半水煤氣中氫含量分析的簡便算法及算圖

李青娟，宿志權

（六九硅業有限公司，河北 保定 071051）

1 引言

關水煤氣是合成氨生產的原料氣。氫氣、一氧化碳和氮氣是其主要的用成分，一氧化碳在變化催化工段繼續轉成氫氣和二氧化碳，氫氣成分增加。還有少量二氧化碳、甲烷、硫化物等雜質，其成分為：H240%、N220%、CO30%、CO210%、O2、CH4、H2S 少量等。經過脫硫、脫碳、脫一氧化碳等一系列精制后，最終控制合成氣H2/N2=3∶1左右。為了保持半水煤氣的氫氮比例在一個適當范圍內，半水煤氣工段需根據以上分析數據控制空氣和蒸氣的進量，最終制得H∶N=3∶1左右的合成氣。半水煤氣制備過程，要經常的對半水煤氣的成分進行檢驗分析，以提供及時的數據。目前，大部分合成氨廠是使用奧氏分析儀進行定量分析的，分析使用的計算式為：

V：氫氣和氧氣反應生成水所減少的體積，mL；C：氫氮混合余氣體積，mL；

2 簡便算法的由來

大部分合成氨廠都是利用公式（1）進行計算的。但是每班組8h工作，進行幾十次的分析，計算工作比較繁瑣。我們通過長時間的分析實踐，對上千次的分析數據進行了統計學概率統計分析，發現氫氣的含量和其它含量有某種內在聯系。經過處理從中找到了簡便的計算方法，甚至在分析過程可以進行口算。口算法，可不需要任何工具，一邊分析一邊即刻口算出結果。口算結果和用工具計算結果相比誤差很小，完全可以滿足指導生產的需要。

通過大量數據發現，半水煤氣的各組分有著一定的量的數量關系。C總是波動在60mL左右，V總是在20mL波動。并且每當總殘量C增加或減少1.5mL，半水煤氣中氫含量H2%就增加或減少1mL；如果爆炸部分減少體積V每增加1mL或減少1mL，H2%就增加或減少2mL。經過反復分析比較，才發現奧秘在計算式上，我們是從C中取的爆炸氣體的體積由25改為20mL，而不是25mL，所以公式就簡化為：

H2%總波動在40mL，而C余在正常中總波動在60mL左右，而爆炸后的體積V總波動在20mL左右，我們將以上數據代入公式進行驗證：

當V=50，C=60時，即理想狀態時，H2%=40

如果 C 增減±1.5mL，V 不變，則：H2%=40±0.5×2=40±1

如果 V 增減±1mL，C 不變，則：H2%=40±（1×2）=40±2

這和前面我們所觀察的現象是一致的，因此我們把兩個結果合并即得：

H2%=40+（±1.0±2.0）=43%

我們用x代表V的變化量，用y代表C的變化量，公式可變成：

H2%=40+（±2x±1/1.5y）

為了便于計算，把y的系數1/1.5化為小數0.7，則公式進一步簡化為：

H2%=40+（±2x±0.7y） 公式（3）

通過上述驗證，計算結果比原計算公式計算誤差最大僅為1%～2%。與其它計算工具計算結果無大的區別，能夠滿足工業生產分析的需要。

3 公式簡化的依據

以上是在分析實踐中得到的所謂經驗公式，那么這個公式是否在所有的數據下保證適用？是否也適合一般情況下的生產分析呢？前面講了，計算結果最大有2%的誤差，那么這個誤差是從哪里來的呢？在計算這個公式的誤差過程中，我們找出了經驗公式的理論依據，還求出了適用于一般情況下的簡單計算公式。

假設 H2%為公式（2）計算含量，H2’%為公式（1）計算含量，二者差值為Δ，則：

Δ=H2’%-H2% 公式（4）

我們試展開公式：

由于半水煤氣各種氣體成分不斷變化，有的工廠又習慣于取25mL殘量進行爆炸，因而簡易式就不是在前面講的標量C=60、V=20情況下的情況，因而公式需要改變，要復雜些，且不易口算。

設總殘量C，爆炸后體積為V，從C中取的爆炸的體積B，則公式：

若V增減量為±x,C增減量為±y，則

展開公式：

從數學知識可知，兩個絕對值愈小的數，其乘積的絕對值愈小，而它的商的絕對值更小，即，x→0，y→0，則→0

（1）Δ隨vc的增減而增減，xy值愈小，計算結果的誤差愈小，即使在xy=1.5B情況下Δ=1，但是一般沒有這么大的波動量。

（2）Δ隨B而改變，B的取值愈大Δ愈小。

（3）如果 Δ=0，則 H2%=H2’。

x=0，y≠0，Δ=0，則說明 C 中 H2%的含量不變。

y=0,x≠0，Δ=0，則說明C中H2%的含量發生了變化。

（4）如果Δ值為正，即VC同時增減時，則說明計算結果比實驗結果低。

如果Δ值為負，即VC有增有減時，則說明計算結果一定比試驗含量高。

因此，在Δ值太大時，可利用Δ式進行校正。現舉例用簡單式計算：

例：當用化學吸收瓶吸收后，總殘余C=62mL，取C中取20mL與80mL空氣混合爆炸后，爆炸減少體積V為21mL，則半水煤氣中氫含量為：

H2%=40+（2+2×0.7）=43.5

如果 C=64，V=18，則

H2%=40+（-2×2+0.7×4）＝38.8%

有了這樣一個簡便公式就可以分析的過程中不便用任何工具即可進行口算，只要記住C在60mL上下變化的數值數和爆炸后V在20mL上下變化的數值就可迅速口算出結果。結果不習慣口算，也可制成簡單算圖查出圖1位置，如圖1。

4 算圖的繪制

4.1 算圖的繪制是根據氫氣含量的檢驗分析近似公式繪制。

4.2 算圖計算更加直觀，為輔助的直觀工具。

4.3 算圖的繪制是讀尺的刻度精度直接影響計算結果。但影響不大，

4.4 算圖可以做成透明的塑料材料的算尺，便于讀數。

4.5 算圖的使用

A取100mL半水煤氣樣氣，依次對二氧化碳、氧氣、一氧化碳進行吸收，把余氣在量筒中進行計量，記下體積的毫升數C（一般在60mL左右）；

B從C中取20mL余氣，在量筒中取80mL空氣與之充分混合，再導入爆炸瓶內，打開高壓電極進行爆炸反應，爆炸后的混合氣在導入量筒，記下減少的體積V（一般在20mL左右）；

C從算圖上找到C的對應數、再找到V的對應數，再把二者連起來，與表示氫氣含量的直接相交點就是氫氣的含量。

見算圖實例：（圖 1）。

圖1 半水煤氣中氫氣分析算圖

5 小結及展望

分析半水煤氣中氫含量的方法確實有很多，傳統的奧氏分析儀手段也是最常用的，但是由于耗時太長，對生產的指導性就會出現滯后。利用本文的方法進行簡單的計算和算圖對照，就能在很短的時間內完成氫含量的分析，相信此方法會對合成氨廠起到很大的作用，提供很大的便利，有很大的利用空間。