Idea Transcript
Министерство образования и науки Российской Федерации РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА Кафедра газохимии
А.М. КОЗЛОВ, А.Б. КАРПОВ, Т.А. АВАКЯН
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПРИРОДНОГО ГАЗА МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по выполнению лабораторной работы
Москва 2013
1
УДК 543.544:665.612.3
Р е ц е н з е н т: к.т.н. М.С. Лапина, м.н.с. ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
Козлов А.М., Карпов А.Б., Авакян Т.А. Определение состава природного газа методом газовой хроматографии. Методические указания. – М.: Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. – 31 с. Методические указания представляют собой описание правил проведения лабораторной работы по определению компонентного состава сухого газа, содержащего углеводороды С1−С8, а также неуглеводородные компоненты (водород, азот, кислород, гелий и двуокись углерода), вычисление физико-химических показателей качества природного газа: высшей и низшей теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе.
Методические указания одобрены к изданию учебно-методической комиссией факультета химической технологии и экологии.
© Козлов А.М., Карпов А.Б., Авакян Т.А., 2013 © РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013
2
Содержание
Введение .................................................................................................................
3
1. ОСНОВЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА .........................
6
2. УСТРОЙСТВО ХРОМАТОГРАФА ............................................................ 2.1. Расположение функциональных узлов ................................................... 2.2. Система подготовки газов ........................................................................ 2.3. Система термостатирования .................................................................... 2.4. Система дозирования................................................................................ 2.5. Детекторы ..................................................................................................
8 8 8 10 11 12
3. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ............................................................................
15
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ..................................................................... 4.1. Определение компонентного состава газа ............................................. 4.2. Определение физико-химических показателей качества газа..............
18 18 20
Литература .............................................................................................................
31
3
Введение
Любую разновидность хроматографии можно определить как физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении разделяемых компонентов между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых является неподвижной, а другая – подвижной. Неподвижная фаза – твердый адсорбент, или суспензия адсорбента в жидкости, или жидкость, наносимая на поверхность твердого носителя. Подвижная фаза (газ или жидкость) протекает (продувается) вдоль слоя неподвижной фазы. Газовая хроматография объединяет все методические варианты хроматографии, в которых подвижная фаза газообразна (находится в состоянии пара или газа). Это универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. При этом компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа-носителя. Газоадсорбционная хроматография (ГАХ) включает все методические варианты газовой хроматографии, в которых неподвижной фазой является активное дисперсное тело (адсорбент): древесный уголь, силикагель, цеолит. К газожидкостной хроматографии (ГЖХ) относятся все методические варианты газовой хроматографии, в которых в качестве неподвижной фазы используется слой жидкости, нанесенный на поверхность твердого носителя. Принцип разделения – неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, и таким образом они разделяются (компонентам с большей растворимостью требуется большее время для выхода из
4
жидкой фазы, чем компонентам с меньшей растворимостью). Затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором. Сигнал детектора записывается компьютером в виде хроматограммы. Хроматография − один из наиболее распространенных физико-химических методов исследования газов и легкокипящих жидкостей. Хроматографические методы широко используются в химии и биохимии, находят применение в химической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
5
1. ОСНОВЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Хроматография – физико-химический метод разделения компонентов анализируемой смеси, основанный на разности коэффициентов их распределения между двумя фазами: неподвижной и подвижной. В газовой хроматографии в качестве подвижной фазы используется газ, называемый газом-носителем. Неподвижная фаза может быть как твердым телом (адсорбентом), так и жидкостью (в виде пленки, нанесенной на поверхность твердого носителя).
Рис. 1. Принципиальная схема хроматографа
Устройство ввода (рис. 1) подает в поток газа-носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном состоянии непосредственно перед колонкой. В хроматографической колонке осуществляется разделение смеси на отдельные компоненты за счет процессов сорбции и десорбции веществ на неподвижной фазе. При этом слабо сорбируемые вещества будут переноситься подвижной фазой по колонке с большей скоростью и наоборот. Из колонки разделенные компоненты смеси попадают в детектор. Детектор регистрирует присутствие веществ, отличающихся по физическим или физико-химическим свойствам от
6
газа-носителя, и преобразует возникающие изменения в электрический сигнал. Далее происходит усиление и аналого-цифровое преобразование полученного сигнала. Регистрирующий прибор (компьютер или самописец) строит график зависимости сигнала детектора от времени, называемый хроматограммой (рис. 2).
Рис. 2. Структура хроматограммы
Прохождение в детекторе газа-носителя без пробы на хроматограмме отражается фоновым сигналом детектора, который называется нулевой линией. Нулевая линия имеет высокочастотные колебания – шум. Изменение сигнала нулевой линии детектора во времени называется дрейфом. При прохождении через детектор анализируемого компонента происходит отклонение уровня сигнала детектора от нулевой линии. Это отклонение отображается на хроматограмме в виде пика. Пик на хроматограмме имеет следующие характеристики. Время удерживания. Время от начала анализа до выхода максимума пика. Время удерживания – качественная характеристика анализируемого компонента, площадь и высота – количественные характеристики. Площадь. Область, ограниченная профилем пика и базовой линией. Высота. Расстояние от вершины пика до базовой линии. 7
2. УСТРОЙСТВО ХРОМАТОГРАФА
2.1. Расположение функциональных узлов Хроматограф конструктивно представляет собой настольный прибор, состоящий из функциональных узлов, размещенных в корпусе.
Рис. 3. Хроматограф. Вид спереди
В аппаратурном оформлении это совокупность нескольких самостоятельных, параллельно функционирующих систем: источник газаносителя и блок подготовки газов, испаритель, термостат колонок и сами хроматографические колонки, детектор, система регистрации и обработки данных. 2.2. Система подготовки газов Система подготовки газов служит для стабилизации и очистки потоков газа-носителя и дополнительных газов. Она включает блок регулировки расходов газов, обеспечивающий очистку, подачу и стабилизацию скорости и расхода газа-носителя в колонку, а также других
8
газов, необходимых для работы детектора, например, воздуха и водорода для пламенно-ионизационнго детектора. Регуляторы расхода и давления газа Регуляторы расхода и давления газа (рис. 4) предназначены для стабилизации расхода и давления газа-носителя, водорода и воздуха. Регуляторы расхода и давления разделяются на механические и электронные.
Рис. 4. Регулятор давления. Общий вид
Фильтры Фильтры, применяемые с газовым хроматографом, применяются для: • очистки газов носителей и вспомогательных газов от влаги и углеводородов, диоксида углерода на входе в хроматограф; • дополнительной очистки газов после регуляторов расхода; • очистки сбросного газа от компонентов пробы; • очистки анализируемого газа от нежелательных компонентов пробы, механических частиц. 9
Фильтры, применяемые на входе линий газа-носителя, водорода и воздуха могут быть объединены в блок фильтров (рис. 5).
Рис. 5. Общий вид блока фильтров
2.3. Система термостатирования Система термостатирования служит для установки и поддерживания рабочих температур термостатов колонок (до 350°С), испарителя, детектора и других узлов хроматографа. Термостат колонок На рисунке 6, показаны основные составные части термостата колонок. В режиме поддержания температуры заслонки термостата закрыты.
Рис. 6. Термостат колонок
10
2.4. Система дозирования Система дозирования позволяет вводить в поток газа-носителя определенное количество анализируемой смеси в газообразном или жидком состоянии. Газовые краны В хроматографе, в соответствии с газовой схемой, применяются краны, которые отличаются: • количеством и внутренним диаметром портов (4-, 6- или 10-портовые; 1,6 мм или 3 мм) (рис. 7); • автоматизацией (ручные или автоматические); • наличием термостатирования (необогреваемые или термостатируемые); • управлением: электроприводом или пневматически.
Рис. 7. Общий вид газовых кранов
Испарители Испаритель предназначен для ввода в хроматографическую колонку жидких и газообразных проб с помощью шприца.
11
2.5. Детекторы
Детектор по теплопроводности (ДТП) Принцип действия ДТП основан на регистрации изменений температуры нагретых термочувствительных элементов в зависимости от теплопроводности окружающего газа, которая зависит от его состава. ДТП измеряет различие в теплопроводности чистого газа-носителя и его смеси с веществом, выходящим из хроматографической колонки. ДТП обладает чувствительностью ко всем соединениям, теплопроводность которых отличается от теплопроводности газа-носителя. Наибольшая чувствительность может быть получена, когда теплопроводность анализируемого вещества сильно отличается от теплопроводности газа-носителя. В качестве газа-носителя обычно применяется гелий, аргон, азот. Конструктивно ДТП представляет собой металлический блок, в цилиндрических камерах которого расположены два термочувствительных элемента –сравнения и рабочий (рис. 8). Камеры детектора через входной и выходной канал продуваются газом-носителем или смесью его с исследуемым веществом. Термочувствительные элементы включены в измерительный мост.
Рис. 8. Конструкция детектора (ДТП)
12
Детектор пламенно-ионизационный (ПИД) Работа ПИД (рис. 9) основана на изменении фонового тока водородного пламени при внесении в него органического вещества. Фоновый ток самого водородного пламени чрезвычайно мал. Органические вещества, сгорая в водородном пламени, вызывают протекание тока между коллекторным электродом и горелкой детектора, к которой приложено напряжение. Протекающий ток пропорционален количеству органического вещества, сгоревшего в пламени детектора. ПИД обнаруживает большинство органических соединений, содержащих связь С–Н. Детектор обладает малой инерционностью и малым рабочим объемом.
Рис. 9. Конструкция ПИД: 1 – крышка; 2 – свеча поджига; 3 – гайка; 4 – верхний изолятор; 5 – нижний изолятор; 6 – контакт; 7 – коллекторный электрод; 8 – пружина; 9 – центрирующийся электрод; 10 – трубопровод подвода воздуха, уплотняется металлической муфтой; 11 – контакт +200 В; 12 – корпус; 13 – горелка; 14 – корпус; 15 – трубопровод подвода водорода; 16 – шайба; 17 – гайка 13
Пламенно-фотометрический детектор (ПФД) Работа детектора (рис. 10) основана на возбуждении молекул анализируемых соединений в обогащенном водородом пламени и регистрации фотонов определенной длины волны при переходе молекул в основное состояние. Детектор является селективным к серосодержащим соединениям (394 нм) и фосфорсодержащим соединениям (526 нм). Процессы, происходящие в детекторе, можно разделить на четыре стадии. Для серосодержащих соединений: • на первой стадии в горячей области водородного пламени происходит разложение исходных серосодержащих соединений с образованием атомов серы или сероводорода; • на второй – осуществляются различные обратимые реакции в верхней части пламени с образованием соединения S2; • на третьей – происходит возбуждение молекул серы; • на четвертой – возбужденные молекулы серы возвращаются в холодном внешнем конусе пламени в основное состояние, излучая свет в широком диапазоне длин волн (300−450) нм. Для фосфорсодержащих соединений процессы аналогичны. Излучение света в узком диапазоне волн с максимумом интенсивности 526 нм.
Рис. 10. Конструкция ПФД: 1 – свеча поджига; 2 – диск; 3 – световод; 4 – вентилятор; 5 – крышка; 6 – камера; 7 – корпус; 8 – горелка верхняя; 9 – корпус; 10 – светофильтр; 11 – ФЭУ (датчик); 12 – горелка нижняя; 13 – корпус нижний; 14 – шайба; 15 – гайка
14
3. ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Цель работы – определение компонентного состава сухого газа, содержащего углеводороды С1−С8, а также неуглеводородные компоненты (водород, азот, кислород, гелий и двуокись углерода), и определение физико-химических показателей качества природного газа: вычисление значения высшей и низшей теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе. Определение состава газа осуществляется методом газожидкостной и газоадсорбционной хроматографии с использованием детектора по теплопроводности. Углеводороды С1−С8 и двуокись углерода разделяют методом газожидкостной хроматографии. Неуглеводородные компоненты − водород, гелий, кислород и азот − разделяют методом газоадсорбционной хроматографии. На основании расчета физико-химических показателей устанавливается соответствие природного газа (ГОСТ 5542-87 Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. Технические условия) требованиям по низшей теплоте сгорания, области значений числа Воббе и допустимому отклонению числа Воббе от номинального значения. Принцип анализа Все значимые компоненты или группы компонентов, подлежащие определению в газовой пробе, физически разделяются методом газовой хроматографии, и их молярная доля измеряется путем сличения с данными градуировки, полученными при тех же условиях. Поэтому градуировочные газы и газовую пробу следует анализировать с помощью той же самой системы измерений и при тех же условиях.
15
Отбор проб Пробы сухого газа отбирают из движущегося потока газа (с соблюдением правил техники безопасности) в резиновую камеру, снабженную тройником и зажимами. Пробоотборник подсоединяют к пробоотборному устройству и открывают входной вентиль пробоотборника. Открывают запорную арматуру пробоотборного устройства и продувают пробоотборник отбираемым газом в течение 1−2 мин 3−4 раза для удаления остаточного количества воздуха, затем закрывают вентиль и запорную арматуру пробоотборного устройства. Отсоединяют пробоотборник и закрывают его штуцер заглушками. Подготовка хроматографа 1) Включить компьютер. 2) Подать газы-носители (гелий и аргон), открыв вентили баллонов и задав редуктором давление 4 атм. 3) Включить хроматограф, нажав кнопку питания на правой боковой панели. 4) Передать режим анализа на хроматограф. Для этого необходимо запустить на компьютере ярлык «Природный газ». 5) Дождаться выхода хроматографа на режим (до появления зеленого индикатора «Готовность» на передней панели прибора). Условия анализа Компонентный состав сухого газа определяют на двух хроматографических колонках. В качестве сорбента первой колонки для разделения углеводородов С1−С8 и двуокиси углерода применяют Porapak Q (дивинилбензол/этилвинилбензол). Неуглеводородные компоненты (водород, гелий, кислород, азот) разделяют на второй колонке, заполненной цеолитами NaX.
16
Условия анализа (для хроматографа «Кристалл-5000.2») Длина колонки Porapak Q, м ............................. Внутренний диаметр колонки Porapak Q, мм... Длина колонки NaX, м ....................................... Внутренний диаметр колонки NaX, мм ........... Температура термостата, °С .............................. Температура испарителя, °С ............................. Температура детектора 1, °С ............................. Температура детектора 2, °С ............................. Газ-носитель 1 ..................................................... Расход газа-носителя 1, мл/мин ........................ Газ-носитель 2 ..................................................... Расход газа-носителя 2, мл/мин ........................ Объем пробы, см3 ...............................................
2 2 3 2 70 120 230 250 гелий 20 аргон 20 1
Проведение анализа Пробу газа из пробоотборника через термостатируемый крандозатор вводят в испаритель хроматографа, откуда он поступает в первую и вторую колонки. Скорость продувки визуально определяют по пузырькам газа в колбе с водой. После продувки петли дождаться выравнивания давления в системе и нажать кнопку «Старт» на передней панели хроматографа. В открывшемся окне паспорта хроматограммы в поле «Название» ввести номер группы и фамилию оператора. По завершении анализа обработать полученную хроматограмму.
17
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ 4.1. Определение компонентного состава сухого газа Определяют компонентный состав газа согласно ГОСТ 31371.32008. Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Комплекс межгосударственных стандартов ГОСТ 31371.1-2008 (ИСО 6974-1:2000) − ГОСТ 31371.6-2008 (ИСО 6974-6:2002) и ГОСТ 31371.7-2008 под общим наименованием «Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности» состоит из 7 частей. Части 1−6 являются модифицированными по отношению к соответствующим международным стандартам ИСО 6974-1 − ИСО 6974-8. В части 7 приведена методика выполнения измерений молярной доли компонентов природного газа, адаптирующая положения международных стандартов ИСО 6974-1 − ИСО 6974-6 с учетом потребностей национальной экономики стран СНГ и особенностей межгосударственной стандартизации. В настоящем стандарте описан прецизионный метод анализа, который позволяет проводить определение состава природного газа. Полученные данные по составу используют для вычисления теплоты сгорания, относительной плотности и числа Воббе. Обработка хроматограмм градуировочной смеси для каПроводится расчет градуировочных коэффициентов K град j ждого j-го компонента по формуле: град
K
град j
=
хj
град Аj
18
,
(1)
где хград – молярная доля j-го компонента в градуировочной газовой j смеси, Аград – значение отклика детектора от j-го компонента в граj дуировочной смеси, выраженное в единицах счета. Рассчитывается среднеарифметическое значение градуировочных коэффициентов K град jср по формуле: град
K град jср =
∑Kj
,
n
n
(2)
где n – число измерений. Расчет компонентного состава сухого газа Значение молярной доли компонента xj в пробе вычисляется в соответствии с формулой: ан
x j
град
=Kj
⋅ Аан j ,
(3)
– молярная доля j-го компонента в анализируемой газовой где xан j град
смеси; K j
– значение градуировочного коэффициента j-гo компо-
нента; Аан j – значение сигнала детектора j-гo компонента в анализируемой газовой смеси, выраженное в единицах счета. Молярную долю метана xCH4 , %, в пробе газа рассчитывают как разность между 100 % и суммой молярных долей компонентов по формуле: q
xCH4 = 100 − ∑ x j − xос
(4)
j =2
При расчете молярной доли метана должна быть учтена молярная доля всех компонентов (измеренных и неанализируемых). Обычно природный газ не содержит кислорода. Однако если обнаружено, что пробы природного газа содержат кислород из-за непра19
вильного отбора газовой пробы, следует исправить значение молярной доли азота и всех других компонентов в соответствии с методикой, приведенной в п.7.1.2 ГОСТ 31371.3-2008 (ИСО 6974-3:2001). Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 3. Определение водорода, гелия, кислорода, азота, диоксида углерода и углеводородов до С8 с использованием двух насадочных колонок. 4.2. Определение физико-химических показателей качества газа После вычисления расчета состава газовой смеси производят определение физико-химических показателей качества природного газа и вычисляют значения высшей и низшей теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе газовой смеси по известному компонентному составу газа при стандартных условииях измерений в соответствии с ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995) Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава. Свойства газа являются аддитивными. При расчете «суммарных свойств» моля идеального природного газа значения термодинамических свойств индивидуальных компонентов берут с весами в соответствии со значениями их молярной доли. А значения теплоты сгорания, рассчитанные на основе объемной доли компонентов, пересчитывают для реального газа, используя поправочный коэффициент, учитывающий неидеальность газовой смеси (коэффициент сжимаемости смеси). Вычисляют значения относительной молярной массы, высшей идеальной молярной теплоты сгорания газа конкретного состава по данным основных физических свойств для стандартных условий 15/15°С (стандартные условия ИСО) (табл. 1).
20
Таблица 1 Физико-химические показатели качества газа Значение Молярная Молярная высшей тедоля× доля×значение КомМолярная плоты сгоМоляр- ×молярная теплоты порания масса Mi, … ная масса на моль … сгорания нент 0 −1 x ⋅ M ( H ) доля xi кг⋅кмоль j j s j x j ⋅ ( H s0 ) j , (j-й) −1 кг⋅кмоль (15 °С), кДж⋅моль−1 −1 кДж⋅моль
метан … … Общие
1,0
Все вычисления следует выполнять, используя все доступные на калькуляторе или компьютере цифры, проводя округление только на последнем этапе, чтобы правильно представить результат с соответствующим числом значащих цифр. Вычисление молярной теплоты сгорания Высшая теплота сгорания (superior calorific value): количество теплоты, которое может выделиться при полном сгорании в воздухе определенного количества газа таким образом, что давление p1, при котором происходит реакция, остается постоянным, а все продукты сгорания принимают ту же температуру t1, что и у реагентов. При этом все продукты находятся в газообразном состоянии, за исключением воды, которая конденсируется в жидкость при t1. Низшая теплота сгорания (inferior calorific value): количество теплоты, которое может выделиться при полном сгорании в воздухе определенного количества газа таким образом, что давление p1, при котором протекает реакция, остается постоянным, все продукты сгорания принимают ту же температуру t1, что и у реагентов. При этом все продукты находятся в газообразном состоянии. 21
Значение молярной теплоты сгорания идеального газа, определяемое исходя из значений молярной доли компонентов смеси известного состава, при температуре t1 вычисляют по формуле: N
0
0
H (t1 ) = ∑ [ x j ⋅ H j (t1 )] ,
(5)
j =1
0
где H (t1 ) – значение идеальной теплоты сгорания смеси (высшей 0
0
или низшей); x j – H j молярная доля j-го компонента; H j (t1 ) – значение идеальной теплоты сгорания j-го компонента (высшей или низшей). Числовые значения для t1 = 25 °С приведены в ГОСТ 31369-2008 (табл. 3 раздела 10). Вычисление массовой теплоты сгорания Значение массовой теплоты сгорания идеального газа, определяемое исходя из значений массовой доли компонентов смеси известного состава, при температуре вычисляют по формуле: ∧
0
H (t1 ) H (t1 ) = , M 0
(6)
∧
где H 0 (t1 ) – значение идеальной (высшей или низшей) теплоты сгорания смеси, рассчитанное исходя из значений массовой доли компонентов газа; M – молярная масса смеси, N
M = ∑ [x j ⋅ M j ], j =1
(7)
где x j – молярная доля j-го компонента; M j – молярная масса j-го компонента.
22
Вычисление объемной теплоты сгорания Значение теплоты сгорания идеального газа, рассчитанное на основе объемной доли компонентов, для температуры сгорания t1 смеси известного состава, измеренной при температуре t2 и давлении p1, вычисляют по формуле: ∼
0
H 0 [t1 , V (t2 , p2 )] = H (t1 ) ⋅
p2 R ⋅ T2
,
(8)
∼
где H 0 [t1 , V (t2 , p2 )] – значение идеальной (высшей или низшей) объемной теплоты сгорания смеси; R – универсальная газовая постоянная; T2 – абсолютная температура, К. Вычисление плотности, относительной плотности и числа Воббе
Плотность (density): масса газовой пробы, деленная на ее объем при определенных значениях давления и температуры. Относительная плотность (relative density): плотность газа, деленная на плотность сухого воздуха стандартного состава (приложение В ГОСТ 31369-2008) при одинаковых заданных значениях давления и температуры. Термин «идеальная относительная плотность» применяют в тех случаях, когда и газ, и воздух считаются средами, которые подчиняются закону идеального газа; термин «реальная относительная плотность» применяют в тех случаях, когда и газ, и воздух считаются реальными средами. Число Воббе (Wobbe index): значение высшей объемной теплоты сгорания при определенных стандартных условиях, деленное на квадратный корень относительной плотности при тех же условиях. Число Воббе – характеристика горючего газа, определяющая взаимозаменяемость горючих газов при сжигании в бытовых и промышленных горелочных устройствах; измеряется в мегаджоулях на кубический метр (МДж/м3). 23
Относительная плотность идеального газа не зависит от выбора стандартного состояния. Ее вычисляют по формуле: 0
N
Mj
j =1
M air
d = ∑ xj ⋅
,
(9)
где d 0 – относительная плотность идеального газа; M j – молярная масса j-го компонента; M air – молярная масса сухого воздуха стандартного состава. В таблице 1 (раздел 10) ГОСТ 31369-2008 приведены значения молярной массы компонентов природного газа. В разделе В.3 (приложение В ГОСТ 31369-2008) приведен состав стандартного воздуха; рассчитанное значение M air равно 28,9626 кг·кмоль−1. Плотность идеального газа зависит от его температуры t и давления p. Ее вычисляют по формуле:
( ) ∑ [x ⋅ M ],
p p (t , p ) = R⋅T 0
N
j
j =1
(10)
j
где p 0 (t , p) – плотность идеального газа; R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, К. Число Воббе идеального газа вычисляют по формуле: W 0 [t1 , V (t2 , p2 )] =
∼ H 0 [t1 , V (t 2 , p2 )] s
d
0
,
(11)
∼ где W – число Воббе идеального газа; H – значение идеальной объs o
емной теплоты сгорания смеси. Представление результатов Число значащих цифр, которое следует приводить для значения каждого показателя качества природного газа, должно отражать ожи
24
даемую точность вычисления определяемого показателя. Даже в случае «совершенного» анализа результат вычислений для смесей не следует записывать с числом значащих цифр после запятой, превышающим: значение молярной теплоты сгорания – 0,01 кДж⋅моль−1; значение массовой теплоты сгорания – 0,01 МДж⋅кг−1; значение объемной теплоты сгорания – 0,01 МДж⋅м−3; относительную плотность – 0,0001; плотность – 0,0001 кг⋅м−3; число Воббе – 0,01 МДж⋅м−3. Необходимо, однако, обратить внимание на то, действительно ли аналитические данные подтверждают возможность записи результата в установленных единицах с таким числом значащих цифр после запятой, и если нет, следует соответственно уменьшить их число. На основании рассчитанных значений физико-химических показателей устанавливается соответствие природного газа ГОСТ 5542-87 Газы горючие природные для промышленного и коммунальнобытового назначения. Технические условия (табл. 2). Таблица 2 Физико-химические показатели в сравнении с нормативом
Наименование показателя
Норма по РассчиВывод о ПримеГОСТ танные соответствии чание 5542-87 значения
Теплота сгорания низшая, МДж/м3 (ккал/м3), при 20 °С, 101,325 кПа, не менее Область значений числа Воббе (высшего), МДж/м3 Допустимое отклонение числа Воббе от номинального значения, %, не более
25
Приложение А Пример расчета состава и свойств газа 1. Зная концентрацию этана в поверочной газовой смеси, и отклик детектора при градуировке (табл. А.1), по формуле (1) определяется градуировочный коэффициент. Таблица А.1 Градуировка компонента «Этан»
№
Объем, мкл
2.1 2.2 2.3
789,920370456996 790,10673358395 789,977089669547
Концентрация, мг/м3 2,6 2,6 2,6
Отклик по площади
K1град =
2,6 = 3,394 ⋅ 10−4 ; 7659,870
K 2град =
2,6 = 3,386 ⋅ 10−4 ; 7677,040
K3град =
2,6 = 3,392 ⋅ 10−4 . 7663,767
7659,870 7677,040 7663,767
2. Рассчитывается среднеарифметическое значение градуировочных коэффициентов по формуле (2): K
град ср
(3,394+3,386+3,392)⋅10−4 = = 3,391 ⋅ 10−4 . 3
Аналогичный расчет производится по всем компонентам, входящих в состав исследуемого газа. 3. Затем на основании данных хроматограммы исследуемого газа (табл. А.2) определяется молярная доля компонентов в нем по формуле (3): ан хэтан = 3,391 ⋅ 10−4 ⋅ 1880,997 = 0,64.
26
Таблица А.2 Компонентный состав газа
Время, мин
Компонент
Площадь
Высота
Детектор
1,827
Диоксид углерода
526,576
84,311
ДТП-1
3,809
Этан
1880,997
155,924
ДТП-1
9,708
Пропан
859,723
61,006
ДТП-1
0,729
Гелий
47,024
16,041
ДТП-2
0,858
Водород
124,835
41,331
ДТП-2
Аналогичным образом вычисляются молярные доли остальных компонентов в газе. Данные заносятся в таблицу А.3. Таблица А.3
Компонент
Молярная доля, %
Диоксид углерода
526,576
Этан
1880,997
Пропан
859,723
Гелий
47,024
Водород
124,835
4. Рассчитывают молярную долю метана в пробе газа по формуле (4): хСН4 = 100 − (0,79 + 0,64 + 0,98 + 0,02 + 0,12) = 97,45 %. ;
Полученные данные заносят в сводную таблицу А.4. Сюда же вносятся значения молярной массы, низшей и высшей теплоты сгорания компонентов. (Данные берутся из раздела 10 ГОСТ 31369-2008. Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава). 5. Определяется значение [ xi ⋅ M i ] для каждого компонента: [ xэтан ⋅ M этан ] = 0,0064 ⋅ 30,070 = 0,192448 [кг ⋅ кмоль−1 ]. 27
Таблица А4 Физико-химические показатели качества газ
28
Компонент (j-й)
Молярная масса Mi, кг⋅кмоль−1
Значение низшей теплоты сгорания (15 °С), кДж⋅моль−1
Метан
16,043
802,69
891,56
0,9745
15,633904
782,22141
868,82522
Диоксид углерода
44,010
−
−
0,0079
0,347679
−
−
Этан
30,070
1428,84
1562,14
0,0064
0,192448
9,144576
9,997696
Пропан
44,097
2043,37
2221,10
0,0098
0,4321506
20,025026
21,76678
Гелий
4,0026
−
−
0,002
0,0008005
−
−
Водород
2,0159
241,72
286,15
0,0012
0,0024191
0,290064
0,34338
1,0
16,6094
811,68
900,93
СУММА
Значение высшей теплоты сгорания (15 °С), кДж⋅моль−1
Молярная Молярная Молярная доля×значение теп- доля×значение Молярдоля×молярная теплоты сгорания лоты сгорания ная доля масса, (высшей), (низшей), xi кг⋅кмоль−1 −1 кДж⋅моль−1 кДж·моль
28
После чего суммированием по формуле (7) определяется молярная масса смеси (в данном случае она составляет 16,6094 кг⋅кмоль−1). 6. Затем вычисляется значение [ xi ⋅ H i (t1 )] для каждого компонента для высшей и низшей теплот сгорания: [ xэтан ⋅ H этан (15 o С)] = 0,0064 ⋅ 1428,84 = 9,144576 [кДж ⋅ моль −1 ] ; [ xэтан ⋅ H этан (15 o С)] = 0,0064 ⋅ 1562,14 = 9,997696 [кДж ⋅ моль −1 ] .
Полученные данные заносятся в таблицу А.4. После чего суммированием по формуле (5) определяется низшая молярная теплота сгорания смеси (в данном случае она составляет 811,68 кДж⋅моль−1) и высшая молярная теплота сгорания смеси (900,93 кДж⋅моль−1). 7. Определяют значения массовых теплот сгорания по формуле (6): ∧
H (15 o С) = 48,869 [МДж ⋅ кг −1 ] − для низшей теплоты сгорания, ∧
H (15 o С) =
900,93 54, 242 [МДж ⋅ кг −1 ] − для высшей теплоты 16,6094
сгорания. 8. Вычисляют объемную теплоту сгорания по формуле (8): ∼
H (15 o С, V (26 o C, 99,992 кПа)) = 811,68
99,992 = 8,314510⋅299,15
= 32,631[МДж ⋅ м −3 ] − для низшей теплоты сгорания, ∼
H (15 o С, V (26 o C, 99,992 кПа)) = 900,93
99,992 = 8,314510⋅299,15
= 32,219 [МДж ⋅ м −3 ] − для высшей теплоты сгорания, 9. Определяют относительную плотность по формуле (9): d0 =
16,6094 = 0,5735 . 28,9626
Вычисляют плотность по формуле (10): 29
ρ0 (26 o C, 99,992 кПа) =
99,992 ⋅16,6094 [кг ⋅ м −3 ] . 8,314510⋅299,15
11. В соответствии с формулой (11) вычисляют число Воббе: W 0 (15 o C, V (26 o C, 99,992 кПа)) =
30
36,219 = 47,83 [МДж ⋅ м −3 ] . 0,57347
Литература 1. ГОСТ 31371.1-2008. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 1. Руководство по проведению анализа. 2. ГОСТ 31371.3-2008. Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 3. Определение водорода, гелия, кислорода, азота, диоксида углерода и углеводородов до С8 с использованием двух насадочных колонок. 3. ГОСТ 31371.7-2008. Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Часть 7. Методика выполнения измерений молярной доли компонентов. 4. ГОСТ 31369-2008 (ИСО 6976:1995). Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава. 5. Царев Н.И., Царев В.И., Катраков И.Б. Практическая газовая хроматография. − Барнаул: Изд-во АГУ, 2000. 6. Шаповалова Е.Н., Пирогов А.В. Хроматографические методы анализа. – М.: МГУ, 2007. 7. Баффингтон Р., Уилсон М. Детекторы для газовой хроматографии / Под ред. В.Г. Березкина. − М.: Мир, 1993. − 80 с. 8. Гольберт К.А., Вигдергауз М.С. Введение в газовую хроматографию. – М.: Химия, 1990. − 352 с.
31
КОЗЛОВ Андрей Михайлович, КАРПОВ Алексей Борисович, АВАКЯН Тамара Александровна
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ПРИРОДНОГО ГАЗА МЕТОДОМ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ
Редактор Л.В. Суаридзе Компьютерная верстка И.В. Севалкина
Подписано в печать 18.06.2013. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура «Таймс». Усл. п.л. 2,0. Тираж 50 экз. Заказ № 288
Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина Ленинский просп., 65 Тел./Факс: 8(499)233-95-44
32