Общий газовый анализ

Часто бывает необходимо проводить анализ отдельных образ­цов газа с целью количественного определения наиболее часто встречающихся и наиболее известных индивидуальных компо­нентов или групп этих компонентов. Для этих целей применяется прежде всего так называемый общий газовый анализ.

К числу наиболее часто встречающихся компонентов отно­сятся прежде всего кислород и азот. Оба эти газа могут встре­титься в любой анализируемой газовой смеси вследствие попада­ния в нее атмосферного воздуха. Наличие кислорода и азота в таком же соотношении, как в воздухе свидетельствует о попадании воздуха в анализируемый газ. Следует также отметить, что азот является одним из часто встречающихся компо­нентов различных природных газов, содержащихся как в осадоч­ных, так и в магматических породах. Азот присутствует и в раз­личных промышленных газах.

Другим часто встречающимся компонентом газовых смесей является углекислый газ, который представляет собой продукт окисления разнообразных углеродистых веществ и встречается в природных газах, в газах, образующихся при сгорании различ­ных видов топлива и при химической переработке горючих иско­паемых. В процессах сгорания и химической переработки горю­чих ископаемых образуются также окись углерода и водород. Эти же компоненты встречаются в газах химической промышлен­ности и в некоторых природных газах. Природные и промышлен­ные газы часто состоят по преимуществу из углеводородов или во всяком случае содержат примесь углеводородов. При общем газовом анализе определяют такие компоненты, как СО₂, О₂, Н₂, СО, N₂, сумму предельных и сумму непредельных углеводо­родов.

Азот при общем анализе определяется по разности как оста­ток после удаления других газов. Вместе с азотом в этом остатке находятся и редкие газы Не, Аг, Ne, Кг и Хе, если они присут­ствуют в газовой смеси. В случае наличия в анализируемом газе азота атмосферного происхождения в этом азоте всегда присут­ствует аргон (около 1 % по отношению к азоту) и весьма неболь­шие количества других редких газов.

Методика общего газового анализа заключается в последова­тельном поглощении СО₂, непредельных углеводородов (если предполагается их присутствие) О₂ и СО с замером остающегося объема газа после завершения поглощения каждого из компо­нентов. Для поглощения СО₂ применяется обычно 40%-ный или 50%-ный раствор КОН (иногда NaOH), для поглощения непре­дельных — раствор КВг, насыщенный бромом (с последующим удалением паров брома в растворе КОН).

Указанная последовательность поглощения отдельных компо­нентов обусловлена их химическими свойствами.

После удаления упомянутых компонентов проводят сожжение газа. Первой операцией здесь является низкотемпературное сожжение водорода на окиси меди при 270—280°. Водород восстанавливает при этой температуре окись меди с образованием паров воды. Поскольку газовая смесь насыщена водяным паром, дополнительное образование Н₂О приводит к се конденсации. Так как объем сконденсировавшейся воды мал по сравнению с объемом газа, из которого она образовалась, то уменьшение объема газа при таком сожжении соответствует количеству сгоревшего водорода.

Второй операцией при сожжении газа является высокотемпе­ратурное сожжение предельных углеводородов.

Известно несколько вариантов этого метода. На окиси меди такое сожжение проводится при температуре красного кале­ния — около 850 и 900° (или 700° на активированной окиси меди). В этом случае не требуется добавления кислорода, необходимого для сожжения, поскольку окисление углеводородов происходит за счет кислорода окиси меди.

После сожжения образуется углекислый газ, количество кото­рого определяется путем поглощения в растворе КОН. Полнота сожжения устанавливается по отсутствию образования СО₂ при очередном пропускании газа через трубку с окисью меди.

Другой вариант методики сожжения заключается в примене­нии пипетки или трубки с платиновой спиралью, накаляемой электрическим током. Для проведения сожжения в пипетку до­бавляют кислород, а иногда воздух. Кислород всегда берется в большом количестве.

Количество углекислого газа, образующегося при сожжении, зависит от числа углеродных атомов в молекулах сгоревших углеводородных компонентов. По количеству образовавшегося углекислого газа можно судить о составе углеводородного газа.

Для проведения анализа по описанной выше методике было разработано много приборов. Эти приборы подверглись в дальнейшем различным усовершен­ствованиям в отношении точности замера объемов газа, применения и набора различных поглотителей, в отношении методики и техники сожжения газа, конструкции пипеток и т.д, но принципы методики сохранились в ряде современ­ных газоанализаторов.

Газоанализатор ВТИ-2. В приборе имеется шесть пипеток (1-6 на рис.1). Измерения объема газа производятся в бю­ретке 7, имеющей две секции. Первая секция состоит из четырех расширений объемом по 20 см³. Трубки, соединяющие эти рас­ширения, имеют небольшой диаметр. На них нанесены деления, позволяющие отсчитывать объемы, кратные 20 см³, с точ­ностью до 0,05 см³. Вторая секция бюретки представляет собой трубку небольшого диаметра объемом 20 см³. Эта трубка служит для замера объемов газа, меньших 20 см³. Обе эти секции соеди­няются в верхней части бюретки. Нижние части секций присоеди­нены через отдельные краны 9 к уравнительной склянке 10, наполняемой водой, солевым раствором или ртутью.

Для обеспечения точности замера объема газа под атмосфер­ным давлением к бюретке через трехходовый кран 17 присоеди­нен манометр, который другим своим концом соединен с компен­сационной трубкой 11, помещающейся рядом с бюреткой в одной и той же охранной трубе 8 с водой в целях поддержания постоян­ства температуры. Отсчет объема газа делается тогда, когда уровни жидкости в коленах манометра становятся одинаковыми. Компен­сатор сообщается с атмосферой через кран 12. Бюретка соединена с системой трехходовых кранов 15-23. К этим кранам присоеди­нены пипетки и трубка из нержавеющей стали 13, содержащая окись меди. Концы этой трубки имеют водяное или воздушное охлаждение. Нагрев трубки производится электрической печ­кой 14. В первую пипетку, считая от бюретки, помещают 30-35%-ный раствор КОН, во вторую насыщенный раствор брома в водном растворе КВг, в третью пипетку наливают щелочной раствор пирогаллола. Для поглощения СО рекомендуется при­менять (в четвертой пипетке) суспензию закиси меди в концен­трированной серной кислоте с добавкой бета-нафтола или аммиачный раствор полухлористой меди. Пятую пипетку заполняют рас­твором КОН и шестую (без насадки) раствором поваренной соли.

Рис.1. Схема прибора ВТИ-2.

Для определения водорода трубку из нержавеющей стали нагревают в электрической печке до температуры 280—295°С, а для сожжения углеводородов до 850—950°С.

Перед анализом уровни жидкостей в пипетках доводят до соот­ветствующих меток (ниже кранов), а всю гребенку и трубку из нержавеющей стали заполняют чистым азотом при атмосферном давлении.

После заполнения гребенки и трубки для сожжения азотом забирают в бюретку анализируемый газ, предварительно промыв этим газом соединительные трубки, а также бюретку. Замерив объем газа, проводят поглощение в указанной последовательности отдельных компонентов и сожжение газа. Для пропускания сжигаемого газа через трубку используются пипетки 5 и 6. После сожжения с окисью меди рекомендуется удалить кислород.

Известны многочисленные конструкции поглотительных пи­неток для общего анализа газа. Эти конструкции усовершенству­ются с целью ускорения анализа и наибольшей полноты погло­щения газов. Трубки для сожжения также имеют различные конструкции.

Помимо приборов, позволяющих провести полный общий анализ, применяются также более простые приборы только с одной или двумя поглотительными пипетками, служащие для определения соответственно одного или двух компонентов.

Для хранения газовых проб применяются обычно бутыли или газометры. Для отбора газовых проб разработаны различные методы и приспособления. Газы, растворенные в воде, извлекаются путем подогрева и вакуумной откачки. Для извле­чения газов из горных пород применяют их дробление и истира­ние в сочетании с вакуумной откачкой.

Во многих случаях при газовом анализе нет надобности про­водить определения всех наиболее известных компонентов. Часто требуется определить только один компонент.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что означает присутствие аргона в анализируемой газовой смеси?

2. Какой раствор используется для поглощения непредельных углеводородов в приборе ВТИ-2?

3. Для удаления каких компонентов используются низко- и высокотемпературное сожжения?

4. От чего зависит количество образуемого углекислого газа при сжигании углеводородов анализируемой смеси?