Спосіб стиснення газів

MKJ кл* С 06 Д 5/00 СПОСІБ СТИСНЕННЯ ГАЗІВ. Винахід стосується газової галузі, а саме способів стиснення газів. Відомий спосіб стиснення газів в оболонці з твердого газонепроникного матеріалу (балонах або посудинах), який відбувається згідно закону Бойля - Маріотта: для даної маси газу при постійній температурі об'єм газу змінюється протилежно пропорційно його тиску(див. Фриш С.Є., Тиморева А.В. Курс общей физики. Т 1. М.Л.: Гол. изд-во техн. - теор. литературы. 1952, с. 187.). Згідно способу, щоб зменшити, наприклад, об'єм газу у десять разів, треба подіяти на нього тиском у десять разів більшим, ніж був початковий тиск. Недоліком способу, обраного за прототип, є великі витрати енергії на стиснення газів, а також великий ступінь небезпечності здійснення стиснення, зберігання і використання газів. Завданням даного винаходу є зменшення витрат енергії на процесе стиснення газів дією зовнішньго тиску, а також підвищення безпеки процесу. Це завдання вирішують тим, що стиснення газів здійснюють у порово - тріщинному середовищі ліофільного матеріалу. Даний винахід грунтується на теорії ентропоосмосу і положеннях теорії самоорганізації речовини і енергії. Ентропоосмос являє собою самодовільний рух рідини проти градієнту її структурної організованості (СО), тобто у тому напрямі, де структурованість рідини вища. Якщо ентропоосмос відбувається в системі, в якій збільшення об'єму обмежено, то спрацьовує позитивний зворотній зв'язок, який посилює потік. За таких умов в системі відбувається самоорганізація речовини та енергії згідно узагальнюючому принципу синергетики: в системі закономірно наступає самоорганізація, якщо зовнішньою дією порушено рівновагу, виникає кооперативна поведінка елементів системи і переважає дія позитивного зворотного зв'язку (див. Васильченко А.А. Методология построения моделей процессов самоорганизации в геологии. - В сб.: Тез. док. „V межд. симпозиум по методологии математического моделирования". - Варна, 1990, -с. 243245). Розглянемо прояв ДІЇ ентропоосмосу і самоорганізації на прикладі насичення і набухання вугілля в середовищі метану. Відомо, що вугілля являє собою порово - тріщинну систему з порами від 0,3 нм і тріщинами до 10і см. В середовищі метану молекули газу адсорбуються на поверхні тріщін і пор (ефект змочування, або прояв ліофільності). Утворюється моношар метану, який можна розглядати як двомірну рідину. У звуженні тріщін і тонких порах адсорбційні шари перекриваються, виникає тримірна рідина метану. Далі формується ентропоосмотичний потік у напрямі звуження тріщин і пор, де СО вища. Стиснення рідини потоком приводить до збільшення СО, що обумовлює посилення потоку (дія позитивного зворотного зв'язку). Дія ентропоосмотичного потоку відбувається за рахунок теплового (дифузійного) руху молекул, організованого градієнтом СО в одному напрямі. Таким чином тепловий рух перетворюється у тиск рідини і проявляється у напруженому стані твердого тіла. Якщо обмежити набухання і збільшення об'єму зразка вугілля, то тиск у рідині і відповідно величина напруження можуть значно перевищувати тиск як метанового середовища, так і зовнішній початковий тиск на зразок вугілля. Якщо раптово зняти зовнішній тиск, то зразок вугілля розривається на дрібні шматки. Високовпорядковані структури з молекул газу існують тільки в умовах постійного підпору ентропоосмотичним тиском, збереження розмірів тріщін та пор, а також існування газового середовища навколо порово - тріщинного тіла. Можливість стиснення газу у порово - тріщинному середовищі твердого тіла можна продемонструвати на прикладі системи вугілля метан (див. Рыженко И.А. О напряжении набухания в системе уголь метан в пласте. -Уголь Украины, 1982 N° 10, с. 27). Насичення вугільного зразка з пористістю 4,55-10"2 м3/м3 проводили під тиском у 1 МПа у середовищі метану. Результати приведені у таблиці 1. Таблиця 1 Зовнішній механічний тиск, МПа Напруження набухання, МПа 0 1,5 2,5 4,7 5 9,2 З результатів насичення видно, що напруження набухання (стиснення газу) приблизно удвічі перевищує величину зовнішнього стисканняя зразка і кратно перевищує тиск газу навколо зразка. Роль зовнішнього стискання полягає у тому, що збільшується кількість тонких тріщин і пор. Газове середовище навколо зразка вугілля тільки „підгодовує" потік метану у тріщини і пори. Такий самий процес самостискання газу у порово - тріщинному середовищі гірських порід відбувається у природних умовах: метану у вугільних відкладах; метану, водню, азоту і двоокису вуглецю у відкладах карналіту та сільвініту. Несподіваними для гірників, які видобувають вугілля або калійні солі, є високі для тих глибин тиски газу і велика потужність раптових викидів газу і гірської породи. Для пояснення цих явищ притягались лінзова побудова (ізоляція звідусіль) пласт або збереження у гідратному стані газів з тих часів, коли був льодовиковий період. Обидві моделі не знайшли підтверження. Тільки синергетична модель, пов'язана з самоорганізацією речовини і енергії, дає несуперечливе пояснення явищам, які відбуваються у шахтах і відтворюються в лабораторних умовах. Збільшення тиску газу навколо зразка вугілля викликає збільшення напруженняя набухання (див. Эттингер И.Л. Физическая химия газоносного угольного пласта. -М. Наука. 1981. с.83.): Таблиця 2 Тиск СО2, МПа Напруження набухання, МПа t,o 56,3 2,0 75,0 3,0 91,0 Таким чином, можна визначити такі умови, коли стискання і самостискання газу стає можливим: - наявність порово - тріщшшого середовища; - змочуваність (ліофільність) поверхні твердого тіла; - наявність середовища навколо твердого тіла того газу, який стискають. Крім того, існують фактори, які сприяють стисканню газу: - зменшення діаметру пор і товщини тріщин (за рахунок стиснення твердого тіла); - підвищення тиску у тіла; газовому середовищи навколо твердого 5 - обмеження розширення твердого тіла під час набухання. Для вивільнення газу з порово - тріщинного середовища необхідно: - розширити пори ітмшини; - зруйнувати порово - тріщинне тіло. Приклад здійснення способу 1. Подрібнене вугілля (антрацит) пресують у брикети, фіксують розміри брикетів перфорованими пластинами. Далі брикети розміщують у середовищі метану (або етану, або пропану) і насичують газом. Після насичення брикети упаковують у газонепроникну пластмасову плівку. здійснення способу 2. Цеоліт (або бентоніт, або вермікуліт) пресують у брикети кулеподібної форми і покривають перфорованою оболонкою. Далі брикети розміщують у середовищі СО2 (або кисню, або водню) .і насичують газом під тиском. Після насичення газом брикети покривають газонепроникною оболонкою. Можлиш напрями використання газу, стиснутого у порово трішинному тіли Брикети з матеріалу, який не підтримує горіння, і насичені газом, який не підтримує горіння (СО2), можна використовувати для гасіння лісових пожеж. Крім утворення газового середовища, яке не підтримує горіння, використовується холодна вибухова хвилля від раптового звільнення стиснутого газу. Зберігання горючих газів у брикетах вугілля дозволяє за рахунок поступового вивільнення використовувати спочатку газ як паливо, а далі і самий брикет. 6 Брикетовані кисень і водень можуть використовуватись як вибухонебезпечні і екологічно чисті паливні елементи, наприклад, автомобілів. Вони можуть також використвуватись для одеря^ння потужної гарячої вибухової хвшгі. Використання способу стиснення газів дозволить значно зменшити витрати енергії на стиснення газів і підвищити безпеку під час їх зберігання і використання.