. Плотность химически чистого СаС 2 при температуре 18°С равна 2,22 г/см 3 .
Реакция образования карбида кальция из окиси кальция и углерода является эндотермической и протекает при температуре 1900-2300°С по уравнению
CaO+3C=CaC 2 +CO-452,5 кДж/моль (108 ккал/г-мол)
56,08+36,03=64,1+28,01. (3)
Согласно уравнению для образования 1 кг СаС 2 расходуется 56,08/64,1=0,875 кг СаО и 36,03/64.1=0,562 кг С.
Для получения 1 кг СаС 2 требуется теоретически затратить теплоты 452,5*1000/64,1=7060 кДж/кг (1685 ккал/кг).
Технический карбид кальция содержит 70-75% химически чистого СаС 2 , 17-24% СаО и различные примеси: окислы магния, алюминия, железа, соединения серы, фосфора, ферросилиций, углерод и др.
Карбид кальция чрезвычайно активно вступает во взаимодействие с водой, разлагаясь при этом с образованием газообразного ацетилена и гидрата окиси кальция (гашеной извести). Разложение карбида кальция водой протекает экзотермически: СаС 2 +2Н 2 О=С 2 Н 2 +Са(ОН) 2 +127,4 кДж/моль (30,4 ккал/г-мол)
64,1+36,032=26,036+74,096. (4)
Следовательно, для разложения 1 кг химически чистого СаС 2 требуется затратить 0,562 кг воды. При этом получается 26,036/64,1=0,406 кг С 2 Н 2 и 74,096/64,1=1,156 кг Са(ОН) 2 . Плотность ацетилена при 20°С и 760 мм рт. ст. равна 1,09 кг/м 3 ; следовательно, количество ацетилена (выход ацетилена), получаемое пои разложении 1 кг СаС 2 , равно а m =0,406*103/64,1=372,5 дм 3 /кг.
С учетом паров, насыщающих ацетилен при 20°С и 760 мм рт. ст. выход ацетилена аm = 380,88 дм 3 /кг. Количество теплоты, выделяющейся при разложении 1 кг СаС 2 , 127,4*103/64,1=1980 кДж/кг (475 ккал/кг).
Содержащаяся в качестве примеси в техническом карбиде негашеная известь СаО при взаимодействии с водой также разлагается по реакции СаО+Н 2 О=Са(ОН) 2 +63 кДж/моль (15,1 ккал/г-мол) или 63*103/56,08=1130 кДж/кг СаО (270 ккал/кг СаО). (5)
Принимая содержание чистого СаС 2 в техническом СаС 2 равным 70% и содержание в нем СаО равным 24%, получим тепловой эффект реакции разложения технического карбида кальция: (1980*0,7)/(1130*0,24)=1651 кДж/кг (400 ккал/кг).
Экзотермичность реакции разложения карбида кальция создает опасность перегрева в зоне реакции. В связи с этим необходимо осуществлять ее при избытке воды и обеспечивать отвод теплоты реакции. Особенно опасны местные перегревы карбида кальция, так как при этом температура в месте его разложения может достигать 700-800°С. При такой температуре возможна полимеризация, разложение и взрыв ацетилена, особенно при попадании воздуха в зону реакции. Поэтому необходимо в месте разложения карбида кальция поддерживать
температуру не выше 150°С, при которой еще не могут возникать процессы полимеризации ацетилена. При температуре 200°С и выше может происходить разложение карбида кальция за счет отнятия влаги от гашеной извести по реакции
СаС 2 +Са(ОН) 2 -С 2 Н 2 +2СаО.
Эта реакция протекает при недостатке влаги, поэтому может произойти сильный перегрев карбида кальция, куски которого будут покрыты плотной коркой гашеной извести. Непрерывное
удаление с кусков карбида кальция слоя образующейся гашеной извести имеет важное значение для полноты разложения карбида кальция и безопасности этого процесса.
Количество ацетилена в литрах (при 20°С и 760 мм рт. ст.), выделяемое при разложении 1 кг карбида кальция, называется выходом ацетилена из карбида кальция . В ГОСТ 1460-56 установлены следующие нормы выхода ацетилена в зависимости от размеров кусков (грануляции) карбида кальция (табл. 2).

С уменьшением размеров частиц карбида кальция выход ацетилена понижается, что объясняется большим содержанием в мелком карбиде посторонних примесей (СаО и др.).
Скорость разложения карбида кальция - важный показатель для его использования в ацетиленовых генераторах - измеряется количеством ацетилена, выделившимся за время разложения 1 кг карбида кальция в течение 1 мин. Скорость разложения (л/кг-мин) зависит от сорта и грануляции карбида кальция, а также от температуры воды. Как видно на рис. 6, наибольшая скорость разложения достигается в первые 2-4 мин после смачивания карбида кальция.
Поскольку карбид кальция жадно поглощает атмосферную влагу и при этом разлагается с выделением ацетилена, его хранят и транспортируют в герметически закрытой таре: барабанах из кровельной стали или контейнерах, герметически закрывающихся крышкой, из листовой низкоуглеродистой стали. Барабаны с карбидом кальция необходимо хранить в сухих, хорошо проветриваемых складах, защищенных от затопления грунтовыми водами.

Способ получения ацетилена из карбида кальция довольно громоздкий, дорогой и требующий затрат большого количества электроэнергии. За последние годы разработаны и быстро внедряются в промышленность более экономичные и высокопроизводительные способы получения ацетилена: из природного газа термоокислительным пиролизом метана в смеси с кислородом (так называемый пиролизный ацетилен) и разложением жидких горючих (нефти, керосина) действием электродугового разряда (так называемый электропиролиз). Получение ацетилена из природного газа на 30-40% дешевле, чем из карбида кальция. Этот ацетилен по своим свойствам не отличается от ацетилена, получаемого из карбида кальция. Пиролизный ацетилен, используемый для сварки и резки, накачивают в баллоны с пористой массой, пропитанной ацетоном.
Хранение и транспортировка ацетилена осуществляются под давлением в баллонах, заполненных специальной пористой массой, пропитанной ацетоном - хорошим растворителем ацетилена, что позволяет существенно увеличить количество ацетилена, накачиваемого в баллон. Кроме того, ацетон снижает взрывоопасность ацетилена. Ацетон удерживается в порах массы и распределяется по всему объему баллона, это увеличивает поверхность его контакта с ацетиленом при растворении и выделении из раствора.
Ацетилен, отпускаемый потребителям в баллонах, называется растворенным ацетиленом (ГОСТ 5457-60). Максимальное давление ацетилена при заполнении баллона составляет 2,5 МПа (25 кгс/см 2), при отстое и охлаждении баллона до 20°С оно снижается до 1,9 МПа (19 кгс/см 2). При этом давлении в 40-литровый баллон вмещается 5-5,8 кг ацетилена по массе (4,6-5,3 м 3 газа при 20°С и 760 мм рт. ст.).
Количество ацетилена в баллоне определяют следующим способом: наполненный баллон взвешивают с точностью до 0,1 кг и выдерживают при температуре не ниже 15°С в течение 8 ч, после чего отбирают ацетилен со скоростью не более 0,8 м 3 /ч. Остаточное давление в баллоне после отбора должно быть не менее 0,05 МПа (0,5 кгс/см 2). После окончания отбора газа баллон вновь взвешивают. Разность между массой наполненного баллона и массой баллона после отбора из него газа представляет собой массу содержавшегося в нем ацетилена.
Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом:

Ацетон (СН 3 СОСН 3) - растворитель, имеющий температуру кипения при атмосферном давлении 56,2°С, температуру замерзания 178,7°К (-94,3°С). При абсолютном давлении 0,1 МПа (1 кгс/см 2) и 20°С в 1 кг ацетона растворяется 27,9 кг ацетилена или в 1 л ацетона растворяется 20 л ацетилена. Растворимость ацетилена возрастает в ацетоне примерно прямо пропорционально давлению. С понижением температуры растворимость ацетилена в ацетоне растет.
Для более полного использования емкости баллона порожние ацетиленовые баллоны следует хранить в горизонтальном положении, что способствует равномерному распределению ацетона по всему объему баллона. Наполнять баллоны ацетиленом необходимо медленно (с учетом скорости растворения его в ацетоне) в два приема: сначала в течение 6-9 ч до давления 2,2-2,3 МПа (22-23 кгс/см 2), затем после отстаивания вторично до давления 2,3-2,5 МПа (23-25 кгс/см 2), так, чтобы после охлаждения до температуры 20°С давление в них составило 1,9 МПа (19 кгс/см 2) согласно ГОСТ 5457-60. Для ускорения накачки баллонов иногда их снаружи охлаждают водой, что повышает коэффициент растворимости ацетилена в ацетоне.
При расходовании газа из баллона ацетилен уносит часть ацетона в виде паров. Для уменьшения потерь ацетона отбор ацетилена из баллона следует производить со скоростью не более 1700 дм 3 /ч, соединяя в случае необходимости несколько баллонов в батарею. По этой же причине нельзя отбирать газ из баллона, в котором давление менее 0,05 МПа (0,5 кгс/см 2) при температуре ниже 0°С, менее 0,1 МПа (1 кгс/см 2) при температуре 0-15°С, менее 0,2 МПа (2 кгс/см 2) при температуре 15-25° С, менее 0,3 МПа (3 кгс/см 2) при температуре 25-35°С. Периодически в баллон добавляют ацетон (ацетонируют баллоны) для возмещения потерь растворителя.
При производстве газопламенных работ и децентрализованном потреблении ацетилена растворенный ацетилен имеет ряд существенных преимуществ перед ацетиленом, получаемым из карбида кальция в переносных генераторах непосредственно на месте работ. При использовании ацетиленовых баллонов взамен переносных генераторов производительность труда сварщика повышается на 20%, на 15-25% снижаются потери ацетилена, повышается оперативность и маневренность сварочного поста, удобство работы, безопасность, облегчается использование генераторов в зимнее время. Кроме того, растворенный ацетилен - высококачественное горючее, содержащее минимальные количества посторонних примесей, поэтому его можно применять при выполнении особо ответственных сварочных работ.
Применение растворенного ацетилена в технике газопламенной обработки неуклонно расширяется из года в год, вытесняя использование передвижных ацетиленовых генераторов.
Пористые массы для ацетиленовых баллонов должны удовлетворять следующим требованиям: надежно локализовать взрывной распад ацетилена в баллоне при давлении до 3 МПа (30 кгс/см 2); не взаимодействовать с ацетиленом, ацетоном и металлом баллона; обладать достаточной механической прочностью и не разрушаться при толчках и ударах, неизбежных в процессе эксплуатации баллона, не оседать и не образовывать пустот в баллоне; масса должна быть легкой и пористой, чтобы не уменьшать полезного объема и не увеличивать веса тары баллона; не должна выгорать и осмоляться при обратном ударе пламени; должна обеспечивать равномерное распределение ацетона по всему объему баллона и предотвращать
стекание раствора на дно баллона; обеспечивать быстрое выделение ацетилена из раствора для возможности отбора газа без сильного охлаждения баллона.
В качестве пористых масс применяют такие высокопористые вещества, как: инфузорную землю, (кизельгур, диатомит), пемзу, асбест, древесный и активированный уголь, силикат кальция, углекислый магний и др. Наибольшее применение имеют зернистые трамбованные массы и монолитные.

Ацетилен – бесцветный газ, относящийся к классу алкинов. Он представляет собой химическое соединение углерода с кислородом, служащее сырьём для синтеза большого числа химических компонентов.

Он ценится за свою универсальность и недорогую стоимость. Впервые этот газ был получен Эдмундом Деви, который проводил лабораторные опыты с карбидом калия. Чуть позже опыты с получением ацетилена проводились Пьером Бертло. Физик получил чистый ацетилен, пропуская обыкновенный водород над электрической дугой. Именно Бертло назвал новое химическое соединение ацетиленом.

Основные свойства ацетилена

Ацетилен является искусственным газом, так как он не имеет природного происхождения. Он горючий и весит легче воздуха. Газообразный углеводород добывается на специальных установках из карбида кальция, который в свою очередь подвергается разложению водой. В атмосферном воздухе ацетилен горит коптящим ярким пламенем.

При давлении свыше двух атмосфер он может быть взрывоопасным. В чисто химическом виде это соединение имеет слабовыраженный эфирный запах. А технический продукт, наоборот, из-за имеющихся примесей насыщен резковатым ароматом. Ацетилен намного легче воздушных масс, в газообразном состоянии он бесцветен. Описываемое соединение растворяется во многих жидких веществах при этом, чем ниже температура, тем лучше растворимость ацетилена.

Для этого газа характерны реакции полимеризации, димеризации, цикломеризации. Ацетилен может полимеризоваться в бензол или в другие химические органические соединения, такие как полиацетин. Атомы этого газа могут отщепляться в виде протонов. И за счет этого проявляются кислотные свойства ацетилена.

Ацетилен способен спровоцировать взрыв в отсутствие кислорода как природного окислителя. И особенности горючести этого газа были открыты еще в 1895 году А. Шателье. Именно он заметил, что ацетилен, сгорая в кислоте, дает яркое пламя, температура которого может достигать выше 3000 градусов Цельсия.

Применение ацетилена

Ацетилен имеет широкий ореол распространения. При помощи своих горючих свойств он активно применяет при сварке и резке металла. Также он применяется как источник ярчайшего и белого цвета. Ацетилен, образуемый путём взаимосвязи карбида кальция и H2O используемый для автономных светильников. Он активно используется для изготовления взрывчатых веществ. Благодаря ацетилену на свет появились разнообразные растворители этилового происхождения. Без этого газа не обходятся газосварочные работы, поэтому строительные фирмы всегда заказывают для производства сварочных а газорежущих работ.

Строительство и промышленность это две основные отрасли, в которых ацетилен нашел свое широкое применение. В частности, сварочные и автогенные работы производятся только с ним. Кроме этого ацетилен используется в процессе органического синтеза разных химических веществ.

Например, на его основе производится синтез уксусной кислоты и уксусного альдегида, синтетического каучука, поливинилхлорида. Ну и естественно, ацетилен применяется в медицине для общей анестезии, которая предполагает использование алкинов в ингаляционном наркозе.

Транспортировка

Следует сказать и о транспортировке и хранении этого газа. Ацетилен вещество потенциально взрывоопасное. И он хранится в специализированных баллонах при поддержании оптимального уровня температуры и атмосферного давления. Газ растворяют и наполняют им баллоны для транспортировки. Подобный груз считается потенциально опасным и перевозится в соответствии со специальными нормами обращения с взрывоопасными грузами.

Ацетилен применяется в промышленности в качестве горючего для газовой сварки и резки металлов, а также в качестве сырья для различных химических производств.

Ацетилен является химическим соединением углерода и водорода. Технический ацетилен представляет собой бесцветный газ с резким характерным запахом. Длительное вдыхание его вызывает головокружение, тошноту и может привести к отравлению. Ацетилен легче воздуха, хорошо растворяется в различных жидкостях. Особенно хорошо он растворяется в ацетоне. Ацетилен при сгорании в смеси с чистым кислородом дает пламя температурой 3050- 3150° С. Он является взрывоопасным газом.

Ацетилен взрывается при следующих условиях:

1) при повышении температуры свыше 500° С и давления свыше 1,5 ат\

2) смесь ацетилена с кислородом при содержании в ней от 2,8 до 93% ацетилена взрывается при атмосферном давлении от искры, пламени, сильного местного нагрева и пр.;

3) при тех же условиях ацетилено-воздушная смесь взрывается при содержании в ней от 2,8 до 80,7% ацетилена;

4) при длительном соприкосновении ацетилена с медью или серебром образуется взрывчатая ацетиленистая медь или ацетиленистое серебро, которые взрываются при ударе или повышении температуры.

Взрыв ацетилена сопровождается резким повышением давления и температуры и может вызвать тяжелые несчастные случаи и значительные разрушения.

При помещении ацетилена в узкие каналы способность его к взрыву при повышении давления значительно понижается. В промышленности ацетилен получают в результате разложения карбида кальция водой в специальных аппаратах - ацетиленовых генераторах. Получающийся таким образом технический ацетилен обычно содержит вредные примеси: сероводород, аммиак, фосфористый водород, кремнистый водород, которые придают ацетилену резкий запах и ухудшают качество сварки. Примеси удаляют из ацетилена путем промывки в воде и химической очистки специальными очистительными веществами. Кроме того, ацетилен может содержать пары воды и механические частицы (известковая и угольная пыль). Для удаления влаги ацетилен подвергается осушке. Очистка от пыли осуществляется матерчатым фильтром. Для сварки ацетилен можно отбирать из ацетиленопровода, идущего от ацетилено-генераторной станции, либо непосредственно от однопостового генератора. Ацетилен может поставляться также в баллонах под давлением 16ат, растворенный в ацетоне.

Кроме ацетилена, при сварке и резке металлов можно применять и другие горючие газы или пары горючих жидкостей: водород, нефтяной газ, пары бензина, керосина и др.

Водород представляет собой горючий газ без цвета и запаха. Водород - один из самых легких газов. Температура пламени при сгорании в кислороде 2300° С. Водород легко загорается и в определенной смеси с кислородом или воздухом дает взрывчатую смесь, которая носит название гремучего газа. Поэтому при производстве работ по сварке и резке водородом необходимо строго соблюдать правила техники безопасности во избежание взрыва. Получают водород путем разложения воды электрическим током. Хранят его и перевозят в стальных баллонах в газообразном виде под давлением 150ат.

Пропан бутановую смесь получают при добыче и переработке естественных нефтяных газов и нефти. Температура пламени при сгорании смеси в кислороде достигает 2100° С.

При небольшом давлении смеси пропана и бутана сжижаются. Хранение и транспортировка их производятся в стальных баллонах емкостью 33 и 45 кг под давлением до 16 ат, заполняемых жидкой смесью до половины объема, так как при нагревании баллона может значительно повыситься давление, что может привести к взрыву баллона. Смесь применяется для резки, пайки, закалки, сварки свинца, алюминия и стали небольшой толщины.

Нефтяной газ представляет собой смесь горючих газов, обладает неприятным запахом, бесцветен. Получается при переработке нефти и нефтепродуктов. Температура пламени при сгорании в кислороде 2300° С. Хранится и перевозится в газообразном состоянии в баллонах под давлением 150 ат. При этом давлении он частично сжижается. В установке для резки и сварки нефтяным газом требуется испаритель. Применяется для резки, пайки, закалки, сварки стали толщиной до 2-3 мм, сварки латуни, свинца, алюминия.

Коксовый газ - газообразная смесь горючих продуктов, получающихся на коксохимических заводах при выработке из углей кокса. Температура пламени при сгорании в кислороде - около 2000° С.

Доставляется к месту сварки по газопроводу или в баллонах под давлением 150ат. Коксовые газы загрязнены цианистыми соединениями, которые могут привести к отравлениям. Поэтому перед применением их тщательно очищают. Применяется для резки, пайки и сварки легкоплавких металлов.

Метан при нормальной температуре и давлении представляет собой бесцветный газ. Метан в больших количествах находится в естественных газах, где содержание его доходит до 95-98%, температура пламени при сгорании в кислороде 1850° С для дашавского и 2000° С для саратовского газа.

На места потребления природные газы, как правило, подаются по трубопроводам и сравнительно редко производится транспортировка в газообразном состоянии в баллонах под давлением 150ат. Применяется для сварки легкоплавких металлов, резки и пайки.

Городской газ (московский) является смесью коксового, нефтяного и природных газов. Получается при газификации твердого топлива. Температура пламени при сгорании в кислороде - около 2000° С.

На места потребления для резки и сварки легкоплавких металлов подается по газопроводам или в сжатом виде в баллонах под давлением 150ат.

Бензин представляет собой легко испаряющуюся прозрачную жидкость. Пары бензина при сгорании в кислороде дают температуру 2400° С. Бензин получается при переработке нефти. Хранится и перевозится в жидком виде в сосудах при атмосферном давлении. Для сварки и резки применяется специальная аппаратура. Бензин чаще применяется для резки, чем для сварки.

Керосин для газопламенной обработки используется, как и бензин, в виде паров. С этой целью применяются специальные горелки и резаки, снабженные испарителями. Керосинокислородное пламя имеет более низкую температуру (2700°С), чем бензинокислородное. Тем не менее керосин широко применяется при газовой резке.

Следует иметь в виду, что все рассмотренные газы, а также пары бензина являются взрывоопасными.

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

Ацетилен относится к группе непредельных углеводородов ряда С n Н 2n-2 . . Это бесцветный горючий газ со специфическим запахом; благодаря наличию в нем примесей – фосфористого водорода, сероводорода и пр. плотность ацетилена при 20°С и 760 мм рт. ст. равна 1,091 кг/м 3 ; при 0°С и 760 мм рт. ст. – – плотность 1,171 кг/м 3 . Ацетилен легче воздуха; плотность по сравнению с плотностью воздуха 0,9; молекулярная масса 26,038. Критическая точка для ацетилена характеризуется давлением насыщенного пара, равным 61,65 кгс/см 2 , и температурой 35,54°С. При 760 мм рт. ст. и температуре –84°С ацетилен переходит в жидкое состояние, при температуре –85°С – затвердевает.

Ацетилен – единственный широко используемый в промышленности газ, относящийся к числу немногих соединений, горение и взрыв которых возможны в отсутствии кислорода или других окислителей. Ацетилен высокоэндотермическое соединение; при разложении 1 кг ацетилена выделяется более 2000 ккал, т. е. примерно в 2 раза больше, чем при взрыве 1 кг твердого ВВ тротила. Температура самовоспламенения ацетилена колеблется в пределах 500 – 600°С при давлении 2 кгс/см 2 и заметно снижается с увеличением давления; так, при давлении 22 кгс/см 2 температура самовоспламенения ацетилена равна 350°С, а при наличии катализаторов, таких, как железный порошок, силикагель, активный уголь и др. разложение ацетилена начинается при 280 – 300°С. Присутствие окиси меди снижает температуру самовоспламенения до 246°С. При определенных условиях ацетилен реагирует с медью, образуя взрывоопасные соединения; поэтому при изготовлении ацетиленового оборудования запрещается применять сплавы, содержащие более 70% Cu.

Взрывчатый распад ацетилена, как правило, начинается при интенсивном нагреве со скоростью 100 – 500°С/с. При медленном нагреве происходит реакция полимеризации ацетилена, идущая с выделением тепла, которая, как правило, при температуре свыше 530°С влечет за собой взрывчатый распад ацетилена. Нижнее предельное давление, при котором возможно разложение ацетилена, равно 0,65 кгс/см 2 . Пределы взрываемости для ацетилена широки (табл. 2). Наиболее опасными являются смеси ацетилена с кислородом стехиометрического состава (~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.

При газопламенной обработке металлов ацетилен используют либо в газообразном состоянии при получении его в переносных или стационарных ацетиленовых генераторах, либо в растворенном состоянии. Растворенный ацетилен представляет собой раствор ацетилена в ацетоне, распределенный равномерно в пористом наполнителе под давлением. Растворимость ацетилена зависит от температуры и давления. Пористая масса в баллоне обеспечивает рассосредоточение ацетилена по всему объему и локализацию взрывчатого распада ацетилена. При отсутствии пористой массы в баллоне инициированный взрывной распад ацетилена, растворенного в ацетоне, происходит при давлении ниже 5 кгс/см 2 . В качестве пористых наполнителей могут быть использованы не только насыпные пористые массы, но и литые пористые массы, которые нашли применение за рубежом.

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:

воздуха и других малорастворимых в воде газов – не более 0,9, 1,0, 1,5;
фосфористого водорода – 0,01; 0,04; 0,08;
сероводорода – 0,005; 0,05; 0,15;
водяных паров при 20°С и 760 мм рт. ст. – 0,5; 0,6.

Технический растворенный ацетилен транспортируют в стальных баллонах. Допустимое максимальное давление в баллонах не должно вревышать 13,4 кгс/см 2 при температуре –5°С и давлении 760 мм рт. ст. и 30 кгс/см 2 при температуре+40°С и давлении 760 мм рт. ст. Остаточное давление в баллоне при тех же параметрах не должно быть меньше соответственно 0,5 и З,0 кгс/см 2 .

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).

Содержание фосфористого водорода в ацетилене по объему не более 0,08%, содержание сульфидной серы не более 1,2%. В ГОСТ 1460 оговаривается также допустимое количество кусков карбида кальция других размеров в партиях указанной грануляции. Большой тепловой эффект реакции разложения карбида создает опасность сильного перегрева. Без отвода тепла при взаимодействии стехиометрического количества карбида кальция и воды реакционная масса разогревается до 700 – 800°С. Разложение карбида при недостаточном охлаждении и особенно в присутствии воздуха может привести к взрыву, поэтому необходимо процесс осуществлять при значительном избытке воды. Для разложения 1 кг карбида необходимо 5 – 20 л воды. Особое внимание необходимо обращать на наличие карбидной пыли в карбиде. Пыль разлагается почти мгновенно; за счет мгновенного разогрева может возникнуть взрыв ацетилена. Поэтому переработка пыли в обычных генераторах, не приспособленных для использования пыли, не допускается. Если содержание пыли значительно, карбид кальция перед загрузкой в генератор просеивают через сито с ячейками диаметром 2 мм. Накопившуюся пыль следует разложить на открытом воздухе в специальном сосуде вместимостью не менее 800 – 1000 л при интенсивном помешивании, одновременно высыпая не более 250 г карбидной пыли. Воду следует менять после разложения пыли в количестве до 100 кг.

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.

Таблица 1. Физико-химические показатели карбида кальция

Таблица 2. Основные физические и тепловые свойства горючих газов

Наименование горючего газа и химическая формула

Низшая теплота сгорания при 20°С и 760 мм рт. ст., ккал/м з

Температура пламени смеси с кислородом, °С

Коэффициент замены ацетилена

Плотность при 20°С и 760 мм рт. ст., кг/м 3

Критическое давление, кгс/см 2

Температура,°С

Пределы взрываемости, % содержания горючего в смеси

Оптимальное соотношение между кислородом и другим горючим в смеси

Относительная скорость распространения пламени с воздухом

критическая * 1

плавления

с воздухом

с кислородом

Ацетилен С 2 Н 2

Водород Н 2

Метан СН 4

Этан С 2 Н 6

Пропан С 3 Н 8

Бутан С 4 Н 10

Пропан-бутан

Этилен С 2 Н 4

Окись углерода СО

Сланцевый газ * 2

Коксовый газ * 2

Природный газ * 2 (метан 98%)

Нефтяной (попутный) газ

Городской газ * 2

Пиролизный газ

МАПП или МАФ

Пары бензина (~С 7 Н 15)

10 тыс. ккал/кг

0,7-0,74 кг/л

Пары керосина (~С 7 Н 14)

10 тыс. ккал/кг

0,79-0,82 кг/л

*1 Критической температурой называется такая температура, выше которой газ не переходит в жидкое состояние ни при каком давлении.

*2 Для горючих газовых смесей приводимые данные относятся к средним составам этих газов.

Широкие пределы изменения плотности, температуры пламени и теплоты сгорания объясняются изменяющимся химическим составом указанных газов, зависящим от месторождения или места производства.

Метилацетилен-пропадиен МАПП (широко применяемый в США) - смесь горючих газов; по физическим свойствам близок к пропану. Пределы взрываемости МАПП в смеси с воздухом 3,4 - 10,8%, в смеси с кислородом 2,5 - 60%. Смеси метилацетилена и пропадиена термодинамически нестойки, поэтому в состав МАППа вводят стабилизатор. Распад метилацетилена, аналогично ацетилену, происходит с большим выделением тепла. Температура пламени МАПП (2900°С) близка к температуре ацетилена. МАПП используют для кислородной резки и сварки и других газопламенных процессов.

Горючее МАФ - метилацетиленовая пропадиеновая фракция является отходом олифинового производства, а также отходом производства этилена и моновинилацетилена. Эта фракция содержит 48 - 75% смеси метилацетилена и пропадиена и стабилизаторы: 3% пропилена, 15% пропана, 7% других углеводородов. Пределы взрываемости для МАФа те же, что и для МАППа. МАФ нечувствителен к удару. Баллоны с МАФом не взрываются, находясь рядом с горящим баллоном. Смесь инертна при температуре до 215°С и давлении до 20 кгс/см 2 . При соприкосновении с медью образуются взрывоопасные соединения - ацетилениды меди. Скорость распространения пламени МАФ равна 470 см/с. Вместимость баллонов для сжиженных газов 40 или 55 дм 3 ; толщина стенки 3 мм. Предельное рабочее давление (кгс/см 2)в баллонах для сжиженных газов различно: для пропана не более 16, для пропилена 20, для бутана и бутилена 3,8. Коэффициент наполнения баллонов сжиженными газами (в кгс/м 3) соответственно будет равен: 425 для пропана, 445 - пропилена, 448 - бутана и 526 - бутилена. Коэффициент наполнения обозначает массу газа в кг на 1 м 3 вместимости баллона и не должен превышать значений, указанных для каждого газа.

Ацетилен

Название этого вещества связано со словом «уксус». Сегодня это единственный широко используемый в промышленности газ, горение и взрыв которого возможны в отсутствие кислорода или других окислителей. Сгорая в кислоте, он дает очень горячее пламя — до 3100°С.

Как синтезировался ацетилен

Впервые ацетилен получил в 1836 Эдмунд Дэви, двоюродный брат знаменитого Гемфри Дэви. Он подействовал водой на карбид калия: К 2 С 2 + 2Н 2 О=С 2 Н 2 + 2КОН и получил новый газ, который назвал двууглеродистым водородом. Этот газ был, в основном, интересен химикам с точки зрения теории строения органических соединений. Один из создателей так называемой теории радикалов Юстус Либих назвал группу атомов (т.е. радикал) С 2 Н 3 ацетилом.
На латыни acetum - уксус; молекула уксусной кислоты (С 2 Н 3 О+О+Н, как записывали тогда ее формулу) рассматривалась как производное ацетила. Когда французский химик Марселен Бертло в 1855 сумел получить «двууглеродистый водород» сразу несколькими способами, он назвал его ацетиленом . Бертло считал ацетилен производным ацетила, от которого отняли один атом водорода: С 2 Н 3 - Н = С 2 Н 2 . Сначала Бертло получал ацетилен, пропуская пары этилена, метилового и этилового спирта через раскаленную докрасна трубку. В 1862 он сумел синтезировать ацетилен из элементов, пропуская водород через пламя вольтовой дуги между двумя угольными электродами. Все упомянутые методы синтеза имели только теоретическое значение, и ацетилен был редким и дорогим газом, пока не был разработан дешевый способ получения карбида кальция прокаливанием смеси угля и негашеной извести: СаО + 3С = СаС 2 + СО. Это произошло в конце XIX века.
Тогда ацетилен стали использовать для освещения . В пламени при высокой температуре этот газ, содержащий 92,3% углерода (это своеобразный химический рекорд), разлагается с образованием твердых частичек углерода, которые могут иметь в своем составе от нескольких до миллионов атомов углерода. Сильно накаливаясь во внутреннем конусе пламени, эти частички обуславливают яркое свечение пламени — от желтого до белого, в зависимости от температуры (чем горячее пламя, тем ближе его цвет к белому).
Ацетиленовые горелки давали в 15 раз больше света, чем обычные газовые фонари, которыми освещали улицы. Постепенно они были вытеснены электрическим освещением, но еще долго использовались в небольших фонарях на велосипедах, мотоциклах, в конных экипажах.
В течение длительного времени ацетилен для технических нужд (например, на стройках) получали «гашением» карбида водой. Полученный из технического карбида кальция ацетилен имеет неприятный запах из-за примесей аммиака, сероводорода, фосфина, арсина.

Ацетилен сегодня: способы получения

В промышленности ацетилен часто получают действием воды на карбид кальция.
Сейчас широко применяются методы получения ацетилена из природного газа - метана:
электрокрекинг (струю метана пропускают между электродами при температуре 1600°С и быстро охлаждают, чтобы предотвратить разложение ацетилена);
термоокислительный крекинг (неполное окисление), где в реакции используют теплоту частичного сгорания ацетилена.

Применение

Ацетилен используют:

для сварки и резки металлов,
как источник очень яркого, белого света в автономных светильниках, где он получается реакцией карбида кальция и воды,
в производстве взрывчатых веществ,
для получения уксусной кислоты, этилового спирта, растворителей, пластических масс, каучука, ароматических углеводородов.

Свойства ацетилена

В химически чистом виде ацетилен обладает слабым эфирным запахом. Технический ацетилен, благодаря наличию в нем примесей, в частности фосфористого водорода, имеет резкий специфический запах. Ацетилен легче воздуха. Газообразный ацетилен - бесцветный газ молекулярная масса - 26,038.
Ацетилен способен растворяться во многих жидкостях. Его растворимость зависит от температуры: чем ниже температура жидкости, тем больше она способна «забрать» ацетилена. В практике производства растворенного ацетилена используют ацетон, который при температуре 15 °С растворяет до 23 объемов ацетилена.
Содержание фосфористого водорода в ацетилене должно быть строго ограничено, так как в момент образования ацетилена в присутствии воздуха при высокой температуре может произойти самовоспламенение.
Ацетилен — единственный широко используемый в промышленности газ, относящийся к числу немногих соединений, горение и взрыв которых возможны в отсутствии кислорода или других окислителей.
Еще в 1895 г. А.Л.Ле Шателье обнаружил, что ацетилен, сгорая в кислоте, дает очень горячее пламя (до 3150°С), поэтому его широко используют для сварки и резки тугоплавких металлов. Сегодня применение ацетилена для газопламенной обработки металлов испытывает сильную конкуренцию со стороны более доступных горючих газов (природный газ, пропан-бутан и т.д.). Однако преимущество ацетилена — в самой высокой температуре горения. В таком пламени очень быстро расплавляются даже толстые куски стали. Именно поэтому газопламенная обработка ответственных узлов машиностроительных конструкций производится только с помощью ацетилена, который обеспечивает наивысшую производительность и качество процесса сварки.
Кроме того, ацетилен широко используется в органическом синтезе разнообразных веществ — уксусного альдегида и уксусной кислоты, синтетических каучуков (изопренового и хлоропренового), поливинилхлорида и других полимеров.