SU1712829A1

SU1712829A1 - Способ определени сорбции газа углем

Info

Publication number: SU1712829A1
Application number: SU894690929A
Authority: SU
Inventors: Эдуард Михайлович Соколов; Николай Михайлович Качурин; Евгений Иванович Вакунин; Владимир Васильевич Кузнецов
Original assignee: Тульский Политехнический Институт
Priority date: 1989-05-15
Filing date: 1989-05-15
Publication date: 1992-02-15

Abstract

Изобретение относитс к экспериментальному изучению физико-химических свойств газа и твердых тел и позвол ет снизить трудоемкость определени сорбции газа углем за счет устранени диффузионных процессов. Способ определени сорбции газа углем заключаетс в подаче исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерении температуры и давлени газа в адсорбере. С целью снижени трудоемкости определени сорбции газа-углем обеспечивают перемещение угольных частиц в адсорбере под действием сил т жести и измер ют периоды времени, соответствующие значени м сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции,,а сорбцию газа определ ют, использу предлагаемое математическое выражение.

Description

Изобретение относитс к экспериментальному изучению физико-химических свойств газа и твердых тел, а именно к исследованию сорбции газов угл ми дл последующего прогноза газообильности горных выработок угольных шахт.

Целью изобретени вл етс снижение трудоемкости определени сорбции газа углем за счет устранени диффузионных процессов .

Поставленна цель достигаетс тем, что в известном способе определени сорбции газа, заключающемс в подаче исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерении температуры и давлени газа, обеспечивают перемещение угольных частиц диаМетром не более 0,1 мм в абсорбере под действием сил т жести, по измеренным значени м давлени и температуры определ ют расчетную величину равновесной сорбции, измер ют периоды времени, соответствующие значени м сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции, рассчитывают кинематический коэффициент процесса сорбции, а сорбцию газа при данных значени х давлени и температуры определ ют из следующего соотношени ;

0,3х

хоо

ехр(-/3 тзо) - ехр (-ft too)

где хоо-сорбци газа при данном давлении,

расчетна величина равновесной сорбции,

/3 - кинетический коэффициент процесса сорбции, 1/с;

t30 , t60 периоды времени, соответствующие значени м сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции, с.

Обеспечение перемещени угольных частиц в адсорбере род действием сил т жести создает равнодоступные услови дл

взаимодействи молекул газа с внешними поверхност ми угольных частиц и, таким образом , устран етс вли ние внешнего диффузионного массообмена на скорость процесса сорбции. Технически это можно осуществить, например, за счет медленного вращени адсорбера. Прин тое ограничение диаметра частиц не более 0,1 мм устран ет вли ние диффузии газа в микропорах и сорбирующих поверхност х на скорость процесса сорбции.

Аппроксимаци кривых кинетики сорбции имеет следующий вид:

x 1-exp(-)St),

(1)

где X - объем газа, сорбированного единичной массой сорбента в момент времени t,

- сорбци газа при данных значени х давлени и температуры газа, см /г;

уЗ - кинематический коэффициент процесса сорбции, 1 /с.

Следовательно, измер объемы газа, сорбированные единичной массой угл за два характерных периода времени, можно из уравнени (1) определить сорбцию газа при данных значени х давлени и температуры . Анализ кинетической зависимости (1) показывает, что в качестве первого характерного периода целесообразно прин ть врем достижени максимума кривизны кинетической кривой. Кривизна К определ етс по формуле:

(2)

К

1 +ХгГ)(1+у2у5

где Х xx.J V X J ехр (- т); т уЗ t. Производна выражени (2) имеет вид: К Kv V (3)

Из уравнени П) следует, что Vj, г О, тогда условие Кг О выполн етс , если KV О, поэтому дл определени скорости сорбции, соответствующей максимуму кривизны с учетом формул (2) и (3), выполним следующие вычислени :

., 1 vTTv(1 -Ь v - 3v2)

-(

Kv - 2 v О; V 0,707 ехр (- jS t);

где t - период времени, соответствующий максимуму кривизны кинетической кривой.

Тогда дл момента времени, соответствующего максимуму кривизны, можно записать

х 0,293 )to«0,3 ,J,(4)

-

где X - сорбци за первый период времени t t30, см /г;

xj - расчетное значение равновесной сорбции, .

Замена искомого значени сорбции хоо на ее расчетное значение обусловлена тем, что это позвол ет измерить физическое врем t30, за которое произойдет сорбци , равна 0,3 . При этом, чем ближе расчетное

значение х«Р к величине х, тем меньше отличаетс tao и t, но в любом случае t30 характеризует участок кинетической энергии , где значени кривизны близки к максимуму . Расчетное значение равновесной

сорбции определ етс по эмпирическим формулам.

В качестве второго периода времени следует выбрать врем , характеризующее процесс на участке насыщени , расположенный за точкой максимума кривизны. Дл облегчени расчетов это врем целесообразно прин ть таким, чтобы ему соответствовало значение сорбции, равное 60% от расчетного значени равновесной

сорбции (прэтому второй период времени обозначен teo).

Тогда из соотношени (1) следует система уравнений

35 хзо Ха 1 - ехр (- уЗ tso)

Х60 х« 1 - ехр (-/3 teo)

(5) где хзо 0,3 /; хео 0,6 v.

Система (5) легко преобразуетс к ал40 гебраическому уравнению, если обозначить U exp(-j8t3o).

0,5 и - 0,5 О,

(6) (7)

teo

Реша уравнение (6) любым численным методом, определ ем кинематический ко50 эффициент процесса сорбции по формуле

-L,nl.

(8)

teo и

55 А дл известного/б из системы уравнений (5) получим,

0,

(-y3t3o)-exp(-;6t6o)

Пример 1. В качестве сорбента использован уголь пласта k2 шахты Суходольска восточна , а в качестве сорбата использован метан, Определение метана углем осуществл лось при t 20°С и давлении р 0,1 МПа. Выход летучих f дл исследуемого угл составил 39%.

Расчетна величина равновесной сорбции определ лась по уравнению изотермы сорбции Лэнгмюра:

1 +Ьр

где параметры айв рассчитывались по формулам

a 0,0016t2-0,19t + M,

где М 23 - 0,2 V 23 - 0,2 -39 15,2 3 0,0016 ,19 -20+15,2 12,04

в 0,34 - 0,004 t 0,34 - 0,004 -20 0,26 1/ат 2,61/МПа.

12,04-2,60,1

2,48

р

Тогда

1 +2,6-0,1 0,3 xj 0,73 0;6 xj 1,48 .

Далее определ лась сорбци газа углем путем подачи метана в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерени давлени и температуры газа. При этом обеспечивалось перемещение угольных частиц диаметром не более 0,1 мм в адсорбере под действием сил т жести. По результатам измерений период сорбции, через который было сорбировано 0,74 , составил 3250 с (t30 3250 с), а сорбци , равна 1,49 , была зафиксирована через 10782 с (teo 10782 с).

После этого рассчитывалс параметр а по формуле (7):

а 0,3014. Хбо 10782

Уравнение (6) принимало следующий

вид:

уО,3014 у Q

и решалось методом хорд с точностью до 10, в результате получено U 0,166992.

Кинематический коэффициент процесса сорбции рассчитывалс по формуле (8):

..

1

In

t60 и 10782

0,166992 1,66-10 1/с.

А сорбци метана при данных значени х давлени и температуры определ лась из соотношени (9):

Х.оо0 ,3-2,48

ехр(-1,66МО -3250)-ехр(-1,66-10 -10782) -1,8см,

Аналогичные исследовани по известному способу позволили получить величину сорбции 1,7см /г, т.е. относительное отклонение не превысило 6%.

5

Пример 2. В качестве сорбента использован бурый уголь шахты Щекинска ПО Тклауголь, а в качестве сорбата использован углекислый газ. Определение сорбции углекислого газа бурым углем осуществл лось при t 30°С; Р 0,1 МПа. Выход летучих дл исследуемого угл составил 58,2%, влажность близка к нулю.

Определ лась ориентировочна величина равновесной сорбции и газоемкость

5 ископаемых углей.

х.Р 113 ±М±1М 10,5смЗ/г,--.

0,3 ХорР 3,16 0,6 х.Р 6,3 .

0

По результатам измерений периоды сорбции , соответствующие поглощению углекислого газа 3,16 и 6,3 , оказались равными 92 и 222 с соответственно (t30 92 с, teo 222 с).

Тогда а- 0,4144, а корень уравнени

и° -0,5 и-0,5 О

40 равен (с точностью до 10 0,419355.

1

3,91-10 1/с.

In

222

0,419355

А сорбци углекислого газа бурым углем при данных значени х давлени и темперауры определ лась из соотношени (9):

KOI0 ,3-10,5

ехр(-3.91 -10 -92)-ехр(-3.91 -222) -11,ЗсмЗ/г

Пример 3. Предлагаемый способ апробирован также на высоких давлени х сорбата (0,5-5 МПа) и температуре 20°С, В качестве сорбента использован уголь пласта k2 шихты Суходольска восточна , а в

качестве сорбата использован метан. Практическа реализаци данного технического решени показала, что трудоемкость снижаетс более чем в 20 раз.

Способ определени сорбции газа углем может быть реализован с использованием серийно выпускаемого оборудовани и контрольно-измерительной аппаратуры.

Использование способа определени сорбции газа углем обеспечивает по сравнению с известными способами существенное снижение трудоемкости получени сорбционных характеристик за счет ускорени процесса сорбции, обусловленное устранением диффузионных процессов при перемещении частиц угл и газа, сокращение времени эксперимента более чем в 20 раз, облегчение получение информации, котора необходима дл достоверного прогноза газовыделений в горные выработки, что позвол ет повысить безопасность горных работ в газообильных шахтах.

Claims

Формула изобретени Способ определени сорбции газа углем , включающий подачу исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерение температуры и давлени газа, отличающийс тем, что, с целью снижени

трудоемкости определени сорбции за счет , устранени диффузионных процессов, в качестве сорбента используют частицы угл диаметром не более 0,1 мм, обеспечивают

5 их перемещение в адсорбере под действием сил т жести, по Измеренным значени м давлени и температуры определ ют расчетную величину равновесной сорбции, измер ют периоды времени, соответствующие значени м сорбции 30% и 60% расчетной величины равновесной сорбции, рассчитывают кинетический коэффициент процесса сорбции, а сорбцию газа определ ют .из следующего соотношени ;

0,3x0

00

Хч.

ехр(-/3 tso) - ехр (-/3 teo)

где хоо - сорбци газа при данном давлении ,

хооР - расчетна величина равновеси сорбции,

- кинетическийхоэффициент процесса сорбции, 1 /с;

tao, teo- периоды времени, соответствующие значени м сорбции 30% и 60% от расчетной величины равновесной сорбции , с.