Цели: Обобщить знания учащихся о научных принципах производства в свете требований современной технологии, ознакомить с профессиями химического производства.
Тип: Урок обобщения и систематизации знаний.
Форма: Урок - деловая игра “Производственное совещание”.
Оборудование: Таблицы “Производство серной кислоты контактным способом”, карты- схемы производства серной кислоты - “обобщающие конспекты” - на каждом столе.
Проведению “деловой игры” предшествует подготовительная работа, в ходе которой необходимо распределить “специальности” и провести консультации с участниками “производственного совещания” и всеми учащимися класса по подготовке учебного материала.
- Директор завода
- Главный инженер-технолог
- Начальник отдела охраны труда
- Начальник лаборатории химического анализа
- Начальник отдела охраны окружающей среды
- Начальник планово-экономического отдела
- Начальник научно-исследовательской лаборатории
- Химик-технолог
- Аппаратчик цеха окисления сернистого газа
- Аппаратчик цеха обжига пирита
- Аппаратчик цеха чистки оксида серы (IV)
- Аппаратчик цеха гидратации оксида серы (VI)
- Корреспондент заводской газеты
- Секретарь
Ход урока
Вступительное слово учителя.
Прежде чем начать работу, позвольте напомнить вам слова Д.И. Менделеева “Едва ли найдется другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике, как серная кислота. Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение”.
И действительно, по масштабам производства и разнообразию областей применения серная кислота занимает одно из ведущих мест среди продуктов химической промышленности. Трудно назвать какое либо современное производство, в котором не применялась бы серная кислота, ее соли или вещества, полученные с ее использованием.
Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности:
- минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, минеральных кислот, моющих средств;
- в нефтяной и нефтехимической промышленности:
- для очистки нефти, получения парафинов;
- в цветной металлургии:
- для получения цветных металлов - цинка, меди, никеля и др.
- в черной металлургии:
- для травления металлов;
- в целлюлозно-бумажной, пищевой и легкой промышленности (для получения крахмала, патоки, отбеливания тканей) и т.д.
Последние десятилетия во всех странах наблюдается непрерывное развитие промышленности, и, в первую очередь, химической. Поэтому возрастает, соответственно, и производство серной кислоты.
Корреспондент заводской газеты: Немного истории
До XIX века из всех химических продуктов только серную кислоту производили фабричным методом, остальные получали в рамках ремесленного производства.
В 1879 г. известный немецкий ученый-химик Г. Лунге писал “Производство серной кислоты является тем фундаментом, на котором поставлена вся химическая промышленность нашей эпохи вообще…”
Серная кислота известна очень давно. Первое упоминание о серной кислоте принадлежит арабскому алхимику Джабир Ибн Хайяну, живущему в VIII—IX вв. В его трактате “Итог совершенства магистерии” описывается методика получения серной кислоты: “Перегони фунт кипрского купороса, полтора фунта селитры, четверть фунта квасцов и получишь воду. Эта вода очень хорошо растворяет металлы”.
В XVI веке серную кислоту получали сухой перегонкой железного купороса, и с тех пор концентрированную серную кислоту стали называть “купоросным маслом”.
Первый сернокислотный завод был построен в Англии в 1740 г. Серную кислоту там получали сжиганием смеси серы и селитры в металлических сосудах. Образующиеся при этом газы направляли в специальные стеклянные сосуды, где происходило поглощение их водой с образованием серной кислоты. Получали кислоту низкой концентрации: (до 50-60%).
В России серная кислота была впервые получена на заводе князя Голицына, а в 1897 г. был построен первый контактный сернокислый завод.
Главный инженер-технолог: В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:
- получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;
- уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами.
Сегодня мы познакомимся с технологическими процессами производства серной кислоты. Рассмотрим вопросы, связанные с технологическим процессом, доставкой сырья, рынком сбыта, выходом продуктов реакции охраны труда, охраны окружающей среды на примере одного из сернокислых заводов.
Директор завода: Сегодня на нашем предприятии проходит производственное совещание, на котором присутствуют администрация завода, технический отдел, планово-экономический, аппаратный, химико-аналитическая лаборатория, отдел охраны труда, отдел охраны окружающей среды, корреспондент заводской газеты.
Я предлагаю проанализировать работу завода, провести итоги работы за год, дать правовую оценку. В работе совещания прошу пользоваться картами-схемами производства серной кислоты, которые нам предоставил технологический отдел.
Слово предоставляется главному технологу завода.
Главный технолог завода: Прежде чем ознакомить вас с основными технологическими процессами, инженер по приему и подготовке сырья расскажет о том сырье, котором мы используем на нашем производстве. А мы все вместе продумаем, выгодно ли для нас это сырье, или нужны какие- то изменения в этом вопросе.
Инженер-технолог по приему и подготовке сырья: Для получения серной кислоты на нашем производстве мы используем, в основном, флотационный колчедан- отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа. Процесс обогащения этих руд происходит на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках, которые и являются для нас основными поставщиками сырья. Для нас это сырье является более выгодным, т.к. серный колчедан добывают, в основном, на Урале, и, естественно, доставка его сюда очень дорогостоящая. Используем мы и серу, которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках. Поставщиками серы являются также ТОФ и НОФ. (обогатительные фабрики)
Главный технолог завода: Здесь мы применяем принцип комплексного использования сырья, используя отходы другого производства.
Директор завода: А сейчас химик-технолог нашего завода ознакомит нас с основными химическими реакциями, лежащими в основе производства серной кислоты.
Химик-технолог: В основе нашего производства лежат три химические реакции:
I. Обжиг пирита, в результате чего образуется сернистый газ
4FeS2+ 11O2 —>2Fe2O3+ 8SO2+Q
или сжигание серы
S+O2 —>SO2+Q
II. Окисление диоксида серы до триоксида на катализаторе:
V2O5
2SO2+О2 
2SO3+Q
III. Поглощение триоксида серы с целью получения серной кислоты:
SO3+ H2O —>H2SO4+Q
Корреспондент заводской газеты: Будьте добры, ответьте: какая реакция для производства более выгодна - сжигание пирита или серы?
Химик-технолог: Как видно из уравнений реакций, значительно проще производство серной кислоты из серы, т.к. отсутствует побочный продукт- огарок, вследствие чего отпадает необходимость в очистке полученного газа от вредных веществ, не нужно транспортировать и складировать огарок.
Корреспондент заводской газеты: Почему же вы не используете одну лишь серу, чтобы удешевить продукцию?
Химик-технолог: Одной лишь серы, поставляемой обогатительными фабриками, нам недостаточно, привозить ее из других районов очень дорого: нам выгоднее поэтому использовать не только серу, но и колчедан.
Главный технолог: Наш отдел подготовил информацию об особенностях технологического процесса нашего производства.
Предоставляем слово аппаратчику цеха обжига пирита.
Аппаратчик цеха обжига пирита: В нашем цехе мы получаем сернистый газ в результате обжига пирита. Экспериментальным путем мы установили закономерности изменения скорости реакции обжига пирита, что очень важно для максимального выхода сернистого газа.
Вместо воздуха мы пропускаем чистый кислород, в результате увеличения концентрации кислорода мы добились увеличения скорости реакции в 5 раз.
Мы долгое время решали вопрос о дроблении пирита. Нас устраивали мелкие частицы пирита, т.к. увеличивалась при этом площадь поверхности соприкосновения, а, следовательно, и скорость реакции. Но особенно при повышении температуры через время мелкие частицы пирита спеклись, образуя плотный слой, через который кислород почти не проходит. Естественно, скорость реакции резко падала. И здесь нам на помощь пришла научно- исследовательская лаборатория.
Директор НИЛ: Мы решили вопрос о степени измельчения пирита, применяя принцип противотока.
Подавая в печь тонко измельченный пирит сверху и продувая воздух снизу, мы добились того, что частицы пирита стали разрыхляться и оставались в подвижном состоянии. Такой слой мелких частиц мы назвали “кипящим”, т.к. он напоминает кипящую жидкость через которую прорываются пары. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита нам требовалось 5-6 часов, то теперь - всего несколько секунд. Притом мы можем в “кипящем слое” поддерживать температуру = 800 градусов.
Директор: Наша научная лаборатория всегда нас выручала; как видим: роль науки в совершенствовании химической промышленности огромна.
Аппаратчик цеха обжига пирита: Хочется подчеркнуть, что работа наших печей полностью механизирована: в печь непрерывно ленточным транспортером подается измельченный пирит, а компрессорами вдувается воздух. Образующийся диоксид серы автоматически отводится для дальнейшей переработки. Заданный технологический режим (температура, подача воздуха и пирита) регулируется автоматически.
Корреспондент заводской газеты: Позвольте узнать, куда же девается огарок, используется ли он на нашем производстве, или выбрасывается?
Главный технолог: Побочный продукт, который образуется при обжиге пирита, Fe2O3- так называемый огарок, на нашем производстве не используется, но выбрасывать такой ценный продукт было бы не по-хозяйски. Мы поставляем оксид железа (III) на металлургический завод, а там из него путем восстановления получают железо. Опять- таки налицо принцип комплексного использования сырья, безотходного интегрированного производства.
Директор: Слово предоставляется представителям аппаратного отдела.
Аппаратчик цеха очистки SO2:Получив диоксид серы, необходимо тщательно его очистить, так как примеси отравляют катализатор. Газовую смесь мы пропускаем через циклон, состоящий из двух цилиндров, вставленных один в другой. Но в циклоне идет очистка от крупных частиц. Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В.
Примеси падают в специальный бункер.
От водяных паров очищаем в сушильной башне, в которую газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает H2SO4 концентрированная. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.
Аппаратчик цеха окисления SO2: После тщательной очистки SO2 и воздух поступают в контактный аппарат, где под влиянием катализатора происходит окисление:
кат.
2SO2 + O2 2SO3 +Q
Из уравнения вы видите, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода триоксида серы, иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема, то необходимо повышенное давление. Мы повышаем давление до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), мы можем ее повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор мы используем ванадиевый (V2O5). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.
Смесь (SO2 и O2) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен: исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.
Охлажденный в теплообменнике SO3 направляется в поглотительную башню.
Аппаратчик цеха гидратации оксида серы (VI): Казалось бы, SO3 надо поглощать водой. Однако воду здесь использовать не получилось: SO3 до соприкосновения с водой реагирует с ее парами и образует капельки серной кислоты- сернокислотный туман, который водой не поглощается. Зато такой пар практически отсутствует над концентрированной серной кислотой. Поэтому вместо воды используем 98% серную кислоту.
Триоксид серы поглощается концентрированной кислотой, реагируя с содержащейся в ней водой:
SO3 + H2O —> H2SO4 +Q
Образуется безводная серная кислота. Если в ней растворить SO3, то образуется “дымящая” серная кислота- ОЛЕУМ, необходимый для очистки нефти, в нефтехимических и других производствах. Олеум мы отправляем на склад.
Инженер-главный технолог: Итак, теперь всем ясно, что процесс производства серной кислоты непрерывный:
- обжиг пирита в печи;
- поступление SO2 и воздуха в очистительную систему и контактный аппарат;
- подача SO3 в поглотительную башню.
Технический отдел сделал необходимые расчеты, необходимые для правильного ведения процесса с оптимальным выходом кислоты. С учетом количества полученного сырья.
Представитель техотдела: Мы рассчитали массу серной кислоты, которую можно получить из, 16т руды, содержащей 90% пирита (FeS2). (производит необходимые расчеты)
Вывод-отчет: Из 16т руды, где массовая доля примесей – 10%, мы получим 23,52т серной кислоты.
Директор (директору в это время секретарь несет телеграмму): Позвольте вам сообщить, что только что поступила телеграмма от поставщиков, где сообщается: “Изменился состав породы- процент твердых пылевых вкраплений возрос до 20%”. Следующую партию пирита 16т мы получим более загрязненную примесями. Техотделу необходимо посчитать, сколько кислоты в связи с этим не дополучим.
Представитель техотдела (производит необходимые расчеты):
Вывод- отчет: Из того же количества руды, но с возросшей долей примесей до 20% мы получим 20,9т кислоты.
Директор: Хотя поставщики несколько удешевили руду, все же крайне нежелательно именно в конце года недополучить 2,5т кислоты. Какие у вас предложения по этому поводу?
Главный инженер- технолог: Предлагаю использовать 1,6т чистой серы, которая есть у нас в хранилище на такой случай- процесс пройдет быстрее и с лучшим выходом. (сам делает расчет)
Вывод: Т.о. мы получим 4,9т кислоты, и перекроем недостачу.
Директор: Правильно, необходимо всем принять это во внимание и сегодня же приступить к работе. Особенно усилить работу химико-аналитической лаборатории по анализу поступающего сырья на содержание массовой доли примесей.
Главный инженер- технолог: Итак, рентабельность нашего производства позволяет обеспечить реализация таких технологических принципов:
- принцип непрерывности;
- принцип комплексного использования сырья;
- принцип безотходного производства;
- принцип теплообмена;
- принцип противотока (“кипящий слой”);
- принцип автоматизации и механизации производственных процессов.
Корреспондент заводской газеты: Как у нас обстоит дело с вопросами охраны труда?
Начальник отдела охраны труда: На нашем заводе очень важно соблюдать правила техники безопасности труда, т.к. серная кислота оказывает негативное действие на организм человека. При соприкосновении с кожей кислота вызывает местные омертвление и разрушение тканей - химический ожог. Это объясняется ее свойством интенсивно отнимать воду, резко разрушая и обезвоживая ткани. Поэтому каждый работник на заводе ознакомлен с правилами техники безопасности. Наш отдел работает в тесном сотрудничестве с химико-аналитической лабораторией.
Начальник химико-аналитической лаборатории: Мы систематически контролируем в заводских помещениях содержание газов в воздухе. Если в воздухе содержится 0,06мг/л SO2, уже возможно отравление.
Если произошло отравление газами, пострадавшего следует вынести на свежий воздух и дать внутрь разбавленный раствор питьевой соды.
Начальник отдела охраны труда: На каждого работника на заводе имеется противогаз на непредвиденные случаи.
Начальник химико-аналитической лаборатории: В помещениях особенно важно не допускать превышения содержания сернокислотного тумана более 1мг/м3.
Начальник отдела охраны труда: В таких помещениях наши рабочие работают в спецодежде, в резиновых сапогах и резиновых перчатках, защитных очках. Если же все-таки кислота попадет на тело, то ее немедленно надо смыть большим объемом воды. Затем пораженную часть тела надо смочить 5% раствором соды и смазать вазелином. Аптечки есть на каждом рабочем месте.
Директор: Мы всегда помним слова Кольцова: “У каждого века вечность вопрошает: Что же совершится в будущем с природой?”.
Следующий вопрос освещает отдел охраны окружающей среды.
Начальник отдела охраны окружающей среды: Мы все знаем, какой вред наносит природе любое производство, а, в особенности, химическое. Поэтому мы принимаем меры для того, чтобы предотвратить загрязнение окружающей среды. Нам удается это сделать путем герметизации аппаратуры, применения газоочистительных установок.
Корреспондент заводской газеты: 25 октября экологическая служба Норильска зафиксировала появление в воздухе сернокислотного тумана, и заводу был предъявлен штраф. С чем это было связано?
Начальник отдела охраны окружающей среды: На последней стадии очень важно полное поглощение триоксида серы, т.к. даже его небольшое количество, оставшегося непоглощенным, выбрасывается в атмосферу с выхлопными газами, мгновенно, соединяется с влагой воздуха и образует видимый густой туман серной кислоты.
Так вот, полнота поглощения SO3 зависит от концентрации орошающей кислоты (она должна быть 98%) и ее температуры ~ 60 градусов.
В связи с временной и непредвиденной неисправностью теплорегулятора температура упала резко до 50 градусов.
И хотя в течение 20 минут неисправность была ликвидирована, все же часть непоглощенного SO3 ушла в атмосферу и образовала сернокислый туман.
Заводу действительно был предъявлен огромный штраф.
Директор: Хотелось бы услышать, что нам скажут химики-аналитики по поводу производимого анализа получаемой на нашем заводе серной кислоты.
Начальник химико-аналитической лаборатории: Мы ежедневно производим качественный и количественный анализ производимой серной кислоты, который свидетельствует о высоком качестве продукции.
Со стороны потребителей, как всем известно, никогда не было нареканий, претензий, за весь истекший год не было забраковано ни одной тонный серной кислоты.
А потребители у нас очень серьезные и авторитетные: Норильские металлургические заводы на долю которых приходится 80% никеля, свыше 40% меди, более 70% кобальта и почти 100% платиноидов, получаемых в России.
Начальник планово-экономического отдела: К концу года мы вышли с замечательными показателями, перевыполнив план на 35%. Прибыль, составила 530 млн. рублей. Производство серной кислоты в нашем регионе рентабельно.
Директор: У кого есть предложения и рекомендации по повышению рентабельности нашего производства?
Начальник научно-исследовательской лаборатории: Нам известно, что в Японии 60% кислоты производят за счет использования отходящих серосодержащих газов различных производств.
Мы предлагаем также продолжить работу по комплексному использованию сырья, т.к. в нашем регионе есть для этого все условия. Мы предлагаем использовать диоксид серы, который образуется при обжиге руд цветных металлов (медных, никелевых, цинковых, свинцовых). Этот процесс осуществляется на металлургических заводах, которые кстати, и являются нашими потребителями.
Так как SO2 загрязняет окружающую среду, а комбинат ежегодно выбрасывает его 2 млн. тонн в качестве отхода, то мы, договорившись, можем решить эту проблему. Этот газ можно улавливать при помощи специальных устройств, а мы его сможем использовать для производства серной кислоты. Тем самым мы предотвратим загрязнение окружающей среды, комбинат освободим от штрафов, а наше производство получит дополнительную прибыль (нет необходимости I стадии обжига пирита).
Экономисты: Мы подсчитали, что если мы улавливаем SO2, полученный при образовании 1т меди, то сможем получить примерно 10т серной кислоты.
Директор: Это- замечательное предложение, мы над ним начнем работать сразу же. В связи с этим отправим делегацию для обмена опытом в Японию сразу после Нового года и обсудим этот вопрос с административными службами комбината.
А пока за то, что к Новому году мы пришли с хорошим результатом всем службам и рабочим завода я объявляю благодарность.
Все выступающие получают премию в виде пятерок и мои самые искренние пожелания счастья и хорошего здоровья в Новом году.
Производственное совещание окончено.