Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология нефть и способы ее переработки, пиролиз древесины, косвенные способы измерения физических величин в технологии, анализ газовых с
.pdf
61
сальный газоанализатор, пригодный для измерения концентрации большого числа различных газов. Более того, зачастую для
измерения концентрации одного компонента (например, кислорода) применяется несколько методов. В газоанализаторах для
получения достоверной информации предусматривается подготовка пробы. При подготовке пробы проводится ее очистка и
осушка, удаление неопределяемых компонентов, которые могут
оказывать влияние на работу прибора, в некоторых случаях
проводятся предварительные химические реакции.
Процедура анализа газовых смесей может осуществляется как
для исходного сырья, газовых смесей, подвергшихся обработке,
так и для сложных газовых смесей, предназначенных для синтеза.
Например, анализ природного газа позволяет определить долю легких углеводородов с различной молярной массой. В производстве серной кислоты большое внимание уделяется очистке
сернистого газа от пылевидных частиц, возникающих при обжиге пирита, при этом используется многостадийная очистка с использованием рукавных фильтров для удаления наиболее крупных частиц, фильтров циклонного типа для частиц средних размеров и электрофильтров – для наиболее мелких, которые не
были задержаны предыдущими стадиями. При синтезе аммиака
важно обеспечить и проконтролировать точный состав газовой
смеси, входящей в реактор. А именно: объемное соотношение
водорода и азота должно составлять 3 : 1, необходимо обеспечить отсутствие сероводорода, кислорода, угарного газа как каталитических ядов; необходимо знать точную концентрацию аргона и метана как газов, не мешающих реакции, но занимающих
объем. Если газовые смеси являются результатом проведения
процесса, то анализ таких смесей может дать информацию о
правильности протекания процесса, выходе основного продукта,
наличии побочных продуктов, возможном уносе газовым потоком катализатора, наличии продуктов коррозии аппаратуры,
полноте сгорания топлива.
62
В химической промышленности большое значение имеет подготовка газовых смесей к использованию, создание смесей с
определенным содержанием компонентов, очистка газов от посторонних примесей (твердых, жидких и газообразных).
Большое распространение имеют смеси инертных газов. Это
связано с широкой областью их применения. В частности, использование смеси инертных газов в пищевой промышленности
по сравнению с вакуумным хранением позволяет сохранять
ценные качества продукта и его форму. Смесь аргона, криптона
и ксенона используется в осветительных приборах. Газовые смеси на основе аргона, криптона и оксида углерода (IV) используются в электродуговой сварке. Использование таких смесей повышает производительность сварочных работ. Кроме того, применение смесей инертных газов приобретает широкий интерес
при создании эксимерных лазеров. Такие приборы применяются
в качестве источников мощнейшего ультрафиолетового излучения. Многокомпонентные газовые смеси могут подаваться как
газовый поток. Для получения такого газового потока с объемом
расходования в десятки и сотни кубических метров используют
смесительные устройства. В них концентрация отдельных компонентов определяется значением гидравлического сопротивления определенного канала. В свою очередь, расход газа через
калибровочное отверстие будет зависеть от природы вещества и
давления. Многокомпонентные газовые системы можно получать путем смешения в баллонах, что обеспечивает высокое качество получаемой смеси. Но такой способ является неэффективным и малопроизводительным, так как требуется постоянное наполнение, перемешивание и анализ.
Зачастую требуется очистка газовых смесей от посторонних
твердых, жидких, газообразных веществ. Очистку от взвешенных частиц производят: а) сухим способом, для чего используют
аппараты, которые резко изменяют направление и скорость газового потока, что приводит к осаждению взвешенных частиц;
63
б) мокрым способом, заключающимся в том, что очищаемый газ
контактирует с промывной жидкостью (чаще всего водой), в результате чего твердые и жидкие посторонние вещества переходят в среду жидкости, которая поступает в отстойники; в) фильтрованием – в данном случае газовый поток пропускают сквозь
фильтры, которые способны задерживать, как правило, частицы
размером меньше 1 мкм; г) электростатическим способом – за
счет ионизации твердых частиц путем воздействия на них электрического поля высокого напряжения (до 90 кВ) и последующего осаждения на электродах. Очистка газовых смесей от газообразных веществ может быть физико-химической, физической,
механической и химической. К физико-химическим и химическим методам очистки относят абсорбцию/адсорбцию и хемосорбцию соответствующими реагентами. Фильтрация может
быть как механической (в данном случае используют пористые
материалы), так и химической (фильтр вступает в химическую
реакцию с газовой смесью). К физическим способам очистки относят конденсацию газовых смесей; этот способ основан на разности температур кипения газов.
Хранение газовых смесей в промышленных масштабах осуществляют в сжатом, сжиженном состоянии либо в виде гидратов. Газы сжатые или сжиженные находятся под высоким давлением, что подразумевает использование высокопрочной упаковки. Для такого способа хранения или транспортировки обычно
дополнительно используют низкие температуры. В связи с этим к
упаковке таким способом хранящихся газов предъявляются следующие требования: сосуды должны быть выполнены либо из
углеродистой стали, либо из меди, а если используются стеклянные емкости малой вместительности, то они должны быть помещены в деревянные ящики, обшитые внутри металлом. Кроме
того, баллоны должны быть соответствующим образом маркированы. Определенные требования предъявляются и к складским
помещениям, в которых баллоны с газовыми смесями хранятся.
64
В частности, такие помещения должны быть обеспечены работающей вентиляцией, баллоны с горючими газами надо хранить
вдалеке от баллонов с кислородом, воздухом или фтором. Газовые гидраты представляют собой кристаллические структуры, в
которых молекулы газа за счет сил Ван-дер-Ваальса удерживаются в каркасе из молекул воды. Такие соединения имеют переменный состав и образуются при пониженной температуре и повышенном давлении. Газовые гидраты зачастую хранят на морских
платформах в подводных сосудах под давлением.
Хранение больших объемов промышленных газов осуществляется в газгольдерах (англ. gas holder) – резервуарах цилиндрической или сферической формы, объем которых может достигать 100 000 м3 при давлении до 18 атм. По конструкции газгольдеры могут быть переменного объема и переменного давления, мокрыми и сухими, надземными и подземными, нормальной температуры и охлаждаемыми (криогенными).
Транспортировку газовых смесей можно осуществлять несколькими способами. Во-первых, это перевозка автотранспортом, по железной дороге или по воде в автоцистернах или баллонах. Во-вторых, газовые смеси можно перемещать по трубопроводам как на дальние расстояния, так и в пределах одного
предприятия, цеха, участка или отдельной установки. Движение
по трубопроводам можно осуществить, только создавая разность давлений между источником газа и его потребителем.
Устройства, способные создавать разность давлений, весьма
разнообразны и подразделяются как по назначению, так и по
конструкции. Наиболее распространенными среди них являются:
– вентиляторы (лопастные и центробежные) – предназначены для перемещения больших объемов газа при относительно
низком избыточном давлении (до 15 кПа);
– газодувки (роторные и турбинные) – для перемещения газов по каналам с высоким аэродинамическим сопротивлением
(до 300 кПа);
65
– насосы и компрессоры (поршневые, турбинные, шестеренчатые, ротационные, мембранные, пластинчатые, диафрагменные и др.) – для перемещения газов при создаваемом давлении
более 300 кПа.
Насосы способны работать с жидкими и газообразными средами, их основная задача – перекачка, поэтому главной технической характеристикой насоса является создаваемый поток, или
расход. Компрессоры работают исключительно со сжимаемыми
(газовыми) средами, и их задачей может являться не столько перемещение среды, сколько создание и поддержание высокого
давления (например, для обеспечения условий протекания реакции, смещения реакционного равновесия, изменения агрегатного состояния хладагента в холодильных машинах и т. п.). Следует помнить, что специальные конструкции насосов и компрессоров позволяют эффективно производить не нагнетание, а откачку газа и, соответственно, создание вакуума (струйные, форвакуумные, паромасляные, турбомолекулярные и др.).
Основной принцип классификации насосов и компрессоров основан на типе рабочей камеры, они могут быть объемными и динамическими. Принцип действия объемных насосов заключается
в том, что рабочие элементы (цилиндр, поршень, ротор) периодически образуют замкнутый объем жидкости или газа, затем
этот объем уменьшается, что приводит к увеличению давления
среды и ее перемещению в нагнетательный трубопровод, при
этом кинетическая энергия в таких насосах меняется несущественно. В динамических насосах объем рабочей камеры постоянен, движение среды и увеличение ее давления происходит по
гидродинамическому принципу – за счет передачи среде импульса от движущихся деталей (лопатки турбины, лопасти пропеллера); кинетическая энергия в таких насосах меняется существенно.
Значительное увеличение давления газа в компрессоре может
происходить только за счет высокой степени сжатия, поэтому
компрессоры, как правило, являются машинами объемного типа.
66
Экспериментальная часть. Анализ газовой смеси
Принцип действия газоанализатора (рис. 3) основан на избирательном поглощении CO2, CnHm, O2, CO соответствующими поглотительными растворами и фракционном сжигании H2 и СН4
над окисью меди при разных температурах ее нагрева. При этом
процентное содержание компонентов газовой смеси соответствует сокращению объема анализируемой пробы газа при последовательно проводимых операциях поглощения или сжигания.
Рис. 3. Газоанализатор
67
Газоанализатор состоит из измерительной бюретки 1 с присоединенной к ней микробюреткой 2 и шести поглотительных сосудов 3–8. Бюретка 1 имеет четыре расширения, каждое объемом
по 20 мл. На сужениях бюретки нанесены деления, позволяющие
отсчитать объемы в 20, 40, 60 и 80 мл с точностью 0,05 мл. Микробюретка градуирована по всей длине, имеет емкость 22 мл,
каждое деление отвечает 0,05 мл. Бюретка и микробюретка помещены в цилиндр с водой, что позволяет поддерживать определенную температуру и производить все измерения объемов газа
при одной и той же температуре.
Газы поглощаются в поглотительных сосудах 3–8. Каждый
поглотительный сосуд состоит из наружного и внутреннего
баллонов, имеющих специальные насадки. Поглотительные сосуды с помощью резиновых трубок соединены с распределительной гребенкой 9, которая также соединена с измерительной бюреткой 1 и дожигательной трубкой 10. Не гребенке имеется семь двухходовых кранов 11–17, сообщающихся с каждым
поглотительным сосудом и бюреткой. Имеется два трехходовых
крана 18, 19, предназначенных для сообщения прибора с атмосферой и для отбора пробы газа на анализ. Газоанализатор
имеет переносную электрическую печь 20, предназначенную
для сжигания горючих газов.
Для того чтобы выполнить отбор пробы газа, сначала проверяют положение уровней жидкостей в поглотительных сосудах и
бюретке, при необходимости доводят уровни до меток. Если
уровни жидкостей не изменяются, то это указывает на герметичность прибора и на готовность его к работе. Пипетку с пробой газа присоединяют к гребенке через кран 19, открывают кран 25 и
набирают около 60 мл газа в бюретку путем опускания уравнительной склянки 21. Кроме того, для поступления газа в бюретку
необходимо в пипетке создать некоторое давление, подключив ее
к емкости с водой или водопроводу. Затем, закрыв кран 19, поднимают уравнительную склянку 21 и вытесняют газ через гре-
68
бенку в атмосферу (при этом необходимо открыть заглушку 24).
Таким образом осуществляют «промывку» гребенки испытуемым
газом. Затем приступают к отбору пробы газа на анализ. Проба
газа отбирается из той же пипетки аналогичным образом, с той
лишь разницей, что открывают оба крана – 25 и 26. Уровень жидкости в бюретке с помощью крана 25 устанавливают точно на
нижнем делении, соответствующем объему 80 мл. В микробюретку набирают газа несколько больше 20 мл (21–22 мл) и
закрывают краны 19 и 26. Затем, несколько приподнимая измерительную склянку 21, открывают кран 26 и кран 18 на сообщение с атмосферой, т. е. выпускают избыток газа из микробюретки, и доводят уровень жидкости в ней до 20 мл. Общий объем газа определяют суммированием его объемов в бюретке и микробюретке.
Выполнение анализа. Анализ методом поглощения проводят в определенном порядке, при котором каждый последующий реагент поглощает только один компонент (или сумму однородных компонентов) газовой смеси, не реагируя с остальными. В соответствии с этим поглотительные растворы в приборе
расставлены в необходимой последовательности. Анализ начинается с поглощения СО2. Для этого, несколько приподняв
склянку 21, открывают краны 25 и 26 и кран 12 на сообщение
бюретки с поглотительным сосудом 3, заполненным раствором
KOH. Газ прокачивают три-четыре раза, остаток его переводят в
бюретку, поднимая жидкость в поглотительном сосуде до метки,
и закрывают кран 12. Если при этом объем остатка газа меньше
80 мл, уровень жидкости в левой части бюретки устанавливают
в зависимости от объема газа на 60, 40 или 20 мл и закрывают
кран 25. Остальной газ забирают в микробюретку, устанавливают уровни жидкости в микробюретке и в уравнительной склянке на одной высоте, закрывают кран 26 и оставляют газ на 1 минуту для стекания жидкости. По истечении этого времени замеряют объем оставшегося газа. С целью проверки полноты по-
69
глощения газ вновь прокачивают два-три раза через раствор
щелочи. Если после повторных прокачиваний объем газа не изменяется, поглощение углекислого газа считают законченным.
Если же объем газа продолжает уменьшаться, прокачивания повторяют до наступления постоянного объема.
Следующим компонентом является сумма непредельных угле-
водородов, поглощаемых в сосуде 4 бромной водой. Для этого газ
из бюретки, как описано выше, переводят в поглотительный сосуд 4, оставляя его на одну-две минуты, после чего, повторив еще
одно-два прокачивания, забирают весь газ в бюретку и тотчас же
прокачивают через сосуд 3 с раствором KOH для поглощения паров брома, выделившихся из бромной воды. После замера объема
газа прокачивание повторяют до получения постоянного объема.
Поглощенное количество принимают за сумму CnHm.
Газ, оставшийся после удаления непредельных углеводоро-
дов, аналогичным образом прокачивают через сосуд 5 с пирогаллолом для поглощения кислорода.
Газ, оставшийся после удаления кислорода, прокачивают для
поглощения окиси углерода в сосуды 6, 7, которые заполнены
аммиачным раствором меди (I). Поглощение окиси углерода
ведется сначала в сосуде 6 до тех пор, пока уменьшение объема
газа не станет незначительным (в пределах десятых долей
миллилитра), затем газ прокачивают в сосуд 7, где окончательно поглощается окись углерода. Перед окончательным измерением объема пробу газа для удаления паров аммиака перекачивают в сосуд 8 с 10%-ным раствором серной кислоты и оставляют газ в сосуде 8, не производя измерений его объема.
Затем необходимо подготовить прибор для определения водорода и метана методом сжигания над окисью меди. Процесс
проводят при температуре 260–270 °С в дожигательной трубке,
наполненной окисью меди. Трубка обогревается съемной электропечью, температура регулируется реостатом и измеряется
термопарой, вставленной в верхнее отверстие печи.
70
Перед сжиганием водорода и метана необходимо дожига-
тельную трубку и гребенку наполнить азотом. Для этого через
кран 18 или 19 отбирают в бюретку 60–70 мл воздуха и многократным прокачиванием через раствор пирогаллола получают
азот. Полученный азот из бюретки пропускают в дожигательную
трубку. Для этого открывают краны 22 и 23, а кран 15 поворачивают на 60°, перекрывая им гребенку (эти краны должны находиться в таком же положении и в процессе сжигания водорода).
Затем, открыв кран 11 на сообщение бюретки с гребенкой и
дожигательной трубкой, а также кран 25, поднимают уравнительную склянку и одновременно снимают заглушку 24 (заполнение азотом гребенки и дожигательной трубки можно выполнить в начале опыта). Кран 15 поворачивают в первоначальное
положение. Затем открывают кран 17 и краны на бюретке, забирают газы из сосуда 8 в бюретку для определения поглощенного
угарного газа в сосудах 6 и 7. После этого приступают к сжиганию водорода и метана. Для этого на дожигательную трубку
надевают печь, предварительно нагретую до 260–270 °С.
Находящийся в бюретке газ перекачивают из бюретки через
дожигательную трубку в сосуд 8 для поглощения паров воды, образующихся в результате горения газов. Положение кранов при
сжигании водорода – аналогичное процессу наполнения гребенки
азотом. Кроме того, необходимо открыть кран 17 на сообщение с
сосудом 8. После окончания сжигания печь снимают с дожига-
тельной трубки. Трубка охлаждается до комнатной температуры.
Газ из поглотительного сосуда 8 возвращается через охлажденную дожигательную трубку в бюретку для измерения его объема.
Убыль газа, определенную сразу после сжигания, принимают
за водород. Затем остаток прокачивают через поглотительный
сосуд 3 для поглощения углекислого газа, возникшего при сгорании метана. Убыль объема принимают за метан.
Остаток после сжигания водорода и метана принимают
за азот.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]