MATHEMATICAL MODEL OF THERMODESORPTION OF HYDROCARBONS FROM A VOLUME COAL SORBENT

Abstract

Один из перспективных методов поиска залежей углеводородов является геохимическая съемка, заключающаяся в регистрации на поверхности Земли углеводородов, мигрирующих из залежи. При этом применяются пассивные концентраторы, содержащие сорбент. Пассивные концентраторы представляют собой заполненные сорбентом стеклянные или металлические трубки. В качестве сорбентов используют материалы, имеющие достаточную сорбционную емкость по отношению к исследуемым газам и обратимой десорбцией. После экспозиции сорбента в местах отбора (шурфах) производится анализ проб с помощью газового хроматографа. Актуальность задачи заключается в определении времени полной десорбции исследуемых газов (насыщенных углеводородов С1-С5) с сорбента при заданной температуре. В работе предлагается математическая модель термодессорбции углеводородов с объемного угольного сорбента. Для описания процессов массообмена использовалась модель Linear Driving Force (LDF), при этом учитывается существенную зависимость коэффициента десорбции от температуры и пористости сорбента. Новизна модели заключается в учете структуры волокон угольного сорбента. Зависимость коэффициента десорбции, а также коэффициента диффузии газов в сорбенте определяется законом Аррениуса. Получены аналитические зависимости для оценки времени десорбции в зависимости от физико-химических характеристик углеводородов и температуры. Проведены модельные расчеты для метана, десорбируемого с угольного сорбента на основе имеющихся литературных данных. Выявлены свободные параметры модели, которые необходимо определить экспериментально. Прежде всего, это энергия активации десорбции для рассматриваемых газов. Результаты работы могут быть использованы в области угледобычи для совершенствования методов поиска залежей углеводородов. One of the promising methods for searching for hydrocarbon deposits is geochemical survey, which consists in registering hydrocarbons migrating from the deposit on the Earth's surface. In this case, passive concentrators containing a sorbent are used. Passive concentrators are glass or metal tubes filled with sorbent. As sorbents, materials are used that have sufficient sorption capacity with respect to the studied gases and reversible desorption. After exposure of the sorbent in the places of selection (pits), samples are analyzed using a gas chromatograph. The relevance of the problem lies in determining the time of complete desorption of the studied gases (saturated hydrocarbons C1-C5) from the sorbent at a given temperature. The paper proposes a mathematical model for the thermal dessorption of hydrocarbons from a bulk coal sorbent. To describe the mass transfer processes, the Linear Driving Force (LDF) model was used, taking into account the significant dependence of the desorption coefficient on the temperature and porosity of the sorbent. The novelty of the model lies in taking into account the structure of the carbon sorbent fibers. The dependence of the desorption coefficient, as well as the coefficient of diffusion of gases in the sorbent, is determined by the Arrhenius law. Analytical dependences have been obtained to estimate the desorption time depending on the physicochemical characteristics of hydrocarbons and temperature. Model calculations for methane desorbed from a coal sorbent were carried out on the basis of available literature data. The free parameters of the model are revealed, which must be determined experimentally. First of all, this is the desorption activation energy for the considered gases. The results of the work can be used in the field of coal mining to improve methods for finding hydrocarbon deposits.