Урок по теме "Производство серной кислоты"

Ролевая игра по теме "Производство серной кислоты"

Цель урока:  Познакомить учащихся с основными закономерностями протекания и управления химическими реакциями на примере производства серной кислоты.

Знать химизм производства серной кислоты, условия их осуществления, общие научные принципы, лежащие на основе этого производства, устройство и работу аппаратов по производству серной кислоты.

Знать основные профессии и перспективы развития сернокислого производства, условия охраны труда и защиты окружающей среды.

Уметь разъяснять условия, влияющие на скорость химических реакций, смещение химического равновесия. Уметь объяснять значение серной кислоты для развития народного хозяйства.

Оборудование: таблица «производство серной кислоты контактным способом », презентация по данной теме, компьютер, мультимедийная приставка.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Основная часть

Учитель: "Едва ли найдется другое искусственно применяемое в технике, как H₂SO₄. Где нет заводов для ее добывания немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющее важное техническое значение." Серную кислоту ещё называют «хлебом» химической промышленности.

Магистр химических наук: Уважаемые коллеги! Сегодня на нашем ученном совете  присутствуют технологи завода, химики-конструкторы, научные сотрудники, экологи, врачи, корреспонденты. На повестке дня очень важный вопрос - к нам в научно-исследовательский институт поступила телеграмма, зачитываю:

Телеграмма   На нашем заводе выбрасывается в атмосферу большое количество сернистого газа. Нельзя ли наладить производство по выпуску серной кислоты, чтобы сернистый газ не загрязнял атмосферу на территории нашего поселка? Просьба решить вопрос положительно и выслать технологические схемы производства. Администрация завода

Магистр технических наук: Производство серной кислоты нам известно еще с 16 века. Хотелось бы услышать краткую историческую справку. Слово историку.

Историк:  Первые предприятия, производящие серную кислоту, появились в 18в. в Англии  ( 1740 г. Ричмонд) и Франции (1766 г. Руан ), в России сернокислотное производство возникло в 1805г. В 16 веке серную кислоту получали сухой перегонкой железного купороса, и с тех пор ее стали звать "купоросным маслом". Первый завод построен в Англии в 1740 году, где получали серную кислоту сжиганием серы и селитры в металлических сосудах. Позже для улавливания образующихся газов стали применять свинцовые камеры, и способ назвали "камерным". В начале 20 века заменили башнями, и процесс назвали "башенным", но концентрация кислоты составляла 75%, и происходило загрязнение атмосферы. Появился новый способ производства серной кислоты - контактный метод. При этом стали получать 90-95% кислоту и олеум (100%), не стало такого загрязнения окружающей среды. В настоящее время основными промышленными методами получения серной кислоты являются башенный (нитрозный) и контактный. Последний метод имеет большое преимущество.

Магистр технических наук: Перед нами стоит задача: найти наиболее выгодный экологический способ получения серной кислоты, слово технологическому бюро:

Вы должны ответить на вопрос, что является сырьем для производства серной кислоты и при помощи каких химических превращений можно осуществить данное производство? Приведите схемы химических реакций.

Технологическое бюро: Основными видами сырья производства серной кислоты являются: железный колчедан или пирит FeS2, сера, отходящие газы цветной и черной металлургии, содержащие оксид серы (IV) SO2, сероводород, серный колчедан. Серу получают из природных залежей - природная сера, и из сероводорода, природного газа - газовая сера. Для производства серной кислоты используют серный колчедан. Сырье должно быть дешевым, широко распространенным. Применение сырья лучше всего сделать комплексным. Возможны варианты использования отходов других химических производств, а также применение концентрированного сырья. Стадии производства серной кислоты:4FeS ₂+ 11 O₂=2Fe₂O₃+ 8SO₂+ Q

2SO₂ + O₂   ↔2SO₃ + Q

SО₃+Н₂О=Н₂SО₄ + Q

Магистр химических наук: Сырье, которое имеется на заводе для технологического процесса - пирит или серный колчедан. Из него образуется оксид серы (IV) или SO2?

Слово предоставляется 1 химику-технологу: Какая реакция происходит в печи обжига в "кипящем слое"?

Химик-технолог 1: Оксид серы получают обжигом серного колчедана или пирита4FeS ₂+ 11 O₂=2Fe₂O₃+ 8SO₂+ Q данная реакция необратимая, экзотермическая, гетерогенная, некаталитическая.

Оптимальные условия:Температура 800 градусов.Применяется "кипящий слой".Колчедан измельчается до определенного размера.Используется воздух, обогащенный кислородом.Реакция проводиться с большой скоростью. Если вместо воздуха пропускать чистый кислород, увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ, скорость реакции увеличивается. При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, и скорость реакции увеличивается. Так как реакция протекает с выделением тепла и температура поднимается выше оптимальной температуры, то теплоту нужно отводить и использовать для других целей.

Магистр технических наук: Но ведь нам нужна печь, в которой мы можем проводить эту реакцию? Слово 1 химику-конструктору: Расскажите об устройстве печи для обжига в "кипящем слое". Как происходит процесс?

Химик-конструктор 1: Печь представляет собой стальной цилиндр, выложенный огнеупорным кирпичом. Сверху в печь поступает измельченный серный колчедан, а снизу воздух, обогащенный кислородом. Воздух поступает в печь через решетку с отверстиями и поднимает частицы пирита вверх. Поднимаясь на определенную высоту, они начинают падать вниз под воздействием силы тяжести. Подхватываясь новыми струйками воздуха, частички пирита опять поднимаются вверх. Создается впечатление "кипящего слоя". От этого и название этой печи.

Магистр химических наук: В печи большая температура и поэтому ее можно каким-то образом использовать для различных бытовых нужд. Как это можно сделать, используя достижения науки? Слово 1 научному сотруднику: Ответьте на вопрос - как используется тепло, образующееся при реакции в печи для обжига в "кипящем слое"? Зачем измельчают серный колчедан до реакции, и что было бы, если серный колчедан поступал в печь крупными частицами?

Научный сотрудник 1: Избыточная теплота отводится и используется для получения водяного пара, а также идет на нагрев отопительной системы цехов. При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, что вызывает увеличение скорости реакции. Но при образовании слишком мелких частиц пирита происходит слеживание, образуется плотный слой, через который кислород почти не проходит. При более высокой температуре происходит даже их спекание и скорость реакции падает. Поэтому очень важно измельчение пирита до частиц определенного диаметра.

Магистр технических наук: Полученный в печи обжига оксид серы (IV) SO₂ имеет очень много примесей, поэтому его невозможно использовать для получения серной кислоты, к тому же он выбрасывается в атмосферу, что недопустимо. Значит нужно расширить производство и из этого оксида получать серную кислоту. Для этого нужны новые аппараты, а в дальнейшем цеха и соответственно новые рабочие места.

Слово химику - конструктору 2: Познакомьте нас с устройством циклона и объясните, как происходит очистка оксида серы (IV) от примесей.

Химик - конструктор 2: Я представляю устройство аппарата циклона, в котором можно удалить пыль из газовой смеси, он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Смесь газов поступает в наружный цилиндр и движется по спирали сверху вниз. Частицы пыли отлетают к стенке наружного цилиндра, падают вниз и удаляются.

Магистр химических наук: В циклоне можно очистить оксид серы (IV) только от крупных примесей, а как же мелкие частички пыли?

Слово химику-конструктору 3: Расскажите о строении электрофильтра, что в нем происходит?

Химик - конструктор З: Для очищения газа от мелких примесей его направляют в электрофильтр. Этот аппарат состоит из металлических сеток, между которыми протянута тонкая проволока. К проволоке подводится постоянный электрический ток высокого напряжения - 60.000 В. Проволока заряжена отрицательно, а сетка - положительно. Смесь газов поступает в камеру снизу. В результате сильного электрического поля пылинки приобретают отрицательный заряд, притягиваются к сетке, теряют свой заряд и падают в специальный бункер.

Магистр технических наук: Этот оксид содержит пары воды, поэтому в таком виде его использовать нельзя. Зачем и как сушат оксид серы (IV)? Слово химику-технологу 3.

Химик-технолог 2: От водяных паров газовую смесь очищают в сушильной башне. В эту башню газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами. Поглощение оксида серы (IV) идет не водой, а концентрированной серной кислотой. Она забирает воду и становится разбавленной, а газ сухим.

Магистр химических наук: Чтобы получить серную кислоту, нужен оксид серы (VI) SОз. Как легче и быстрее его получить из оксида серы (IV)? Слово имеет химик-технолог 2.

Химик-технолог 3: Нужно окислить оксид серы (IV) в оксид серы (VI)

2SO₂ + O₂=2SO₃ + QДанная реакция является экзотермической и обратимой.

Оптимальные условия: Начальная температура равна 600 градусов, а потом понижается до температуры 400 градусов, так как реакция обратимая и равновесие смещается по принципу Ле-Шателье.

Катализатор (V2O5) - оксид ванадия, наиболее дешевый, срок действия - 5 лет. Используется повышенное давление.

Предварительно оксид серы (IV) очищают, так как реакция каталитическая.

Чтобы получить большее количество оксида серы (IV) реакцию нужно проводить при более низкой температуре. В уравнении реакции видно, что до реакции было 3 объема газовой смеси, а после реакции - 2 объема. Чтобы получить больше объема оксида серы (IV), нужно увеличить давление. Поэтому на химическом производстве реакцию проводят при более низкой температуре, а именно 400°С, применяют катализатор, так как температура недостаточна.

Магистр технических наук: Для этого нужен аппарат определенной конструкции. Расскажите о строении теплообменника и тех химических процессах, которые там происходят? Как нагреть SO2 , входящий в контактный аппарат? Слово конструктору 4.

Химик-конструктор 4: После тщательной очистки оксида серы (IV) газовую смесь для начала реакции нужно нагреть. Для этого он поступает в теплообменник. Из контактного аппарата выходит горячий оксид серы (IV) по трубам, а между трубами в противоположном направлении пропускают подогреваемую газовую смесь. Таким образом, достигаются 2 цели:

Исходные вещества нагреваются до температуры 400 градусов.

Продукты реакции охлаждаются.

Магистр химических наук: Слово предоставляется химику-конструктору 5. Он познакомит нас с устройством контактного аппарата.

Химик-конструктор 5:

Подогретая смесь поступает в контактный аппарат сверху. В контактном аппарате имеются полки с катализатором (оксидом ванадия). Газ направляется на первый слой катализатора. Из оксида серы (IV) образуется оксид серы (VI) приблизительно 75%. Так как реакция идет с повышением температуры до 500 градусов, то смесь нужно охладить, и она поступает в трубы теплообменника, отдавая тепло, входящему газу. Затем при 460 градусах направляется на вторую полку катализатора, где реакция окисления продолжается до 90%. Затем газ охлаждается в теплообменнике и проходит через третью полку катализатора, где на 98% оксид серы (IV) превращается в оксид серы (VI).

Магистр технических наук: И последнее, что нам осталось - это из оксида серы (VI) SO3 получить собственно серную кислоту, желательно с хорошим содержанием основного продукта. Слово имеет химик-технолог 4.

Химик-технолог 4: чтобы из Оксида серы (VI) получить серную кислоту, нужно добавить воду:SO3+ H2O=H 2SO4 + QДанная реакция необратимая, экзотермическая, некаталитическая, гетерогенная. Оптимальные условия:Температура 300 градусов.Применяются керамические кольца для увеличения поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

Поглощение оксида серы (IV) идет концентрированной серной кислотой, а не водой, так как в противном случае получается кислота в виде капелек тумана.

Магистр химических наук: Нам известно, что в поглотительной башне поглощение оксида серы (VI) идет не водой, а концентрированной серной кислотой, с чем это связано? Слово предоставляется химику-технологу 5 .

Химик-технолог 5: Поглощение оксида серы (VI) идет не водой, а концентрированной серной кислотой, так как в противном случае получается кислота в виде капелек тумана. В результате получается безводная серная кислота, при растворении в которой оксида серы (VI) образуется олеум - 100 % серная кислота.

Магистр технических наук: Аппарат имеет своеобразное строение. Слово предоставляется конструктору 6.

Химик-конструктор 6: Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами. В эту башню газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает концентрированная серная кислота. Над концентрированной серной кислотой водяной пар практически отсутствует. Оксид серы (VI) поглощается концентрированной серной кислотой, реагируя с содержащейся в ней водой. Таким образом, кислота забирает воду и становится разбавленной, а газ сухим.

Магистр химических наук: Какие научные принципы можно использовать в производстве серной кислоты. Слово научным сотрудникам.

Научный сотрудник 2:

Непрерывность технологического процесса.

Создание оптимальных условий. Применение катализатора.

Утилизация теплоты химических реакций. Теплообмен. Противоток.

Измельчение, увеличение поверхности соприкосновения реагирующих веществ

Научный сотрудник 3: Производство серной кислоты относится к производствам основной химической промышленности, создающей необходимые предпосылки для развития всех других химических производств. Процесс производства серной кислоты непрерывный: обжиг пирита в печи, поступление оксида серы (IV) и воздуха в очистительную систему, а затем в контактный аппарат, подача оксида серы (VI) в поглотительную башню.

Магистр технических наук: Близлежащее предприятие Иртышский медеплавильный завод выбрасывает в атмосферу большое количество оксида серы (IV), серной кислоты и других вредных веществ. Обратите внимание на данные таблицы. С каждым годом происходит сокращение выброса вредных веществ. По данным таблицы содержание примесей в воздухе плавцеха превышает норму, а около магазина "Элегант" остается в норме, хотя, когда завод работал на полную мощность, эти показатели превышали норму ПДК.

Магистр химических наук: Однако на нашем планируемом предприятии никакие газы не должны быть выброшены в атмосферу, производство должно быть экономически чистыми, слово отделу окружающей среды.

Отдел по охране окружающей среды 1: Сегодня одно из самых тревожных выражений -"экологическая катастрофа". Ежедневно мы слышим предостережения: "Образумьтесь, люди! Будущее земли в опасности". Человек всегда радовался благодатным каплям дождя, но сейчас в некоторых районах дожди превратились в серьезную опасность. Они приносят на землю серную кислоту, приводящую к гибели многие живые организмы. Такие дожди называют кислотными. Ежедневно в мире выбрасываются в атмосферу 20-25 тонн серной кислоты. Кислотные осадки наносят много миллиардные убытки, получаемые в результате коррозии металлов в сооружениях, подземных коммуникациях, разрушение зданий. Вымирание водных организмов из-за повышения кислотности водоемов. Гибель растений не приспособленных жить на кислой почве. Болезнь и гибель растений из-за удаления из почвы ионов кальция, магния, железа.

Магистр технических наук: как наладить производство, чтобы не было выбросов в атмосферу всех вредных веществ ( газов SO2, SO3 , кислоты, пыли). Слово отделу по охране окружающей среды 2: ; Отдел по охране окружающей среды 2: Ежедневно в мире выбрасывается в атмосферу 13-15 тонн оксида серы (IV) в сутки. Выбросы этого газа загрязняют воздух на значительные расстояния от источника (на тысячу и более километров). Чтобы снизить содержание в атмосфере оксида серы (IV) сооружают трубы высотой 180-250 метров. Оксид серы (IV) считается одной из основных действующих составных частей "токсичных туманов" и одним из основных, активных компонентов формирования смога - токсичного тумана, опасного загрязнения атмосферного воздуха, характеризующегося сочетанием пылевых частиц и воды. Наш вывод, производство серной кислоты должно быть безотходным, чтобы не было выбросов в атмосферу оксида серы (IV), а весь газ шел непосредственно в производство.

Магистр химических наук: На производстве должны соблюдаться правила техники безопасности. Отдел по охране окружающей среды и технике безопасности может внести свои предложения по соблюдению этих правил:

Отдел по технике безопасности:  На сернокислых заводах требуется строго соблюдать правила техники безопасности. Действие сернистого газа на органы дыхания способствуют возникновению бронхитов, в ряде случаев с осмотическими явлениями. Оксид серы (IV) может нарушать углеводный и белковый обмен, способствует снижению имуннозащитных свойств организма.

Отдел по охране окружающей среды 3:

Чтобы не допустить отравление газами, работающий должен иметь противогаз. В заводских помещениях систематически требуется контролировать содержание газов в воздухе. Если в воздухе содержится 0,06 мг/л оксида серы (IV) уже возможно отравление. Если произошло отравление газами, пострадавшего следует вынести на свежий воздух или использовать воздух, обогащенный кислородом, и дать для приема во внутрь разбавленный раствор питьевой соды.

 В помещениях особенно опасен сернокислый туман, который образуется при взаимодействии оксида серы (IV) с парами воды: нельзя допускать превышение содержания сернокислого тумана более 1 мг/мЗ. В помещениях, где работают с серной кислотой, и в которых может образовываться сернокислый туман, работающие должны быть в спецодежде, в резиновых сапогах и резиновых перчатках. Следует применять защитные очки.

 Если все же серная кислота попала на кожу, тогда нужно ее немедленно смыть большим количеством проточной воды, затем пораженную часть кожи смочить 5% раствором питьевой соды и смазать вазелином. Всем работникам цеха периодически проводиться инструктаж по техники безопасности. Каждый месяц проводится экзамен. В начале и конце смены работники расписываются в журнале по технике безопасности.

Магистр технических наук: Хочется предоставить слово технолого-экономической службе, подводя итог всему сказанному, определите перспективы на производство серной кислоты с технологической точки зрения:

Технолого-экономическая служба:

В качестве сырья лучше использовать серу. При этом печи имеют более простое устройство, выше концентрация получающегося оксида серы (IV). Производство более дешевое, более высокая культура производства, нет загрязнения окружающей среды.Использование аппаратов с "кипящими слоями", катализаторов, применение метода двойного контактирования, все это снижает содержание оксида серы (IV) в выхлопных газах в 10 раз.

Применение технического кислорода на второй стадии, использование новых катализаторов.

Процесс проводят под давлением 0,6-1,0 МПа. Это позволяет создать компактную аппаратуру, в 5 раз снизить расход электроэнергии, снизить себестоимость продукта, а производительность агрегата увеличить с 450 тысяч тонн в год до 600 тысяч тонн.

Магистр химических наук: Наша научная лаборатория уже работает над этим. Предлагаю вашему вниманию некоторые главы из диссертации наших молодых кандидатов технологических наук:

Кандидат 1:Применение серы в качестве сырья позволит получить газ с более высокой концентрацией оксида серы (IV), но перерабатывать его в обычных контактных аппаратах нельзя, так как при содержании оксида серы (IV) более 1 5% - необходимо большее количество полок и возникает перегрев катализатора. Надо обеспечить отвод тепла непосредственно из реакционной зоны при обеспечении большей поверхности соприкосновения катализатора с газами. Используя аппараты нового поколения можно этого добиться уже на первой стадии производства.

Кандидат 2: Для существующих катализаторов максимальная степень превращения оксида серы (IV)" составляет 98-98,4%. Это означает, что остальное количество оксида серы (IV) будет выброшено в атмосферу, нанося ущерб окружающей среде. Положение усугубляется при переработке концентрированных газов, содержащих 60% оксида серы (IV). Нужно повысить утилизацию выходящих газов, максимально увеличить степень очистки печного газа в циклоне, используя новые технологические усовершенствования при конструировании аппаратов химических производств нового поколения. Над этими проблемами мы и работаем в настоящее время.

Магистр технических наук: Слово отделу кадров. Ознакомьте нас, пожалуйста, с основными профессиями работников сернокислого производства:

Отдел кадров: При производстве серной кислоты нужны специалисты химического направления -инженер-технолог, аппаратчик, лаборант-аналитик. К наиболее распространенным химическим профессиям относится профессия аппаратчика, в обязанности которого входит подготовка, расчет и планирование технологического процесса, ведение основных и вспомогательных операций, организация рабочего места и обслуживание оборудования. Аппаратчик должен знать технологическую схему производства, устройство, принципы и правила эксплуатации оборудования, свойства сырья, получения полуфабрикатов и готовой продукции, технологический режим осуществления стадий производства.

Магистр химических наук: Интересно послушать службу маркетинга по вопросу реализации нашей экологически чистой продукции:

Служба маркетинга:

Серная кислота применяется в громадных количествах и в различных отраслях промышленности. Серную кислоту используют при производстве минеральных удобрений, таких как суперфосфат, сульфат аммония. Она является сырьем для получения ее солей, не встречающихся в природе, например медного купороса СuSО4, железного купороса FeSO4*7H2O.

Благодаря высокой химической стойкости серная кислота применяется для получения других кислот, например фтороводородной HF, азотной кислоты НNО3, хлороводородной HCI и фосфорной Н3РО4, путем взаимодействия с их солями.Серная кислота незаменима при очистке нефтепродуктов от примесей. Без серной кислоты невозможно изготовление нитрующей смеси (смесь азотной и серной кислот) и, следовательно, многих взрывчатых веществ (например, нитроглицерина, тротила, пироксилина).

Серная кислота широко применяется при синтезе лекарственных веществ, в металлурги, производстве красителей. Разбавленные растворы серной кислоты используют при производстве искусственных волокон. Ни одна химическая и медицинская лаборатория не может обойтись без серной кислоты.

Магистр технических наук: Спасибо за ваши предложения, думаю, с такой рекламной компанией мы сможем без труда найти рынки сбыта. (Снимает с доски схемы производства, передает Магистру химических наук). Слово предоставляется Магистру химических наук института.

Магистр химических наук: Большое спасибо всем участникам ученого совета и специалистам, принявшим участие в решении вопроса по организации сернокислого производства. Заседание считаю закрытым.

Домашнее задание: составить технологическую схему производства серной кислоты  с использованием сероводорода .