In this job the attempt to quantitatively description of interrelation of
viscosity of coal resin
and conditions of its processing was made. The job was executed on the basis of the
experimental data of Avdeevskiy cokery - the largest in Europe coke-chemical plant.
Каменноугольная смола является одним из наиболее ценных продуктов переработки угольной
шихты. Выделяемые из смолы фракции и индивидуальные вещества представляют собой ценное
сырье для разных отраслей промышленности. Для наиболее эффективного использования смолы
и ее фракций нужно получать смолу со строго заданными характеристиками. И если во времена
плановой экономики при постоянных периодах коксования и характеристиках сырья получаемая
смола имела небольшие отклонения от заданных параметров, то с переходом на рыночную
экономику ситуация резко изменилась. Поставки сырья стали нерегулярными, что привело к
увеличению периода коксования в 2-2,5 раза. К тому же качество угля не всегда соответствовало
нормативным требованиям. Все это негативно отразилось на работе перерабатывающих
отделений коксохимических предприятий. В последние несколько лет ситуация с поставками
сырья изменилась в лучшую сторону. Но все-таки остается проблема поставок сырья различного
качества разными поставщиками. При этом качество получаемых продуктов тяжело предсказать,
что в свою очередь порождает проблемы со сбытом. Для решения всех этих проблем необходимо
разработать такой инструмент, который позволил бы предсказать качество получаемых продуктов
по параметрам сырья и технологического процесса. Все имеющиеся модели создавались в
стационарных условиях и часто не могут быть использованы при сложившихся в настоящее время.
Поэтому опираясь на производственные данные крупнейшего в Донбассе и Европе Авдеевского
коксохимического завода, в данной работе была сделана попытка разработать модель взаимосвязи
параметров каменноугольной смолы и условий ее подготовки к переработке с целью оптимизации
работы вышеуказанного предприятия по получению каменноугольной смолы необходимого качества.
Вязкость газов
Для определения зависимости динамического коэффициента вязкости от температуры в области
умеренных давлений чаще всего применяется формула Сатерленда:
(1)
где mТ - вязкость газа при температуре Т, К, кг/(м*с),
m0 - вязкость газа при 0°С, кг/(м?с),
С3 - постоянная Сатерленда для данного газа.
Фогель показал, что постоянную С можно приближенно подсчитать по зависимости:
(2)
где Ткип - температура кипения вещества, К
Вязкость жидкостей
Динамический коэффициент вязкости жидкости необходим при расчете процессов, связанных с
транспортированием жидкости, теплообменом, фильтрацией, седиментацией и др.
Установлено, что вязкость жидкости уменьшается с увеличением температуры и за малым исключением,
возрастает с повышением давления.
Торп и Роджер установили, что зависимость вязкости жидкости от температуры можно представить
в виде эмпирического уравнения:
(3)
где mt - динамический коэффициент вязкости жидкости
при температуре t,°С, кг/(м*с),
C,a, b - постоянные, характерные для данной жидкости .
Влияние давления тем больше, чем сложнее строение молекул. Ориентировочно можно принять,
что повышение давление на 33 МПа вызывает такое увеличение вязкости жидкости, как при
понижении температуры на 1 К. В области давлений до 4 МПа, чаще всего применяемой в технике,
влияние давления на вязкость жидкости не улавливается.
Зависимость вязкости жидкости от температуры также приближенно определяется уравнением,
аналогичным уравнению зависимости давления насыщенного пара РН над жидкостью от температуры:
(4)
(5)
где R - универсальная газовая постоянная,
Еm - энергия активации вязкости,
LИСП - мольная теплота испарения.
Величины Еm и LИСП в узких температурных
пределах не зависят от температуры.
Деля почленно уравнение (4) на уравнение (5), получим:
(6)
откуда после интегрирования:
(7)
В соответствии с уравнением Бачинского существует простая зависимость вязкости
неассоциированной жидкости m от ее плотности r:
(8)
где А и В - константы для данной жидкости,
m1/ m = j - текучесть жидкости - величина, обратная вязкости,
1/ r = V - удельный объем жидкости.
Формулу (8) часто представляют в виде:
(9)
где w - постоянная величина, связанная с критическим объемом
приближенной зависимостью:
(10)
Из уравнения (9) следует, что зависимость текучести j
от удельного объема линейна, что справедливо для многих жидкостей .
Вязкость зависит также от свойств молекул, из которых состоит жидкость.
К ним относятся объем VM, форма Ф, масса m, дипольный момент
m/ и поляризуемость молекул
aП .
Эти зависимости определяются для неассоциированных молекул жидкостей, подобранных таким
образом, чтобы их молекулы отличались одним из этих свойств. Установлено:
(11)
(12)
(13)
(14)
Приведенные выше формулы и уравнения позволяют при наличии экспериментальных данных
определить физико-химические свойства каменноугольной смолы и других жидких и
газообразных соединений на разных стадиях технологических процессов.
Если известны два значения вязкости, то зависимость вязкости жидкости от
температуры можно определить по уравнению:
(15)
путем вычисления констант А/ и В/.
В случае ассоциированной жидкости, которой является каменноугольная смола,
эта зависимость имеет вид:
(16)
где a, b, g - константы, характерные для данной жидкости,
которые могут быть определены при наличии трех экспериментальных точек.
Копылов для ассоциированных жидкостей предложил зависимость:
(17)
Для ассоциированных жидкостей и масел с высокой вязкостью предложена
зависимость кинематической вязкости от температуры:
(18)
где х - константа, характерная для данной жидкости.
С учетом того, что n=m/r , уравнение (18) можно записать:
(19)
и решить его с использованием экспериментальных данных.
При решении технических проблем чаще всего нужно определить вязкость не чистых веществ,
а смесей жидкостей, растворов, суспензий, эмульсий и т.п., однако в настоящее время известны
немногочисленные методы, которые чаще всего теоретически не обоснованы.
Вязкость водных растворов неэлектролитов увеличивается с возрастанием концентрации,
а с повышением температуры она уменьшается. Вязкость растворов органических веществ в
органических растворителях тоже увеличивается с повышением концентрации растворенного
вещества, но известны и обратные случаи. Вязкость водных растворов электролитов чаще всего
увеличивается с повышением концентрации электролита, но иногда на кривой появляются
максимумы или минимумы.
Вязкость жидкой смеси зависит от свойств компонентов и их молекул:
объема VM, формы Ф, массы m, дипольного момента m/ ,
поляризуемости молекул aП и т.д.
Вязкость растворов электролитов и твердых неэлектролитов может быть определена
по формулам Здановского:
(20)
или
(21)
где х1, х2 - объемные доли компонентов в смеси "компонент-вода",
r1,r2 - плотности растворов этих компонентов,
m1,m2 - вязкости этих растворов,
VM1, VM2 - мольные объемы этих растворов
Аррениус считал аддитивными логарифмы вязкости
m1,m2 жидкостей, образующих смесь:
(22)
где х1, х2 - массовые или мольные доли компонентов в смеси.
Панченков предложил формулу:
(23)
где А3 - константа,
r - плотность смеси,
ЕСМ - энергия связи между молекулами в смеси.
В связи с наличием в уравнении (23) двух констант (А и ЕCM ), для расчета нужно иметь два
экспериментальных значения вязкости смеси. Для технических расчетов лучше пользоваться
формулами, не содержащими совсем или содержащими одну константу, для нахождения которой
надо иметь одно экспериментальное значение вязкости смолы.
Гринберг и Ниссан предложили формулу:
(24)
где m1,m2,mCM
- вязкость смеси и компонентов 1 и 2,
х1, х2 - доли компонентов 1 и 2,
d - коэффициент взаимодействия компонентов, зависящий от температуры.
При исследовании температурной зависимости вязкости смеси предложена формула:
(25)
в которой константу В можно считать не зависящей от состава смеси, а константа А значительно
изменяется с изменением состава смеси.
Для расчета вязкости эмульсии двух несмешивающихся жидкостей рекомендовано
принять формулу Тейлора:
(26)
где mСМ,mС,md
- соответственно вязкость эмульсии, сплошной и дисперсной фаз,
Фd - объемная доля дисперсной фазы.
Пригодность рассмотренных формул и уравнений для определения вязкости и других
физико-химических свойств каменноугольной смолы и других продуктов коксования
изучена с использованием экспериментальных данных, полученных на ОАО "АКХЗ"
при исследовании влияния технологических параметров на физико-химические свойства
химических продуктов коксования.
Оценка результатов эксперимента
На рисунках 1-7 представлены зависимости изменения вязкости смолы газосборниковой и
газохолодильниковой (рис.1 и рис.7) от температуры смолы, а также изменение вязкости смолы
от температуры смеси смол газосборникового и газохолодильникового циклов с различным
содержанием в смеси газохолодильниковой смолы (рис.2-6).
Анализируя зависимости, представленные на рис.1-7, следует отметить, что на вязкость
каменноугольной смолы, подаваемой на переработку в смолоперегонный цех, оказывает значительное
влияние как температура ее нагрева, так и содержание в ней смолы газохолодильникового цикла,
а также веществ, нерастворимых в толуоле. Влияние на изменение вязкости общей смолы последних
двух факторов особенно проявляет себя в зоне температур нагрева смолы 70°Си ниже.
При длительном температурном воздействии на каменноугольную смолу последняя претерпевает
значительное изменение своих качественных показателей. Проведенные в лабораторных условиях
работы по изучению влияния длительного воздействия на смолу позволили получить зависимости
изменения ее плотности и вязкости от продолжительности температурного воздействия.
Температурный интервал составлял 60-85°С, временной - 24-96 часов. Длительное температурное
воздействие на каменноугольную смолу сопровождается повышением ее вязкости (рис.8-11) .
Наиболее интенсивно повышение вязкости смолы происходит с повышением температуры
обработки выше 70-75°С и времени обработки 48 часов и более. На рис.8-11 представлены зависимости
вязкости каменноугольной смолы, подвергшейся температурной обработке при 85°С различное время
(48, 72, 96 часов), от температуры определения вязкости.
Характер зависимостей 1-11 позволяет сделать вывод, что смола на стадиях подготовки
к переработке в цехе улавливания должна находиться минимально возможное время при 80-85°С.
При невозможности соблюдения этого условия необходимо варьирование этих двух факторов.
Рисунок 1 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газосборниковая смола.
Рисунок 2 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газосборниковая смола
с 5% содержанием газохолодильниковой смолы.
Рисунок 3 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газосборниковая смола
с 10,8% содержанием газохолодильниковой смолы.
Рисунок 4 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газосборниковая смола
с 18,5% содержанием газохолодильниковой смолы.
Рисунок 5 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газосборниковая смола
с 41,7% содержанием газохолодильниковой смолы.
Рисунок 6 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газосборниковая смола
с 62,5% содержанием газохолодильниковой смолы.
Рисунок 7 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева. Газохолодильниковая смола.
Рисунок 8 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева при продолжительности
температурной обработки 90 часов при 85°С.
Рисунок 9 - Зависимость вязкости смолы от температуры нагрева при продолжительности
температурной обработки 72 часа при 85°С.
Рисунок 10 - Зависимость вязкости смолы от температуры нагрева при продолжительности
температурной обработки 48 часов при 85°С.
Рисунок 11 - Зависимость вязкости смолы от температуры ее нагрева при
продолжительности температурной обработки 24 часа при 85°С.
Заключение
В результате проведенных экспериментов на ОАО "Авдеевский коксохимический завод" и обработки
экспериментальных данных были получены графические зависимости вязкости каменноугольной смолы
от температуры ее нагрева при различном содержании газохолодильниковой смолы в газосборниковой
и при различном периоде температурной обработки. Каждая зависимость была аппроксимирована
соответствующим уравнением.
Для обоснования полученных результатов недостаточно существующей теоретической базы,
поскольку имеющиеся эмпирические отношения и расчетные уравнения не объясняют полученных
результатов. Очевидно, что для точного описания данных зависимостей необходимо расширять имеющуюся
теоретическую базу, что сопряжено с определенными трудностями, в частности, требует значительного
количества времени.
Перечень ссылок
- Лейбович Р.Е., Яковлева Е.И., Филатов А.Б. Технология коксохимического производства.-
М.: Металлургия, 1982.
- Брон Я.А. Переработка каменноугольной смолы. - М.: Металлургия, 1963.
- Брон Я.А., Сатановский С.Я. Трубчатые агрегаты для перегонки каменноугольной смолы.
- Харьков: Металлургиздат, 1961.
- Общая химическая технология топлива / под ред. Кафтанова С.В. - М.: Госхимиздат, 1947.
- Аронов С.Г., Нестеренко Л.Л. Химия твердых горючих ископаемых. - Харьков: Изд-вот
Харьковского университета, 1960.
- Скляр М.Г. Интенсификация коксования и качество кокса. - М.: Металлургия, 1976.
- Грязнов Н.С. Пиролиз углей в процессе коксования. - М.: Металлургия, 1983.