Моделювання дифузії метану в викопному вугіллі з використанням полімерного покриття активованого вугілля

Abstract

Мета досліджень полягає в отриманні і зіставленні експериментальної інформації про механізми транспорту метану в твердих вуглеводнях для розуміння природи зміни сорбційної кінетики в метаморфічному ряду вугілля. Методика досліджень. Експериментальною базою для дослідження служили отримані нами дані про кінетику десорбції метану з зразків активованого вугілля покритих полімерною плівкою і кам'яного вугілля низької метаморфизації марки «Д». Процес формування плівки на активному вугіллі контролювали по ширині спектра ядерного магнітного резонансу на протонах ¹Н. Методика експерименту включала підготовку зразків активного вугілля з полімерною плівкою на поверхні, а також подрібнення кам'яного вугілля до фракції 0,2-0,25 мм і насичення всіх зразків метаном при температурі 300 К в контейнері високого тиску (3 МПа) протягом 10 діб. При подальшій десорбції газ заповнював посудину відомого об'єму. Реєстрація та візуальне спостереження кінетики заповнення посудини відбувалося в режимі реального часу з інтервалом 0,65 с. Результати дослідження. Для обробки експериментальних результатів застосований метод аналізу, заснований на уявленні про характерний час десорбції. Отримано інформацію про значення величин коефіцієнта ефективної дифузії Dеф метану в полімерній плівці покриття і у кам'яному вугіллі. Виявлено, що в полімері величина Dеф ≈10⁻¹⁵ м²/с, а в кам'яному вугіллі ≈ 6∙10⁻¹⁴ м²/с. Такі величини Dеф дають підставу вважати, що транспорт метану в полімерній плівці і блоках вугілля відбувається у вигляді твердотільної дифузії через аморфну речовину. Наукова новизна. Висловлено припущення, що з ростом метаморфизації проникність блоків і роль системи пор повинна зростати. Практична значимість. В рамках дифузійно-фільтраційної моделі для опису десорбції запропонований вид інтерполяційної функції. Дана фізична інтерпретація складових функції і її параметрів. Показано, що в наближенні «двочасової» функції можна пояснити характер трансформації кінетичних параметрів при зміні розміру шматка вугілля.

Цель исследований состоит в получении информации о диффузии метана в твердых углеводородах для понимания природы изменений сорбционной кинетики в метаморфическом ряду углей. Методика исследований. Экспериментальной базой для этого служили полученные нами данные о кинетике десорбции метана из образцов активированного угля покрытых полимерной пленкой и каменного угля низкой метаморфизации марки «Д». Процесс формирования пленки на активном угле контролировали по ширине спектра ядерного магнитного резонанса на протонах ¹Н. Методика эксперимента включала подготовку образцов активного угля с полимерной пленкой на поверхности, а также измельчение каменного угля до фракции 0,2‒0,25 мм и насыщение всех образцов метаном при температуре 300 К в контейнере высокого давления (3 МПа) в течение 10 суток. Измерения последующей десорбции производили в сосуд известного объёма. Регистрация и визуальное наблюдение кинетики заполнения сосуда происходило в режиме реального времени с интервалом 0,65 с. Результаты исследования. Для обработки экспериментальных результатов применен метод анализа, основанный на представлении о характерном времени десорбции. Получена информация о величинах коэффициента эффективной диффузии Dэфф метана в полимерной пленке покрытия и каменном угле. Обнаружено, что в полимере величина Dэфф ≈ 10⁻¹⁵ м²/с, а в угле ≈ 6∙10⁻¹⁴ м²/с. Такие величины Dэфф дают основание считать, что транспорт метана в полимерной пленке и блоках угля происходит в виде твердотельной диффузии через аморфное вещество. Научная новизна. Высказано предположение, что по мере метаморфизации проницаемость блоков и роль системы пор должна возрастать. Практическая значимость. В рамках диффузионно-фильтрационной модели для описания десорбции предложен вид интерполяционной функции. Дана физическая интерпретация составляющих функции и её параметров. Показано, что в приближении «двухвременной» функции можно объяснить характер трансформации кинетических параметров при изменении размера куска угля.

The aim of the research is to obtain and compare experimental information on the mechanisms of methane transport in solid hydrocarbons to understand the nature of the change in sorption kinetics in the metamorphic coals. The experimental basis for this was the data obtained on the kinetics of methane desorption from samples of activated carbon coated with a polymer film and coal of low metamorphic grade "D". The process of film formation on the active carbon was monitored over the width of the nuclear magnetic resonance spectrum on protons ¹H. The experimental procedure involves preparing samples of active coal with a polymer film on the surface, as well as grinding the coal to a fraction of 0.2-0.25 mm and saturating all samples with methane at a temperature of 300 K in a high-pressure container (3 MPa) for 10 days. The desorption measurements were carried out in a vessel of known volume. Registration and visual observation of the kinetics of filling the vessel occurred in real time with an interval of 0.65 s. To analyze the experimental results, a method based on the characteristic desorption time is applied. Information was obtained on the effective diffusion coefficient Deff of methane in the polymer coating film and coal. It was found that in the polymer, the value of Deff ≈ 10⁻¹⁵ m²/s, and in the fossil coal ≈ 6 ∙ 10⁻¹⁴ m²/s. Such values correspond to the transport of methane in the polymer film and blocks of coal as a solid diffusion through an amorphous substance. It has been suggested that, as metamorphism proceeds, the permeability of blocks and the role of the pore system should increase. In the framework of the diffusion-filtration model, the form of the interpolation function is proposed to describe desorption. The physical interpretation of the components of the function and its parameters is given. The approximation of the "two-time" function explains the character of the transformation of the kinetic parameters when the size of a piece of coal changes. Remove selected