Temat rozprawy: Porównanie wartości wybranych parametrów opisujących procesy sorpcji i transportu gazów w próbkach węgla kamiennego przy zastosowaniu różnych metod pomiarowych
Doktorant:
mgr inż. Mateusz Kudasik
Promotor:
dr hab. Juliusz Topolnicki
Recenzenci:
- dr hab. Katarzyna Zarębska, prof. AGH,
- dr hab. inż. Eugeniusz Krause, prof. GIG.
Termin obrony:
10 czerwca 2015 o godzinie 1000 w sali seminaryjnej IMG PAN w Krakowie, ul. Reymonta 27
Streszczenie pracy doktorskiej:
Celem pracy było zaprojektowanie i zbudowanie prototypów wolumetrycznych urządzeń pomiarowych do badań układu węgiel-gaz, pracujących w warunkach izobarycznych,
porównanie wartości wybranych parametrów opisujących procesy sorpcji i transportu gazów w próbkach węgla kamiennego przy zastosowaniu zbudowanych urządzeń pomiarowych z wartościami tych parametrów uzyskanymi na referencyjnym urządzeniu grawimetrycznym (IGA-001).
Opis zrealizowanych prac
W ramach prac zrealizowanych na rzecz niniejszej rozprawy doktorskiej opracowano koncepcję pomiaru sorpcji metodą wolumetryczną, udoskonaloną o pracę w warunkach izobarycznych. Na podstawie opracowanej koncepcji powstały dwa projekty, na bazie których zbudowano prototypy urządzeń sorpcyjnych: sorpcjomat manometryczny i sorpcjomat tłokowy. Omówiono szczegółowo ideę i sposób działania zbudowanych urządzeń oraz przedstawiono projekty ich budowy. W celu oceny przydatności zbudowanych urządzeń do laboratoryjnych pomiarów sorpcyjnych, przeprowadzono badania porównawcze. Wyniki pomiarów sorpcyjnych uzyskane na obu zbudowanych urządzeniach porównane zostały z wynikami uzyskanymi na referencyjnym urządzeniu.
W celu oceny przydatności zbudowanych urządzeń do sorpcyjnych badań laboratoryjnych, przeprowadzono badania porównawcze. Porównaniu podlegały parametry obliczane na bazie uzyskanych przebiegów sorpcji. Należały do nich pojemności sorpcyjne przy różnych ciśnieniach sorpcji, parametry izoterm sorpcji Langmuir’a oraz efektywne współczynniki dyfuzji. Porównywane wyniki uznawane były za zgodne, jeśli ich wartości mieściły się w granicach niepewności pomiarowych urządzeń. Do sorpcyjnych badań porównawczych użyto 15 ziarnistych próbek węgla kamiennego o klasie ziarnowej 0,20-0,25 mm, pochodzących z różnych kopalń z Górnośląskiego Zagłębia Węglowego.
Opis najważniejszych osiągnięć
W wyniku porównania rezultatów uzyskanych na sorpcjomacie manometrycznym w odniesieniu do wyników uzyskanych na referencyjnym urządzeniu grawimetrycznym, zaobserwowano jak poniżej.
Uzyskana zgodność wyznaczania pojemności sorpcyjnych za pomocą zbudowanych urządzeń wyniosła ponad 90% w oparciu o zdefiniowane kryterium zgodności pomiaru. W przypadku pojedynczych pomiarów, które nie spełniły kryterium zgodności względem urządzenia referencyjnego, różnice wskazań obu urządzeń nie przekroczyły wartości 3,2%.
Średnia różnica wskazań zbudowanych urządzeń względem urządzenia referencyjnego wyniosła 1,4%, przy wyznaczaniu pojemności sorpcyjnej w 33. punktach pomiarowych dla zakresu ciśnień 1-10 bar.
Wartości parametrów izotermy sorpcji Langmuir’a wyznaczone na zbudowanych urządzeniach zostały różniły się nie więcej niż 5% w stosunku do wartości uzyskanych na urządzeniu referencyjnym.
Rozbieżności w ocenie wartości efektywnych współczynników dyfuzji wyznaczonych na zbudowanych urządzeniach sięgały nawet 200% w stosunku do wskazań urządzenia referencyjnego IGA-001. Duże rozbieżności uzyskanych wyników wynikały z problemów związanych ze spełnieniem większości założeń rozwiązania modelu uniporowego dyfuzji, stosowanego do wyznaczenia wartości efektywnych współczynników dyfuzji.
Badania powtarzalności pomiarów pojemności sorpcyjnych przy trzech cyklach pomiaru wykazały, że uzyskane rozbieżności pomiarów względem wartości średniej były nie większe niż 1,13% na urządzeniu IGA-001 (tab. 6.7), nie większe niż 2,52% na sorpcjomacie manometrycznym i nie większe niż 1,30% na sorpcjomacie tłokowym. Rozbieżności te mieściły się w granicach niepewności pomiarowych urządzeń. Nie zauważono efektu zmian pojemności sorpcyjnych przy trzykrotnym powtarzaniu procedury pomiarowej na tym samym materiale badawczym.
Wykorzystanie uzyskanych wyników
Uzyskane wyniki porównawczych pomiarów sorpcyjnych, przeprowadzonych na trzech urządzeniach badawczych, wykazały zgodność w wyznaczaniu pojemności sorpcyjnych i parametrów izoterm sorpcji Langmuir’a. Rezultaty te potwierdziły tezę pracy o zgodności wyników niektórych parametrów sorpcyjnych uzyskiwanych różnymi metodami pomiarowymi.
Analiza zjawisk związanych z obecnością i transportem gazów w próbkach węgla kamiennego jest procesem bardzo czasochłonnym. Wymierną korzyścią z przeprowadzonych prac było powstanie dwóch nowych urządzeń do laboratoryjnych badań układu węgiel-gaz. Urządzenia te łączą w sobie akceptowalną precyzję pomiaru, prostotę obsługi oraz niski koszt produkcji.
