Углекислый газ CO2 (углекислота, двуокись углерода, диоксид углерода, угольный ангидрид) в зависимости от давления и температуры может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии.
В газообразном состоянии диоксид углерода представляет собой бесцветный газ с немного кисловатым вкусом и запахом. В атмосфере Земли содержится около 0,04% углекислого газа. При нормальных условиях его плотность составляет 1,98 г/л – примерно в 1,5 раза больше плотности воздуха.
Диаграмма. Фазовое равновесие углекислоты
Жидкий диоксид углерода (углекислота) представляет собой бесцветную жидкость без запаха. При комнатной температуре она существует только при давлении свыше 5850 кПа. Плотность жидкой углекислоты сильно зависит от температуры. Например, при температуре ниже +11°С жидкая углекислота тяжелее воды, при температуре выше +11°С – легче. В результате испарения 1 кг жидкой углекислоты при нормальных условиях образуется примерно 509 л газа.
При температуре около -56,6°С и давлении около 519 кПа жидкая углекислота превращается в твердое вещество – «сухой лед».
В промышленности наиболее распространены 3 способа получения углекислого газа:
- из отходящих газов химических производств, прежде всего синтетического аммиака и метанола; в отходящем газе содержится примерно 90% углекислого газа;
- из дымовых газов промышленных котельных, сжигающих природный газ, уголь и другое топливо; в дымовом газе содержится 12–20% углекислого газа;
- из отходящих газов, образующихся при брожении в процессе получения пива, спирта, при расщеплении жиров; отходящий газ представляет собой почти чистый углекислый газ.
Согласно ГОСТ 8050-85 газообразная и жидкая углекислота поставляется трех видов: высшего, первого и второго сортов. Для сварки рекомендуется использовать углекислоту высшего и первого сорта. Применение углекислоты второго сорта для сварки допускается, однако желательно наличие осушителей газа. Допустимое содержание углекислого газа и некоторых примесей в различных марках углекислоты приведено в таблице ниже.
Таблица. Характеристики марок углекислоты
| Марка углекислоты |
Углекислота сварочная высшего сорта |
Углекислота сварочная первого сорта |
Углекислота второго сорта |
| Объемная доля углекислого газа, %, не менее |
99,8 |
99,5 |
98,8 |
| Доля воды, %, не более |
нет |
нет |
0,1 |
| Содержание водяных паров, г/м3, не более |
0,037 |
0,184 |
Не нормируется |
Меры безопасности при работе с углекислым газом:
- Углекислота не токсична и не взрывоопасна, однако при ее концентрациях в воздухе свыше 5% (92г/м3) снижается доля кислорода, что может привести к кислородной недостаточности и удушью. Поэтому следует опасаться ее скапливания в плохо проветриваемых помещениях. Для регистрации концентрации углекислоты в воздухе производственных помещений применяются газоанализаторы – стационарные автоматические или переносные.
- При уменьшении давления до атмосферного жидкая углекислота превращается в газ и снег с температурой -78,5°C и может привести к поражению слизистой оболочки глаз и обморожению кожи. Поэтому при отборе проб жидкой углекислоты необходимо пользоваться защитными очками и рукавицами.
- Осмотр внутренней емкости ранее эксплуатируемой цистерны для хранения и транспортирования жидкой углекислоты необходимо проводить в шланговом противогазе. Цистерну необходимо отогреть до температуры окружающей среды, а внутреннюю емкость продуть воздухом или провентилировать. Противогаз разрешается не использовать только после того, как объемная доля углекислоты внутри оборудования станет ниже 0,5%.
Применение углекислого газа при сварке
Углекислый газ применяется в качестве активного защитного газа при дуговой сварке (обычно при полуавтоматической сварке) плавящимся электродом (проволокой), в том числе в составе газовой смеси (с кислородом, аргоном).
Снабжение сварочных постов углекислым газом может осуществляться следующими способами:
- непосредственно от автономной станции по производству углекислоты;
- от стационарного сосуда-накопителя – при значительных объемах потребления углекислого газа и отсутствии у предприятия собственной автономной станции;
- от транспортной углекислотной емкости – при меньших объемах потребления углекислого газа;
- от баллонов – при незначительных объемах применения углекислого газа или невозможности прокладки трубопроводов к сварочному посту.
Автономная станция по производству углекислоты – отдельный специализированный цех предприятия, производящий диоксид углерода для собственных нужд и поставки другим организациям. Углекислый газ подается к сварочным постам по газопроводам, проложенным в сварочных цехах.
При больших объемах потребления углекислого газа и отсутствии у предприятия автономной станции углекислота хранится в стационарных сосудах-накопителях, в которые она поступает из транспортных емкостей (см. рисунок ниже).
Рисунок. Схема снабжения сварочных постов углекислым газом от стационарного сосуда-накопителя
При меньших объемах потребления подача углекислоты по трубопроводам может осуществляться непосредственно от транспортной емкости. Характеристики некоторых стационарных и транспортных емкостей приведены в таблице ниже.
Таблица. Характеристики емкостей для хранения и транспортировки углекислого газа (углекислоты)
| Марка |
Масса углекислого газа, кг |
Назначение |
Время хранения углекислого газа, сутки |
Марка газификатора |
| ЦЖУ-3,0-2,0 |
2 950 |
Транспортная автомобильная ЗИЛ-130 |
6-20 |
ЭГУ-100 |
| НЖУ-4-1,6 |
4 050 |
Стационарный накопитель |
6-20 |
ЭГУ-100 |
| ЦЖУ-9,0-1,8 |
9 000 |
Транспортная автомобильная МАЗ 5245 |
6-20 |
ГУ-400 |
| НЖУ-12,5-1,6 |
12 800 |
Стационарный накопитель |
6-20 |
ГУ-400 |
| УДХ-12,5 |
12 300 |
Стационарный накопитель |
Неограниченно, оборудован холодильной установкой |
УГМ-200М |
| ЦЖУ-40-2 |
39 350 |
Транспортная железнодорожная |
40 |
ГУ-400 |
| РДХ-25-2 |
25 500 |
Стационарный накопитель |
Неограниченно, оборудован холодильной установкой |
ГУ-400 |
| НЖУ-50Д |
50 000 |
Стационарный накопитель |
Неограниченно, оборудован холодильной установкой |
ГУ-400 |
При небольших объемах потребления углекислого газа или невозможности проведения трубопроводов к сварочным постам для снабжения углекислым газом используются баллоны. В стандартный черный баллон емкостью 40 л заливают 25 кг жидкой углекислоты, которая обычно хранится при давлении 5–6 МПа. В результате испарения 25 кг жидкой углекислоты образуется примерно 12 600 л газа. Схема хранения углекислоты в баллоне приведена на рисунке ниже.
Рисунок. Схема хранения углекислого газа (углекислоты) в баллоне
Для отбора газа из баллона он должен оснащаться редуктором, подогревателем газа и осушителем газа. При выходе углекислого газа из баллона в результате его расширения происходит адиабатическое охлаждение газа. При высокой скорости расхода газа (более 18 л/мин) это может привести к замерзанию содержащихся в газе паров воды и закупорке редуктора. В связи с этим между редуктором и вентилем баллона желательно размещать подогреватель газа. При прохождении газа по змеевику он подогревается электрическим нагревательным элементом, включенным в сеть с напряжением 24 или 36В.
Для извлечения влаги из углекислого газа применяется осушитель газа. Он представляет собой корпус, заполненный материалом (обычно силикагелем, медным купоросом или алюмогелем), хорошо впитывающим влагу. Осушители бывают высокого давления, устанавливаемые до редуктора, и низкого давления, устанавливаемые после редуктора.
