Ацетилен физические свойства и применение

Ацетилен

Ацетилен (C2H2) – химическое газообразное соединение углерода с водородом, без цвета, со слабым эфирным запахом и сладковатым вкусом.

Ацетилен в газосварочном производстве получил наибольшее распространение благодаря важным для сварки качествам (высокая температура пламени, большая теплота сгорания). Так, при разложении 1 кг ацетилена выделяется 8473,6 кДж теплоты. Это единственный газ, горение которого возможно при отсутствии кислорода (или окислителя вообще).

Выделение тепла при сгорании ацетилена обусловлено следующими процессами:

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

Данные показателя

Молекулярная масса

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

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

Критическая температура, °С

Критическое давление, кгс/см2

Температура пламени, °С

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

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

Высшая удельная теплота сгорания, кДж/м3

Низшая удельная теплота сгорания, кДж/м3

Температура самовоспламенения, °С

Давление самовоспламенения, МПа

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

Таблица 2 — Физико-химические показатели технического ацетилена

Для ацетлена

растворенного

газообразного

высшей категории качества

первой категории качества

Объемная доля ацетилена, % не менее

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

Объемная доля фосфористого водорода, % не более

Объемная доля сероводорода, % не более

Массовая концентрация водяных паров при температуре 20 °С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), г/м3, не более
Что соответствует температуре насыщения, °С, не выше

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

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

Растворимость, л/л

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)

Температура самовоспламенения, °С (К)

Повышение давления существенно уменьшает температуру самовоспламенения ацетилена. Частицы других веществ, присутствующие в ацетилене, увеличивают поверхность его контакта и тем самым снижают температуру самовоспламенения при атмосферном давлении до следующих значений, °С (К):

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).

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.

Ацетилен — характеристики и физические свойства ацетилена

Ацетилен относится к органическим соединениям, ненасыщенным углеводородам — алкинам. В обычных условиях ацетилен представляет собой бесцветный газ. Очень горюч. Имеет формулу C₂H₂, то есть молекула ацетилена — это два атома углерода и два атома водорода, причём связь между углеродными атомами тройная.

Синтез ацетилена

В лабораторных условиях газ ацетилен получают, воздействуя водой на углеродистый кальций. Впервые эту реакцию провёл в 1860-х годах химик Вёлер. Ещё один способ получить молекулу ацетилена — дегидрировать две метановые молекулы, нагревая их до 1400 °C и выше.

Промышленный способ синтезировать ацетилен — гидролизовать углеродистый кальций, при этом ацетилен получают в чистом виде; или подвергнуть термическому разложению углеводородное сырьё.

Существует несколько видов термического разложения для получения ацетилена. Используемый в качестве сырья метан:

нагревают до 1600 °C в электродуговой печи — электрокрекинг;
обрабатывают ионизированным газом — аргоном или водородом;
пропускают через нагретую до 1400 °C насадку — регенеративный пиролиз;
смешивают с кислородом и нагревают смесь до 1600 °C или до 2000 °C — окислительный или гомогенный пиролиз, соответственно.

На термическое разложение тратится меньше энергии, чем на гидролиз, но полученный ацетилен нужно очищать.

Физические характеристики ацетилена

Чистый газ ацетилен летуч и не пахнет. Баллоны для него содержат пористый наполнитель. Ацетон и другие пропитки такого наполнителя дают узнаваемый запах.

Обращаться с ацетиленом нужно осторожно. Он может взорваться от удара, от нагрева до 500 °C, а при сжатии до двух атмосфер — и без нагрева. В открытом воздухе ацетилен загорается и от пламени, и от любых искр, поэтому перевозят и используют ацетилен только в защищённых баллонах.

Химические характеристики ацетилена

Ацетилен при окислении даёт высокотемпературное пламя — до 3150 °C. Сгорая, газ даёт так много тепла благодаря тройной связи углеродных атомов.

Известные химические реакции ацетилена:

с водой образует этаналь, катализируется ртутными солями;
обесцвечивает раствор марганцовки, водный раствор брома;
с аммиачными растворами меди и серебра образует взрывоопасные соединения;
полимеризируется в сложные органические соединения при 500 °C, катализируется графитом;
проявляет свойства кислоты, образует взрывоопасный осадок с серебряными солями и одновалентной медью.

Чистый ацетилен закипает при –83 °C. Чтобы его химические свойства не привели к взрыву, ацетилен хранят только в специальных условиях, берегут от удара, от нагрева, от контакта с серебром и медью.

Свойства ацетилена

Ацетилен относится к одним из самых распространенных газов для сварки. Он обладает относительно невысокой стоимостью, если сравнивать с аргоновой сваркой и прочими современными методами. Главным отличием газа является высокая температура горения. С его помощью можно сваривать намного более толстые изделия, чем с другими газами. Технические характеристики ацетилена для сварки считаются одними из лучших, но опасность его применения усложняет процесс работы.

Баллоны с ацетиленом для сварки

Плотность ацетилена ниже, чем у воздуха и сам он легче. Газ не имеет цвета, но у него сильный резкий запах, что помогает быстро обнаруживать утечки, если они появились. Главным негативным свойством является способность к самовоспламенению. Загорается ацетилен при температуре при 335 градусах Цельсия. Очень часто случаются взрывы газа. Из-за высокой взрывоопасности существует целый ряд требований техники безопасности. Энергия от взрыва будет большей, чем при использовании нитроглицерина или тротила, что вызовет большие разрушения.

Область применения

Горение ацетилена при сварке обеспечивает не только нужную температуру горения, но и достаточно высокий уровень защиты сварочной ванны от негативных факторов. В сравнение с природными газами, водородом и прочими разновидностями расходных материалов для сварки, ацетилен дает лучшую защиту. Его применяют как в бытовой, так и в промышленной отрасли. Коммунальные службы, занимающиеся сваркой труб, ремонтом металлоконструкций в домах и прочими процедурами соединения металла, используют ацетилен для самых сложных работ. Ремонтные мастерские и отделы сборки металлоконструкций также широко применяют данный газ. Применение ацетилена возможно практически во всех местах, где можно использовать газовую и полуавтоматическую сварку.

Преимущества

Популярность ацетилен заслужил благодаря ряду следующих преимуществ:

Применение газа, в сравнение с другими разновидностями, является выгодным с экономической точки зрения;
Есть возможность получать сырье не только закупая его в баллонах и заправляя их, но и добывать при помощи соответствующих генераторов, путем добавления воды на карбид кальция;
Горение ацетилена имеет самую большую температуру среди защитных газов.

При этом имеется ряд недостатков затрудняющих его использования во многих случаях:

Во время работы с этим газом получается высокая загазованность помещения, так что нужно сильное проветривание;
Много условий обеспечения безопасности для нормального хранения;
Высокий уровень взрывоопасности;
Из-за высокой температуры могут возникать такие виды дефектов как перегрев или пережог, особенно, при работе с тонкими металлами.

Формула ацетилена

Газ является непредельным углеводородом, который обладает тройной связью атомов углерода. Формула ацетилена – С2Н2. При этом структурная формула ацетилена выглядит следующим образом Н-С=С-Н, так как связь идет между атомами углерода.

Химические и физические свойства

В нормальных условиях газ является бесцветным. Он легче воздуха. В техническом ацетилене имеются добавки, которые придают ему резкий запах, но в чистом виде он ни чем не пахнет. Лучше всего газ растворяется в ацетоне, но в воде он мало растворим. Температура кипения достигает -83,6 градусов Цельсия.

Газ требует очень аккуратного обращения. Баллон может взорваться от обыкновенного удара при падении или при нагреве около 500 градусов Цельсия. Воспламениться струя может даже от статического электричества от пальца человеческой руки. Молярная масса ацетилена составляет 26 г/моль. Температура горения ацетилена в ядре пламени может составлять более 2600 градусов Цельсия.

Химические свойства ацетилена показывают, в какие реакции может вступать субстанция с другими веществами. В присутствии катализаторов, в частности солей ртути, газ образует уксусный альдегид. Благодаря наличию тройной связи, молекулы вещества имеют большой запас энергии. Это обеспечивает ей высокую теплоту сгорания, которая составляет 14 000 ккал/м 3 . Если при сгорании добавить струю кислорода, то температура пламени достигнет более 3100 градусов Цельсия. Газ может полимеризироваться в такое вещество как бензол и прочие органические соединения, к примеру, винилацетилен или полиацетилен. Полимеризация в бензол происходит при температуре в 500 градусов Цельсия и при наличии графита. Если в качестве катализатора использоваться трикарбонил никеля, то данная реакция может пройти при температуре в 65 градусов Целься. Ацетилен обладает очень сильными кислотными свойствами. Атомы водорода могут легко отщепиться в качестве протонов. В эфирном растворе металмагнийбромида данный газ вытесняет метан. В сочетании с солями одновалентной меди и серебра ацетилен образует взрывчатый нерастворимый осадок.

Состав

Горение ацетилена и прочие его практические свойства во многом зависят от состава. Даже небольшие отклонения от нормы могут привести к тому, что газ поменяет свои характеристики. Поэтому, выделяют несколько основных сортов, отличающихся друг от друга по своему составу.

Состав ацетилена газообразного технического:

Основной газ – 98,5%;
Воздух – 1,4%;
Фосфорный водород – 0,08%;
Сероводород – 0,05%.

Растворенное вещество первого сорта марки Б должно обладать следующим составом:

Основной газ – 99,1%;
Воздух – 0,8%;
Фосфорный водород – 0,02%;
Сероводород – 0,005%.

Растворенное вещество второго сорта марки Б должно обладать следующим составом:

Основной газ – 98,8%;
Воздух – 1%;
Фосфорный водород – 0,05%;
Сероводород – 0,05%.

Растворенное вещество марки А должно обладать следующим составом:

Основной газ – 99,5%;
Воздух – 0,5%;
Фосфорный водород – 0,005%;
Сероводород – 0,002%.

Технология и режимы сварки

Перед началом сварки нужно подобрать баллон с ацетиленом и понять саму его конструкцию.

Конструкция баллона с ацетиленом

Потом подбирается горелка требуемого размера от 0 до 5. Толщина этого инструмента определяет расход газа, а также ширину образуемого шва. Чтобы проверить готовность изделия к работе, ее нужно продуть ацетиленом до тех пор, чтобы почувствовать его запах.

Поджог газа осуществляется еще до добавления кислорода. После загорания можно добавить понемногу струю кислорода, пока не образуется устойчивое пламя. Выходное давление основного газа должно быть до 4 атмосфер, а дополнительного – до 2 атмосфер. Затем подбирается мощность пламени согласно толщине свариваемого металла.

Заранее очищенные заготовки предварительно прогреваются пламенем горелки до нужной температуры. После этого добавляется сварочная проволока, которая вместе с основным металлом образует сварочную ванну. Процесс сварки может проводиться как правым, так и левым способом. После окончания процедуры горение ацетилена поможет постепенному охлаждению шва с подогревом.

Заключение

Разбираясь, для чего нужен ацетилен в сварочной области, в первую очередь нужно думать о безопасности. Отличные практические качества и низкая стоимость газа не позволяют отказаться от него полностью из-за взрывоопасности. Любой специалист может оценить все преимущества работы с ним, но сложности хранения затрудняют его применение в домашних условиях.