Курсовая работа по теме:
«Развитие понятий о химическомпроизводстве в процессе изучения курса органической химии в средней школе»
ВВЕДЕНИЕ
Современный мир характеризуется постоянно возрастающимуровнем антропогенных и техногенных нагрузок, интенсивным преобразованиембиосферы человеком, расширением размеров техносферных регионов. Большая частьнаселения проживает в крупных территориально-промышленных регионах с высокимуровнем концентрации промышленных производств и технических объектов. Миртехносферных опасностей определяется, прежде всего, опасностью техническихобъектов и промышленных технологий, опасностью окружающей природной среды,техники, используемой человеком в повседневной жизни.
В настоящее время перед человеческим сообществом стоитзадача рационального и продуманного формирования техносферы, котораяобеспечивала бы приемлемые для человека и природных экосистем условиясуществования. Эта задача исключительно сложна и предусматривает осуществление комплексаразноплановых и взаимосвязанных мероприятий, а именно:
• разумное ограничение потребностей человека;
• создание новых технических объектов и технологий,ориентированных на малоотходность и ресурсосбережение;
• минимизация воздействия техники и технологий начеловека и природную среду;
• рациональное размещение производств и селитебных зон;
• создание комплексной системы обеспечения безопасностижизни в техносфере.
ГЛАВА 1. ОЗНАКОМЛЕНИЕУЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ
Изучение в средней школе научных основ современногопроизводства, в том числе химического производства, – одно из важнейших средствдля разрешения задачи политехнической подготовки учащихся. Процесс изученияхимических производств связывает теорию с практикой, конкретизирует, углубляети закрепляет знание теоретических основ химии, помогает нашей молодёжи поокончании школы свободно выбрать профессию и стать активными участникамикоммунистического строительства. 1.1 Состояние вопроса в практике школ
Тема «Химическоепроизводство» в органической химии присутствует во всех разделах: Предельныеуглеводороды, Ароматические углеводороды, Аминокислоты, Непредельныеуглеводороды, Спирты, Альдегиды
При изучении темы«Непредельные углеводороды» ученики рассматривают производство полимеров-полиэтилена, поливинилхлорида.
полиэтилени полипропилен. Они относятся к так называемым линейным полимером, хотя фактическиимеют зигзагообразное строение. Их молекулы сильно изогнуты в различныхнаправлениях, иногда даже свернуты в клубки.
В процессе полимеризации,например, пропилена, может образоваться полимер со стереонерегулярнойструктурой:
/>
Стереонерегулярной этаструктура называется потому, что радикалы –CH3 в ней размещеныхаотически – по одну и другую стороны цепи. Обычно в процессе полимеризацииобразуются полимеры со стереонерегулярной структурой [1].
/>Получение. Еще недавно полиэтилен (— CH2 — CH2 —)nполучали под высоким давлением при повышенной температуре. Реализация такогопроизводственного процесса была весьма сложной. В последнее время полимеризациюпроводят при атмосферном давлении и комнатной температуре в присутствиитриэтилалюминия и хлорида титана.
Синтезированный такимпутем полиэтилен плавится при более высокой температуре и обладает большеймеханической прочностью, так как имеет большую молекулярную массу и меньшеответвлений. Подобным образом получают полипропилен, поливинилхлорид,полистирол, полиметилметакрилат и некоторые другие полимеры.
Физические свойства. Полиэтилен значительно легче воды,его плотность примерно 0,92 г/см3. Он эластичен, в тонком слоебесцветный, прозрачный, на ощупь несколько жирный, напоминающий парафин. Есликусочек полиэтилена нагреть, то уже при температуре 110 °С он становится мягкими легко изменяет форму, но при очень сильном нагревании полиэтилен разлагается.При охлаждении полиэтилен затвердевает и сохраняет приданную ему форму.
Свойство тел изменитьформу в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения называют термопастичностью.
Полипропилен отличаетсяот полиэтилена более высокой температурой плавления (плавится при температуре160 – 180°С) и большей механической прочностью.
Химические свойства. Полиэтилен и полипропилен обладаютсвойствами предельных углеводородов. При обычных условиях эти полимеры нереагируют ни с серной кислотой, ни со щелочами. (Концентрированная азотнаякислота разрушает полиэтилен, особенно при нагревании.) Они не обесцвечиваютбромную воду и раствор перманганата калия даже при нагревании.
Применения. Полиэтилен и полипропилен химическиустойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовленииоборудования в различных отраслях промышленности (аппараты, трубы, сосуды и т.д.). Они обладают высокими электроизоляционными свойствами. Полиэтилен иполипропилен в тонком слое хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи. Пленки изэтих материалов используются вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяюттакже для упаковки разных продуктов. Выборпроизводств
Для осуществления политехнического обучения знакомитьучащихся общеобразовательной школы с большим количеством химических производствнет никакой необходимости, так как политехнический принцип «не требует обучениювсему, а требует обучения основам индустрии вообще.
В общеобразовательной средней школе на уроках химии должныизучаться химические производства лишь наиболее важные в народнохозяйственномотношении, вполне доступные для понимания учащимися и самые типичные, наиболееярко отражающие использование химических теорий и закономерностей впрактической жизни.
Учебной программой средней школы предусмотрено изучениетолько некоторых производств.
В органической химииизучается более подробно:
Переработка нефти.
Переработка природногогаза
Коксование углей.
Производство уксуснойкислоты.
Рассматривается такжепроизводство фенола, но очень бегло.
Глава2. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРОСОВ ОТДЕЛЬНЫХ ОТРАСЛЕЙХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕРЫ ПРОФИЛАКТИКИ2.1 Загрязнение окружающей среды
Химическая промышленность охватывает большое количествоотраслей: производство основного органического синтеза, нефтехимические, коксохимическиеи другие- производства. Часть из них уже стала самостоятельными отраслямипромышленности. Производство кислот, солей, щелочей, некоторых химическихэлементов, например хлора, связанного азота, минеральных удобрений,неорганических соединений отдельных химических элементов относит к основнойхимической промышленности, использующей для их получения минеральное сырье –воздух, серу, серный колчедан, поваренную соль, фосфорные руды и др.
Производство основных классов органических соединенийосновано на органическом синтезе. Поэтому тройное количество отраслейхимической промышленности возникло на этой основе, а также на основепереработки горючих ископаемых – нефти и нефтепродуктов, каменною угля,нефтяного и природного газов, сланцев и древесины.
К таким отраслям химической промышленности относятсяпроизводства синтетических каучуков и резинотехнических изделий на их основе,пластических масс, синтетических и искусственных волокон, красителей, лаков,растворителей, взрывчатых веществ, синтетических моющих средств,лесохимических, химико-фармацевтических и многих других веществ, важных внародном хозяйстве.
Дифференциация химических производств отражается как нахарактере выпускаемой продукции, так и на выбросах в окружающую среду, чтоимеет определенное отношение к состоянию здоровья населения. Основныминеблагоприятно действующими факторами, на здоровье являются химические веществав различных фазовых состояниях в сочетании с физическими, механическими,гигиеническими и другими особенностями среды. Окружающая среда можетзагрязняться химическими веществами в твердом, жидком, газо- и парообразномсостояниях. Воздух производственных помещений и окружающая среда могутзагрязняться также аэрозолями с твердой и жидкой дисперсными фазами, различнымигазами, парами, в меньшей мере пылью. 2.2 Экологическое воздействие выбросов химическихпроизводств
Загрязнение окружающей среды отходами химическойпромышленности достигает в настоящее время больших размеров. Достижениячеловеческого разума, обусловившие возникновение научно-технической революции,стали одновременно причиной коренного изменения экологии человека. Естественнаясреда его обитания, которой на протяжении многих веков была природа, сильноизменилась. Построено много городов с асфальтированными улицами и множествомтранспортных средств, загрязняющих воздух.
История показывает, что человек всегда стремился создаватьматериальные блага и, не задумываясь над последствием своих открытий, старался,во что бы то ни стало достичь осуществления своих замыслов. А внешняя среда темвременем подвергалась и продолжает подвергаться превращениям и загрязнениям.
Истощение месторождений полезных ископаемых и других,казалось бы на первый взгляд, неисчерпаемых ресурсов в конечном счете не можетобойтись без тяжелых последствий. Созданные людьми шахты смещают веществоземной коры в десять раз больше, чем землетрясения. Отходы сырья составляют 98%. Они-то и засоряют, загрязняют окружающую среду.
Одна треть населения планеты испытывает острый недостаток вчистой воде, из-за чего 500 млн. человек постоянно страдают кишечно-желудочнымизаболеваниями. Если в 70-х годах XXстолетия продолжала недоедать одна треть населения земного шара, то 43государства испытывают недостаток в обыкновенной питьевой воде.
Ежегодно в атмосферу выбрасывается 500 млн. т загрязнений.Одни только электростанции выбрасывают каждый год 100-200 млн. т золы и 60 млн.т сернистого ангидрида. Атмосфера пашей планеты содержит 2,3´1012 т углекислого газа. Источникамивыделения его являются вулканы, горячие источники, живые организмы, горючиеископаемые. При сжигании топлива ежегодно в атмосферу поступает не менее 1´ 1010 т углекислого газа,создавая этим тепловой эффект и дальнейшее загрязнение атмосферы. Это в своюочередь ведет к нарушению химического равновесия в воздушной среде, изменениюклимата и другим глобальным последствиям. Углекислый и сернистый газы,загрязняющие атмосферу, можно использовать для получения различных полимерныхматериалов. В настоящее время осуществлено промышленное производствоароматических поликарбонатов. В лабораториях сейчас получают полисульфоны,материалом для которых служит сернистый газ. Реакция их синтеза, как и в случаес СО, инициируется пероксидами или с помощью жесткой радиации. Из полимеров,содержащих до 50 % SО2,изготавливают, например, плиты и пленки. Мембраны из полимеров, содержащих SО2 с некоторыми олефинамигибки, прочны, не токсичны, пропускают кислород так же хорошо, как и силоксановые,а углекислоту – в шесть раз лучше. Поэтому полисульфоновые мембраны перспективныдля аппаратов искусственного кровообращения.
В мире ежегодно выбрасывается в атмосферу около 150 млн. т SО2. В воздушноепространство скандинавских стран ветром заносится из промышленных регионовбольшое количество SO2, в результате чего здесь выпадают«кислые» дожди и рН поверхностных вод изменяется до 3,5 [4]. Следовательно,чтобы поверхностные воды были пригодными для питья, их необходимоподщелачивать. Не удивительно, что в отдельных районах потребление питьевойводы приводит к заболеваниям сердца.
Загрязнение атмосферы углекислым газом и другими веществамиувеличивает расход кислорода.
Человечество вынуждено будет прибегнуть к созданию новыхтехнологий, при которых будет поглощаться углекислый газ и выделяться кислород.
соединения шестивалентного хрома, чем трехвалентного. Опасныяды, находящиеся в высокодисперсном пародымообразном состоянии, поскольку такоесостояние облегчает проникновение их в организм через дыхательные пути. Частотоксический эффект зависит от продолжительности действия яда на организм, отего растворимости в крови, лимфе и т. д.
Индивидуальную чувствительность людей к различным веществамобусловливает состояние центральной нервной системы или всего организма. Этимобъясняется то, что в промышленных условиях нередко наблюдаются пилениясенсибилизации людей к некоторым ядам, ведущие к возникновению аллергическихзаболеваний, бронхиальной астмы и других специфических заболеваний, что делаетневозможным дальнейшую их профессиональную деятельность.
Большинство ядов оказывает отрицательное действие на организмв целом, хотя нередко наблюдается преобладающее поражение определенных,органов. Бензол, например, поражает кроветворные органы и центральную нервнуюсистему, свинец вызывает изменения нервной системы и поражает кровь, а иногда –изменения в печени,- сосудах и т. д. Избирательность поражения отдельныхорганов обусловлена особенностями веществ, их физико-химическими свойствами, вчастности, неодинаковой растворимостью к воде, жирах и липоидах, различиями вобмене веществ в тканях организма, а также определенным химическим сродствомэтих тканей к яду, что приводит к избирательному накоплению его в определенныхорганах.
Эти данные свидетельствуют о том, что комплексный учетфактором окружающей среды позволит намечать мероприятия по оздоровлению ее итем самым исключать вредные для здоровья людей условия. Трудность заключается втом, что комбинированное действие этих факторов еще недостаточно изучено. В тоже время опыт проведения природоохранных мероприятий в ряде промышленныхцентров в соответствии с современными гигиеническими требованиями показывает,что в этих районах наблюдается уменьшение общей заболеваемости, в том числехроническими болезнями.
Химическая промышленность столь многогранна, что полнаяхарактеристика ее чрезвычайно затруднительна, и поэтому мы остановимся лишь нанекоторых производствах, заслуживающих с точки зрения загрязнения окружающейсреды особого внимания. Обзор особенностей основного органического синтезаограничивается рассмотрением основных аспектов переработки нефти, каменногоугля, древесины, получения и применения каучука, капролактама, химическихволокон и пластических масс, производства пестицидов, поверхностно-активных веществ.В разделе кратко рассмотрены особенности загрязнения окружающей средытравильными и гальваническими производствами. Перечень производств охватываетосновные вещества неорганической и органической природы, значение которых иобъем выпускаемой ими продукции для нужд народного хозяйства очевидны.Ознакомление с ними показывает, что многое делается сегодня для того, чтобыновые материалы, новые вещества выпускались при помощи технологий, дающихминимальное количество отходов и позволяющих сохранить в чистоте окружающую насприроду.
ГЛАВА 3. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ ВОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
3.1 Переработка нефти
В процессе изучения этого производства нужно:
а) ознакомить учащихся с перегонкой и крекингом нефти;
б) вскрыть основныенаучные принципы промышленной переработки нефти;
в) показать успехи нефтяной промышленности.
Учитель сначала знакомит учащихся с нефтью — объясняет:
а) народнохозяйственное значение нефти; б) важнейшие ееместорождения; в) способы добывания; г) неуклонный рост нефтедобычи в нашейстране; д) состав; е) физические свойства.
Большое значение при этом имеет демонстрация нефти инефтепродуктов, а также (при наличии соответствующих условий) демонстрацияопытов, характеризующих сравнительно растворимость и горючесть нефтепродуктов,бензин и керосин как растворители и др.
Только после этого следует познакомить учащихся спереработкой нефти – перегонкой и крекингом.
I. Перегонка нефти. Об основном принципе перегонки нефти и промышленностиучащиеся получают представление на лабораторном опыте. Учитель демонстрируетперегонку нефти с перегретым паром (рис. 1).
/>
Рис. 1 — Перегонка нефти в лабораторных условиях
В колбе А нагреваютводу – получает пар, а в колбе Б – одновременно нагревает нефть (при отсутствиинефти нагревает заранее приготовленную смесь мазута или машинного масла,керосина и бензина). Собранную в приемнике (вместе с водой) смесь углеводородовразделяет с помощью делительной воронки.
О перегонке нефти в промышленности учитель в лекционной фирмесообщает учащимся следующее.
Перегонка нефти в промышленности происходит в специальнойустановке (рис. 3). Этот процесс основан на различных температурах кипениянаходящихся в нефти углеводородов. Процесс начинается в трубчатой печи,названной так потому, что внутри её находится стальной, очень большой длины,изогнутый трубопровод. Отапливается печь мазутом. Непрерывно перекачиваемаячерез трубопровод нефть нагревается, примерно до 400 °С, и поступает в ректификационнуюколонну. Эта колонна имеет большое количество горизонтальных перегородок, такназываемых тарелок с отверстиями. Нефтепродукты с низкой температурой кипениячерез отверстия тарелок поднимаются в верхнюю часть колонны, постепенноохлаждаются и в жидком состоянии задерживаются на той или иной тарелке.Нефтепродукты же с более высокой температурой кипения задерживаются на тарелкахуже в нижней части колонны. Через отверстия тарелок летучие нефтепродукты поднимаютсявверх, а жидкие стекают вниз (рис. 2).
/>
Рис. 2 — Перегонка нефти в промышленности: 1 – трубчатая печь для нагреваниянефти; 2 – ректификационная колонна
Более полномуотделению летучих нефтепродуктов от жидкости содействует подаваемый снизуперегретый пар, который идёт навстречу стекаемой жидкости.
Так последовательно, в направлении снизу вверх, при различнойтемпературе из нефти выделяются: мазут, соляровое масло, керосин, лигроин ибензин. Пары бензина в холодильнике охлаждаются и конденсируются. Некотораячасть бензина возвращается в колонну для орошения и охлаждения поднимающихсявверх летучих нефтепродуктов.
Полученные нефтепродукты по особым трубам из ректификационнойколонны выводятся и снова подвергаются перегонке. Путём последующей перегонкииз мазута выделяют различные смазочные масла (веретённое, машинное, цилиндровоеи др.), а также вазелин, парафин и другие ценные нефтепродукты. Послеокончательной фракционной перегонки нефти остается нелетучий продукт – гудрон.
В основе фракционной перегонки нефти лежат общиетехнологические принципы: непрерывность процесса, поток и противоток ициркуляция продуктов переработки. Здесь же имеет место и непрерывная циркуляциятепла: тепло получившихся продуктов перегонки используется для предварительногоподогрева нефти, а тепло дымовых газов – для некоторого подогрева воздуха,необходимого для сжигания в печи мазута.
Для проверки и закрепления изложенного материала учительпредлагает учащимся вопросы:
1. На каком свойственефти основана её фракционная перегонка?
2. Из какихаппаратов состоит нефтеперегонная установка?
3. Как вректификационной колонне получаются важнейшие нефтепродукты?
4. Какие общиетехнологические принципы лежат в основе фракционной перегонки нефти?
2.Крекинг нефти. Химический способ переработки нефти –крекинг-процесс, при наличии соответствующих условий в упрощенной форме науроке или на вне-классных занятиях, можно показать учащимся. Учитель сначалауясняет учащимся сущность крекинга нефти. Сообщает им, что если нефть нагреватьсильнее, чем при фракционной перегонке, то находящиеся в пей углеводородыначинают изменять свой химический состав; при этом молекулы их распадаются наболее мелкие по составу молекулы — образуется смесь жидких газообразныхпредельных и непредельных углеводородов с меньшим молекулярным весом, аследовательно, с более низкой температурой кипения – увеличивается выходнаиболее пенного продукта – бензина. Напоминает учащимся общий состав и характерныехимические свойства предельных и непредельных углеводородов. Обращает вниманиеучащихся на то, что образующиеся при крекинге непредельные углеводородыобнаруживают по обесцвечиванию ими бромной воды или раствора марганцевокислогокалия. Крекинг нефти демонстрируется на следующем приборе (рис. 3).
В этом приборе три основные части: печь для нагреваниякрекируемого сырья – железная трубка-приёмник для жидких продуктов и приёмникдля газа. В качестве крекируемого сырья используется керосин, предварительноочищенный от непредельных соединений или мазут, оставшийся после фракционнойперегонки нефти. Нагревание производится с помощью газовых горелок, паяльнойлампы, угольной жаровни. К получившимся жидким и газообразным продуктамприливается бромная вода или раствор марганцевокислого калия – обнаруживаютсяобразовавшиеся непредельные углеводороды. [6 – 8]
/>
Рис.3 — Крекинг нефти в лабораторных условиях
3.2 Охрана окружающей среды в коксохимическом производстве
В существующихтехнологических процессах подготовки и коксования угля, улавливания ипереработки химических продуктов образуются отходы, количество которыхсоставляет (в % от массы сухой угольной шихты): выбросы в атмосферу (пыль, углеводороды,оксиды углерода, серы и азота и т.п.) – 0,7–0,8; фенолсодержащие сточные воды –30–40; отходы химических цехов (фусы, кислые смолки, кубовые остатки, полимеры)– 0,25–0,28. Кроме того, на углефабриках образуются отходы углеобогащения вколичестве до 35–50% от массы готовой шихты.
Вопросы организациибессточного коксохимического производства. На многих предприятиях пока сохраняется стадиямокрого тушения кокса. При этом испаряется 0,5–0,6 м3 воды на 1 ткокса. Таким образом, при подаче очищенной воды на тушение коксакоксохимическое производство становится бессточным. При этом можно утилизоватьтакже продувочные воды системы производственно-технического водоснабжениякоксохимического предприятия (рис. 4).
Вывод продувочных вод изсистемы оборотного водоснабжения связан с необходимостью сокращения количествасолей в оборотной воде, чтобы избежать образования накипей на поверхностяхтеплообмена.
Как известно, переход насухое тушение кокса является одним из наиболее важных мероприятий, позволяющихрационально использовать энергетические и водные ресурсы, сократить выбросы ватмосферу и улучшить качество кокса. При сухом тушении кокса прекращаетсяхимическое и тепловое загрязнение окружающей среды, достигается большаяэкономия энергетического топлива (чтобы получить то количество пара, котороепроизводится на установках сухого тушения кокса – УСТК, обслуживающей коксовуюбатарею производительностью 1 млн. т/год, надо израсходовать с учетом тепловогок.п.д. парогенератора более 100 тыс. т условного топлива). Однако при полномпереходе на сухое тушение кокса возникает новая проблема – утилизация сточныхвод (в количестве 0,5 м3/т кокса). Наибольший интерес представляетиспользование этих вод после биологической очистки в цикле оборотноговодоснабжения.
/>
Рис. 4 — Расход сточной и технической вод (в м3/ткокса) при мокром тушении кокса без использования сточных вод в оборотномводоснабжении
Рассмотрим некоторые путисокращения количества фенольных сточных вод.
1. Объем конденсатапервичных газовых холодильников зависит от влажности исходного угля иколичества пирогенетичсской влаги, на долю которой приходится менее 20% общегообъема конденсата. При термоподготовке основная часть влаги угля удаляется притемпературах 100–200°С, т.е. в условиях, исключающих разложение органическоймассы угля. Влага угля, выводимая из системы, практически свободна от токсичныхвеществ, т.е. на 0,06–0,07 м3/т шихты (или на 0,9–0,10 м3/ткокса) уменьшается балансовое количество загрязненных сточных вод.
2. Дополнительнымисточником сточных вод является принятая схема выделения аммиака из надсмольнойводы при десорбции его острым паром. Расход пара на десорбцию аммиакасоставляет 20–25% объема перерабатываемой воды, или 40–45 т/т аммиака. Переходна обогрев аммиачных колонн глухим паром позволил бы уменьшить объем сточныхвод на 0,03–0,07 м3/т кокса. Необходимо, чтобы коксохимическоепредприятие возвращало на теплоэлектростанцию как можно больше конденсатаглухого пара; в настоящее время значительная его часть поступает в сточныеводы. Сокращение расхода острого пара и более полный возврат конденсатауменьшает не только объемы сточных вод, но и затраты на химическую водоочисткуи водоподготовку в системе ТЭС.
3. Закрытие цикла конечного холодильника без улавливания вголове процесса несколько увеличивает объем сточных вод. В то же время переходк улавливанию цианистого водорода, сероводорода и аммиака в начале газовоготракта делает ненужным узел конечного охлаждения и уменьшает объем сточных водна 0,05 м3/т кокса [4,5].
3.3 Пути сокращения и утилизации газовыхвыбросов
Одной из наиболеесерьезных задач является организация бездымной загрузки шихты в печные камеры.На ряде предприятий используют инжекцию парогазовой смеси, образующейся вмомент загрузки в стояки и газосборник. Этот прием создает благоприятнуюсанитарную обстановку на коксовых печах, но приводит к увеличению уноса пыли всмолу и повышает содержание кислорода в газе.
В РФ и за рубежомотрабатываются системы индивидуального отсоса газов загрузки и дожигания их вспециальной установке, смонтированной на углезагрузочном вагоне.
Крупный источник выбросовв атмосферу – градирня конечного охлаждения коксового газа.
На ряде производствопасность представляют выбросы из воздушников. Отдельные виды выбросов попадаютв коксовый газ. Так, на всасывающую линию нагнетателей подаются выбросы извоздушников пиридиновых установок. В этих выбросах содержатся токсичныецианистый водород и пиридиновые основания. В коксовый газ возвращают и легкуюфракцию сырого бензола, которая не утилизируется на ряде предприятий. Впекококсовый газ подается отработанный газ после обработки пека воздухом.
Серьезную проблемупредставляли выбросы бензольных углеводородов из воздушников технологическогооборудования и цехов ректификации сырого бензола. Потери составляли около 2% отмассы сырого бензола. В настоящее время разработана двухступенчатая схемаохлаждения парогазовой смеси с конденсацией продуктов и последующей абсорбциейбензольных углеводородов захоложенными сольвентами или ксилолами.
Существует нескольковидов выбросов, содержащих пары ряда токсичных веществ, включая иполициклические ароматические углеводороды, которые не удается утилизировать.Возможным решением в этом случае является дожигание органических веществ, лучше– каталитическое. Для этой цели используют катализаторы – оксиды ванадия имеди, нанесенные на оксид алюминия. Температура каталитического процесса400–500°С, объемная скорость 10–25 тыс. ч–1. Степень очистки составляет97–100% при содержании углеводородов в исходной смеси 6–18 г/м3(отбросные газы отделения пекоподготовки).
/>
Рис. 5 — Схема дожиганиятеплоносителя в производстве формованного кокса: 1 – теплообменник; 2 –контактный аппарат с кипящим слоем катализатора; 3 – циклон
Метод каталитическогодожигания успешно используется и для очистки избыточного газа-теплоносителяустановок формованного кокса. Особенностью такого газа является низкоесодержание кислорода – 0,3–0,7%. В газе кроме углеводородов содержится 3–8 г/м3угольной пыли, загрязненной смолистыми веществами, пары воды и сероводород.
Для очистки (рис. 5)используется аппарат с кипящим слоем катализатора 2. Избыточныйтеплоноситель разбавляется воздухом до концентрации кислорода 4 об. % ипоступает в реактор. Здесь окисляются все органические вещества, включая исмолу, адсорбированную на поверхности частиц пыли. Мелкодисперсные частицы пылипроходят через слой катализатора. Теплоноситель охлаждается в теплообменнике 1,очищается от пылинок в циклоне 3.или на металлокерамических фильтрах ивыбрасывается в атмосферу.3.4 Утилизация твердых и смолистыхотходов
Наиболее крупнаяпроблема–комплексное использование отходов углеобогащения и охрана окружающейсреды при работе углеобогатительных фабрик. Масштабность этой проблемыхарактеризуется тем, что уже в 1980 г. углеобогатительные фабрики страныежегодно перерабатывали 300 млн. т угля, получая 50 млн. т твердых отходов. Наряде предприятий их широко используют при сооружении дамб, для дорожныхпокрытий, в производстве строительных материалов. В Подмосковном угольномбассейне на разрезе «Кимовский» действует безотходная фабрика по комплексномуобогащению высокосернистого бурого угля с получением обогащенногоэнергетического угля, серного колчедана – сырья для получения серной кислоты,глины для изготовления кирпича.
Представление о составеотходов дают характеристики промышленных отходов углеобогатительных фабрикКарагандинского угольного бассейна:Зольность, % 68,5–70,5 Содержание серы, % 2,0–2,2 Теплота сгорания, МДж/кг 7,5–8,2 Состав, % чистый уголь 31,33 сульфиды железа 1,3 глинистые материалы 62–64 карбонаты 1–3
Химический состав золы,масс.
SiO2 53–58 MgO 1,3-1,8
А12О3 25–28
TiO2 0,7–1,2
Fе2O3 5,5–6,5
SO3 1,4–2,2- СаО 1,8–2,8
CO2 0,2–0,4
Достоинством отходовуглеобогатительных фабрик является высокая степень готовности к переработке(стабильный состав минеральной части, однородный гранулометрический состав). ВРФ разработана прогрессивная технология получения из, отходов углеобогащенияискусственного пористого заполнителя (аглопорита) для легких бетонов.
В настоящее время отходыуглеобогащения можно использовать в качестве следующих материалов:
1) сырье для производствааглопорита, стеновых керамических изделий, вяжущих материалов, дренажных труб,керамической плитки и других строительных материалов;
2) материалы длястроительства дорог и земляных сооружений (строительный щебень, дорожныеоснования дамб, балластировка железных дорог);
3) сырье длясернокислотного производства–серный колчедан;
4) материалы для закладкивыработанного пространства» шахт и планировки поверхности, нарушенной горнымиработами;
5) сырье для производстваудобрений;
6) сырье для получениякремнеалюминиевых сплавов, материалов на основе карбида кремния, глинозема,сульфата алюминия и др.
Наибольшее значение имеютдва первых направления.
Строительные материалы наоснове отходов добычи и обогащения углей дешевле по сравнению с приготовленнымииз традиционного сырья: аглопорит – на 28%, кирпич – на 16%. При этом неполностью учтена экономия капитальных затрат на организацию добычитрадиционного сырья.
Существуют, однако,организационные трудности, определяющиеся необходимостью сооружениясамостоятельных производств строительных материалов, соответствующих помощности углеобогатительным фабрикам. Трудной и не полностью решенной проблемойостаются переработка и утилизация отходов флотации углей, так как в этом случаенеобходимо не только тщательное механическое обезвоживание этих отходов,, но иуничтожение органических флотореагентов, уносимых вместе с углем.
Своеобразным твердымотходом становится сульфат аммония – низкосортное удобрение, на изготовлениекоторого используют значительные количества дефицитной серной кислоты.
Крупным достижениемкоксохимической промышленности явилась утилизация смолистых отходовпроизводства – фусов, кислых смолок сульфатных цехов и цехов по переработкесырого бензола и нафталина. Количество фусов составляет 0,15–0,18% от сухойшихты, кислой смолки цехов улавливания – 0,05%; столько же кислой смолкиполучают и при очистке сырого бензола.
Была разработана схемаутилизации фусов, возвращаемых в угольную шихту, а также технология совместнойутилизации кислых смолок, масел с очистных сооружений, кубовых остатков отректификации бензола, полимеров, сильно загрязненных сточных вод, котораяпредполагает приготовление водно-масляной эмульсии из смеси отходов. Эту смесьзатем дозируют в шихту. При этом эмульгаторами служат полимерные продукты,содержащиеся в отходах. В настоящее время эмульсионный способ утилизациипрактически всех образующихся химических отходов (кислых и щелочных,органических и неорганических) ' внедрен на большинстве коксохимическихпредприятий востока и центра РФ.
ГЛАВА 4. УРОКИ
Урок на тему: Переработка нефти и природного газа
I. Нефть – это сложная смесь насыщенных (алканов), ароматическихуглеводородов и циклоалканов с примесью неорганических веществ.
Различают нефти:
· парафиновые,
· нафтеновые,
· ароматические.
Нефть – маслянистая жидкость от светло-бурого до чёрного цвета, с характернымзапахом, в воде не растворяется, поэтому образует на её поверхности плёнку, не пропускающуювоздух (одна из экологических проблем).
II. Переработка нефти
Цель переработки нефти: получение бензина и сырья для нефтехимии.
Виды переработки нефти:
а) перегонка (физическийпроцесс) — первичная переработка нефти — выход не более 20%,
б) крекинг (химическийпроцесс) — вторичная переработка — выход до 80%.
а) Перегонка нефти.
Фракция– смесь УВ, кипящихв определённом температурном интервале.
Продукты первичной переработки: Фракции нефти Углеводороды
Температура кипения фракции в ○С Применение 1 Бензин
С5 – С11 20-200 Автомобильный бензин, авиационный бензин 2 Лигроин
С8 – С14 150-250 Горючее для автотракторной техники 3 Керосин
С12 – С18 180-300 Топливо для самолётов и ракет 4 Газойль
С18 – С24 275-400 Топливо для дизельных двигателей 5 Мазут
С19 – С53 Более 400 Подвергают вторичной переработке, часть мазута используют в качестве топлива
Прямая перегонканефти
· устройстворектификационной колонны (Н = 50 – 60 м, Д = 3 м);
· сущностьперегонки нефти;
· продуктыперегонки (фракции):
1. Бензиновая – С5– С12, tє кипения = 40 – 200о С – состав бензина
2. Лигроиновая – С8– С14, tє кипения = 150 – 250о С – горючее для тракторов
3. Керосиновая – С12– С18, tє кипения = 180 – 300оС – горючее для тракторов,ракет
4. Дизельная – С12– С18, tє кипения = 180 – 350оС – дизельное топливо
5. Гудрон – асфальт
Главный недостаток перегонкинефти – малый выход бензина (20 – 30%).
Крекинг термический –470 – 550оС, р = 2-6 Мпа
С16Н34— С8Н18 + С8Н16
С8Н18— С4Н10 + С4Н8
С4Н10 —С2Н6 – С2Н4
Состав бензина –разветвленные углеводороды, непредельные (но их меньше, чем в бензинетермического крекинга).
Пиролиз– высокотемпературный крекинг – 650 –700о С. Получают непредельные углеводороды.
Риформинг – получение ароматическихуглеводородов (ароматизация нефти)
Химическая переработкауглеводородов нефти позволяет получать не только горюче смазочные материалы, нои целый ряд органических веществ (схема).
Виды крекинга:
а) каталитический:
б) термический.
Реформинг (ароматизация) — превращение предельных углеводородов в ароматические,что улучшает качество бензина. Сущность риформинга — дегидрирование в присутствиикатализатора – платины.
Природный газ
· состав природногогаза;
· применение метанаи его соединений.
Таблица 1 — Состав природного ипопутного нефтяных газов (в объёмных процентах)Компоненты газов Природный газ Уренгойского месторождения Попутный газ Суторминского месторождения Попутный газ Пограничного месторождения Метан 95,16 63,4 85,85 Этан 1,00 10,5 0,12 Пропан 0,33 11,1 4,75
Бутан и
изобутан 0,07
2,8
1,2 1,4 и выше Пентан и др. 0,03 2,0 0,72 Азот и редкие газы 3,009 9,0 1,74 Углекислый газ 0,40 - -
Свойства нефти:
Плотность. Измеряетсяв кг/м3, по плотности нефти можно судить о её составе, применение нефтизависит от её состава. В нефти с небольшой плотностью меньше тяжелыхуглеводородов: асфальтенов, битумов, её легче отделить от воды и механическихпримесей.
Вязкость- свойство нефти оказывать при передвижении сопротивление перемещению частиц относительнодруг друга, чем меньше вязкость, тем легче нефть передвигается по трубам при транспортировке,легче поддается переработке.
Газовый фактор– количество газа на 1 тонну нефти, газ отделяется на месторождении, либоподается потребителю, либо подается на факел
Виды нефти:
По составу углеводородов:
· метановые,
· нафтеновые,
· ароматические,
· смешанные.
По плотности:
· лёгкие — плотность 0,65- 0,87%
· средние – плотность 0,871-0,910%
· тяжёлые – плотность 0,910-1,05 г/см3
По содержанию серы:
· малосернистые до 0,5%
· сернистые 0,5-2%
· высокосернистые свыше 2%
По содержанию твёрдых парафинов, растворённых в нефти(нефтяной парафин):
· высокопарафиновые — до 25%
· парафинистые или парафиновые — более 1,5%-6%
· малопарафиновые менее 1,5%
Нефть – это очень ценное полезноеископаемое, но неправильное использование и нарушение технологии добычи нефтиприводят к серьёзным последствиям.
Следует отметить основныеэкологические проблемы:
1. Загрязнение воздуха.
Основными загрязнителямиявляются:
предприятия нефтегазовогокомплекса, теплоэлектроцентрали;
транспорт.
2.Загрязнение поверхностныхвод.
Основными источниками загрязненийводоёмов являются стоки от буровых скважин, транспортных средств. Химические реагенты,нефть, нефтепродукты, фенолы, тяжёлые металлы являются основными загрязнителями,попадающими в водоёмы. Тяжёлые фракции нефти, оседая на дно рек, способствуют хроническомузагрязнению и вызывают гибель данной фауны
3. Нарушение почвенно-растительногопокрова.
Почвы подвергаются химическомузагрязнению в районах месторождений нефти и газа. В районах пробуренных скважинотмечается повышенное содержание в почве цинка, свинца, никеля, хрома, бора, стронция.Вечная мерзлота способствует накоплению загрязняющих веществ в почве и длительномухранению. В условиях низких температур растительный покров развивается чрезвычайномедленно, поэтому природа более ранима. Чем в других районах планеты.
Длительность восстановленияландшафтов составляет от 15 до 100 лет, но основная их часть вообще невосстанавливается. Из-за бездумного освоения нефтегазовых ресурсов Ямала выведеноиз оборота 60тыс. км2 оленьих пастбищ, в 1990 году сгорело 14 тыс. км2ягельников. При существующей практике экосистемы разрушены на 20-30%.
Вопрос: «Что такое парафин, который применяется для изготовлениясвечей, с химической точки зрения?»
Ответ:
Парафин — это воскоподобное вещество,смесь предельных углеводородов состава С18Н38 – С35Н72,t плавления = 40-600С, получают из нефти. Применяют для приготовленияпарафинистой бумаги, пропитки древесины в спичечном и карандашном производствах,как изоляционный материал, химическое сырьё и т.д. В медицине используют для парафинолечения.Вопрос:Что такое асфальт?И правда ли, что асфальтвстречается в природеОтвет: Асфальты и битумы — это природные минералы, образуются в результате окисления нефти. Асфальт был известенещё в древности. Асфальт (от греческого asphaltеs – горная смола).Различают асфальты:· природные (60-70% битумов): образуются при выветривании нефтив природе
искусственные — производят изнефти и используют для дорожного покрытия дорог, это смесь битумов -13-60% и песка,гравия, щебня.В природе встречаютсяасфальтовые озёра, например, озеро на острове Тринидад — редкостное природное образование.По нему можно ходить, даже проложена узкоколейная железная дорога для вывоза асфальта.Но асфальт в озере находится в постоянном движении и такие озёра — настоящий капкандля животных. Птицы, привлекаемые обманчивым блеском поверхности, садятся на озерои больше уже не взлетают.
· Что такое этилированный бензин?
· В нашем городе есть компрессорная станция КС-1. Поясните,пожалуйста, чем занимаются компрессорные станции?
· Почему во многих учебниках написано, что метан, этан — это газы беззапаха; а газ, который применяется в быту, обладает сильным неприятным запахом?
· Что означают марки бензина, например: А-76, АИ-92, АИ-96, АИ- 96 идр?
· На каком топливе работают самолёты?
· Нефть это вещество, или смесь веществ?
· Какие вещества входят в её состав?
· Чем отличаются по составу попутный и природный нефтяные газы?
· Какой газ природный или попутный имеет больше возможностей для нефтехимии?
· Перегонка это физический или химический процесс? На каком свойствевеществ основана перегонка?
· Крекинг это физический или химический процесс?
· Какой бензин более качественный:
бензин,полученный прямой перегонкой, термическим или каталитическим крекингом?
· Как вы понимаете слова Д.И.Менделеева «Нефть — не топливо, топитьможно и ассигнациями»?
Задачис экологическим содержанием
1. Рассчитайте объем СО2,возвращенного в круговорот углерода в результате деятельности метанокисляющихбактерий, если ими было утилизировано из воздуха 4,8 т СН4. Процессбиологического окисления метана идет ступенчато:
СН4 СН3ОН НСНО НСООН СО2.
Масса СН4 ватмосфере равна 4,3•108 т, а общая масса СО2 – 2,3•1012т.
2. Один из способовочистки коксового газа от оксидов азота(II) – использование метана.
Какой объем СН4расходуется в час на взаимодействие с NO на установке по очистке коксового газапроизводительностью 130 тыс. м3/ч, если в 1 м3 коксовогогаза содержится 6 см3 NO?
3. Нанефтеперерабатывающем заводе негерметичное соединение коммуникаций приводит кутечке бензина или другого нефтепродукта. Например, при утечке одной каплибензина в секунду потери топлива в месяц составляют 130 л, а в год – 1560 л.Сколько километров мог бы пройти автомобиль в месяц и в год, если его расходсоставляет 15 л на 100 км? Какой вред могут принести окружающей среде потеринефти и нефтепродуктов в нефтеперерабатывающей промышленности?
4. В настоящее времямуравьиную кислоту получают из природного газа путем каталитического окислениясодержащегося в нем метана. Вычислите объем природного газа (н. у.),необходимого для получения муравьиной кислоты массой 69 т, если объемная доляметана в нем равна 0,95. Определите преимущества данной технологии по сравнениюс методом получения муравьиной кислоты путем разложения формиата натрия сернойкислотой при охлаждении раствора.
Литература
1. Борисов И.Н. Обизучении химических производств, жури. «Химия в школе», 1954, № 1.
2. Шаповаленко С.Г.Вопросы политехнического обучения в процессе преподавания химии, журн. «Химия вшколе», 1953, № 2.
3. Цветков Л.А.,ред. Сборник «Производственные экскурсии по химии в школе, 1953.
4. Павлов Б.А. и др.Технология неорганических веществ. Пособие для учителей средней школы, 1954.
5. Вольфкович С.И. идр. Общая химическая технология, т. I, 1952.
6. Борисев М.И.Методика преподавания химии, т. 2, 1954.
7. Цветков Л.А,Химические опыты при изучении каучука и нефти, М.: «Химия в школе», 1953, № 6.
8. Терпогосова К.А.Нефть и продукты её переработки, 1952.
9…Барковский Е.В., Врублевский А.И. Тесты по химии, Минск, 2002.