Состав газа

Состав газа

Грамотное проектирование любой установки, использующей газовое топливо, возможно только в том случае, когда известны основные  теплофизические и горючие характеристики, состав газа. Эти характеристики в ряде случаев могут приниматься по материалам различных справочников, но нередко надежность таких материалов недостаточна. Особенно это относится к природным и попутным газам, состав газа который меняется по мере ввода в эксплуатацию новых скважин и промыслов или подключения новых газопроводов. Поэтому важно иметь возможность экспериментально в условиях заводской лаборатории определить важнейшие свойства и состав газа.

Наиболее полно и точно большинство характеристик может быть определено по известному объемному составу газа.

Наиболее распространенным методом определения объемного состава газовых смесей в настоящее время является хроматографический. Этот метод анализа основан на различии адсорбционных свойств газов при прохождении их через слой сорбента. В настоящее время хроматографический анализ получил большое распространение из-за его относительной простоты, достаточной точности и малой затраты времени. На рис. II-2 представлена принципиальная схема хроматографа марки ГСТЛ, выпускаемого заводом-Моснефтекип. Действие прибора основано на поглощении отдельных компонентов смеси сорбентом, заполняющим колонки 5. В качестве сорбента применяются активированный уголь, окись алюминия, силикагель или так называемые молекулярные сита. Исследуемая газовая смесь транспортируется через прибор газом-носителем. В качестве газа-носителя обычно используется воздух, его поступление регулируется дросселем 1. Пройдя поглотитель 2, одна часть которого заполнена щелочью, а другая - силикагелем, осушенный и очищенный газ-носитель поступает в пробоотборник 3. Из пробоотборника смесь краном 4 направляется в сорбционные колонки, выполненные в виде четырех последовательно соединенных трубок 5, заполненных сорбентом. Колонки снабжены нагревательными спиралями, питаемыми переменным током через автотрансформатор. В результате нагрева сорбента изменяется его способность поглощать различные компоненты газовой смеси. Это создает условия для их раздельной адсорбции. По окончании прокачивания пробы производится раздельное определение содержания поглощенных компонентов. Десорбция поглощенный состав газа из колонки после ее охлаждения производится также газом-носителем, расход которого поддерживается строго постоянным и контролируется с помощью реометра 8. Концентрация отдельных компонентов определяется по их теплоте сгорания или теплопроводности электрическим газоанализатором при помощи уравновешенного электрического моста.

Мост измерительной системы, питаемый от аккумулятора или выпрямителя, выходит из равновесия из-за изменения температуры, а следовательно, и сопротивления одного из плечевых элементов. Это происходит в результате сгорания находящегося в газе-носителе горючего компонента или из-за изменения теплопроводности смеси. Разница в величинах удельных теплопроводностей отдельных газов, входящих в анализируемую смесь, позволяет определять не только горючие, но и инертные компоненты. В этом случае нагрев плечевых элементов моста производится до значительно меньшей температуры.

Результаты анализа показываются стрелочным микроамперметром, а также могут записываться при помощи автоматического потенциометра на диаграммной ленте в виде хроматограммы. В последнем случае объемные доли компонентов определяются по площадям пиков кривой, соответствующих различным газам. Время выделения отдельных газов и величины пиков на хроматограмме или показания микроамперметра определяются по данным предварительной калибровки прибора при пропускании через него эталонной смеси.

Наряду с приборами, в которых поддерживается постоянная температура в колонке во время анализа, существуют приборы с переменной во времени температурой (хроматермографы).

На рис. II-3 представлена принципиальная схема лабораторного хроматермографа ХЛ-3, который может быть использован для анализа как углеводородных газов и жидкостей с температурой кипения не выше 180° С, так и продуктов сгорания.

Хроматермограф состоит из блока колонки (элементы блока колонки перечислены на рис. II-3) и блока регистратора.

В блок регистратора входят автоматический электронный потенциометр ЭПП-09, измерительная панель электрического мостикового газоанализатора, батареи питания, электронный терморегулятор и органы управления.

В качестве газа-носителя в этом приборе может быть применен азот, водород, гелий и углекислота. Газ-носитель из баллона 9 через редуктор 7 низкого давления и игольчатый вентиль 6 поступает в ротаметр 5. После ротаметра газ-носитель проходит через сравнительную ячейку и поступает в шестиканальный пробоотборный кран 8. При анализе газ-носитель вытесняет из дозировочной трубки 10 пробу газа и подает ее в колонку 2, где происходит разделение смеси на составляющие ее компоненты. Разделенные компоненты совместно с газом-носителем один за другим проходят через измерительную ячейку детектора. В обеих камерах детектора (сравнительной и измерительной) находится по одному полупроводниковому термосопротивлению - термистору, которые являются плечами моста постоянного тока.

Изменение температуры термистора измерительной камеры в зависимости от теплопроводности смеси вызывает разбаланс электрического моста, записываемый регистратором в виде пика, высота или площадь которого пропорциональна концентрации компонента в анализируемой смеси.

Хроматографический метод анализа требует меньшей затраты времени (20-30 мин) и меньшего количества газа, чем метод низкотемпературной ректификации. Кроме того, сам прибор проще и нуждается лишь в сжатом воздухе и электроэнергии, тогда как при низкотемпературной ректификации необходим хладагент в виде жидкого воздуха или азота.

Существуют хроматографы, схемы которых несколько отличаются от описанной, однако принцип их работы также основан на отличии коэффициентов адсорбции различных газов. Хроматографические методы анализа углеводородных газов, а также продуктов сгорания топлива подробно описаны в специальной литературе [Тринг, 1958], а поэтому более подробно останавливаться на них не будем.

Как было указано ранее, большинство характеристик природных газов и продуктов их сгорания может быть определено по известному углеродному числу n. В отличие от методов определения полного объемного состава газа, требующих специальных приборов (хроматографов), углеродное число может быть определено на каждом предприятии, располагающем переносным лабораторным газоанализатором типа ВТИ-2.

Углеродное число достаточно просто можно определить путем сжигания пробы газа с последующим анализом продуктов сгорания при помощи газоанализатора.

По методу проф. Г. Ф. Кнорре в мерную бюретку любого газоанализатора с дожиганием набирается 5-8 мл газа, затем добавляется воздух в количестве, превышающем теоретически необходимое для полного сгорания газа. После сжигания смеси на платиновой спирали углеродное число определяется по количеству образовавшихся водяных паров, двуокиси углерода или остатку кислорода на основе балансных уравнений горения. Этот метод отличается большой неточностью, так как незначительная абсолютная погрешность в замерах из-за малого количества анализируемого газа может привести к большой ошибке.

Болеё надежно определять углеродное число при помощи газо-анализатора ВТИ-2, в котором можно сжигать пробу газа без добавки атмосферного воздуха. Для определения п прибор нужно подготовить к анализу в полном соответствии с имеющимся заводским руководством, т. е. отрегулировать и подготовить печь с дожигательной трубкой, заполнить все соединительные трубки и гребенку азотом, мерные бюретки - подкрашенной водой, а сосуд - раствором NaCl (подсоленной водой).

Для поглощения продуктов сгорания анализируемого газа необходимо первый поглотительный сосуд залить раствором КОН, второй - щелочным раствором пирогаллола. Рецептура раствора обычная, рекомендуемая для технического анализа газов.

После подготовки прибора анализ ведется в следующем порядке:

• забирают в правую бюретку 10-15 мл азота (при наличии в анализируемом газе N^т₂ > 10% предварительный забор азота не обязателен);
• продувают исследуемым газом соединительную трубку и набирают в бюретку 40-60 мл газа, после чего замеряют действительный объем газа вместе с азотом;
• производят поглощение СO₂ путем прокачивания газа через раствор КОН;
• производят поглощение О путем прокачивания газа через щелочной раствор пирогаллола;
• сжигают пробу в трубке при нагреве ее до 850-900° С;
• производят поглощение образовавшегося СО₂ в КОН;

для поглощения кислорода, который мог выделиться из окиси меди, прокачивают газ через раствор пирогаллола.

Все операции ведутся в строгом соответствии с прилагаемым к прибору руководством по эксплуатации и уходу. На этом работа с прибором заканчивается. Записанные после каждой операции данные позволяют определить балласт и углеродное число исследуемого газа.

Пробу газа прокачивают через сосуд с пирогаллолом в целях проверки ее чистоты, так как кислорода в ней не должно быть; в противном случае определение углеродного числа теряет смысл. Добавка азота в начале анализа необходима для газов, содержащих менее 10% азота, иначе прокачка пробы при последующих операциях будет затруднена.