Ацетилен - газ с самой высокой температурой пламени!

Версия для печатиВерсия для печати
Ацетилен
химическое соединение углерода и водорода. Ацетилен легче воздуха, 1 м3 при 20°С и 760 мм рт. ст. имеет массу 1,091 кг/м3. Плотность по отношению к воздуху 0,9. Критическая температура 35,9°С и критическое давление 61,6 кгс/см2. При сгорании с кислородом 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 - C2H2, структурная формула Н-С=С-Н.
Формула ацетилена

При нормальном давлении и температуре от -82,4°С (190,6 К) до -84,0°С (189 К) переходит в жидкое состояние, а при температуре -85°С (188 К) затвердевает, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м3. 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.

История получения ацетилена

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 углекислого газа 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 К2С2 и обработал его водой.

В статье о получении карбида кальция мы писали о том, что его «двууглеродистый водород» 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.

Получение ацетилена

Получение ацетилена производится двумя основными способами:

А вот какой способ сейчас более распространён можно узнать из статьи о получении ацетилена.  

Применение ацетилена

Применение ацетилена при газовой сварке обусловлено тем, что у него самая большая температуры горения. Но он также нашел свое применение в химической отрасли для получения пластмасс, синтетического каучука, уксусной кислоты и растворителей. Более подробный ответ по данному вопросу можно найти в статье о применении ацетилена.

Горение ацетилена

Горение ацетилена происходит по реакции: С2Н2 + 2,5O2=2СO2 + Н2O + Q1

Для полного сгорания 1 м3 ацетилена по вышеуказанной реакции теоретически требуется 2,5 м3 кислорода или = 11,905 м3 воздуха. При этом выделяется тепло Q1 ≈ 312 ккал/моль. Высшая теплотворная способность 1 м3 С2Н2 при 0°C и 760 мм рт. ст., определенная в газовом калориметре, составляет QВ = 14000 ккал/м3 (58660 кДж/м3), что соответствует расчетной:

312×1,1709×1000/26,036 = 14000 ккал/м3

Низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята QH = 13500 ккал/м3 (55890 кДж/м3).

Практически для горения в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м3 кислорода на 1 м3 ацетилена, а всего лишь от 1 до 1,2 м3, что примерно соответствует неполному сгоранию по реакции:

С2H2 + О2 = 2СО + H2 + Q2

где Q2 ≈ 60 ккал/моль или 2300 ккал/кгС2H2. Остальные 1,5-1,3 м3 кислорода поступают в пламя из окружающего воздуха, в результате чего в наружной оболочке пламени протекает реакция:

2СО + H2 + 1,5О2 = 2СO2 + H2O + Q3

Реакция неполного горения ацетилена протекает на внешней оболочке светящегося внутреннего конуса пламени, причем под влиянием высокой температуры на внутренней поверхности конуса происходит распад С2Н2 на его составляющие по реакции:

С2H2 = 2С + H2 + Q4

где Q4≈54 ккал/моль или 2070 ккал/кг С2H2.

Таким образом, общая полезная теплопроизводительность пламени применительно к сварочным процессам представляет собой сумму тепла, выделяемого при распаде С2Н2, и тепла, выделяемого при неполном сгорании, что составляет Q4 + Q2 = 2070 + 2300 = 4370 ккал/кг или 4370×1,1709 ≈ 5120 ккал/м3.

При содержании С2Н2 в смеси около 45% (т. е. при отношении кислорода к ацетилену, примерно равном 1,25) достигается максимальная температура горения ацетилена, которая составляет 3200°С.

Следовательно, температура пламени изменяется в зависимости от состава смеси.

При содержании 27% С2Н2 достигается максимальная скорость воспламенения ацетилено-кислородной смеси, которая равна 13,5 м/сек.

Следовательно, в зависимости от состава смеси также изменяется и скорость воспламенения.

Данные зависимостей скорости воспламенения и температуры пламени и от содержания в ней ацетилена представлены ниже в таблице.

Содержание С2Н2 в смеси в объемных процентах 12 15 20 25 27 30 32 35 40 45 50 55
Максимальная температура горения ацетилена, °С - 2920 2940 2960 2970 2990 3010 3060 3140 3200 3070 2840
Скорость воспламенения смеси, м/сек 8,0 10,0 11,8 13,3 13,5 13,1 12,5 11,3 9,3 7,8 6,7 -

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 углекислый газ (СО2) и вода (H2О). 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% С2Н2 - процесс горения прекращается или не возникает.

Хранение и транспортировка ацетилена

Ацетилен выпускают по ГОСТ 5457 растворенным и газообразным. Хранят и транспортируют его в растворенном состоянии в специальных стальных баллонах по ГОСТ 949, заполненных пористой, пропитанной ацетоном массой. Ацетилен, растворенный в ацетоне не склонен к взрывчатому распаду.

Баллоны окрашены в серый цвет и надписью красными буквами «АЦЕТИЛЕН» на верхней цилиндрической части.

Баллон с ацетиленом

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 С2Н2 по массе (4,6-5,3 м3 газа при 20°С и 760 мм рт. ст.).

Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом:

Температура, °С -5 0 5 10 15 20 30 40
Давление, МПа 1,3 1,4 14 1,7 1,8 12 2,4 3,0

Другие требования техники безопасности можно узнать из статьи о классе опасности и мерах безопасности при работе с ацетиленом

Физические свойства ацетилена

Физические свойства ацетилена представлены в таблицах ниже.

Коэффициенты перевода объема и массы С2Н2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Масса, кг Объем газа, м3
1,109 1
1 0,909

Коэффициенты перевода объема и массы С2Н2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Масса, кг Объем газа, м3
1,176 1
1 0,850

Ацетилен в баллоне

Наименование Объем баллона, л Масса газа в баллоне, кг Объем газа (м3) при Т=15°С, Р=0,1 МПа
С2Н2 40 5 4,545

Благодаря информации в таблице можно дать ответы на часто задаваемые вопросы:

  • Сколько ацетилена в одном баллоне?
    Ответ: в 40 л баллоне 5 кг или 4,545 м3 ацетилена
  • Сколько весит баллон ацетилена?
    Ответ:
    58,5 кг - масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
    18-20 кг - масса пористого материала, пропитанного ацетоном;
    5,0 - кг масса С2Н2 в баллоне;
    Итого: 58,5 + 20,0 + 5,0= 83,5 кг вес баллона с ацетиленом.
  • Сколько м3 ацетилена в баллоне
    Ответ: 4,545 м3