Роле-игровой проект по теме "Производство уксусной кислоты"

Разделы: Химия


Консультанты проекта: преподаватель ТГПУ.

Предмет: химия, 10 класс, курс органической химии.

Учебные дисциплины, близкие к теме проекта: физика, математика, экология.

Тип проекта: исследовательский, практико-ориентированный, ролевой.

Проект предназначен для учащихся биолого-химических классов.

Цели:

  • Образовательные – формирование умений и навыков работы с различными источниками информации, расширение политехнического кругозора, изучение технологии производства уксусной кислоты, основ техники безопасности органического синтеза;
  • Воспитательные – воспитание у школьников чувства коллективизма, ответственности, бережного отношения к природе;
  • Развивающие – развитие творческого, экологически направленного мышления школьников, умений самостоятельного поиска нужной информации.

Задачи:

  • Изучить способы получения карбоновых кислот;
  • Узнать содержание и трудовые обязанности людей разных профессий химического производства;
  • Воспитывать готовность к активности, самостоятельности и поисковой деятельности учащихся, раскрыть творческие способности на примерах управления химико-технологическими процессами;
  • Обучить приемам активного речевого общения в ходе коллективного обсуждения и принятия решения.

Имитационная модель: на расширенном производственном совещании при “директоре” обсуждается понижение концентрации уксусной кислоты на выходе из реактора.

Оборудование: растворы уксусной кислоты разной концентрации, набор ареометров, таблицы, схемы, лабораторная посуда.

Аннотация: данный проект направлен на расширенное изучение курса органической химии учащимися, профориентацию.

Предполагаемые продукты проекта: деловая ролевая игра.

Этапы работы:

Определение темы и целей проекта, постановка проблемы; планирование работы над проектом; распределение ролей; изучение заданной ситуации и технологического процесса производства уксусной кислоты; подбор и обзор литературы; проведение эксперимента ; формулирование и оформление результатов; оценка деятельности.

Распределение ролей.

Все участники игры получают роли: “директор завода”, “главный инженер”, “экономисты”, “сотрудники научного отдела”, “сотрудники отдела охраны труда” , “инспекторы по охране окружающей среды”, “сотрудники отдела сбыта”, “сотрудники отдела главного энергетика”, представители заводской химико-аналитической лаборатории.

Примерный сценарий

Учитель: во вступительном слове объявляет тему и цель урока, обосновывает необходимость синтеза большого количества уксусной кислоты (крупно - тоннажное производство), в обсуждении создавшейся ситуации примут участие сотрудники разных отделов предприятия. Для ведения совещания слово предоставляется директору завода.

Директор завода. Коллеги, от контролеров ОТК вчера получено заявление о том, что вчера, концентрация уксусной кислоты понизилась до 70%. Сегодня мы собрались для того, чтобы определить причины понижения концентрации. Прежде чем приступить к анализу, я хочу дать слово главному инженеру.

Главный инженер. Уксусная кислота – один из важнейших нефте – химических продуктов и в настоящее время получила широкое распространение. Водный раствор используется в пищевой промышленности в качестве вкусового и консервирующего средства, сложные эфиры уксусной кислоты используются как растворители и душистые вещества. Широко используется уксусная кислота в производстве ацетатного волокна, в синтезе красителей и лекарственных веществ, в производстве гербицидов (веществ, которые используются в с/х).

Такое широкое применение уксусной кислоты повлекло за собой и расширение ее производства во всех странах мира, в том числе и нашей страны.

Заместитель директора по науке и технике. Произвести уксусную кислоту можно разными способами. Самым старым промышленным методом является перегонка древесины с помощью бактерий. В настоящее время также используется бактериальный метод в основном для получения пищевого уксуса. Уксусную кислоту, которая идет в дальнейшее производство, получают из ацетальдегида, ацетальдегид получают из ацетилена, а ацетилен можно получить двумя способами: а) из метана 2СН4 —> С2Н2 + 3Н2 ;

б) из карбида кальция СаС2 + 2Н2О —> С2Н2 Са(ОН)2;

(СаСО3 —> СаО —> СаС2 —> С2Н2)

Смесь продуктов пропускают через раствор сульфата меди (II) для удаления гидроксида кальция, получают чистый ацетилен.

Чистый ацетилен пропускают через раствор оксид ртути (II), который является катализатором, нагревают до 200 0С, получают уксусный альдегид. Эта реакция называется реакцией гидратации ацетилена. Открыл эту реакцию русский ученый Михаил Григорьевич Кучеров в 1881 г., поэтому она носит название – реакция Кучерова:

СН ? СН + Н2О —> [СН2 = С ОНН] —> СН2 - С ОН. Ацетальдегид поступает на производство уксусной кислоты. Этот способ имеет свой недостаток – используемые в нем соли ртути являются ядовитыми соединениями и могут вызвать отравление. Более современным является способ окисления этилена. Это наиболее перспективный способ: 2СН2 =СН2 + О2 2СН3 – С – Н Используется безртутный катализатор – PdCl2.

Современный способ: 2СН3-СН2-СН2-СН3 + 5О2 —> 4СН3- СООН + 2Н2О.

Данная реакция протекает в одну стадию, в качестве катализатора используются соли марганца и кобальта, это стало возможным благодаря достижениям науки и техники. В настоящее время общее число каталитических процессов, используемых в технологии, исчисляются сотнями. Катализ- основа получения всех веществ, на которых базируется производство новых синтетических материалов. Путем подбора катализатора можно направить реакцию в сторону получения определенного продукта из большого числа возможных продуктов.

Инженер – технолог. Теперь коснемся непосредственно получения уксусной кислоты. На нашем заводе, как в прочем и на всех остальных заводах, уксусную кислоту получают путем окисления ацетальдегида: СН3СОН —> СН3СООН.

Образование уксусной кислоты идет в присутствии катализатора ацетата марганца [Mn(OCOCH3)]. Наиболее гладко данный процесс протекает в специальных окислительных колоннах (используется плакат, или компьютерная презентация). Окислительная колонна около 10 метров, состоит из нескольких отсеков. Снизу в колонну подается ацетальдегид и раствор ацетата марганца, кислород поступает во все царги колонны, кроме двух верхних и создается возможность регулировать процесс окисления по высоте колонны. В каждой царге, кроме верхней, имеются алюминиевые змеевики. Верхняя царга заполнена жидкостью, служит брызгоулавливателем, через который отходят непрореагировавший кислород и ацетальдегид. Газовая смесь, выходящая из верхней части колонны охлаждается до -10 0С в рассольном холодильнике. Здесь конденсируется основная часть увлеченного ацетальдегида и возвращается на окисление. Для того, чтобы определить причины понижения концентрации уксусной кислоты нам необходимо сделать анализ.

Директор завода. Директор завода дает задание:

- лаборантам: определить еще раз концентрацию полученной вчера кислоты (лаборанты уходят к столу с заготовленным оборудованием для проведения анализа - ареометрами, таблицей плотности растворов кислоты и ее концентрации, образцами растворов кислот); - экономистам – составить материальный баланс производства 1 т уксусной кислоты, полагая, что для этого взят ацетальдегид (с w (примеси) 8% и выходом уксусной кислоты - 90%). Результаты расчета выразить в таблице; - энергетикам – сосчитать энергетический баланс, сделать расчет затрат тепла на получение 1 т уксусной кислоты (Q =288,2 кДж/моль); - результаты исследования записывают на доске энергетики и экономисты; - аппаратчик сверяет эти данные с теми, которые записаны у него в журнале; видя, что данные совпадают, делает вывод, что нарушения надо искать в самом процессе!

Все пытаются высказать свои предположения, где, в какой части аппарата могут произойти нарушения, которые привели к такому понижению концентрации.

Инженер – технолог. Вновь делает обзор всего процесса и предполагает, что возможно не выдержан тепловой режим в рассольном холодильнике (причиной чего может быть недостаточно холодная вода), в результате чего температура в холодильнике выше - -10 0С, идет потеря большого количества ацетальдегида – это как раз и приводит к снижению концентрации получаемой уксусной кислоты.

Аппаратчик. Подтверждает, что температура в холодильнике была значительно выше требуемой.

Инженер по технике безопасности. Окисление уксусного альдегида – сложная , практически необратимая реакция. Эта реакция идет через образование надуксусной кислоты. Накопление надуксусной кислоты может привести к взрыву. Для того, чтобы этого не произошло, необходимо строго поддержать температуру в заданных пределах 50-80 0С. Чтобы процесс протекал при указанных температурах в жидкой фазе, необходимо поддерживать давление 2 атм. Для этого в верхнюю часть колонны непрерывно подается азот под давлением. Нельзя нарушать температурный режим: не следует думать, что в следующий раз мы отделаемся также легко.

Главный инженер. В настоящее время широкое распространение получает способ получения уксусной кислоты. Этот способ называется жидкофазное окисление бутана: 2СН3-СН2-СН2-СН3 + 5О2 —> 4СН3- СООН + 2Н2О. Процесс осуществляется в автоклавах при температуре - 150-200 0С и давлении 30-90 атм. Этот способ широко применим в США, сегодня и в нашей стране.

Эколог. Производство ацетальдегида на ртутном катализаторе очень неэкологично. Сложность ликвидации паров ртути заключается в том, что при охлаждении она конденсируется в виде тонкодисперсных капелек, которые потоком воздуха могут уноситься на большие расстояния. Пары ртути могут поглощаться стенами помещений, а потом испаряться снова и загрязнять атмосферу производственных помещений, создавая опасность хронического заражения работающих, поскольку ртуть может накапливаться в организме человека и отрицательно действовать на процессы жизнедеятельности. При производстве, например, 100000 т ацетальдегида в окружающую среду может поступать до 15 т ртути.

Инженер по науке. Успехи науки в области катализа дают возможность использовать в производстве новые источники сырья и перейти к более прогрессивным технологическим процессам, как это мы видим на примере получения уксусной кислоты из бутана – доступного природного сырья. Это является свидетельством углубляющегося процесса слияния производства с наукой – важной чертой развития современного химического производства.

Сотрудники отдела сбыта. Представляют схему потребления уксусной кислоты и комментируют ее. Таким образом, остановка предприятия подвела бы потребителей уксусной кислоты. Схему применения уксусной кислоты рассматривает инженер по сбыту продукции: уксус и уксусная эссенция, соли, гербициды, производство красителей (индиго), поливинилацетат, лекарственные средства (аспирин), растворитель органических веществ, негорючая кинопленка, ацетатное волокно, растворители в лакокрасочной промышленности, протрава для крашения и др. (плакат или слайдовая презентация).

Экономисты. Представляют результаты расчета материального баланса производства 1 т уксусной кислоты, полагая, что для этого взят ацетальдегид (1% примеси) и выходом уксусной кислоты 90%. Результаты расчетов выразить в таблице (учащиеся записывают расчет в тетради).

Таблица

Материальный баланс.

Приход

Расход

Статья прихода

Количество в кг

Статья расхода

Количество в кг

Ацетальдегид СН3СОН

822,6

Уксусная кислота СН3- СООН

1000

кислород

295,5

СН3СОН

81,4

   

кислород

29,5

   

примеси

8

Итого

118,1

Итого

118,9

Энергетики. Произвести расчет энергетических затрат на производство 1т уксусной кислоты.

СН3СОН + 1/2О2 —> СН3СООН + 288,2 кДж

Q=4803,4 *103 кДж

Журнал контроля технологического процесса

Дата

Количество ацетальдегида

Количество кислорода

Количество полученной уксусной кислоты

Концентрация уксусной кислоты

Температура реакции

Температура в рассольном холодильнике

15.02

822,6

295,5

1000

98%

70 0С

-100С

16.02

822,6

295,5

1000

98%

700С

-100С

17.02

822,6

295,5

1000

70%

650С

00С

18.02

822,6

295,5

1000

60%

600С

00С

Заключительное слово учителя: таким образом, мы увидели, что любое производство, а производство органического вещества в частности, является сложным и опасным, поэтому все подразделения предприятий должны работать четко т слаженно, соблюдая технику безопасности; кроме этого, хорошо должна работать автоматика и производственная телемеханика и всевозможные датчики состояния аппаратуры и процессов. Кроме этого, специалисты должны работать в области усовершенствования технологий, новых источников сырья и катализаторов.

Сейчас проведем расчеты: при получении уксусной кислоты каталитическим окислением бутана израсходовано 38 л (н.у.) бутана. Масса полученной кислоты равна 200 г. Определите практический выход кислоты в % от теоретического.

Список рекомендуемой литературы:

  1. Аранская О.С., Бурая И.В. Проектная деятельность школьников в процессе обучения химии. М.: Вентана-Граф, 2005.
  2. Белоцветов Л.В. Химическая технология. М.: Просвещение, 1976.
  3. Даценко И.И. Химическая промышленность и охрана окружающей среды. Киев, Высшая школа, 1986.
  4. Пахомова Н.Ю. Метод учебного проекта в образовательном учреждении М.: АРКТИ, 2008.
  5. Сергеев И.С. Как организовать проектную деятельность учащихся М.: АРКТИ, 2005.