ВсОШ 2025, 9–11 классы, №Н-6
Коксовые газы. Возвращение
Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) – один из крупнейших заводов России, являющийся важным звеном в отечественной металлургической и химической промышленности. На ММК химические процессы играют важнейшую роль: от коксохимического производства и высокотемпературных реакций в доменных печах до легирования сталей, переработки шлаков и очистки промышленных газов. Коксохимическое производство – одно из ключевых для металлургической промышленности, так как переработанный в кокс уголь является основным топливом и восстановителем в доменном процессе. Коксовый газ, образующийся в процессе получения кокса, в настоящее время рассматривается как альтернативный источник сырья для химического синтеза или как топливо для выработки тепловой энергии. К сожалению, прямое использование коксового газа затруднительно наличием в его составе токсичного сероводорода. В настоящее время известно большое количество методов удаления сероводорода из коксового газа, некоторые из которых будут рассмотрены в настоящей задаче. Этаноламиновая очистка Сущность метода заключается в том, что коксовый газ, подлежащий очистке от сероводорода и углекислого газа, промывается %-ным водным раствором этаноламина % = . В промышленности для абсорбции кислых компонентов кокосового газа часто используют колонны с растворами этаноламина объемом до для кислого газа объемом = атм, . За время контакта газа с раствором этаноламина успевают установиться кислотно-основные равновесия, после чего кислый коксовый газ, содержащий и и поступает на последующие стадии очистки, а “обогащенный раствор” поступает в регенерационную колонну, где происходит его очистка от поглощенного сероводорода.
Вопрос . Рассчитайте значение %-го водного раствора этаноламина (-аминоэтанола);
исходного раствора (до сотых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . Рассчитайте значение “обогащенного” раствора;
обогащённого раствора (до десятых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . Рассчитайте эффективность ( %) этаноламиновой очистки коксового газа от ;
Эффективность очистки, % (до целых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . Определите содержание ( %) и в коксовом газе, поступающем в колонну этаноламиновой очистки. Физическая сорбция Если остаточная концентрация сероводорода в кислом коксовом газе еще слишком высока, в зависимости от требований к качеству газа, он может быть подвергнут дополнительной очистке с помощью адсорбции на активированном угле или цеолитах. Ниже приведены данные по адсорбции сероводорода из кислого коксового газа на цеолитовом сорбенте при комнатной температуре, подчиняющиеся Ленгмюровской адсорбции:
где – константа адсорбционного равновесия, – максимальная адсорбция, которая имеет место при очень высоком давлении.
| , мм.рт.ст. | ||||
|---|---|---|---|---|
| , г сорбента |
Доля , % (до десятых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Доля , % (до десятых).
Вопрос . При повышении температуры будет наблюдаться улучшение или ухудшение сорбционных характеристик материалов для очистки кислого коксового газа? Ответ объясните.
Изменение сорбционных характеристик.
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . Рассчитайте максимальную массу сероводорода (кг), способного адсорбироваться на кг цеолитового сорбента.
На вход в адсорбер со скоростью м3/мин подается кислый коксовый газ под давлением МПа с содержанием сероводорода . Температура в адсорбере °С.
Максимальная масса , кг (до десятых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Вопрос . Сколько кг цеолита в час необходимо подавать в адсорбер для того, чтобы добиться содержания сероводорода в очищенном газе?
Справочные материалы:
| , моль/(дм3·атм) | |||
|---|---|---|---|
Расход цеолита, кг/ч (до целых).
Обоснование и расчёты приведите в полном решении.
Полное решение задачи.
Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.
Ответ
Решение
Рассчитаем концентрацию раствора этаноламина:
В водном растворе этаноламина устанавливается равновесие:
Считая, что , = = :
В “обогащенном” растворе успевают установиться равновесия, значит так как имеет место равновесие между обогащенным раствором и кислыми газами, то:
В растворе содержатся ионы , , , , , , . Тогда уравнение электронейтральности выглядит следующим образом:
Используя выражения для констант кислотности: +
( + ) +
Рассчитаем равновесные концентрации форм в обогащенном растворе:
=
= =
= =
Таким образом, почти вся сера находится в форме гидросульфид-аниона. = = = моль
Таким образом, степень очистки коксового газа от сероводорода составляет:
Так как из коксового газа было удалено серы и доля в очищенном газе составила , то доля в газе, поступающем в колонну:
Повторим расчет для :
=
= =
= =
Таким образом, суммарная концентрация растворенного в растворе составляет .
Так как адсорбция – экзотермический процесс, то при повышении температуры константа равновесия адсорбции понижается. Таким образом, ухудшаются сорбционные характеристики материалов для очистки коксового газа.
Для определения максимальной адсорбции и константы равновесия, определим координаты, в которых изотерма Ленгмюра имеет линейный вид:
Таким образом, линейно от :
| , 1/атм | ||||
|---|---|---|---|---|
| , г сорбента) |
Определим параметры линейной зависимости:
= = г сорбента
Так как максимальная адсорбция - г г сорбента, то на кг сорбента способно адсорбироваться:
Определим давление сероводорода: = = Па = атм Используя изотерму Ленгмюра: = = = г г сорбента Так как газ подается со скоростью м3/мин, то за час через адсорбер проходит газа, начальное количество в котором: = = моль Так как необходимо снизить содержание со до , то: = = моль
Тогда в адсорбер ежечасно необходимо подавать: mцеолита = = г цеолита/час = кг цеолита/час