Работа со сжатыми и сжиженными газами
Газы - важные реагенты для препаративных и аналитических работ (хлор, водород, окись этилена, сероводород, аммиак и др.), вспомогательные средства для выполнения работ в инертной атмосфере (азот, аргон, диоксид углерода), для хроматографии (азот, гелий, аргон), для создания низких температур (жидкий азот, жидкий кислород и др.).
Сжатые и многие сжиженные газы хранят и транспортируют в металлических баллонах. Небольшие количества сжиженных газов (фосген, бутадиен, окись этилена и др.) иногда хранят в запаянных стеклянных ампулах.
Сжатые газы, критическая температура которых ниже комнатной (H2, N2, O2, Ar, He), находятся в баллонах в газообразном состоянии. Количество сжатого газа в баллоне пропорционально давлению газа и объему баллона. При отборе части газа давление в баллоне снижается.
Давление внутри баллона со сжиженными газами (Cl2, СОСl2, СO2, SO2, С3Н8, С4Н10 и др.) сохраняется постоянным до тех пор, пока не испарится вся жидкость.
Сжиженные газы, используемые в качестве криогенных средств (N2, O2 или воздух), доставляются в лаборатории в металлических сосудах Дьюара. Газы в баллонах часто содержат примеси, предельное содержание и методы определения которых приводятся в соответствующих ГОСТах и ТУ.
Сосуды Дьюара
Сосуды Дьюара предназначены для хранения и транспортировки сжиженных газов, работ с охлаждающими смесями, хранения веществ при низких температурах, выполнения различных исследований в области низких температур.
Сосуды Дьюара представляют собой двухстенные сосуды цилиндрической или шаровой формы, стеклянные или металлические, у которых пространство между стенками вакуумировано. Теплообмен в сосудах Дьюара, в основном, происходит за счет теплопроводности вдоль стенок сосуда и лучеиспускания. Теплообмен за счет теплопроводности можно снизить, применяя сосуды с узким горлом и высоковакуумную изоляцию, а также уменьшая остаточное давление в межстеночном пространстве. Снижение теплообмена за счет лучеиспускания в стеклянных сосудах достигается тем, что внутренние стенки сосудов посеребрены или покрыты медной пленкой, чтобы зеркальная поверхность отражала лучи.
Сосуды Дьюара бывают цилиндрические и шаровой формы, узко- и широкогорлые, различной вместимости.
Цилиндрические стеклянные сосуды лабораторного назначения выпускаются на деревянной или пластмассовой подставке, вместимостью от 250 до 3700 см3, шарообразные - в защитном проволочном или металлическом кожухе, вместимостью от 500 до 5000 см3. Вместимость металлических сосудов 5, 15, 25 и 50 л.
Металлические сосуды Дьюара имеют на средней части круговую полосу: для азота - черную, с надписью желтого цвета «Азот»; для кислорода - голубую с надписью черного цвета «Кислород»; для аргона - черную с надписью желтого цвета «Аргон»; для воздуха - черную с надписью белого цвета «Воздух».
При работе с металлическими сосудами Дьюара следует руководствоваться действующей «Инструкцией по эксплуатации и хранению металлических сосудов Дьюара».
Металлические сосуды Дьюара наполняют жидкими газами через металлическую воронку с трубкой, которая должна быть значительно длиннее горловины сосуда. В сосуде не должно быть влаги и посторонних предметов. Сжиженный газ необходимо заливать осторожно во избежание выброса жидкости из горловины.
Запрещается: закрывать пробками горловины сосудов Дьюара, протирать внутреннюю поверхность горловины ветошью и другими обтирочными материалами, а также использовать сосуды в качестве тары для других веществ; хранить органические вещества вблизи сосуда Дьюара, в котором содержится жидкий кислород; проводить операции с жидкими воздухом и кислородом руками, загрязненными маслом; курить и пользоваться открытым огнем в помещении, где находятся заполненные жидким кислородом сосуды Дьюара; применять для охлаждения чистый жидкий кислород, не разбавленный жидким азотом в объемном соотношении 1:3.
Жидкие газы при попадании на тело человека вызывают обморожение. При работе с сжиженными газами необходимо пользоваться прорезиненными или кожаными рукавицами.
Баллоны для газов
Баллоны для хранения и транспортировки сжатых и сжиженных газов представляют собой цилиндрические сосуды, изготовленные из стальных бесшовных труб, со слегка выпуклым днищем (рис. 138). В горловине баллона находится запорный вентиль с боковым штуцером. Вентиль открывается и закрывается поворотом маховичка, надетого на шпиндель (стержень).
Баллоны различаются по типу резьбы запорного вентиля: вентили баллонов с водородом, этиленом, пропаном и некоторыми другими горючими газами имеют левую резьбу, с остальными газами (СO2, O2, N2 и др.) - обычную правую.
На кольцо горловины надевают колпак, защищающий вентиль баллона от грязи и повреждений. Колпак имеет два отверстия для пломбировки баллона.
Вентиль вмонтирован в штампованный корпус с боковым штуцером для присоединения редуктора и заглушкой, закрывающей отверстие штуцера и предохраняющей его от засорения и повреждения резьбы. Вентиль кислородного баллона ввинчивают в горловину баллона на водной замазке из глета, не содержащего жировых веществ, на фольге или жидком натриевом стекле.
Несколько иначе устроены баллоны для хлора и фосгена. Вентиль этих баллонов имеет сифонную трубку, доходящую почти до дна баллона (рис. 139). При работе баллон перевертывают вверх дном, и тогда по сифонной трубке в вентиль поступает газообразный хлор или фосген. К вентилю присоединяют газовый редуктор, позволяющий регулировать давление выпускаемого газа.
В зависимости от газа баллоны окрашивают снаружи в различные цвета, делают соответствующие надписи и наносят отличительные цветные полосы в соответствии с правилами.
На верхней сферической части каждого баллона должны быть отчетливо нанесены клеймением следующие данные: товарный знак завода-изготовителя; номер баллона; фактическая масса порожнего баллона; дата (месяц и год изготовления) и год следующего освидетельствования баллона; рабочее давление Р; пробное давление П; вместимость баллона; клеймо ОТК завода-изготовителя; номер стандарта для баллонов вместимостью свыше 55 л.
На баллонах вместимостью до 5 л паспортные данные могут быть выбиты на пластинке, припаянной к баллону, либо нанесены эмалевой или масляной краской.
Эксплуатация баллонов
Баллоны эксплуатируют в соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением». Эти правила распространяются на все виды сосудов (баллоны, реакторы, автоклавы), работающие под избыточным давлением свыше 0,07 МПа. Лица, имеющие непосредственное отношение к эксплуатации баллонов, должны быть обучены этим правилам, и их знания следует периодически проверять.
Согласно правилам, запрещается наполнять газом баллоны, у которых истек срок периодического освидетельствования, нег установленных клейм, неисправны вентили, поврежден корпус, окраска и надписи не соответствуют требованиям. Никогда не следует снижать давление газа в баллоне до атмосферного. Остаточное давление газа в отработанном баллоне должно быть не менее 0,05 МПа.
Газы из баллонов в емкость с более низким давлением выпускают только через редуктор, предназначенный исключительно для данного газа; окраска редуктора должна соответствовать окраске баллона с газом. При неисправности вентиля баллон с газом возвращают на завод или наполнительную станцию с надписью «полный, неисправен вентиль».
Наполненные баллоны с насаженными башмаками хранят в вертикальном положении в специальных стойках или прикрепляют с помощью железных хомутов к рабочему столу или вытяжному шкафу. Баллоны малого объема могут быть укреплены на рабочем столе с помощью штатива. При падении баллона может произойти взрыв, особенно при минусовых температурах, когда ударная вязкость стали понижается и она делается хрупкой. Переносить баллоны можно только на носилках или специальных лямках-креплениях. Запрещается переносить баллоны на руках.
Прочность баллонов может нарушиться из-за переполнения их сжатыми и особенно сжиженными газами, что приводит к повышению давления выше допустимого значения, поэтому количество заполняющих баллоны газов строго регламентируется по массе и давлению.
Особые требования предъявляются к баллонам с ацетиленом, который может разлагаться со взрывом в результате повышения давления и температуры, а также в присутствии инициаторов разложения. Чтобы уменьшить опасность взрыва, баллоны заполняют пористой массой (уголь, пемза), пропитанной ацетоном, в котором растворим ацетилен.
Баллоны с газами рекомендуется устанавливать вне здания в специальных металлических шкафах. При такой установке баллонов газ к рабочим местам подается по медным трубам, а ацетилен - по стальным бесшовным трубам.
В одном металлическом шкафу (или в одном помещении) запрещается размещать баллоны с кислородом и горючим газом.
В помещении лаборатории запрещается хранить более одного баллона, наполненного горючим газом.
Баллоны, наполненные газами, должны быть удалены от электрических щитков и отопительных батарей на расстояние не менее 1 м и защищены от действия солнечных лучей, так как повышение температуры газа в баллоне приводит к резкому повышению давления и может быть причиной разрыва баллона. Запрещается работать с жидким воздухом или кислородом в помещениях, где горят газовые горелки, включены электроприборы, искрящее оборудование и другие источники воспламенения.
В помещении лаборатории производить какой-либо ремонт арматуры баллонов со сжатыми и сжиженными газами запрещается.
Перед работой с наполненным баллоном необходимо тщательно проверить, не истек ли срок очередного освидетельствования баллона, соответствуют ли окраска и надписи на баллоне действующим правилам Госгортехнадзора, нет ли видимых повреждений на корпусе баллона, исправен ли вентиль, нет ли следов жира или масла на баллоне, нет ли пропуска газа из запорного вентиля.
Отбор жидкости и газа из баллонов
Отбор сжиженного газа из баллона осуществляется довольно просто. Баллон с газом перевертывают вентилем вниз и наклоняют его так, чтобы жидкость могла вытекать через открытый вентиль. При этом следует учитывать, что низкокипящие жидкости интенсивно испаряются и сильно охлаждаются.
В ряде случаев баллоны со сжиженными газами оборудованы специальной трубкой, позволяющей отбирать жидкости из баллона, находящегося в горизонтальном положении. При открытии вентиля сжиженный газ выталкивается из баллона давлением паров и может быть подан по трубке в нужный сосуд.
Перед отбором из баллона сжатого газа сперва следует установить и укрепить баллон. Затем отворачивают колпак (разводным ключом) и снимают его с баллона. Внимательно осматривают вентиль баллона, нет ли на нем следов масла, не просачивается ли газ и не повреждена ли резьба бокового штуцера.
Неплотности в вентиле баллона проверяют, смачивая вентиль мыльной водой. Если вентиль неисправен, образуются пузыри. Категорически запрещается применять для проверки открытое пламя.
Отбор проб газа из баллонов должен производиться через редуктор (мембранный вентиль) или через запорный игольчатый вентиль. Схема присоединения редуктора к баллону приведена на рис. 140.
Большинство запорных вентилей и редукторов изготовляют из бронзы. При работе с аммиаком и ацетиленом, реагирующим с медью, используют железные вентили.
Между резьбой запорного вентиля баллона и накидной гайкой редукционного вентиля помещают уплотняющие прокладки. Для баллонов с H2, N2, СO2 и другими не вызывающими коррозии газами используют кожаные, резиновые или фибровые прокладки. При работе с вызывающими коррозию газами – Cl2, НСl, SO2, NH3 - применяют асбестовые уплотнения. Для кислородных баллонов уплотняющие прокладки должны изготовляться из негорючих материалов.
До присоединения редуктора рекомендуется провести продувку вентиля; для этого открывают вентиль быстрым поворотом маховичка на 1/4 оборота против часовой стрелки и тотчас закрывают. При продувке вентиля экспериментатор должен стоять сбоку или сзади бокового штуцера вентиля. Затем осматривают накидную гайку редуктора и прокладку в ней, ослабляют регулировочный винт редуктора, поворачивая его налево, и присоединяют редуктор к вентилю баллона, надежно закрепляя накидную гайку ключом. Закрепив редуктор, начинают медленно и осторожно открывать вентиль баллона, поворачивая маховичок против часовой стрелки. Когда манометр высокого давления на редукторе покажет давление газа в баллоне, то с помощью регулировочного винта редуктора выпускают газ и устанавливают ток нужной скорости или нужное рабочее давление (по показанию манометра низкого давления). Скорость тока газа легко контролируется с помощью счетчика пузырьков - небольшого стеклянного сосуда, в котором газ пробулькивает через жидкость (например, склянка Тищенко с конц. H2SO4 или с 50% раствором КОН в случае NH3). Счетчик пузырьков присоединяют к редуктору при помощи вакуумной резиновой трубки.
По окончании работы вентиль баллона плотно закрывают, дают снизиться давлению в манометре высокого давления редуктора и только тогда закрывают выход газа из редуктора, поворачивая регулировочный винт влево.
Измерение объема газа
В лабораторной практике объем газа измеряют с помощью газовых бюреток, газометров, реометров, ротаметров и газовых часов.
Для точного измерения относительно небольших объемов газа (до 100 мл) применяют газовые бюретки. Это градуированные стеклянные трубки, на одном конце которых имеется кран. К другому концу бюретки с помощью резиновой трубки присоединяется уравнительная склянка, заполненная запирающей жидкостью (раствор соли, ртуть). Перед отсчетом объема газа в бюретке, через несколько минут после отбора пробы, давление газа в бюретке уравнивают с атмосферным. Для этого уравнительную склянку подносят вплотную к бюретке и устанавливают в таком положении, чтобы поверхность жидкости в бюретке и уравнительной склянке была на одном уровне.
При отсчете показаний бюретки глаз наблюдателя должен быть на одном уровне с установленным уровнем запирающей жидкости. Отсчет в бюретке с ртутным затвором производят по верхнему мениску, а с водным - по нижнему.
Поскольку объем газа изменяется в зависимости от температуры и давления, одновременно с ним измеряют эти величины.
Объем газа обычно приводят к нормальным условиям, т. е. к температуре 0°С и давлению 1013 гПа (760 мм рт. ст.) по уравнению:
где V - объем газа при температуре опыта; Р - давление, при котором измерен объем газа.
Если газ содержит пары воды, или находился в сосуде над водой или водным раствором, его объем к нормальным условиям приводят по уравнению:
где P1 - давление паров воды при температуре опыта.
Чтобы устранить ошибки при измерении объема газа, обусловленные изменением температуры и атмосферного давления, применяют бюретки с компенсационной трубкой и водяным манометром (рис. 141). Все отсчеты производятся при одной и той же высоте жидкости в обоих коленах манометра 1. Если компенсационная трубка 4 во время измерения не сообщается с атмосферой, то изменение атмосферного давления не влияет на давление в компенсационной трубке и все измерения объема газа производятся при одном давлении; изменение объема газа в бюретке, обусловленное изменением температуры, уравновешивается изменением давления воздуха в компенсационной трубке.
Компенсационная трубка, по размеру близкая к размеру бюретки, помещается в муфту рядом с бюреткой. Нижний конец трубки запаян, верхний открыт. В трубку вводят около 1 мл дистиллированной воды. Жидкость (подкрашенная вода) в обоих коленах манометра устанавливают на одном уровне. Одно колено присоединяют к открытому концу компенсационной трубки, другое - к бюретке. Для проведения отсчета объема газа поворотом крана 2 колено манометра сообщают с воздухом, а бюретку - с манометром. Осторожным поднятием или опусканием напорной склянки 5 жидкость в обоих коленах манометра доводят до одного уровня и перекрывают краны манометра и бюретки. В бюретку набирают пробу газа и с помощью напорной склянки уравнивают давление в бюретке с атмосферным, после чего сообщают бюретку с манометром. Поднятием или опусканием напорной склянки доводят жидкость в обоих коленах манометра до одного уровня и производят отсчет.
Газометры, предназначаемые для отбора и хранения газов, также могут быть использованы для измерений объема газа.
При измерении объема газа градуированными газометрами с напорной воронкой (рис. 142) отсчет производят после приведения объема газа к атмосферному давлению, которое устанавливают по манометру 1. При повышенном давлении выпускают часть воды через кран 3, при пониженном добавляют воду из воронки, открывая кран 4.
С увеличением вместимости газометра точность измерения объема газа снижается.
Дозирование газов часто осуществляют путем измерения скорости движения газового потока в единицу времени. Для этой цели используются реометры и ротаметры.
Стеклянные лабораторные реометры выпускаются двух модификаций: РКС - со съемным и постоянным капиллярами и РДС - с диафрагмой (рис. 143). При пропускании газа через капиллярную трубку реометра на концах ее создается разность давлений, отмечаемая жидкостным дифференциальным манометром, одно колено которого включено в систему до капилляра, а другое - после капилляра. С увеличением скорости пропускания газа увеличивается разность уровней жидкости в манометрической трубке.
Капилляр реометра перед употреблением должен быть проградуирован по тому газу, для измерения которого он предназначен. В первую очередь заполняют манометрическую трубку реометра жидкостью (водой, дибутилфталатом, парафиновым маслом и др.). Чем меньше плотность жидкости, наполняющей реометр, тем последний чувствительнее и тем меньший объем газа можно измерять с его помощью. Чистый капилляр присоединяют к манометрической трубке и реометр включают в систему, состоящую из емкости с газом, манометра и газометра, заполненного водой (рис. 144). Газ, предназначенный для градуировки, пропускают с постоянной скоростью через реометр и избыток выводят через кран 7 в вытяжную систему.
Когда установится постоянная скорость газа, поворотом крана 7 соединяют реометр с газометром и включают секундомер. Воду, вытесняемую из газометра, сливают через кран 8, чтобы давление в газометре в течение всего опыта было равно атмосферному. Через определенные промежутки времени записывают показания реометра и объем вытекшей воды.
Каждый капилляр градуируют на 3-4 различные скорости и определение повторяют 3-4 раза. По окончании градуировки строят градуировочную кривую, выражающую зависимость скорости газового потока от высоты столба жидкости в манометре.
Для измерения скорости потока газа применяются также ротаметры с различными диапазонами измерений. Ротаметр (рис. 145) представляет собой стеклянную трубку, сужающуюся книзу и тщательно отшлифованную внутри. Газ поступает в ротаметр снизу и выходит в верхней его части. В зависимости от скорости газового потока волчок, находящийся внутри трубки, поднимается на определенную высоту.
Для измерения больших объемов газа применяют барабанный газовый счетчик с жидкостным затвором типа ГСБ-400 (газовые часы). Недостаток газовых часов заключается в том, что они не пригодны для работы с агрессивными газами и газами, хорошо растворимыми в воде, так как изготовляются из металла, а запирающей жидкостью в них служит вода.
Очистка газов
Чаще всего газ очищают от примесей, пропуская его через поглотительные сосуды, содержащие соответствующие жидкие и твердые поглотители. Эффективность поглощения компонентов газовой смеси жидкими поглотителями существенно зависит от поверхности и времени соприкосновения газа с поглотителем. Для увеличения поверхности соприкосновения используют центробежную мешалку, через отверстие в оси которой подводится газ, распределяющийся в жидкости.
Особенно тесный контакт между жидкостью и газом достигается при проведении тонкого вспенивания. Газ продавливают через газопромыватель со стеклянной пористой пластинкой в жидкость, содержащую пенообразователь (0,1% раствор натриевой соли желчной или гидрокоричной кислоты, 0,1% раствор NaOH, 0,1% раствор СН3СООН). Подбором пенообразователя и его концентрации можно изменить устойчивость пены.
При анализе газов в качестве поглотительных сосудов применяют пипетки Гемпеля (рис. 146) с двумя и четырьмя шарами (для жидких поглотителей), с одним и тремя шарами (для твердых поглотителей). Пользуясь уравнительной склянкой 2, набирают в газовую бюретку 1 пробу газа, отмеряют объем взятой пробы, затем газ переводят в пипетку Гемпеля. Непоглощенную часть газовой пробы возвращают в бюретку, где измеряют ее объем. По разности объемов до и после поглощения находят объем поглощенного компонента.
Для очистки газов пропусканием через слой твердого поглотителя применяют те же устройства, что и для осушения газов.