, синтез ацетилена , свойства ацетилена , воспламенение ацетилена , применение ацетилена
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.
Впервые ацетилен получил в 1836 Эдмунд Дэви, двоюродный брат знаменитого Гемфри Дэви. Он подействовал водой на карбид калия: К 2 С 2 + Н 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 РН 3 , арсина AsH 3 .
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.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 плотностью при 0 °С и 101,3 кПа (760 м рт. ст.) 1,173кг/м 3 . 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ацетилен - бесцветный горючий газ C 2 H 2 с атомной массой 26,04, немного легче воздуха. Обладает резким запахом.
В промышленности ацетилен обычно получают из карбида кальция (CaC 2) при разложении последнего водой.
Ацетилен самовоспламеняется при температуре 335°С, смесь ацетилена с кислородом воспламеняется при температуре 297-306°С, смесь ацетилена с воздухом - при температуре 305-470°С.
Ацетилен взрывоопасен при следующих условиях:
Взрыв ацетилена способен вызвать значительные разрушения и тяжелые несчастные случаи: при взрыве 1 кг ацетилена выделяется примерно в два раза больше тепла, чем при взрыве 1 кг тротила и примерно в 1,5 раза больше, чем при взрыве 1 кг нитроглицерина.
Ацетилен - основной горючий газ, используемый при газовой сварке , а также широко применяется для газовой резки (кислородной резки). Температура ацетилено-кислородного пламени может достигать 3300°C. Благодаря этому ацетилен по сравнению с более доступными горючими газами (пропан-бутаном, природным газом и др.) обеспечивает более высокое качество и производительность сварки.
Снабжение постов ацетиленом для газовой сварки и резки может осуществляться
Для хранения ацетилена обычно используются стандартные баллоны емкостью 40 л, окрашенные в белый цвет, с надписью «Ацетилен» красного цвета (ПБ 10-115-96, ГОСТ 949-73). Согласно ГОСТ 5457-75 для газопламенной обработки металлов применяется технический ацетилен растворенный марки Б и газообразный.
Таблица. Характеристики марок технического ацетилена (ГОСТ 5457-75), используемого при сварке и резке.
| Параметр | Ацетилен технический | ||
| растворенный марки Б | газообразный | ||
| первого сорта | второго сорта | ||
| Объемная доля ацетилена C 2 H 2 , %, не менее | 99,1 | 98,8 | 98,5 |
| Объемная доля воздуха и других газов, малорастворимых в воде, %, не более | 0,8 | 1,0 | 1,4 |
| Объемная доля фосфористого водорода PH 3 , %, не более | 0,02 | 0,05 | 0,08 |
| Объемная доля сероводорода H 2 S, %, не более | 0,005 | 0,05 | 0,05 |
| Массовая концентрация водяных паров при давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) и температуре 20°С, г/м 3 , не более | 0,5 | 0,6 | не нормируется |
| что соответствует температуре насыщения, не выше (°C) | -24 | -22 | |
Баллоны заполнены пористой массой, пропитанной ацетоном. Ацетилен хорошо растворяется а ацетоне: при нормальной температуре и давлении в 1 л ацетона растворяется 23 л ацетилена (в 1 л бензина растворяется 5,7 л ацетилена, в 1 л воды - 1,15 л ацетилена). Пористая масса выполняет следующие функции:
В качестве пористых масс могут применяться активированный уголь, пемза, волокнистый асбест.
Таблица. Допустимое давление газа в баллоне в зависимости от температуры (при номинальном давлении 1,9 МПа / +20°С) (ГОСТ 5457-75)
| Температура, °С | -5 | 0 | +5 | +10 | +15 | +20 | +25 | +30 | +35 | +40 | |
| Давление в баллоне, не более |
МПа | 1,34 | 1,4 | 1,5 | 1,65 | 1,8 | 1,9 | 2,15 | 2,35 | 2,6 | 3 |
| кгс/см 2 | 13,4 | 14 | 15 | 16,5 | 18 | 19 | 21,5 | 23,5 | 26 | 30 | |
Таблица. Остаточное давление газа в баллоне, поступающем от потребителя (ГОСТ 5457-75)
40-литровые баллоны с максимальным давлением газа 1,9 МПа при температуре 20°С обычно заполняют 5-5,8 кг ацетилена (4,6-5,3 м 3 газа при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст.). Масса ацетилена в баллоне определяется по разности масс баллона до и после наполнения газом. Объем ацетилена равен отношению его массы и плотности. Так, объем 5,5 кг ацетилена при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 5,5/1,09 = 5,05 м 3 .
Таблица. Сравнительные характеристики ацетилена, пропана и метилацетилен-алленовой фракции (МАФ)
| Параметр | ацетилен | пропан | МАФ |
| Чувствительность к удару, безопасность | нестабилен | стабилен | стабилен |
| Токсичность | незначительная | ||
| Предел взрываемости в воздухе (%) | 2,2-81 | 2,0-9,5 | 3,4-10,8 |
| Предел взрываемости в кислороде (%) | 2,3-93 | 2,4-57 | 2,5-60 |
| Температура пламени (°С) | 3087 | 2526 | 2927 * |
| Реакции с обычными металлами | избегать сплавов, содержащих более 70% меди | незначительные ограничения | избегать сплавов, содержащих более 65-67% меди |
| Склонность к обратному удару | значительная | незначительная | незначительная |
| Скорость сгорания в кислороде (м/с) | 6,10 | 3,72 | 4,70 |
| Плотность газа (кг/м 3) | 1,17 (при 0°С) 1,09 (при 20°С) |
2,02 (при 0°С) | 1,70 (при 0°С) * |
| Плотность в жидком состоянии при 15,6°С (кг/м 3) | - | 513 | 575 |
| Отношение расхода кислорода к горючему газу (м 3 /м 3) при нормальном пламени | 1-1,2 | 3,50 | 2,3-2,5 |
| * - данные ОАО «Нафтан» Завод «Полимир» (г. Новополоцк, Беларусь), производителя МАФ | |||
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ ГАЗОВ
Для процессов газопламенной обработки применяются различные горючие газы и пары жидких горючих (керосина и бензина), при сгорании которых в кислороде образуется высокотемпературное пламя. По химическому составу эти горючие, за исключением водорода, представляют собой либо углеводородные соединения, либо смеси различных углеводородов, причем в последнем случае в качестве составляющих обычно входит водород, окись углерода и негорючие примеси.
Виды горючих, их состав и основные свойства приведены в табл. 1, а данные о пределах взрываемости газовоздушных и газокислородных смесей - в табл. 2.
Преимущественное применение для газопламенной обработки получил ацетилен С 2 Н 2 , являющийся наиболее эффективным, а также универсальным горючим. Однако все большее значение, в первую очередь для процессов, не требующих нагрева металла до температуры плавления, приобретают более дешевые горючие газы, называемые заменителями ацетилена: пропан, бутан и их смеси, коксовый газ, природные и городские газы и др., а также жидкие горючие.
В нашей стране имеются богатейшие месторождения природных газов, и для широкого их использования в целях газопламенной обработки важное народнохозяйственное значение имеет дальнейшее развитие сети газопроводов и газораздаточных станций.
Степень пригодности и экономическая целесообразность применения отдельных горючих для газопламенных работ определяются в основном следующими их свойствами:
1) низшей теплотворной способностью (теплотворностью);
2) удельным весом газа;
3) скоростью воспламенения и температурой пламени;
4) теоретическим, оптимальным и рабочим соотношениями между кислородом и горючим в смеси;
5) тепловой мощностью и удельным тепловым потоком пламени;
6) удобством и безопасностью при получении, транспортировке и использовании.
Низшая теплотворность горючего Q н выражает количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 м 3 или 1 кг горючего. Для чистых углеводородов и водорода она является физической константой. Для сложных газовых смесей, состав которых известен, теплотворность в ккал/м 3 (при 20° С и 760 мм рт. ст.) может быть подсчитана по формуле
Q н = 24Н 2 + 80СН 4 + +206С 3 Н 8 + 140C m H m + 28СО + 275С 4 Н 10 . (4)
В этой формуле содержание элементарных составных частей берется в объемных процентах. Символом C m H m обозначена сумма прочих высокомолекулярных углеводородов в газе. Коэффициенты перед обозначениями составных частей получены как значения 0,01 Q н для каждого элементарного горючего, причем Q н берется в ккал/м 3 .
Ниже приводятся примеры расчета теплотворности, удельного веса и потребного количества кислорода для некоторых горючих газов.
Пример 1. Пропано-бутановая смесь имеет состав: 85% С 3 Н 8 , 12% С 4 Н 10 , 3% С 2 Н 6 .
Низшая теплотворность будет равна
Q н =206·85+275·12+140·3=21230 ккал/м 3
Удельный вес газа для сложных смесей y см может быть определен по формуле
y см = (r 1 ·y 1 + r 2 ·y 2 + ... + r n ·y n)·0,01
где r 1 , r 2 , ... r n - содержание элементарных частей смеси в % об
где y 1, y 2, ... y n - удельный вес элементарных частей смеси в кг/м 3
Пример 2. Природный газ имеет состав 94% СН 4 , 1,2% С 2 Н 6 , 0,7% С 3 Н 8 , 0,4% С 4 Н 10 , 0,2% С 5 Н 12 , 3,3% N 2 , 0,2% СО 2 .
Удельный вес составляющих частей (при 20° С и 760 мм рт. ст.) УСН 4 =0,67; УС 2 Н 6 = 1,34; УС 3 Н 8 = 1,88; УС 4 Н 10 = 2,54; УС 5 Н 12 = 2,98; УN 2 = 1,16; УСО 2 = 1,84.
По формуле удельный вес газовой смеси сотавит:
y см = (94·0,67 + 1,2·1,34 + 0,7·1,88 + 0,4·2,54 + 0,2·2,98 + 3,3·1,16 + 0,2·1,84)0,01=0,717 кг/м 3
Скорость воспламенения и температура пламени для различных горючих в смеси с кислородом имеют разные значения.
Скоростью воспламенения называется скорость движущегося пламени в направлении перпендикулярном к поверхности воспламенения.
Наивысшая скорость воспламенения будет у ацетилено-кислородной смеси Uв С 2 Н 2 =12,5-13,7 м/сек. Для заменителей ацетилена эта скорость значительно ниже, например у сжатого метана Uв СН 4 =2,4-3,3 м/сек, у сжиженных газов: пропана Uв С 3 Н 8 =3,8-4,5 м/сек, у бутана Uв С 4 Н 10 =3,5-3,7 м/сек.
Большая скорость воспламенения смеси кислорода с ацетиленом создает условия для наиболее высокой температуры сварочного пламени в зоне, применяемой для расплавления металла.
Теоретическое соотношение Вmax между количеством кислорода Vк и горючего Vг , требуемое для полного сгорания, определяется элементарным составом горючего газа. Для сложных газовых смесей оно может быть определено по формуле
Вmax = Vк/Vг = 0,01 (0,5Н 2 + 2СН 4 + 5С 3 Н 8 + E(m + n/4)CmHn + 0,5СО - О 2)
Пример 3. Коксовый газ имеет состав: 59% Н 2 ; 25% СН 4 ; 2,4% С 3 Н 8 ; 7,3% СО 2 ; 2,2% СО 2 ; 0,6% О 2 ; 3,5% N 2 . Количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 м 3 горючего, составит
Вmax = 0,01(0,5·59 + 2·25 + 5·2,4 + 0,5·7,3 - 0,6) = 0,945 м 3
Оптимальное соотношение между количеством кислорода и горючего в смеси , т. е. такое, при котором обеспечивается наибольшая эффективная мощность пламени, всегда будет на 10-15% меньше теоретического соотношения ввиду участия в горении также кислорода воздуха, подсасываемого различными зонами пламени. Пламя при оптимальном соотношении будет иметь окислительный характер и может быть использовано лишь для процессов нагрева (резка, закалка и др.), но не для сварки.
Рабочее соотношение между кислородом и горючим газом в смеси для выполнения сварки должно быть меньше оптимального во избежание окисления, для процессов резки в целях повышения производительности - близким к оптимальному. Обычно применяемые рабочие соотношения при выполнении резки низкоуглеродистой стали близки к оптимальным и составляют:
Ацетилен = 1,15-1,3
Водород = 0,25-0,4
Метан (или природный газ) = 1,5
Коксовый газ = 0,8
Пропано-бутановая смесь = 3,5
Нефтяной газ среднего состава = 2
Сланцевый газ = 0,7
Тепловую эффективность заменителей ацетилена принято выражать посредством коэффициента замены ψ , представляющего собой отношение расхода газа-заменителя к расходу ацетилена при одинаковом тепловом воздействии на металл:
ψ=V 3 /V a
Значения коэффициентов замены для процессов I группы (сварка, пайка, разделительная резка, закалка) приведены в табл. 1. Для процессов II группы, в частности для поверхностной резки, значение коэффициентов замены в 1,5-2,5 раза больше.
АЦЕТИЛЕН
Ацетилен является основным горючим для газопламенной обработки металлов благодаря высоким теплофизическим свойствам. Он относится к группе непредельных углеводородов ряда С n Н 2n-2 .
Химическая формула его С 2 Н 2 , а структурная Н - С = С - Н. Важнейшие физические константы ацетилена следующие:
Технический ацетилен, применяемый для газопламенной обработки, в нормальных условиях представляет собой горючий бесцветный газ с резким запахом, объясняемым наличием примесей,
в частности сернистого водорода H 2 S и фосфористого водорода РН 3 , образующихся при получении ацетилена из карбида кальция в результате разложения содержащихся в нем примесей - сернистого кальция CaS и фосфористого кальция Са 3 Р 2 . Примеси повышают взрывоопасность ацетилена и делают его вредным для здоровья.
В жидком и твердом виде ацетилен в технике не применяется ввиду крайней взрывчатости.
Газообразный ацетилен также имеет склонность к взрывчатому распаду при повышенной температуре и давлении. Взрывоопасными являются и смеси ацетилена с воздухом и кислородом (см. табл. 2). Взрывчатый распад происходит в том случае, когда температура технического ацетилена, находящегося под давлением свыше 2 кгс/см 2 , превышает 500° С.
При повышении температуры ацетилена его распаду часто предшествует процесс полимеризации, т. е. соединение нескольких молекул в одну; в результате получаются другие соединения углеводородного ряда: бензол С 6 Н 6 , стирол С 8 Н 8 , нафталин C 10 H 10 и др. В присутствии катализаторов полимеризация протекает при температурах 250-300° С, причем процесс сопровождается выделением тепла, ускоряющего полимеризацию и в результате при недостаточном отводе тепла может произойти взрывчатое разложение оставшегося ацетилена. На рис. 13 приведен график границ полимеризации и взрывчатого распада ацетилена, из которого видно, что при давлении ниже 2,5 кгс/см 2 и температуре ниже 550° С в основном протекает процесс полимеризации, а при давлении свыше 1,5 кгс/см 2 и температуре свыше 570° С будет происходить взрывчатый распад ацетилена.
Взрыв ацетилена может иметь место и при температуре ниже 500° С, но в присутствии катализаторов: окиси алюминия при 490° С, медной стружки - 460° С, окиси железа - 280° С, окиси меди - 240° С. Таким образом, наиболее активными катализаторами являются окись меди и окись железа.
При длительном соприкосновении влажного ацетилена с металлической медью и ее окислами образуется ацетиленид меди СuС 2 , легко взрывающийся (в сухом виде) при перегреве, трении или ударе. По этой причине для ацетиленовой аппаратуры допускается применение сплавов меди лишь при содержании ее не более 70%.
Взрываемость ацетилена увеличивается при смешении его с газами, вступающими с ним в реакцию. Так, например, ацетилен в смеси с хлором взрывается даже под действием света. В смеси с кислородом ацетилен взрывается при атмосферном давлении, если нагреть смесь до температуры 300° С, причем содержание ацетилена в смеси может колебаться в пределах 2,8-93%. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие около 30% ацетилена и 70% кислорода.
Смеси ацетилена с воздухом взрывчаты при содержании в них ацетилена 2,2-81%. Наиболее взрывоопасны смеси, содержащие 7-13% ацетилена, остальное - воздух. При взрыве ацетилено-воздушных смесей максимальное давление взрыва в 11 -13 раз превышает величину абсолютного начального давления. Если же ацетилен смешать с газами, не вступающими с ним в реакцию, например С0 2 , N 2 , взрывоопасность его уменьшается; это свойство используется в некоторых химических процессах.
Одним из важных свойств ацетилена является хорошая его растворимость в некоторых жидкостях, в частности в ацетоне (СН 3 СОСН 3). При 20° С один объем технического ацетона растворяет около 20 объемов ацетилена при атмосферном давлении, а при избыточном давлении растворимость возрастает пропорционально давлению. Это свойство ацетилена используется для транспортировки ацетилена в баллонах, в которые в определенном количестве вводится ацетон. В воде при нормальных условиях растворяется 1,15 объема С 2 Н 2 на 1 объем Н 2 0.
Технический ацетилен получается двумя способами:
1) из карбида кальция;
2) из углеводородных продуктов, содержащихся в природных газах, нефти, газах от переработки угля и торфосланцев.
Для газопламенной обработки пока большее значение имеет первый (карбидный) способ, известный уже около столетия. Однако новые способы получения ацетилена все шире внедряются в промышленность, как более прогрессивные и рентабельные.
Так, энергетические к. п. д. для разных процессов получения ацетилена составляют: при карбидном способе - 56%; при процессе с электрокрекингом углеводородов - 66%; при термоокислительном процессе - 75%.
Ниже рассматривается карбидный способ получения ацетилена.
Карбид кальция СаС 2 представляет собой твердое вещество кристаллического строения с удельным весом от 2,3 до 2,53 г/см 3 в зависимости от содержания примесей. В свежем изломе карбид кальция имеет серый цвет, иногда с коричневым оттенком.
Технический карбид кальция получается в электродуговых печах при взаимодействии негашеной извести с коксом и антрацитом по эндотермической реакции:
СаО + ЗС = СаС 2 + СО - 108 ккал/г-мол. (8)
Для получения одной тонны карбида кальция расходуется 900-950 кг извести, 600 кг кокса и антрацита и затрачивается 2800-4000 квт.ч электроэнергии (для печей большой и средней мощности). Технический карбид кальция содержит до 30% примесей, переходящих в него из исходных материалов.
Средний состав технического карбида кальция (по весу) следующий: карбид кальция СаС 2 - 72,5%; известь СаО- 17,3%; окись магния MgO - 0,4%; окись железа Fe 2 0 3 и окись алюминия A1 2 O 3 - 2,5%; окись кремния Si0 2 - 2,0%; сера S - 0,3%, углерод С - 1,0%; остальные примеси - 4%.
Карбид кальция активно взаимодействует с водой, образуя ацетилен и гидрат окиси кальция (гашеную известь). Реакция имеет резко выраженный экзотермический характер и протекает по уравнению:
СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са (ОН) 2 + 30,4 ккал/г-мол.
При разложении 1 кг СаС 2 выделяется, таким образом, около 400 ккал тепла, что требует принятия необходимых мер при получении ацетилена в генераторах для предотвращения перегрева ацетилена и связанной с этим опасности взрыва.
Теоретический выход ацетилена из карбида кальция (принимая, что СаС 2 имеет чистоту 100%) может быть определен по уравнению материального баланса, если известны молекулярные веса участвующих в реакции веществ
СаС 2 + 2Н 2 0 = С 2 Н 2 + Са (ОН) 2
64 + 36 = 26 + 74
Теоретический выход, приведенный к 20 °С и 760 мм рт. ст., составит
Vт=26/64=0,46 кг, а по объему Vт/У=0,406/1,09=0,3725 м 3 372,5 л, где 1,09 уд. вес ацетилена при 20 С.
Теоретический расход воды на 1 кг СаС 2 составляет: Qт=36,64=0,562 кг, а по объему 0,562 л.
Фактический выход ацетилена из карбида кальция значительно меньше ввиду наличия в техническом СаС 2 примесей и частичного разложения его влагой воздуха и находится в пределах 230- 300 л/кг. В табл. 3 приведен выход ацетилена из 1 кг карбида кальция в зависимости от сорта и размеров кусков (грануляции). Большинство ацетиленовых генераторов, выпускаемых в настоящее время, рассчитано на использование карбида кальция крупной грануляции 25/80.
В соответствии с дополнением к ГОСТу 1460-56, утвержденным в 1959 г., карбид кальция в кусках размером 2-8, 8-15 и 15-25 мм, а также в кусках смешанных размеров и мельче 2 мм может поставляться только с согласия потребителей. Допустимое содержание кусков других размеров в сортированном карбиде приведено в табл. 4.
Ввиду значительного теплового эффекта реакции разложения и опасности перегрева ацетилена практически на 1 кг СаС 2 в генераторах расходуют от 4 до 12 л воды. Процесс разложения карбида кальция протекает неравномерно: вначале реакция идет очень активно, с бурным выделением ацетилена, а затем скорость ее снижается, что объясняется уменьшением поверхности кусков карбида кальция и образованием на них корки извести, препятствующей доступу воды.
Скорость разложения карбида кальция зависит от его чистоты, грануляции, а также от чистоты и температуры воды. На рис. 14 приведены кривые, характеризующие скорость разложения карбида кальция в зависимости от грануляции и температуры воды.
С уменьшением размеров кусков скорость разложения возрастает, а частицы мельче 2 мм (пыль) разлагаются почти мгновенно, поэтому пыль нельзя применять в обычных генераторах, рассчитанных для работы на кусковом карбиде, так как это может привести к взрыву.
Карбид кальция хранится и транспортируется в герметично закупоренных барабанах из кровельной стали двух размеров - на 100 и 130 кг карбида.
Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2012.06.01
Ацетилен химическое соединение углерода и водорода. легче воздуха, 1 м 3 ацетилена при 20°С и 760 мм рт. ст. плотность ацетилена равна 1,091 кг/м 3 . Плотность по отношению к воздуху 0,9. Критическая температура 35,9°С и критическое давление 61,6 кгс/см 2 . При сгорании с он дает пламя с наиболее высокой температурой, которая достигает 3200°С, что объясняется его эндотермичностью (другие углеводороды экзотермичны, т. е. при распаде поглощают тепло). Химическая формула - C 2 H 2 , структурная формула Н-С=С-Н.
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 плотностью 0,76 кг/м 3 . Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от трения, механического или гидравлического удара и действия детонатора. Технический ацетилен при нормальных давлении и температуре представляет собой бесцветный газ с резким специфическим чесночным запахом из-за содержащихся в нем примесей в виде сернистого водорода, аммиака, фосфористого водорода и др.
В 1836 г. в Бристоле на заседании Британской ассоциации Эдмунд Дэви (Edmund Davy), профессор химии Дублинского Королевского общества и двоюродный брат Гемфри Дэви (Humphry Davy), сообщил:
... При попытке получить калий, сильно нагревая смесь прокаленного винного камня с древесным углем в большом железном сосуде, я получил черное вещество, которое легко разлагалось водой и образовывало газ, оказавшийся новым соединением углерода и водорода. Этот газ горит на воздухе ярким пламенем, более густым и светящимся даже сильнее, чем пламя маслородного газа (этилена). Если подача воздуха ограничена, горение сопровождается обильным отложением сажи. В контакте с хлором газ мгновенно взрывается, причем взрыв сопровождается большим красным пламенем и значительными отложениями сажи... Дистиллированная вода поглощает около одного объема нового газа, однако при нагревании раствора газ выделяется, по-видимому, не изменяясь... Для полного сгорания нового газа необходимо 2,5 объема кислорода. При этом образуются два объема и вода, которые являются единственными продуктами горения... Газ содержит столько же углерода, что и маслородный газ, но вдвое меньше водорода... Он удивительно подойдет для целей искусственного освещения, если только его удастся дешево получать.
Дэви получил карбид калия К 2 С 2 и обработал его водой.
В статье мы писали о том, что его «двууглеродистый » впервые был назван ацетиленом французским химиком Пьером Эженом Марселеном Бертло (Marcellin Berthelot) в 1860 г. Только через 60 лет после открытия Дэви предсказанное им использование ацетилена для освещения явилось первым толчком для его промышленного получения.
Для полного сгорания 1 м 3 ацетилена по реакции: С 2 Н 2 + 2,5O 2 =2СO 2 + Н 2 O + Q 1
требуется теоретически 2,5 м 3 кислорода или = 11,905 м 3 воздуха. При этом выделяется тепло Q 1 ≈ 312 ккал/моль. Высшая 1 м 3 ацетилена при 0°C и 760 мм рт. ст., определенная в газовом калориметре, составляет Q В = 14000 ккал/м 3 (58660 кДж/м 3), что соответствует расчетной:
312×1,1709×1000/26,036 = 14000 ккал/м 3
Низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята Q H = 13500 ккал/м 3 (55890 кДж/м 3).
Практически при сжигании - ацетилена в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м 3 кислорода на 1 м 3 ацетилена, а всего лишь от 1 до 1,2 м 3 у что примерно соответствует неполному сгоранию по реакции:
С 2 H 2 + О 2 = 2СО + H 2 + Q 2
где Q2 ≈ 60 ккал/моль или 2300 ккал/кг ацетилена. Остальные 1,5-1,3 м 3 кислорода поступают в пламя из окруающего воздуха, в результате чего в наружной оболочке пламени протекает реакция:
2СО + H 2 + 1,5О 2 = 2СO 2 + H 2 O + Q 3
Реакция неполного горения протекает на внешней оболочке светящегося внутреннего конуса пламени, причем под влиянием высокой температуры на внутренней поверхности конуса происходит распад ацетилена на его составляющие по реакции:
С 2 H 2 = 2С + H 2 + Q 4
где Q 4 ≈54 ккал/моль или 2070 ккал/кг ацетилена.
Таким образом, общая полезная теплопроизводительность пламени ацетилена применительно к сварочным процессам представляет собой сумму тепла, выделяемого при распаде ацетилена, и тепла, выделяемого при неполном сгорании, что составляет Q4 + Q2 = 2070 + 2300 = 4370 ккал/кг или 4370×1,1709 ≈ 5120 ккал/м 3 .
Данные зависимостей скорости воспламенения и температуры пламени и от содержания в ней ацетилена представлены ниже в таблице.
Необходимо понимать, что полное сгорание ацетилено-воздушной смеси достигается при наличии в ней не более 1×100/(1+11,905)=7,75% ацетилена (так называемая стехиометрическая смесь). При этом продуктами реакции являются только (СО 2) и вода (H 2 О). При содержании ацетилена более 17,37% в виде сажи выделяется свободный углерод.
С увеличение процентного содержание ацетила выделение сажи также возрастает (коптящее пламя), а при 81% ацетилена - процесс горения прекращается или не возникает.
Ацетилен выпускают по растворенным и газообразным. Хранят и транспортируют его в растворенном состоянии в специальных стальных по , заполненных пористой, пропитанной ацетоном массой (см. статью . Баллоны окрашены в серый цвет и надписью красными буквами «АЦЕТИЛЕН» на верхней цилиндрической части .
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.).
Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом.
