Тәжірибелік сабақ № 2. Көмірдің жіктелуі

Тапсырма

1. Көмірді маркалары бойынша жіктеу

2. Кусоктар өлшемдері бойынша көмірді жіктеу (ГОСТ 19242-73)

Өнеркәсіптік жіктеулер көмірді практикалық қолданумен байланысты және ереже бойынша көмірді қолдана отырып оны өңдеудің белгілі бағыты үшін.

Жіктелудің негізгі параметрлері:

• Көмір маркасы

• Кесек өлшемі

1. Технологиялық қасиеттерінің сәйкестігінен тәуелді көмірлер әртүрлі кодты нөмірмен бір технологиялық маркаға, топқа және топшаларға біріктіреді. 14 технологиялық марка бар, олардың аталуы өнеркәсіптік жіктелу маркасына ұқсасты:

Б	Сұр	КО	Коксті кедейленген
Д	ұзынжалынды	КСН	Коксті біріккен төменметаморфизді
Г	газды	КС	Коксті әлсізпісуші
ГЖО	Газды майлы кедейленген	ОС	Кедейленген піскен
ГЖ	Газды, майлы	СС	әлсізпісуші
Ж	майлы	Т	кедей
К	коксті	А	антрацит

Осылайша, көмірдің технологиялық қасиеттері табиғатта көмірдің қалыптасу шарты мен тегін сипаттайтын бірқатар көрсеткіштерге сай сенімді орналасады. Бұл жіктелу орнатқан принциптер көмірдің халықаралық кодтану негізін салды, ол халықаралық сауда құралы болып табылады.

2. Жылуэнергетикасында қолданатын көмір сорттары үшін келесі кескінді қолданады: Сорт = “марка” + “кесек өлшемдері”

Топ	Класс	Шартты белгіленуі	Пределы крупности кусков
			нижний	верхний
Сортты	Плиталы	П	100(80)	200;300
	Ірі	К	50(40)	100(80)
	Орех	О	25(20)	50(40)
	Ұсақ	М	13(10)	25(20)
	Семечко	С	6(5;8)	13(10)
	Штыб	Ш	0	6(5;8)
Үйлестірілген және сүзгіндер	Ірі плиталы	ПК	50(40)	200;300
	Орех ірі	КО	25(20)	100(80)
	Ұсақ жаңғақты	ОМ	13(10)	50(40)
	Ұсақ дәнектермен	МС	6(5;8)	25(20)
	Штыба бар дәнек	СШ	0	13(10)
	Штыба бар және ұсақ дәнек	МСШ	0	25(20)
	Орех штыба бар және ұсақ дәнек	ОМСШ	0	50(40)
	Қатардағы	Р	0	200;300

Мысалы, ГР сортты көмір. Маркалы құрамы бойынша — газды, ал түйірқұрамды қатардағы (кесек өлшемдер 0–200;300 мм). Бұл жағдайда нақты сыныптың пайыздық құрамы регламенттелмейді. Бұл 90% ірі сынықтардан және 10% штыбтан немесе керісінше тұратын көмір болуы мүмкін. Егер көмір ТПК деп белгіленсе, бұл кедей, сортталған, кесек өлшемдері 50 (40) ден 200; 300 мм болатын көмірлер. Ұсақ сынықтар құрамы ( 50мм кем) 15% көп болмауы керек.

Арзан көмірлер сатып алынады, оның сорты Док₁, Гок₂ белгіленеді. Бұл тотыққан көмірлер. Олар үшін төмен мықтылық, блеск болмауы, сынықтардың дөңгелек формасы сипатты. Мұндай көмірлер екінші тотыққан топ — ОК₂, жану жылуы төмен болғандықтан жарамсыз, олардың зольдылығы төмен болады.

Негізгі әдебиет [5(180-185)]

Қосымша әдебиет [8(132-136)]

Бақылау сұрақтары:

1. Көмірді маркалары бойынша қалай жіктеледі?

2. Кусоктар өлшемдері бойынша көмірді жіктеңіз.

Тәжірибелік сабақ № 3. Қатты жанғыш қазбаның элементтік талдануы

Тапсырма

1. Азот құрамын анықтау (N)

2. С пен Н құрамын анықтау

3. Көмір сапасын сипаттау

4. Көмірдің зольдылығын анықтау

5. Күкірт құрамын (S) анықтау

6. Ұшқыш заттар шығымын анықтау

7. Көмірдің жану жылуын анықтау

Әдістемелік ұсыныстар. ТГИ барлық түрінің органикалық массасы С, Н, О, S және N тұрадыы. Олардың қосынды мөлшері 99 мас.% артық оны кез келген көмірлі зат пен торфқа есептегенде.

1. Көмірдегі азот құрамы көп емес, көбінше 1мас.% артық емес, кейде 3—4 мас.% жетеді. Азотты Кьельдаль бойынша көмір салмағын конц күкірт қышқылымен ол ыдырағанша қыздыру арқылы. Азотқұрамды қосылыстар осыдан келіп (NH₄)₂SO₄ өтеді, ол сосын сілтімен аммиакка дейін ыдырайды, H₂SO₄ титрлі ерітіндісімен ауланған.

Көміртек пен сутекті СО₂ пен Н₂О шығымы бойынша анықтайды көмір салмағын оттек тогында жаққандағы. Бұл тотықтарды сіңіруші аппараттарда аулап алады, олар сәйкесті КОН пен Н₂SO₄ толған. Соңғысын салмақты жаққанға дейін және кейін өлшейді де массалар айырымы бойынша үлгідегі С мен Н құрамын есептейді, көбінше мас.%. атап өту керек, осыдан нәтижелер су және өмірқышқыл газын сіңіргендіктен басқаша болуы мүмкін, оның тегі бейорганикалық және көмірдің минералды компоненттері термиялық ыдырауынан түзіледі.

2. Көміртек пен сутекті оттек тогында көмір салмағын жаққандағы СО₂ пен Н₂О шығымы бойынша анықтайды. Бұл тотықтарды сіңіруші аппараттарда аулайды, ол сәйкесті КОН пен Н₂SO₄ ерітінділерімен толған. Соңғысын салмақты жаққанға дейін және кейін өлшейді де массалар айырымы бойынша үлгідегі С мен Н құрамын есептейді, көбінше мас.%. атап өту керек, осыдан нәтижелер су және өмірқышқыл газын сіңіргендіктен басқаша болуы мүмкін, оның тегі бейорганикалық және көмірдің минералды компоненттері термиялық ыдырауынан түзіледі.

3. Бұл бөлімде көмір қасиетін сипаттаушы параметрлер сипатталған. Түрлері әртүрлі көмірлер бір бірінен сипаты бойынша ерекшеленеді. Одан басқа маркасы бірдей көмірлердің сапалық көрсеткіштері әртүрлі.

Сипаттамалар көмір қалыптасқан шартынана тәуелді болады, олар қолдану шартына сай келетін көмір маркасы мен түрін таңдау үшін керек.

Көмір сапасын анықтаушы негізгі сипаттамалар:

• Жану жылуы

• ылғалдылығы

• зольдылығы

• күкірт құрамы

• ұшқыш заттар шығымы

4. Көмір кендерінде біршама мөлшерде минералды заттар (2–50 мас.%) болады, олар золаны жаққанда түзілген. Зольды қалдық ашық тигелде муфелді пеште көмірді қыздырғаннан кейін мына температурада 850±25°С түзілген. Золаның 95—97% мына тотықтардан Al, Fe, Ca, Mg, Na, Si, K тұрады. Қалғандары — Р, Mn, Ba, Ti, Sb қосылыстары мен сирек элементтер.

Минералды қоспа тегі бойынша үш топқа бөлінеді:

• біріншілік өсімдіктер минералды заттары;

• органоминералды комплекстер, ерте сатысында көміртүзілу процесінде қалыптасқан;

• минералдар, углефикация сатысында жиналған.

Минералды заттар химиялық органикалық бөлігімен байланыспаған қабатша түрінде болатын оны байытқан кезде одан жеңіл бөлінеді. Көмір зольдылығы көмір пласты қалыптасқанда бейорганикалық компоненттер енгізу шарты бірдей болмағанда кең аралықта тербеледі. Зольдылық көмірдің бейорганикалық бөлігінің массалық үлесіне жауап бермейді себебі қыздырғанда соңғысының компоненттері оттекпен қосылады да ыдырайды әрі тотықтар түрінде қалады, мысалы:

M_nCO₃ > M_nO + CO₂ (М — металл ионы)

4FeS₂ + 11O₂ > 2Fe₂O₃ + 8SO₂

XnH₂O > X + nH₂O (X — дегидраттанған кристаллогидрат молекуласы)

4FeO + O₂ > 2Fe₂O₃

Зольдылық мына әріппен белгіленеді А^d (Asche) және мас.% суреттеледі. Ылғал мен золаның қосынды құрамы балласт деп аталады. Минералды затар құрамы М әрпімен белгіленеді. Ол физикалық және физико-химиялық әдістер көмегімен анықталады (мысалы, микроскопиялық, рентгеноскопиялық, радиоизотопты). Көмірдің органикалық массасы минералды бөлігінің құрамы белгілі болғанда (G_о.м., мас.% ауа-құрғақ үлгі) ол мынадай болады

G_о.м.=100–(W_h+M^a),

мұндағы М^а — ауа-құрғақ үлгінің минеарлды бөлігінің массалық үлесі, определяемой физико-химиялық талдау әдістерімен аныталған.

5. Көмірде күкірт біршама таралған. Оның құрамы 10-12мас.% құрайды. Сульфатты (S_SO4), пиритті (S_p) және органикалық күкірт деп бөледі (S_o), олардың қосынды құрамын жалпы күкірт дейді (S_t):

Ол талдауға алынған көмірдің мас.% сипатталады.

Күкірттің жалпы құрамы Эшка әдісімен анықталады, онда барлық күкірт көмір салмағын магний тотығымен және натрий карбонатымен қыздырғанда сульфаттыға өтеді. Түзілген магний мен натрий сульфатын барий хлоридінің сулы ерітіндісімен қайта тұндырады. BaSO₄ тұнбасын сүзеді, жуады, укептіреді әрі өлшейді.

Сульфатты күкіртті көмір салмағын өңдегенде сульфаттарды дистилденген сумен еріту жолымен анықтайды, сосын сульфатты барий хлоридімен қайта тұндырып алынған BaSO₄ анықтайды.

Пиритті күкірт құрамын S₂²- ні SO₄²- дейін сұйытылған азот қышқылымен және одан ары BaCl₂ қайта тұндырып SO₄²- жалпы құрамын анықтайды. Алынған нәтижелерден сульфатты күкіртті есептейді де айырымын пиртті күкірт құрамына қабылдайды.

Элементтік талдау әдістерімен орнатылған күкірт құрамы маңызды сипаттама болады, ол өңдеудің ерекше талаптарын және шикізат қолдануды анықтайды, оның жоғарғы концентрциясымен ерекшеленетін. Бөлінген ұшқыш күкіртқұрамды өнімдер Н₂S мен SO₂ сияқты, қоршаған ортаға түскенде өте зиянды болады ал өндірісті жобалағанда оның жоғарғы коррозиялық белсенділігін ескеру керек.

6. Ұшқыш заттар — булы және газтәрізді өнімдер, стандартты жағдайда қыздырғанда қатты ыстық қазбаның органикалық затының ыдырауында бөлінетін. Ұшқыш заттар шығымы V (volativ) символымен белгіленеді, аналитикалық үлгі шығымы V^a, құрғақ затқа V^d, құрғақ және золсыз V^daf. Бұл сипаттама құрылымның термиялық тұрақтылығын бағалауға маңызды, ол көмірдің органикалық массасын құрайды. Анализді жабық тигелде муфелді пеш температурасы 850°С болғанда жүргізеді, онда ұшқыш заттар мен қатты қалдық түзіледі NV (ұшпайтын қалдық). Ұшқыш заттар шығымы V^daf углефикация дәрежесі өсуімен гумусты көмірлер қатарында түседі, ал сапропелиттіде бұл байланыс біржақты емес, кейде V^daf ол өседі. Ұшқыш заттар шығымы қыздырғанда маркалары бойынша көмірді жіктегенде біреуінің негізі болады.

Ұшқыш заттар шығымы углефикация дәрежесімен байланысты, бірақ бұл түсінікті маркамен байланыстыруға болмайды. Көмір маркасы оның технологиялық қасиетіне негізделген, ал углефикация дәрежесі сол көмірдің геологиялық және физико-химиялық шарттары қалыптасуымен байланысты.

7. Жану жылуы — бұл негізгі көмірдің энергетикалық көрсеткіші. Ол эксперименталдық жолмен көмір салмағын калориметрлік бомбада жағу жолымен немесе элементтік талдау мәліметтерімен есептеу жолымен анықталады.

Көмірдің жану жылуын Q_s жылу мөлшері ретінде есептейді, ол калориметрлік бомбада оттек ортасында көмір массасы бірлігі толық жанғанда бөлінген және төменгі меншікті жану жылуын Q_i көмір жанған кездегі түзілген және бөлінген, су буланғандағы жылуды алып тастағанда жоғарғы жану жылуы.

Жоғарғы жану жылуы көмірдің золасыз күйіне Q_s^af, ал төменгісі жұмысшы күйіне анықталады Q_i^r.

Д. И. Менделеев элементтік талдау мәліметері бойынша жоғарғы жану жылуын есептеу үшін мына формуланы ұсынды (кКал/кг):

Q_s^af=81С+300Н-26(О-S),

мұндағы С, Н, О, S — ТГИ заттағы заттардың элементтердің массалық үлесі, %.

Бұл формула Q_s^af шамасының жобаланған бағасын береді, аззольды отын үшін біршама дәл болады.

Қатты отындардың негізгі жоғарғы жану жылуы:

Торф	5500–5700 кКал/кг	23–24 МДж/кг
Сұр көмір	6100–7700 кКал/кг	26–32 МДж/кг
Тас көмір	7700–8800 кКал/кг	32–37 МДж/кг
Антрацит	8000–8500 кКал/кг	34–36 МДж/кг

Негізгі әдебиет [5(185-187)]

Қосымша әдебиет [8(139-141)]

Бақылау сұрақтары:

1. Көмірдің азот құрамы қалай анықталады?

2. Көміртек пен сутек құрамы қалай анықталады?

3. Көмір сапасын сипаттаңыз.

4. Көмірдің зольдылығын анықтаңыз.

5. Күкірт құрамын (S) анықтаңыз.

6. Ұшқыш заттар шығымы қалай анықталады?

7. Көмірдің жану жылуын анықтау.

Тәжірибелік сабақ № 4. Көмір маркасы бойынша сапасын сипаттау

Тапсырма

1. 2БР маркалы сұр көмір (екінші, сұр, қатардағы)

2. 2БПКО маркалы сұр көмір (екінші, сұр, плита, ірі, орех)

3. 3БР маркалы сұр көмір (үшінші, сұр, қатардағы)

4. 3БПКО маркалы сұр көмір (үшінші, сұр, плита, ірі, орех)

5. ГР маркалы сұр көмір (газды, қатардағы)

Жоғарыдағы тапсырмаларға сәйкес төмендегі кестелерде анықтамалықтар берілген.

Көрсеткіштер аталуы	Белгіленуі	Шамасы
Ірілік сыныбын көрсеткен көмір маркасы	2БР	0-300
Жоғарғы жану жылуы, құрғақ зольсыз күйі	Qsdaf	6816 ккал/кг (28,54 МДЖ/кг)
Төменгі жану жылуы, жұмысшы күйі	Qid	3880 ккал/кг (16,24 МДЖ/кг)
Зола, құрғақ күйі, орташа/шекті, %	Ad	8,4-12
Жұмысшы күйіндегі жалпы ылғал массалық үлесі, %	Wtr	32,7
Ұшқыш заттар шығымы, құрғақ зольсыз күйі, %	Vdaf	48
Күкірт құрамы, құрғақ күйі, %	Std	0,4
Көміртек құрамы, құрғақ, золсыз күйі, %	Cdaf	73,44
Хлордың массалық үлесі, %	Cld	0,08
Мышьяктың массалық үлесі, %	Asd	0,004
Кесектер өлшемі, %	мм	0-300
Ұнтақтың массалық үлесі, көп емес	%	15
Минералды қоспа массалық үлесі, көп емес	%	2

Сапаларының көрсеткіштері МЕСТ талаптарына сай отынның жұмысшы күйіне сәйкес анықталды.

2.

Көрсеткіштер аталуы	Белгіленуі	Шамасы
Ірілік сыныбын көрсеткен көмір маркасы	2БПКО	25-300
Жоғарғы жану жылуы, құрғақ зольсыз күйі	Qsdaf	6930 ккал/кг (29,02 МДЖ/кг)
Төменгі жану жылуы, жұмысшы күйі	Qid	4100 ккал/кг (17,13 МДЖ/кг)
Зола, құрғақ күйі, орташа/шекті, %	Ad	5,9
Жұмысшы күйіндегі жалпы ылғал массалық үлесі, %	Wtr	31,0
Ұшқыш заттар шығымы, құрғақ зольсыз күйі, %	Vdaf	46,5
Күкірт құрамы, құрғақ күйі, %	Std	0,3
Көміртек құрамы, құрғақ, золсыз күйі, %	Cdaf	75,12
Хлордың массалық үлесі, %	Cld	0,08
Мышьяктың массалық үлесі, %	Asd	0,004
Кесектер өлшемі, %	мм	25-300
Ұнтақтың массалық үлесі, көп емес	%	-
Минералды қоспа массалық үлесі, көп емес	%	1

Сапаларының көрсеткіштері МЕСТ талаптарына сай отынның жұмысшы күйіне сәйкес анықталды.

Көрсеткіштер аталуы	Белгіленуі	Шамасы
Ірілік сыныбын көрсеткен көмір маркасы	3БР	0-300
Жоғарғы жану жылуы, құрғақ зольсыз күйі	Qsdaf	7280 ккал/кг (30,5 МДЖ/кг)
Төменгі жану жылуы, жұмысшы күйі	Qid	4330 ккал/кг (18,1 МДЖ/кг)
Зола, құрғақ күйі, орташа/шекті, %	Ad	7,3
Жұмысшы күйіндегі жалпы ылғал массалық үлесі, %	Wtr	29,3
Ұшқыш заттар шығымы, құрғақ зольсыз күйі, %	Vdaf	46,8
Күкірт құрамы, құрғақ күйі, %	Std	0,31
Көміртек құрамы, құрғақ, золсыз күйі, %	Cdaf	75,3
Хлордың массалық үлесі, %	Cld	0,0012
Мышьяктың массалық үлесі, %	Asd	0,00031
Кесектер өлшемі, %	мм	0-300
Ұнтақтың массалық үлесі, көп емес	%	15
Минералды қоспа массалық үлесі, көп емес	%	2

Сапаларының көрсеткіштері МЕСТ талаптарына сай отынның жұмысшы күйіне сәйкес анықталды.

Көрсеткіштер аталуы	Белгіленуі	Шамасы
Ірілік сыныбын көрсеткен көмір маркасы	3БПКО	25-300
Жоғарғы жану жылуы, құрғақ зольсыз күйі	Qsdaf	7310 ккал/кг (30,6 МДЖ/кг)
Төменгі жану жылуы, жұмысшы күйі	Qid	4640 ккал/кг (19,4 МДЖ/кг)
Зола, құрғақ күйі, орташа/шекті, %	Ad	5,3
Жұмысшы күйіндегі жалпы ылғал массалық үлесі, %	Wtr	26,3
Ұшқыш заттар шығымы, құрғақ зольсыз күйі, %	Vdaf	46,9
Күкірт құрамы, құрғақ күйі, %	Std	0,27
Көміртек құрамы, құрғақ, золсыз күйі, %	Cdaf	76,8
Хлордың массалық үлесі, %	Cld	0,0015
Мышьяктың массалық үлесі, %	Asd	0,00021
Кесектер өлшемі, %	мм	25-300
Ұнтақтың массалық үлесі, көп емес	%	-
Минералды қоспа массалық үлесі, көп емес	%	1

Сапаларының көрсеткіштері МЕСТ талаптарына сай отынның жұмысшы күйіне сәйкес анықталды.

Көрсеткіштер аталуы	Белгіленуі	Шамасы
Ірілік сыныбын көрсеткен көмір маркасы	ГР	0-300
Жоғарғы жану жылуы, құрғақ зольсыз күйі	Qsdaf	6900 ккал/кг (24,84 МДЖ/кг)
Төменгі жану жылуы, жұмысшы күйі	Qid	5300 ккал/кг (22,17 МДЖ/кг)
Зола, құрғақ күйі, орташа/шекті, %	Ad	8,0–20,0
Жұмысшы күйіндегі жалпы ылғал массалық үлесі, %	Wtr	5,0–16,0
Ұшқыш заттар шығымы, құрғақ зольсыз күйі, %	Vdaf	42,0–48,0
Күкірт құрамы, құрғақ күйі, %	Std	0,8–1,2
Көміртек құрамы, құрғақ, золсыз күйі, %	Cdaf	79,2
Хлордың массалық үлесі, %	Cld	0,6
Мышьяктың массалық үлесі, %	Asd	0,02
Кесектер өлшемі, %	мм	0-300
Ұнтақтың массалық үлесі, көп емес	%	20
Минералды қоспа массалық үлесі, көп емес	%	2

Сапаларының көрсеткіштері МЕСТ талаптарына сай отынның жұмысшы күйіне сәйкес анықталды.

Негізгі әдебиет [5(189-191)]

Қосымша әдебиет [8(185-187)]

Бақылау сұрақтары:

1. Көмір маркасы бойынша сапасы қалай сипатталады?

Тәжірибелік сабақ № 5. Техникалық көміртек алу мен кокстеу процесінің жылуын есептеу

Тапсырма:

1. Кокстеу процесінің жылуын есептеудің маңызы

2. Кокстеу процесінің жылуын есептеуге әдістемелік ұсыныстар

Әдістемелік ұсыныстар

Сұйық немесе газтәрізді көмірсутектерден техникалық көміртек алу мен кокстеу процесінде көміртекпен байыған қатты материал түзіледі. Формуласы СnНm көмірсутектерден 1 кг көміртек алу жылуы олар көміртек пен сутекке дейін ыдырағанда— qn (кДж кг көміртекке келеді) түзілу жылуы бой ынша оңай санауға болады Δ Н° түз:

300 К qn мәні(олар темпе­ратурамен аса қатты өзгермейді) кестеде келтірліген.

Кестедегі мәліметтерден көрініп тұрғандай, парафиндердің қарапайым заттарға дейін толық ыдырауы біршама жылусіңірумен жүреді (qn > 0), диендер мен ацетилендердікі — біршама жылубөле, олефиндер мен ароматтылар — азғантай жылушығара.

Техникалық процестерде сеп жүргізгенде ескеру керек, түзілген кокс немесе техникалық көміртекте бірқатар мөлшерде сутек болады (олардың құрылымдық форумалсы СНа), сонымен қатар шикізат ыдыраған кезде күрделі процесстер жүреді де көмірсутектер түзілуіне әкеледі. Мысалы, төменде шикізаттың әртүрлі түрінің кокстену балансы келтірілген.

Шикізат	Шығымдар, % (масс.)
	газ	бензин	жеңіл газойль	ауыр газойль	кокс
Мазут Ауырланған гудрон Крекинг-қалдық	4,7 7,2 8,3	7,8 16,5 7,3	42 27,3 12,4	30 23,5 36	15,5 24,5 36

Осы процестердің жылуын шикізат пен өнімдердің жану жылуы бойынша бағалап көреміз. Жуықтаған мәндерді қолдануға болмайды. [22] сәйкес, жану жылуы (в кДж/кг) мазуттың — 41 200, гудрондыкі — 39950, крекинг-қалдық пен газойльдікі — 40 160, газдыкі — 47 200, бензиндікі — 44 200, кокстікі — 33 500 (барлық мәндер теріс). Келтірілген жылу баланстарының осы мәндеріндегі кокстенуді табамыз, ол құрайды —700 ден —1400 кДж/кг. Егер мысалы, газойльдің жану жылуы 42 500 тең болса, ал кокстікі — 35 000 (бұл мәндер әдебиетте де бар), онда мысалы, крекинг-қалдықты кокстегендегі процестің жылуы +154 кДж/кг құрайды. Мұнда осы бөлім басындағы айтылған жану жылуын анықтаудың жоғары дәлділігі керек болады. Жану жылуын есептеу үшін біршама дәл қатынас (в кДж/моль) құрамы CnHm газтәрізді көмірсутек үшін болады [29]:

Δ Н°с = — (204,2n + 44,4m +xi)

мұндағы xi — көмірсутек құрамын ескеруге арналған түзету.

Құрамы СНа — Δ Н°ск кокстің жану жылуын оның түзілу жылуы бойынша бағалаймыз (10,86а кДж/моль) және түзілу жылуымен СО2 (—393,5 кДж/моль) әрі судың (—242,2 кДж/моль):

Δ Н°ск = Δ Н°об СО2 + а/2 Δ Н°об Н2О - Δ Н°об СО2 = -393,5 - 132а

Бұл теңдеулерді кокстену жылуын жақындата бағалау үшін қолданамыз.

Шикізат CnHm кокстенгенде құрамы Cn1Hm1 көмірсутектер түзіледі (олардың массалық шығымы vy) және құрамы СНа кокс (массалық шығымы vк = 1—vy); баланс теңдеуі мынадай: 1000 г шикізат l000vy көмірсутектер +1000vк г кокс немесе (моль):

мұндағы Мс және My — шикізаттың молекулалық массасы мен көмірсутек-өнімдердің қосындысы.

m1 мен n1 мәндерін көміртек бойынша баланстан анықтаймыз (шикізат пен өнімдегі көміртектің моль саны тең):

Осыдан

M1=My-12n1. Стехиометриялық теңдеу үшін кокстену жылуы qк (моль):

Бұл теңдеуге компоненттердің Δ Н°с қою, n1, m1_және ескеру, яғни Му= 12 n1+m1 мына түрдің қатынасына келтіреді:

const1 мен const2 тұрақтыларды түзетусіз бағалау сәйкесті 189 мен 88 мәндерін береді. Дегенмен шикізатта, көмірсутектті өнімдерде винильді және фенилді топтар, нафтенді циклдер бар оларға түзету енгізеді түзетуді ескеру осы құрылымдар санын молекуланы есептегенде анықтауды қажет етеді. Термогазойльдан сажа алу мен кокстену үшін түзетуді ескеру мына қатынасқа алып келеді:

Егер мысалы, кокс шығымы 30% (vк = 0,3) болса, ал кокс құрамы СН0,5 (а = 0,5), онда qк=1370 кДж/кг.

Мына қатынас (V.l 1) жуықтаған болып табылады. Процесс жылуын есептеуді заттың түзілу жылуы бойынша жүргізеді. Бірқ бұл үшін топтық компоненттерді енгізу керек (жоғарыдан қара) онда мүмкін, егер шикізат пен өнімнің химиялық құрамы белгілі болса.

Сонымен, кокстенудің жылуын есептеуге қажет: 1) шикізат пен өнімдерді сипаттаушы топтық компоненттердің моделін таңдау; 2) топтық компоненттер мен кокстің түзілу жылуы үшін Δ Н°об қатынастар немесе кестелер бойынша анықтау; 3) табылған түзілу жылуы бойынша процесс жылуын есептеу.

Мысалы, 1 кг бутилбензол кокстенгенде шамамен сондай крекинг-қалдықтай өнімдер шығымы алынды, онда газ этиленнен, бензин — из бензолдан, жеңіл газойль — нафталиннен (С10Н8), ауыр — дифенилден (C12H10), кокс құрамы СН0,4 тұрады (кокстену өнімдері ароматтанғаны ескерілген). Сонда процесс балансы 1 кг шикізат үшін (7,5 моль), мольдегі зат мөлшеріне есептелген әрі артық сутек бөлінуін ескеретін, келесісі:

7,5С10Н14 21Н2 + 3,5С2Н4 + 1,0С6Н6 + 1,0С10Н8 + 2,ЗС12Н10 + 24,4СН0,4

298 К құрамы СНа кокс түзілу жылуы үшін мынау дұрыс болады (төменде қараңыз) Δ Н°об 298 = 10,86а кДж және а 0,4 Δ Н°об 298 = 4,5 кДж. Сонымен модельді процестің жылуы

qк  3,552,3+ 1,083,0+ 1,0152,0 + 2,3172,9 + 24,44,5- 7,5 (-13,8) = 1029 кДж

Сәйкесінше, егер кокстену өнімінде ароматты көмірсутектер болса, онда кокстенуге жылуды әкелу қажет болады, яғни шикізаттың С мен Н2 ыдырауы экзотермиялық болып табылады.

Атап өту керек, жүргізілген есептеулерде кокстену жылуы техникалық шикізат үшін жоғары болады, себебі шикізат пен өнімдерде парафинді және нафтенді көмірсутектер болады. Егер ароматты емес көмірсутектердің құрамы 40% болса, онда процесс жылуы шикізатқа 150— 200 кДж/кг төмендейді, ол өнеркәсіптік реактордың жақындаға жылулық балансы негізінде алынған — 120 дан 170 кДж/кг шикізатқа бағалауға жақын болады.

Осыған ұқсасты есептеулер техникалық көміртек алу процессі үшін де жүргізіледі онда шикізат сұйық көмірсутетктік фракциялар болып табылады. Шикізат метан болғанда есептеу қарапайым химиялық реакциялар үшін жүргізіледі.

Техникалық көміртек алудың бірқатар тәсілдерінде шикізат немесе газтәрізді отынның бөлшекті тотығуын қолданады, "процестің жану жылуын компенсациялауға. Жылу балансын жуықтап есептеу мүмкін, себебі жылулық сипаттар сонымен қатар жылу процесі азғантай дәлділікпен бағаланады.

Отынның жану жылуы qc жану өнімдерін қыздыруға (qн1), шикізат кокстенуіне (qн2) реакция температурасына дейін және процесс жылуын компенсациялауға жұмсалады qn:

— qс = qн1 + qн2 + qn

Есептеу мақсаты жануға кеткен шикізат мөлшерін анықтау болып табылады.

Есептеуді күрделі адиабатиялық реакциялар жағдайында да жүргізуге болады, себебі qn шамасы біршама погрешностью белгілі, оны қысқартуға болады. Қысқартудың мәні сол, жылулық баланс элементарлық температуралық аралыққа жазылмайды, Т дан T+dT, ал барлық температуралық аралыққа бастапқы То дан реакция температурасына дейін Тр.

Көміртек алу үшін және жану үшін шикізат ретінде метан болса ал газ-тотықтырғыш ретінде ауа болса есептеуді өзгертеміз. Реакция жылуы СН4С + 2Н2 құрайды 74,9 кДж/моль, ал метан жану жылуы qс = —890 кДж/моль. Жанған метанның мольдік үлесін N (моль/моль) арқылы белгілейміз. 1 моль СН4 ыдырауын қамтамасыз ететін жану үшін, 2N моль оттек керек, осыдан ауамен бірге енгізіледі 3,762 N = 7,52 N моль азот. Жану өнімінде N моль СО2, 2N моль Н2О, 7,52 N моль N2, 1 моль СН4 болады және Т0=300 К ден Тр= 1500 К дейін қызуы керек. Сондықтан

(мұнда орташа мольдік жылусыйымдылықтар ескерілген). Табамыз:

qн1+qн2=(50,4N + 39,72N+31,77,52 N+ 65,3)(1500- 300)10^-3 = 441,8N+78,4кДж

жылулық баланс жазамыз:

890 N = 441,8 N + 78,4+ 74,9

табамыз

Сонымен 1 моль (кг) көміртекке дейін ыдырайтын метанға 0,34 моль (кг) метан жағу керек. Ұқсасты есептеулер кез келген шикізат түрі үшін орындауға болады.

Негізгі әдебиет [5(135-170)]

Қосымша әдебиет [8(130-136)]

Бақылау сұрақтары:

1. Кокс түзілудің техникалық процестерін есептегенде нені ескеру керек?

2. Құрамы СН2- Δ Н°ск кокс жану жылуы қалай есептеледі?

3. Техникалық көміртек алу процесіне есептер қалай жүреді?

Тәжірибелік сабақ № 6. Бірігуді анықтау

Тапсырма

1. Көмір бірігуін әртүрлі әдістермен анықтау

2. Көмір бірігуін анықтаудың әртүрлі әдістерін сипаттау

Әдістемелік ұсыныстар. Тас көмірді қолданудың маңызды саласының бірі оны металлургиялық кокске өңдеу – тас көмірдің жоғарытемпературалық ауа қатысынсыз ыдырауындағы қатты өнім, белгілі бір қасиеттерге ие. Көмірдің барлығы бірігу қабілетіне ие емес яғни ауа қатыстырмай қыздырса байланысқан ұшпайтын қалдық түзе отырып пластикалық күйге өтуі. Егер осы піске қалдық металургиялық кокске ұсынған талаптарды қанағаттандырса онда көмір кокстенуі туралы айтады. Осылайша кокстену деген бірігу бірақ бірінші түсінік біршама тар. Г, Ж, К, ОС маркалы көмірлер бірігеді, бірақ металлургиялық коксты тек К маркалы көмірден немесе көмір қоспаларынан алуға болады, қасиеттері бойынша соған жақын. Мұндай қоспа шихта деп аталады.

Бірігуді бағалау үшін әртүрлі принциптерге негізделген көптеген әдістер қолданылады. Оларды негізгі үш топқа бөлуге болады:

1. Көмір термиялық ыдырағаннан кейін ұшпайтын қалдық сипатына негізделген;

2. Көмірдің инертті қоспамен бірігу қабілетіне негізделген;

3. Жұмсарған көмір массасының пластикалығын сипатаушы.

Бірінші топқа жататын әдістердің мысалы Грей-Кинг бойынша кокс типтерін анықтау болып табылады. Ол көмір үлгілерін стандартты жағдайда кокстеу жолымен жүргізіледі және алынған ұшқыш емес қалдықтардың эталонды үлгілермен сыртқы түрін салыстыруда. Екінші топқа Рог индексін орнату жатады. Сыналатын үлгіні стандартты жағдайда инертті қоспамен бірге біріктіреді (антрацит) және Рог барабанында алынған қатты денені үйкеп мықтылығын тексереді. Ыдыраған және ыдырамаған үлгі бөлшектері қатынасы Рог индексін сипаттайды. Бірігу қабілетін анықтаудың стандартты әдісі пластометриялық Сапожников-Базилевич әдісі болып табылады. Пластикалық қабат қалыңдығы көп болған сайын осы көмірдің бірігу қабілетін көп болады. Бұл әдіс үшінші топқа жатады, ол осы көмірдің бірігуін ғана бағалап қоймайды кокстену үшін шихта таңдайды.

Бірігу қабілетін талдау пластометриялық Сапожников аппаратында жүргізіледі, ол тек у шамасын ғана бағалап қоймайды, шихта усадкасын да х, ол миллиметрмен сипатталады әрі кокстенуге дейін және кейін шихта көлемі өзгеруімен сипатталады. Эксперимент көрсеткендей, пластикалық қабат қалыңдығы және көмірдің бірігу қабілеті углефикация дәрежесі өсуімен максимум арқылы өтеді. Бірігу және кокстену көрсеткіштері көмір метаморфизмінен және петрографиялық құрамынан тәуелді болады. Келтірілген әдістердің әрқайсысы белгілі бір технологиялық көмір топтары үшін сенімді болады сондықтан шекті қолданылады. Осы көмірдің бірігуін сенімді анықтауын жоғарлатуға болады егер бір үлгіні зерттегенде бірнеше әдісті паралелді қолданса. Барлық микрокомпоненттер бірігу үшін қолайлы углефикация дәрежесі бар көмірлер біріге алмайды. Егер көмір метаморфизмі онда бірігу болуын жібермесе онда витринит пен липтинит сұйық қозғалғыш күйге өтеді, яғни пластикалық масса тұтқырлығы соңғысының төмен болады, сәйкесті оның аққыштығы витринитке қарағанда жоғары болады. Инертинит мүлде балқымайды. Семивитриниттің аралық топтарының микрокомпоненттері қыздырғанда жұмсарады бірақ пластикалық күй түзбейді. Бірігуге қатыспаған микрокомпоненттерді кедейленген деп атайды және оған инертинит топтарын жатқызады да шартты семивитринит тобының 2/3 массасын.

Негізгі әдебиет [5(135-182)]

Қосымша әдебиет [8(130-146)]

Бақылау сұрақтары:

1. Көмір бірігуін бағалаушы әдістерді атаңыз.

2. Қандай көмірден металлургиялық кокс алуға болады?

3. Көмірдің қандай микрокомпоненттері инертинитке жатады?

Тәжірибелік сабақ № 7. Рог әдісі бойынша бірігу индексін анықтау

Тапсырма

1. Рог әдісі бойынша бірігу индексін анықтаңыз

Әдістемелік ұсыныстар. Бұл әдіс Польшада қолданылады. Рог индексі осы әдіспен анықталатын тас көмірдің халықаралық жіктелуінің бір параметрі ретінде енгізілген. Анықтау әдісінің принципі көмір мен антрацит қоспасын тез қыздырудан тұрады, одан ары алынған спектің мықтылығын анықтауға. Тәжірибе үшін аналитикалық дәрежеде ұнталған ауа-құрғақ көмірдің үлгілерін алады, ұнталған ұлгілер өлшемдері 0,1 ден 0,2 мм дейін 40% бөлшеткер болуы керек,. Көмірмен араластыру үшін зольдылығы 3% жоғары емес антрацит және ұшқыш заттар шығымы 4—5% қолданады. Антра­цит дәнектерінің өлшемі — 0,3—0,4 мм.

Анықтауды келесідей жүргізеді. Өлшенген құрғақ фарфор тигелге (40  40  20 мм) 1 г көмір мен 5 г антрациттен тұратын салмақ салады. Өлшеуді техникалық өлшегіште 0,01 г дәлдікте жүргізеді. Сосын қоспаны тигелде 2 минут арасында араластырады. Қоспа бетін тегістейді сосын оған шойын салмақ 110—115 г қояды, сосын тигельді 30 сек пресс астында 6 кг салмақпен қалдырады. Одан ары тигель пресстен шығарып металл крышкамен жабады, онда саңылау болады; сонда салмақ тигелде қалады.

Осы тәсілмен басқа тигелде антрацитпен көмірдің екінші қоспасын дайындайды, сосын қос тиелген тигелді поддонға қойып муфель пешке енгізеді, ол алдын ала 850° температураға дейін қызған. 15 мин өткен соң, тигелді поддонмен бірге пештен шығарып 45 минут ауада суытады сосын эксикаторда бөлме температурасына дейін.

Эксикатордан шығарған соң салмақты алып тастайды ал салмақтағы кокс бөлшектерін тигелге қайта салады. Коксы бар тигельді 0,01 г дәлдікке дейін өлшейді. Сосын кокссаңылауы 1 мм ситада себелейді. Торда қалған коксты 5 минуттан шойын барабанда өңдейді, ол 50 ± 2 об/мин жылдамдықпен айналады. Диаметрі 200 мм барабанның ішінде биіктігі 30 мм қатты қабырға бар. Әр өңдеуден кейін барабанда коксті себелейді де ситодағы қалдық салмағын анықтайды.

Рог әдісі бойынша көмір бірігуін анықтауға арналған аппаратура мына суретте келтірілген.

46 сурет. Рог әдісі бойынша көмір бірігуін анықтауға арналған аппаратура: а- тигель; б-пресс; в-барабан

Эксперимент жүргізгеннен кейін есептейді:

а) піспеген қалдық мөлшерін — өлшемі 1 мм бөлшектердің кокстің жалпы салмағындағы кокс мөлшеріне қатысы бойынша,

б) Рог индексін мына формуламен

Мұндағы R — Рог бойынша пісу индексі,

Q — кокстің жалпы салмағы, ол тигелде антрациттің көмірсен қоспасынан алынған, г; а— ситодағы кокс қалдығы (класс + 1 мм) өлшемі 1 мм кем емес кокс бөлшектерін елегеннен кейін; b, с, d — ситодағы кокс қалдығы (себелеу + 1 мм) барабанда бірінші, екінші, үшінші бесминуттық сынаудан кейін. Рог индексі бойынша параллельді анықтаулар арасындағы айырым 3 бірліктен жоғары болмауы керек. Әйтпесе сынауды қайта жүргізеді.

Негізгі әдебиет [5(135-146)]

Қосымша әдебиет [8(133-145)]

Бақылау сұрақтары:

1. Рог әдісі бойынша индекс анықтау принципі немен байланысты?

2. Рог әдісі бойынша көмір пісу индексіне есептеуді қандай формуламен жүргізеді?

Тәжірибелік сабақ № 8. Кокстің беттік саңылаулануын анықтау

Тапсырма

1. Кокстің беттік саңылаулануын анықтау

Әдістемелік нұсқау. Кокстің беттік саңылаулану дәрежесі дегеніміз кокс кесектерінің шетіндегі көрініп тұрған саңылау проекциясы ұзындығының осы шеттерінің проекциясының ауданына қатынасы.

А.С. Брук, М. Р. Мойсик әдісі бойынша кокс саңылаулануын анықтау үшін оның 100 немесе 50 кесектерін алады да (кокс партиясынан тәуелді), бес қатарға орналастырады сосын біртіндеп қысқарта отырып 25 ке жеткізеді. Тәжірибелік пештері аз болған жағдайда саңылаулылық кесектердің аз мөлшерімен анықталады да алынған сипаттама жобалық және салыстырмалы сипатты болады.

Кесек шетінің проекция ауданы мен саңылау проекциясының ұзындығы алюминий рамкаға тартылған ақ жіптермен өлшенеді ол әрі 1 см² тор түзеді. Барлық тор өлшемі — 15  20 см.

Беттік саңылаулануды анықтағанда әр шетін өлшейді. Кесек шетінің проекция ауданын квадрат сантиметр мөлшері бойынша санайды, әр толмаған квадрат үшін мынадай дәлділікпен ± 0,5 см². Одан ары әр граннің көлденең саңылауы мен көлденең ұзывндығының рпроекциясын өлшейді, сонымен қатар әр кусоктың орташа ені мен ұзындығын өлшейді.

Көлденең саңылаулану бетінің дәрежесі мына формуламен анықталады

Ал кесінді — формула бойынша

59 – сурет. Саңылаулығы дамыған кокс үлгісі

Жалпы саңылаулану бетінің дәреджесі тең

Тобщ = Тпоп + Тпрод

Кусок столбчатостығы коэффициенті

Одан басқа кейде көлденеңге кесінді саңылаулану қатынасы да анықталады.

Зертханалық жағдайда көмірден алынған кокстың саңылаулануын сипаттау үшін Е. М. Тайц әдіс ұсынды, оның принципі мынадай, көмірді үлкен шойын стақанда кокстейді (пластометриялық, бірақ өлшемдері үлкен, диаметрі 180 мм) біржақты төменгі жағы қызғанда. Кокстену аяқталған соң стақанды суыту мен одан коксты алу оның саңылаулануын бағалайды. Ол үшін жеке жеке сандары анықталады, онда кокс ыдырайды, сонымен қатар әр жекеліктің периметрі.

Әр периметрдің қоспасы олардың санына бөлінеді де орташа периметр шығады, ол кокс саңылаулануын сипаттайды. Алынған шама көп болған сайын саңылаулану аз болады. Саңылаулану жекелеген аудандардың орташасы бойынша бағаланады да жеке бөліктердің санының көлеміне үлгі бетінің бөлінуіне тәуелділігіне тең.

Негізгі әдебиет [5(145-152)]

Қосымша әдебиет [8(132-141)]

Бақылау сұрақтары:

1. Кокс саңылаулануының көлденең және кесінді беттік дәрежесі қалай анықталады?

2. Кокстің жалпы саңылаулану бетінің дәрежесі қалай анықталады?

3. Кокс кесектерінің столбчатосттылық коэфициенті қалай анықталады?

4. Тайц бойынша кокс саңылаулануы қалай анықталады?