Gaze combustibile - Acetilena, Carbura de calciu (carbid), Generatoare de acetilena

Gaze combustibile

Principalele gaze combustibile utilizate pentru obtinerea flacarii de gaze sunt hidrocarburile acetilena, metanul, propanul, butanul, metilacetilena-propadiena, hidrogenul, etc.

1.Acetilena (C₂H₂)

Caracteristici

Acetilena este in prezent gazul combustibil cel mai utilizat la obtinerea flacarii de gaze in procesele de sudare si procedee conexe. Eficienta extrem de ridicata a acetilenei poate fi explicata foarte simplu: temperatura ridicata a flacarii, energie enorma eliberata la arderea ei si viteza mare de propagare a flacarii, datorate structurii moleculare favorabile. Molecula de acetilena este constituita din doi atomi de carbon legati intre ei printr-o legatura tripla si doi atomi de hidrogen asezati simetric (fig. 7.2).

Acetilena este solubila, in apa dizolvandu-se un volum de acetilena, in alcool dizolvandu-se cinci volume de acetilena, in acetona dizolvandu-se (2426) volume de acetilena (solubilitatea acetilenei creste cu presiunea si scade cu cresterea temperaturii).

Acetilena este mai grea decat aerul. In conditii de presiune atmosferica se lichefiaza la - 84 ^oC si se solidifica la - 72 ^oC.

Alte caracteristici tehnice ale acetilenei sunt:

densitatea la 0 ⁰C si 1 bar: 1,178 Kg/m³;

densitatea la 15 ⁰C si 1 bar: 1,1 Kg/m³;

comparatia densitatilor: este cu aprox. 10 % mai usoara decat aerul;

masa molara: 26,04 g/mol;

conductivitatea termica la 4,4 ⁰C: 0,45 10⁴ cal/grd cm s;

punct triplu: - 80,8 ⁰C/1,28 bar;

punct critic: 35,18 ⁰C/61,81 bar;

temperatura de aprindere: in aer 335 ⁰C, in oxigen 300 ⁰C;

temperatura flacarii: min. 3.106 ⁰C si max. 3.160 ⁰C;

puterea flacarii (in nucleul flacarii): normal 8,4 kj/cm² s si max. 17,4 kj/cm² s;

limita de explozie: in aer (2,3 - 82) % vol., in oxigen (2,5 - 93) % vol.;

caldura de ardere: 48.700 kj/kg;

raportul amestec de acetilena/oxigen pentru flacara: normal 1/1,1 si max. 1/1,5;

Arderea completa a acetilenei are loc conform relatiei:

C₂H₂ + 5/2 O₂ 2CO₂ + H₂O + 1,3 10⁶ [kJ/kmol] (7.1)

caldura degajata insumand caldura de disociere exoterma a acetilenei si caldura dezvoltata la arderea primara a carbonului si hidrogenului, respectiv:

C₂H₂ CO₂ + H₂ + 2,25 10⁵ [kJ/kmol] (7.2)

C + O₂ CO₂ + 3,94 10⁵ [kJ/kmol] (7.3)

H₂ + 1/2O₂ H₂O (lichid) + 2,855 10⁵ [kJ/kmol] (7.4)

H₂ + 1/2O₂ H₂O (vapori) + 2,4 10⁵ [kJ/kmol] (7.5)

Temperatura flacarii joaca un rol important la obtinerea unui transfer de caldura rapid si concentrat pentru incalzirea sau preincalzirea pieselor metalice. Cu cat temperatura flacarii este mai mare cu atat transferul de caldura din flacara spre piesa este mai rapid. In figura 7.3. este prezentata distributia caldurii in axa flacarii oxiacetilenice.

Acetilena este gazul combustibil cu cea mai mare viteza de ardere. Eficienta termica este cu atat mai mare cu cat produselede ardere ating mai rapid suprafata piesei. Aceasta cerinta se impune in cazul materialelor metalice cu conductibilitate termica ridicata (otel, cupru, aluminiu).

Produsul dintre viteza de propagare si caldura eliberata in prima treapta de ardere in conul flacarii este definit ca randamentul specific al flacarii primare. Acestuia i se datoreaza capacitatea de incalzire a flacarii.

Proprietatile deosebite de combustie ale acetilenei o remarca pentru primul loc in tehnologia taierii oxi-gaz, aceasta si pentru ca puterea calorica a gazului combustibil nu este factorul decisiv. Puterea calorica cuprinde si caldura degajata in a doua faza a arderii cu flacara secundara. Aceasta caldura, insa, nu este utila la taierea oxiacetilenica (fig. 7.4).

La presiune atmosferica acetilena arde linistit cu o flacara luminoasa. Daca se afla la o anumita presiune, disocierea acetilenei care produce arderea, este exploziva cu degajare de caldura. Disocierea exploziva este precedata de polimerizare, respectiv de asocierea mai multor molecule intr-o molecula gigant nC₂H₂ C_2nH_2n, cu degajarea unei mari cantitati de caldura.

Deoarece polimerizarea este o reactie exoterma ce stimuleaza disocierea exploziva, se limiteaza presiunea de stocare a gazului in recipienti la 0,15 MPa.

Figura 7.6. Forma flacarii acetilenice in combinatie cu: a- oxigenul; b- aerul comprimat; c- aerul aspirat.

Purtatorii de oxigen genereaza impreuna cu gazele combustibile diferite forme ale flacarii (fig. 7.6). Flacara oxi-acetilenica este cea mai fierbinte si produce o crestere rapida a temperaturii metalului de baza.

La folosirea acetilenei in combustie cu aerul comprimat, temperatura flacarii si viteza de aprindere sunt mult mai mici, datorita faptului ca aerul contine circa 80 % azot (flacara mai "moale" care in piesa prelucrata produce un gradient plat de temperatura).

La aparatele cu aspiratie de aer, viteza de ardere se micsoreaza si mai mult datorita aerului comprimat, care avand o presiune maxima de 1,5 bar, imprima acetilenei aspirate o viteza mica la iesire.

Figura 7.7. Densitatea fluxului termic al unei flacari pentru diferite amestecuri de acetilena si oxigen.

La flacarile oxi-acetilenice, densitatea fluxului caloric este diferit in functie de raportul de amestecare (fig. 7.7). Din aceasta figura reiese si ce influenta exercita distanta dintre conul flacarii si metalul de baza, asupra fluxului caloric.

2. Carbura de calciu (carbid). Generarea acetilenei

Carbura de calciu este o substanta solida cu structura cristalina, duritate mare, de culoare bruna-cenusie, foarte hidroscopica (absoarbe chiar umezeala din atmosfera inconjuratoare), cu masa specifica de 2,8 kg/dm³. Carbidul se obtine prin combinarea oxidului de calciu (CaO) sau var nestins (obtinut prin calcinarea calcarului - CaCO₃) cu carbunele (cocs, antracit, mangal). Cele doua componente, sfaramate si amestecate sunt topite la temperaturi cuprinse in domeniul (1.0001.300) ^oC in cuptoare electrice rezultand carbura de calciu conform reactiei:

CaO+3C CaC₂+CO - 452,5 [kJ/kmol] (7.8)

Topitura obtinuta dupa solidificare, este concasata si sortata prin cernere dupa dimensiunile bulgarilor. Carbura de calciu tehnica (STAS 102 - 1986) se livreaza in calitatile A si B. Calitatea A se livreaza in tipurile I si II iar calitatea B in patru tipuri I, II, III si IV.

Carbura de calciu tehnica se ambaleaza in butoaie din tabla subtire tip O (STAS 5870 - 1974) si in containere special destinate pentru carbid, inchise etans, ele depozitandu-se in locuri ferite de umezeala si foc. Din ecuatia greutatilor moleculare rezulta:

pentru descompunerea a 1 kg carbura de calciu pura este necesar:

kg apa (7.9)

din 1 kg carbura de calciu se obtin:

kg acetilena (7.10)

kg hidroxid de calciu (7.11)

Cantitatea de caldura dezvoltata la descompunerea a 1 kg carbura de calciu pura este:

kJ/kg carbura de calciu (7.12)

Volumul de acetilena rezultat prin descompunerea a 1 kg carbura de calciu este mai mic decat cel rezultat din calcul. Carbura de calciu tehnica fiind obtinuta din componente ce nu sunt chimic pure, contine: (70.75) % oxid de calciu (CaO), sulfat de calciu (CaS), fosfat de calciu (Ca₃P₂), siliciu (Si), ferosiliciu, carbune etc, volumul de acetilena (C₂H₂) real este mai mic decat volumul teoretic. Prezenta impuritatilor, in special oxidul de carbon, reduce din caldura dezvoltata.

Oxidul de calciu reactioneaza cu apa, reactia respectiva fiind deasemenea exoterma:

CaO+H₂O Ca(OH)₂ +62,8 10³ kJ/kmol (7.13)

respectiv caldura produsa este:

kJ/kg oxid de calciu (7.14)

Considerand o carbura de calciu de puritate 75 %, efectul caloric al descompunerii carburii este:

Q_r = 0,75 1982 + 0,25 11250 = 1.709 kJ/kmol (7.15)

Volumul de acetilena scade cu cresterea granulatiei carburii de calciu deoarece granulele de dimensiuni mari ofera o suprafata mai mica de reactie cu apa.

Scaderea vitezei de reactie in a doua parte a intervalului de timp se datoreaza formarii pe suprafata granulelor a unui strat de hidroxid de calciu (namol de var). De aici necesitatea inlaturarii permanente a reziduului (namolul de var) produs si respectiv reinprospatarea apei din generator (cresterea temperaturii apei de reactie reduce viteza de reactie). In functie de sistemul de generare al acetilenei, ea contine cantitati variabile de impuritati (aer, vapori de apa, hidrogen sulfurat - H₂S si hidrogen fosforat - H₃P).

Aerul apare ca urmare a patrunderii sale in generator la incarcarea cu carbura de calciu si/sau la evacuarea namolului de var.

Vaporii de apa apar in urma ridicarii temperaturii apei in generator datorita efectului caloric al descompunerii carburii de calciu.

Prezenta lor scade puterea calorica a acetilenei si oxideaza fierul in cazul sudarii oxiacetilenice a otelurilor si a fontelor conform reactiei:

3Fe +4H₂O Fe₃O₄+4H₂ (7.16)

Hidrogenul sulfurat (H₂S) apare in acetilena prin descompunerea in apa a sulfurilor din carbura de calciu.

Hidrogenul fosfarat (H₃P) apare in acetilena prin descompunerea in apa a fosfurilor din carbura de calciu.

Conform STAS 3660 - 1979 hidrogenul sulfurat in acetilena este limitat la max. 0,05 % vol. iar hidrogenul fosforat este limitat la max. 0,02 % vol.

3. Generatoare de acetilena

3.1. Schema de principiu a unei instalatii generatoare de acetilena este prezentata in figura 7.8.

Acetilena produsa in generatorul (4) este condusa prin regulatorul de debit (3) in spalatorul de gaz (5) care retine impuritatile mecanice si stocata in rezervorul tampon (6).

Din acest rezervor gazul este trimis spre consumatori prin filtrul (7) care retine impuritatile chimice, supapa de siguranta hidraulica (9) si robinetul de serviciu (8). Cele cinci recipiente sunt prevazute cu vane de golire si spalare (10). Pe generatorul de acetilena (4) sunt montate manometrul (1) si supapa de siguranta uscata (2).

Figura 7.8. Schema de principiu a unei instalatii generatoare de acetilena: 1- manometru; 2- supapa de siguranta uscata; 3- regulator de debit; 4- generator de acetilena; 5- spalator de gaz; 6- rezervor tampon; 7- filtru; 8- robinet; 9- supapa de siguranta hidraulica; 10- vane de golire si spalare.

Clasificarea generatoarelor de acetilena

Generatorul este aparatul care produce acetilena prin reactia dintre carbura de calciu tehnica (carbid) si apa.

Conform standardului de stat STAS 6306/1 - 1980 generatoarele de acetilena se clasifica dupa urmatoarele criterii principale:

1. Dupa modul de punere in prezenta a substantelor ce intra in reactie:

generator de contact in care o cantitate de carbid este imersata intr-o masa de apa in exces, pana la descompunerea completa a acestuia, cantitatea de acetilena produsa fiind reglata prin dozarea carbidului (fig.7.9a, b si c si fig. 7.12a si b);

generator cu stropire la care stropii de apa intra in contact cu o cantitate de carbid in exces, cantitatea de acetilena produsa fiind reglata prin dozarea stropirii cu apa a carbidului (fig. 7.10a si b si fig. 7.11a si b);

2.Dupa durata contactului dintre substantele ce intra in reactie:

generator cu contact permanent (fig. 7.9a, b si c);

generator cu contact intermitent (fig. 7.22a si b).

3.Dupa modul de realizare a intermitentei contactului dintre substantele ce intra in reactie:

generator cu deplasarea incarcaturii de carbid (fig. 7.12b);

generator cu refularea apei (fig. 7.12a).

Figura 7.9. Generatoare de acetilena sistem carbid in apa: 1- corp; 2- reactor; 3- colector; 4- dispozitiv de inchidere; 5- dispozitiv de golire; 6- dispozitiv de alimentare cu carbid; 7- dispozitiv de alimentare cu apa; 8- teava de supraproductie; 9- supapa de siguranta; 10- indicator de nivel; 11- supapa de sens; 12- gratar; 13- teava de prea plin; 14- buncar de carbid; 15- teava de introducere; 16- teava de iesire.

4.Dupa starea varului rezidual descarcat din aparat:

generator cu var umed la care varul rezidual este sub forma de pasta (fig. 7.9a, b si c si fig. 7.12a si b);

generator cu var uscat la care varul rezidual este in stare uscata sau usor umeda (fig. 7.10a si b si fig. 7.11a si b).

5.Dupa presiunea acetilenei din reactorul generatorului:

generator de joasa presiune la care presiunea de generare a acetilenei este de max. 0,2 bar;

generator de medie presiune la care presiunea de generare a acetilenei este mai mare de 0,2 bar, dar de max. 1,5 bar.

Figura 7.10. Generatoare de acetilena sistem apa peste carbid umede: 1- corp; 2- reactor; 3- sertar cu carbid; 4- dispozitiv de inchidere; 5- dispozitiv de golire; 6- indicator de nivel; 7- supapa de siguranta; 8- teava de supraproductie; 9- colector de acetilena; 10- supapa de sens; 11- dispozitiv de alimentare cu apa; 12- teava de iesire.

Figura 7.11. Generatoare de acetilena sistem apa peste carbid uscate: 1- reactor; 2- sita; 3- buncar de carbid; 4- dispozitiv de inchidere; 5- dispozitiv de golire; 6- dispozitiv de alimentare cu apa; 7- dispozitiv de alimentare cu carbid; 8- mecanisme de comanda; 9- intrerupator de siguranta al circuitului de apa; 10- teava de iesire; 11- supapa de sens; 12- supapa de siguranta.

Figura 7.12. Generatoare de acetilena cu contact intermitent: 1- corp; 2- reactor; 3- camera de refulare; 4- buncar de carbid; 5- dispozitiv de inchidere; 6- dispozitiv de golire; 7- indicator de nivel; 8- supapa de siguranta; 9- teava de supraproductie; 10- colector de acetilena; 11- teava de iesire.

6.Dupa modul de debitare a acetilenei produsa in reactorul generatorului:

generator cu functionare continua la care alimentarea cu carbid si/sau descarcarea vasului rezidual se face in mod continuu sau intermitent, fara a fi necesara intreruperea debitarii de acetilena;

generator cu functionare intermitenta la care alimentarea cu carbid si/sau descarcarea vanului rezidual necesita intreruperea debitarii de acetilena;

7.Dupa mobilitatea generatorului:

• generator stationar;
• generator transportabil.

8.Dupa constructia sistemului de colectare a acetilenei:

generator cu volum constant (fig. 7.9a si b, fig. 7.10b si fig. 7.11 a si b);

generator cu volum variabil, respectiv generator cu clopot plutitor (fig. 7.9c, fig. 7.10a si fig. 7.12a si b).

9.Dupa sistemul de alimentare cu carbid:

generator cu alimentare manuala:

v      carbid in vrac (fig. 7.9a si fig. 7.11b);

v      carbid in cos (fig. 7.12a si b);

v      carbid in tava (fig. 7.10a si b);

generator cu alimentare mecanizata si functionare:

v      intermitenta (fig. 7.9 c si fig. 7.112b);

v      continua (fig. 7.9b si fig. 7.11a).

10.Dupa sistemul de descarcare a varului:

generator cu descarcare manuala, intermitenta, realizata:

v      prin golire de fund (fig. 7.9a, b si c, fig. 7.11b si fig. 7.12a si b);

v      prin extragere (fig. 7.11a si b);

generator cu descarcare mecanizata, continua (fig. 7.11a).

La generatoarele de acetilena transportabile, debitul nominal trebuie sa fie de cel mult 3,2 m³/h si incarcarea de carbid de cel mult 10 kg.