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Mar. 24 Juil. 2018, 21:16
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Le carbure de Calcium et l’acétylène
Fabrication du Carbure de Calcium
Le carbure de calcium est préparé par réaction du Coke (charbon très pur obtenu par distillation de la houille ou du charbon très pur : pureté ~90% de carbone) sur de la chaux vive très pure (~95% : obtenue en calcinant dans des fours du calcaire à 1000°C).
Le coke et la chaux vive sont broyés puis tamisés séparément.
Le mélange coke chaux vive finement broyé est effectué et introduit dans un four électrique.
Ce mélange est porté plus de 1800°C (le mélange chaux vive – coke se transformant en carburant de calcium à une température de 1700°C) par passage d’un courant électrique de l’ordre de 70000 Ampères (l’arc électrique est formé par des électrodes) ce qui permet la fusion du coke et de la chaux vive.
Le coke et la chaux vive ainsi liquéfiés peuvent dont réagir et former le carbure de calcium.
Des échantillons sont prélevés de temps à autre pour vérifier l’avancement de la réaction.
Une fois la réaction effectué la carbure de calcium qui est à l’état liquide est vidé puis refroidit. La masse ainsi obtenue est concassée pour obtenir des morceaux de divers calibres.
Le carbure de calcium ainsi est impur et contient environ 20% d’impureté (coke et chaux vive n’ayant pas réagit, résidu de réaction entre le coke et les impuretés emmenées par le coke lui-même et la chaux vive…..)
Réaction du Carbure de Calcium
Le carbure de calcium réagit avec l’eau pour donner de l’acétylène et de la chaux éteinte.
L’acétylène est un gaz très inflammable, très instable, très explosif, sans odeur donnant une flamme très blanche et très chaude.
Le carbure de calcium utilisé n’étant pas pur, la réaction de celui-ci avec l’eau va former d’autres gaz tel que la phosphine (PH3) et le sulfure d’hydrogène (H2S).
La phosphine a une odeur caractéristique d’ail et le sulfure d’hydrogène à une odeur caractéristique d’œuf pourri, ce qui donne une odeur au gaz s’échappant de la calebonde.
La chaux éteinte formée par réaction à une couleur blanchâtre une fois sèche. Les impuretés présentes dans le carbure de calcium donner des reflets jaunâtres ou grisâtres suivant le type d’impuretés.
Utilisation du carbure de calcium en spéléologie
En spéléologie l’acétylène est fabriqué dans la calebonde par réaction avec l’eau au fur et à mesure de sa consommation, ce qui exclue tout danger d’explosion si la calebonde est correctement utilisée.
L’acétylène ainsi formé est enflammé au niveau du casque par une étincelle.
Cette équation montre la réaction de combustion totale, c'est-à-dire si la combustion se fait convenablement.
Si cette combustion n’est plus totale nous auront en plus formation de carbone solide et de monoxyde de carbone. Le réglage de la calebonde est donc important pour avoir un débit suffisant d’acétylène.
Le cas de combustion incomplète est visible car il y’a une fumée noire contenant des particules solides qui se dégage lors de la combustion et la flamme est jaune au lieu d’être blanche : en spéléo on appelle cela par « charbonnage ».
Lors de combustion incomplète il y’a apparition de carbone solide sur le réflecteur du casque, ainsi que sur le bec. Ceci prouve que le débit d’acétylène est mal réglé : le carbure de calcium dans la calebonde est presque épuisé, le débit d’eau est trop faible ou voire même plus d’eau dans la calebonde, ou au pire des cas l’oxygène contenu à l’endroit ou vous êtes commence a manquer et vous risquez donc l’asphyxie.
L’utilisation d’un bec à haut débit (21 litres/heures) provoque une combustion incomplète si le débit d’eau est trop faible dans votre calebonde. L’utilisation d’un tel bec va donc augmenter la consommation en carbure de calcium. L’utilisation de becs de 14 litres/heures suffit amplement.
Pour finir une combustion incomplète provoque la pollution par dépôt de carbone un peu partout : sur les parois, les plafonds, voire dans le nez des spéléos présents.
Calculs d’autonomie en spéléologie
Une calebonde spéléo contient environ 400 grammes de Carbure de Calcium impur.
En admettant que les impuretés représentent 20% de la masse de Carbure impur, il ne reste que 320 grammes de Carbure pouvant former de l’acétylène.
La réaction du Carbure de Calcium va consommer 187.6 grammes d’eau et former 5.2 mol d’acétylène.
En considérant l’acétylène comme un gaz parfait calcul de l’autonomie en utilisant un bec de 14 et un bec de 21 litres/heure.
Utilisation de la loi : PV=nRT
Pressions de sortie de l’acétylène en bars
Température de la calebonde
Volume acétylène total pouvant se former en litres
Temps éclairage avec bec de 14 l/h en heures
Temps éclairage avec bec de 21 l/h en heures
1.2
10
101,9
7.3
4.9
1.2
12
102,6
7,3
4,9
1.2
15
103,7
7,4
4,9
1.2
20
105,5
7,5
5,0
1.2
25
107,3
7,7
5,1
1.2
30
109,1
7,8
5,2
1.2
35
110,9
7,9
5,3
1.2
40
112,7
8,1
5,4
1.2
45
114,5
8,2
5,5
1.2
50
116,3
8,3
5,5
1.2
60
119,9
8,6
5,7
1.5
10
81,5
5.8
3.9
1.5
12
82,1
5,9
3,9
1.5
15
83,0
5,9
4,0
1.5
20
84,4
6,0
4,0
1.5
25
85,8
6,1
4,1
1.5
30
87,3
6,2
4,2
1.5
35
88,7
6,3
4,2
1.5
40
90,2
6,4
4,3
1.5
45
91,6
6,5
4,4
1.5
50
93,0
6,6
4,4
1.5
60
95,9
6,9
4,6
1.8
10
67,9
4,9
3,2
1.8
12
68,4
4,9
3,3
1.8
15
69,1
4,9
3,3
1.8
20
70,3
5,0
3,3
1.8
25
71,5
5,1
3,4
1.8
30
72,7
5,2
3,5
1.8
35
73,9
5,3
3,5
1.8
40
75,1
5,4
3,6
1.8
45
76,3
5,5
3,6
1.8
50
77,5
5,5
3,7
1.8
60
79,9
5,7
3,8
La pression de sortie de l’acétylène est directement liée au débit d’eau fixé.
On peut donc voir que suivant le débit d’eau coulant sur le carbure (plus le débit d’eau est important, plus la pression augmente) et le type de bec utilisé, l’autonomie varie.
Plus le débit d’eau sera important, plus la pression de sortie de l’acétylène sera importante et plus la flamme sera grande.
Si le réglage d’eau est correctement effectué, la pression d’acétylène est légèrement supérieure à la pression atmosphérique donc supérieure à 1.013 bar soit environ 1.2 bars.
La réaction entre l’eau et le carbure de calcium étant exothermique (dégage de la chaleur).
Une variation de 50°C ne fais pas évoluer significativement le volume d’acétylène formé.
La calebonde en fonctionnement atteint une température d’environ 50-60°C.
A une pression d’environ 1.2 bars on peut espérer avoir 7.5-8.5 heures d’éclairage.
Données
Composé
Masse molaire en g.mol-1
Carbure de Calcium (CaC2)
61.4
Eau (H2O)
18.0
Hydroxyde de Calcium (Ca(OH)2))
40.1
Ethyne = Acétylène (C2H2)
26.0
Oxyde de Calcium (CaO)
56.08
Dioxygène (O2)
32.0
Monoxyde de Carbone (CO)
28.0
Dioxyde de Carbone (CO2)
44.0
Carbone
12.0
