Определение свойств газов (стр. 1 из 5)
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВОЙСТВАХ ГАЗОВ
В природе в нормальных условиях (при комнатной температуре и атмосферном давлении) сравнительно немногие химические вещества находятся в газообразном состоянии. К газообразным простым веществам принадлежат: водород, кислород, азот, фтор, хлор и газы из элементов VIII группы таблицы Д. И. Менделеева.
Остальные газообразные вещества состоят из двух и более элементов, например СО, СО2, СОСl (фосген), СН3С1 (хлористый метил) и др. Интересно, что водород образует газообразные вещества со многими элементами. Почти со всеми неметаллами водород дает газообразные соединения, большинство из которых обладает неприятным запахом. К числу их можно отнести NH3, HF, HCl, HBr, H2S, H2Se, H2Te, PH3, AsH3, SbH3, BiH3 и др. Некоторые из этих соединений (мышьяковистый водород) легко распадаются с выделением водорода. Другие, более устойчивые распадаются при нагревании (метан). Встречаются гидриды неметаллов, которые легко растворяются в воде и дают или кислую (H2S, HCl, HBr), или щелочную (NH3) реакцию. Многие из них обладают восстановительной способностью (Н2Те, HI, H2S, H2Se, РН3 и др.). Некоторые гидриды легко окисляются, загораясь в воздухе (SiH4, SbH3).
С такими элементами, как углерод и бор, водород дает несколько газообразных соединений (углеводороды и бораны). Наибольшее значение имеют разнообразные углеводороды состава СnН2n+2, СnН2n, СnН2n-2. Отметим, что в молекулах углеводородов общей формулы: СПН2« имеется постоянное соотношение между числом атомов водорода и углерода, тогда как по мере увеличения числа углеродных атомов в молекуле предельных углеводородов относительное содержание водорода уменьшается. Например, в метане водорода содержится 25%, в неопентане 16,6%, в этилене и бутилене 14,3%, а в бутадиене 10,9%.
Все углеводородные газы горят на воздухе, образуя пламя различной яркости. Метан, в котором 25% водорода, горит на воз- Духе светящимся пламенем, а ацетилен, содержащий 7,9% водорода, горит коптящим пламенем. Копоть вызывается избыточным количеством углерода в молекуле, а чтобы ее избежать, следует
Пользоваться особыми горелками, в которых сгорание осуществляется при избытке воздуха.
Природные и попутные нефтяные газы, так же как и газы, получающиеся в различных процессах переработки нефтяного сырья, представляют собой в основном смеси углеводородов. Их состав зависит от происхождения. Так, основным компонентом сухих природных газов является метан. В состав попутных нефтяных газов, помимо метана, входят и другие предельные углеводороды С2—С5, а также небольшие количества азота, редких газов, диоксида углерода и, в случае сернистых нефтей, сероводорода.
Нефтезаводские газы образуются при термических и каталитических процессах переработки продуктов перегонки нефти. Из них наиболее часто встречаются газы термического и каталитического крекинга, пиролиза и коксования тяжелых нефтепродуктов. Эти газы отличаются сравнительно высоким содержанием непредельных углеводородов: этилена, пропилена и бутиленов, — суммарное содержание которых достигает в отдельных случаях 40%. Искусственные газы, получаемые в результате термической переработки углей и сланцев, содержат водород, метан, оксид углерода, непредельные углеводороды (от этилена до бутиленов), а также диоксида углерода, кислород и азот. Эти газы, различные по калорийности, используются главным образом в качестве топлива.
Газы безостаточной газификации (генераторный, водяной и др.) состоят из оксида углерода, водорода, азота и ряда примесей. В перечисленных природных и искусственных газовых смесях азот, водород, кислород, оксид углерода, воздух и углеводородные газы % плохо растворяются в воде. Их растворимость при давлении 101 325 Па (760 мм рт. ст.) и температуре 20°С в 1 л воды не превышает, как правило, 1 л и несколько больше при 0°С.
Неуглеводородные газы: диоксид углерода, диоксид серы, сероводород и аммиак — обладают значительной растворимостью в воде; это их свойство необходимо учитывать при анализе газовых смесей, в состав которых входят перечисленные компоненты.
ОТБОР ПРОБЫ ГАЗА
Для отбора пробы газа из производственных аппаратов и трубопроводов применяются стеклянные аспираторы, газовые пипетки, газометры с гидравлическим затвором, сухие газометры, cocyды шарообразной формы и реже резиновые баллоны. Выбор емкости зависит от количества и состава газа и от давления в системе.
ОТБОР ПРОБЫ ПРИ ПОМОЩИ ЗАПИРАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ
Из емкостей и газопроводов пробу газа отбирают в большинстве случаев в аспираторы (рис. 1) и газовые пипетки (рис. 2).
Аспиратор — это прибор, состоящий из двух склянок с боковыми тубусами. Тубусы соединены между собой резиновым шлангом в середине которого имеется винтовой зажим. Одна из склянок снабжена стеклянным краном и служит для забора газа. Другая является напорной уравнительной склянкой. Так как многие газы растворимы в воде, то в качестве напорной жидкости применяют насыщенный раствор поваренной соли, подкисленный соляной кислотой, или 10%-йый раствор серной кислоты, который подкрашивают метиловым оранжевым.
Рис. 1. Аспиратор для отбора пробы газа.
Рис. 2. Газовая пипетка для отбора пробы газа.
Перед отбором пробы склянку с краном заполняют напорной жидкостью доверху, а склянку без крана — до тубуса. Для насыщения напорной жидкости исследуемым газом его набирают через кран в заборную склянку и встряхивают аппарат в течение 3— 5 мин. Эту операцию повторяют 2—3 раза, беря каждый раз свежую порцию газа. Для уменьшения выделения газа из напорной жидкости уравнительную склянку аспиратора следует закрывать пробкой с капиллярной трубкой.
Для проверки аспиратора на герметичность заборную склянку заполняют напорной жидкостью до крана и при закрытом кране опускают уравнительную склянку вниз, наблюдая при этом за изменением уровня жидкости в заборной склянке. Если после некоторого снижения уровень жидкости станет постоянным, аспиратор герметичен. Такой же порядок соблюдают и при подготовке газовых пипеток.
В зависимости от вместимости бутыли в аспиратор можно набрать до 15 л газа. В газовые пипетки набирают 100—500 мл газа.
В качестве примера разберем порядок отбора пробы газа в аспиратор из газопровода, находящегося под разрежением. Как видно из рис. 3, для присоединения аспиратора к газопроводу приварены два штуцера с кранами. Штуцеры следует располагать на прямом участке газопровода на расстоянии не менее пяти его диаметров от места поворота, отвода, изменения сечения и расположения задвижек на трубе, так как всякое изменение движения газового потока может изменить его состав, особенно в тех случаях, когда газ смешан с легкоиспаряющейся жидкостью (например, отбор пробы газа из газофракционирующей установки).
Рис. 4. Газометр с напорной воронкой: 1-манометр; 2—4—краны.
К одному из штуцеров присоединяют заборную склянку аспиратора, заполненную до трехходового крана жидкостью. Промывают трубку от трехходового крана до штуцера, открывая краны на газопроводе и заборной склянке. Опуская уравнительную склянку, набирают не более 1 л газа. Закрывают кран на газопроводе и переключая трехходовой кран, выпускают газ в атмосферу поднятием уравнительной склянки. Далее к другому штуцеру, расположенному на 40—60 см ниже по ходу газа, присоединяют уравнительную склянку, снабженную краном. Для отбора пробы газа открывают краны на газопроводе и на склянках. В результате создавшегося разрежения в заборную склянку набирается газ.
Наполненный газом аспиратор отсоединяют от газопровода, предварительно закрыв краны в обратном порядке. Иногда для создания большего разрежения в аспираторе к горлу уравнительной склянки присоединяют водоструйный насос. С помощью емкостей с запирающей жидкостью можно отобрать пробу газа, находящегося как под разрежением, так и под давлением, близким к атмосферному.
В лабораториях довольно широкое применение нашел также газометр с напорной воронкой (рис. 4). Он состоит из удлиненной напорной воронки с краном <3, которая вставляется в горло бутыли с двумя тубусами. Нижний тубус снабжен краном 4, а верхний — краном 2 и манометром 1 для измерения давления газа в газометре. Подготовка газометра для взятия пробы проводится следующим образом. При открытых кранах 3 и 2 через напорную воронку наливают в бутыль газометра свежий насыщенный раствор поваренной соли, пока из нее не вытиснится весь воздух. В воронке всегда оставляют раствор. Закрыв кран 3, присоединяют к источнику газа кран 2. Выпуская раствор через кран 4, засасывают газ в газометр. Прежде чем пользоваться газометром, следует свежий раствор поваренной соли насытить анализируемым газом. Эту операцию проводят так же, как при подготовке аспиратора. Выпуск газа из газометра осуществляется через кран 2 с помощью запорной жидкости, которая из воронки стекает в бутыль и создает в ней давление.
ОТБОР ПРОБЫ В СУХИЕ ГАЗОМЕТРЫ
Газовые смеси, содержащие хорошо растворимые в воде компоненты, отбирают в сухие газометры. Сухой газометр представляет собой двухгорлую или одногорлую склянку с двумя отводами и кранами (рис. 5). Перед применением сухой газометр проверяют на герметичность. Для этого присоединяют один его отвод к вакуум-насосу, а другой к, ртутному манометру и помещают в чехол из плотной ткани, чтобы предохранить работающего от осколков в случае разрыва газометра. Откачивают воздух до остаточного давления 6,5—8 кПа (50—60 мм рт. ст.) и наблюдают за манометром в течение 10 мин. Постоянство уровня ртути указывает на герметичность газометра.
Для отбора пробы газа присоединяют один отвод газометра к источнику газа, находящегося под- небольшим давлением. Открыв оба крана, продувают газометр десятикратным объемом газа. По окончании продувания закрывают кран газометра на выходе газа, затем быстро на входе и, наконец, перекрывают источник газа. При этих условиях газ в газометре будет находиться под небольшим давлением. Если в трубопроводе или аппарате смесь жидких и газообразных углеводородов находится под давлением, например в узлах газофракционирующей установки, то перед 'отбором пробы газ редуцируется вентилем высокого давления, установленным на заборном штуцере, а к обеим трубкам газометра прикрепляются игольчатые вентили.