1. АЦЕТИЛЕН, ЕГО СВОЙСТВА И ПОЛУЧЕНИЕ

Ацетилен представляет собой углеводород ненасыщенного ряда QJW Его химическая формула С2Н2, 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 г 760 мм рт. ст. плотность ацетилена р = 1,091 кг/м3. Физические константы ацетилена следующие:

Удельная теплоемкость при 20 °С и 760 мм рт. ст.:

при постоянном давлении........................................ ,ср=1,68 кДжДкг • °С)

[0,402 ккалДкг • °С)]

при постоянном объеме........................................... cv = 1,36 к'ДжДкг • °С)

[0,325 ккалДкг • °С)]

- Ср

Отношение теплоемкостей....................................................... k =------- —1,235

Cv

Характеристическая (газовая) постоянная. . . 7? = 319,2 кДжДкг • °С)

[32,56 кгмДкг • °С)]

Плотность по отношению к воздуху................................................. 0,9056

Критическое абсолютное давление..................................... ,рйр=6,04 МПа

(61,6 КГС/СМ2)

Критическая температура........................................................ Ткр = -[- 35,2 °С

При атмосферном давлении ацетилен сжижается при температуре —82,4 ч—83,6 °С. При температуре —85 °С и ниже ацетилен пере­ходит в твердое состояние, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м3. Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от тре­ния, механического или гидравлического удара и действия дето­натора.

Полное сгорание ацетилена происходит по реакции

С2Н2 + 2,502 = 2С03 + Н20 + 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 QB = 58 660 кДж/м3 (14 000 ккал/м3), низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята QH = = 55 890 кДж/м3 (13 500 ккал/м3).

Теплота реакции (1) сгорания ацетилена Q слагается из теплоты реакции экзотермического распада ацетилена и суммы теплот пер­вичных реакций сгорания углерода и водорода. Экзотермический распад ацетилена происходит по реакции

^ 2С + На+Qo - (2)

Теплота распада Qo = 225,8 кДж/моль (53,9 ккал/г-мол) или Qo =-2^8бз^ =8686 кДж/кг (2070 ккал/кг).

Теплота сгорания С в С02 равна 395,7 кДж/моль

(94,45 ккал/г-мол), Н2 в Н20 равна 290,4 кДж/моль

(68,35 ккал/г-мол). Тогда для теплоты реакции сгорания ацетилена по уравнению (1) получаем

(3 = 225,8 + 2-395,7 + 290,4= 1307 кДж/моль (311,15 ккал/г-мол) или

Q = -'Ц^ 50000 кДж (п 950 ккал),

или

50 000 • 1,17 = 58 500 кДж/м3 (14 000 ккал/м3);

здесь 1,17 кг/м3 — 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:

Абсолютное давление:

МПа........................................................................ 0,2 0,3 0,4 2,2

кгс/см2..................................................................... 2 3 4 22

Температура самовоспламенения, сС..................... 630 530 475 350

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/см2)—до 300 °С, при абсолютном давлении 0,25 МПа (2,5 кгс/см2) — 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-газ вых смесей примерно в 100 раз меньше, чем воздушно-газовых. Ацет

лен имеет наименьшую энергию

зажигания и в отношении взры- во-опасности подобен водороду.

Основной способ получения ацетилена основан на реакции взаимодействия карбида каль­ция с водой. Карбид кальция СаС2 — твердое вещество кри­сталлического строения, имею­щее в изломе темносерый или коричневый цвет. Плотность хи­мически чистого СаС2 при тем­пературе 18 °С равна 2,22 г/см3. Реакция образования карбида кальция из окиси кальция и углерода является эндотермической и протекает при температуре 1900—2300 °С по уравнению

СаО + ЗС = СаС2 + СО-452,5 кДж/моль (108 ккал/г-мол) 56,08 + 36,03 — 64,1 +28,01. (3)

Согласно уравнению для образования 1 кг СаС2 расходуется

56,08 л Qnz г' гл 36,03 л сг'л

■ 64 t — 0,875 кг СаО и -^-у - = 0,562 кг С.

Для получения 1 кг СаС2 требуется теоретически затратить 452,0-1000 ^ . ,1/:о ■ , ч

теплоты—gy-j—= 7060 кДж/кг (1685 ккал/кг).

Технический карбид кальция содержит 70—75% химически чистого СаС2, 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:

СаС2 + 2Н20 = QH2 + 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 СаС2 требуется затратить 0,562 кг воды. При этом получается

~64°1~= ^>406 кг С2Н2' и 7g4°^6 = 1,156 кг Са(ОН)2. Плотность

ацетилена при 20° С и 760 мм рт. ст. равна 1,09 кг/м3; следова­тельно, количество ацетилена (выход ацетилена), получаемое щт,

0,406 • 103 ^ н

разложении 1 кг СаС2, равно ат = —щ-у--------------------- дм*/кг.

С учетом паров, насыщающих ацетилен при 20° С и 760 мм рт. ст, выход ацетилена ат = 380,88 дм3/кг. Количество теплоты, выде-

127 4-10*

ляющейся при разложении 1 кг СаС2, -------------------------- = 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 + Н20 = Са (ОН)2 + 63 кДж/моль (15,1 ккал/г-мол) или

^56 оГ ~ 43Q кДж/кг СаО (270 ккал/кг СаО). (5)

Принимая содержание чистого СаС2 в техническом СаС2 равным 70% и содержание в нем СаО равным 24%, получим тепловой эффект реакции разложения технического карбида кальция:

1980«0,7 -г - ИЗО*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

произойти сильный перегрев меров

карбида кальция, куски кото - ———————

рого 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 кар - бвда 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/см2), при отстое и охлаждении баллона до 20° С оно снижается до 1,9 МПа (19 кгс/см2). При этом давлении в 40-литровый баллон вмещается 5—5,8 кг ацетилена по массе (4,6—5,3 м3 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 м3/ч. Остаточное давление в баллоне после отбора должно быть не менее 0,05 МПа (0,5 кгс/см2). 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:

пения при атмосферном давлении 56,2° С, температуру замерзания 178,7° К (—94,3° С). При абсолютном давлении 0,1 МПа (1 кгс/см2) 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/см2), затем после отстаивания вторично до давления 2,3—

2,5 МПа (23—25 кгс/см2), так, чтобы после охлаждения до темпера­туры 20° С давление в них составило 1,9 МПа (19 кгс/см2) согласно ГОСТ 5457—60. Для ускорения накачки баллонов иногда их сна-

ружи 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 дм3/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/см2) при температуре ниже 0° С, менее 0,1 МПа (1 кгс/см2) при температуре 0—15° С, менее 0,2 МПа (2 кгс/см2) при температуре 15—25° С, менее 0,3 МПа (3 кгс/см2) 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 1 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/см2); 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.