CC BY
15
УДК 622.333:543.812:53.072
А.С. Ворошилов (аспирант ООО «ВостЭКО»)
Моделирование изменения объема каменных углей в зависимости от их влагосодержания
Предложена модель изменения объема угля в зависимости от влагосодержания со сложной пористой структурой.
Ключевые слова: ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЕМА, УГОЛЬ, ВЛАГОСОДЕРЖАНИЕ, ДАВЛЕНИЕ
В работе [1] предложена термодинамическая теория изменения размеров микропористых адсорбентов со структурой, состоящей из микропор. С другой стороны, как показано в [2], процесс сорбции в микро- и супермикропорах имеет схожую физическую природу, и поэтому, на наш взгляд, можно применить подход термодинамической теории к более сложным структурам, имеющим как микро-, так и супермикропоры, к которым можно отнести каменные угли.
В основе предлагаемой модели лежат положения термодинамической теории (ТТ), теории объемного заполнения микропор (ТОЗМ) и используются следующие допущения:
1 Заполнение микро- и супермикропор происходит независимо и последовательно.
2 Заполнение поры сорбентом количественно описывается кривыми термодинамической теории и теории объемного заполнения микропор.
3 Поры считаем равномерно распределенными по объему угля.
Следует отметить, что, как показывают экспериментальные данные, а / аМ = 0,9.
Таким образом,
% = %м +%см , (1)
где £м =мМхм Ккм К)+(хм 8КТ/км К)1п [хм Л1 -Хм )];
£м = М°см Хсм/(см К )+{Хсм § КТ А см К ) 1п [Хсм/(1 - Хсм ) ] ;
л'6
а
хм =— = е 4 м/ - степень заполнения микропор;
а м
м
а _
Хсм =-= е 4 с“' - степень заполнения супермикропор;
а
см
а - влагосодержание, кг-кг-1;
ам - предельное влагосодержание микропор, кг-кг-1;
асм - предельное влагосодержание супермикропор, кг-кг-1;
ем - характеристическая энергия адсорбции в микропорах, Дж-моль-1;
есм - характеристическая энергия адсорбции в супермикропорах, Дж-моль-1;
А = ЯТ\п (р/р0) - максимальная работа адсорбции, Дж-моль-1;
\6 А I
р0 - давление насыщенных паров воды, Па; р - давление паров воды, Па.
V - г
Или учитывая то, что % =
о
Го
%м = Г0 + Г0 * И,1 Хм Цк м Гт )+ Го* (хм §ЯТ/км Ут ) Ь [хм /р - Хм )]-
Типичная кривая изменения объема угля в зависимости от влагосодержания представлена на рисунке 1. Здесь следует отметить, что монотонное уменьшение объема угля в процессе сушки при выходе влаги из мезопор сменяется на рост его объема при выходе влаги из супермикропор.
Рисунок 1 - Изменение объема угля в зависимости от влагосодержания пласта 4 Внутреннего
шахты им. Ворошилова
Были проведены оценочные расчеты изменения объема по предложенной выше модели. В качестве примера на рисунке 2 представлен результат моделирования и экспериментальные данные пласта 4 Внутреннего шахты им. Ворошилова.
Рисунок 2 - Кривая изменения объема угля, построенная с помощью предложенного уравнения
Экспериментальные результаты по изменению объема угля в зависимости от влагосодер-жания были обработаны с помощью предложенного уравнения. Из графика, представленного на рисунке 3, следует, что соответствие теории и эксперимента можно считать удовлетворительным.
Рисунок 3 - График изменения внутрипорового давления При извлечении влаги из супермикропор (от р = 0,3 до р = 0,12) происходит резкое изменение внутрипорового давления (от - 4,5 -108 до 3,5 -107 Па), что приводит к увеличению объе-
ма угля. Вследствие этого увеличиваются свободный от влаги объем пор и константа скорости сорбции кислорода.
После освобождения супермикропор начинается выход влаги из микропор (от р = 0,12 до
р = 0,03), который сопровождается изменением давления в порах (от 3,5 -107 до -1,75 -108 Па) и
сжатием угля. После достижения определенного минимума (от р = 0,03 до 0) снова начинается
процесс расширения угля и уменьшения внутрипорового давления (от -1,75 -108 Па до 0).
Очевидно, что теория вполне применима не только для углей, но и для других адсорбатов, имеющих сложную пористую структуру.
На базе синтеза термодинамической теории изменения размеров микропористых адсорбентов при адсорбции и теории объемного заполнения микропор М.М. Дубинина предложена математическая модель изменения объема и внутрипорового давления каменных углей со сложной пористой структурой, имеющих микро- и супермикропоры.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Беринг, Б.П. Термодинамическая теория изменения размеров микропористых адсорбентов при адсорбции /Б.П. Беринг, О.К. Красильникова, В.В. Серпинский // Доклады Академии наук СССР. - 1976. -Т. 231. - № 2. - С. 373-376.
2 Дубинин, М.М. Микропористость и адсорбционные свойства углеродных сорбентов /М.М. Дубинин // Известия АН СССР. - 1983 - № 3. - С. 487-493.
COALS VOLUME CHANGE MODELLING SUBJECT TO THEIR MOISTURE CONTENT
A.S. Voroshilov
Coal volume change model is suggested subject to moisture content at complex pore structure
Key words: VOLUME CHANGE, COAL, MOISTURE CONTENT, PRESSURE
Ворошилов Алексей Сергеевич тел.: (3842) 64-02-60
