Лабораторная работа №9. Исследование физико-химических характеристик газов, полученных с установки каталитического крекинга (коксования)
Цель работы: определение плотности газа. Определение массы 1 л газа методом взвешивания.
Плотностью газа называется масса 1л газа при стандартных условиях. Для характеристики газа часто пользуются понятием относительной плотности, представляющей собой отношение массы газа к массе такого же объема, воздуха при одинаковых условиях. В лабораторной практике для определения плотности газа пользуются методом взвешивания и методом истечения. Последний метод менее точен. Для непрерывного определения плотности газа на промышленных установках используют автоматические приборы.
Аппаратура, реактивы и материалы
Газовая бюретка с ртутным затвором, пикнометр вместимостью - 200 мл и аналитические весы, ловушки, коробочка или мешочек из ткани, секундомер, вакуум-насос, сухой воздух, дистиллированная вода.
Известно несколько типов пикнометров (рис. 14). В пикнометры с одним отверстием газ набирается при помощи вакуума. Наличие двух отверстий в пикнометрах позволяет отбирать газ продуванием. В этом случае газовая бюретка не нужна. Определение массы газа в пикнометре с одним краном. Из сухого, тщательно вымытого пикнометра вместимостью - 200 мл удаляют воздух бюреткой с ртутным затвором или насосом. После удаления воздуха пикнометр взвешивают на аналитических весах. В бюретку набирают 200 мл исследуемого газа, измеряют объем, фиксируют температуру и атмосферное давление.
Взвешенный пикнометр присоединяют встык к отростку бюретки, предварительно продутому исследуемым газом и, осторожно открыв кран, переводят газ из бюретки в пикнометр. Краны закрывают, пикнометр взвешивают на аналитических весах. Если для откачивания из пикнометра воздуха используют вакуум-насос, то методика определения заключается в следующем: сухой пикнометр с одним краном помещают в коробочку или мешочек из ткани и присоединяют открытым краном к вакуум-насосу. В течение 10 мин откачивают из пикнометра воздух (или газ), следя за показаниями вакуумметра.
Разница в высоте столбов ртути в обоих коленах вакуумметра не должна быть > 1 мм. Закрывают кран, отсоединяют пикнометр от вакуум-насоса и взвешивают его на аналитических весах. Затем открывают кран для наполнения пикнометра воздухом и взвешивают его с воздухом. Снова в течение 10 мин откачивают воздух из пикнометра и взвешивают его. Пикнометр считается герметичным, если в обоих случаях его масса без воздуха окажется одинаковой. В противном случае следует промыть и вновь смазать кран пикнометра и повторить откачку и взвешивание. Эвакуированный пикнометр присоединяют к пипетке или аспиратору с газом, предварительно открыв на нем кран. Медленно открывают кран пикнометра и перепускают в него газ с помощью уравнительной склянки до тех пор, пока уровни жидкости в гашетке и уравнительной склянке не станут одинаковыми. Закрыв кран, взвешивают пикнометр с газом.
Плотность рассчитывают по формуле:
где р- плотность газа, кг/м3 ; gr- масса пикнометра с газом, г; g - масса вакуумированного пикнометра, г; gв- масса пикнометра с воздухом, г; 1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3.
Рис. 14 - Пикнометры газовые
Определение массы газа в пикнометре: с двумя кранами. Вначале определяют объем и массу пикнометра. Для этого чистый, сухой пикнометр вместимостью 250-300 мл заполняют сухим воздухом и выдерживают возле весов 15-20 мин (для уравнивания температуры). Поворотом крана сообщают пикнометр с атмосферой (для уравнивания давления), быстро закрывают кран, записывают температуру и атмосферное давление и взвешивают. Взвешенный пикнометр заполняют прокипяченной, не содержащей пузырьков воздуха дистиллированной водой. Воду доводят до кранов пикнометра. Краны закрывают, капиллярные отводы кранов протирают фильтровальной бумагой. Пикнометр с водой взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Температура воды в момент заполнения пикнометра должна быть точно измерена. Объем пикнометра вычисляют делением массы воды (г) в объеме пикнометра (с поправкой на массу сухого воздуха в объеме пикнометра) на плотность воды.
После сушки пикнометра его присоединяют к газометру с исследуемым газом и продувают 5 - 6-кратным количеством по сравнению с объемом пикнометра. По окончании продувки закрывают краны пикнометра на выходе и входе. Отсоединяют пикнометр от ловушки, поворотом крана сообщают на 3-4 с пикнометр с атмосферой, закрывают кран, записывают температуру и атмосферное давление и взвешивают на аналитических весах.
Плотность газа, г/л, вычисляют по формуле
где а - масса газа, г, в объеме V, см3; К - коэффициент приведения газа к нормальным условиям.
В работе более прост и удобен пикнометр с двумя кранами. Определение продолжается всего 15-20 мин. Однако необходимо не менее 1,5-3 л газа, в то время как на одно определение в пикнометре с одним краном требуется всего 200 мл газа.
Определение плотности газа эффузионным методом. Метод заключается в измерении времени истечения в атмосферу через отверстие малого диаметра равных объемов газа и воздуха, находящихся под одинаковым давлением. Этот способ основан на том, что между квадратами времени истечения газа и воздуха (или другого газа), находящихся в одинаковых условиях, и их плотностями p1 и р2 существует соотношение
где ф1 -- время истечения газа, с; ф2 - время истечения воздуха, с.
Скорость истечения газа и воздуха определяют в приборе, называемом эффузиометром (рис. 15). Он состоит из трубки 1 с двумя сужениями, на которых нанесены метки для обозначения объема. Трубка помещена в сосуд с водой. Снизу трубка открыта, а сверху снабжена трехходовым краном 3 с двумя отводами.
Один отвод служит для присоединения эффузиометра к источнику газа или воздуха, а другой представляет собой трубку, внутри которой имеется платиновая пластинка с очень малым отверстием.
Рис. 15 Эффузиометр
Эту трубку необходимо защищать от пыли, закрывая ее после окончания определения специальным колпачком. Если отверстие засорится, его промывают ацетоном или спиртом. Трубка 1 открытым концом помещена в широкий стеклянный цилиндр и укреплена в его крышке 2. Цилиндр наполнен дистиллированной водой, подкрашенной для удобства наблюдения за ее уровнем.
Методика определения. К боковому отводу эффузиометра с помощью резинового шланга присоединяют аспиратор или другую емкость с воздухом. Поворачивают кран 3 в положение, указанное на рис. 15- Эффузиометр: Поднятием уравнительной склянки аспиратора набирают 1-стеклянная трубка; воздух до половины внутренней трубки 1. Затем трех-
2- крышка; ходовой кран ставят в такое положение, чтобы трубка 3-трехходовой кран; сообщалась с атмосферой, и выпускают воздух в атмо ,4-стеклянный кожух сферу. Эту операцию повторяют до 6 раз, чтобы вытеснить из внутренней трубки прибора весь газ, оставшийся от предыдущего определения. В подготовленный прибор из того же аспиратора набирают воздух, вытесняя воду из трубки 1 и кран закрывают. Измеряют температуру воздуха. В левую руку берут секундомер, а правой рукой переводят кран на сообщение прибора с отверстием в пластинке. Когда уровень воды достигнет нижней метки, включают секундомер и останавливают его, когда вода дойдет до верхней метки. Эту операцию проводят несколько раз до получения результатов, отличающихся между собой не более чем на 1-3 с в зависимости от времени истечения. Аналогичным образом определяют время истечения газа при той же температуре и давлении. Если время истечения при параллельных определениях постепенно увеличивается или уменьшается, то это означает, что прибор плохо промыт от газа или воздуха после предыдущего определения. Из близких результатов вычисляются средние арифметические скорости истечения воздуха и газа.
Плотность анализируемого газа р, кг/м3, рассчитывают по формуле:
где 1,293 - плотность воздуха при нормальных условиях, кг/м3.
В аналитической практике применяют и метод взвешивания в пикнометрах, и метод истечения в эффузиометрах. Первый более точен, и для его выполнения требуется не более 250 мл газа, но довольно длителен и практически невыполним в полевых условиях. Эффузиометрический метод менее точен, для анализа требуется не менее 2 л газа, но применим в производственных условиях и требует меньшего времени для выполнения анализа по сравнению с весовым методом.
Определение содержание сероводорода в составе газа
Цель работы: определение содержания сероводорода от 0,001 до 15,0%.
Сущность метода заключается в химическом взаимодействии сероводорода с уксуснокислым свинцом, нанесенным на силикагель. Образующийся в результате реакции сернистый свинец дает черное окрашивание слоя силикагеля, высота которого зависит от содержания сероводорода в анализируемом газе.
Аппаратура, реактивы и материалы
Прибор для определения сероводорода при содержании объемной доли его в газе от 0,1% и более (рис. 16), состоящий из металлической линейки, реакционной трубки с внутренним диаметром 6-8 мм, верхнего и нижнего двухходовых кранов, медицинского шприца типа «Рекорд», вместимостью 20 мл, осушителя, реометра с пределами измерений 0-100 мл/мин, трехходового крана и винтового зажима, которые крепятся на панели размером 75X30X3 мм; пробоотборник стальной двухвентильный вместимостью 150, 300 и 500 мл на рабочее давление 15 и 40 МПа (150 или 400 кгс/см2); набор сит «физприбор» с отверстиями сит размером 0,25; 0,50 мм; сетку проволочную по или стеклянную вату; аппарат Киппа; газометр; посуду фарфоровую, ступка чашка; воронку делительную вместимостью 1000 мл; пипетки газовые вместимостью 500 и 2000 мл; эксикатор; банки стеклянные с притертой пробкой, вместимостью 500 мл; силикагель марки КС КГ для определения сероводорода при содержании объемной доли его в газе менее 0,1%; силикагель № 3 или № 2,5 для определения сероводорода при содержании объемной доли его в газе от 0,1% и более; свинец уксуснокислый 1%-ный водный раствор; барий хлористый 1%-ный водный раствор; соляную кислоту х. ч.; железо сернистое или натрий сернистый (сульфид натрия); воду дистиллированную; спирт этиловый ректификованный технический; кальций-хлористый технический; смазку ЦИАТИМ-221.
Приготовление сорбентов. Силикагель марки № 3 или марки КСКГ дробят в фарфоровой ступке и отбирают фракции размером 0,25-0,50 мм.
Отобранную фракцию промывают в делительной воронке дистиллированной водой с температурой 60-80°С до отрицательной реакции на ионы (SO-4). Отсутствие ионов (SO-4 ) в промывной воде проверяют по хлористому барию. Отмытый силикагель сушат в сушильном шкафу при 120±2°С до получения постоянной массы и взвешивают с погрешностью не более 0,1 г.
Рис. 16 -Схема прибора для определения сероводорода при содержании объемной доли его в газе более 0,1;%: 1 - металлическая линейка; 2 - реакционная капиллярная трубка; 3 - нижний двухходовой кран; 4 - верхний двухходовой кран; 5 - медицинский шприц; 6 - осушитель; 7 - реометр; 8 - трехходовой кран; 9 - винтовой зажим
Высушенный силикагель хранят в эксикаторе.
В фарфоровую чашку помещают 100 г силикагеля. Равномерно смачивают его 100 мл 1%-ного раствора уксуснокислого свинца. Полученный сорбент (силикагель) содержит 99 г воды.
Силикагель помещают в сушильный шкаф при 120±2°С. При этом силикагель марки КСКГ выдерживают в сушильном шкафу, периодически перемешивая, в течение 1,5 ч, силикагель № 3 - в течение 2 ч.
По истечении указанного времени силикагель помещают в эксикатор для охлаждения его до комнатной температуры и взвешивают с погрешностью не более 0,1 г.
После высушивания силикагеля масса его для марки КСКГ должна составлять 165 ± 2 г, для марки № 3 должна быть 135 ± 2 г, что соответствует примерно 65 и 35% остаточной влажности. Обработанный силикагель хранят в стеклянных банках с притертой пробкой.
Пробу анализируемого газа отбирают в герметичный пробоотборник, который предварительно продувают десятикратным объемом газа. В пробоотборнике должно быть избыточное давление газа: 0,2-0,3 МПа (2-3 кгс/см2).
Для определения сероводорода при содержании объемной доли его в газе менее 0,1%, из пробоотборника берут пробы газа для анализа в вакуумированную калиброванную пипетку, которую полностью заполняют. Пипетку вакуумируют в течение 15 мин до остаточного давления 0,5 кПа (4 мм рт. ст.).
Для определения сероводорода при содержании объемной доли его более 0,1% от пробы газа отбирают шприцем для анализа 20 мл газа. На отвод шприца вместо иглы надевают резиновую трубку длиной не более 80 мм, зажатую на середине зажимом.
Газовую пипетку и шприц через каждые пять определений промывают спиртом и просушивают.
Подготовка прибора для определения сероводорода при содержании объемной доли его в газе менее 0,1% . Реакционную капиллярную трубку заполняют силикагелем марки №3. Заполненную реакционную трубку и медицинский шприц для отбора анализируемого газа закрепляют на панели при помощи разъемных колец так, чтобы они легко снимались.
Затем реакционную трубку соединяют с верхним и нижним двухходовыми кранами и через соединительную стеклянную трубку с осушителем, заполненным прокаленным хлористым кальцием.
Реометр заполняют подкрашенной водой до нулевого деления шкалы, соединяют его с осушителем и через соединительную стеклянную трубку с трехходовым краном.