Влияние давления и температуры на количество метана в угле

Робота присвячена дослідженню системи викопне вугілля–метан. У статті розглянуто основні фазові стани метану у вугіллі. Проведено розрахунок кількості метану у вугільній речовині в різних фазових станах в залежності від тиску та температури....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2006
Main Author:	Василенко, Т.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2006
Series:	Физико-технические проблемы горного производства
Subjects:	Физика угля и горных пород
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107639
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:	Влияние давления и температуры на количество метана в угле / Т.А. Василенко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 89-96. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107639
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1076392025-02-09T20:21:23Z Влияние давления и температуры на количество метана в угле Pressure and temperature effects on methane content in coal Василенко, Т.А. Физика угля и горных пород Робота присвячена дослідженню системи викопне вугілля–метан. У статті розглянуто основні фазові стани метану у вугіллі. Проведено розрахунок кількості метану у вугільній речовині в різних фазових станах в залежності від тиску та температури. The work is devoted to studying the coal/methane system. Basic phase states of methane in fossil coals are considered. Methane content in coal is estimated for various phase states depending on pressure and temperature. 2006 Article Влияние давления и температуры на количество метана в угле / Т.А. Василенко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 89-96. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. XXXX-0016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107639 539.21:622.4 ru Физико-технические проблемы горного производства application/pdf Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика угля и горных пород Физика угля и горных пород
spellingShingle	Физика угля и горных пород Физика угля и горных пород Василенко, Т.А. Влияние давления и температуры на количество метана в угле Физико-технические проблемы горного производства
description	Робота присвячена дослідженню системи викопне вугілля–метан. У статті розглянуто основні фазові стани метану у вугіллі. Проведено розрахунок кількості метану у вугільній речовині в різних фазових станах в залежності від тиску та температури.
format	Article
author	Василенко, Т.А.
author_facet	Василенко, Т.А.
author_sort	Василенко, Т.А.
title	Влияние давления и температуры на количество метана в угле
title_short	Влияние давления и температуры на количество метана в угле
title_full	Влияние давления и температуры на количество метана в угле
title_fullStr	Влияние давления и температуры на количество метана в угле
title_full_unstemmed	Влияние давления и температуры на количество метана в угле
title_sort	влияние давления и температуры на количество метана в угле
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Физика угля и горных пород
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107639
citation_txt	Влияние давления и температуры на количество метана в угле / Т.А. Василенко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. науч. тр. — 2006. — Вип. 9. — С. 89-96. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT vasilenkota vliâniedavleniâitemperaturynakoličestvometanavugle AT vasilenkota pressureandtemperatureeffectsonmethanecontentincoal
first_indexed	2025-11-30T11:03:47Z
last_indexed	2025-11-30T11:03:47Z
_version_	1850213011062521856
fulltext	Физика угля и горных пород 89 УДК 539.21:622.4 ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА КОЛИЧЕСТВО МЕТАНА В УГЛЕ Василенко Т.А. (ИФГП НАН Украины) Робота присвячена дослідженню системи викопне вугілля–метан. У статті розглянуто основні фазові стани метану у вугіллі. Проведено розрахунок кількості метану у вугільній речовині в різних фазових станах в залежності від тиску та температури. PRESSURE AND TEMPERATURE EFFECTS ON METHANE CONTENT IN COAL Vasilenko T.A. The work is devoted to studying the coal/methane system. Basic phase states of methane in fossil coals are considered. Methane content in coal is estimated for various phase states depending on pressure and temperature. В настоящее время является доказанным, что метан в уголь- ном пласте содержится в свободном состоянии в порах, адсорби- рован на поверхности угольного вещества и растворен в матрице угля [1, 2]. Считаем, что метан находится в равновесии с уголь- ным веществом. В свою очередь пласт находится под горным давлением Pм. Если пренебречь лапласовским давлением, которое в не слишком малых порах значительно (на 2-3 порядка) меньше горного давления, то плотность газа в порах /п мP Tρ = (в 1/м3) [3]. Если обозначить пористость угля γ и рассчитать метаноемкость пор (в м3 на тонну угольного вещества), т.е. объем метана (при атмосферном давлении), содержащийся в 1т угольного вещества, то получим: м p c a PV P γ= ρ , где ρс- плотность угольного вещества (в тоннах на м3), Pa – атмо- сферное давление. Далее, считаем, что плотность газа в порах связана с его концен- трацией c в твердом растворе законом Генри [3]: Физика угля и горных пород 90 пc = νρ , где 3 32 2 21 2 exp мr PT mT T T    ψ + ωπ  ν =      Ω      , Здесь 1 2318 rT J  =  π  - "вращательная температура", m - масса мо- лекулы метана, J - ее момент инерции, ψ - энергия связи молеку- лы метана с угольным веществом в твердом растворе, Ω - объем, приходящийся на одно место в твердом теле, куда может встроиться молекула метана. В этом случае метаноемкость твердого раствора выразится формулой: (1 ) м s c a PV P ν − γ = ρ . Теперь учтем адсорбированный метан. Считаем, что на границе полость поры – адсорбированный слой не происходят химические реакции, фазовые превращения, а также нет поверхностной пленки (кроме адсорбционной), затрудняющей проникновение газовых мо- лекул через границу. Исходя из этих предположений, связь поверх- ностной концентрации в адсорбционном слое с плотностью молекул газа в поре также описывается законом Генри Спов = ζρn , здесь ζ = mamδ; m – полное число сорбционных ячеек, am – площадь, приходящаяся на одну сорбционную молекулу, δ – функция, характе- ризующая локальное равновесие молекул газа у поверхности сорбента (фактически, характеризует вероятность сорбции) – растворимость 3/ 223 2 expr m TT a m T −    Ξ + ∆π δ ≅         ; Ξ – энергия связи молекулы с сорбционным центром, ∆ – вклад внешних факторов в сорбционную способность, в частности, это может быть внешнее сжатие образца и т.п.; как правило, этот вклад намного меньше энергии связи Ξ. Полное число мест сорбции мож- Физика угля и горных пород 91 но определить как: m m Am a = (1/г), где Am – удельная поверхность (в м2/г). Средняя величина Am для угля – 20 м2/г [4]; am для метана оце- нивается как 0,2 нм2 [5], значит, m ~ 1020 1/г. Исходя из всего этого, метаноемкость адсорбционного слоя оце- нивается как Vад = 3/ 22 3 2 expm m m r a a m P P A T P P m Ta T  π Ξ ζ =         . Приведем теперь, по необходимости грубые, численные оценки метаноемкости. Мы предполагаем, что поры целиком заполнены ме- таном и иного газа в них не содержится. Другими словами мы даем максимальную оценку метаноемкости. Полагая Pм = 100Pa, γ = 0,25 и ρс = 1,25 т/м3, получим vp = 20 м3/т и большей эта величина может быть только за счет пористости. Для оценки метаноемкости твердого раствора требуется предва- рительная оценка растворимости ν. Получить эту оценку затрудни- тельно ввиду ограниченности данных относительно объема Ω, при- ходящегося на одну молекулу метана, активационного объема ω и энергии связи ψ молекулы метана с угольным веществом. Оценка ν при комнатной температуре и Pм = 100Pa, дает ν = 10–2 (и менее) и соответственно vs = 0.6 м3/т. Проведя численные расчеты адсорбированного метана, получа- ем, что при указанных выше условиях и комнатной температуре Vад составляет 0.4 м3/т. Таким образом, общее количество метана в угле представляет собой сумму трех слагаемых: свободный газ, адсорбированный на поверхности метан и метан в твердом растворе Q = м c a P P γ ρ + м a P P ζ + (1 ) м c a P P ν − γ ρ , и основную его часть составляет свободный метан. Оценим, какое количество метана выделится из пласта при по- вышении температуры с Т1 до Т2. Свободный газ в порах: При повышении температуры в замкну- том объеме повысилось бы давление газа, что привело бы к наруше- нию равновесия; для сохранения равновесия часть свободного мета- Физика угля и горных пород 92 на должна выделиться из пор угольного пласта (тем или иным пу- тем). Количество выделенного свободного газа в этом случае опре- деляется как 2 1 1 м p c a P T TV P T γ − ∆ = ⋅ ρ . Считаем, что входящие в выражение параметры (пористость, плотность угольного вещества) в данном температурном интервале от 293 К до 393 К не зависят от температуры. Тогда зависимость ко- личества газа Vp от температуры T имеет линейный вид (рис. 1). Угол наклона прямой пропорционален пористости угольного веще- ства и давлению газа. 300 320 340 360 380 0 1 2 3 4 5 6 7 3 2 1 О бъ ем га за , м /м3 3 T, K 300 320 340 360 380 0 1 2 3 4 5 6 7 3 1 2 О бъ ем г аз а, м /м3 3 T, K а б Рис. 1. Зависимость количества свободного газа Vp от температуры T: а – при различных значениях давления (1 – Р = 100 атм, 2 – 50, 3 – 150) б – по- ристости (1 – γ = 0,3, 2 – γ = 0,01, 3 – γ = 0,1) Метан в твердом растворе и адсорбированный на поверхности пор и трещин. Оценить изменение количества метана в этих состояниях с изменением (т.е. повышением) температуры сложнее, поскольку в вы- ражении для количества метана входят параметры трудно определяе- мые. К тому же эти параметры сами могут зависеть от температуры. Это связано с характером сорбции метана на угле: в зависимости от того, является ли сорбция локализованной или не локализованной. При полностью локализованной сорбции [5] структура сорбента полностью определяет положение сорбированных молекул. Поэтому при сорбции малых молекул, какими являются молекулы метане, объем Ω и пло- Физика угля и горных пород 93 щадь am, приходящаяся на одну молекулу метана в угольном веществе, завися только от структуры сорбента. Если же сорбция не локализо- ванная, сорбат полностью подвижен, параметры сорбции определяются размером и плотностью упаковки сорбента. Степень подвижности мо- лекул сорбата оценивается из отношения высоты потенциального барь- ера между сорбционными центрами к энергии теплового движения кТ. Если это соотношение меньше единицы, молекулы сорбата полностью подвижны. Если больше 10 – молекулы сорбата полностью локализо- ваны. Если это соотношение находится в интервале от 1 до 10, молеку- лы сохраняют некоторую подвижность, время нахождения вблизи сорбционного центра тем больше, чем больше отношения и, следова- тельно, параметры сорбции имеют промежуточное значение. Однако в первом приближении зависимостью параметров сорбции от температу- ры можно пренебречь, поскольку из литературных источников извест- но о локализованном характере сорбции метана на угле [6]. 280 300 320 340 360 380 400 0 1 2 3 4 5 3 2 1 Ко л- во м ет ан а, м /м3 3 T, K 200 250 300 350 400 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 3 2 1 Ко л- во м ет ан ав тв . р -р е, м /м 3 3 T, K а б Рис. 2. Зависимость количества метана в твердом растворе от температуры T: а – при различных давлениях (1 – P = 100 атм, 2 – 50, 3 – 150), б – энер- гиях связи (1 – 7,1 ккал/моль, 2 – 4,5, 3 – 2,4) При данных условиях (P и T) количество газа, находящегося в твердом растворе, рассчитывается из соотношения (рис. 2): 3/ 22 3 (1 ) 2 expм r sol c a P TV m TP T    ψ− γ π =     Ωρ    ; а в адсорбированном состоянии: Физика угля и горных пород 94 3/ 22 3 2 expm m r sorp a m P A TV P m Ta T  π Ξ =         . Следовательно, общее количество газа в угле (рис. 3): 3 2 2 1 2 2 (1 ) exp expm mr a c m c P AT TV P T a T TmT Σ      ψπ − γ Ξ γ  = + + ⋅         Ωρ ρ        . Выделившееся при повышении температуры количество газа: из твердого раствора 3/ 22 3 11 (1 ) 2 expм r sol c a P TV m TP T    ψ− γ π ∆ =     Ωρ    – – 3/ 22 3 (1 ) 2 expм r c a P T m TP T    ψ− γ π     Ωρ    адсорбированного ∆ 3/ 22 3 11 2 expm m r sorp a m P A TV P m Ta T    π Ξ =         – – 3/ 22 3 2 expm m r a m P A T P m Ta T  π Ξ          . Исходя из вышесказанного, количество газа выделившегося при повышении температуры, определяется выражением: 3/ 22 3 11 (1 ) 2 exp мм r c a PP TV m TP T Σ    ψ + ω− γ π = +    Ωρ    3/ 22 1 3 1 11 2 expm m мr a c am P A PT T T P m T P Ta T     γπ −Ξ + + ⋅ −     ρ   3/ 2 3/ 22 2 3 3 (1 ) 2 2exp expмм m mr r ac a m PP P AT T m T P m TP T a T     ψ + ω− γ π π Ξ − +           Ωρ      Физика угля и горных пород 95 260 280 300 320 340 360 380 400 0 10 20 30 40 Ко л- во м ет ан а, м /м3 3 T, K 300 350 400 450 500 550 0 2 4 6 8 10 12 14 Ко л- во м ет ан а, м /м3 3 T, K Рис. 3. Зависимость общего количества метана от температуры Рис. 4. Зависимость общего количества выделившегося метана от температуры или 3/ 22 2 2 (1 ) exp expm mr a c m P ATV P T a TmT Σ      ψπ − γ Ξ = + −        Ωρ         1 1 (1 ) exp expm c m c A T T T a T T   ψ −− γ Ξ γ  − + + ⋅    Ωρ ρ       Из рисунка 3 видно, что величина вклада отдельных фаз метана в общую метаноемкость, как и сама метаноемкость, очень сильно за- висит от температуры. При низких температурах количество метана в угле может достигать очень больших величин, и определяются эти величины, в основном, адсорбированным и растворенным метаном. При повышении температуры количество метана, которое может содержаться в угле резко сокращается и в фазовом составе превали- рует свободный газ. Значения характеристической (низкая – высо- кая) температуры зависят от свойств системы уголь-газ, в частности от энергии связи метана с углем, и могут варьироваться в довольно широких пределах. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Алексеев, Т.А. Василенко, В.В. Синолицкий, ФТПРПИ 2, 99 (1992). Физика угля и горных пород 96 2. Alexeev A.D., Sinolitsky V.V., Vasilenko T.A. et al.// ФТВД 1993. Т.3, № 2. с. 3 - 10. (in Russian) 3. Alexeev A.D., Feldman E.P., Vasilenko T.A. Alternation of methane pressure in closed pores of fossil coals. // Fuel 79 (2000). 939-943. 4. Ходот В.В. Внезапные выбросы угля и газа. - М.: Госгортехиз- дат, 1961, - 364 с. 5. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. – М.: Мир, 1984, - 407 с. 6. Лундин А.Г., Федин Э.И. ЯМР-спектроскопия. - М., Наука, 1986, 172 с.

Влияние давления и температуры на количество метана в угле

Institution

Similar Items