Способ определения сорбции газа углем

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 N 7/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

0,3хоо х со ехр(— /3 tap) — ехр (— /3 tap) (21) 4690929/26 (22) 15.05.89 (46) l5.02,92, Бюл. ¹ 6 (71) Тульский политехнический институт (72) Э.М, Соколов, Н.М. Качурин, Е,И. бакунин и В, В. Кузнецов (53) 543.8(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹819625,,кл. G 01 N 7/04, 1979. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОРБЦИИ

ГАЗА УГЛЕМ (57) Изобретение относится к экспериментальному изучению физико-химических свойств газа и твердых тел и позволяет сниИзобретение относится к экспериментальному изучению физико-химических свойств газа и твердых тел, а именно к исследованию сорбции газов углями для последующего прогноза газообильности горных выработок угол ьн ых 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 B абсорбере под действием сил тяжести, по измеренным значениям давления и температуры определяют расчетную величину равновесной сорбции, измеряют периоды времени, соответствующие значениям сор». Ж, 1712829 А1 зить 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. бции 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; где хоо — сорбция газа при данном давлении, см /г; хоо — расчетная величина равновесной сорбции, см /г;

P — кинетический коэффициент процесса сорбции, 1/с;

tap, t6p — периоды времени, соответствующие значениям сорбции 30 и 60% от расчетной величины равновесной сорбции, с.

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

1712829 х = (1 —, ехр (— P t)), (5) IC- = v V

1 (6) (3) (7) 1 1

P= — In —, t60 U (8) Kv

1 (1+v) 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, где х — объем газа, сорбированного единичной массой сорбента в момент времени t, см /г;

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

P — 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:, f (1 + Х-;<)2)1, (1 + Н2 где Х = хх»"; ч = Х-" = ехр (— z); г = P сt, Производная выражения (2) имеет вид, Из уравнения (1) следует, что v, < 0, тогда условие К .-- = 0 выполняется, если

К = О, поэтому для определения скорости сорбции, соответствующей максимуму кривизны с учетом формул (2) и (3), выполним следующие вычисления:

Ку = 0 М вЂ” 2 ч = 0; v = 0,707 = åõð (- p t+); где t* — период времени, соответствующий максимуму кривизны кинетической кривой.

Тогда для момента времени, соответствующего максимуму кривизны, можно записать х* = 0,293 g = о,з хр, (4) 5 где х*- сорбция за первый период времени

t* = 1З0, См /г; х — расчетное значение равновесной сорбции, см /r.

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

15 значение х,Р к величине х, тем меньше отличается тзо и с„но в любом случае tao характеризует участок кинетической энергии, где значения кривизны близки к максимуму. Расчетное значение равновесной

20 сорбции определяется по эмпирическим формулам.

В качестве второго периода времени следует выбрать время, характеризующее процесс на участке насыщения, располо25 женный за точкой максимума кривизны, Для облегчения расчетов это время целесообразно принять таким, чтобы ему соответствовало значение сорбции, равное

60о от расчетного значения равновесной

30 сорбции (поэтому второй период времени, обозначен t6O), Тогда из соотношения (1) следует система уравнений

35 хзо = х„(1 — ехр (— p tap)) g хбо=x (1 — ехр(— фt60))J где хзо = 0,3 x„.,р; х60 = 0,6 х,„,р.

Система (5) легко преобразуется к ал40 гебраическому уравнению, если обозначить

U = ехр(-P tao), V — 0,5 U — 0,5 = О, где

45 Ьо а= —. т60

Решая уравнение (6) любым численным методом, определяем кинематический коэффициент процесса сорбции по формуле А для известного Р из системы уравнений (5) получим, Р (9) ехр(— ф сзо) — ехр (— ф t60)

1712829

0,3 2,48

-1,8см /г, з х р—

1+b р 11,3 + 9,9 + 10,3

3 3

0,3 х„Г= 3,16 см /2;

0,6х„,Р =6,3 см /г, 10,5см /г;

U " — 0,5 U — 0,5=0

Пример 1. В качестве сорбента использован уголь пласта k2 шахты "Суходольская восточная", а в качестве сорбата использован метан, Определение сорбции метана углем осуществлялось при t 20ОС и 5 давлении р 0,1 МПа. Выход летучих Ч для исследуемого угля составил 39%.

Расчетная величина равновесной сорбции определялась по уравнению изотермы сорбции Лэнгмюра: 10 где параметры а и в рассчитывались по фор- 15 мулам а = 0,0016 t — 0,19 t+ М, где М = 23 — 0,2 V = 23 — 0,2 39 = 15,2 см /г; а = 0,0016 .20 — 0,19 20+ 15,2 = 20

=12 04см /г; в = 0 34 — 0,004 t = 0 34 — 0,004 20 =

= 0,26 1/ат = 2,6 1/МПа.

Тогда х, — 2 6 0 2,48 см /г; р 12,04 2,6 0,1 3 25

0,3 х Р = 0,73 см /г; О, 6 хР) = 1,48 смз/г.

Далее определялась сорбция газа углем путем подачи метана в адсорбер и компен- 30 сирующий 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 измере- 35 ний период сорбции, через который было сорбировано 0,74 см /г, составил 3250 с (t3o = 3250 с), а сорбция, равная 1,49 см /r, была зафиксирована через 10782 с (с60 =

=10782 с). 40

После этого рассчитывался параметр а по формуле (7): а = — = = 0,3014.

bo 3250 сбо 10782

Уравнение (6) принимало следующий вид;

03014 05 U

50 и решалось методом хорд с точностью до

10, в результате получено U = 0,166992.

Кинематический коэффициент процесса сорбции рассчитывался по формуле (8):

= — = сбо ! 10782 0,166992

= 1,66 10 1/с.

) А сорбция метана при данных значениях давления и температуры определялась из соотношения (9): ехр(-1,66 10 3250)-ехр(-1,66 10 10782) Аналогичные исследования по известному способу позволили получить величину сорбции 1,7 см /г, т.е. относительное отклонение не превысило 6%.

Пример 2. В качестве сорбента использован бурый уголь шахты "Щекинская" ПО "Тклауголь", а в качестве сорбата использован углекислый газ, On ределение сорбции углекислого газа бурым углем осуществлялось при t 30 С; P 0,1 МПа, Выход летучих для исследуемого угля составил

58,2, влажность близка к нулю.

Определялась ориентировочная величина равновесной сорбции и газоемкость ископаемых углей.

По результатам измерений периоды сорбции, соответствующие поглощению углекислого газа 3,16 см /ч и 6,3 смз/ч, оказались равными 92 и 222 с соответственно (t30 = 92 с, t6o = 222 с).

Тогда а = 0,4144, а корень уравнения равен (с точностью до 10 6) 0,419355.

А сорбция углекислого газа бурым углем при данных значениях давления и температуры определялась из соотношения (9): х

0,3 10,5 ехр(-3,91 10 92)-exp(-3,91 10 222) - 11,3 смз/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

1712829

0,3х о ехр(— ф tao) — ехр (-/3 tao) где xoo — сорбция газа при данном давлении, см /г;

xoo — расчетная величина равновесия сорбции, см /г;

P — кинетический коэффициент процесса сорбции, 1/с;

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

Формула изобретения

Способ определения сорбции газа углем, включающий подачу исследуемого газа в адсорбер и компенсирующий сосуд, измерение температуры и давления газа, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью снижения

35

50

Составитель А, Кубасов

Техред М.Моргентал Корректор И, Муска

Редактор Э, Слиган

Заказ 531 Тираж Г одписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб;, 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 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, 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, соответству10 ющие значениям сорбции 30% и 60% расчетной величины равновесной сорбции, рассчитывают кинетический коэффициент процесса сорбции, а сорбцию газа определяют.из следующего соотношения;