Ацетилен и горючие газы

только в текущем разделе

Реклама. ООО ГК "Велунд Сталь Сибирь" ИНН 5405075282 Erid: 2SDnjf1Guop

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

АЦЕТИЛЕН - СВОЙСТВА, РАСЧЕТЫ

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 С₂Н₂, 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 м³ или 1 кг горючего. Для чистых углеводородов и водорода она является физической константой. Для сложных газовых смесей, состав которых известен, теплотворность в ккал/м³ (при 20° С и 760 мм рт. ст.) может быть подсчитана по формуле

Q_н = 24Н₂ + 80СН₄ + +206С₃Н₈ + 140C_mH_m + 28СО + 275С₄Н₁₀. (4)

В этой формуле содержание элементарных составных частей берется в объемных процентах. Символом C_mH_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/м³.

Ниже приводятся примеры расчета теплотворности, удельного веса и потребного количества кислорода для некоторых горючих газов.

Пример 1. Пропано-бутановая смесь имеет состав: 85% С₃Н₈, 12% С₄Н₁₀, 3% С₂Н₆.

Низшая теплотворность будет равна

Q_н=206·85+275·12+140·3=21230 ккал/м³

Удельный вес газа для сложных смесей y_см может быть определен по формуле

y_см = (r₁·y₁ + r₂·y₂ + ... + r_n·y_n)·0,01

где r₁, r₂, ... r_n - содержание элементарных частей смеси в % об

где y_1, y_{2, ...} y_n - удельный вес элементарных частей смеси в кг/м³

Пример 2. Природный газ имеет состав 94% СН₄, 1,2% С₂Н₆, 0,7% С₃Н₈, 0,4% С₄Н₁₀, 0,2% С₅Н₁₂, 3,3% N₂, 0,2% СО₂.

Удельный вес составляющих частей (при 20° С и 760 мм рт. ст.) УСН₄ =0,67; УС₂Н₆ = 1,34; УС₃Н₈ = 1,88; УС₄Н₁₀ = 2,54; УС₅Н₁₂ = 2,98; УN₂ = 1,16; УСО₂ = 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/м³

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 С₂Н₂=12,5-13,7 м/сек. Для заменителей ацетилена эта скорость значительно ниже, например у сжатого метана Uв СН₄=2,4-3,3 м/сек, у сжиженных газов: пропана Uв С₃Н₈=3,8-4,5 м/сек, у бутана Uв С₄Н₁₀=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 (0,5Н₂ + 2СН₄ + 5С₃Н₈ + E(m + n/4)CmHn + 0,5СО - О₂)

Пример 3. Коксовый газ имеет состав: 59% Н₂; 25% СН₄; 2,4% С₃Н₈; 7,3% СО₂; 2,2% СО₂; 0,6% О₂; 3,5% N₂. Количество кислорода, необходимое для полного сгорания 1 м³ горючего, составит

Вmax = 0,01(0,5·59 + 2·25 + 5·2,4 + 0,5·7,3 - 0,6) = 0,945 м³

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=V₃/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_nН_2n-2.

Химическая формула его С₂Н₂, 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 H₂S и фосфористого водорода РН₃, образующихся при получении ацетилена из карбида кальция в результате разложения содержащихся в нем примесей - сернистого кальция CaS и фосфористого кальция Са₃Р₂. 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/см², 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 С₆Н₆, стирол С₈Н₈, нафталин C₁₀H₁₀ 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/см² и температуре ниже 550° С в основном протекает процесс полимеризации, а при давлении свыше 1,5 кгс/см² 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 СuС₂, 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 С0₂, N₂, 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 (СН₃СОСН₃). 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 С₂Н₂ на 1 объем Н₂0.

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 СаС₂ представляет собой твердое вещество кристаллического строения с удельным весом от 2,3 до 2,53 г/см³ 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 = СаС₂ + 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 СаС₂ - 72,5%; известь СаО- 17,3%; окись магния MgO - 0,4%; окись железа Fe₂0₃ и окись алюминия A1₂O₃ - 2,5%; окись кремния Si0₂ - 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:

СаС₂ + 2Н₂О = С₂Н₂ + Са (ОН)₂ + 30,4 ккал/г-мол.

При разложении 1 кг СаС₂ 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 СаС₂ имеет чистоту 100%) может быть определен по уравнению материального баланса, если известны молекулярные веса участвующих в реакции веществ

СаС₂ + 2Н₂0 = С₂Н₂ + 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 м³ 372,5 л, где 1,09 уд. вес ацетилена при 20 С.

Теоретический расход воды на 1 кг СаС₂ 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 СаС₂ 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 СаС₂ 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.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Металлоторговля:
Объявления
Прайсы (по торг. позициям)
Прайсы (в файлах)

Марки металлов
Калькулятор веса металла

Новости