Методические указания Х.Т.Т.П.Э.иУ.М.



Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТОПЛИВА И ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭКОЛОГИИ

 

 

УТВЕРЖДАЮ

Зав. каф. ХТТиПЭ

_____________С.Г.Стахеев

подпись

_______________ 20 ___ г.

дата

 

 

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТВЕРДЫХ ПРИРОДНЫХ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

 

 

Методические рекомендации к лабораторным работам

для студентов дневной (очной) формы обучения специальности «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»

 

 

 

 

 

Екатеринбург

УрФУ

2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ   3

1 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ КОКСОВАНИЯ   4

2 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ КОМПОНЕНТОВ НА КОМПЛЕКТАХ ДЛЯ ГАЗОВЫХ АНАЛИЗОВ ТИПА КГА   18

3 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОГАТИМОСТИ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ   32

ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ   66

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК   67

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В курсе «Химическая технология твердых природных энергоносителей и углеродных материалов» объектом рассмотрения являются твердые горючие ископаемые (ТГИ)бурые и каменные угли, антрациты, горючие сланцы, также продукты их переработки.

Основная цель курса состоит в формировании четких представлений о свойствах ТГИ, о квалифицированном применении получаемых из них химических продуктов, о перспективах развития техники и технологии химической переработки твердых горючих ископаемых. Специалист в данной области должен хорошо ориентироваться в том, какими показателями качества характеризуется тот или иной вид ТГИ, какими возможностями располагает технология в отношении производства продуктов заданного качества, как связаны отдельные показатели с химическими свойствами ТГИ и продуктов их переработки.

Одна из важных задач данного курса заключается в практическом освоении студентами методов лабораторного контроля отдельных физико-химических показателей ТГИ. Специалист в данной области должен уметь определять в лабораторных условиях основные показатели процесса газификации твердых природных энергоносителей и состав генераторных газов.

Для ТГИ установлены нормативные требования по большому числу физико-химических показателей. Лабораторный контроль этих показателей составляет важнейшую часть контроля эксплуатационных свойств и является обязательным как у добывающих предприятий, так и у перерабатывающих. В данных методических указаниях приведены методики анализа отдельных показателей, характеризующих основные свойства и определяющих ценность ТГИ как сырья для технологий газификации и ожижения.

Рассмотренные ниже методики составлены на основе нормативных, приведенных в соответствующих ГОСТах на конкретный показатель, и являются несколько упрощенной формой изложения стандартных методик. При описании методик учитывались учебные цели лабораторного практикума.

1 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫХОДА ХИМИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ КОКСОВАНИЯ

 

1.1 Общие сведения

Настоящий метод применяется для определения выхода химических продуктов (смолы, сырого бензола, аммиака, пирогенетической влаги, кокса и коксового газа) при высокотемпературном коксовании углей и угольных смесей.

Метод основан на нагревании испытуемого угля или угольной смеси до 900 °С в пятисекционной печи коксования и пиролизе образующихся продуктов с последующим определением их выхода.

 

1.2 Средства измерения

1) Установка для определения выхода химических продуктов коксования (рисунок 1.1) состоит из трубчатой электрической пятисекционной печи коксования 1; трубчатой электрической печи пиролиза 2; насадки 3 длиной 120 — 130 мм, состоящей из четырех рядов фарфоровых бусинок диаметром 6 — 7 мм и длиной 10 — 12 мм, нанизанных на нихромовую проволоку диаметром 1 — 1,5 мм; одноточечных и пятиточечного хромель-алюмелевых термопреобразователей 4; трубчатой электрической печи для ватного фильтра с терморегулятором 5, обеспечивающей постоянную температуру нагрева (105±5) °С; термометра 6; водяных манометров 7; хлоркальциевых трубок 8; поглотительной склянки для двуокиси углерода и сероводорода 9; поглотительной склянки для непредельных углеводородов 10; трубок с активированным углем 11; газометра 12 вместимостью 10 — 20 дм3; мерного цилиндра 13; поглотительной склянки для аммиака 14; фильтра для улавливания смолы 15; кварцевой вставки 16 длиной 70 мм, внешним диаметром, обеспечивающим соединение на шлифе, длиной 40 — 45 мм с реакционной трубкой. Один конец вставки оттянут для соединения с поглотительной аппаратурой; реакционной кварцевой трубки 17 длиной 570 мм и внутренним диаметром 20 мм. Один конец трубки запаян, на другом конце имеется шлиф для соединения с кварцевой вставкой.

Рисунок 1.1

 

2) Печь трубчатая электрическая, обеспечивающая нагрев до (790±10) 0С, предназначенная для прокаливания реакционной трубки после опыта.

3) Шкаф сушильный, обеспечивающий температуру нагрева (105±5) °С.

4) Газоанализатор.

5) Эксикаторы.

6) Весы лабораторные с погрешностью взвешивания не более 0,0002 г и 0,1 г.

 

1.3 Подготовка к испытанию

1.3.1 Подготовка поглотительной аппаратуры

Поглотительная аппаратура состоит из кварцевой трубки — фильтра 1 или 2; U-образных стеклянных трубок 3; поглотительных склянок 4 и 5 (рисунок 1.2).

Фильтр для улавливания смолы заполняют гигроскопической ватой массой 3 г.

Перед взвешиванием вата должна быть высушена в сушильном шкафу при температуре (105+5) °С в течение 1 ч.

Для улавливания аммиака в поглотительную склянку из бюретки наливают 10 см3 раствора серной кислоты концентрации эквивалента 1 моль/дм3, подкрашенной метиловым оранжевым.

Для улавливания диоксида углерода и сероводорода в поглотительную склянку из бюретки наливают 15 см3 раствора гидроксида натрия молярной концентрации эквивалента 1 моль/дм3.

Для улавливания непредельных углеводородов в поглотительную склянку из бюретки наливают 20 см3 раствора оксида желтой ртути в серной кислоте.

Рисунок 1.2

 

Для улавливания бензола в три последовательно установленные U-образные трубки засыпают одинаковое количество активированного угля, предварительно высушенного в сушильном шкафу при температуре (105+5) °С в течение 8 ч. В концы трубок помещают тампоны из ваты. Две первые по ходу газа трубки используют от предыдущего опыта, а третью заполняют свежим активированным углем. Перед сборкой установки все трубки просушивают в течение 1 ч в сушильном шкафу при температуре (105±5) °С.

Улавливание паров влаги производят после каждой поглотительной склянки в U-образных трубках, заполненных свежепрокаленным хлористым кальцием, измельченным до 3 — 5 мм.

Трубки с хлористым кальцием и трубки с активированным углем в период между опытами должны храниться закрытыми в эксикаторах с осушающим веществом.

Поглотительные склянки с растворами должны быть также закрыты.

Газ собирают в стеклянный газометр вместимостью 10 — 20 дм3, предварительно заполненный насыщенным раствором хлористого натрия.

Перед сборкой установки всю поглотительную аппаратуру открывают и взвешивают на лабораторных весах общего назначения со случайной погрешностью взвешивания не более 0,0002 г.

 

1.3.2 Загрузка кварцевой трубки

Из лабораторной пробы методом квартования отбирают 250 г угля и готовят аналитическую пробу, применяя валковую мельницу. Во избежание переизмельчения пробы следят, чтобы зазор между валками был 0,2 мм.

Из аналитической пробы отбирают навеску угля массой 20 г, взвешенную со случайной погрешностью взвешивания не более 0,0002 г.

Одновременно из той же пробы берут навеску для определения влаги.

Навеску угля количественно переносят в вертикально поставленную реакционную трубку, затем на расстоянии 320 мм от запаянного конца трубки помещают кружок из прокаленного асбеста, плотно прилегающий к трубке по диаметру. За асбестом кружком помещают насадку из фарфоровых бус, второй кружок из прокаленного асбеста, плотно придвигая его к насадке, и на расстоянии 50 мм от открытого конца трубки диафрагму из прокаленного асбеста с отверстием в центре диаметром 3 мм.

Перед загрузкой угля реакционную трубку, асбестовые кружки, диафрагму и насадку взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г. Затем в трубку помещают кварцевую вставку так, чтобы ее широкая часть находилась на расстоянии 50 мм от открытого конца кварцевой трубки и плотно прилегала к диафрагме, находящейся в трубке. К кварцевой вставке присоединяют фильтр для улавливания смолы.

Уголь в реакционной трубке распределяют ровным слоем длиной 320 мм от запаянного конца осторожным поворачиванием трубки в горизонтальном положении вокруг оси до тех пор, пока проба не займет требуемого положения.

 

 

 

1.3.3 Сборка установки и проверка ее на герметичность

Установку собирают по схеме, приведенной на рисунке 1.1 (при проведении испытания в пятисекционной печи манометр перед поглотительной склянкой для аммиака не устанавливают). Всю аппаратуру соединяют встык при помощи эластичных резиновых шлангов диаметром 5 мм.

После сборки установки ее испытывают на герметичность, для чего всю систему подсоединяют к газометру и открывают винтовой зажим на шланге, отводящем воду из газометра (при закрытом манометре). При наличии герметичности вытекание воды быстро прекращается. Если же вода продолжает вытекать, необходимо найти место неплотного соединения и устранить негерметичность.

Затем газометр отсоединяют от поглотительной аппаратуры, полностью вытесняют из него воздух, заполняя насыщенным раствором хлористого натрия, после чего снова присоединяют к последней по ходу газа U-образной трубке с активированным углем. Затем отсоединяют реакционную трубку с вставкой и фильтром. Поглотительную склянку для аммиака со стороны входа газа закрывают пробкой. При этом зажимы на трубке, отводящей воду из газометра, и на манометре должны быть закрыты, а зажим на трубке, подводящей газ к газометру, должен быть открыт.

 

1.3.5 Подготовка печей при проведении испытания

В печь для коксования на слой асбеста толщиной в 1 мм перед началом опыта устанавливают пятиточечный термопреобразователь, чтобы его спаи находились в середине обогревающих секций. Печь пиролиза предварительно нагревают до (790±10) °С и выдерживают при этой температуре 30 мин, измеряя температуру термопреобразователя, установленного в середине печи.

 

1.4 Проведение испытания

В холодную печь коксования через печь для ватного фильтра и печь пиролиза, предварительно нагретых соответственно до (105±5) °С и (790±10) 0С, вводят реакционную трубку с кварцевой вставкой и присоединенным к ней фильтром для улавливания смолы.

Реакционную трубку в печи устанавливают так, чтобы ее конец выступал из печи пиролиза на 40 мм, после чего тотчас же соединяют фильтр с поглотительной аппаратурой, немедленно открывают зажим на шланге, отводящем воду из газометра, а затем на манометре. В течение всего опыта поддерживают разрежение в газометре 98—196 Па.

Температуру в печи пиролиза и печи для ватного фильтра доводят до первоначальной и включают командное устройство, подающее напряжение на секции печи коксования, при этом первой включается секция, прилегающая к печи пиролиза. Через 15 мин автоматически включается вторая секция; затем последовательно через каждые 10 мин включается третья, четвертая, пятая секции печи коксования. После включения пятой секции командное устройство автоматически выключается, оставив цепи управления всех секций коксования включенными.

После нагрева последней пятой секции печи коксования до (890±10) 0С во всех секциях выдерживают температуру (890±10) °С, а в печи пиролиза (790±10) °С в течение 20 мин, после чего опыт заканчивают и выключают обогрев печей.

Температура секций печи коксования (890±10) 0С и печи пиролиза (790±10) 0С поддерживается автоматически при помощи регулирующих милливольтметров и контактного реле с ртутными переключателями.

В течение опыта каждые 5 мин записывают температуру секций печей коксования и пиролиза, количество и температуру газа в газометре.

К концу опыта в газометре уравнивают давление с атмосферным, что достигается регулированием оттока воды из газометра, после чего закрывают зажимы на шланге, отводящем воду из газометра, манометре и шланге, соединяющем поглотительную систему с газометром, определяют объем выделившегося газа по объему раствора, вытекшего из газометра, и записывают барометрическое давление.

После окончания опыта отсоединяют фильтр для улавливания смолы от остальной поглотительной аппаратуры и вынимают термометр из печи с ватным фильтром. Реакционную трубку вместе со вставкой и фильтром вынимают из печей и, положив на лист толстого асбеста, отсоединяют кварцевую вставку и фильтр. Реакционную трубку плотно закрывают резиновой пробкой во избежание выгорания кокса и охлаждают до комнатной температуры, затем выдерживают в течение 20 мин в открытом состоянии и взвешивают на технических весах.

Кварцевую вставку и фильтр охлаждают до комнатной температуры в эксикаторе. Всю поглотительную аппаратуру разъединяют и оставляют открытой на 20 мин на воздухе, кроме U-образных трубок с хлористым кальцием и активированным углем, которые выдерживают в открытом состоянии в эксикаторе. Затем кварцевую вставку, фильтр, поглотительные склянки, U-образные трубки с хлористым кальцием и трубки с активированным углем взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г.

Из кварцевой трубки извлекают насадку и коксовый остаток. Трубку и насадку помещают в трубчатую печь, нагретую до 700—800 °С, для выжигания графита и мелких кусочков кокса; вставку и фильтр, освобожденный от ваты, прокаливают в той же печи.

 

1.5 Обработка результатов

1) Выход кокса определяют по массе коксового остатка в кварцевой трубке. Выход кокса (X) в процентах вычисляют по формуле

 

где m2 — масса кварцевой трубки с коксовым остатком после опыта, г;

m1 — масса кварцевой трубки до загрузки пробы, г;

m — масса навески угля, г.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, расхождение между которыми при доверительной вероятности Р = 0,95 не должно превышать 0,5 % абс.

2) Выход смолы определяют по изменению массы вставки, фильтра и массе легких смоляных погонов, извлеченных эфиром из поглотительного раствора для аммиака.

Выход легких смоляных погонов определяют следующим образом: поглотительный раствор для аммиака из поглотительной склянки переводят в делительную воронку вместимостью 25 см3, а поглотительную склянку тщательно промывают небольшими порциями (по 1,5 — 2 см3) петролейного эфира. Промывание производят 2 — 3 раза до полного растворения смоляных продуктов, переводят эфир в ту же делительную воронку и перемешивают взбалтыванием с поглотительным раствором. Поглотительный раствор из делительной воронки осторожно декантируют в коническую колбу вместимостью 250 см3 и сохраняют для дальнейшего определения аммиака. Поглотительную склянку промывают до нейтральной реакции небольшими порциями дистиллированной воды, промывая этой же водой и эфирные вытяжки в делительной воронке.

Промывные воды переводят в ту же колбу с поглотительным раствором. Эфирные вытяжки переводят в предварительно взвешенную коническую колбу вместимостью 25 см3. Петролейный эфир отгоняют из колбы под вакуумом (водоструйный насос) при охлаждении колбы льдом, пропуская через нее осушенный воздух. Для этой цели служит прибор, изображенный на рисунке 1.3. После отгонки эфира колбу тщательно вытирают снаружи и взвешивают.

1 — трубка с хлористым кальцием; 2 — колба с эфирной вытяжкой; 3 — водяная баня; 4 — колба Бунзена.

Рисунок 1.3

 

Выход смолы (X1) в процентах вычисляют по формуле

 

где т1масса смолы в фильтре и вставке, г;

т2 — масса смолы, извлеченная эфиром, г;

т — масса навески угля, г.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, расхождение между которыми при доверительной вероятности Р = 0,95 не должно превышать, указанных в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1

Массовая доля смолы, %

Допускаемое расхождение, % абс.

От 0,10 до 0,3

Св. 0,3 » 1,0

» 1,0 » 3,0

» 3,0 » 10

0,1

0,2

0,3

0,4

 

3) Выход аммиака определяют по объему раствора едкого натра концентрации эквивалента 1 моль/дм3, израсходованного на титрование поглотительного раствора после извлечения из него легких смоляных погонов.

Выход аммиака 2) в процентах вычисляют по формуле

,

где Vобъем раствора серной кислоты концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3, взятый для опыта, см3;

V1 — объем раствора щелочи концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3, израсходованный на титрование избытка серной кислоты, не вступившей в реакцию, см3;

Т титр раствора серной кислоты концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3, выраженный по аммиаку, г/см3;

mмасса навески угля, г.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, расхождение между которыми при доверительной вероятности Р = 0,95 не должно превышать значений, указанных в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Массовая доля аммиака, %

Допускаемое расхождение, % абс.

От 0,005 до 0,015

Св. 0,015 » 0,045

» 0,045 » 0,130

» 0,13 » 0,40

» 0,40 » 1,0

0,004

0,010

0,020

0,03

0,05

 

4) Выход общей влаги определяют по разности между увеличением массы поглотителя для аммиака и трубки с хлористым кальцием, помещаемой за ним во время опыта, и массой аммиака и смоляных погонов, извлеченных эфиром.

Выход общей влаги 3) в процентах вычисляют по формуле

,

где m3увеличение массы поглотителя для аммиака и трубки с хлористым кальцием, г;

m2 — масса смолы, извлеченная эфиром, г;

m1 — масса аммиака, г;

т — масса навески угля, г.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, расхождение между которыми при доверительной вероятности Р = 0,95 не должно превышать 0,2 % абс., при массовой доле общей влаги от 1 до 3 %, и 0,3 % абс., при массовой доле обшей влаги от 3 до 10 %.

5) Выход пирогенетической воды определяют по разности между выходом общей влаги и содержанием влаги в анализируемой пробе угля.

Выход пирогенетической воды 4) в процентах вычисляют по формуле

,

где Х4 — выход общей влаги, %;

Wa — содержание влаги в аналитической пробе угля, %.

6) Выход сероводорода определяют следующим образом. Щелочной раствор из поглотительной склянки переводят в мерную колбу вместимостью 250 см3, а поглотительную склянку промывают два раза дистиллированной водой. Промывные воды сливают в ту же мерную колбу, доводят уровень раствора дистиллированной водой до метки и перемешивают. Затем в коническую колбу вместимостью 250 см3 наливают 50 см3 дистиллированной воды, 25 см3 испытуемого раствора и вводят для подкисления раствора разбавленную 1:1 соляную кислоту, количество которой устанавливают заранее (в отдельную порцию — 25 см3 испытуемого раствора добавляют 50 см3 дистиллированной воды, вводят метиловый оранжевый, титруют до нейтральной реакции, разбавленной 1:1 соляной кислотой и дают в избыток 2 — 4 капли той же кислоты). Из бюретки приливают 10 — 30 см3 раствора йода концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3 (в зависимости от содержания серы в угле). Избыток йода, не вступивший в реакцию с сероводородом, титруют 0,1 н. раствором тиосульфата натрия концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3 в присутствии крахмала, который вводят под конец титрования.

Выход сероводорода 5) в процентах вычисляют по формуле

,

где V — объем раствора йода концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3, взятый для анализа, см3;

V1 — объем раствора тиосульфата натрия концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3, израсходованный на титрование избытка йода, не вступившего в реакцию с сероводородом, см3;

Tтитр раствора йода концентрации эквивалента 0,1 моль/дм3, выраженный по сероводороду,г/см3;

250 — общий объем испытуемого раствора, см3;

mмасса навески угля, г;

25 — аликвотная часть раствора, см3.

7) Выход диоксида углерода определяют по разности между увеличением массы поглотителя для сероводорода и диоксида углерода и трубки с хлористым кальцием, помещаемой за ним во время опыта, и количеством определенного сероводорода.

Выход диоксида углерода 6) в процентах вычисляют по формуле

,

где m1, — увеличение массы поглотительной склянки с раствором щелочи и трубки с хлористым кальцием, г;

mмасса навески угля, г;

Х5 — выход сероводорода, %.

8) Выход непредельных углеводородов определяют по увеличению массы поглотительной склянки с раствором желтого оксида ртути в серной кислоте и трубки с хлористым кальцием, помещаемой за ней во время опыта.

Выход непредельных углеводородов 7) в процентах вычисляют по формуле

,

где т1 — увеличение массы поглотительной склянки с раствором для поглощения непредельных углеводородов и трубки с хлористым кальцием, г;

т — масса навески угля, г.

9) Выход сырого бензола определяют по увеличению массы трех U-образных трубок с активированным углем.

Выход сырого бензола (X8) в процентах вычисляют по формуле

,

где т1увеличение массы трех трубок с активированным углем, г;

т — масса навески угля, г.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, расхождение между которыми при доверительной вероятности Р = 0,95 не должно превышать 0,05 % абс., при выходе сырого бензола от ,1 до 0,3 %, и 0,1 % абс., при выходе сырого бензола от 0,3 до 1,0 %.

10) Выход выделившегося в условиях опыта газа определяют по объему раствора, вытекшего из газометра.

Выход выделившегося газа, приведенного к нормальным условиям, 9), в м3/т вычисляют по формуле

,

где ν — объем выделившегося газа, определенный по объему раствора, вытекшего из газометра, дм3;

В — барометрическое давление во время проведения опыта, Па;

рупругость водяных паров при данной температуре газа, Па;

m — масса навески угля, г;

t — температура газа в газометре, 0С.

За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, расхождение между которыми при доверительной вероятности Р = 0,95 не должно превышать 5 м3/т.

11) Для вычисления общего выхода газа предварительно производят расчет выхода сероводорода (X10), диоксида углерода 11) и непредельных углеводородов 12) в м3/т по следующим формулам:

, , ,

где Х5, Х6, X7 — выход соответственно сероводорода, диоксида углерода и непредельных углеводородов, %;

ρ1, ρ2, ρ3 — масса 1 м3 соответственно сероводорода, диоксида углерода и непредельных углеводородов, кг3.

12) Общий выход газа при нормальных условиях 13) в м3/т вычисляют по формуле

,

где Х9 — выход выделившегося газа без учета выхода сероводорода, диоксида углерода и непредельных углеводородов, м /т;

X10, Х11, Х12выход соответственно сероводорода, диоксида углерода и непредельных углеводородов, м3/т.

13) Пересчет выхода продуктов коксования на сухую массу (Вс) в процентах производят по формуле

,

где Вaвыход данного продукта на аналитическую пробу, %;

Wa — содержание влаги в аналитической пробе, %.

14) Вычисление результатов определения выхода продуктов коксования производят до третьего десятичного знака и округляют до второго, а выход газа — до первого десятичного знака и округляют до целого числа.

 

Вопросы

 

1. Укажите области применения сырого бензола, смолы и коксового газа. Каковы требования к их качеству?

2. Сравните состав смолы коксования и полукоксования.

3. Как влияет увеличение в шихте количества газовых углей на выход и качество летучих продуктов коксования?

4. Почему необходимо улавливать аммиак и сероводород из коксового газа?

5. Какое влияние оказывает уровень обогрева коксовых печей на состав продуктов обогрева?

6. Как изменится состав химических продуктов при коксовании термически подготовленной шихты?

 

 

2 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ КОМПОНЕНТОВ НА КОМПЛЕКТАХ ДЛЯ ГАЗОВЫХ АНАЛИЗОВ ТИПА КГА

 

2.1 Общие сведения

Настоящий стандарт устанавливает метод определения объемной доли компонентов в газах на комплектах для газовых анализов типов КГА2 и КГАЗ.

Сущность метода заключается в определении:

1) суммы кислотообразующих газов (СО2, SО2, H2S и др.);

2) суммы непредельных углеводородов (СnН2n), О2 и СО — абсорбционным избирательным поглощением поглотительными растворами;

3) Н2 — сжиганием с палладиевым катализатором;

4) суммы предельных углеводородов (СnН2n+2) и Н2 — фракционным сжиганием над окисью меди, при этом возможно раздельное определение СН4 и суммы его гомологов, принимаемых за С2Н6.

 

2.2 Средства измерения

При определении объемной доли компонентов в газовых смесях применяют следующую аппаратуру и реактивы:

1) комплекты для газовых анализов типов КГА2 и КГАЗ;

2) термопару хромель-алюмель и милливольтметр с градуировкой шкалы до 1000 °С.

 

2.3 Подготовка прибора к анализу

Схема установки приведена на рисунке 1.

Стеклянный цилиндр 1 заполняют дистиллированной водой через отверстие в пробке. При этом во избежание образования пузырьков воздуха на стенках бюретки вода через резиновую трубку должна поступать на дно цилиндра. По заполнении цилиндра отверстие закрывают пробкой или стеклянной заглушкой.

Бюретку 3 заполняют дистиллированной водой. Для этого воду наливают в уравнительную склянку 30 и, перекрыв кран 27 на сообщение бюретки с атмосферой через правую трубку гребенки (заглушку крана 28 снять) при открытых кранах вилки 4, поднимают уравнительную склянку 30 и вытесняют из бюретки 3 воздух, заполняя ее водой до метки «0». Вслед за этим краны вилки 4 закрывают, кран бюретки 27 переключают на сообщение с левой частью гребенки.

После этого приступают к заполнению сосудов поглотительными растворами.

Все сосуды, кроме сосуда 11, заполняют, не снимая с прибора, через воронку, вставленную в отверстие пробки. Заполнив вспомогательную камеру, кран сосуда перекрывают на сообщение с бюреткой и, опустив уравнительную склянку, при открытых кранах вилки переводят раствор в поглотительную камеру до метки. Затем все краны и уравнительную склянку ставят в первоначальное положение. При этом слой раствора во вспомогательной камере должен быть высотой 30-40 мм. Сосуд 10 заполняют раствором гидроокиси калия.

 

1 – стеклянный цилиндр; 2 – компенсационная трубка; 3 — бюретка; 4 — вилка; 5 – компенсатор давления; 6 – трубка с катализатором; 7 – источник электрического тока; 8 — кран; 9 – поглотительный сосуд без наполнителя; 10 — 13 – поглотительные сосуды с насадкой; 14, 16 – 19, 27, 28 – серповидный кран; 15 — гребенка; 20 – трубка для сжигания; 21 — электропечь; 22 — термометр; 23 – источник электрического тока; 24 – прямые краны; 25 – трехходовой кран; 26 — кран; 29 — заглушки; 30 – уравнительная склянка.

Рисунок 1

 

Сосуд 11 снимают с прибора и наполняют его раствором брома в вытяжном шкафу. Отверстие сосуда закрывают предохранительной трубкой с шарообразным расширением, заполненным аскаритом и закрытым с обеих сторон пробочками из ваты. По заполнении сосуд устанавливают в прибор и переводят раствор в поглотительную камеру.

Сосуд 12 заполняют раствором пирогаллола.

Сосуд 13 заполняют суспензией закиси меди в серной кислоте. После заполнения сосудов 12 и 13 в отверстие пробок вставляют отросток гребенки 15, на свободный конец которой надевают резиновый баллон-мешочек из кислотощелочестойкой резины или присоединяют заполненную водой склянку.

Сосуд 9 без насадки заполняют насыщенным раствором хлористого натрия или другим раствором, указанным в п. 1.1.

Трубку для сжигания 20 в той части, которая погружается в печь 21, заполняют гранулированной окисью меди. Загрузку ведут в оба конца трубки, слегка утрамбовывая постукиванием. Глубину загрузки контролируют введением гибкой стальной проволоки. Чтобы окись меди не высыпалась при перевертывании трубки, в оба конца закладывают неплотные асбестовые пробочки или спиральки из медной проволоки.

Трубку с катализатором 6 между контактами заполняют палладиевым катализатором и с двух концов закрывают асбестовыми пробками или стекловатой.

После этого трубки для сжигания присоединяют к прибору при помощи толстостенных резиновых трубок.

Герметичность прибора проверяют следующим способом.

Перекрыв кран 27 бюретки 3 на сообщение с воздухом (через верхнюю часть гребенки), поднимают воду в ней до крана. Затем перекрывают кран 27 на сообщение бюретки с левой частью гребенки, на конец которой надета заглушка. Открыв один из кранов вилки 4, опускают уравнительную склянку 30 на всю длину резиновой трубки. Если уровень жидкости в бюретке, несколько снизившись при опускании склянки, останется затем неподвижным и уровни в поглотительных сосудах также останутся неподвижными в течение 5-8 мин, прибор герметичен. Если же существуют какие-либо неплотности, уровень в бюретке будет постепенно понижаться. Для установления причины неплотности прибор испытывают по частям. Сначала перекрывают гребенку краном 25. Если прибор в таком положении сохраняет герметичность, то кран 25 ставят в прежнее положение, гребенку же перекрывают краном 19, повернув его на 60° в ту или другую сторону и вновь испытывают на герметичность. Перекрывая постепенно один за другим все остальные краны на 60°, находят участок, создающий неплотность прибора, и устраняют причину неплотности. Проверку на герметичность проводят также с включенной в систему трубкой для сжигания 20 и трубкой с катализатором 6 с приемником газа 9.

Если указанным способом причина неплотности не выяснена, то гребенку заполняют водой и, проверяя на герметичность, наблюдают появление пузырьков воздуха в месте неплотности.

После замены непригодной детали воду удаляют, гребенку промывают этиловым спиртом или этиловым эфиром через воронку, присоединяя резиновую трубку к одному из концов гребенки, и просушивают струей воздуха.

После проверки прибора на герметичность дистиллированную воду в бюретке заменяют запирающей жидкостью.

Влияние вредного пространства гребенки и трубок для сжигания на измеряемый объем анализируемого газа исключают следующим образом.

В бюретку 3 берут азот, очищенный от кислорода, и, сняв заглушку с левого отростка гребенки (кран 14), продувают азотом сначала гребенку, затем трубки для сжигания 20 и 6 при открытом кране 8, перекрывая соответственно краны. Подняв запирающую жидкость в бюретке 3 до метки «0», закрывают краны вилки 4. Затем, перекрыв кран 25 манометра на сообщение с прибором, устанавливают одинаковое давление во всех частях прибора. Когда жидкость в манометре будет на одном уровне, закрывают сначала краны вилки 4, затем кран 25 манометра, а также одноходовые краны 24 на отростках трубки для сжигания 20.

Вредное пространство гребенки и трубок для сжигания, заполненное азотом, перед и после анализа должно быть исключено из общего объема анализируемого газа. Объем отростка бюретки от «0» до крана 27 устанавливают экспериментально или расчетом; этот объем добавляют к замеренному объему анализируемого газа.

Незначительным объемом крановых отростков над поглотительными растворами пренебрегают.

Нагрев электрической печи 21 предварительно устанавливают с помощью автотрансформатора на температуру 260-270 °С — для сжигания водорода и 850-950°С — для сжигания предельных углеводородов.

На разогрев печи до указанных температур должно затрачиваться 7-10 мин. Температура печи должна поддерживаться в указанных пределах в течение 10-15 мин. Температура 260-270 °С как при регулировке, так и в процессе анализа, контролируется термометром 22.

Нагрев до 850-950 °С (светло-красное каление) контролируется термопарой только при регулировке.

 

2.4 Проведение испытания

2.4.1 Заполнение прибора испытуемым газом

Верхнюю часть гребенки заполняют из бюретки запирающей жидкостью и через резиновую трубку к отростку крана 28 присоединяют сосуд с пробой газа. Создав в сосуде давление, соединительную резиновую трубку продувают газом через свободный отросток крана 28. Перекрыв краны 28 и 27 на сообщение сосуда с бюреткой 3 при открытых кранах вилки 4, набирают в бюретку около 100 см3 газа, после чего краны вилки и сосуда закрывают. Перекрыв кран 27 бюретки на сообщение ее с левой частью гребенки, дают 1 мин на стекание жидкости со стенок бюретки, наблюдая время по песочным часам, и производят замер объема газа.

Для этого уровень жидкости в левой части бюретки устанавливают точно на 80 см3 и левый кран вилки закрывают. При открытом правом кране вилки 4 жидкость в правой части бюретки 3 приводят приблизительно к одному уровню с жидкостью в уравнительной склянке 30. Перекрыв кран 25 манометра на сообщение его с прибором и манипулируя уравнительной склянкой (прижав при этом руку к правой стенке опорной рамы для предотвращения резких движений), приводят мениски в манометре к одному уровню, после чего закрывают сначала кран вилки, а затем кран манометра и производят замер объема газа в бюретке и запись результата замера. Далее при всех замерах объема производят предварительное уравнение его давления с давлением в компенсационной трубке при помощи манометра.

 

2.4.2 Определение компонентного состава газа способом избирательного поглощения.

Перекрыв кран 18 на сообщение поглотительного сосуда 10 с бюреткой 3, прокачивают испытуемый газ через раствор гидроокиси калия. Для этого испытуемый газ переводят при открытых кранах вилки 4 из бюретки в поглотительный сосуд 10. Перевод газа может быть осуществлен или поднятием уравнительной склянки или при помощи водоструйного насоса, присоединенного к уравнительной склянке через серповидный кран, укрепленный рядом с прибором. Уравнительную склянку при этом помещают в верхнее гнездо. Горлышко ее плотно закрывают резиновой пробкой с отводной стеклянной трубкой, соединенной через резиновую трубку со вторым отростком серповидного крана.

Третий свободный отросток крана остается открытым на атмосферу.

Для перевода газа из бюретки в поглотительный сосуд в первом случае уравнительную склянку поднимают и, когда запирающая жидкость в бюретке достигает метки «0», склянку опускают, переводя газ обратно в бюретку. Поглотительный раствор при этом поднимают до метки поглотительного сосуда.

Для перевода газа при помощи водоструйного насоса серповидный кран переключают на сообщение уравнительной склянки с атмосферной, а для перевода газа в бюретку — на сообщение с насосом.

При переводе газа из одного сосуда в другой необходимо следить за уровнем поднимающейся жидкости, не допуская ее подъема выше метки. Проводят непрерывно 3-4 прокачивания газа, остаток которого затем переводят в бюретку, закрывают кран 18 над поглотительным сосудом, а затем краны-вилки.

Если объем остатка газа меньше 80 см3, уровень жидкости в левой части бюретки устанавливают в зависимости от количества газа на 60, 40 или 20 см3. Остальной газ забирают в правую часть бюретки, приводят запирающую жидкость в правой части и в уравнительной склянке к одному уровню, закрывают кран вилки и оставляют газ в бюретке на 1 мин для стекания запирающей жидкости. По истечении этого времени измеряют объем газа, как указано в п. 2.4.1.

Вслед за эти повторяют 2-3 прокачивания газа через раствор гидроокиси калия. Если объем газа не изменяется, поглощение считают законченным. Если же объем газа продолжает уменьшаться, прокачивание повторяют до наступления постоянства объема. Объем поглощенных кислотообразующих газов принимают за объем СО2.

Для поглощения непредельных углеводородов испытуемый газ переводят в поглотительный сосуд 11 с раствором брома. Так как реакция в данном случае идет в газовой фазе, испытуемый газ оставляют в парах брома на 1-2 мин, после чего переводят его в бюретку и тотчас же прокачивают через поглотительный сосуд 10 с раствором гидроокиси калия для поглощения паров брома. После выдерживания газа в бюретке в течение 1 мин измеряют его объем. Прокачивание повторяют до наступления постоянства объема. Объем поглощенного газа принимают за объем суммы непредельных углеводородов.

Для поглощения кислорода испытуемый газ переводят в поглотительный сосуд 12 с раствором пирогаллола и проводят 3-4 прокачивания газа. После выдерживания газа в бюретке в течение 1 мин измеряют его объем и повторяют прокачивание до наступления постоянства объема.

Объем поглощенного газа принимают за объем кислорода.

Для поглощения окиси углерода газ переводят в поглотительный сосуд 13 с суспензией закиси меди в серной кислоте и проводят 3-4 прокачивания газа. Для удаления пузырьков газа, которые могут быть задержаны вязкой суспензией, при последнем прокачивании газ из сосуда выводят медленно, до полного удаления всех пузырьков газа. После выдерживания газа в бюретке в течение 1 мин измеряют его объем и повторяют прокачивание до постоянного объема. Объем поглощенного газа принимают за объем окиси углерода.

 

 

 

2.4.3 Определение компонентов газа фракционированным сжиганием в трубке с окисью меди

Электрическую печь 21, снятую с трубки для сжигания 20 и установленную одной ножкой в левое гнездо (при этом печь откинута в сторону), заранее начинают нагревать, как указано в п. 2.3, с тем, чтобы к концу анализа способом поглощения она нагревалась до 260 °С.

По окончании поглощения окиси углерода печь 21 надвигают на трубку для сжигания 20 и вставляют в нее термометр 22. Печь снизу закрывают асбестом. Перекрыв прямые краны 24 на сообщение трубки 20 с бюреткой 3 при открытых кранах вилки 4, оставляют прибор на время разогрева трубки (3-4 мин), что определяют по прекращении увеличения объема газа. Серповидный кран 19 повертывают на 60° для разобщения гребенки.

При анализе газов, не содержащих значительного количества углеводородов с тремя и более атомами углерода, температуру при сжигании водорода поддерживают 280-285 °С. При применении активированного окислителя температуру при сжигании водорода не превышают и поддерживают ее не выше 260 °С. Как только трубка 20 нагреется до указанной температуры, краны 19 и 8 перекрывают на сообщение трубки 20 с сосудом 9, заполненным насыщенным раствором хлористого натрия. Слегка приподняв уравнительную склянку 30, приоткрывают краны вилки 4 и медленно пропускают газ через трубку 20 в сосуд 9 со скоростью 15-20 см3/мин. В обратном направлении из сосуда 9 в бюретку 3, а также при повторном пропускании газа через трубку 20 газ должен протекать с обычной скоростью около 400 см3/мин.

Краны 8 и 19 закрывают и измеряют объем газа. По достижении постоянства объема вынимают термометр 22, печь 21 вынимают из гнезда, откидывают в сторону и переключают на нагрев до 850 °С в соответствии с п. 2.3. Поместив уравнительную склянку 30 в нижнее кольцо при открытых кранах вилки 4 и трубки 20, ее охлаждают до комнатной температуры влажным полотном, смачиваемым в воде. Газ вновь прокачивают несколько раз через охлажденную трубку и измеряют объем газа. Уменьшение объема газа при сжигании принимают за объем водорода. Объемом образующихся при горении капель воды пренебрегают.

Вслед за этим нагретую до 850-950 °С (или до 600-700 °С при применении активного окислителя) печь 20 надвигают на трубку при открытом кране вилки. Когда трубка разогреется (3-4 мин) и увеличение объема газа прекратится, приступают к сжиганию предельных углеводородов. Для этого перекрывают кран 18 на сообщение трубки 20 с сосудом 10, заполненным раствором гидроокиси калия, и проводят первое прокачивание газа медленно, как это указано для сжигания водорода. Все последующие прокачивания проводят с обычной скоростью. Образующийся в процессе горения углеводородов СО2 сразу же поглощается раствором гидроокиси калия. Прокачивание повторяют до получения постоянства объема, после чего печь выключают и снимают с трубки. Последнюю охлаждают влажным полотном до комнатной температуры. Газ вновь прокачивают через охлажденную трубку и затем через раствор пирогаллола для освобождения кислорода, который мог выделиться в результате термического разложения окиси меди, и измеряют объем газа. Уменьшение объема газа принимают за объем суммы предельных углеводородов.

При раздельном определении метана и суммы его гомологов, принимаемых за этан (при анализе газов, не содержащих значительных количеств углеводородов с тремя и более атомами углерода), установленную температуру нагрева печи (любую в интервале 850-950 °С) поддерживают с погрешностью не более 5 °С, измеряя объем испытуемого газа при нагретой трубке и пропуская газ после сжигания в сосуд 9, заполненный насыщенным раствором хлористого натрия. Измеряют объем газа в бюретке, поддерживая постоянный нагрев печи. Увеличение объема газа принимают за этан. После измерения объема газ прокачивают через раствор гидроокиси калия и вновь измеряют объем газа. Уменьшение объема газа после поглощения кислотообразующих газов принимают за объем СО2, образовавшегося при сжигании суммы предельных углеводородов.

Объем оставшегося газа после проведения анализа принимают за объем азота.

Примечание. Если в испытуемом газе содержится 10 % азота, в бюретку перед отбором газа берут 10-15 см3 азота, не содержащего кислорода. В этом случае при подсчете результатов анализа объем вредного пространства капилляра бюретки не учитывают.

 

2.4.4 Определение водорода сжиганием в трубке с палладиевым катализатором

При работе на приборе нагреватель катализатора должен быть постоянно подключен к сети. Если нагрев был отключен, то для подготовки прибора к проведению анализов, то есть для достижения установленной температуры 80-100 °С, требуется около 30 мин. Краны 19, 27, 28 при нагревании должны быть открыты для поддержания в трубке атмосферного давления. После нагрева кран 19 закрывают.

Объем пробы исследуемого газа определяют в зависимости от предполагаемого содержания в газе водорода. Если предполагаемое содержание водорода в газе менее 3 %, отбирают 100 см3 газа, если предполагаемое содержание водорода в газе более 75 %, отбирают 33,35 см3 газа, если содержание водорода в газе неизвестно, отбирают 20 см3 исследуемого газа.

В первом случае разбавление пробы воздухом не производят, во втором случае к пробе газа добавляют 100 см3 воздуха и в третьем — 80 см3 воздуха.

Для определения вредного объема бюретки от деления «0» до крана 27 доводят запирающую жидкость в сосуде до крана 8 и в бюретке до крана 27, затем набирают в оба колена бюретки по 20 см3 воздуха, измеряют точно объем воздуха и переводят его через трубку с катализатором 6 в сосуд 9, доводя жидкость в бюретке до крана 27. Поворачивают кран 27 и снова набирают в оба колена бюретки по 20 см3 воздуха, затем переводят в бюретку воздуха из сосуда 9, доводя жидкость до крана 8.

Вредный объем бюретки определяют как разность между измеренным после перевода воздуха из сосуда 9 в бюретку объемом и суммарным объемом двух проб.

Операцию производят несколько раз до получения постоянного значения вредного объема.

Для определения малых количеств водорода в испытуемом газе (до 3 %) учет вредного объема бюретки не производят.

Перед проведением анализа продувают трубку с катализатором воздухом, для чего набирают в бюретку 80 см3 воздуха, переводят воздух в сосуд 9, затем поднимают уровень жидкости в сосуде 9 до крана 8, закрывают кран 8, уравнивают давление в трубке 6 и бюретке с атмосферным, устанавливая уровни жидкости в бюретке и в уравнительной склянке 30 на одной высоте, затем поворачивают кран 27 и выпускают воздух из бюретки в атмосферу.

Надевают на боковой отросток крана 28 шланг пробоотборника, продувают шланг испытуемым газом, отбирая 2-3 раза по 15-20 см3 газа в узкое колено бюретки и выпуская его в атмосферу через верхний отросток крана 28, затем отбирают в широкое колено бюретки несколько больше 80 см3 газа, а в узкое — несколько больше 20 см3. Закрывают кран 27, не соединяя бюретку с гребенкой, закрывают кран на пробоотборнике и снимают шланг с отростка крана 28.

Поднимают склянку 30 и сжимают газ в бюретке, устанавливая уровни: в широком колене — точно на отметке «80», а в узком — на отметке «20», закрывают краны 4; кратковременным поворотом крана 27 выпускают избыток газа в атмосферу через кран 28; затем проверяют объем пробы, после чего переводят газ из бюретки в сосуд 9 и обратно 2-3 раза.

При последнем переводе газ пропускают в широкое колено бюретки до отметки «80», нижний кран широкого колена закрывают, остаток газа пропускают в узкое колено, доводя жидкость в сосуде до крана 8. Закрывают кран 8 и измеряют объем газа в бюретке, уравняв его давление с давлением в компенсационной трубке.

Производят контрольное прокачивание газа через трубку 6 в сосуд 9. Если объем не уменьшается, сжигание считается законченным.

Перед определением содержания водорода, если его предполагаемая концентрация в испытуемом газе превышает 75 %, в сосуд 9 вводят 100 см3 воздуха. Для этого после продувки трубки 6 воздухом отбирают в бюретку 100 см3 воздуха, измеряют его объем, не пользуясь компенсационной трубкой и манометром, а уравнивая давление в бюретке с атмосферным подъемом уравнительной склянки, после чего переводят воздух в сосуд 9, доводя жидкость в бюретке до крана 27.

Поворотом крана 27 соединяют бюретку с краном 28, надевают на боковой отросток крана 28 шланг пробоотборника, продувают шланг исследуемым газом, отбирая 2-3 раза газ в бюретку и выбрасывая его в атмосферу через верхний отросток крана 28. Отбирают в широкое колено бюретки 20 см3 исследуемого газа, а в узкое — 14-15 см3, закрывают кран 27, не соединяя его с гребенкой; закрывают кран на пробоотборнике и снимают шланг с отростка крана 28.

Поднимают склянку 30 и сжимают газ в бюретке, устанавливая уровни в широком колене точно на отметке «20», а в узком — на отметке (13,35- V), где Vсредний объем бюретки от нулевого деления до крана 27.

Закрывают краны 4. Кратковременным поворотом крана 27 выпускают избыток газа в атмосферу через кран 28, затем открывают нижний кран узкого колена бюретки, и, установив уровни в этом колене бюретки и в склянке 30 на одной высоте, проверяют объем пробы, который с учетом вредного объема должен составлять точно 33,35 см3. При необходимости повторяют выпуск избытка газа в атмосферу.

Открывают краны 4, отпускают склянку 30, соединяют поворотом крана 27 бюретку с трубкой 6 и сосудом 9 и частично переводят находящийся в сосуде 9 воздух в бюретку, смешивая воздух с исследуемым газом. После того, как уровни в бюретке опустятся до отметок «80» и «20», поднимают склянку 30 и переводят газовую смесь из бюретки в сосуд 9. Скорость движения газа должна быть такой, чтобы при открытых кранах 4 разница в положении уровней жидкости в узком и широком коленах бюретки не превышала 3-5 см.

После перевода всего газа в сосуд 9 опускают склянку 30 и столь же медленно переводят газ обратно в бюретку. Последующие перемещения газа из бюретки в сосуд 9 и обратно производят быстро, так как основной объем водорода сгорает при первом прохождении через трубку. После 4-5 прокачиваний газа через трубку поднимают уровень жидкости в сосуд 9 до крана 8, фиксируют уровень в широком колене бюретки на отметке «80» и, помещая склянку 30 так, чтобы уровень в ней находился на одной высоте с уровнем в узком колене бюретки, измеряют объем газа.

При работе с прибором необходимо следить, чтобы поглотительные и запирающие жидкости не попадали в трубку с катализатором во избежание его отравления.

 

4 Обработка результатов

4.1   Объемную долю отдельных компонентов (X) в испытуемом газе в процентах вычисляют по формуле

,

где ∆Vобъем данного компонента, установленный после поглощения или сжигания, см3;

Vпервоначальный объем испытуемого газа, взятый в бюретку для анализа, см3.

4.2.   Объемную долю метана в испытуемом газе при его раздельном определении с этаном по п. 3.3.4 () в процентах вычисляют по формуле

,

где объем СО2, образовавшегося при сжигании суммы предельных углеводородов, см3;

— объем этана, установленный после сжигания предельных углеводородов, см3;

Vпервоначальный объем испытуемого газа, взятый в бюретку для анализа, см3.

4.3.   Объемную долю водорода в испытуемом газе при его содержании до 3 % 1) в процентах вычисляют по формуле

,

где Vпобъем пробы, см3;

Vгобъем газа после сжигания, см3.

4.4.   Объемную долю водорода в испытуемом газе при его содержании более 75 % 2) в процентах вычисляют по формуле

,

где VBобъем воздуха, см3;

Vгобъем газа после сжигания, см3;

33,35 — объем пробы испытуемого газа, см3.

4.5.   Объемную долю водорода в испытуемом газе, когда содержание его неизвестно или изменяется в широких пределах 3), в процентах вычисляют по формуле

,

где VBобъем воздуха, см3;

Vгобъем газа после сжигания, см3;

20,0 — объем пробы испытуемого газа, см3.

Результаты двух определений, полученные в одной лаборатории, признаются достоверными (с 95 %-ной доверительной вероятностью), если расхождение между ними не превышает:

при способе поглощения — 0,2 %,

при способе сжигания — 0,3 %.

 

Вопросы:

 

1. Перечислите основные преимущества и недостатки данного метода определения объемной доли компонентов в газе.

2. Напишите основные химические реакции, протекающие при поглощении компонентов газа.

3. Сравните состав газов полученных при коксовании и полукоксовании горючих ископаемых.

4. Чем вызвана необходимость очистки газа, полученного при переработке ТГИ? Какие газы улавливают в процессе очистки?

 

3 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОГАТИМОСТИ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФРАКЦИОННОГО АНАЛИЗА.

 

3.1   Общие сведения

Обогатимость углей характеризуется их способностью разделяться на составляющие компоненты по плотности: концентрат, промежуточный продукт и породу.

Метод заключается в определении обогатимости углей по результатам фракционного анализа.

Сущность метода заключается в расслоении исследуемого топлива на фракции (по плотности) для определения его фракционного состава.

 

3.2 Средства измерения

1) Центрифуга электрическая лабораторная стаканчикового типа с регулируемой частотой вращения от 600 до 2000 мин-1 и пробирками вместимостью не менее 200 см3.

2) Выпариватель хлористого цинка электрический.

3) Воронка металлическая со стоком в канализацию и решеткой размером 400 × 400 мм для установки промывного бачка.

4) Баки вместимостью 45-50 дм3 и высотой не менее 600 мм для промывки и расслоения пробы в хлористом цинке.

5) Бачки с сетчатым дном (размер отверстий 1 (0,5) мм), свободно входящие в бак с жидкостью.

6) Бачки эмалированные вместимостью 5-7 дм3 и высотой не менее 300 мм для расслоения проб в органических жидкостях.

7) Бачки с сетчатым дном (размер отверстий 1 (0,5) мм), свободно входящие в бачок с органической жидкостью.

8) Воронка для сбора промывных вод от обесшламливания топлива.

9) Черпаки сетчатые для снятия всплывших частей проб.

10) Баки для приготовления растворов.

11) Противни размером 650 х 350 х 80 мм, 300 × 200 × 50 мм, 400 × 300 × 80 мм для просушки фракций.

12) Делители желобчатые.

13) Шкаф сушильный электрический со стеллажом и отверстиями для естественной вентиляции, обеспечивающий необходимую очистку воздуха, с температурой нагрева (105 ± 5) 0С.

14) Денсиметры.

15) Весы с наибольшим пределом взвешивания 100 и 2 кг.

16) Набор гирь.

 

3.3   Подготовка к испытанию

3.3.1 Подготовка пробы к фракционному анализу

В зависимости от размеров кусков масса проб для фракционного анализа должна соответствовать указанной в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 — Масса проб для фракционного анализа

Размер кусков, мм, не более

Масса пробы для фракционного анализа, кг, не менее

100 (150)

50

50

25

25

13

13

6

6

3

3

2

1

0,5

Примечание — Для фракционного анализа топлива размером кусков, не указанным в таблице, массу пробы определяют по ближайшему большему размеру.

 

Общую массу пробы для фракционного анализа М, кг, вычисляют по формуле

 

(3.1)

где тrрекомендуемая масса наивысшего класса крупности (согласно таблице 3.1), кг;

msвыход наивысшего класса крупности, %.

Из отобранной пробы предварительно отсеивают куски размером более 100 (150) мм, а затем рассеивают на классы, подлежащие расслоению, и при необходимости сокращают до массы, указанной в таблице 3.1.

Сокращение проб топлива производят порционным методом или — для топлива крупностью 25 мм и менее — с помощью рифленого делителя.

При порционном методе сокращения совком последовательно отбирают по периметру основания пробы, насыпанной на ровную площадку, порции в сокращенную пробу и в отходы. Количество порций в сокращенной пробе должно быть не менее 32.

При проведении фракционного анализа топлива с нижним пределом крупности 1 (0,5) мм и максимальной крупностью более 25 мм пробу предварительно рассеивают на сите размером отверстий не более 25 мм.

Пробу топлива с размером кусков более 1 (0,5) мм перед расслоением обесшламливают или (после предварительного подсушивания) обеспыливают.

Сушку производят на воздухе или в сушильном шкафу. Для этого пробу насыпают на противень слоем не более двукратного максимального размера куска, а для топлива размером кусков менее 3 мм толщина слоя должна быть не более 10 мм. При подсушке в шкафу противень устанавливают в предварительно нагретый сушильный шкаф и подсушивают не выше (100 ± 5) °С (ускоренная подсушка) до уравнивания массовой доли влаги в пробе с атмосферной влажностью.

Обеспыливание производят отсевом частиц топлива размером зерен менее 1 (0,5) мм.

Обесшламливание проводят в бачке с сетчатым дном, промывая пробу водой над воронкой или погружая несколько раз бачок в бак с водой. Отмытый шлам отстаивают (при этом допускается применять флокулянты), собирают и сушат до сыпучего состояния, а затем подвергают контрольной сушке. Шламы тщательно собирают, взвешивают и с помощью делителя выделяют пробу.

При необходимости расслоения топлива размером зерен менее 1(0,5) мм массу, отделенную с помощью делителя, сокращают и подсушивают.

 

3.3.2 Подготовка тяжелых жидкостей

Для расслоения топлива размером зерен менее 1 (0,5) мм применяют органические жидкости плотностью от 1300 до 2600 кг/м3, а для топлива размером кусков более 1 (0,5) мм — раствор хлористого цинка плотностью от 1100 до 2000 кг/м3 и органические жидкости плотностью от 2000 до 2600 кг/м3. В таблице 3.2 приведены типовые физические свойства органических жидкостей, применяемых для фракционного анализа.

 

Таблица 3.2 — Типовые физические свойства органических жидкостей, применяемых для фракционного анализа

Органическая жидкость

Относитель-ная плотность

Пределы кипения или точка кипения при 100 кПа (100 кН/м2), °С

Вязкость при 20 0С,

м Па с,

(м Н с/м2)

Парциальное давление при 20 0С, кПа (кН/м2)

Воспламе-няемость

Уайт-спирит1)

0,77

От 30 до 200

Да

Бензин-растворитель (для лака)2)

0,73

От 37 до 185

0,548

25,33

»

Толуол

0,87

110,7

0,588

2,93

»

Керосин

0,75

От 165 до 230

1,365

0,11

»

о-Ксилол

0,88

144,4

0,810

0,68

»

mКсилол

0,86

139,0

0,620

0,85

»

р-Ксилол

0,86

138,4

0,648

0,92

»

Бромоформ (три-бромзамещенный метан)

2,79

150,0

2,152

(при 15 °С)

0,60

Нет

Тетрабромэтан (четы-рехбромистый ацетилен)

2,96

239,0

12,000

0,01

»

Четыреххлористый этилен (тетрахлорэтилен)

1,61

120,8

1,000

1,83

»

1) Смеси паров уайт-спирита и воздуха очень взрывоопасны

2) Применяемый бензин-растворитель для лака не должен содержать свинца

 

Расслоение проб бурого угля производят в тяжелых жидкостях плотностью от 1200 до 2000 кг/м3; каменных углей — от 1300 до 2600 кг/м3, антрацитов — от 1500 до 2600 кг/м3 с интервалом плотности 100 кг/м3.

При расслоении антрацита допускается применять растворы хлористого цинка плотностью не более 2100 кг/м3.

При кристаллизации хлористого цинка расслоение допускается производить в растворе, подогретом до температуры 30-35 °С.

Для фракционного анализа можно применять взвеси твердых частиц в водной среде, для получения которых используют нерастворимые материалы высокой относительной плотности и соответствующего гранулометрического состава.

Перечень пригодных для этих целей материалов приведен в таблице 3.3.

 

Таблица 3.3- Твердые материалы, пригодные для получения водной суспензии

Материал

Относительная плотность

Номинальный верхний предел крупности, мкм

Примечание

Тонкоизмельченная порода

От 2,4 до 2,6

250

Отходы с углеобогатительной фабрики. Сланцы, используемые для производства кирпича

Отхода пенной флотации

От 2,4 до 2,6

250

 

Барит

От 3,7 до 4,1

63

Сернокислый барий, используемый в промышленности

Магнетит

5,0

38

В том виде, в каком применяется на углеобогатительных фабриках

Ферросилиций

6,0

38

Измельченный или атомизированный сплав, состоящий из 85 % Fe и 15 % Si

 

Объем концентрированной жидкости (VK), м3, необходимый для получения заданного объема раствора, вычисляют по формуле

 

(3.2)

где Vжтребуемый объем раствора, м3;

ρкплотность концентрированной жидкости, кг/м3;

ρж — требуемая плотность жидкости, кг3;

ρр — плотность растворителя, кг/м3.

5.1.5   Примерный состав тяжелых жидкостей плотностью до 2100 кг/м3 определяют по таблице 3.4.

Плотность жидкости проверяют денсиметром или взвешиванием жидкости в пикнометре или в стеклянном цилиндре вместимостью 100 см3 на технических весах. Отсчет по шкале денсиметра производят после того как установится уровень жидкости.

 

Таблица 3.4 — Примерный состав тяжелых жидкостей

Плотность жидкости, кг3

Массовая доля хлористого цинка в водном растворе, %

Объемная доля бромоформа в растворе бромоформуайт-спирит, %

Объемная доля бромоформа в растворе бромоформчетырех

хлористый углерод, %

1200

22,0

19,0

1300

31,0

24,0

1400

39,0

29,0

1500

46,0

33,0

1600

52,0

38,0

1700

58,0

42,0

8,0

1800

62,0

47,0

22,0

1900

67,0

51,0

32,0

2000

72,0

56,0

42,0

2100

78,0

61,0

49,0

2200

66,0

55,0

2300

71,0

61,0

2400

76,0

67,0

2500

81,0

72,0

2600

86,0

77,0

 

3.4 Проведение фракционного анализа

Расслоение топлива размером кусков более 1 (0,5) мм производят в статических условиях, а мелких классов размером зерен менее 1 (0,5) мм — в центробежном поле.

Расслоение каменных углей, антрацита и горючих сланцев размером кусков более 1 (0,5) мм производят, начиная с жидкости наименьшей плотности.

При наличии в пробе размокаемой породы или преимущественном содержании тяжелых фракций пробу расслаивают, начиная с жидкости наибольшей плотности.

Емкость для фракционного анализа частично заполняют тяжелой жидкостью, перед каждой операцией расслоения плотность жидкости проверяют.

Пробу топлива частями не более 7 кг — для классов размером кусков 25 мм и более, 5 кг — для классов размером кусков от 3 до 25 мм, 2 кг — для классов с нижним пределом крупности 1 (0,5) мм помещают в бачок с сетчатым дном, который опускают в бак с жидкостью соответствующей плотности. Содержимое бачка тщательно перемешивают мешалкой или движением бачка с сетчатым дном в вертикальном направлении и дают отстояться пробам размером кусков 25 мм и более в течение 1-2 мин, размером кусков от 3 до 25 мм — в течение 2-3 мин, размером кусков 1-3 мм — в течение 3-5 мин.

При расслоении в органических жидкостях топлива с нижним пределом крупности более 1 (0,5) мм, а также в хлористом цинке класса с размером кусков 1-3 мм пробы загружают частями массой не более 1 кг.

Всплывшую на поверхность жидкости фракцию тщательно снимают черпаком и переносят во второй бачок с сетчатым дном, который ставят в наклонном положении над запасным баком для освобождения от оставшейся тяжелой жидкости.

После отделения жидкости бачок с всплывшей фракцией устанавливают на воронку под струю воды для промывки. После отделения воды промытую фракцию переносят на противень для подсушивания. Для промывки фракций может быть использована горячая вода.

Бачок с потонувшей частью пробы приподнимают и ставят в наклонном положении над тем же баком, из которого он вынут, до полного стока остатков тяжелой жидкости. Затем бачок переносят в следующий бак с жидкостью другой плотности и производят в нем расслоение в том же порядке.

При расслоении пробы, начиная с жидкости большей плотности, всплывшие фракции после полного стока тяжелой жидкости переносят черпаком в жидкость меньшей плотности, а потонувшие фракции являются готовыми продуктами, которые после отстаивания и промывки переносят на противни.

Все полученные в процессе расслоения фракции подсушивают и взвешивают.

Пробы, расслоенные в бромоформе, промывают бензолом и сушат в вытяжном шкафу.

Пробы, расслоенные в хлористом цинке, допускается подсушивать на воздухе.

При расслоении пробы по частям одинаковые фракции собирают на одни и те же противни.

Фракционный анализ топлива размером зерен менее 1 (0,5) мм производят методом центрифугирования.

Из подготовленного топлива помощью делителя выделяют пробу топлива массой 80-240 г, которую поровну распределяют в четыре пробирки центрифуги.

В пробирки с пробой заливают жидкость наименьшей плотности в количестве не менее объема твердого топлива и тщательно перемешивают. Затем пробирки взвешивают отдельно на лабораторных весах, доливают жидкость так, чтобы пробирки имели одинаковую массу и были заполнены не более чем на 2/3 объема.

После уравновешивания пробирки помещают в гильзы держателя центрифуги и производят центрифугирование углей:

крупностью 0-1 (0-0,5 мм) — в течение 10 мин при частоте вращения 2000 мин-1;

крупностью от 0,1 до 1 мм — в течение 5 мин при частоте вращения 600 мин-1;

крупностью менее 0,1 мм — в течение 5 мин при частоте вращения 1000 мин-1.

Пуск и остановка центрифуги должны быть плавными.

Всплывшую фракцию сначала вычерпывают ложечкой, не допуская перемешивания ее с потонувшей фракцией, а затем вместе с жидкостью осторожно сливают на бумажный фильтр, на котором предварительно записывают массу потонувшей фракции, номер пробы, класс, плотность жидкости. Налипшие на стенках пробирки частицы осторожно счищают кисточкой, фильтрат отфильтровывают в колбу.

Оставшийся на фильтре материал вместе с фильтром переносят на противень для подсушивания, затем взвешивают.

Для ускорения процесса сушки пробы, расслоенные в бромоформе, промывают бензолом, гидролизным этиловым или изопропиловым спиртом.

Потонувшую фракцию разрыхляют в пробирке, после испарения жидкости наливают жидкость большей плотности, и процесс расслоения повторяют. Таким же способом расслаивают пробы угля последовательно во всех жидкостях установленной плотности.

Фракцию, потонувшую в жидкости наибольшей плотности, переносят на фильтр, сушат и взвешивают.

Расслоение топлива крупностью зерен до 1 (0,5) мм допускается производить одновременно в жидкостях, имеющих различные плотности. В этом случае пробу делят на столько частей, сколько принято использовать жидкостей различной плотности для расслоения. В каждую пробирку помещают часть пробы и заполняют жидкостью соответствующей плотности.

В случае сокращения исследуемой пробы массу сокращенной пробы умножают на коэффициент сокращения φ, который вычисляют по формуле

 

(3.3)

где mtмасса пробы до сокращения, кг;

mrмасса пробы после сокращения, кг.

Выход фракции γ, %, вычисляют по формуле

,

(3.4)

где тiмасса данной фракции, кг;

сумма масс фракций, кг.

Выход отдельных фракций вычисляют с точностью до второго десятичного знака, а результаты округляют до первого десятичного знака.

При необходимости определения показателей качества после подсушки и массы отдельных фракций топлива от них выделяют часть, в которой определяют зольности d), массовую долю общей влаги в рабочем состоянии топлива.

Если расслоение топлива крупностью до 1 (0,5) мм производилось одновременно в жидкостях с различными плотностями, то выход и показатели качества фракций в принятых диапазонах плотностей жидкостей определяют расчетным путем.

 

3.5 Расчет фракционного состава

Расчет фракционного состава каменных углей и антрацита по минимальному объему исходных данных основан на использовании уравнений материального баланса и зависимости между зольностью и плотностью угля.

1. Исходной информацией для расчета фракционного состава угля требуемой степени дробности являются данные фракционных анализов: плотности тяжелых жидкостей, в которых производилось расслоение ρV выходы фракций, полученных при расслоении пробы угля γV, зольности этих фракций AdV, представленные в таблице 3.5.

 

Таблица 3.5 — Исходные данные расслоения угля в тяжелых жидкостях

Плотность фракций, кг3

Выход, %

Зольность, %

Менее ρ1

Ot ρV-1 до ρV

Свыше ρl-1

γ1

γV

γl

Ad1

AdV

Adl

Итого

Rисх

Adисх

 

Индекс V обозначает принадлежность рассматриваемого показателя к данным расслоения угля в тяжелых жидкостях и изменяется от 1 до l, где l -число фракций, полученных при расслоении пробы угля.

Рекомендуется расслаивать пробу угля в трех жидкостях. При этом минимальную плотность тяжелой жидкости рекомендуется принимать равной минимальной требуемой плотности.

При увеличении числа тяжелых жидкостей опытного расслоения точность расчета повышается.

2. Задают требуемые предельные значения плотностей фракций:

ρ1, …, ρj, …, ρn-1

Индекс j обозначает принадлежность рассматриваемого показателя к расчетным данным и изменяется от 1 до n, где пчисло требуемых фракций.

3. Вычисляют зольность всплывших фракций:

 

где наибольшая из требуемых плотностей, которая меньше первой заданной плотности опытного расслоения. Если первая плотность опытного расслоения совпадает с первой требуемой, то наибольшая в ряду требуемых плотностей, которая меньше второй заданной плотности; индекс принятой в соответствии с указанным выше условием плотности опытного расслоения.

4. Вычисляют выход всплывших фракций по плотности

 

где — зольность фракции плотностью

 

где — условная органическая масса угля (таблица 3.6).

 

Таблица 3.6 — Условная плотность органической массы углей

Марка угля

Условная плотность органической массы углей ρо, кг3

Марка угля

Условная плотность органической массы углей ρо, кг3

Д

1330

КО

1320

ДГ

1300

КСН

Г

1280

КС

1320

ГЖО

1280

ОС

1330

ГЖ

1290

ТС

1340

Ж

1290

ЕЕ

КЖ

1300

Т

1360

К

1310

А

1550

 

5. Вычисляют выход фракции плотностью :

 

Расчет по 3, 4, 5 продолжают до тех пор, пока не станет равным .

При этом после каждого этапа расчета полученные результаты принимают в качестве исходных для последующего расчета.

Примечание. Когда станет равным , зольность фракций j = 2 вычисляется по уравнению

.

Зольности требуемых фракций плотностью более до последней фракции опытного расслоения вычисляют по уравнениям:

 

 

где j=2VK-1;

К — число фракций опытного расслоения плотностью менее которые соответствуют требуемым.

Зольность искомых фракций плотностью вычисляют по уравнениям:

 

 

где j = 2l – 1 — K

= 280 кг/м3 – плотность минеральной части угля.

Выход фракций, указанных в А.8 и А.9, вычисляют по уравнениям:

 

 

где j = 2V – 1 – K.

 

3.6 Обработка и оформление результатов

Результаты расслоения и показатели качества отдельных фракций заносят в таблицу 3.7. Кроме того в отчете необходимо указать крупность пробы, ее массу и зольность.

При заполнении таблицы 3.7 необходимо руководствоваться следующим:

а)   массу каждой фракции и шлама в граммах заносят в графу 2 и вычисляют их общую массу. В графу 3 заносят выходы фракций в процентах от класса. В графу 4 заносят зольность (Ad) каждой фракции и шлама и по данным граф 3 и 4 вычисляют средневзвешенную зольность (Ad) для класса. Для удобства расчета пользуются данными графы 5, где приведены произведения данных граф 3 и 4;

 

Таблица 3.7

Плотность фракций, кг3

Выход фракций

Зольность фракций* Ad

γ·Ad

Общий выход фракций, %

всплывших

потонувших

кг

%

сверху

снизу

γ

Ad

γ

Ad

1

2

3

4

5

6

7

8

9

До 1300

100,0

18,93

От 1300 до 1400

9,070

56,0

2,63

147,3

56,0

2,63

44,0

39,66

» 1400 » 1500

2,525

15,6

9,27

144,6

71,6

4,08

28,4

56,35

» 1500 » 1600

0,915

5,7

19,21

109,5

77,3

5,19

22,7

65,68

» 1600 » 1800

0,445

2,7

28,75

77,6

80,0

5,99

20,0

70,68

» 1800 » 2000

0,520

3,2

40,93

130,9

83,2

7,33

16,8

76,35

Свыше 2000

0,950

1,765

5,9

10,9

68,50

80,64

404,1

878,5

89,1

100,0

11,38

18,93

10,9

80,64

Итого

16,190

100,0

18,93

1892,5

Шлам

0,500

22,50

Всего

16,690

19,05

 

б)   суммарный выход всплывших (графа 6) и потонувших (графа 8) фракций вычисляют по данным графы 3, суммируя их сверху вниз для всплывших фракций и снизу вверх для потонувших фракций;

в)   суммарную зольность всплывших фракций (графа 7) вычисляют делением суммы произведений γ·Ad (графа 5) на суммарный выход фракций (графа 6) следующим образом: суммарная зольность трех первых фракций (менее 1300, 1300 — 1400, 1400 — 1500):

 

г)   суммарную зольность потонувших фракций (графа 9) вычисляют по данным граф 5 и 8 следующим образом: суммарная зольность потонувших фракций в жидкости плотностью 1300 кг/м3

 

суммарная зольность потонувших фракций в жидкостях плотностью 1400 кг/м3 и более

 

Аналогичным образом вычисляют суммарную зольность остальных фракций.

Расхождения между массой пробы и суммой масс всех полученных фракций, шлама (пыли) не должны превышать 2 %. В противном случае анализ повторяют, используя другую пробу.

При необходимости результаты фракционного анализа могут быть представлены графически в виде кривых обогатимости (рисунок 3.1).

Кривые обогатимости (рисунок 3.1) строят на основании данных таблицы 3.7 следующим образом:

а)   строят квадрат с длиной сторон 200 мм и разбивают его тонкой сеткой на 10 равных частей. На оси ординат откладывают в масштабе через каждые 10 % (сверху вниз) выход всплывших фракций, а на оси абсцисс через каждые 10 % — зольность этих фракций. На правой вертикальной стороне квадрата в том же масштабе откладывают выход потонувших фракций через каждые 10 % снизу вверх. На верхней горизонтальной стороне квадрата справа налево откладывают значения плотностей через каждые 100 кг/м3;

б)   кривую всплывших фракций (β), показывающую зависимость между выходом всплывших фракций и их зольностью, строят по данным граф 6 и 7 таблицы 3.7. На оси ординат откладывают сверху вниз суммарные выходы всплывших фракций (графа 6 таблицы 3.7), из полученных точек проводят параллельно оси абсцисс линии выходов фракций. На этих линиях откладывают последовательно суммарную зольность (Ad) всплывших фракций (графа 7 таблицы 3.7). Полученные точки соединяют плавной кривой;

в)   кривую потонувших фракций (θ), показывающую зависимость между выходом потонувших фракций и их зольностью, строят по данным граф 8 и 9 таблицы 3.7.

На правой вертикальной стороне квадрата откладывают снизу вверх суммарные выходы потонувших фракций (графа 8). На линиях выходов фракций откладывают последовательно суммарную зольность d) потонувших фракций (графа 9). Полученные точки соединяют плавной кривой;

г)   для проверки правильности построения кривой потонувших фракций на ней откладывают контрольные точки. Вычисляют зольность Аd для условной выбранной контрольной точки по формуле

 

где АdИ — средневзвешенная зольность исходной пробы без шлама, % (графа 4);

γ — выход всплывших фракций для выбранной точки, %

Аdkзольность всплывших фракций для выбранной точки, %.

Для выбранной на рисунке 3.1 контрольной точки зольность Ad составит

 

По расчетным значениям контрольных точек корректируют положение кривой (θ).

 

Рисунок 3.1 – Кривые обогатимости

 

д)   для построения кривой элементарных фракций (λ), показывающей зависимость между выходом всплывших фракций и зольностью элементарных слоев, на линиях выходов соответствующих фракций откладывают последовательно зольности d) отдельных фракций (графа 4) и из полученных точек проводят в пределах каждой фракции линии, параллельные оси ординат. Через середины этих линий проводят плавную кривую так, чтобы площади треугольников, отсекаемых кривой в пределах каждой фракции, были равны между собой;

е)   конечная и начальная точки кривой должны лежать на прямой, проведенной параллельно оси ординат через точку суммарной зольности (Ad) исходной пробы без шлама (графа 4);

ж)   начальные точки кривой (β) и элементарной кривой (λ) и конечные точки элементарной кривой (λ) и кривой (θ) должны совпадать. Их находят графически, соблюдая равенство площадей треугольников, отсекаемых отрезками элементарной кривой (λ) в пределах фракции плотностью менее 1300 и более 2000 кг/м3;

з)    кривую плотностей (ρ), показывающую зависимость между выходом всплывших фракций и их граничной максимальной плотностью, строят по данным граф 1 и 6 таблицы 3.7. На линиях, проведенных параллельно оси абсцисс, по данным графы 6 откладывают последовательно граничные (наибольшие) плотности фракций (графа 1). Полученные точки соединяют плавной кривой.

 

3.7 Расчет показателя обогатимости

По результатам фракционного анализа определяют обогатимость в соответствии с табл. 3.8.

 

Таблица 3.8

Наименование угля

Плотность фракций, кг3

в концентрате

в промежуточном продукте

в породе

Каменный уголь Антрацит

До 1500

До 1800

Св. 1500 до 1800 включ.

Св. 1800 до 2000 включ.

Св. 1800

Св. 2000

 

Примечание. При зольности фракции каменных углей (Ad) свыше 10% и плотности до 1500 кг/м3 к концентрату относят фракции плотностью до 1400 кг/м3, а к промежуточному продукту — фракции плотностью свыше 1400 до 1800 кг/м3.

Показатель обогатимости (Т) в % вычисляют как отношение выхода промежуточных фракций к беспородной массе по формуле

 

где γ1 — выход фракций промежуточного продукта, %;

γ2 — выход фракций породы, %.

Если к концентрату относят фракции плотностью до 1400 кг/м3, показатель обогатимости обозначают — Т1.

3.2. В зависимости от значения показателя обогатимости уголь делят на категории в соответствии с таблицей 3.9.

 

Таблица 3.9 – Категории обогатимости углей

Показатель обогатимости (Т), %

Категория

До 5

Св. 5 до 10 включ.

Св. 10 до 15 включ.

Св. 15

1   (легкая)

2   (средняя)

3   (трудная)

4   (очень трудная)

 

 

Вопросы

 

 

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБОГАТИМОСТИ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ФРАКЦИОННОГО АНАЛИЗА.

 

3.1   Общие сведения

Обогатимость углей характеризуется их способностью разделяться на составляющие компоненты по плотности: концентрат, промежуточный продукт и породу.

Метод заключается в определении обогатимости углей по результатам фракционного анализа.

Сущность метода заключается в расслоении исследуемого топлива на фракции (по плотности) для определения его фракционного состава.

 

3.2 Средства измерения

1) Центрифуга электрическая лабораторная стаканчикового типа с регулируемой частотой вращения от 600 до 2000 мин-1 и пробирками вместимостью не менее 200 см3.

2) Выпариватель хлористого цинка электрический.

3) Воронка металлическая со стоком в канализацию и решеткой размером 400 × 400 мм для установки промывного бачка.

4) Баки вместимостью 45-50 дм3 и высотой не менее 600 мм для промывки и расслоения пробы в хлористом цинке.

5) Бачки с сетчатым дном (размер отверстий 1 (0,5) мм), свободно входящие в бак с жидкостью.

6) Бачки эмалированные вместимостью 5-7 дм3 и высотой не менее 300 мм для расслоения проб в органических жидкостях.

7) Бачки с сетчатым дном (размер отверстий 1 (0,5) мм), свободно входящие в бачок с органической жидкостью.

8) Воронка для сбора промывных вод от обесшламливания топлива.

9) Черпаки сетчатые для снятия всплывших частей проб.

10) Баки для приготовления растворов.

11) Противни размером 650 х 350 х 80 мм, 300 × 200 × 50 мм, 400 × 300 × 80 мм для просушки фракций.

12) Делители желобчатые.

13) Шкаф сушильный электрический со стеллажом и отверстиями для естественной вентиляции, обеспечивающий необходимую очистку воздуха, с температурой нагрева (105 ± 5) 0С.

14) Денсиметры.

15) Весы с наибольшим пределом взвешивания 100 и 2 кг.

16) Набор гирь.

 

3.3   Подготовка к испытанию

3.3.1 Подготовка пробы к фракционному анализу

В зависимости от размеров кусков масса проб для фракционного анализа должна соответствовать указанной в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1 — Масса проб для фракционного анализа

Размер кусков, мм, не более

Масса пробы для фракционного анализа, кг, не менее

100 (150)

50

50

25

25

13

13

6

6

3

3

2

1

0,5

Примечание — Для фракционного анализа топлива размером кусков, не указанным в таблице, массу пробы определяют по ближайшему большему размеру.

 

Общую массу пробы для фракционного анализа М, кг, вычисляют по формуле

 

(3.1)

где тrрекомендуемая масса наивысшего класса крупности (согласно таблице 1), кг;

msвыход наивысшего класса крупности, %.

Из отобранной пробы предварительно отсеивают куски размером более 100 (150) мм, а затем рассеивают на классы, подлежащие расслоению, и при необходимости сокращают до массы, указанной в таблице 3.1.

Сокращение проб топлива производят порционным методом или — для топлива крупностью 25 мм и менее — с помощью рифленого делителя.

При порционном методе сокращения совком последовательно отбирают по периметру основания пробы, насыпанной на ровную площадку, порции в сокращенную пробу и в отходы. Количество порций в сокращенной пробе должно быть не менее 32.

При проведении фракционного анализа топлива с нижним пределом крупности 1 (0,5) мм и максимальной крупностью более 25 мм пробу предварительно рассеивают на сите размером отверстий не более 25 мм.

Пробу топлива с размером кусков более 1 (0,5) мм перед расслоением обесшламливают или (после предварительного подсушивания) обеспыливают.

Сушку производят на воздухе или в сушильном шкафу. Для этого пробу насыпают на противень слоем не более двукратного максимального размера куска, а для топлива размером кусков менее 3 мм толщина слоя должна быть не более 10 мм. При подсушке в шкафу противень устанавливают в предварительно нагретый сушильный шкаф и подсушивают не выше (100 ± 5) °С (ускоренная подсушка) до уравнивания массовой доли влаги в пробе с атмосферной влажностью.

Обеспыливание производят отсевом частиц топлива размером зерен менее 1 (0,5) мм.

Обесшламливание проводят в бачке с сетчатым дном, промывая пробу водой над воронкой или погружая несколько раз бачок в бак с водой. Отмытый шлам отстаивают (при этом допускается применять флокулянты), собирают и сушат до сыпучего состояния, а затем подвергают контрольной сушке. Шламы тщательно собирают, взвешивают и с помощью делителя выделяют пробу.

При необходимости расслоения топлива размером зерен менее 1(0,5) мм массу, отделенную с помощью делителя, сокращают и подсушивают.

 

3.3.2 Подготовка тяжелых жидкостей

Для расслоения топлива размером зерен менее 1 (0,5) мм применяют органические жидкости плотностью от 1300 до 2600 кг/м3, а для топлива размером кусков более 1 (0,5) мм — раствор хлористого цинка плотностью от 1100 до 2000 кг/м3 и органические жидкости плотностью от 2000 до 2600 кг/м3. В таблице 3.2 приведены типовые физические свойства органических жидкостей, применяемых для фракционного анализа.

 

Таблица 3.2 — Типовые физические свойства органических жидкостей, применяемых для фракционного анализа

Органическая жидкость

Относитель-ная плотность

Пределы кипения или точка кипения при 100 кПа (100 кН/м2), °С

Вязкость при 20 0С,

м Па с,

(м Н с/м2)

Парциальное давление при 20 0С, кПа (кН/м2)

Воспламе-няемость

Уайт-спирит1)

0,77

От 30 до 200

Да

Бензин-растворитель (для лака)2)

0,73

От 37 до 185

0,548

25,33

»

Толуол

0,87

110,7

0,588

2,93

»

Керосин

0,75

От 165 до 230

1,365

0,11

»

о-Ксилол

0,88

144,4

0,810

0,68

»

mКсилол

0,86

139,0

0,620

0,85

»

р-Ксилол

0,86

138,4

0,648

0,92

»

Бромоформ (три-бромзамещенный метан)

2,79

150,0

2,152

(при 15 °С)

0,60

Нет

Тетрабромэтан (четы-рехбромистый ацетилен)

2,96

239,0

12,000

0,01

»

Четыреххлористый этилен (тетрахлорэтилен)

1,61

120,8

1,000

1,83

»

3) Смеси паров уайт-спирита и воздуха очень взрывоопасны

4) Применяемый бензин-растворитель для лака не должен содержать свинца

 

Расслоение проб бурого угля производят в тяжелых жидкостях плотностью от 1200 до 2000 кг/м3; каменных углей — от 1300 до 2600 кг/м3, антрацитов — от 1500 до 2600 кг/м3 с интервалом плотности 100 кг/м3.

При расслоении антрацита допускается применять растворы хлористого цинка плотностью не более 2100 кг/м3.

При кристаллизации хлористого цинка расслоение допускается производить в растворе, подогретом до температуры 30-35 °С.

Для фракционного анализа можно применять взвеси твердых частиц в водной среде, для получения которых используют нерастворимые материалы высокой относительной плотности и соответствующего гранулометрического состава.

Перечень пригодных для этих целей материалов приведен в таблице 3.3.

 

Таблица 3.3- Твердые материалы, пригодные для получения водной суспензии

Материал

Относительная плотность

Номинальный верхний предел крупности, мкм

Примечание

Тонкоизмельченная порода

От 2,4 до 2,6

250

Отходы с углеобогатительной фабрики. Сланцы, используемые для производства кирпича

Отхода пенной флотации

От 2,4 до 2,6

250

 

Барит

От 3,7 до 4,1

63

Сернокислый барий, используемый в промышленности

Магнетит

5,0

38

В том виде, в каком применяется на углеобогатительных фабриках

Ферросилиций

6,0

38

Измельченный или атомизированный сплав, состоящий из 85 % Fe и 15 % Si

 

Объем концентрированной жидкости (VK), м3, необходимый для получения заданного объема раствора, вычисляют по формуле

 

(3.2)

где Vжтребуемый объем раствора, м3;

ρкплотность концентрированной жидкости, кг/м3;

ρж — требуемая плотность жидкости, кг3;

ρр — плотность растворителя, кг/м3.

5.1.5   Примерный состав тяжелых жидкостей плотностью до 2100 кг/м3 определяют по таблице 3.4.

Плотность жидкости проверяют денсиметром или взвешиванием жидкости в пикнометре или в стеклянном цилиндре вместимостью 100 см3 на технических весах. Отсчет по шкале денсиметра производят после того как установится уровень жидкости.

 

Таблица 3.4 — Примерный состав тяжелых жидкостей

Плотность жидкости, кг3

Массовая доля хлористого цинка в водном растворе, %

Объемная доля бромоформа в растворе бромоформуайт-спирит, %

Объемная доля бромоформа в растворе бромоформчетырех

хлористый углерод, %

1200

22,0

19,0

1300

31,0

24,0

1400

39,0

29,0

1500

46,0

33,0

1600

52,0

38,0

1700

58,0

42,0

8,0

1800

62,0

47,0

22,0

1900

67,0

51,0

32,0

2000

72,0

56,0

42,0

2100

78,0

61,0

49,0

2200

66,0

55,0

2300

71,0

61,0

2400

76,0

67,0

2500

81,0

72,0

2600

86,0

77,0

 

3.4 Проведение фракционного анализа

Расслоение топлива размером кусков более 1 (0,5) мм производят в статических условиях, а мелких классов размером зерен менее 1 (0,5) мм — в центробежном поле.

Расслоение каменных углей, антрацита и горючих сланцев размером кусков более 1 (0,5) мм производят, начиная с жидкости наименьшей плотности.

При наличии в пробе размокаемой породы или преимущественном содержании тяжелых фракций пробу расслаивают, начиная с жидкости наибольшей плотности.

Емкость для фракционного анализа частично заполняют тяжелой жидкостью, перед каждой операцией расслоения плотность жидкости проверяют.

Пробу топлива частями не более 7 кг — для классов размером кусков 25 мм и более, 5 кг — для классов размером кусков от 3 до 25 мм, 2 кг — для классов с нижним пределом крупности 1 (0,5) мм помещают в бачок с сетчатым дном, который опускают в бак с жидкостью соответствующей плотности. Содержимое бачка тщательно перемешивают мешалкой или движением бачка с сетчатым дном в вертикальном направлении и дают отстояться пробам размером кусков 25 мм и более в течение 1-2 мин, размером кусков от 3 до 25 мм — в течение 2-3 мин, размером кусков 1-3 мм — в течение 3-5 мин.

При расслоении в органических жидкостях топлива с нижним пределом крупности более 1 (0,5) мм, а также в хлористом цинке класса с размером кусков 1-3 мм пробы загружают частями массой не более 1 кг.

Всплывшую на поверхность жидкости фракцию тщательно снимают черпаком и переносят во второй бачок с сетчатым дном, который ставят в наклонном положении над запасным баком для освобождения от оставшейся тяжелой жидкости.

После отделения жидкости бачок с всплывшей фракцией устанавливают на воронку под струю воды для промывки. После отделения воды промытую фракцию переносят на противень для подсушивания. Для промывки фракций может быть использована горячая вода.

Бачок с потонувшей частью пробы приподнимают и ставят в наклонном положении над тем же баком, из которого он вынут, до полного стока остатков тяжелой жидкости. Затем бачок переносят в следующий бак с жидкость