Способ определения сорбции газа углем Советский патент 1992 года по МПК G01N7/04 

Изобретение относится к экспериментальному изучению физико-химических свойств газа и твердых тел, а именно к исследованию сорбции газов углями для последующего прогноза газообильности горных выработок угольных шахт.

Целью изобретения является снижение трудоемкости определения сорбции газа углем за счет устранения диффузионных процессов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения сорбции газа, заключающемся в подаче исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерении температуры и давления газа, обеспечивают перемещение угольных частиц диаМетром не более 0,1 мм в абсорбере под действием сил тяжести, по измеренным значениям давления и температуры определяют расчетную величину равновесной сорбции, измеряют периоды времени, соответствующие значениям сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции, рассчитывают кинематический коэффициент процесса сорбции, а сорбцию газа при данных значениях давления и температуры определяют из следующего соотношения;

0,3х

хоо

ехр(-/3 тзо) - ехр (-ft too)

где хоо-сорбция газа при данном давлении,

расчетная величина равновесной сорбции,

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

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

Обеспечение перемещения угольных частиц в адсорбере род действием сил тяжести создает равнодоступные условия для

взаимодействия молекул газа с внешними поверхностями угольных частиц и, таким образом, устраняется влияние внешнего диффузионного массообмена на скорость процесса сорбции. Технически это можно осуществить, например, за счет медленного вращения адсорбера. Принятое ограничение диаметра частиц не более 0,1 мм устраняет влияние диффузии газа в микропорах и сорбирующих поверхностях на скорость процесса сорбции.

Аппроксимация кривых кинетики сорбции имеет следующий вид:

x 1-exp(-)St),

(1)

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

- сорбция газа при данных значениях давления и температуры газа, см /г;

уЗ - кинематический коэффициент процесса сорбции, 1 /с.

Следовательно, измеряя объемы газа, сорбированные единичной массой угля за два характерных периода времени, можно из уравнения (1) определить сорбцию газа при данных значениях давления и температуры. Анализ кинетической зависимости (1) показывает, что в качестве первого характерного периода целесообразно принять время достижения максимума кривизны кинетической кривой. Кривизна К определяется по формуле:

(2)

К

1 +ХгГ)(1+у2у5

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

Из уравнения П) следует, что Vj, г О, тогда условие Кг О выполняется, если KV О, поэтому для определения скорости сорбции, соответствующей максимуму кривизны с учетом формул (2) и (3), выполним следующие вычисления:

., 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 для момента времени, соответствующего максимуму кривизны, можно записать

х 0,293 )to«0,3 ,J,(4)

-

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

xj - расчетное значение равновесной сорбции, .

Замена искомого значения сорбции хоо на ее расчетное значение обусловлена тем, что это позволяет измерить физическое время t30, за которое произойдет сорбция, равная 0,3 . При этом, чем ближе расчетное

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

сорбции определяется по эмпирическим формулам.

В качестве второго периода времени следует выбрать время, характеризующее процесс на участке насыщения, расположенный за точкой максимума кривизны. Для облегчения расчетов это время целесообразно принять таким, чтобы ему соответствовало значение сорбции, равное 60% от расчетного значения равновесной

сорбции (прэтому второй период времени обозначен teo).

Тогда из соотношения (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 преобразуется к ал40 гебраическому уравнению, если обозначить U exp(-j8t3o).

0,5 и - 0,5 О,

(6) (7)

teo

Решая уравнение (6) любым численным методом, определяем кинематический ко50 эффициент процесса сорбции по формуле

-L,nl.

(8)

teo и

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

0,

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

Пример 1. В качестве сорбента использован уголь пласта k2 шахты Суходольская восточная, а в качестве сорбата использован метан, Определение метана углем осуществлялось при t 20°С и давлении р 0,1 МПа. Выход летучих f для исследуемого угля составил 39%.

Расчетная величина равновесной сорбции определялась 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 определялась сорбция газа углем путем подачи метана в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерения давления и температуры газа. При этом обеспечивалось перемещение угольных частиц диаметром не более 0,1 мм в адсорбере под действием сил тяжести. По результатам измерений период сорбции, через который было сорбировано 0,74 , составил 3250 с (t30 3250 с), а сорбция, равная 1,49 , была зафиксирована через 10782 с (teo 10782 с).

После этого рассчитывался 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 рассчитывался по формуле (8):

..

1

In

t60 и 10782

0,166992 1,66-10 1/с.

А сорбция метана при данных значениях давления и температуры определялась из соотношения (9):

Х.оо0,3-2,48

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

Аналогичные исследования 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 Щекинская ПО Тклауголь, а в качестве сорбата использован углекислый газ. Определение сорбции углекислого газа бурым углем осуществлялось при t 30°С; Р 0,1 МПа. Выход летучих для исследуемого угля составил 58,2%, влажность близка к нулю.

Определялась ориентировочная 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 уравнения

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 сорбция углекислого газа бурым углем при данных значениях давления и темперауры определялась из соотношения (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 давлениях сорбата (0,5-5 МПа) и температуре 20°С, В качестве сорбента использован уголь пласта k2 шихты Суходольская восточная, а в

качестве сорбата использован метан. Практическая реализация данного технического решения показала, что трудоемкость снижается более чем в 20 раз.

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

Использование способа определения сорбции газа углем обеспечивает по сравнению с известными способами существенное снижение трудоемкости получения сорбционных характеристик за счет ускорения процесса сорбции, обусловленное устранением диффузионных процессов при перемещении частиц угля и газа, сокращение времени эксперимента более чем в 20 раз, облегчение получение информации, которая необходима для достоверного прогноза газовыделений в горные выработки, что позволяет повысить безопасность горных работ в газообильных шахтах.

Формула изобретения Способ определения сорбции газа углем, включающий подачу исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерение температуры и давления газа, отличающийся тем, что, с целью снижения

трудоемкости определения сорбции за счет , устранения диффузионных процессов, в качестве сорбента используют частицы угля диаметром не более 0,1 мм, обеспечивают

5 их перемещение в адсорбере под действием сил тяжести, по Измеренным значениям давления и температуры определяют расчетную величину равновесной сорбции, измеряют периоды времени, соответствующие значениям сорбции 30% и 60% расчетной величины равновесной сорбции, рассчитывают кинетический коэффициент процесса сорбции, а сорбцию газа определяют .из следующего соотношения;

0,3x0

00

Хч.

ехр(-/3 tso) - ехр (-/3 teo)

где хоо - сорбция газа при данном давлении,

хооР - расчетная величина равновесия сорбции,

- кинетическийхоэффициент процесса сорбции, 1 /с;

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

Изобретение относится к экспериментальному изучению физико-химических свойств газа и твердых тел и позволяет снизить трудоемкость определения сорбции газа углем за счет устранения диффузионных процессов. Способ определения сорбции газа углем заключается в подаче исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерении температуры и давления газа в адсорбере. С целью снижения трудоемкости определения сорбции газа-углем обеспечивают перемещение угольных частиц в адсорбере под действием сил тяжести и измеряют периоды времени, соответствующие значениям сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции,,а сорбцию газа определяют, используя предлагаемое математическое выражение.