Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
В настоящее время важно знать состав природного газа для использования его в разных областях деятельности человека. Этот газ широко используется в энергетике как энергоноситель и в крупнотоннажной химии как источник углеводородного сырья для синтеза полимеров и азотных удобрений. Основу природного газа составляет метан, но обычно в его состав входят и более тяжелые углеводороды: этан, пропан, бутан. Также в составе природных газов в качестве примесей присутствуют водород, сероводород, азот, углекислота, гелий и другие инертные газы. Существуют разные методы анализа газа: механические, акустические, тепловые, магнитные, оптические, ионизационные, масс-спектрометрические, электрохимические, полупроводниковые.
Для анализа состава природного газа применяют акустический метод, основанный на измерении поглощения или скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн в газовой смеси. Используют тепловые методы, основанные на измерении теплопроводности газовой смеси (термокондуктометрический метод) или теплового эффекта радиации с участием определяемого компонента (термохимический метод). Мы выбрали оптический метод, измеряющий оптическую плотность, который относится к абсорбционным методам. Абсорбционные методы основаные на измерении селективного поглощения инфракрасного (ИК), ультрафиолетового (УФ) или видимого излучения контролируемым компонентом.
Был использован метод инфракрасной фурье-спектроскопии для анализа компонентного состава природного газа. Для измерения спектров поглощения использовали фурье-спектрометр с кюветой, внутри которой и находится исследуемый газ, который был разбавлен, поскольку оптический путь излучения достаточно большой и большая часть излучения поглащается.
Общий вид экспериментальной установки показан на рис. 1, еес хема — на рс. 2.
Установка содержит следующие основные блока: 1 — газосмеситель; 2 – баллон с природным газом; 3 – баллон с азотом (газом-разбавителем); 4 — фурье-спектрометр с кюветой; 5 — компьютер подключенный к спектрометру.
С помощью газосмесителя 1 природный газ из баллона 2 разбавляется азотом из баллона 3 и подводится по трубке в кювету спектрометра 4. В кювете через газ проходит излучение, чей оптический путь равен 6 м. Полученные данные на спектрометре сохраняются на компьютере 5. Природный газ выходит из кюветы по трубке в атмосферу.
Для обработки данных спектра газа использовали закон Бугера — Ламберта — Бера:
Для расчета концентраций газов в газовой смеси понадобится лишь оптическая плотность. За основные компоненты были взяты метан, этан, пропан и углекислый газ. Так, по закону Бугера — Ламберта — Бера каждый компонент вносит свой вклад на каждой длине волны в зависимости от его концентрации. Данные спектров можно представить как матрицу умноженную на матрицу с соответствующими коэффициентами, а результатом будет матрица :
Чтобы найти коэффициенты, воспользуемся псевдообратной матрицей к матрице газов, так как эта матрица не является квадратной:
Таким образом, получена концентрация, умноженная на оптический путь. Данные о спектрах газа выбраны из базы данных NIST, где газы разбавлены и их оптический путь составляет всего 5 см. Конечно, рассматриваемая газовая смесь также разбавлена, но сильнее, а оптический путь составляет 6 м. Используя эту информацию, можно рассчитать коэффициенты:
Рассчитанные молярные концентрации веществ представлены в таблице. Соответствующие зависимости показаны на рис. 3.
Вещество | По паспорту, % | Полученные, % |
Метан | 95,2 | 63 |
Этан | 2,69 | 14 |
Пропан | 0,836 | 16,13 |
CO2 | 0,247 | 6,86 |
Погрешность основного газа метана составляет 33 %. Причиной такой значительной разницы между данными служит то, что полученные результаты получены на основе только четырех компонентов газовой смеси, а сам природный газ содержит еще и бутан, пентан и другие органические соединения. Другой причиной служит поглощение интенсивности излучения окружающим воздухом.
