半水煤气中氢含量分析的简便算法及算图

李青娟，宿志权

（六九硅业有限公司，河北 保定 071051）

1 引言

关水煤气是合成氨生产的原料气。氢气、一氧化碳和氮气是其主要的用成分，一氧化碳在变化催化工段继续转成氢气和二氧化碳，氢气成分增加。还有少量二氧化碳、甲烷、硫化物等杂质，其成分为：H240%、N220%、CO30%、CO210%、O2、CH4、H2S 少量等。经过脱硫、脱碳、脱一氧化碳等一系列精制后，最终控制合成气H2/N2=3∶1左右。为了保持半水煤气的氢氮比例在一个适当范围内，半水煤气工段需根据以上分析数据控制空气和蒸气的进量，最终制得H∶N=3∶1左右的合成气。半水煤气制备过程，要经常的对半水煤气的成分进行检验分析，以提供及时的数据。目前，大部分合成氨厂是使用奥氏分析仪进行定量分析的，分析使用的计算式为：

V：氢气和氧气反应生成水所减少的体积，mL；C：氢氮混合余气体积，mL；

2 简便算法的由来

大部分合成氨厂都是利用公式（1）进行计算的。但是每班组8h工作，进行几十次的分析，计算工作比较繁琐。我们通过长时间的分析实践，对上千次的分析数据进行了统计学概率统计分析，发现氢气的含量和其它含量有某种内在联系。经过处理从中找到了简便的计算方法，甚至在分析过程可以进行口算。口算法，可不需要任何工具，一边分析一边即刻口算出结果。口算结果和用工具计算结果相比误差很小，完全可以满足指导生产的需要。

通过大量数据发现，半水煤气的各组分有着一定的量的数量关系。C总是波动在60mL左右，V总是在20mL波动。并且每当总残量C增加或减少1.5mL，半水煤气中氢含量H2%就增加或减少1mL；如果爆炸部分减少体积V每增加1mL或减少1mL，H2%就增加或减少2mL。经过反复分析比较，才发现奥秘在计算式上，我们是从C中取的爆炸气体的体积由25改为20mL，而不是25mL，所以公式就简化为：

H2%总波动在40mL，而C余在正常中总波动在60mL左右，而爆炸后的体积V总波动在20mL左右，我们将以上数据代入公式进行验证：

当V=50，C=60时，即理想状态时，H2%=40

如果 C 增减±1.5mL，V 不变，则：H2%=40±0.5×2=40±1

如果 V 增减±1mL，C 不变，则：H2%=40±（1×2）=40±2

这和前面我们所观察的现象是一致的，因此我们把两个结果合并即得：

H2%=40+（±1.0±2.0）=43%

我们用x代表V的变化量，用y代表C的变化量，公式可变成：

H2%=40+（±2x±1/1.5y）

为了便于计算，把y的系数1/1.5化为小数0.7，则公式进一步简化为：

H2%=40+（±2x±0.7y） 公式（3）

通过上述验证，计算结果比原计算公式计算误差最大仅为1%～2%。与其它计算工具计算结果无大的区别，能够满足工业生产分析的需要。

3 公式简化的依据

以上是在分析实践中得到的所谓经验公式，那么这个公式是否在所有的数据下保证适用？是否也适合一般情况下的生产分析呢？前面讲了，计算结果最大有2%的误差，那么这个误差是从哪里来的呢？在计算这个公式的误差过程中，我们找出了经验公式的理论依据，还求出了适用于一般情况下的简单计算公式。

假设 H2%为公式（2）计算含量，H2’%为公式（1）计算含量，二者差值为Δ，则：

Δ=H2’%-H2% 公式（4）

我们试展开公式：

由于半水煤气各种气体成分不断变化，有的工厂又习惯于取25mL残量进行爆炸，因而简易式就不是在前面讲的标量C=60、V=20情况下的情况，因而公式需要改变，要复杂些，且不易口算。

设总残量C，爆炸后体积为V，从C中取的爆炸的体积B，则公式：

若V增减量为±x,C增减量为±y，则

展开公式：

从数学知识可知，两个绝对值愈小的数，其乘积的绝对值愈小，而它的商的绝对值更小，即，x→0，y→0，则→0

（1）Δ随vc的增减而增减，xy值愈小，计算结果的误差愈小，即使在xy=1.5B情况下Δ=1，但是一般没有这么大的波动量。

（2）Δ随B而改变，B的取值愈大Δ愈小。

（3）如果 Δ=0，则 H2%=H2’。

x=0，y≠0，Δ=0，则说明 C 中 H2%的含量不变。

y=0,x≠0，Δ=0，则说明C中H2%的含量发生了变化。

（4）如果Δ值为正，即VC同时增减时，则说明计算结果比实验结果低。

如果Δ值为负，即VC有增有减时，则说明计算结果一定比试验含量高。

因此，在Δ值太大时，可利用Δ式进行校正。现举例用简单式计算：

例：当用化学吸收瓶吸收后，总残余C=62mL，取C中取20mL与80mL空气混合爆炸后，爆炸减少体积V为21mL，则半水煤气中氢含量为：

H2%=40+（2+2×0.7）=43.5

如果 C=64，V=18，则

H2%=40+（-2×2+0.7×4）＝38.8%

有了这样一个简便公式就可以分析的过程中不便用任何工具即可进行口算，只要记住C在60mL上下变化的数值数和爆炸后V在20mL上下变化的数值就可迅速口算出结果。结果不习惯口算，也可制成简单算图查出图1位置，如图1。

4 算图的绘制

4.1 算图的绘制是根据氢气含量的检验分析近似公式绘制。

4.2 算图计算更加直观，为辅助的直观工具。

4.3 算图的绘制是读尺的刻度精度直接影响计算结果。但影响不大，

4.4 算图可以做成透明的塑料材料的算尺，便于读数。

4.5 算图的使用

A取100mL半水煤气样气，依次对二氧化碳、氧气、一氧化碳进行吸收，把余气在量筒中进行计量，记下体积的毫升数C（一般在60mL左右）；

B从C中取20mL余气，在量筒中取80mL空气与之充分混合，再导入爆炸瓶内，打开高压电极进行爆炸反应，爆炸后的混合气在导入量筒，记下减少的体积V（一般在20mL左右）；

C从算图上找到C的对应数、再找到V的对应数，再把二者连起来，与表示氢气含量的直接相交点就是氢气的含量。

见算图实例：（图 1）。

图1 半水煤气中氢气分析算图

5 小结及展望

分析半水煤气中氢含量的方法确实有很多，传统的奥氏分析仪手段也是最常用的，但是由于耗时太长，对生产的指导性就会出现滞后。利用本文的方法进行简单的计算和算图对照，就能在很短的时间内完成氢含量的分析，相信此方法会对合成氨厂起到很大的作用，提供很大的便利，有很大的利用空间。