ДЕЛОВАЯ ИГРА «ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ»»
Цели: развивать знания и умения учащихся, сформированные при изучении данной темы, осуществлять профессиональную ориентацию учащихся, показать направления интенсификации производства и охраны окружающей среды, развивать умение работать с научной литературой, умение логически мыслить.
Оборудование: таблица «Производство серной кислоты», презентация «Производство серной кислоты», таблица «Материальный баланс обжига пирита и серы», визитные карточки игроков.
Ход игры.
Учитель (вступительное слово.)
Кромсая лед, меняем рек теченье,
Твердим о том, что дел невпроворот,
Но мы еще придем просить прощенья
У этих рек, барханов и болот,
У самого гигантского восхода,
У самого мельчайшего малька…
Пока об этом думать неохота,
Сейчас нам не до этого … пока.
Аэродромы, пирсы и перроны,
Леса без птиц и земли без воды…
Все меньше окружающей природы,
Все больше окружающей среды.
Тема сегодняшней нашей встречи – «Производство серной кислоты». Известно, что сернокислотное производство экологически не безвредно, а даже наоборот.
Ныне атмосфера больше всего загрязняется сернистым ангидридом. Широко используемый метод- сооружение высоких труб – не решает проблемы, не сокращает вредных выбросов, поступающих в атмосферу.
Завтрашний день принадлежит производствам, которые не только не загрязняют воду, почву и воздух, но и помогают облагораживать природу, преумножать ее богатства. В этом плане и предстоит нам сегодня поработать. Мы представляем с вами научно- исследовательскую лабораторию при сернокислотном заводе. Наша задача внести изменения в технологию производства серной кислоты, чтобы оно было более рентабельным и экологически безопасным
Начальник лаборатории. На сегодняшним заседании нам предстоит с вами пересмотреть технологию получения серной кислоты, таким образом, чтобы загрязнение среды было минимальным. Слово предоставляется экономисту.
Экономист. Трудно назвать какое-либо современное производство, в котором не применялась бы серная кислота, ее соли или вещества, полученные с ее использованием. В 1979 г. известный немецкий ученый-химик Г. Лунге писал «Производство серной кислоты и соды является тем фундаментом, на котором построена вся химическая промышленность нашей эпохи вообще». Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности (минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, минеральных кислот, моющих средств), в нефтяной и нефтехимической промышленности (очистка нефти, получение парафинов), в цветной металлургии (травление металлов), в целлюлозно-бумажной, пищевой и легкой промышленности (получение крахмала, патоки, отбеливание тканей).
Начальник лаборатории. На заседание мы пригласили ученого – историка.
Историк. Серная кислота известна очень давно. Первое упоминание о ней принадлежит арабскому алхимику Джабир Ибн Хайаму, жившему в18-19 вв. Первый сернокислотный завод был простроен в Англии в 1740 г. Там серную кислоту получили путем сжигания серы и селитры. Но кислота была низкой концентрации (до 50%). В последствии (в 1746 г.) для улавливания образующихся при сжигании серы и селитры газов начали применять свинцовые камеры, что дало возможность создавать более производительные сернокислотные системы, а этот способ получения серной кислоты стал называться «камерным». Существенным недостатком этого процесса был большой выброс оксид серы и азота в атмосферу с выхлопными газами. Это приводило как к загрязнению окружающей среды, так и к уродованию производства. В начале ХХ века свинцовые камеры стали заменять башнями, заполненными насадкой, и процесс производства кислоты стали называть «башенным». Ученые нашей страны выполнили очень крупные и глубокие исследования башенного процесса. Была разработана теория этого процесса, позволившая достигнуть в нашей стране самой высокой интенсивности башенных сернокислотных систем. Недостатки башенных систем: получение кислот сравнительно низкой концентрации (75%), загрязнение кислоты оксидами азота и серы. В 1831 г. английский химик Филинс предложил окислять SO2 непосредственно кислородом воздуха при пропускании газовой смеси через катализатор – это контактный способ. Наиболее рациональной системой осуществления производства серной кислоты контактным способом была русская система Тентельевского химического завода (г. Петербург). Тентельевские системы получили широкое распространение не только в России, но и во многих странах мира (Франция, Англия, США, Япония). Контактный процесс остался ведущим до настоящего времени, т.к. серная кислота производилась концентрацией до 100%, и контактная сернокислотная система экологически совершеннее башенной.
Эколог. Вы утверждаете, что современный контактный способ производства серной кислоты экологически совершенен. Однако на территориях зон, прилегающих к заводам наблюдается увеличение случаев респираторных заболеваний у человека и животных, гибели растительности и подавление ее роста, повышение коррозионного износа материалов, разрушения конструкций из известняка и мрамора, закисление почв и замкнутых водоемов, изменение оптических характеристик атмосферы. По вине «кислых» дождей уже повреждены и находятся в большой опасности Парфенок, Колизей, Тадж-Махал и др. памятники архитектуры. В зоне до 300 км от источника загрязнения оксидом серы (IV) серьезную опасность представляет серная кислота, закисляющая почву и водоемы, в зоне до 600 км - сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост деревьев и сельскохозяйственных культур. Закисление водоемов (особенно весной при таянии снега) вызывает гибель икры и молоди рыб. Помимо экологического ущерба, трудно поддающегося оценке, наносится экономический ущерб.
Учитель. Группе экологов предлагаются задания.
1. Выживут ли караси в озере объемом 500000000 м, в воду которого попало 100 м сточных вод сернокислотного завода, содержащих 1600 кг оксида серы (IV). Токсическая концентрация серной кислоты для карасей 138 мг\л.
2. Перед вами 3 озера. Определите, в каком озере самая чистая и мягкая вода, в каком вода с карбонатной жесткостью, а в каком вода загрязнена сточными водами, содержащими SO2 .
3. Человек начинает ощущать едкий запах SO2, если в 1 м воздуха содержится 3 мг этого вредного газа. При вдыхании воздуха с таким содержанием SO2 в течение 5 минут у человека начинается ларингит – воспаление слизистой оболочки гортани. Какое суммарное количество вещества SO2 приводит к этому неприятному заболеванию? Примите объем легких человека равным 3.5 л, а периодичность дыхания – 4 с.
Задание химикам-технологам.
Составьте технологическую схему производства серной кислоты и определите оптимальные условия для осуществления данных процессов, если исходное сырье: 1) серный колчедан, 2) сера.
Задание экономистам.
Рассчитайте массу серной кислоты, которую можно получить из 1000 м обжигового газа, содержащего 5.6 % (по объему) оксида серы (IV).
Задание аппаратчикам.
Расскажите о принципах работы и устройства основных аппаратов сернокислотного производства.
Аппаратчик 1.
Процесс в печи для обжига в «кипящем» слое полностью механизирован и непрерывен. Пирит подается ленточным транспортером в бункер, а из него в печь. Там пирит взаимодействует с кислородом. Образуется диоксид серы, он непрерывно удаляется из печи. Температура в печи достигает 800 С. Выделяющаяся теплота отводится тепло-обменными трубами, где вода превращается в пар, который может быть использован для различных целей. В ходе реакции пирит образует прочную корку, и реакция замедляется. Поэтому в печь для обжига через множества трубок вдувается воздух. Слой пирита разрыхляется, становится большим по объему. Такой слой называю кипящим. Скорость реакции увеличивается, поскольку внутри кипящего слоя происходит интенсивное перемешивание кислорода и твердого реагента – каждая частичка как бы омывается газом. Установка снабжена большим числом автоматически действующих контрольно-измерительных приборов. Они могут, к примеру, поднимать температуру в зоне реакции, увеличивая подачу воздуха и т.п.
Аппаратчик 2.
Полученный оксид серы (IV) необходимо очищать, т.к. примеси отравляют катализатор. Для удаления пыли газовую смесь пропускают через циклон – аппарат, состоящий из двух цилиндров, вставленных один в другой. Под действием движения газов в циклоне частицы пыли отбрасываются к стенке наружного цилиндра, падают вниз и удаляются. Мелкие пылинки удаляются через электрофильтры – аппараты, состоящие из металлических сеток, между которыми протянута проволока. К ней подается ток напряжением 60 000 В. В результате действия электрического поля пылинки приобретают отрицательный заряд, притягиваются к сетке, где теряют заряд и падают. Затем газовую смесь сушат в сушильной башне с помощью концентрированной серной кислоты по принципу противотока.
Аппаратчик 3.
Поглощение SO3 серной кислотой – процесс гетерогенный, и его скорость зависит от поверхности соприкосновения компонентов. Поэтому используется принцип противотока. Поглотительные башни наполняются кольцами из кислотоупорной керамики. Кислота стекает сверху, а газ подается снизу. Образующийся олеум (раствор серного ангидрида в серной кислоте) подается на склад.
Химики-технологи.
Технологическую схему производства серной кислоты из пирита можно выразить следующей схемой:
FeS2 → SO2 → SO3 → H2SO4
Обжиг пирита выражается уравнением реакции:
4FeS2 + 11O2 → 8SO2 + 2Fe2O3
Для повышения объемной доли выхода оксида серы (IV) необходимо:
1) вместо воздуха использовать кислород, что увеличит скорость химической реакции;
2) дробление пирита для увеличения поверхности соприкосновения веществ (слишком мелко дробить нельзя, т.к. произойдет слеживание пирита и уменьшение скорости реакции);
3) повысить температуру до 800 С, но не выше, чтобы не происходило спекания.
2SO2 + O2→ 2SO3
Данная реакция обратимая. Окислительно-восстановительная, экзотермическая. Для того чтобы увеличить объемную долю выхода SO3 необходимо:
1) понижение t С в системе, т.к. реакция получения SO3 экзотермическая, то t C приведет к смещению равновесия право;
2) если концентрация исходных веществ высокая, то это приведет к смещению равновесия в сторону образования SO3;
3) помимо этого можно использовать катализатор - оксид ванадия (V2O5), благодаря которому окисление SO2 происходит при более низкой температуре равновесие смещается вправо. При t выше 600 С скорость реакции резко падает, т.к. уменьшается активность катализатора, поэтому оптимальной температурой для проведения данной реакции является температура 400 – 450 С, которой соответствует наибольший равновесныйвыход оксида серы (IV)
SO3 + H2O → H2SO4
Во избежание образования сернокислотного тумана в этой реакции вместо воды используют раствор серной кислоты.
Эколог.
Рассмотрев технологическую схему производства серной кислоты, мы видим, что потери SO2 неизбежны, и он попадает в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Секрет такого факта в том, что мы подходим к решению проблемы не с той стороны. Мы боремся со следствием, а не с причиной явления. Ведь сами загрязнители – это отходы производства. Поэтому решение проблемы сохранения природной среды – это перевод производств на малоотходные и безотходные технологии.
Начальник лаборатории. Группа химиков-технологов разработала изменения в технологической схеме производства серной кислоты с учетом того, что меняется сырье (сера).
Химики – технологи. Сжигание серы – реакция экзотермическая, необратимая, гомогенная. Эта реакция не требует сложного оборудования, поэтому печи для обжига не нужны. При сжигании серы не выделяются каталитические яды, поэтому очистка оксида серы (IV) не требуется. Сокращается технологическая линия, упрощается производство.
Начальник лаборатории. Как отразиться на финансировании такое новаторство?
Экономист. Производство серной кислоты из серы под давлением позволяет в 1.5 раза повысить производительность труда. Сравнивая материальные балансы, видно, что материальный баланс с использованием серы проще: оксида серы (IV) получается в 2 раза больше; себестоимость серной кислоты из серы ниже; к тому же загрязнение окружающей среды при производстве из серы резко снижается.
Начальник лаборатории. Ставлю на голосование. Кто за проект технологической линии производства серной кислоты из серы? Единогласно. Будем внедрять.
В заключение урока подводят итоги. Домашнее задание: составить технологическую схему производства серной кислоты из сероводорода.
