任务一 气体样品采样方法
任务要求
1. 了解气体的性质及分析检验目的。
2. 掌握不同状态下气体的采样工具及采样方法。
3. 会正确量取气体样品的体积。
工业生产中常使用气体作为原料或燃料，燃料燃烧后会产生废气（如烟道气），化工生产中的化学反应常常伴随有副产物废气产生，厂房空气中常混有一定量生产中产生的气体而使空气质量发生变化等等。在工业生产中，为了正常、安全地生产，都必须对各种工业气体进行分析，了解其组成。例如，对化工原料气分析，可掌握原料气成分含量，以便正确配料；根据中间产品气体的分析结果，可以了解生产是否正常；制造或使用气体燃料时，常由燃料的组成计算燃料的发热量；根据燃料燃烧后生成烟道气的成分，可以了解燃烧是否正常；分析厂房空气，检查厂房通风及设备漏气情况，确定有无有害气体，并根据有害气体的含量，判断是否危及人体健康及厂房安全等。
在分析前同样要取得具有代表性的样品，采样不正确，进一步分析就毫无意义。与液体、固体相比，气体的流动性更大，组成更易均匀，因此可作为均匀物料采样。但如果从气体组成不一致的某一点采样，或在气体组成急剧变化的气体管路中采样等，可按照下述方法采得相应的样品：
① 平均试样。用一定装置使取样过程能在一定时间内或整个生产循环中，或者在某生产过程的周期内进行，所取试样可以代表一个过程或整个循环内气体的平均组成。
② 定期试样。经过一定时间间隔所采取的试样。
③ 定位试样。在设备中不同部位（如上部、中部、下部）所采取的试样。
④ 混合试样。几个试样的混合物，这些试样取自不同对象或在不同时间内取自同一对象。
一、采样工具与采样方法
采集气体样品时，根据被采集气体压力与外界大气压的差别，可将采样方法分为正压、常压、负压采样，根据气体性质选择合适的采样工具与采样方法采取分析试样。如果采样时样品中有机械杂质，或者气体温度高于200℃，取样管路中应连接过滤与冷却装置。
1.正压下采样
当气体压力高于大气压力时，将采样容器与气体贮存容器或气体管路相连，打开气体贮存容器或气体管路上的开关或阀门，气体即可自动流入气体采样容器中。如果气体压力过大，应在取样点与取样容器之间接入缓冲瓶。常用的正压取样容器有球胆、塑料袋、复合膜气袋等，采样时必须用气体试样置换采样容器内的空气3～4次。图3-1为球胆示意图。
图3-1 球胆
将采样容器与气体管路连接的导管有玻璃管、聚四氟乙烯管、不锈钢管、铜管、铝管、橡胶管等。高纯气体的采集要用不锈钢管或铜管，而不能用塑料管或橡胶管，煤气分析时可以采用橡胶管。
2.常压下采样
当气体压力按近大气压或等于大气压时，常用封闭液改变液面位置以引入气体试样。当感到气体压力不足时，可以利用流水抽气泵抽取气体试样。
（1）用采样瓶采取气体试样 如图3-2所示，此采样装置由两个大玻璃瓶组成，其中瓶1是采样容器，经过活塞4与橡胶管3相连，瓶2为水准瓶，用以产生负压。采样前先用封闭液将瓶1充满至瓶塞，打开夹子5，使封闭液流入瓶2，而使气体经管3自活塞4引入。关闭活塞4，提升瓶2后，再使活塞4与大气相通，将气体自活塞4排入大气中。如此置换气体3～4次后，旋转活塞4再使管3与瓶1相通开始取样。用夹子5调节瓶中液体流速，使取样过程在规定时间内完成（从数分钟至数天）。取样结束后，关闭活塞4和夹子5，取下橡胶管3，并将试样送至化验室进行分析，所取试样的体积随流入瓶2的封闭液的数量而定。到化验室后，将活塞4与气体分析器的引气管相连，升高瓶2，打开夹子5即有气体自瓶1流入气体分析器中。
（2）用采样管采取气体试样 如图3-3所示，采样管的一端与水准瓶相连，瓶中注有封闭液。当采样管两端旋塞打开时，将水准瓶提高使封闭液充满至采样管的上旋塞，此时将采样管上端与采样点上的金属管相连，然后放低水准瓶，打开旋塞，则气体试样进入采样管中，然后关闭旋塞2，将采样管与采样点上的金属管分开，提高水准瓶，打开旋塞将气体排出，如此重复3～4次，最后吸入气体，关闭旋塞。分析时将采样管上端与分析器的引气管相连，打开活塞提高水准瓶，将气体引入分析器中。
图3-2 采样瓶
1—气样瓶；2—水准瓶；3—橡胶管；
4—活塞；5—弹簧夹
图3-3 采样管
1—采样管；2，3—旋塞； 4—水准瓶
（3）用抽气泵采取气体试样 当用封闭液吸入气体仍感压力不足时，可采用流水抽气泵抽取，取样管上端与抽气泵相连，下端与取样点上的金属管相连，如图3-4所示，将气体试样抽入。分析时将取样管上端与气体分析器的引气管相连，下端插入封闭液中，然后利用气体分析器中的水准瓶将气体试样吸入气体分析器中。
3.负压下采样
气体压力小于大气压时为负压。当负压不高时，可以利用流水抽气泵抽取，当负压高时，可将容器抽空取样。此容器是0.5～3L的各种瓶子（图3-5），瓶上有活塞，在取样前用泵抽出瓶内空气，使压力降至8～13kPa，然后关闭活塞，称出质量，再至采试样地点，将试样瓶上的管头与采样点上的金属管相连，打开活塞取样，取试样后关闭活塞称出质量，前后两次质量之差即为试样的质量。
图3-4 流水抽气泵采样装置
1—气样管；2，3—旋塞；
4—流水真空泵；5，6—橡胶管
图3-5 真空采样瓶
二、气体采样实例——高炉煤气采样
高炉煤气为炼铁过程中产生的副产品，主要成分为CO、CO2、N2、H2、CH4等，一般采样都属于正压采样。采集炉顶混合煤气时，先将混合煤气管的阀门打开，放出管道内残余气体，然后用煤气冲洗取样球胆2～3次，再把煤气取样球胆充满煤气，用夹子夹住胆口，关死煤气管道阀门，即可取得需要的样品。
三、气体体积的测量
气体的特点是质量较小、流动性大而且体积随环境温度或压力的改变而显著改变。因此，在气体分析中，一般都是测量气体的体积而不是称其质量，并于测量体积的同时，记录环境的温度和压力。
1.量气管测量体积
量气管的类型有单臂式和双臂式两类，如图3-6所示。
图3-6 量气管
1，2，3—活塞
（1）单臂式量气管 单臂式量气管分直式、单球式、双球式3种。最简单的量气管是直式，是一支容积为100mL有刻度的玻璃管，分度值为0.2mL，可读出在100mL体积范围内的所示体积。单球式量气管的下端细长部分一般有40～60mL的刻度，分度值为0.1mL，上部球状的部分也有体积刻度，一般较少使用，精度也不高。双球式量气管在上部有2个球状部分，其中上球的体积为25mL，下球的体积为35mL，下端为细长部分，一般刻有40mL刻度线，分度值为0.1mL，是常用于测量气体体积的部分，而球形部分的体积用于固定体积的测量。如量取25.0mL气体体积，用于燃烧法实验等。量气管的末端用橡胶管与水准瓶相连，顶端是引入气体与赶出气体的出口，可与取样管相通。
（2）双臂式量气管 总体积也是100mL，左臂由4个20mL的玻璃球组成，右臂是分度值为0.05mL、体积为20mL的细管（加上备用部分共22mL）。可以测量100mL以内的气体体积。量气管顶端通过活塞1与取样器、吸收瓶相连，下端有活塞2、活塞3用以分别量取气体体积，末端用橡胶管与水准瓶相连。打开活塞2、活塞3并使活塞1与大气相通，升高水准瓶时，液面上升，将量气管中原有气体赶出，然后旋转活塞1使之与取样器或气体储存器相连，先关上活塞3，放下水准瓶，将气体自活塞1引入左臂球形管中，测量一部分气体体积，然后关上活塞2，打开活塞3，气体流入细管中，关上活塞1，测量出细管中气体的体积，两部分体积之和即为所取气体的体积。如测量32.50mL气体时，用左臂量取20mL，右臂量取12.50mL，总体积即为32.50mL。
（3）量气管的使用 量气管量取气体时须配合水准瓶使用。当水准瓶放低时，量气管中液面下降，将气体吸入量气管，反之气体则进入量气管。读数时将量气管的液面与水准瓶的液面对齐（处在同一水平面上），读出量气管上的读数，即为气体的体积。为了保证量取体积时温度一致，量气管外通常配有恒温水浴套。
（4）量气管的校正 量气管上虽然有刻度，但不一定与标明的体积相等，对于精确的测量，必须进行校正（校正方法与滴定管相似）。
在需要校正的量气管下端，用橡胶管套上一个玻璃尖嘴，再用夹子夹住橡胶管。在量气管中充满水至刻度的零点，然后放水于烧杯中，各为0～20mL、0～40mL、0～60mL、0～80mL、0～100mL，精确称量出水的质量，并测量水温，查出此温度下水的密度，通过计算得出准确的体积。若干毫升水的真实体积与读取体积之差即为此段间隔体积的校正值。
2.气量表
分析高浓度的气体含量时，用量气管取100mL混合气体就已经足够。但在测定微量气体含量时，取100mL混合气体就太少了，这时必须使用气体流速计或气量表，测量通过吸收剂的大量气体的体积，然后对吸收剂中被测组分进行分析，从而得出气体中微量组分的含量。
（1）气体流量计 气体流量计常称为湿式气体流量计（图3-7），由金属筒构成，其中盛半筒水，在筒内有一金属鼓轮将圆筒分割为四个小室。鼓轮可以绕着水平轴旋转，当空气通过进气口进入小室时，推动鼓轮旋转，鼓轮的旋转轴与筒外刻度盘上的指针相连，指针所指示的读数，即为采集气体试样的体积。刻度盘上的指针每转一圈一般为5L，也有10L的。流量计上附有水平仪，底部装有螺旋，以便调节流量计的水平位置。另外还有压力计和温度计，其中温度计用以测量通过气体的温度，压力计用以调节通过气体的压力与大气的压力相等，便于体积换算。
图3-7 湿式气体流量计
湿式气体流量计的准确度高，但测量气体的体积有一定限额，并且不易携带。常用于其他流量计的校正或化验室固定使用。
（2）气体流速计 气体流速计是化验室中使用最广泛的仪器，它是靠测量气体流速从而计算出气体的体积。其原理是当气体通过毛细管时由于管子狭窄部分的阻力，在此管中产生气压降低，阻力前后的压力之差由装某种液体的U形管中两臂的液面差表示出来。气体流速越大，液面差越大。
（3）转子流量计 转子流量计由上粗下细的锥形玻璃管与上下浮动的转子（浮子）组成（图3-8）。转子一般用铜或铝等金属及有机玻璃和塑料制成。气流越大，转子升得越高。转子流量计在生产现场使用比较方便，但在用吸收管采样时，在吸收管与转子流量计之间须接一个干燥管，否则湿气凝结在转子上，将改变转子的质量而产生误差。转子流量计的准确性比气体流速计差。
图3-8 转子流量计
思考与交流
1. 如何正确采集正压、常压和负压下的气体？
2. 如何使用量气管量取气体样品？
3. 如果量取的气体量比较大，应如何测量气体体积？