СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОРБЦИИ КИСЛОРОДА УГЛЕМ Российский патент 1997 года по МПК G01N7/04 

Изобретение относится к области экспериментального изучения физико-химических свойств газов и твердых тел, конкретно к исследованию сорбции газов углями, для последующего прогноза поглощения кислорода из атмосферы горных выработок угольных шахт.

Известен способ определения окислительной активности углей, заключающийся в том, что в реакционном сосуде создают "кипящий" слой угольных частиц размером 0,1-0,3 мм восходящим потоком воздуха, циркулирующего по замкнутому циклу, а скорость сорбции определяется по расходу газа из дополнительной емкости на поддержание постоянной концентрации кислорода в реакционном сосуде [1]
Главный недостаток этого способа заключается в том, что невозможно определить сорбцию газа угля при избыточных давлениях более 0,1 МПа из-за утечек в системе, обеспечивающей циркуляцию газа. При этом утечка газа будет фиксироваться как количество сорбированного газа, что приведет к завышению истинного значения сорбции газа.

Наиболее близким техническим решением является способ определения сорбции газов [2] заключающийся в подаче исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерении температуры и давления газа, обеспечении перемещения угольных частиц диаметром не более 0,1 мм в адсорбере под действием сил тяжести, измерении периодов времени, соответствующих значениям сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции, расчете кинетического коэффициента процесса сорбции из соотношения

где x_p сорбция газа при данном давлении, см³/г;
расчетная величина равновесной сорбции, см³/г;
β кинетический коэффициент процесса сорбции, 1/с;
t₃₀, t₆₀ периоды времени, соответствующие значениям сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции, с.

Главный недостаток этого способа заключается в том, что не учитываются возможность искажения результатов сорбции при наличии процесса десорбции и испарения естественной влаги сорбента в адсорбере, что существенно уменьшает расчетный объем сорбированного газа, а также большая продолжительность проведения эксперимента при исследовании сорбции кислорода углями ввиду большой сорбционной емкости сорбента.

Задача изобретения снижение трудоемкости определения константы скорости сорбции кислорода углем.

Задача решается за счет того, что в известном способе определения сорбции газов, включающем подачу исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерение температуры и давления газа, обеспечение перемещения угольных частиц диаметром не более 0,1 мм в адсорбере под действием сил тяжести и расчет параметров сорбции по математической зависимости, адсорбер однократно заполняют газовой смесью, определяют концентрацию кислорода в ней, затем измеряют концентрацию кислорода с периодичностью 3-6 ч до момента времени, соответствующего равновесной сорбции кислорода углем, определяют равновесную сорбцию кислорода и концентрацию кислорода в адсорбере, соответствующую равновесной сорбции, измеряют массу угля и объем адсорбера, а константу скорости сорбции кислорода углем для фиксированных значений давления и температуры находят из соотношения

где K константа скорости сорбции кислорода углем, 1/с;
m_y масса угля, кг;
a_p равновесная сорбция кислорода углем, м³/кг;
V_a объем адсорбера, м³;
C_p концентрация кислорода в адсорбере, соответствующая равновесной сорбции;
n число измерений концентрации кислорода в адсорбере;
t_i моменты времени, соответствующие периодичности измерений концентраций кислорода в адсорбере, с;
C_i(t_i) значения концентраций кислорода в адсорбере в моменты времени t_i.

Измерение концентраций кислорода в адсорбере осуществляют путем периодического отбора газовых проб из адсорбера и их анализа любым известным методом, например, методом газовой хроматографии.

Измерение времени, массы угля и объема адсорбера выполняют в соответствии с требованиями действующих Государственных стандартов.

Концентрацию кислорода в адсорбере, соответствующую равновесной сорбции, определяют из условия
C_p C_i(t_i=t_n),
где t_n момент времени, начиная с которого концентрация кислорода в адсорбере устанавливается на постоянном уровне.

Равновесную сорбцию кислорода углем определяют как отношение суммарного объема кислорода, поглощенного углем за время t_n, к массе исследуемой навески угля.

Для получения математической зависимости (1) используют математическую модель процесса сорбции кислорода в адсорбере закрытого типа, являющуюся следствием закона сохранения массы и имеющую следующий вид:

a(0) a₀ const, C(0) C₀ const, (3)
где a сорбция кислорода углем в момент времени t;
Г константа равновесия Генри, равная Г = a_pC-1p

C концентрация кислорода в адсорбере в момент времени t;
K_*= m_yV-1aK.
Решение системы уравнений (2) относительно переменной C для условий (3) имеет вид
C(t) C_p + (C₀-C_p) exp[-(K + K_*Г)t] (4)
Для фиксированных моментов времени зависимость (4) можно записать следующим образом:
(C_i(t_i)-C_p)(C₀-C_p)^-1 exp[-(K + K_*Г)t_i] (5)
Логарифмируя правую и левую части соотношения (5) преобразуем его к следующему виду:
[1+m_ya_p(V_aC_p)^-1]^-1 ln[(C_i(t_i)-C_p)^-1(C₀-C_p)] Kt_i. (6)
Определяя константу скорости сорбции кислорода углем K из уравнения (6) с использованием метода наименьших квадратов, получим математическую зависимость (1)

Пример. Практическая реализация предлагаемого способа определения константы скорости сорбции кислорода углем осуществлена на шахтах АК "Тулауголь". Были определены значения константы скорости сорбции кислорода углем, которые использованы для расчетов количеств воздуха, необходимого для проветривания очистных и подготовительных участков шахт Подмосковного бассейна. При этом константа скорости сорбции кислорода углем использовалась в качестве обобщенного показателя, характеризующего химическую активность углей по отношению к кислороду шахтного воздуха.

Исследования выполнены для различных горно-геологических условий, при этом шахты, на которых осуществлялось определение констант скорости сорбции кислорода углями, отрабатывают угольные пласты, заметно отличающиеся друг от друга по своим физико-химическим свойствам. Результаты практической реализации предлагаемого способа, представленные в таблице, показывают, что, во-первых, предлагаемый способ позволяет получать достоверные значения константы скорости сорбции кислорода углями, и во-вторых, трудоемкость исследований по предлагаемому способу в 6-9 раз ниже по сравнению со способом-прототипом.

Следовательно, задачу изобретения можно считать решенной.

Использование: экспериментальное изучение физико-химических свойств газов и твердых тел, исследование сорбции газов углями для последующего прогноза обескислороживания рудничной атмосферы угольных шахт. Сущность изобретения: в адсорбере закрытого типа измеряется изменение концентрации кислорода во времени, определяется равновесная концентрация, а по полученным данным рассчитываются значения константы скорости сорбции и константы равновесия. 1 табл.

Способ определения сорбции кислорода углем, включающий подачу исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерение температуры и давления газа, обеспечение перемещения угольных частиц диаметром не более 0,1 мм в адсорбере под действием сил тяжести, определение равновесной сорбции кислорода в адсорбере и расчет параметра сорбции по математической зависимости, отличающийся тем, что однократно заполняют адсорбер газовой смесью, определяют концентрацию кислорода в ней, затем измеряют концентрацию кислорода с периодичностью 3 6 ч до момента времени, соответствующего равновесной сорбции кислорода углем, определяют концентрацию кислорода в адсорбере, соответствующую равновесной сорбции, измеряют массу угля и объем адсорбера, а в качестве параметра сорбции используют константу скорости сорбции кислорода углем, которую для фиксированных значений давления и температуры находят из соотношения

где К константа скорости сорбции кислорода углем, 1/с;
m_у масса угля, кг;
a_p равновесная сорбция кислорода углем, м³/кг;
V_a объем адсорбера, м³;
C_p концентрация кислорода в адсорбере, соответствующая равновесной сорбции;
n число измерений концентрации кислорода в адсорбере;
t_i моменты времени, соответствующие периодичности измерений концентраций кислорода в адсорбере, с;
C_i (t_i) значения концентраций кислорода в адсорбере в моменты времени t_i.