Целі.Образовательная. Розширити уявлення про розвиток азотної промисловості, наукових засадах і головних напрямках розвитку хімічної технології. Пояснити значення робітничих професій на хімічному виробництві.
Розвиваюча. Розвивати в учнів уміння самостійно здобувати знання, характеризувати загальні наукові принципи на прикладі вивчення хімічного виробництва аміаку.
Виховна. Виховувати переконаність в необхідності охорони природи, сприяти формуванню інтересу і поглиблених знань з предмета, екологічному вихованню, розвитку мовлення.
Тип уроку. Урок узагальнення вивченого матеріалу з використанням комп'ютерної інформації.
УЧИТЕЛЬ. Ми сьогодні пропонуємо вам незвичайну подорож на хімічне підприємство з виробництва аміаку.
ЕКСКУРСОВОД (під відповідне звукове оформлення розповідає історію розвитку азотної промисловості). У ХХ ст. починається інтенсивне будівництво заводів для виробництва сполук азоту. Витрати на це виробництво були дуже високі, що пояснювалося недосконалістю технології. Основна частина енергії взагалі витрачалася даремно. Принципово нове рішення проблеми фіксації азоту було знайдено незадовго до Першої світової війни. Йдеться про синтез аміаку - основному процесі сучасної технології зв'язування азоту. Такий синтез був здійснений відомим німецьким хіміком Фріцем Габер в 1908 р Виявилося, що при високому тиску і температурі в присутності осмієва каталізатора азот вступає в реакцію з воднем, в результаті чого утворюється аміак:
Закономірності впливу тиску і температури на рівновагу реакції були узагальнені в так званому принципі Лешательє, названому на честь його першовідкривача - чудового французького вченого. Користуючись цим принципом, можна було визначити, при якому саме тиску і температурі найкраще проводити процес синтезу аміаку.
Розповідаючи про настільки бурхливому інтерес до пов'язаного азоту на початку ХХ ст. необхідно пояснити, що його сполуки були потрібні не тільки для створення високопродуктивного землеробства, а й для розвитку промисловості барвників, а головне - виробництва пороху та вибухових речовин. У період Першої світової війни інтерес до мирного використання азоту буквально потонув у попиті на нитросоединения для військових потреб. Кращі хіміки Франції, Німеччини, Англії в умовах гострої конкуренції намагаються створити промисловий спосіб отримання аміаку. Німецькі дослідники Ф.Габер і К.Бош створили циркуляційну схему синтезу аміаку під тиском. У 1913 р в Німеччині запрацювала перша промислова установка.
Розвиток азотної галузі промисловості послужило поштовхом до створення потужної німецької хімічної індустрії. Пізніше і в інших країнах виникли заводи по синтезу аміаку, всі вони використовували процес Габера-Боша. За розробку процесу синтезу аміаку Габеру і Бошу в 1918 р було присуджено Нобелівську премію. Однак і в даний час, після майже століття, пошуки оптимального каталізатора тривають.
Далі екскурсовод пропонує маршрут по станціях (основні стадії виробництва аміаку представлені у вигляді станцій).
Перша станція: «Підготовка сировини»
ПОВІДОМЛЕННЯ УЧНІВ (схема 1).
Найважливіші складові хімічного виробництва
Більшість процесів вимагає витрати енергії. У хімічному виробництві енергію також витрачають і на проведення допоміжних операцій: транспортування сировини і готової продукції, стиснення газів, контрольно-вимірювальне обслуговування і ін. Хімічна галузь промисловості відноситься до однієї з найбільш енергоємних. Середня витрата електричної енергії на виробництво 1 т аміаку - 3200 кВт • год.
Особливе місце серед природних ресурсів займає вода. Вона грає важливу роль і в хімічній галузі промисловості. Будучи універсальним розчинником і одним з найбільш поширених каталізаторів, вода дає можливість здійснювати багато хімічних реакцій з більшою швидкістю (в розчинах або в присутності її слідів). Крім того, вода використовується як теплоносій через її великий теплоємності, доступності та безпеки в застосуванні. Нею охолоджують реагують маси, нагріті в результаті екзотермічних реакцій. Водяною парою або гарячою водою підігрівають взаємодіючі речовини для прискорення реакцій або проведення ендотермічних процесів.
Сучасні хімічні комбінати витрачають мільйони кубічних метрів води на добу. Наприклад, для отримання 1 т аміаку потрібно 1500 м 3 води. Тому хімічні підприємства будують поруч з водними джерелами.
Завдання скорочення витрат води хімічними підприємствами вирішують в трьох основних напрямках:
• широке застосування оборотного водопостачання (вода, яка використовується в теплообмінних апаратах, охолоджується і знову надходить в теплообмінні апарати, і так повторюється багато разів);
• заміна водяного охолодження повітряним;
• очищення стічних вод і їх повторне використання.
Сировиною називають природний або штучний матеріал, який підлягає подальшій переробці і використовуваний в промисловості для отримання різних продуктів.
У зв'язку з бурхливим розвитком промисловості зростає і обсяг споживання корисних ресурсів. Це призводить до того, що багато сировинні джерела швидко виснажуються, тому необхідно вирішувати проблему дбайливого і раціонального витрачання сировини.
У виробництві аміаку в якості сировини використовується природний газ метан (схема 2).
Сировина для синтезу аміаку
Вихідну суміш газів беруть в співвідношенні: 1 обсяг N2 до 3 обсягами Н2. Реагують гази ретельно очищають, потім подають в турбокомпресор, де стискають до 25-60 МПа, після чого змішують з циркуляційним газом і направляють в колону синтезу.
Друга станція «Хімічний процес»
ПОВІДОМЛЕННЯ УЧНІВ. Колони синтезу бувають різної конструкції, на схемі (схема 3) представлена колона, котра поєднує в одному корпусі і катализаторную коробку, і теплообмінник.
Установка для синтезу аміаку
Розглянемо реакцію, що лежить в основі отримання цільового продукту:
Підбір оптимальних умов проведення синтезу здійснюється виходячи з характеристик хімічної реакції.
1) Реакція оборотна, гомогенна (вихідні речовини і продукти - це гази) і йде зі зменшенням обсягу, отже, зміщення рівноваги в бік продуктів сприяє підвищений тиск.
2) Реакція екзотермічна, підвищення температури зміщує хімічну рівновагу в бік вихідних речовин, а зниження температури - в сторону продуктів реакції, але при цьому швидкість синтезу буде дуже мала. Тому реакцію проводять при оптимальній для даного процесу температурі: 450-500 ° С. Вихідну суміш газів спочатку нагрівають в теплообміннику за рахунок рухомих противотоком вихідних газів, а потім в зоні екзотермічної реакції. (Противоток - це рух різних речовин назустріч один одному з метою створення найкращих умов для обміну енергією.)
3) Для прискорення синтезу, якнайшвидшого встановлення рівноваги використовують каталізатор - відновлене залізо, активований оксидами калію, алюмінію і ін.
Реагенти та продукти реакції знаходяться в газовій фазі і утворюють гомогенну систему. Реакція протікає на поверхні твердих каталізаторів. Така реакція становить особливий клас гетерогенно-каталітичних реакцій. Велике значення має площа поверхні каталізатора. Каталізатор виготовляють у вигляді губчастих гранул або таблеток. Оскільки активність каталізатора сильно знижується від присутності домішок, то реагують гази піддають ретельному очищенню (від води, з'єднань сірки і ін.).
4) При всіх зазначених умовах проведення реакції рівноважний вихід продукту становить не більше 20%. Тому синтез продукту здійснюється за способом багаторазової циркуляції. т. е. не прореагували суміш газів багаторазово повертають у виробництво після відділення від неї отриманого продукту.
Третя станція «Відведення продуктів із зони реакції»
Відведення продуктів і непрореагировавших речовин із зони реакції проводять через холодильник з подальшим поділом в сепараторі.
Газова суміш, що складається з непрореагировавших речовин і продукту реакції (азот, водень, аміак) після контакту з каталізатором попередньо охолоджується в теплообміннику, віддаючи теплоту входять газам, а потім надходить в холодильник. Охолодження, яке виробляють водою, що рухається протитечією, призводить до конденсації продукту реакції, в сепараторі він відділяється від непрореагировавших газів, які циркуляційний компресор повертає в колону синтезу.
Багаторазова циркуляція газів дозволяє підвищити вихід продукту до 85-90% від теоретичного. Витрати на виробництво істотно знижені за рахунок здійснення безперервності процесу. Це дозволяє повністю автоматизувати виробництво.
Безперервність виробничого процесу і його автоматизація підвищують продуктивність праці. На сучасному хімічному виробництві всі процеси повністю автоматизовані. Якщо механічними процесами управляє людина за допомогою технічних пристроїв, то таку систему називають дистанційним, або телекеруванням. Телеуправління відноситься до неповної автоматизації. При повній автоматизації усіма процесами керують електронно-обчислювальні машини за заданою програмою.
Організація комплексного, безвідходного використання сировини дозволяє народному господарству отримати величезну додатковий прибуток і вирішити проблему навколишнього середовища.
У 1932 р академік А.Е.Ферсман охарактеризував значення комплексного використання сировини так: «Комплексна ідея є ідея в корені економічна, створює максимальні цінності з найменшою витратою коштів і енергії, але це ідея не тільки сьогоднішнього дня, це ідея охорони наших природних багатств від їх хижацького марнування, ідея використання сировини до кінця, ідея можливого збереження наших природних запасів на майбутнє ».
Основні шляхи створення та переваги безвідходного виробництва
1. Здійснення циркуляції реагують речовин по замкнутому колу до повного перетворення в кінцеві продукти. Приклад такого процесу - виробництво аміаку.
2. Ретельна очистка газів, що відходять і стічних вод.
3. Заощадження матеріальних, енергетичних, сировинних і трудових ресурсів.
4. Підвищення ролі хіміків-технологів і кваліфікованих робітників. В умовах науково-технічної революції, в період бурхливого розвитку і науки, і техніки важко назвати якусь галузь промисловості і сільськогосподарських виробництв, яка не була б пов'язана з хімією.
На заводі з виробництва аміаку найбільш важливі професії - оператор, компрессорщик, апаратник, каталізаторщік, лаборант і ін. Сучасне хімічне виробництво потребує робітничих кадрах найвищої кваліфікації.
5. Охорона навколишнього середовища від забруднень промисловими відходами. Боротьба з шкідливим впливом на природу та людину промислових відходів - одна з найважливіших проблем захисту навколишнього середовища, тому був прийнятий закон про охорону та раціональне використання природних ресурсів.
Способи боротьби із забрудненням навколишнього середовища
1) Будівництво різних очисних споруд.
2) Створення і впровадження безвідходних технологічних процесів.
3) Пристрій замкнутих циклів водокористування.
4) Використання нових видів палива, які не призводять до забруднення навколишнього середовища.
5) Створення лісових зон навколо міст і промислових центрів.
ЕКСКУРСОВОД. Давайте виділимо наукові принципи організації хімічного виробництва (таблиця).
5. Захист навколишнього середовища і людини
Автоматизація шкідливих виробництв, герметизація апаратів, утилізація відходів, нейтралізація викидів в атмосферу
Виробництво аміаку вважається найбільш передовим з точки зору хімічної технології. Аміак використовують в отриманні азотної кислоти, яка йде на виробництво добрив, ліків, барвників, пластмас, штучних волокон, вибухових речовин.
Сьогодні вже немає причини побоюватися майбутнього «азотного голодування».
Історія використання пов'язаного азоту - це нагадування про необхідність дбайливого ставлення до біосфері. Важелі потужного впливу на природу, які дає людству наука, повинні використовуватися надзвичайно розумно, раціонально, а головне, не тільки в ім'я сьогодення, а й майбутнього Землі.
Для закріплення теми вчитель пропонує відповісти на ряд питань.
1) Охарактеризуйте сутність автоматизації та механізації виробничих процесів.
2) Перерахуйте основні фактори, що дозволяють прискорити хімічні реакції.
3) Охарактеризуйте основні способи боротьби із забрудненням навколишнього середовища.