DD267570A1

DD267570A1 - Verfahren zur charakterisierung des reaktionsverhaltens von kohlen und kohleverarbeitungsprodukten

Info

Publication number: DD267570A1
Application number: DD30965387A
Authority: DD
Inventors: Gert Kloess; Andreas Zahn; Michael Werner
Original assignee: Univ Leipzig
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1987-11-30
Publication date: 1989-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung des Reaktionsverhaltens von Kohlen und Kohleverarbeitungsprodukten, mit dessen Hilfe Reaktionsverlaeufe, z. B. Phasenneubildungen, Extraktionsprozesse und Alterungsvorgaenge, im Stoffsystem Feststoff - Fluessigkeit zeitlich quantifiziert und dynamisch verfolgt werden koennen. Somit koennen u. a. in den Systemen Kohle bzw. Kohleverarbeitungsprodukte - Fluessigkeit Aussagen zum carbochemischen Veredlungsverhalten von Kohlen getroffen werden. Grundlage fuer das Verfahren sind bei Feststoff-Fluessigkeit-Reaktionen auftretende Dichteaenderungen, die in direktem Zusammenhang mit den zu messenden Immersionswaegewert-Zeit-Kurven stehen. Die hydrostatische Waegung wird in einer dafuer hergerichteten Analysenwaage realisiert. Als Probenbehaeltnis dient ein Pyknometer.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren, mit dessen Hilfe Reaktionsverläufe, z. B. Phasenneubildungen, Extraktionsprozesse und Arterungsvorgänge im Stoffsystem Feststoff-Flüssigkeit quantifiziert und dynamisch betrachtet werden können. Grundlage dafür sind die bei derartigen Reaktionen In definierten Systemen auftretenden Dichteänderungen, die in direktem ' Zusammenhang mit den meßbaren Änderungen des Immersionswägewertus stehen.

Charakterisierung des Standes von Wissenschaft und Technik

Bedeu .linde Informationen für die chemische Veredlung von Kohlen liefern Aussagen zum Extraktionsverhalten mit verschiedenen Lösungsmitteln. Hierbei sind nicht nur die bisher genutzten quantitativen Extraktionsausbeuten von Interesse, sondern auch genauere Kenntnisse zum zeitlichen Reaktionsverlauf, der ° .undsätzlich in einen Qu eil- und einen' feaktionsprozeß unterteilt werden kann.

Es ist keine direkte Methode bekannt, nach der schnell und unkompliziert Aussagen zum Abiauf der Vorgänge im Hinblick auf zeitliche Quantifizierung der extraktiven Behandlung von Kohlen gemacht werden können. Gerade die zeitliche Reaktioneabhängigkeit der Extraktionen ist jedoch praxisbedeutsam, da hieraus Wechselwirkungen zum dynamischen carbochemischen Veredlungsverhal'.en, z. Ti. in der katalytischen Hochdruckhyrtrterung, gezogen werden können.

Weiterhin Ist für Kohleveredlutigsprozesse, in denen die Kohlen nicht staubförmig verarbeitet werden können und ein Maischprozeß notwendig ist, eine Charakterisierung des Maischverhaltens der Kohle, Insbesondere des Alterungsverhaltens unter erhöhten Temperaturen (T < 160⁰C) vor. besonderem Interesse.

Ein Nachteil der bisher beschriebenen und genügten Methoden ist, daß bo! der Extraktion von Kohlen bisher nur gesamtquantitative Aussagen erfolgen können, die keinen Bezug zum interessierenden zeitlichen Reaktionsablauf ermöglichen.

Eine Routinemethode zur Ermittlung des AlterungsverhaJtens von Kohlemaischen ist nicht bekannt. Mangels dieser Verfahren können keine zeltlichen Aussagen zur Änderung des Maischverhaltens gemacht werden, obwohl bereits die Wechselwirkungen zwischen Kohle und Mcfccht» /or dem eigentlichen Kohleveredlungsprozeß diesen wesentlich beeinflussen können. Bedeutsam wire eine leichte Charakterisierungsmöglichkeit der Reaktionsverläufe zwischen Flüssigkeiten und Kohle bzw. Kohlefolgeprodukten, die auch in Temperaturbereichen außerhalb Normaltemperatur erfaßt werden können.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren zur schnellen und genauen Charakterisierung der Reaktionsvorgänrja zwischen Kohle, Kohleverarbeitungsprodukten und Flüssigkeiten besonders in ihrem zeitlichen Vorlauf zu erschließen. Eine Aufklärung der chemischen Veränderungen sollte aus Untersuchungen zum zeitlichen Reaktionsverlauf unkompliziert ermittelt werden können. Da der Routinebetrieb in Betriebslaboratorien eine einfache und schnelle Methode mit leicht zu realisierenden materielltechnischen Bedingungen erfordert, besteht ein echter Bedarf an einem entsprechenden Verfahren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den seitlichen Reaktionsveriauf zwischen Kohle und Kohleprodukten einerseits und Flüssigkeiten andererseits quantitativ zu erfassen. Es wurde erkannt und wissenschaftlich begründet, daß die Aufnahme einer Immersionswäpewert-Zeit-Kurve einen Beitrag zur Lösung der Aufgabenstellung leisten kann. Unter Immersionswägewert wird das scheinbare Gewicht der sich im Kontakt mit einer Flüssigkeit befindlichen Probe verstanden. Dieser Wert entspricht der Differenz von Gewichtskraft und hydrostatischer Auftriebskraft.

Laufen In einem definierten System, welches sich im Gleichgewicht beider Krflfta befindet, Reaktionen derart ab, daß im Feststoff durch Einbindung von Flüssigkeitsmolekülen bzw. Extraktion von Feststoffsubstanzen eine Änderung der Dichte des Feststoffes erfolgt, dann wird daraus eine Änderung des Immersionswägewertes. Bei Zunahme dieses Wertes im System Kohle-Flüssigkeit ist diese Tatsache mit einer Phasenneubildung zu erklären. Dies ermöglicht die quantitative Erfar lung sich pro Zeit- und Volumeneinheit des eingesetzten Feststoffes neugebildeten Phasen.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Immersionswägewert eineo Gefäße«, das eine Kapillaröffnung aufweist sowie eine weitere öffnung zum Einbringen von Feststoff, wie ein Pyknometer o. dgl., bestimmt wird. Das Gefäß wird getrocknet und mit Feststoff gefüllt. Es wird die Flüssigkeit eingebracht und mit dem Feststoff innig vermischt, z. B. im Ultraschallbad. Das gefüllte Gefäß wird an einer Wägevorrichtung befestigt und in einen Vorratsbehälter mit der gleic an Flüssigkeit eingetaucht, bis es völlig unter der Oberfläche ist. Jetzt wird der Immersionswägewert des gefüllten Gefäßes m Iv₉) bestimmt und die Zeit to notiert. In Zeitintervallen, die eine halbe Stunde nicht überschreiten, wird der Immersionswägewert des gefüllten Gefäßes mi(t) abgelesen und die Meßwerte miteinander korreliert. Man trägt Ami/mi gegen t auf, wobei

Ami _d mi(t)-

mi mi (to) — mn

gilt und m_tl der Immersionswägewert der flussigkeitsgefüllten, aber kein Probenmaterial enthaltenden Pyknometer bei gleicher Temperatur ist. Eine mathematische Auswertung der aufgenommenen Wertepaare, z. B. mitteis einer iterativen Regression nach einer Funktion des Typs

Ami => Am_m„,i(1 - exp - — )ⁿ

wobei Ami — Änderung des Immersionswägev.artes

Am_1nU₁I — Höchstwert von Arrii nach Abschluß der Reaktion

t — Zeit

τ, η — Parameter

sind, wird dadurch möglich.

Die Auswertung der durch Meßpunkte bestimmten und mathematisch definierten Kurvenverläufe gestattet Aussagen zu

folgenden Aspekten:

1. Rea':tionsumsatz — Der iterative ermittelte Wert Am_mw,i gestattet Vorhersagen über den zu erwartenden

Reaktionsumsatz bzw. Ober den Gehalt an löslichen oder spaltbaren Bestandteilen.

2. Reaktionstyp — UnterschiedeinFormvercchiedenerWertederParameterTundngestattenAussagenüber

Qualitäten/Eignungen verschiedener Kohlen, Kohleprodukte bzw. Flüssigkeiten

3. Reaktionsgeschwindigkeit — Die Erfassung der Reaktionsgeschwindigkeit gestattet die Optimierung technologischer

Parameter, z. B. Festlegung einer optimalen Maischtemperatur. Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. AusfChrungsbeispiel Die Figur verdeutlicht den Versuchsaufbau. Versuchsablauf:

1. Füllen des Pyknometer mit dem Untersuchungsmaterial (etwa halbvoll, stets gleiche Fällmenge.)

2. Auffüllen der Flüssigkeit, so daß die Probenmenge bedeckt ist (ZeW notieren).

3. Durchmischung im Ultraschallbad. Dabei wird das Pyknometer nur bis zum Hals ins Bad getaucht, um zu vermeiden, daß Badflüssigkeit ins Pyknometer gelangt.

4. Weiteres Auffüllen von Pyknometerflüssigkoit und zustöpseln mit Schliffkappillare bei möglichst wenig Verlust der inneren Flüssip'.eit.

5. Befestigung an der Waage, deren Nullpunkt zuvor eingestellt wurde.

6. Aufnahme der Änderung des Immersionswägewertes in Abhängigkeit von der Zeit.

7. Nach Abschluß von 6. Immarsionswägung des leeren Pyknometers.

8. Bildung der relativen Immersionswägewertänderung Anv'mi, wobei rri|(t_o) der erste gemessene Immorsionswägowert ist.

9. Graphische Darstollung der Wertepaare (t; Ami/m,) und/oder mathematisch-statistische Verarbeitung.

So lassen sich durch das vorgeschlagene Meßverfahren bei Feststoffen bzw. Feststoffgemischen, die unter Einbindung von Flüssigkeiten zur Phasenneubildung neigen, diese Neubildungen dynamisch quantifizieren. Dies gilt auch für extraktive Reaktionen, z. B. an Kohlen und Kohleprodukten. Je größer Ami/rtii ist, desto größer ist das Extraktionspotential dor untersuchten Kohlen.

Versuchsmessungen

Als Beispiel wurden zwei Kohlepulver untersucht. Als Immersionsflüssigkeit fand Tetrahydrofuran Verwendung, das eines der in der Praxis verwendeten Extraktionsmittel darstellt. Als andere mögliche Immersionsflüssigkeiten kommen in Frage:

a) für extraktive Untersuchungen—Lösungsmittel und Chemikalien wieToluen, Ethanol, Pyridin u.a.;

b) für Maischuntersuchungen—kohlestämmige Leicht-, Mittel- und Schweröle, erdölstämmige öle sowie Modellanmaischflüssigkeiten wieTetialin, 1-Methyl-Naphtalin usw. allein bzw. im Gemisch.

Die ImmerslonswSgekurven sind im Diagramm dargestellt:

— Probe EGR-Staub (elektrogefiltertes Kohleunterkorn aus der Brikettfabrik Bohlen)

— Probe gelbe Kohle aus dem Tagebau Delitzsch Süd/West.

Die Kohle mit dem größeren Extraktionspotential ist die gelbe Kohle aus dem Tagebau Delitzsch Süd/West.

Claims

1. Vorfahren zur Charakterisierung des Reaktionsverhaltens von Kohlen und Kohleverarbeitungsprodukten, die sich in festem Zustand befinden und die bei Kontakt mit Flüssigkeiten durch Einbringen von Fiüssigkeitsmolekülen oder durch Extraktion von Festsubstanz eine Dichteänderung zeigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Immersionswägewert eines mit Prüfgut und Flüssigkeit gefüllten Gefäßes, das eine Öffnung zum Einbringen von Feststoff und Flüssigkeit enthält, die mit seinem Stopfen o. dgl·, der eine Kapillaröffnung besitzt, verschließbar ist, in definierten Zeitintervallen bestimmt wird und die Immersionswägewertänderung zum Zeitablauf korreliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein trockenes Gefäß wie ein Pyknometer ο. dgl. mit zu untersuchendem Feststoff gefüllt wird, Flüssigkeit eingebracht wird, Feststoff und Flüssigkeit innig vermischt werden, das Gefäß in der Art verschlossen wird, daß nur noch über die Kapillaröffnung Stoffaustausch mit der Umgebung möglich ist, das gefüllte Gefäß an einer Wägevorrichtung befestigt und in einen Behälter mit der Flüssigkeit völlig eingetaucht wird, der erste Immersionswägewert bestimmt wird, in Zeitintervailen von 1 bis 30 min weitere Werte bestimmt werden und die relative Immersionswägewertänderung Δπΐ|/ιτΐ| gegen t korreliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein organisches Lösungsmittel ,wie Toluen, Ethanol, Pyridin o. dgl. ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Leicht-, Mittel-, Schweröl, Tetralin, 1-Methylnaphtalin o. dgl. ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff Kohlekörner oder -pulver darstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchmischen mittels Ultraschall erfolgt.

7. Verfahron nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall der Immersionswägewertmessung 30:nin beträgt

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoffaustausch mit der Umgebung über die Einfüllöffnung des Gefäßes vonstatten geht.