Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля
Аналіз особливостей кінетики десорбції метану з вугілля показав, що процес десорбції можливо поділити на дві фази, які відрізняються швидкістю виділення газу. Перша фаза пов’язана з перехідними процесами в системі вугілля-метан, а друга відбуваеться в умовах сталого балансу дифузійного та фільтрацій...
Saved in:
| Published in: | Физико-технические проблемы горного производства |
|---|---|
| Date: | 2006 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики гірничих процесів НАН України
2006
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107635 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Е.В. Ульянова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 56-61. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860024237565149184 |
|---|---|
| author | Васильковский, В.А. Ульянова, Е.В. |
| author_facet | Васильковский, В.А. Ульянова, Е.В. |
| citation_txt | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Е.В. Ульянова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 56-61. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физико-технические проблемы горного производства |
| description | Аналіз особливостей кінетики десорбції метану з вугілля показав, що процес десорбції можливо поділити на дві фази, які відрізняються швидкістю виділення газу. Перша фаза пов’язана з перехідними процесами в системі вугілля-метан, а друга відбуваеться в умовах сталого балансу дифузійного та фільтраційного потоків газу.
Analysis of the kinetics of the methane desorption from coal bed have shown that the desorption process can be devided into two phases,which are distinguished by the methane evacuation rate. The first phase corresponds to the transition processes in the coal-methane system, the second one occurs in the conditions of the established balance between diffusion and filtration processes.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:48:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика угля и горных пород
56
УДК 622.831:537.86
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ КИНЕТИКИ
ДЕСОРБЦИИ МЕТАНА ИЗ КАМЕННОГО УГЛЯ
к.ф.-м.н. Васильковский В.А., к.ф.-м.н. Ульянова Е.В. (ИФГП
НАН Украины)
Аналіз особливостей кінетики десорбції метану з вугілля показав, що
процес десорбції можливо поділити на дві фази, які відрізняються
швидкістю виділення газу. Перша фаза пов’язана з перехідними процесами
в системі вугілля-метан, а друга відбуваеться в умовах сталого балансу
дифузійного та фільтраційного потоків газу.
SOME ASPECTS ON THE INTERPRETATION OF KINETICS OF
METHANE DESORPTION FROM COAL-BEDS
Vasilkovsky V.A., Ulyanova E.V.
Analysis of the kinetics of the methane desorption from coal bed have shown
that the desorption process can be devided into two phases,which are distin-
guished by the methane evacuation rate. The first phase corresponds to the tran-
sition processes in the coal-methane system, the second one occurs in the condi-
tions of the established balance between diffusion and filtration processes.
Особенности кинетики десорбции метана из каменного угля, ме-
ханизмы его выхода представляют не только научный, но и практи-
ческий интерес. Известно, что на различных этапах - добыче, транс-
портировке и хранении угля – поток выделяемого газа различен: с
течением времени система уголь – метан релаксирует к стационар-
ному, устойчивому состоянию. Считается, что время релаксации
τдес= [ ]
( )N t соnstN t =∂ ∂ (1)
есть величина постоянная, изменение содержания метана в угле
описывается функцией вида 0( ) exp( / )десN t N t= ⋅ − τ , а поток газа
N t∂ ∂ при десорбции пропорционален его содержанию ( )N t в угле.
Регистрация хода десорбции газа в сосуд известного объема [1] по-
казывает, что такое представление о кинетике десорбции является
упрощенным. В действительности выход газа нельзя описать одной
Физика угля и горных пород
57
экспоненциальной функцией. На это указывают также теории диф-
фузионного и фильтрационного процессов, согласно которым спра-
ведливость указанного приближения допускается только в завер-
шающей фазе выделения газа [2,3].
На рис.1 представлен типичный ход десорбции метана из камен-
ного угля в вакуумированный сосуд известного объема: зависимость
количества метана (давление газа в произв. ед.) от времени измере-
ния. Представлены также кривые, соответствующие среднеквадра-
тичному отклонению от экспериментальных точек (∆) при регистра-
ции десорбции в течение 10, 30 и 160 часов с использованием ин-
терполяционной функции вида a(1 – ехр(–t/τ)). Видно, что значе-
ния параметров a и τ зависят от продолжительности опыта. То есть,
параметры десорбции зависят от времени, а интерполяционная
функция в виде, представленном выше, не может точно описать
процесс выхода метана из угля.
Рис. 1. Влияние времени регистрации десорбции на результат расчета пара-
метров функции y = a(1 – exp(–t/b)): 1 – 10 часов, 2 – 30 часов, 3 – 160 часов
Наш анализ показывает, что меньшую среднеквадратичную
ошибку (при выборе вида интерполяции) обеспечивает комбинация
“корневой” и экспоненциальной зависимостей
( )( ) ( )( )0,5 0,5( ) 1 1 1 ехp /N t a вt с t− −= − + + − − τ . (2)
Расчитанный по формуле (2) параметр τдес(t) , непрерывно
изменяется во времени, что, по видимому, более точно отражает
Физика угля и горных пород
58
реальный процесс десорбции. Очевидны так же и неудобства такой
интерполяции: теряется наглядность физической интерпретации
параметра b в первом слагаемом выражения (2). Поэтому в дальней-
шем мы будем пользоваться приближением суммы двух экспонент
( )( ) ( )( )1 2( ) 1 exp / 1 /N t a t с ехр t= − − τ + − − τ . (3)
Параметр τдес в этом приближении также зависит от t, однако, эта
зависимость слабее, чем при интерполяции вида (2).
Таким образом, сделав выбор в пользу приближения (3), мы
жертвуем точностью количественных оценок в пользу удобства ка-
чественного анализа. Заметим, что в данном случае параметры а и с
(точнее, их сумма) отражают количество газа в накопительном сосу-
де. При другой методике регистрации десорбции, например, ЯМР на
протонах метана в угле, может быть применима интерполяция вида
1 2exp( / ) exp( / )a t c t− τ + − τ и параметры а и с будут связаны уже с
количеством молекул метана в угле.
Исследования показали, что все особенности кинетики десорб-
ции метана из каменных углей нельзя объяснить наличием только
одного механизма выхода метана [1,4]. Они являются следствием
суперпозиции двух механизмов: газ путем диффузии из закрытых
пор поступает в, частично уже свободные, открытые поры и тре-
щины, в которых он, двигаясь далее к поверхности угля, испыты-
вает эффект фильтрации. Последний приводит к зависимости
плотности потока газа, времени его истечения от средней длины и
других характеристик транспортных каналов. Поскольку при вяз-
ком течении коэффициент фильтрации уменьшается в ходе де-
сорбции, то существует момент времени, когда устанавливается
баланс диффузионного и фильтрационного потоков. Таким обра-
зом, весь процесс десорбции можно условно разделить на две фа-
зы: первая – это фаза процессов, предшествующих установлению
баланса потоков, и вторая – завершающая фаза, когда источником
выделяемого углем газа есть только его диффузия из закрытых пор
в открытые поры. Очевидно, что кинетика выхода газа в этих фазах
должна быть различна.
Ниже, на рисунке 2, схематично показаны элементы угля, со-
стоящие из глобулы и, примыкающей к ней, открытой поры для гра-
нул угля большого (а) и малого (б) размера, а также распределение в
этих элементах концентрации молекул газа при десорбции.
Физика угля и горных пород
59
2
0
С, n
R
1
1
2
0 r
С, n
а б
Рис. 2. Схема распределения концентрации метана С – в глобулах (1) и n –
в открытых порах (2) при балансе диффузионного и фильтрационного по-
токов: а – гранулы большого, б – малого размера
Заштрихованная область показывает изменение концентрации
газа в элементе угля за время первой фазы десорбции. В мелких гра-
нулах угля из-за короткого пути фильтрации и большой начальной
интенсивности газового потока упомянутый выше баланс наступает
после значительного истощения содержания газа в транспортных
каналах и в закрытых порах микроблоков. В крупных гранулах, на-
оборот, баланс потоков происходит при большей концентрации газа.
Можно предположить, что обе составляющие интерполяционной
функции (3) отражают кинетику выхода газа в каждой фазе десорб-
ции. В этом случае следует ожидать, что переход от крупных гранул
к мелким должен сопровождаться изменением соотношения пара-
метров а и с , т.е. а/с будет больше в малых гранулах.
С целью выявить зависимость параметров τ1 , τ2 , a, с от размера
гранул угля нами была проведена регистрация десорбции метана из
каменного угля в гранулах 0,2÷0,25мм и 2,0÷2,5мм. В качестве об-
разцов использованы угли шахт Коммунист, Глубокая, им. Засядько.
Методика подготовки образцов и описание десорбционной установ-
ки описаны ранее [1]. Ход десорбции из угля шахты им. Засядько
представлен на рисунках 3 и 4, на которых давление в накопитель-
ном сосуде имеет одинаковый масштаб.
Видно, что кинетика эвакуации метана в накопительный сосуд
удовлетворительно описывается функцией вида (3). Заметна также
зависимость параметров функции от размера гранул угля. Для всех
исследованных образцов обнаружено, что уменьшение размера гра-
Физика угля и горных пород
60
нул сопровождается ростом «быстрого» вклада (с малым τ) и, соот-
ветственно, уменьшением вклада «медленного». Этот результат дает
основание связать «быструю» составляющую функции (3) с пере-
ходной фазой десорбции, а «медленную» с фазой десорбции в усло-
виях баланса диффузионного и фильтрационного потоков.
Рис. 3. Характер десорбции метана из угля в гранулах 2,0÷2,5 мм: 1 – y =
= 9.6(1 – exp(–t/124)), 2 – y = 15.8(1 – exp(–t/2006)), 3 – y = 9.6(1 – exp(–t/124)) +
+ 15.8(1 – exp(–t/2006))
Рис. 4. Характер десорбции метана из угля в гранулах 0,2÷0,25 мм: 1 – y =
= 12.26(1 – exp(–t/50.3)), 2 – y = 13.28(1 – exp(–t/730)), 3 – y = 12.26(1 –
– exp(–t/50.3)) + 13.28(1 – exp(–t/730))
Физика угля и горных пород
61
В заключение отметим, что представленный выше анализ можно
рассматривать как физическое обоснование терминов «быстрый» и
«медленный» метан, которые иногда используются в угледобываю-
щем производстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев А.Д., Васильковский В.А., Калугина Н.А. Кинетика и
механизмы десорбции метана из угля // Физико-технические
проблемы горного производства. Донецк. 2005. –Вып.8.- с.9-21.
2. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия, 1980, 232 с.
3. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в по-
ристой среде. М.-Л.: ОГИЗ, 1947, 244 с.
4. Алексеев А.Д., Фельдман Э.П., Василенко Т.А., Молчанов А.Н.,
Калугина Н. А. Массоперенос метана в угле, обусловленный со-
вместной фильтрацией и диффузией. Физика и техника высоких
давлений 2004,т. 14, № 3
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107635 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:48:59Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Інститут фізики гірничих процесів НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Васильковский, В.А. Ульянова, Е.В. 2016-10-23T10:01:52Z 2016-10-23T10:01:52Z 2006 Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля / В.А. Васильковский, Е.В. Ульянова // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 56-61. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107635 622.831:537.86 Аналіз особливостей кінетики десорбції метану з вугілля показав, що процес десорбції можливо поділити на дві фази, які відрізняються швидкістю виділення газу. Перша фаза пов’язана з перехідними процесами в системі вугілля-метан, а друга відбуваеться в умовах сталого балансу дифузійного та фільтраційного потоків газу. Analysis of the kinetics of the methane desorption from coal bed have shown that the desorption process can be devided into two phases,which are distinguished by the methane evacuation rate. The first phase corresponds to the transition processes in the coal-methane system, the second one occurs in the conditions of the established balance between diffusion and filtration processes. ru Інститут фізики гірничих процесів НАН України Физико-технические проблемы горного производства Физика угля и горных пород Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля Some aspects on the interpretation of kinetics of methane desorption from coal-beds Article published earlier |
| spellingShingle | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля Васильковский, В.А. Ульянова, Е.В. Физика угля и горных пород |
| title | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля |
| title_alt | Some aspects on the interpretation of kinetics of methane desorption from coal-beds |
| title_full | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля |
| title_fullStr | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля |
| title_full_unstemmed | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля |
| title_short | Некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля |
| title_sort | некоторые аспекты интерпретации кинетики десорбции метана из каменного угля |
| topic | Физика угля и горных пород |
| topic_facet | Физика угля и горных пород |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107635 |
| work_keys_str_mv | AT vasilʹkovskiiva nekotoryeaspektyinterpretaciikinetikidesorbciimetanaizkamennogouglâ AT ulʹânovaev nekotoryeaspektyinterpretaciikinetikidesorbciimetanaizkamennogouglâ AT vasilʹkovskiiva someaspectsontheinterpretationofkineticsofmethanedesorptionfromcoalbeds AT ulʹânovaev someaspectsontheinterpretationofkineticsofmethanedesorptionfromcoalbeds |