научная статья по теме РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕЙ УКРАИНЫ РАЗНОЙ СТАДИИ МЕТАМОРФИЗМА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕЙ УКРАИНЫ РАЗНОЙ СТАДИИ МЕТАМОРФИЗМА»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2014, № 3, с. 12-20

УДК 544.778.3:662.758

РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПИРТОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ НА ОСНОВЕ УГЛЕЙ УКРАИНЫ РАЗНОЙ СТАДИИ МЕТАМОРФИЗМА

© 2014 г. Д. П. Савицкий, Д. Ю. Садовский

Институт коллоидной химии и химии воды им. А.В. Думанского НАН Украины, Киев

E-mail: den.83@ mail.ru Поступила в редакцию 08.07.2013 г.

Проведены исследования реологического поведения спиртоугольных суспензий на основе углей разной стадии метаморфизма, полученных с применением в качестве дисперсионной среды низших спиртов ряда метанол — пропанол. Установлено, что повышение длины алкильного радикала приводит к возрастанию напряжения сдвига и вязкости спиртоугольных суспензий. При этом суспензии, полученные с применением изоспиртов, характеризуются меньшей вязкостью, чем суспензии, полученные с применением нормальных спиртов. Из зависимости напряжения сдвига и вязкости спиртоугольных суспензий от физических свойств низших спиртов следует, что повышение динамической вязкости и дипольного момента, а также снижение диэлектрической проницаемости (при увеличении длины углеводородного радикала спиртов) приводит к повышению значений указанных реологических параметров.

Б01: 10.7868/80023117714030086

Топливные дисперсные системы на основе природных углей интересны для промышленности в связи с применением их в энергетике. Наиболее распространены высококонцентрированные водоугольные суспензии, преимущества которых, по сравнению с исходным углем, описаны в ряде работ [1—7]. Анализ этих работ указывает на возможности повышения теплотворной способности топлива, а также хранения при низкой температуре за счет использования в качестве дисперсионной среды органических жидкостей. Однако исследования в области получения топливных дисперсных систем на основе природных углей с жидкими органическими средами незначительны, поскольку вызваны сложностью равномерного распределения тонкодисперсных частиц угля в органической дисперсионной среде. Неравномерное распределение частиц угля по объему дисперсионной среды приводит к возрастанию прочности и вязкости дисперсной системы, что нежелательно в производстве топливных дисперсных систем на основе природных углей.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что реологические свойства являются определяющими в процессах получения, транспортировки, подготовки и сжигания топливных дисперсных систем на основе природных углей. Они зависят от многих факторов, таких как форма частиц, гранулометрический состав, природа дисперсной фазы и дисперсионной среды, а также от контактных взаимодействий на границе раздела фаз.

С целью определения влияния органической дисперсионной среды на реологические свойства топливных дисперсных систем на основе природных углей Украины разной стадии метаморфизма были выбраны нормальные и разветвленные низшие спирты ряда С1—С5. Выбор спиртов обусловлен наличием значительного количества жидких органических отходов ликеро-водочных, спиртовых, нефтеперерабатывающих, фармацевтических, полимерных, биоэтанольных и биодизельных производств, где они образуются и не находят направлений по переработке.

Экспериментальная часть

В качестве объектов исследования были выбраны следующие образцы углей Украины: марка Б (Днепровский бассейн, ГХК "Александрия-уголь", Протопоповский разрез), марка ДГ и Т (Донецкий бассейн, ГХК "Луганскуголь", шахта Пролетарская и шахта им. Артема), марка А (Донецкий бассейн, ГХК "Свердловантрацит", шахта им. Свердлова). Технический и элементный анализ углей приведен в (табл. 1). Исходный уголь, диаметр частиц d = 1 мм, измельчали керамическими шарами в фарфоровом барабане вместимостью 2 дм3 на валковой мельнице. После просеивания на ситах СЛМ-200 получали порошок одинакового гранулометрического состава для всех углей: 250—160 мкм — 40%, 160—100 мкм — 20%, 100-63 мкм - 5%, 63-40 мкм - 32%, <40 мкм - 3%.

Таблица 1. Технический и элементный анализ углей

Марка

Технический анализ, мас. %

Элементный состав, % на daf

угля Wa Ad ydaf C H N O S

Б 51 20 48.5 70.1 5.0 1.2 19.7 4.0

ДГ 9.3 22.3 43.8 76.2 4.9 1.1 13.7 4.1

Т 5.1 25.0 14.9 88.5 3.8 0.67 5.33 1.7

А 3.2 10.5 3.8 95.7 2.3 0.4 1.1 0.5

Таблица 2. Структурно-сорбционные характеристики углей

Марка угля p, г/см3 5уд, м2/г Vpore, см3/г dpore, нм Содержание функциональных групп, мг-экв/г СОЕ, мг-экв/г

-COOH -OH >C=O

Б 1.12 6.308 0.049 153.8 0.52 2.12 1.42 1.8

ДГ 1.3 1.386 0.053 7.670 0.09 0.32 0.21 0.15

Т 1.5 4.716 0.019 7.878 0.05 0.07 0.03 0.08

А 1.78 9.339 0.022 4.669 0.01 0.03 - 0.05

Таблица 3. Физические свойства спиртов

Спирт p, г/см3 П, Па ■ с ■ 10-3 S, мДж/м2 ц, дебай Б

CH3OH 0.793 0.55 22.55 1.66 33.1

C2H5OH 0.789 1.20 22.75 1.67 25.0

C3H7OH 0.804 2.26 23.78 1.68 20.7

мзо-С3Н7ОН 0.785 2.43 21.7 1.66 19.2

C4H9OH 0.810 2.95 24.6 1.68 17.7

изо-С4Н9ОН 0.803 3.76 22.98 1.79 18.1

C5HnOH 0.814 4.25 25.1 1.8 14.5

изо-С5НпОН 0.812 4.1 24.2 1.82 15.1

Структурно-сорбционные характеристики угольного порошка: удельная поверхность (5уд, м2/г), удельный объем пор (Vpore, см3/г) и эффективный диаметр пор (dpore, нм) получали методом БЭТ (Брунауэра—Эммета—Теллера) по данным низкотемпературной адсорбции азота (77 К) на анализаторе удельной поверхности Quantachrome Au-tsorb Automated Gas Sorption System (табл. 2).

Распределение поверхностных функциональных групп по кислотности определяли, зная общую обменную емкость (СОЕ), а также величину сорбции 0.1 н. водных растворов NaOH, Na2CO3, NaHCO3. Известно, что гидроксид натрия нейтрализует карбоксильные, фенольные и лактон-ные группы, карбонат натрия — карбоксильные и фенольные группы, гидрокарбонат натрия — только карбоксильные группы [8, 9]. В качестве дисперсионной среды применялись нормальные спирты: метанол (CH3OH), этанол (C2H5OH), 1-про-панол (C3H7OH), 1-бутанол (C4H9OH), 1-пента-

нол (С5Н11ОН), а также изоспирты: 2-пропанол (изо-С3Н7ОН), 2-метил-1-пропанол (изо-С4Н9ОН), 3-метил-1-бутанол (изо-С5НпОН) фирмы ООО "Химлаборреактив", Германия, марка х.ч. Физические характеристики низших спиртов при температуре 20°С: плотность (р, г/см3), динамическая вязкость (п, Па • с), поверхностное натяжение (8, мДж/м2), дипольный момент (ц, дебай), диэлектрическая проницаемость (е) приведены в (табл. 3).

Для получения спиртоугольных суспензий на основе углей разной стадии метаморфизма порошок приведенного гранулометрического состава смешивали в определенных соотношениях с низшими спиртами С1—С5 и гомогенизировали на лопастной мешалке RW-11 (1КА) на протяжении 20 мин при скорости вращения ротора 1500 об/мин. Реологические параметры суспензий: сдвиговое напряжение (а, Па) и вязкость (п, Па • с) — определяли методом ротационной вискозиметрии на приборе "Rheotest RУ2" с помощью измеритель-

Таблица 4. Вязкость спиртоугольных суспензий, полученных с применением нормальных спиртов

Марка угля Ст, %

Спирт 30 35 40 45 55

П, Па ■ с

СН3ОН Б 0.15 0.4 0.54 1.2 -

ДГ - 0.35 0.41 1.13 -

Т - 0.12 0.2 0.53 1.2

А - 0.1 0.13 0.16 0.26

С2Н5ОН Б 0.19 0.48 1.27 - -

ДГ - 0.40 0.60 1.53 -

Т - 0.20 0.30 0.86 2.5

А - 0.17 0.19 0.26 0.39

С3Н7ОН Б 0.31 0.57 1.92 - -

ДГ - 0.43 0.66 1.73 -

Т - 0.30 0.43 1.0 -

А - 0.21 0.26 0.30 0.45

С4Н9ОН Б 0.51 0.65 2.13 - -

ДГ - 0.56 0.79 2.12 -

Т - 0.46 0.63 1.39 -

А - 0.27 0.35 0.45 1.67

С5Н11ОН Б 0.61 0.82 2.35 - -

ДГ - 0.73 1.86 2.39 -

Т - 0.66 1.33 1.59 -

А - 0.71 0.84 0.97 2.25

ной системы Б/Б2 коаксиальных гладких цилиндров (соотношение радиусов цилиндров равно 1.06), при различных скоростях сдвига (у = 0.5— 437.4 с-1). Значения эффективной вязкости спир-тоугольных суспензий определяли при скорости сдвига у = 9 с-1.

Обсуждение результатов

Существенные различия в структуре и природе поверхности углей разной стадии метаморфизма приводят к различного рода взаимодействиям между дисперсной фазой и дисперсионной средой в топливных дисперсных системах. Естественно, что взаимодействие дисперсионной среды с такой гетерогенной поверхностью будет по-разному отображаться на процессах структурооб-разования. Изучение влияния низших спиртов ряда С1—С5 на эффективную вязкость суспензий угля при различных концентрациях дисперсной фазы (Ст, мас. %) показало, что в ряду метаморфизма, при переходе от бурых углей к антрациту, происходит снижение вязкости во всем исследо-

ванном диапазоне скоростей сдвига. Причем такая зависимость характерна для всех спирто-угольных суспензий, полученных как на основе нормальных, так и изоспиртов (табл. 4, 5), т.е. на основе углей марки А (по сравнению с остальными углями) можно получать более концентрированные суспензии при сохранении допустимых значений эффективной вязкости 1.0-2.0 Па • с

[1-5].

По влиянию низших спиртов на рост эффективной вязкости спиртоугольных суспензий на основе углей разной стадии метаморфизма можно построить следующий ряд: 1-пентанол > изо-пропанол > 1-бутанол > изо-бутанол > 1-пропанол > изо-пропанол, этанол > метанол. Необходимо указать, что суспензии, приготовленные в среде первых трех представителей низших спиртов: метанола, этанола и изо-пропанола - мало различаются по вязкости во всем диапазоне исследованных концентраций. Более того, встречаются данные, где изо-пропанол занимает промежуточное место между метанолом и этанолом по влиянию на вязкость спиртоугольных суспензий [10, 11].

Таблица 5. Вязкость спиртоугольных суспензий, полученных с применением изоспиртов

Марка угля Ст, %

Спирт 30 35 40 45 55

П, Па • с

изо-С3Н7ОН Б 0.22 0.50 1.74 — —

ДГ — 0.37 0.56 1.55 —

Т — 0.23 0.34 0.93 —

А — 0.19 0.23 0.28 0.40

изо-С4Н9ОН Б 0.43 0.63 1.99 — —

ДГ — 0.52 0.69 2.0 —

Т — 0.39 0.53 1.27 —

А — 0.23 0.29 0.39 0.51

изо-С5Н11ОН Б 0.56 0.72 2.26 — —

ДГ — 0.66 1.66 2.26 —

Т — 0.56 0.99 1.49 —

А — 0.58 0.64 0.76 1.93

Еще одной важной особенностью, характерной для всех углей ряда метаморфизма, является то, что суспензии, полученные с применением изоспиртов, характеризуются меньшей вязкостью, чем суспензии, полученные с применением нормальных спиртов. В некоторых работах такую зависимость связывают со степенью

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»