Вплив водяної пари на процес десорбції метану з вугілля

Abstract

Мета. Провести теоретичний аналіз впливу водяної пари на десорбцію метану з поверхні відкритих порожнин вугільного зразка. Методика. Використовуючи припущення Ленгмюра: мономолекулярність адсорбції та сталість теплоти адсорбції, методами статистичної фізики виведені рівняння для мономолекулярної адсорбції бінарної суміші газів: метану і водяної пари. Результати. Отримано залежності ступенів покриття адсорбційного шару молекулами метану і води в ситуації, коли в камері, де поміщено зразок вугілля, парціальний тиск парів води змінюється за лінійним законом. В рамках квазістатичного наближення простежено кінетику десорбції молекул метану з адсорбційного шару та адсорбцію молекул води, якщо процес зволоження зразка з часом протікає за лінійним законом та, коли описується плавною ступінчастою функцією. Теоретично проаналізовано ситуацію, що відповідає процесу адсорбції метану в сухому вугіллі та у зразках, що мають різну ступінь природної вологості. Показано, що зі зростанням вмісту вологи процес адсорбції метану на поверхні відкритих тріщин і пор сповільнюється, а кількість адсорбованого метану істотно знижується. Наукова новизна. Показано, що основною причиною десорбції метану з відкритих тріщин та пор у зволоженому вугіллі є конкурентна боротьба за місця, що обумовлена наявністю обмеженого числа активних сорбційних центрів та відмінністю в енергіях зв'язку молекул метану і води з поверхнею вугілля. Практична значимість. Проведені дослідження дозволяють зробити висновок, що для дегазації вугільних пластів можна успішно застосовувати процедуру їх зволоження.

Цель. Провести теоретический анализ влияния водяных паров на десорбцию метана с поверхности открытых пустот угольного образца. Методы. Используя допущения Ленгмюра: мономолекулярность адсорбции и постоянство теплоты адсорбции, методами статистической физики выведены уравнения для мономолекулярной адсорбции бинарной смеси газов: метана и водяных паров. Результаты. Получены зависимости степеней покрытия адсорбционного слоя молекулами метана и воды в ситуации, когда в камере, где помещен образец угля, парциальное давление паров воды изменяется по линейному закону. В рамках квазистатического приближения прослежена кинетика десорбции молекул метана из адсорбционного слоя и адсорбции молекул воды, если процесс увлажнения образца во времени протекает по линейному закону и, когда описывается плавной ступенчатой функцией. Теоретически проанализирована ситуация, отвечающая процессу адсорбции метана в сухом угле и в образцах, имеющих различную степень естественной влажности. Показано, что с ростом содержания влаги процесс адсорбции метана на поверхности открытых трещин и пор замедляется, а количество адсорбированного метана существенно снижается. Научная новизна. Показано, что основной причиной десорбции метана из открытых трещин и пор в увлажненном угле является конкурентная борьба за места, обусловленная наличием ограниченного числа активных сорбционных центров и различием в энергиях связи молекул метана и воды с поверхностью угля. Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что для дегазации угольных пластов можно успешно применять процедуру их увлажнения.

Purpose. To analyze theoretically the effect of water vapor on the desorption of methane from the surface of open voids of a coal sample. Methods. Using Langmuir's assumptions: the monomolecularity of adsorption and the constancy of the heat of adsorption, the equations for the monomolecular adsorption of a binary mixture of gases: methane and water vapor are derived by methods of statistical physics. Findings. The dependences of the degree of coverage of the adsorption layer with methane and water molecules are obtained in a situation when the partial pressure of water vapor changes linearly in the chamber where the coal sample is placed. Within the framework of the quasi-static approximation, the kinetics of desorption of methane molecules from the adsorption layer and the adsorption of water molecules is traced, if the process of moistening the sample in time proceeds according to a linear law and when it is described by a smooth step function. The situation corresponding to the process of methane adsorption in dry coal and in samples with different degrees of natural moisture is analyzed theoretically. It is shown that with an increase in moisture content, the process of methane adsorption on the surface of open cracks and pores slows down, and the amount of adsorbed methane decreases significantly. Originality. It is shown that the main reason for the desorption of methane from open cracks and pores in moistened coal is the competition for sites due to the presence of a limited number of active adsorption centers and the difference in the binding energies of methane and water molecules with the coal surface. Practical implications. The studies carried out allow us to conclude that the procedure for their moistening can be successfully applied for degassing coal seams.