Tseli.Obrazovatelnaya. Pentru a extinde înțelegerea dezvoltării industriei azotului, a fundațiilor științifice și a principalelor direcții de dezvoltare a tehnologiei chimice. Explicați importanța profesiilor de lucru în producția chimică.
Dezvoltarea. Dezvoltarea capacității elevilor de a dobândi cunoștințe în mod independent, caracterizarea principiilor științifice generale prin examinarea producției chimice de amoniac.
Educaționale. Educarea credinței în nevoia de a proteja natura, de a contribui la formarea interesului și cunoașterea aprofundată a subiectului, educația ecologică, dezvoltarea discursului.
Tipul lecției. Lecția de generalizare a materialului studiat folosind informația calculatorului.
PROFESOR. Astăzi vă oferim o excursie neobișnuită la o fabrică chimică pentru producerea de amoniac.
EXCURSOVOD (pentru un design adecvat al sunetului se precizează istoricul dezvoltării industriei azotului). În secolul al XX-lea. Se începe construcția intensivă de plante pentru producerea de compuși azotați. Costurile pentru această producție au fost foarte mari, ceea ce a fost explicat prin imperfecțiunea tehnologiei. Cea mai mare parte a energiei a fost irosită. O soluție fundamentală nouă a problemei fixării azotului a fost găsită cu puțin timp înainte de primul război mondial. Vorbim despre sinteza amoniacului - principalul proces al tehnologiei moderne de legare a azotului. Această sinteză a fost realizată de către chimistul german Fritz cunoscut în 1908 Haber g sa constatat că, la presiune ridicată și temperatură, în prezența catalizatorului osmiu, azot reacționează cu hidrogenul, formând astfel amoniac.:
Regularitățile influenței presiunii și temperaturii asupra echilibrului reacției au fost generalizate în așa-numitul principiu al lui Le Chatelier, numit după descoperitorul său - un om de știință remarcabil francez. Folosind acest principiu, a fost posibil să se determine la ce presiune și temperatură deosebită este cel mai bine să se realizeze procesul de sinteză a amoniacului.
Vorbind despre un interes atât de interesant față de azotul legat la începutul secolului al XX-lea. este necesar să se explice că legăturile sale erau necesare nu numai pentru crearea unei agriculturi foarte productive, ci și pentru dezvoltarea industriei vopselelor și, cel mai important, pentru producerea de praf de pușcă și explozivi. În timpul primului război mondial, interesul pentru utilizarea pașnică a azotului sa înecat literalmente în cererea de compuși nitro pentru nevoi militare. Cei mai buni chimiști din Franța, Germania și Anglia încearcă să creeze o metodă industrială de obținere a amoniacului în condiții de concurență acută. Cercetătorii germani F. Gaber și K. Bosh au creat o schemă de circulație pentru sinteza amoniacului sub presiune. În 1913, prima uzină industrială a fost pusă în funcțiune în Germania.
Dezvoltarea industriei azotului a dus la crearea unei puternice industrii chimice germane. Mai târziu și în alte țări au fost fabrici pentru sinteza amoniacului, toți au folosit procesul Haber-Bosch. Gaber și Bosch au primit Premiul Nobel în 1918 pentru dezvoltarea procesului de sinteză a amoniacului. Cu toate acestea, chiar și acum, după aproape un secol, continuă căutarea catalizatorului optim.
Mai mult, ghidul oferă un traseu prin stații (principalele etape ale producției de amoniac sunt reprezentate sub formă de stații).
Prima stație: "Pregătirea materiilor prime"
MESAJE PERSONALE (Figura 1).
Cele mai importante componente ale producției chimice
Cele mai multe procese necesită costuri de energie. În producția chimică se consumă și energie pentru operațiuni auxiliare: transportul materiilor prime și a produselor finite, comprimarea gazelor, serviciile de control și măsurare etc. Industria chimică este una dintre cele mai intensive din punct de vedere energetic. Consumul mediu de energie electrică pentru producerea unei tone de amoniac este de 3.200 kWh.
Un loc special în rândul resurselor naturale este apa. Acesta joacă un rol important în industria chimică. Fiind un solvent universal și unul dintre cei mai obișnuiți catalizatori, apa face posibilă realizarea multor reacții chimice la o rată mai mare (în soluții sau în prezența urmelor). În plus, apa este utilizată ca agent de răcire datorită capacității sale ridicate de căldură, disponibilității și siguranței în utilizare. Se răcește prin reacția maselor încălzite prin reacții exoterme. Vaporii de apă sau apa caldă sunt încălzite prin interacțiunea substanțelor pentru a accelera reacțiile sau a efectua procese endoterme.
Plantele chimice moderne consumă milioane de metri cubi de apă pe zi. De exemplu, 1500 m3 de apă sunt necesare pentru a produce 1 tonă de amoniac. Prin urmare, instalațiile chimice sunt construite lângă sursele de apă.
Sarcina reducerii consumului de apă de către întreprinderile chimice este rezolvată în trei direcții principale:
• Utilizarea pe scară largă a alimentării cu apă reciclată (apa folosită în schimbătoarele de căldură este răcită și reintroduce schimbătorii de căldură, iar acest lucru este repetat de multe ori);
• înlocuirea răcirii cu apă cu aer;
• Tratarea apelor reziduale și refolosirea acestora.
Materiile prime se numesc materiale naturale sau artificiale, care sunt supuse procesării ulterioare și utilizate în industrie pentru a produce diferite produse.
În legătură cu dezvoltarea rapidă a industriei, volumul consumului de resurse utile este, de asemenea, în creștere. Acest lucru conduce la faptul că multe materii prime sunt rapid epuizate, deci este necesar să se rezolve problema consumului atent și rațional de materii prime.
În producția de amoniac, metanul gazelor naturale este utilizat ca materie primă (Schema 2).
Materii prime pentru sinteza amoniacului
Amestecul inițial de gaze este luat în raportul: 1 volum de N2 până la 3 volume de H2. Gazele de reacție sunt curățate temeinic, apoi sunt alimentate într-un turbocompresor unde este comprimat la 25-60 MPa, după care este amestecat cu gazul de circulație și trimis în coloana de sinteză.
A doua stație "Proces chimic"
MESAJE PERSONALE. Coloanele de sinteză au diferite modele, diagrama (schema 3) prezintă o coloană care combină o cutie de catalizator și un schimbător de căldură într-o carcasă.
Sămânță de amoniac
Luați în considerare reacția care stă la baza producerii produsului dorit:
Selectarea condițiilor optime pentru sinteza se efectuează pe baza caracteristicilor reacției chimice.
1) Reacția este reversibilă, omogenă (materiile prime și produsele sunt gaze) și are o scădere a volumului, prin urmare presiunea mărită contribuie la schimbarea echilibrului către produse.
2) Reacția este exotermă, creșterea temperaturii schimbă echilibrul chimic față de substanțele inițiale și scăderea temperaturii către produsele de reacție, dar rata de sinteză va fi foarte mică. Prin urmare, reacția se efectuează la temperatura optimă pentru procedeu: 450-500 ° C. Amestecul inițial de gaze este mai întâi încălzit în schimbătorul de căldură datorită gazelor de ieșire care se deplasează în contracurent și apoi în zona de reacție exotermă. (Counterflow este mișcarea diferitelor substanțe unul față de celălalt pentru a crea cele mai bune condiții pentru schimbul de energie).
3) Pentru a accelera sinteza, cel mai rapid echilibru este obținut folosind un fier redus de catalizator, activat cu oxizi de potasiu, aluminiu etc.
Reactivii și produsele de reacție se află în faza gazoasă și formează un sistem omogen. Reacția se desfășoară pe suprafața catalizatorilor solizi. O astfel de reacție constituie o clasă specială de reacții catalitice eterogene. De mare importanță este suprafața catalizatorului. Catalizatorul este realizat sub formă de granule sau tablete spongioase. Deoarece activitatea catalizatorului este redusă în mare măsură de prezența impurităților, gazele de reacție sunt bine purificate (din apă, compuși ai sulfului etc.).
4) În toate condițiile specificate ale reacției, randamentul de echilibru al produsului nu este mai mare de 20%. Prin urmare, sinteza produsului se realizează prin metoda circulației multiple. adică amestecul nereacționat de gaze este returnat în mod repetat la producție după separarea produsului obținut din acesta.
A treia stație "Respingerea produselor din zona de reacție"
Retragerea produselor și a substanțelor nereacționate din zona de reacție se efectuează printr-un frigider, urmată de separarea într-un separator.
Un amestec gazos constituit din substanțe nereacționat și produsul de reacție (azot, hidrogen, amoniac) după contactul cu catalizatorul este pre-răcit într-un schimbător de căldură, oferind gazele de intrare de căldură, iar apoi intră în frigider. Răcire, care produc apă în mișcare contra, are ca rezultat produsul reacției de condensare în separatorul este separat de gazele nereacționate, care returnează un compresor de circulație a coloanei de sinteză.
Circulația multiplă a gazelor face posibilă creșterea randamentului produsului la 85-90% din valoarea teoretică. Costul de producție este redus semnificativ prin implementarea continuității procesului. Acest lucru vă permite să automatizați complet producția.
Continuitatea procesului de producție și automatizarea acestuia sporesc productivitatea muncii. În producția chimică modernă, toate procesele sunt complet automatizate. Dacă o persoană gestionează procese mecanice cu ajutorul dispozitivelor tehnice, atunci un astfel de sistem se numește telecomandă sau telecontrol. Telecontrolul se referă la automatizarea incompletă. Cu automatizare completă, toate procesele sunt controlate de computere electronice în funcție de un anumit program.
Organizarea utilizării integrate, non-deșeurilor de materii prime permite economiei naționale să obțină profituri uriașe suplimentare și să rezolve problema de mediu.
In anul 1932, Academician Fersman a descris importanța utilizării integrate a materiilor prime, după cum urmează: „O idee cuprinzătoare este ideea la baza economică, pentru a crea cea mai mare valoare cu cel puțin cheltuielile de bani și energie, dar este o idee nu numai de astăzi, este ideea de protejare a resurselor noastre naturale de la risipirea lor pradă, ideea de a folosi materii prime până la capăt, ideea păstrării posibile a rezervelor noastre naturale pentru viitor ".
Principalele modalități de a crea și de a beneficia de producția non-deșeuri
1. Circulația reactanților într-un cerc închis până la transformarea completă în produse finale. Un exemplu al unui astfel de proces este producerea de amoniac.
2. Curățarea profundă a gazelor reziduale și a apelor reziduale.
3. economisirea materialelor, a energiei, a materiilor prime și a resurselor de muncă.
4. Creșterea rolului tehnologilor chimici și al lucrătorilor calificați. În condițiile revoluției științifice și tehnologice, în perioada de dezvoltare rapidă a științei și tehnologiei, este dificil să se numească orice ramură a industriei și a producției agricole care nu ar fi legată de chimie.
La uzina de amoniac, cele mai importante profesii sunt operatorul, compresorul, aparatul, catalizatorul, tehnicianul de laborator etc. Producția chimică modernă are nevoie de lucrători cu cea mai înaltă calificare.
5. Protecția mediului împotriva poluării prin deșeuri industriale. Combaterea impactului nociv asupra naturii și a deșeurilor industriale umane este una dintre cele mai importante probleme de protecție a mediului, prin urmare a fost adoptată o lege privind protecția și utilizarea rațională a resurselor naturale.
Modalități de combatere a poluării
1) Construirea de diverse facilități de tratare.
2) Crearea și introducerea de procese tehnologice non-deșeuri.
3) Dispozitivul de cicluri închise de utilizare a apei.
4) Utilizarea de noi tipuri de combustibil care nu conduc la poluarea mediului.
5) Crearea de zone forestiere în jurul orașelor și centrelor industriale.
Ghid. Să evidențiem principiile științifice de organizare a producției chimice (tabel).
5. Protecția mediului și a omului
Automatizarea industriilor dăunătoare, etanșarea ermetică a dispozitivelor, utilizarea deșeurilor, neutralizarea emisiilor în atmosferă
Producția de amoniac este considerată cea mai avansată din punct de vedere al tehnologiei chimice. Amoniacul este utilizat în producția de acid azotic, care se referă la producția de îngrășăminte, medicamente, coloranți, materiale plastice, fibre artificiale și explozivi.
Astăzi nu există niciun motiv să ne temem de viitorul "foametei de azot".
Istoria utilizării azotului obligat este o reamintire a necesității unui tratament atent al biosferei. Pârghiile influenței puternice asupra naturii, pe care știința o dă omenirii, trebuie folosite extrem de sensibil, rațional și, cel mai important, nu numai în numele prezentului, ci și al viitorului Pământ.
Pentru a rezolva subiectul, profesorul oferă să răspundă la o serie de întrebări.
1) Descrieți esența automatizării și mecanizării proceselor de producție.
2) Listați principalii factori care permit reacțiile chimice de accelerare.
3) Descrieți principalele modalități de combatere a poluării.