Статьи

07.05.2013

Ацетилен


Ацетиленовый баллонАцетилен (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:

распад ацетилена: C2H2 = 2C + H2
сгорание углерода: 2С + O2 = 2CO, 2CO + O2 = 2CO2
сгорание водорода: H2 + 1/2O2 = H2O

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.

Свойства ацетилена

Основные свойства ацетилена приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Основные свойства ацетилена

Показатель

Данные показателя

Формула

С2H2

Молекулярная масса

26,038

Плотность (при 0 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3

1,17

Плотность (при 20 °С и давлении 760 мм рт. ст.), кг/м3

1,09

Критическая температура, °С

35,9

Критическое давление, кгс/см2

61,6

Температура пламени, °С

3150-3200

Температура кипения (при 760 мм рт. ст.), °С

-81,8

Температура плавления (затвердевания) (при 760 мм рт. ст.), °С

-85

Высшая удельная теплота сгорания, кДж/м3

58660

Низшая удельная теплота сгорания, кДж/м3

55890

Температура самовоспламенения, °С

335

Давление самовоспламенения, МПа

0,14–0,16

По физико-химическим показателям технический ацетилен должен соответствовать нормам, указанным в таблице 2.

Таблица 2 — Физико-химические показатели технического ацетилена

Показатель

Для ацетлена

растворенного

газообразного

марки А

марки Б

высшей категории качества

высшей категории качества

первой категории качества

Объемная доля ацетилена, % не менее

99,5

99,1

98,8

98,5

Объемная доля воздуха и других малорастворимых в воде газов, % не более

0,5

0,8

1,0

1,4

Объемная доля фосфористого водорода, % не более

0,005

0,02

0,05

0,08

Объемная доля сероводорода, % не более

0,002

0,005

0,05

0,05

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

0,4

-26

0,5

-24

0,6

-22

Не нормируется

Растворимость ацетилена

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

Растворитель

Растворимость ацетилена в 1 л жидкости, л

Ацетон

23

Бензин

5,7

Бензол

4,0

Вода

1,15

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

Температура, °С

–20

–15

–10

–5

0

+5

+10

+15

+20

+30

Растворимость, л/л

52

47

42

37

33

29

26

23

20

16

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.

Взрывоопасность ацетилена

При использовании ацетилена необходимо учитывать его взрывоопасные свойства. Это единственный широко применяемый в промышленности газ, горение и взрыв которого возможны даже при отсутствии кислорода или других окислителей.

Температура самовоспламенения ацетилена зависит от давления (таблица 5).

Таблица 5 — Зависимость температуры самовоспламенения ацетилена от давления

Абсолютное давление, кгс/см3 (МПа)

2 (0,2)

3 (0,3)

4 (0,4)

22 (2,2)

Температура самовоспламенения, °С (К)

630 (903)

530 (803)

475 (748)

350 (623)

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):

железная стружка – 520 (793);
латунная стружка – 500–520 (773–793);
карбид кальция – 500 (773);
оксид алюминия – 490 (763);
медная стружка – 460 (733);
активированный уголь – 400 (673);
гидрат оксида железа (ржавчина) – 280–300 (553–573);
оксид железа – 280 (553);
оксид меди – 250 (523).

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).

svoistvo_Acetilen1.gif

svoistvo_Acetilen2.gif

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).

Получение ацетилена

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:

Ca + 3C = CaC2 + CO

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:

CaC2

+

2H2O

=

C2H2

+

Ca(OH)2

Карбид
кальция
1 кг

Вода
0,562 кг

Газ
ацетилен
0,406 кг

Гашеная
известь
1,156 кг

Из 1 кг химически чистого карбида кальция теоретически можно получить 372 дм3 (литра) ацетилена. Практически из-за наличия примесей в карбиде кальция выход ацетилена составляет до 280 дм3 (литров). В среднем для получения 1000 дм3 (литров) ацетилена расходуется 4,3–4,5 кг карбида кальция.

Карбидная пыль при смачивании водой разлагается почти мгновенно. Карбидную пыль нельзя применять в обычных ацетиленовых генераторах, рассчитанных для работы на кусковом карбиде кальция. Для разложения карбидной пыли применяются генераторы специальной конструкции. Для охлаждения ацетилена при разложении карбида кальция. Применяют также от 5 до 20 дм3 (литров) воды на 1 кг карбида кальция. Применяют также «сухой» способ разложения карбида кальция. На 1 кг мелко раздробленного карбида кальция в генератор подают 0,2–1 дм3 (литра) воды. В этом процессе гашения известь получается не в виде жидкого известкового ила, а в виде сухой «пушонки», удаление, транспортировка и утилизация которой значительно упрощается.

Транспортирование и хранение

Технический газообразный ацетилен транспортируют по трубопроводам из стальных бесшовных труб по ГОСТ 8731 и ГОСТ 8734. Давление ацетилена в трубопроводе должно быть не более 0,15 МПа (1,5 кгс/см2). Окраска трубопроводов – по ГОСТ 14202.

Давление газа в трубопроводе должно измеряться манометром класса точности 2,5 по ГОСТ 8625, на циферблате которого должна стоять надпись «Ацетилен».

Техническим растворенным ацетиленом наполняют стальные баллоны для растворенного ацетилена с пористой массой (активным углем или литой пористой массой) и ацетиленом.

Баллоны должны быть оснащены вентилями специальных типов, предназначенными для ацетиленовых баллонов.

Давление газа в баллоне должно измеряться манометром класса точности не ниже 4 по ГОСТ 8625. Температуру газа в баллоне принимают равной температуре окружающей среды, в которой наполненный баллон должен быть выдержан не менее 8 ч.

При номинальном давлении 1,9 МПа (19,0 кгс/см2) при 20 °С давление газа в баллоне в интервале температур от минус 5 до плюс 40 °С должно соответствовать указанному в таблице 6.

Таблица 6 — Давление ацетилена в баллоне в интервале температур

Температура газа,
°С

Давление газа в баллоне,
МПа (кгс/см2), не более

-5

1,34 (13,4)

0

1,40 (14,0)

+5

1,50 (15,0)

+10

1,65 (16,5)

+15

1,80 (18,0)

+20

1,90 (19,0)

+25

2,15 (21,5)

+30

2,35 (23,5)

+35

2,60 (26,0)

+40

3,00 (30,0)

Остаточное давление газа в баллоне измеряют манометром класса точности 2,5 диаметром шкалы не менее 100 мм по ГОСТ 8625.

Баллоны от потребителя должны поступать с остаточным давлением, соответствующим указанному в таблице 7.

Таблица 7 — Остаточное давление ацетилена в баллоне

Температура газа,
°С

Остаточное давление в баллоне,
МПа (кгс/см2), не менее

До 0

0,05 (0,5)

От 0 до +15

0,10 (1,0)

От +15 до +25

0,20 (2,0)

От +25 до +35

0,30 (3,0)

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.

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.

При транспортировании баллонов малого объема всеми видами транспорта они должны быть дополнительно упакованы в дощатые решетчатые ящики типа VII по ГОСТ 2991. Баллоны должны укладываться в ящики горизонтально, вентилями в одну сторону с обязательными прокладками между баллонами, предохраняющими их от ударов друг о друга.

Баллоны, наполненные ацетиленом, хранят в специальных складских помещениях или на открытых площадках под навесом, защищающим их от атмосферных осадков и прямых солнечных лучей, по группе ОЖ 2 ГОСТ 15150.

Требования безопасности

Ацетилен – взрывоопасный газ. Взрывы ацетилена обладают большой разрушительной силой.

С воздухом образует взрывоопасную смесь с нижним концентрационным пределом воспламенения при атмосферном давлении, приведенным к температуре 25 °С, – 2,5 % (по объему) по ГОСТ 12.1.004-85.

Температура самовоспламенения 335 °С.

Давление самовоспламенения 0,14–0,16 МПа.

По категориям и группам взрывоопасности ацетилен относится к категории IIС-Т2 по ГОСТ 12.1.011-78.

При определенных условиях ацетилен реагирует с медью, образуя взрывоопасные соединения, поэтому категорически запрещается при изготовлении ацетиленового обо-рудования применение сплавов, содержащих более 70 % меди.

Давление, образующееся при взрыве ацетилена, зависит от начальных параметров и характера взрыва. Оно может увеличиться примерно в 10-12 раз по сравнению с начальным при взрыве в небольших сосудах и возрасти при детонации чистого ацетилена в 22 раза, а при детонации ацетилено-кислородной смеси в 50 раз.

Технический ацетилен (с примесями) имеет резкий неприятный запах; длительное вдыхание его вызывает тошноту, головокружение и даже отравление. Ацетилен обладает наркотическим действием. Отравление вызывает, главным образом, фосфористый водород, находящийся в карбидном ацетилене.

Газообразный ацетилен легче воздуха и накапливается в высших точках слабо проветриваемых помещений, где возможно образование ацетилено-воздушной смеси.

Содержание ацетилена в воздухе рабочей зоны должно контролироваться автоматическими приборами непрерывного действия, сигнализирующими о повышении в воздухе допустимой взрывобезопасной концентрации ацетилена, а также периодически с помощью индикаторных трубок по ГОСТ 12.1.014-84.

Производство ацетилена по пожарной опасности относится к категории А, по классам взрывоопасных зон – к классам В1; В1а; В1б; В1г.

Помещения ацетиленового производства должны иметь приточную и вытяжную вентиляцию.

В качестве средств пожаротушения следует использовать сжатый азот, углекислотные огнетушители, асбестовое полотно, песок.

ЛИТЕРАТУРА

ГОСТ 5457-75 Ацетилен растворенный и газообразный технический. Технические условия

Газосварщик / Под ред. В.В. Шапкина. – СПб.: Политехника, 2003. – 354 с.

Основы сварочного дела / В.Г. Геворкян. – М.: Высшая школа, 1991. – 239 с.

Сварка, резка, пайка металлов – М.: Аделант, 2003. – 192 с.

Сварочные работы своими руками – СПб.: Полиграфуслуги, 2006. – 160 с.

Газовая сварка / В.Г. Лупачев. – Мн.: Высшая школа, 2001. – 400 с.

Газовая сварка и резка металлов / И.И. Соколов. – М.: Высшая школа, 1986. – 304 с.

Справочник газосварщика и газорезчика / Н.И. Никифоров, С.П. Нешумова, И.А. Антонов. – М.: Высшая школа, 2002. – 239 с.

Справочник молодого газосварщика и газорезчика / Д.З. Амигуд. – М., Высшая школа, 1974. 207 с.

Сварочные работы / В.И. Маслов. М.: Академия, 2002. – 240 с.

Газопламенная обработка металлов / Г.В. Полевой, Г.К. Сухинин. – М.: Академия, 2005. – 336 с.


Возврат к списку