Методическая разработка открытого урока. Дисциплина «Органическая химия». Тема: «Природные источники углеводородов и их переработка»

Методическая разработка открытого урока областного конкурса «Преподаватель года профессиональных образовательных организаций Самарской области — 2017»

в номинации «Молодой преподаватель»

дисциплина «Органическая химия»

тема: «Природные источники углеводородов и их переработка»

Преподаватель химических дисциплин

ГАПОУ СО «Новокуйбышевский Нефтехимический техникум»

Саранцева Алена Юрьевна

Самара, 2017

Открытый урок «Природные источники углеводородов и их переработка»

Цель урока: Сформировать понятие о значении переработки природных источников углеводородов для социально-экономического развития региона.

Задачи урока:

Образовательные:

• Познакомить обучающихся с основными природными источниками углеводородов – нефтью, природным и попутным нефтяным газом,

• Изучить основные направления и способы переработки этих полезных ископаемых,

• Рассмотреть основные месторождения нефти и газа на территории Самарской области.

Развивающие

• Развить у учащихся умение самостоятельно мыслить, умение видеть главное;

• Анализировать достижения химической науки в данной области;

• Развитие внимательности, логического мышления и расширение кругозора

Воспитательные:

• Формирование уважительного отношения к своей Родине;

• Способствовать выбору профессии, связанной с переработкой нефти и газа;

• Формировать чувство ответственности, развивать умение работать в группе, умение быть заинтересованным в успехе одногруппников, что будет способствовать развитию коммуникативных качеств и социализации личности.

Тип урока: изучение нового материала

Технология обучения в сотрудничестве

Межпредметные связи: история, экономика, экология, химическая технология

Оборудование: проектор, экран, компьютерная презентация, ноутбук, доска, образцы нефти и нефтепродуктов, дидактические материалы.

Ход урока

I. Организационный этап

Приветствие. Знакомство.

II. Актуализация знаний и опыта обучающихся

(Презентация. Слайд 1). Тема занятия звучит так: «Природные источники углеводородов и их переработка».

(Презентация. Слайд 2). Опрос обучающихся по вопросам ранее изученных тем:

- Что такое углеводороды? (Органические вещества, состоящие из углерода и водорода).

- В виде каких полезных ископаемых углеводороды встречаются в природе? (В виде нефти, каменного угля и газа).

Сегодня на занятии мы рассмотрим, что собой представляет природный газ, нефть и попутные нефтяные газы, а каменный уголь вы самостоятельно разберете дома.

III. Мотивация обучающихся. Постановка цели и задач занятия.

(Презентация. Слайд 3). Мне хотелось бы сегодня сформулировать цель урока в виде нескольких вопросов, а именно:

• Почему на протяжении веков люди стараются открыть месторождения нефти и газа, овладеть рынками их сбыта, нередко вступая в конфликты?

• Почему запасы углеводородного сырья определяют экономический потенциал и мощь страны, а по уровню их переработки можно судить об уровне цивилизации общества?

• Почему в нашей обыденной жизни мы тоже зависим от этой невзрачной на вид темной маслянистой жидкости?

• Одним словом, почему природный газ и нефть так важны для человека, и среди полезных ископаемых нефть называют королевой, именуют её «чёрным золотом»?

(Презентация. Слайд 4). Отсюда и складывается цель нашего занятия: сформировать понятие о значении переработки природных источников углеводородов для социально-экономического развития региона.

(Презентация. Слайд 5). Ответить на все эти вопросы нам поможет логическая взаимосвязь понятий: происхождение → состав → свойства → применение.

IV. Освоение нового материала. Частные обобщения.

(Презентация. Слайд 6). По состоянию на 2014 год в Самарской области числится 382 месторождения углеводородного сырья. Кроме того, 12 месторождений расположены частично на территории Самарской области, а также Оренбургской области и Республики Татарстан. В настоящее время наибольшее значение для промышленности имеют месторождения Зольненское на Самарской Луке, Мухановское и Дмитриевское в Кинель-Черкасском, Кулешовское в Нефтегорском, Покровское у Чапаевска, Радаевское и Якушкинское в Сергиевском районах.

Природный газ.

(Презентация. Слайд 7). Происхождение. О том, какое значение для экономики России имеет природный газ, сегодня хорошо известно даже школьнику. Жители нашего края могут гордиться тем, что Самарская область вот уже 70 с лишним лет занимает передовые позиции не только в разработке газовых месторождений, но также и в деле практического использования «голубого топлива».

В настоящее время основным источником газообразного углеводородного сырья в нашей стране являются месторождения российского Крайнего Севера. Однако не все знают, что впервые крупномасштабная добыча природного газа с целью использования его в промышленности и в быту была организована вовсе не в Сибири, а на территории Среднего Поволжья.

Состав. Основной компонент природного газа — метан (93 — 98 %). В нем также содержатся алканы состава C₂ – C₅, азот, оксид углерода (CO₂).

(Презентация. Слайд 8). Свойства. Природный газ при сгорании выделяет много теплоты. В этом отношении он значительно превосходит другие виды топлива (мазут, каменный и бурый уголь, древесину, торф). Природный газ не имеет запаха, а известный всем запах "газа" – это запах этилмеркаптана, который специально добавляется в газ на городской газораспределительной станции (ГРС) для возможности определять утечку газа по запаху.

(Презентация. Слайд 9). Применение. В настоящее время до 90 % природного газа используется в качестве топлива ТЭС, промышленных предприятиях и в быту. Природный газ может применяться как топливо для автомобильного транспорта. Основное составное вещество природного газа является незаменимым продуктом для химической промышленности. Он служит для получения ацетилена, метилового спирта, сажи и различных растворителей.

Нефть и попутные нефтяные газы.

(Презентация. Слайд 10). Происхождение. Наш край примечателен тем, что в некоторых его местах выходы нефти на поверхность земли были известны местному населению в течение сотен лет. Есть сведения, что уже в XVI веке, в самом начале колонизации русскими Поволжья, с берегов реки Сок в Москву возили нефть бочками под названием «казанская черная» и использовали ее для приготовления «военных припасов».

(Презентация. Слайд 11). Залежи нефти находятся в недрах Земли на разной глубине. О происхождении нефти ученые утверждают, что это «планктон древних морей», образовавшийся из растительных и животных остатков в течении долгих веков под действием микроорганизмов без доступа воздуха при повышенной температуре и давлении.

(Презентация. Слайд 12). Состав, свойства. Что же такое нефть?

Нефть – маслянистая жидкость, легче воды, не растворяющаяся в ней, от светло-коричневого до черного цвета. У нее различен не только цвет, но и запах, а также вязкость.

Имеет ли нефть формулу? (Нет.) А почему?

По составу нефть – сложная смесь, главной частью которой являются предельные углеводороды, циклоалканы и ароматические углеводороды.

Переработка.

(Презентация. Слайд 13). Процесс переработки нефти и попутных нефтяных газов включает в себя ее подготовку и процессы первичной и вторичной переработки.

Подготовка извлеченной из недр нефти ставит целью удаление из нее механических примесей, растворенных солей и воды, и стабилизацию по составу, то есть удаление легких углеводородов.

А что в себя включает первичная, вторичная переработка и какое применение находят нефтепродукты, вы мне расскажете сами. Но для начала вам нужно объединиться в три группы.

(Презентация. Слайд 14). Для каждой группы дается задание, которое вы совместно должны выполнить за 15 минут. Затем каждая группа выступает перед аудиторией с рассказом.

Практическое задание.

1 группа. С помощью предложенных карточек, составить блок-схему подготовки и первичной переработки нефти и попутного газа. Карточки 1 имеют название технологического процесса; карточки 2 — промежуточные вещества и продукты нефтепереработки. Работу представить в виде рассказа с использованием полученной блок-схемы. Разъяснение технологических этапов представлено в информационном листе. (Приложение 1)

2 группа. Составить схему вторичной переработки нефти. Из предложенных карточек с технологическими процессами выбрать те, которые проводятся при вторичной переработке нефти. К этим процессам подобрать определения, условия процесса и химическую реакцию. Работу представить в виде рассказа с использованием полученной блок-схемы. Разъяснение технологических этапов представлено в информационном листе. (Приложение 2)

3 группа. Схема применения нефтепродуктов. Соотнести карточки с фракциями нефти и нефтепродуктами и оформить таблицу. Работу представить в виде рассказа с использованием полученной таблицы. Разъяснение задания представлено в информационном листе. (Приложение 3) (Презентация. Слайд 15 — 17). Выступление групп.

V. Закрепление нового материала. Итоговое обобщение.

(Презентация. Слайд 18).

Сегодня на занятии мы познакомились с основными природными источниками углеводородов — природным газом, нефтью и попутными нефтяными газами; познакомились с основными направлениями и способами переработки этих полезных ископаемых, а также с основными месторождениями нефти и газа на территории Самарской области.

Давайте вернемся к цели нашего занятия и подумаем, какое же значение имеет переработка природных источников углеводородов для социально-экономического развития нашего региона?

Рефлексия. (Презентация. Слайд 19).

Оцените урок и выставите баллы, где

5 баллов - мне понравилось, всё понял, могу объяснить другому;

4 балла - мне понравилось, всё понял, но объяснить не берусь;

3 балла - для полного понимания надо повторить;

2 балла - ничего не понял.

V. Задание для внеаудиторной самостоятельной работы

(Презентация. Слайд 20).

Самостоятельно изучить происхождение, состав, свойства, применение каменного угля.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Информационный лист

Тема «Природные источники углеводородов и их переработка»

ЗАДАНИЕ 1. Составить схему подготовки и первичной переработки нефти и попутного газа

ПОЯСНЕНИЕ. С помощью предложенных карточек, составить блок-схему подготовки и первичной переработки нефти и попутного газа. Карточки 1 имеют название технологического процесса; карточки 2 — промежуточные вещества и продукты нефтепереработки. Работу представить в виде рассказа с использованием полученной блок-схемы. Разъяснение технологических этапов представлено в информационном листе.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Подготовка нефти к первичной переработке

Добытая, но не переработанная нефть, содержит различные примеси, например, соль, воду, песок, глина, частицы грунта, попутный газ. Срок эксплуатации месторождения увеличивает обводнение нефтяного пласта и, соответственно, содержание воды и других примесей в добываемой нефти. Наличие механических примесей и воды мешает транспортированию нефти по нефтепродуктопроводам для дальнейшей ее переработки, вызывает образование отложений в теплообменных аппаратах и других емкостях, усложняет процесс переработки нефти.

Вся добытая нефть проходит процесс комплексной очистки, сначала механической, затем тонкой очистки.

На данном этапе также происходит разделение добытого сырья на нефть и газ в сепараторах нефти и газа.

Попутный газ подвергают разделению и извлекают из него метан, этан, пропан, бутан и некоторое количество нестабильного бензина.

Отстаивание в герметичных резервуарах на холоде или при подогреве способствует удалению большого количества воды и твердых частиц. Для получения высоких показателей работы установок по дальнейшей переработке нефти последнюю подвергают дополнительному обезвоживанию и обессоливанию на специальных электрообессоливающих установках (ЭЛОУ).

Зачастую вода и нефть образуют труднорастворимую эмульсию, в которой мельчайшие капли одной жидкости распределены в другой во взвешенном состоянии.

Первичная переработка нефти

Переработку нестабильной нефти начинают со стабилизации, т.е. отгонки более легких компонентов (газов стабилизации), которые направляют для разделения на центральную газофракционирующую установку (ЦГФУ).

Добытая нефть есть смесь нафтеновых, парафиновых, ароматических углеводов, которые имеют разный молекулярный вес и температуру кипения, и сернистые, кислородные и азотистые органические соединения. Первичная переработка нефти заключается в разделении подготовленной нефти и газов на фракции и группы углеводородов. При перегонке получают большой ассортимент нефтепродуктов и полупродуктов.

Суть процесса основана на принципе разности температур кипения компонентов добытой нефти. В результате сырье разлагается на фракции - до мазута (светлые нефтепродукты) и до гудрона (масла).

Первичная перегонка нефти может осуществляться с :

• однократным испарением

• многократным испарением

• постепенным испарением

При однократном испарении нефть нагревается в подогревателе до заданной температуры. По мере нагрева образуются пары. При достижении заданной температуры парожидкостная смесь поступает в испаритель (цилиндр, в котором пар отделяется от жидкой фазы).

Процесс многократного испарения представляет собой последовательность однократных испарений при постепенном повышении температуры нагрева.

Перегонка постепенным испарением представляет собой малое изменение состояния нефти при каждом однократном испарении.

Основные аппараты, в которых проходит перегонка нефти, или дистилляция, - это трубчатые печи, ректификационные колонны и теплообменные аппараты.

В зависимости от типа перегонки трубчатые печи делятся на атмосферные печи АТ, вакуумные печи ВТ и атмосферно-вакуумные трубчатые печи АВТ. В установках АТ осуществляют неглубокую переработку и получают бензиновые, керосиновые, дизельные фракции и мазут. В установках ВТ производят углубленную переработку сырья и получают газойлевые и масляные фракции, гудрон, которые в последствии используются для производства смазочных масел, кокса, битума и др. В печах АВТ комбинируются два способа перегонки нефти.

Процесс переработки нефти принципом испарения происходит в ректификационных колоннах. Там исходная нефть с помощью насоса поступает в теплообменник, нагревается, затем поступает в трубчатую печь (огневой подогреватель), где нагревается до заданной температуры. Далее нефть в виде парожидкостной смеси входит в испарительную часть ректификационной колонны. Здесь происходит деление паровой фазы и жидкой фазы: пар поднимается вверх по колонне, жидкость стекает вниз.

Вышеперечисленные способы переработки нефти не могут быть использованы для выделения из нефтяных фракций индивидуальных углеводородов высокой чистоты, которые впоследствии станут сырьем для нефтехимической промышленности при получения бензола, толуола, ксилола и др. Для получения углеводородов высокой чистоты в установки перегонки нефти вводят дополнительное вещество для увеличения разности в летучести разделяемых углеводородов.

Полученные компоненты после первичной переработки нефти обычно не используются в качестве готового продукта. На этапе первичной перегонки определяются свойства и характеристики нефти, от которых зависит выбор дальнейшего процесса переработки для получения конечного продукта.

В результате первичной обработки нефти получают следующие основные нефтепродукты:

• углеводородный газ (пропан, бутан)

• бензиновая фракция (температура кипения до 200 градусов)

• керосин (температура кипения 220-275 градусов)

• газойль или дизельное топливо (температура кипения 200-400 градусов)

• смазочные масла (температура кипения выше 300 градусов)остаток (мазут)

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Информационный лист

Тема «Природные источники углеводородов и их переработка»

ЗАДАНИЕ. Составить схему вторичной переработки нефти

ПОЯСНЕНИЕ. Из предложенных карточек с технологическими процессами выбрать те, которые проводятся при вторичной переработке нефти. К этим процессам подобрать определения, условия процесса и химическую реакцию. Работу представить в виде рассказа с использованием полученной блок-схемы. Разъяснение технологических этапов представлено в информационном листе.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Вторичная переработка нефти

Полученные при перегонке с помощью физических процессов нефтепродукты отправляются на другие переделы, в которых используются различные химические реакции. Химические процессы, составляющие основу вторичной переработки, позволяют максимально использовать энергетический и химический потенциал углеводородов. Классификация методов вторичной переработки нефти приведена на рис. 1.

Рис. 1 Классификация методов вторичной переработки нефти

Термический крекинг — это высокотемпературная переработка углеводородов нефти с целью получения высококачественного топлива. Различают несколько видов термического крекинга.

Неглубокий термический крекинг при температурах  и давлении 1,5—2,0 МПа для получения котельного топлива из высоковязкого исходного сырья: мазута и гудрона.

Глубокий (жидкофазный) крекинг при температурах  и давлении выше 5,0 МПа применяется для получения бензина с антидетонационными характеристиками из лигроиновых. керосиновых и газойлевых фракций. Крекинг-бензины содержат в своем составе значительное количество непредельных и ароматических углеводородов.

Побочными продуктами термического крекинга являются газ, крекинг-остаток, обогащенный высокомолекулярными углеводородами, и тяжелая смола.

Пиролиз используется для разложения углеводородов при  и давлении 1,0—1,2 МПа. С его помощью получают газообразные непредельные углеводороды, в основном этилен и пропилен. Побочными продуктами пиролиза являются смолы пиролиза и предельные газы метан и этан.

Коксование - высокотемпературный ( и 0,2—0,6 МПа) процесс получения электродного или топливного кокса из нефтяных остатков. Это пек, полученный из смолы пиролиза, мазут, и гудрон.

Полностью использовать потенциал нефти удается с помощью катализаторов. Катализаторы характеризуются активностью, стабильностью и селективностью. Активность катализатора - это его производительность. Селективность определяется количеством целевого продукта, образовавшегося из исходного сырья.

Катализаторы термокаталитических процессов состоят из трех компонентов: носителя, основного компонента и добавок. В качестве носителя используются алюмосиликаты, основного компонента - цеолиты. В качестве добавок используются платина, рений, металлоорганические комплексы сурьмы, висмута, фосфора, оксиды кальция и магния. Среди катализаторов риформинга наибольшее значение приобрели платиновый и платино-рениевый катализатор.

Каталитический крекинг - это процесс разложения высокомолекулярных углеводородов при  и давлении 0,13-0,15 МПа в присутствии катализаторов. Разработан процесс для производства высокооктанового бензина с октановым числом до 92 и сжиженных газов. В качестве катализаторов используются в основном алюмосиликаты и цеолиты.

Риформинг - это каталитический процесс переработки низкооктановых бензиновых фракций при температурах  и давлении 2,0—4 МПа. Продуктом является высокооктановая компонента товарного автомобильного бензина с октановым числом до 100 и ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы). Сырьем являются бензиновые фракции, содержащие все типы углеводородов.

Гидрогенизационные процессы переработки нефтяных фракций проводятся в присутствии водорода и катализаторов при  и давлении 2—32 МПа. Эти процессы увеличивают выход светлых нефтепродуктов и обеспечивают удаление примесей серы, кислорода и азота.

Фракции (дистилляты), получаемые в ходе первичной и вторичной переработки нефти, содержат в своем составе различные примеси. В светлых нефтепродуктах нежелательными примесями являются сернистые соединения, нафтеновые кислоты, непредельные соединения, смолы и твердые парафины.

Присутствие в моторных топливах серы и нафтеновых кислот вызывает коррозию деталей двигателей. Непредельные соединения в топливах образуют осадки, загрязняющие систему топливопроводов. Повышенное содержание смол в топливе приводит к нагарообразованию. Присутствие твердых углеводородов в нефтепродуктах повышает температуру их застывания и ухудшает подачу топлива в цилиндры. Присутствие ароматики в осветительных керосинах образует коптящее пламя.

Для удаления вредных примесей из светлых нефтепродуктов применяются различные способы очистки.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Информационный лист

Тема «Природные источники углеводородов и их переработка»

ЗАДАНИЕ. Составить таблицу «Применение нефтепродуктов»

ПОЯСНЕНИЕ. Соотнести карточки с фракциями нефти и нефтепродуктами и оформить таблицу. Работу представить в виде рассказа с использованием полученной таблицы. Разъяснение задания представлено в информационном листе.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Области применения нефтепродуктов.

Бензиновая фракция, собираемая от 40 до 200°С, содержит углеводороды от С₅Н₁₂ до С₁₁Н₂₄. При дальнейшей перегонке выделенной фракции получают газолин (t_кип = 40–70°С), бензин (t_кип = 70–120°С) – авиационный, автомобильный и т.д.

Лигроиновая фракция, собираемая в пределах от 150 до 250°С, содержит углеводороды от С₈Н₁₈ до С₁₄Н₃₀. Лигроин применяется как горючее для тракторов. Большие количества лигроина перерабатывают в бензин.

Керосиновая фракция включает углеводороды от С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ с температурой кипения от 180 до 300°С. Керосин после очистки используется в качестве горючего для тракторов, реактивных самолетов и ракет.

Газойлевая фракция (t_кип > 275°С), по-другому называется дизельным топливом.

Остаток после перегонки нефти – мазут – содержит углеводороды с большим числом атомов углерода (до многих десятков) в молекуле. Мазут также разделяют на фракции перегонкой под уменьшенным давлением, чтобы избежать разложения. В результате получают соляровые масла (дизельное топливо), смазочные масла (автотракторные, авиационные, индустриальные и др.), вазелин (технический вазелин применяется для смазки металлических изделий с целью предохранения их от коррозии, очищенный вазелин используется как основа для косметических средств и в медицине). Из некоторых сортов нефти получают парафин (для производства спичек, свечей и др.). После отгонки летучих компонентов из мазута остается гудрон. Его широко применяют в дорожном строительстве. Кроме переработки на смазочные масла мазут также используют в качестве жидкого топлива в котельных установках.

Слайд 1

Слайд 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

Слайд 9

Слайд 10

Слайд 11

Слайд 12

Слайд 13

Слайд 14

Слайд 15

Слайд 16

Слайд 17

Слайд 18

Слайд 19

Слайд 20