При производстве ацетилена необходимо учитывать его высокую способность к взрывчатому распаду. Распад происходит экзотермически по уравнению
С2Н2→2С+ Н2
и определяется в первую очередь температурой и давлением. С повышением температуры взрывчатость ацетилена резко возрастает.
Газообразные примеси, образующие с ацетиленом легковоспламеняющиеся смеси, увеличивают способность ацетилена к взрывчатому распаду. К таким примесям можно отнести воздух, кислород, фосфористый водород и др. Смеси ацетилена с воздухом, кислородом и фосфористым водородом даже при незначительном их содержании взрываются при атмосферном давлении, если температура в какой-либо точке смеси достигает температуры воспламенения. Для ацетилено-воздушных смесей (2,2-81 % ацетилена) температура воспламенения находится в пределах 305-407 °С; ацетиленокислородных (2,8-93% ацетилена) 197-306 С; ацетилена с фосфористым водородом 100-200 °С. Содержание газообразных примесей, способствующих взрывчатому распаду ацетилена, снижают при его производстве до минимально возможных пределов: воздуха до 0,5-1,5%, фосфористого водорода до 0,08%, сероводорода до 0,08-1,5%.
Газообразные примеси, не вступающие с ацетиленом в химические реакции, понижают его способность взрываться. К ним относятся азот, оксид углерода, метан, пары воды и др. Это объясняется разобщенностью молекул ацетилена молекулами газообразных примесей.
Аналогичное действие оказывает растворение ацетилена в жидкостях. Наиболее высокая растворимость ацетилена из доступных жидкостей — в ацетоне.
Граница взрывчатого распада ацетилена снижается при наличии катализаторов — оксидов меди, железа и других соединений. Поэтому стенки аппаратуры при производстве ацетилена и его потреблении не должны иметь оксидов.
Ацетилен при определенных температурах и давлении может взаимодействовать с медью и некоторыми другими металлами с образованием взрывчатых соединений — ацетиленнидов. Наличие их приведет к взрывчатому распаду ацетилена. Поэтому в аппаратуре для ацетилена запрещено применять сплавы, содержащие более 70 % Сu.
Ацетилен получают из карбида кальция и воды в специальных аппаратах, называемых ацетиленовыми генераторами.
Экзотермическая реакция протекает по уравнению СаС2 + 2Н20 = С2Н2 + Са(ОН)2 + Q.
Теоретически выход ацетилена из 1 кг карбида кальция составляет 372, 5 л (при 20 °С и 0,1 МПа). Реальный выход ацетилена значительно меньший и в зависимости от сорта карбида колеблется в пределах 235—285 л/кг.
Для производства ацетилена применяют различные конструкции генераторов. В основу их типизации и классификации положены следующие признаки: производительность, способ установки, давление вырабатываемого ацетилена, система регулирования и взаимодействия карбида кальция с водой.
По способу установки генераторы подразделяют на передвижные и стационарные. Производительность передвижных генераторов не должна превышать 5 м3/ч.
По давлению вырабатываемого ацетилена генераторы делятся на три группы: низкого (до 0,01 МПа включительно), среднего (свыше 0,01—0,15 МПа) и высокого (свыше 0,15 МПа) давления.
По системам регулирования и взаимодействия карбида кальция с водой различают генераторы с количественным регулированием реагирующих веществ и повременном. Количественное регулирование ацетилена осуществляют периодической дозировкой либо карбида кальция при постоянном объеме воды в зоне реакции (система «карбид в воду»), либо дозировкой воды при загрузке всего карбида кальция (система «вода на карбид»). Широко применяют и комбинированную систему генераторов с дозировкой обоих реагирующих веществ — карбида кальция и воды. Повременное регулирование количества ацетилена в газосборнике осуществляется периодической дозировкой времени контактирования карбида кальция с водой. Такие системы генераторов называют «контактными». Если подвижным компонентом служит карбид кальция, то такая система носит название «погружения», если подвижной системой является вода, то «вытеснения».
Существуют также системы генераторов, в которых сочетается количественная и повременная система регулирования (рис. 25.1).
Рис. 25.1. Схема ацетиленового генератора комбинированного типа: 1 — зарядник; 2 — газосборник 3 — бак с водой; 4 — отбор газа
Ацетиленовые генераторы независимо от системы имеют следующие основные элементы (рис. 25.1): зарядник 7, газосборник 2, предохранительные устройства против повышения давления в газосборнике и защиты генератора от обратных ударов пламени.
Указанные узлы могут быть сосредоточены в одной конструкции или разобщены и связаны между собой трубопроводами. Стационарные генераторы в ряде случаев снабжают химическими очистителями.
Зарядник предназначен для загрузки карбида кальция в генератор. В генераторах системы «вода на карбид», контактных и комбинированных, в зарядниках происходит реакция карбида кальция с водой с образованием ацетилена. Поэтому их часто называют газообразователями. В генераторах систем «карбид в воду» газообразование происходит вне зарядника. В этом случае зарядник имеет устройства для дозировки карбида кальция, подаваемого в воду. Зарядиики, в которых происходит газообразование, должны хорошо охлаждаться водой и быть удобными для удаления известкового ила и промывки.
Газосборник предназначен для собирания ацетилена, поступающего из газообразователя, и отбора к месту потребления. Наличие газосборника позволяет компенсировать несоответствие между выходом ацетилена и его потреблением, в также уменьшать колебания давления при неравномерном расходовании газа. В конструкциях ацетиленовых генераторов встречаются газосборники трех видов: с плавающим колоколом, в виде сообщающихся сосудов и постоянного объема.
Предохранительные устройства в ацетиленовых генераторах применяют двух типов: для выпуска ацетилена в атмосферу при повышении давления сверх допустимого и защиты генератора от проникновения в газосборник пламени при обратном ударе. Обратным ударом называют проникание фронта пламени внутрь канала сопла горелки и распространение его навстречу потоку горячей смеси.
Возможность обратного удара определяется соотношением скорости истечения
смеси и скорости ее воспламенения. Обратные удары возникают при чрезмерном
нагреве горелки, малом расстоянии мундштука от поверхности нагрева, при
закупоривании мундштука и др.
Предохранительные устройства против повышения
давления ацетилена зависят от конструкции газосборника генератора.
Предохранительные устройства для защиты генератора от обратных ударов пламени представляют собой водяные затворы (рис. 25.2, а, б). Корпус 3 затвора заполняют водой до уровня контрольного крана КК- Ацетилен подводится по трубке 7, проходит через обратный клапан 2, расположенный в нижней части корпуса. В верхнюю часть корпуса газ проходит через отражатель 4. Ацетилен отводится к месту потребления через расходный кран Р/С. В верхней части корпуса имеется трубка, закрытая мембраной 5 из алюминиевой фольги. При обратном ударе пламени мембрана разрывается, и взрывчатая смесь выходит наружу. Давление взрыва через воду передается на клапан 2, который закрывает подвод газа от генератора.
Рис. 25.2. Схема водяного затвора закрытого тина: а — нормальная работа затвора; б — обратный удар в затворе; в — схема сухого затвора (пламягасителя)
В последнее время для защиты от обратного удара пламени применяют сухие универсальные затворы типа ЗСУ-1 (рис. 25.2, е). Затвор состоит из двух самостоятельных блоков: пламягашения и клапанного Б, установленного внутри первого с помощью резьбового соединения и уплотнительного кольца. Наличие двух блоков позволяет легко разбирать затвор и осуществлять ремонтные работы. Блок пламягашения состоит из наружного корпуса 1, крышки 4 и заключенных между ними пламяотбойника 3 и пламягасящего элемента 2.
После проверки уплотнений 5 корпус и крышку пломбируют. Блок клапанов состоит из корпуса 6, в котором установлены отсечной 8 и обратный 7 клапаны. По входному штуцеру горячий газ поступает в полость клапанного блока через открытый отсечной клапан. Далее газ через обратный клапан попадает в блок А. Отбор газа производится через выходной штуцер. При возникновении обратного удара перекрывается отсечной клапан и прекращается подача газа. Горящая смесь гасится в пористых каналах пламягасителя. После ликвидации обратного удара пружина возвращает клапан в исходное положение.
Химические очистители предназначены для очистки ацетилена. Вредные примеси в ацетилене (сероводород и фосфористый водород), проходя через пористую массу (геротоль), окисляются и переходят в нелетучие соединения. В качестве окислителя в геротоле обычно используют соединения хрома.
Питание сварочных постов ацетиленом осуществляется следующими способами: непосредственно на рабочем месте от передвижных ацетиленовых генераторов или ацетиленовых баллонов; централизованно по газопроводам от баллонных станций.
Качество ацетилена в передвижных генераторах, как правило, невысокое. Поэтому для непосредственного питания газосварочных постов наиболее целесообразно использовать баллонный ацетилен.
Для ацетилена используют стандартные баллоны вместимостью 40 л. Баллоны заполняют предварительно пористой массой (активированный уголь зернистостью 1—3,5 мм) и заливают ацетоном. При заполнении ацетилен растворяется в ацетоне и разобщается в капиллярах пористой массы. Такой способ заполнения исключает возможность взрывчатого распада ацетилена даже при самых неблагоприятных условиях. В 1 л ацетона растворяется при атмосферном давлении 23 л газообразного ацетилена. При давлении 1,9 МПа и пористости массы 70 % и баллоне вместимостью 40 л растворяется около 6 м3 ацетилена.
Централизованное питание ацетиленом применяется обычно для десяти газосварочных постов. При небольшом числе постов используют ацетиленовые баллонные рампы. Типоразмерный ряд включает рампы, состоящие из 2x6, 2x9 и 2x15 баллонов. На крупных и средних машиностроительных предприятиях централизованное питание постов осуществляется от заводских ацетиленовых станций.
Промышленность выпускает автоматизированные ацетиленовые станции различной производительности, позволяющие получать как газообразный, так и растворенный ацетилен.
