Порядок виконання роботи

1. Зважують на технічних терезах у порцеляновому човнику 1,0÷1,5 г вугільної шихти та розташовують в кварцову трубку (поз. 1), що розміщена в муфельній печі. Трубку щільно закривають пробкою з газовідвідною трубкою.

2. Перевіряють установку на герметичність. Для цього встановлюють напірну склянку (поз. 7) нижче газометра (поз. 8), закривають кран (поз. 9) газоходу на газоаналізатор і вхід на манометр (поз. 3), відкривають кран на газометрі (поз. 10), дозволяючи запірній рідині витікати з посудини (поз. 8) до напірної склянки (поз. 7). Якщо установка герметична, то рівень рідини в газометрі (поз. 8) трохи знизившись, залишиться незмінним.

1 – кварцова трубка; 2 – трубчаста піч; 3 – манометр; 4 – вловлювач;5 – поглинач; 6 – U-образні трубки; 7 – напірна склянка; 8 – газометр; 9, 10 – крани; 11 – електропіч; 12 – трубка для спалювання; 13, 14 – триходові крани; 15 – двоходовий кран; 16 – вхідні штуцери газоаналізатора ; 17 – вимірювальна бюретка; 18 – трубка-компенсатор з манометром; 19 – перехідник; 20 – зрівнювальна склянка; 21÷25 – поглинальні посудини; 26 – штуцер; 27 -двоходовий кран;.28, 29, 30, 31 - двоходові серпоподібні крани. Рисунок 7.1 – Схема лабораторної установки для коксування. кам’яного вугілля.

У протилежному випадку відшукують місце нещільного з’єднання і добиваються повної герметичності. Напірну склянку (поз. 7) заповнюють розчином NaCl до пробки.

3. Вмикають муфельну піч. Кран на газометрі (поз. 10) повинен бути відкритим. Під час досліду тиск на манометрі (поз. 3) підтримують в межах 15÷20 мм вод. ст. При цьому в газометрі створюється розрідження, достатнє для подолання газом опору поглинальної апаратури. Нагрів ведуть із швидкістю 5÷10 град/хв до 1173÷1223 К (900÷950 °C) і при кінцевій температурі шихту витримують 30÷40 хв. Кінцева температура і час витримки задаються викладачем. До кінця досліду в газометрі повинен встановитися атмосферний тиск, що досягається закриттям крану (поз. 9) на газометрі. Після закінчення часу витримки припиняють нагрів електропечі, дають печі охолодитися і обережно відкривають пробку на кварцовій трубці. За допомогою металевого гачка (Обережно! Висока температура!) витягують гарячий човник з коксом і укладають його для охолодження на керамічну плитку. Охолоджений човник зважують на технічних терезах і визначають масу отриманого коксу.

4. Відбирають пробу зворотного коксового газу (100 см³) у вимірювальну бюретку і проводять його аналіз на газоаналізаторі згідно методики, що викладена в пункті 7.2.3.

7.2.3 Методика аналізу

Призначення і склад газоаналізатора ГХЛ-1 (рисунок 7.1).

Газоаналізатор призначений для загального аналізу природних і промислових газів в даній роботі використовується для аналізу коксового газу на наступні компоненти: CO₂ - оксиду вуглецю (IV), ненасичених вуглеводнів (зокрема етилену С₂Н₄), H₂ – водню, СО - оксиду вуглецю (II).

Принцип роботи приладу заснований на вибірковому поглинанні відповідними поглинаючими розчинами оксиду вуглецю (IV) і ненасичених вуглеводнів, каталітичному спалюванні водню і оксиду вуглецю (II).

Принцип роботи приладу заснований на вибірковому поглинанні відповідними поглинаючими розчинами ненасичених вуглеводнів, оксиду вуглецю (IV) і каталітичному спалюванні водню і оксиду вуглецю (II). При цьому вміст компонентів визначається шляхом вимірювання зменшення об’єму аналізованої проби газу при операціях поглинання і спалювання, що проводяться послідовно.

Вимірювальна бюретка (поз. 17), що слугує для вимірювання об’ємів газу, складається з двох градуйованих вертикальних трубок. Права трубка об’ємом 21 см³ градуйована по всій довжині, ліва об’ємом 80 см³ розділена на 4 рівних частини по 20 см³ кожна.

Нижні кінці бюретки з’єднані перехідником, до третього вільного кінця якого приєднана зрівнювальна склянка (поз. 20). Вона використовується для створення розрідження або тиску в бюретці при відборі або витісненні газу. До верхнього капіляра бюретки приєднаний триходовий кран (поз. 14), за допомогою якого бюретка може сполучатися з поглинальними посудинами і трубкою для спалювання (поз. 12).

Поглинальна частина приладу складається з п’яти поглинальних посудин (поз. 21÷25); у роботі використовуються три: (поз. 21, 24, 25). Посудина (поз. 25), що містить 30%-вий розчин КОН, слугує для поглинання СО₂ і інших кислотних газів (наприклад, SO₂, H₂S, HCl) згідно реакції:

.

Посудину (поз. 24), що заповнена розчином KMnO₄, застосовують для поглинання ненасичених вуглеводнів; посудина із водою (поз. 21) служить для визначення зміни об’єму коксового газу після каталітичного спалювання водню.

Для збільшення активної поверхні поглинальні посудини заповнені насадкою у вигляді скляних трубочок. Зовнішня частина поглинальної посудини є приймальною камерою, в яку витісняється поглинальний розчин при заповненні посудини газом.

Підготовка приладу до роботи.

1. Перевірити прилад на герметичність. Для цього крани (поз. 13, 24, 26, 28, 29, 30) поставити в положення загального горизонтального капіляра. Закрити кран (поз. 15) на атмосферу і відповідною установкою крана (поз. 14) бюретку з’єднати із штуцером (поз. 26), на кінець якого надягають заглушку. Відкривши один з кранів (поз. 19б), опускають зрівнювальну склянку (поз. 20). Якщо рівень рідини в бюретці, дещо знизившись при опусканні склянки, залишається нерухомим, і рівні в поглинальних посудинах також залишаться нерухомими, то прилад герметичний. Якщо існують які-небудь відхилення від герметичності, то рівень рідини в бюретці весь час знижуватиметься. В цьому випадку необхідно усунути причину цього явища, звернувшись, за консультацією до персоналу лабораторії.

2. За допомогою зрівнювальної склянки (поз. 20) встановити рівні рідин в поглинальних посудинах (поз. 21, 24, 25) на мітку.

3. Включити піч (поз. 11). Спалювання водню і оксиду вуглецю (ІІ) здійснюється при температурі 533÷543 К (260÷270 °С)на паладієвому каталізаторі. Температура контролюється і підтримується за допомогою терморегулятора і реле контролю.

Порядок роботи.

Газометр (поз. 8) із коксовим газом приєднаний до одного з штуцерів (поз. 16) газоаналізатора. Створивши в газометрі тиск за допомогою напірної склянки (поз. 7), продувають газом з’єднану з бюреткою трубку через вільний штуцер (поз. 26). Відкривають крани (поз. 9, 15, 14, 19а) і за допомогою зрівнювальної склянки (поз. 20) набирають в праву частину бюретки (поз. 17) 80 см³ (кран (поз. 19а) закривають) і в ліву частину бюретки (поз. 17) 20 см³ коксового газу, потім крани (поз. 19б, 9, 14, 15,) перекривають.

Аналіз газу на газоаналізаторі здійснюють методами поглинання і спалювання.

Метод поглинання. Прокачування газу починають з посудини (поз. 25), що заповнена розчином гідроксиду калію, в якому поглинається вуглекислий газ. Для цього відкривають кран (поз. 14) і кран (поз. 29) на сполучення з поглинаючою посудиною (поз. 25), прокачують газ 3÷4 рази за допомогою зрівнювальної склянки (поз. 20). Потім доводять рівень рідини в посудині (поз. 25) до мітки, перекривають на ній кран (поз. 29), залишок газу переводять в бюретку (поз. 17) і виміряють його об’єм, тримаючи зрівнювальну склянку на одному рівні з рідиною у вимірювальній бюретці (поз. 17). Повторно 2÷3 рази прокачують газ через розчин КОН. Якщо після повторних прокачувань об’єм газу не зміниться, поглинання вуглекислого газу вважається закінченим; якщо ж об’єм газу продовжує зменшуватися, прокачування повторюють до тих пір, поки об’єм не буде постійним. Кількість поглиненого газу приймають за об’єм СО₂, що міститься у пробі (100 см³) досліджуваного коксового газу.

Наступним компонентом є сума ненасичених вуглеводнів, що поглинаються в посудині (поз. 24) розчином KMnO₄, через який здійснюється прокачування газу (3÷4 рази, аналогічно попередньому досліду). Після прокачування газ переводять в бюретку і вимірюють його об’єм. Кількість поглиненого розчином KMnO₄ газу приймають за сумарний об’єм ненасичених вуглеводнів, що містяться у пробі (100 см³) коксового газу.

Метод спалювання. Заздалегідь нагрівають до 473 К (200 °С) піч (поз. 11) з каталізатором. Для аналізу Н₂ і СО методом спалювання коксовий газ розбавляють повітрям, для чого від 50 до 70% газу з бюретки (поз. 17) за допомогою зрівнювальної склянки (поз. 20) випускають в атмосферу, при цьому крани (поз. 14, 15) відкривають на вільний штуцер (поз. 16). При високому вмісті водню необхідно залишати до 30 см³ газу. Вимірюють об’єм залишку газу, у вимірювальну бюретку (поз. 17) через вільний штуцер (поз. 16) засмоктують повітря до об’єму 100 см³. Відкривають крани (поз. 27). Відкривають кран (поз. 14) і один з кранів (поз. 19а або 19б) і в такому положенні залишають на час розігрівання трубки (поз. 12) (5÷6 хв.) поки не припиниться збільшення об’єму газу. Температуру при спалюванні водню і оксиду вуглецю (II) підтримують в межах 533÷543 К (260÷270 °С). При досягненні температури 533 К (260 °С), кран (поз. 28) відкривають на з’єднання трубки (поз. 12) з поглинальною посудиною (поз. 21), яка заповнена водою. Обережно підняти і опустити 5÷6 разів зрівнювальну склянку (поз. 20), повільно пропускають при цьому газ через трубку для спалювання (поз. 12) в посудину (поз. 21). Після досягнення постійного об’єму відключають обігрів печі, трубку для спалювання (поз. 12) охолоджують до кімнатної температури, газ знов прокачують (3÷4 рази) крізь охолоджену трубку, доводять до мітки рівень рідини в поглинальній посудині (поз. 21), перекривають кран на ній, закривають крани (поз. 27) і заміряють об’єм охолодженого газу у бюретці (поз. 17).

Потім газ пропускають через поглинальну посудину (поз. 25) для абсорбції СО₂, що утворився в результаті спалювання СО, який міститься у досліджуваному коксовому газі. Вимірюють об’єм оксиду вуглецю (IV), що поглинувся.

7.3 Обробка і представлення результатів

Таблиця 7.1 – Експериментальні дані

Маса вугільної шихти, г
Маса отриманого коксу, г
Об’єм отриманого коксового газу, см3
Об’єм проби коксового газу, що взятий на аналіз, см3
Атмосферний тиск Р і температура t в лабораторії на момент проведення аналізу коксового газу, Па і оС

Зауваження: барометр вказує тиск у гПа, тобто у гектопаскаль.

Приклад розрахунку визначення об’ємної частки СО₂, ненасичених вуглеводнів, водню та СО в отриманому коксовому газі представлений нижче.

1) Об’ємні частки СО₂ і ненасичених вуглеводнів у коксовому газі визначають безпосереднім поглинанням розчинами КОН і КMnO₄ у посудинах (поз. 25) та (поз. 24), відповідно.

Приклад 1. У поглинаючій посудині з гідроксидом калію (поз. 25) із 100 см³ коксового газу поглинулося 5 см³. Це означає, що у досліджуваній газовій пробі міститься 5 см³ СО₂, причому його об’ємна частка складає 5 % - [CO₂]=5%. Об’єм газу, що залишився після поглинання,
см³.

Приклад 2. У поглинаючій посудині з перманганатом калію (поз. 24) поглинулося 8 см³ коксового газу. Це означає, що у досліджуваній газовій пробі міститься 8 см³ ненасичених вуглеводнів, об’ємна частка яких дорівнює 8% (по відношенню до об’єму вихідного коксового газу, що дорівнює 100 см³). У подальших розрахунках приймаємо, що ненасичені вуглеводні представлено етиленом - [С₂Н₄]=8%. Об’єм газу, що залишився після поглинання у посудині (поз. 24), складає см³.

2) Об’ємні долі Н₂ та СО в коксовому газі визначають послідовним каталітичним спалюванням та поглинанням у посудинах із водою (поз. 21) та розчином гідроксиду калію (поз. 25).

Приклад 3. Для спалювання з 87 см³ коксового газу було залишено

см³ та розбавлено повітрям до 100 см³. Після каталітичного спалювання об’єм газу зменшився і складав 81 см³. Зміна об’єму газу становила см³. Об’єм оксиду вуглецю (IV), що утворився при спалюванні СО та поглинувся у посудині із КОН (поз. 25), становив см³.

Співвідношення між Н₂ та СО встановлюють на підставі реакцій горіння, що описуються рівняннями:

; (7.1)

. (7.2)

Згідно реакції (7.1) з трьох газових об’ємів (2 об’єми Н₂ і 1 об’єм О₂) на частку водню доводиться 2/3 об’єму (об’єм сконденсованої води не враховується). Оскільки паралельно реакції (7.1) перебігає реакція (7.2), то в загальне значення зміни об’єму (К) входить ще кисень, витрачений на утворення СО₂. Отже, для визначення об’єму водню з К необхідно відняти об’єм кисню, який буде дорівнювати , оскільки за реакцією (7.2) на утворення 2 моль CO₂ витрачається 1 моль О₂. Тоді об’єм водню розраховують за формулою:

; (7.3)

см³.

Враховуючи, що 10,37 см³ Н₂ міститься в 30 см³ газу, об’ємна частка водню у 100 см³ первинної проби коксового газу складає:

; (7.4)

%.

Об’ємна частка СО в коксовому газі становить:

; (7.5)

%.

Об’ємна частка метану визначається за різницею:

; (7.6)

%.

3) Розрахувати середню молярну масу коксового газу на основі його об’ємної частки і молярних мас компонентів за правилом адитивності:

. (7.7)

4) На основі отриманих експериментальних даних скласти матеріальний баланс процесу коксування. Результати зведіть у таблицю 7.2.

Масу отриманого коксу визначають зважуванням (по різниці мас човника з коксом та без нього).

Масу коксового газу розраховують за формулою, г:

; (7.8)

де – об’єм коксового газу, що отриманий в роботі та приведений до нормальних умов, дм³,

, (7.9)

де V – об’єм газу в умовах досліду, дм³; Р – барометричний атмосферний тиск, Па; Р_Н2О – парціальний тиск водяної пари у коксовому газі при температурі t, Па (таблиця 7.3).

Масу продуктів коксування (смола, сирий бензол, NH₃ та інші), що поглинені в елементах (поз. 4, 5, 6) установки, знаходять за різницею мас приходу та статей витрат 1 і 2.

Таблиця 7.2 – Матеріальний баланс коксування

Прихід	Витрати
Найменування статті	Маса, г	%	Найменування статті	Маса, г	%
1. Вугільна шихта			1. Кокс 2. Коксовий газ 3. Поглинені компоненти коксового газу
Разом			Разом

 

Таблиця 7.3 – Тиск насиченої водяної пари

Температура, ºС	Тиск, Па	Температура, ºС	Тиск, Па
	1227,56		2486,04
	1312,20		2642,34
	1402,05		2808,36
	1497,09		2982,85
	1597,87		3166,67
	1704,64		3360,36
	1817,41		3564,31
	1936,85		3778,92
	2063,08		4004,73
	2196,38		4242,14
	2337,55		4491,54

7.4 Техніка безпеки

1. Вмикання електричної печі здійснюється тільки після перевірки навчально – допоміжним персоналом правильності з’єднання елементів установки.

2. Для запобігання термічних опіків при вилученні гарячого човника із трубки печі користуйтесь металічним захватом. Човник для охолодження встановлюйте на керамічну плитку.

3. Роботу на газоаналізаторі розпочинають тільки після попередньої бесіди з викладачем.

4. Усі дії проводити із дотриманням правил техніки безпеки при роботі в хімічній лабораторії.

7.5 Контрольні запитання

- Допуск до роботи:

1. Мета роботи. Коксування: фізико-хімічні основи, основні продукти коксування та області їх застосування.

2. Опис схеми лабораторної установки та правила роботи на ній. Правила техніки безпеки.

3. Методика аналізу коксового газу на газоаналізаторі ГХЛ-1.

- Захист роботи:

1. Повна характеристика існуючих фізико-хімічних методів переробки твердих палив.

2.Технологічна схема переробки «прямого» коксового газу. Перелік продуктів, що отримують при переробці «прямого» і «зворотного» коксового газу.