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第八章气体分析 1概述 2气体的化学分析法 3其他分析方法简介 本章主要内容 1 气体燃料 主要有天然气 焦炉煤气 石油气 水煤气等 2 化工原料气 天然气 焦炉煤气 石油气 水煤气 还有黄铁矿焙烧炉气 SO2 石灰焙烧窑气 CO2 以及H2 Cl2 乙炔等 3 气体产品主要氢气 氮气 氧气 乙炔气 氦气等 4 废气是指各种工业用炉的烟道气 主要成分为N2 O2 CO CO2 水蒸汽等 以及在化工生产中排放出来的大量尾气 1概述 气体燃料 化工原料气 气体产品 废气及车间环境空气 分类 1 化工原料气分析正确配料 2 中间产品气体分析生产是否正常 3 燃料燃烧后生成 烟道气分析燃烧是否正常 4 车间环境空气质量分析 对安全生产 保护环境和工人的身体健康都是很必要的 气体分析意义 一般测定气体的V而不是质量m 并同时测定环境的T和P 气体分析的特点 气体分析方法分类 可分为化学分析法 物理分析法及物理化学分析法 1 化学分析法是根据气体的某一化学特性进行测定的 如吸收法 燃烧法 2 物理分析法是根据气体的物理特性如密度 导热 折射 热值等来进行测定的 3 物理化学分析方法是根据气体的物理化学特性来进行测定的 如电导法 色谱法 红外光谱法等 2气体的化学分析方法 利用气体的化学特性 使混合气体中的被测组分与特定试剂发生化学反应被定量吸收 则吸收前后的体积之差即为被测组分的体积 前提条件 一 吸收法 1 1吸收体积法 或气体容量法 原理 例如 混合气 钢铁样中C的测定 用来吸收气体的试剂称作气体吸收剂 重点 气体吸收剂及吸收顺序 1 吸收剂 常见的吸收剂 CO2和NO2气体的吸收剂 反应式如下 CO2 2KOH K2CO3 H2O2NO2 2KOH KNO3 KNO2 H2O 1 氢氧化钾溶液 NaOH 2 焦性没食子酸碱溶液 焦性没食子酸 1 2 3 三羟基苯 的碱溶液是O2的吸收剂 焦性没食子酸钾与O2反应被氧化生成六氧基联苯钾 O2 KO 3H2C6 C6H2 OK 3 H2O 2C6H3 OK 3 注意 温度不低于15 酸性气体和氧化性气体在测定前应除去 3 饱和溴水 不饱和烃的吸收剂 溴能和不饱和烃 乙烯 丙烯 丁烯 乙炔等 发生加成反应并生成液态的饱和溴化物 CH2 CH2 Br2 CH2Br CH2BrCH CH 2Br2 CHBr2 CHBr2 4 硫酸 高锰酸钾溶液 2NO2 H2SO4 OH ONO SO2 HNO310NO2 2KMnO4 H2SO4 H2O 10HNO3 K2SO4 MnSO4 二氧化氮的吸收剂 5 碘溶液 SO2的常用吸收剂 碘能氧化还原性气体 分析前应将试样中的还原性气体如H2S除去 Cu2Cl2 2CO Cu2C12 2CO若在氨性溶液中 则进一步发生反应 Cu2C12 2CO 4NH3 2H2O Cu2 COONH4 2 2NH4Cl 亚铜盐的盐酸溶液或亚铜盐的氨溶液是CO的吸收剂 CO与氯化亚铜作用生成不稳定的络合物Cu2Cl2 2CO 6 亚铜盐溶液 注意 在测量剩余气体体积之前 应将其通过硫酸溶液以除去氨 亚铜盐氨溶液也能吸收氧 乙炔 乙烯及酸性气体 故在测定CO之前均应加以除去 CH2 CH2 H2SO4 CH3 CH2OSO2OHCH CH H2SO4 CH3 CH OSO2OH 2C6H6 H2SO4 C6H5SO3H H20 硫酸在有硫酸银 或硫酸汞 作为催化剂时 能与不饱和烃作用生成烃基磺酸 亚烃基磺酸 芳烃磺酸等 反应式如下 7 硫酸汞 硫酸银的硫酸溶液 以煤气为例 其中煤气的组成成分为 2 混合气体的吸收顺序 为什么按顺序 煤气中各种成分的吸附剂及吸附顺序表 吸收剂与各种气体之间的作用情况表 表示发生了相互作用或干扰 表示不干扰 1 KOH溶液只吸附CO2 2 饱和溴水只吸附不饱和烃 其他的不干扰 但是要用碱溶液除去吸附时混入的溴重气 此时CO2也被吸附故排在KOH之后 3 焦性没食子酸的碱溶液能吸附碱性气体CO2 所以排在KOH之后 4 氯化亚铜氨溶液不但吸附CO而且吸附CO2 O2 CnHm等 故应为第4位 规律总结 综合使用吸收法和滴定法 吸收剂吸收被测组分 然后用标准滴定法滴定 存在的两种反应是 吸收反应和滴定反应 例如 1 2吸收滴定法 示例表 综合应用吸收法和重量分析法 测定气体物质或可以转化为气体物质的元素含量的方法 然后根据吸附剂增加的重量计算C H的含量 1 3吸收重量法 例如 原理是使混合气体通过吸收剂 待测气体被吸收后与吸收剂作用产生不同的颜色 或吸收后再进行显色反应 其颜色的深浅与待测气体的含量成正比 用分光光度法测定计算 1 4吸收比色法 例 测定混合气体中微量乙炔时 使混合气体通过亚铜盐的氨溶液 乙炔被吸收 生成紫红色的乙炔铜胶体溶液 反应式如下 2C2H2 Cu2C12 2CH CCu 2HCl由于生成的紫红色的乙炔铜胶体溶液颜色的深浅与乙炔的含量成正比 因此可进行比色测定 从而得出乙炔的含量 1 奥氏气体分析仪改良奥氏QF 190型气体分析仪 主要由一支量气管 四个吸收瓶和一个爆炸瓶组成 它可进行CO2 O2 CH4 H2 N2混合气体的分析测定 优点 构造简单 轻便 操作容易 分析快速 缺点 精度不高 不能适应更复杂的混合气体分析 1 5常见的气体分析仪 改良式奥氏气体分析仪 吸收瓶 1 2 3 4 9 活塞 5 三通活塞6 进样口 7 8 水准瓶 10 量气管 11 点火器 12 电源 2 苏式气体分析仪苏式 BT 型气体分析仪 由一支双臂式量气管 七个吸收瓶 一个氧化铜燃烧管 一个缓燃管等组成 优缺点 它可进行煤气全分析或更复杂的混合气体分析 仪器构造较为复杂 分析速度较慢 但精度较高 1 5常见的气体分析仪 苏式 BT 型气体分析仪1 2 3 4 5 6 7 吸收瓶 8 梳形管 9 量气管 10 缓燃管 11 氧化铜燃烧管 12 水准瓶 14 15 16 17 18 19 20 23 活塞13 24 27 三通活塞 21 进样口 22 过滤管 25 加热器 26 热电偶 利用可燃烧性气体的性质进行测定的方法 特别适用于无适当吸收剂的化学性质比较稳定的气体 如 CH4无适当的吸收剂 H2 CO可用燃烧法也可以用吸收法 二 燃烧法 分类 爆燃法 缓燃法 氧化铜燃烧法 爆炸上限 使可燃性气体能引起爆炸的最高含量 含量指可燃性气体与空气或氧气的浓度关系百分比 爆炸下限 使可燃性气体能引起爆炸的最低含量 爆炸极限 爆炸上限和爆炸下限之间的范围 几个概念 例如 氢气的爆炸极限是 4 1 74 2 即氢气在空气中的体积占4 1 74 2 时 此混合气体有爆炸性 可燃气体与空或氧气混合 其比例能使可燃气体完全燃烧且在爆炸极限内的方法 特点 所需时间最少即快速 爆燃法 爆炸燃烧法 缓燃法 缓慢燃烧法 可燃气体与空气或氧气混合 且浓度控制在爆炸极限以下 使之经过炽热的铂质螺丝而引起缓慢燃烧 特点 需时太长 适合于可燃性组分浓度较低的混合气体或空气中可燃物的测定 利用氧化铜在高温下的氧化活性 使可燃性气体缓慢燃烧 特点 不要加入燃烧所需氧 所用的氧气由氧化铜还原得出 CuO使用后 可在400 通入空气使之氧化即可再用 优点 因不通入氧气 可减少一次体积测量而减少误差 并且测量后的计算也因不加入氧气而简化 氧化铜燃烧法 氧化铜燃烧法的反应方程式 可燃性气体燃烧后 其体积缩减V缩 消耗氧的体积VO2或生成CO2的体积VCO2与可燃性气体的体积V可燃的比例关系 是计算的依据 也是燃烧法的主要理论依据 可燃性气体燃烧后的计算 例1 以氢气燃烧为例找出比例关系 例2 以甲烷燃烧为例 例3 以CO燃烧为例 可用吸收法除去干扰组分 如O2 CO2等 再加入一定量的O2或空气 燃烧后根据体积的变化或生成CO2的体积 可计算可燃性气体含量 一元可燃性气体含量的测定 含一种可燃性气体 例如 一混合气体有N2 O2 CO2 CO取样50mL测CO 测CO时O2 CO2有干扰 吸收干扰物后再补充O2使混合气燃烧测出生成CO2的体积VCO2 20 00mL 求混合气体中CO的含量 例如 有O2 CO2 CH4 N2的混合气体80 00mL 用吸收法测定O2 CO2后的剩余气体中加入空气 使之燃烧 经燃烧后的气体用氢氧化钾溶液吸收 测得生成的CO2的体积为40 00mL 计算混合气体中甲烷的体积百分含量 CH4 2O2 CO2 2H2O当甲烷燃烧时所生成的CO2体积等于混合气体中甲烷的体积 40 00mL 先吸收除去干扰组分 经空气或充分的O2燃烧后 测V缩 VO2 VCO2 列出相关的方程式求解 二元可燃性气体含量的测定 含两种可燃性气体 例1 CH4 CO和N2的混合气20 00mL 加一定量过量的O2 燃烧后体积缩减21 00mL 生成CO218 00mL 计算各种成分的含量 解 反应式 得到 解联立方程式得到 则 例2 含CH4 H2和N2的混合气20 00mL 精确加入空气80 00mL 燃烧后用KOH溶液吸收生成的CO2 剩余气体的体积为68 00mL 再用没食子酸的碱溶液吸收剩余的O2后 体积为66 28mL 计算混合气体中CH4 H2和N2的体积含量 1 求消耗O2的体积为 燃烧前准确加入80 00mL空气 空气中含O220 90 所以加入的O2的体积是 解 燃烧后吸收法测得O2 则消耗的O2为 H2和CH4消耗的体积 2 再求 燃烧后除去CO2后剩余体积为68 00mL 所以燃烧中的总体积缩减与生成CO2的总体积的和共为100 68 00 32 00mL 其中 即 解 1 2 联立方程得到 则 三元可燃性气体混合物燃烧计算 含三种可燃性气体 先用吸收法除去干扰组份 再取一定量的剩余气体 或全部 加入过量的空气 进行燃烧 经燃烧后 测量其体积的缩减 耗氧量及生成二氧化碳的体积 列出三元一次方程组 解方程组即可 例3 有CO2 O2 CH4 CO H2 N2的混合气体100 0mL 用吸收法测得CO2为6 00mL O2为4 00mL 用吸收后的剩余气体20 00mL 加入氧气75 00mL进行燃烧 燃烧后其体积缩减10 11mL 后用吸收法测得CO2为6 22mL O2为65 31mL 求混合气体中各组分的体积百分含量 解 由吸收法测得 混合气体CO2 O2 CH4 CO H2 N2中的CO2和O2被吸收后 混合气体的组成为CH4 CO H2 N2 其中CH4 CO H2为可燃性组分 燃烧后耗体积为 75 00 65 31 9 69mL 根据可燃性气体的体积与缩减体积 生成CO2体积 耗氧体积的关系 得 吸收法吸收CO2和O2后的剩余气体体积为 100 0 6 00 4 00 90 00mL燃烧法是取其中的20 00mL进行测定的 于是在90 00mL的剩余气体中的体积为 19 1mL 8 9mL 1 9mL于是混合气体中可燃性气体的体积百分含量为 气体分析仪 商品化的气体分析仪自学 了解 P163 165 红外光谱气体分析仪 有多种一氧化碳分析仪 二氧化碳分析仪 多组分气体分析仪 等 甲醛分析仪 4160 19 99m型甲醛分析仪 气体分析仪 这是测量气体体积用的部件