ГЛАВА 1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ

ВВЕДЕНИЕ

Современный мир характеризуется постоянно возрастающим уровнем антропогенных и техногенных нагрузок, интенсивным преобразованием биосферы человеком, расширением размеров техносферных регионов. Большая часть населения проживает в крупных территориально-промышленных регионах с высоким уровнем концентрации промышленных производств и технических объектов. Мир техносферных опасностей определяется, прежде всего, опасностью технических объектов и промышленных технологий, опасностью окружающей природной среды, техники, используемой человеком в повседневной жизни.

В настоящее время перед человеческим сообществом стоит задача рационального и продуманного формирования техносферы, которая обеспечивала бы приемлемые для человека и природных экосистем условия существования. Эта задача исключительно сложна и предусматривает осуществление комплекса разноплановых 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 на человека и природную среду;

• рациональное размещение производств и селитебных зон;

• создание комплексной системы обеспечения безопасности жизни в техносфере.

ГЛАВА 1. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ

Изучение в средней школе научных основ современного производства, в том числе химического производства, – одно из важнейших средств для разрешения задачи политехнической подготовки учащихся. Процесс изучения химических производств связывает теорию с практикой, конкретизирует, углубляет и закрепляет знание теоретических основ химии, помогает нашей молодёжи по окончании школы свободно выбрать профессию и стать активными участниками коммунистического строительства.

Выбор производств

Для осуществления политехнического обучения знакомить учащихся общеобразовательной школы с большим количеством химических производств нет никакой необходимости, так как политехнический принцип «не требует обучению всему, а требует обучения основам индустрии вообще.

В общеобразовательной средней школе на уроках химии должны изучаться химические производства лишь наиболее важные в народнохозяйственном отношении, вполне доступные для понимания учащимися и самые типичные, наиболее ярко отражающие использование химических теорий и закономерностей в практической жизни.

Учебной программой средней школы предусмотрено изучение только некоторых производств.

В органической химии изучается более подробно:

Переработка нефти.

Переработка природного газа

Коксование углей.

Производство уксусной кислоты.

Рассматривается также производство фенола, но очень бегло.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРОСОВ ОТДЕЛЬНЫХ ОТРАСЛЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МЕРЫ ПРОФИЛАКТИКИ

Загрязнение окружающей среды

Химическая промышленность охватывает большое количество отраслей: производство основного органического синтеза, нефтехимические, коксохимические и другие- производства. Часть из них уже стала самостоятельными отраслями промышленности. Производство кислот, солей, щелочей, некоторых химических элементов, например хлора, связанного азота, минеральных удобрений, неорганических соединений отдельных химических элементов относит к основной химической промышленности, использующей для их получения минеральное сырье – воздух, серу, серный колчедан, поваренную соль, фосфорные руды и др.

Производство основных классов органических соединений основано на органическом синтезе. Поэтому тройное количество отраслей химической промышленности возникло на этой основе, а также на основе переработки горючих ископаемых – нефти и нефтепродуктов, каменною угля, нефтяного и природного газов, сланцев и древесины.

К таким отраслям химической промышленности относятся производства 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 в народном хозяйстве.

Дифференциация химических производств отражается как на характере выпускаемой продукции, так и на выбросах в окружающую среду, что имеет определенное отношение к состоянию здоровья населения. Основными неблагоприятно действующими факторами, на здоровье являются химические вещества в различных фазовых состояниях в сочетании с физическими, механическими, гигиеническими и другими особенностями среды. Окружающая среда может загрязняться химическими веществами в твердом, жидком, газо- и парообразном состояниях. Воздух производственных помещений и окружающая среда могут загрязняться также аэрозолями с твердой и жидкой дисперсными фазами, различными газами, парами, в меньшей мере пылью.

ГЛАВА 3. ОЗНАКОМЛЕНИЕ УЧАЩИХСЯ С ХИМИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ В ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Переработка нефти

В процессе изучения этого производства нужно:

а) ознакомить учащихся с перегонкой и крекингом нефти;

б) вскрыть основные научные принципы промышленной переработки нефти;

в) показать успехи нефтяной промышленности.

Учитель сначала знакомит учащихся с нефтью — объясняет:

а) народнохозяйственное значение нефти; б) важнейшие ее месторождения; в) способы добывания; г) неуклонный рост нефтедобычи в нашей стране; д) состав; е) физические свойства.

Большое значение при этом имеет демонстрация нефти и нефтепродуктов, а также (при наличии соответствующих условий) демонстрация опытов, характеризующих сравнительно растворимость и горючесть нефтепродуктов, бензин и керосин как растворители и др.

Только после этого следует познакомить учащихся с переработкой нефти – перегонкой и крекингом.

I. Перегонка нефти. Об основном принципе перегонки нефти и промышленности учащиеся получают представление на лабораторном опыте. Учитель демонстрирует перегонку нефти с перегретым паром (рис. 1).

Рис. 1 - Перегонка нефти в лабораторных условиях

В колбе А нагревают воду – получает пар, а в колбе Б – одновременно нагревает нефть (при отсутствии нефти нагревает заранее приготовленную смесь мазута или машинного масла, керосина и бензина). Собранную в приемнике (вместе с водой) смесь углеводородов разделяет с помощью делительной воронки.

О перегонке нефти в промышленности учитель в лекционной фирме сообщает учащимся следующее.

Перегонка нефти в промышленности происходит в специальной установке (рис. 3). Этот процесс основан на различных температурах кипения находящихся 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 перекачиваемая через трубопровод нефть нагревается, примерно до 400 °С, и поступает в ректификационную колонну. Эта колонна имеет большое количество горизонтальных перегородок, так называемых тарелок с отверстиями. Нефтепродукты с низкой температурой кипения через отверстия тарелок поднимаются в верхнюю часть колонны, постепенно охлаждаются и в жидком состоянии задерживаются на той или иной тарелке. Нефтепродукты же с более высокой температурой кипения задерживаются на тарелках уже в нижней части колонны. Через отверстия тарелок летучие нефтепродукты поднимаются вверх, а жидкие стекают вниз (рис. 2).

Рис. 2 - Перегонка нефти в промышленности: 1 – трубчатая печь для нагревания нефти; 2 – ректификационная колонна

Более полному отделению летучих нефтепродуктов от жидкости содействует подаваемый снизу перегретый пар, который идёт навстречу стекаемой жидкости.

Так последовательно, в направлении снизу вверх, при различной температуре из нефти выделяются: мазут, соляровое масло, керосин, лигроин и бензин. Пары бензина в холодильнике охлаждаются и конденсируются. Некоторая часть бензина возвращается в колонну для орошения и охлаждения поднимающихся вверх летучих нефтепродуктов.

Полученные нефтепродукты по особым трубам из ректификационной колонны выводятся и снова подвергаются перегонке. Путём последующей перегонки из мазута выделяют различные смазочные масла (веретённое, машинное, цилиндровое и др.), а также вазелин, парафин и другие ценные нефтепродукты. После окончательной фракционной перегонки нефти остается нелетучий продукт – гудрон.

В основе фракционной перегонки нефти лежат общие технологические принципы: непрерывность процесса, поток и противоток и циркуляция продуктов переработки. Здесь же имеет место и непрерывная циркуляция тепла: тепло получившихся продуктов перегонки используется для предварительного подогрева нефти, а тепло дымовых газов – для некоторого подогрева воздуха, необходимого для сжигания в печи мазута.

Для проверки и закрепления изложенного материала учитель предлагает учащимся вопросы:

1. На каком свойстве нефти основана её фракционная перегонка?

2. Из каких аппаратов состоит нефтеперегонная установка?

3. Как в ректификационной колонне получаются важнейшие нефтепродукты?

4. Какие общие технологические принципы лежат в основе фракционной перегонки нефти?

2.Крекинг нефти. Химический способ переработки нефти – крекинг-процесс, при наличии соответствующих условий в упрощенной форме на уроке или на вне-классных занятиях, можно показать учащимся. Учитель сначала уясняет учащимся сущность крекинга нефти. Сообщает им, что если нефть нагревать сильнее, чем при фракционной перегонке, то находящиеся в пей углеводороды начинают изменять свой химический состав; при этом молекулы их распадаются на более мелкие по составу молекулы — образуется смесь жидких газообразных предельных и непредельных углеводородов с меньшим молекулярным весом, а следовательно, с более низкой температурой кипения – увеличивается выход наиболее пенного продукта – бензина. Напоминает учащимся общий состав и характерные химические свойства предельных и непредельных углеводородов. Обращает внимание учащихся на то, что образующиеся при крекинге непредельные углеводороды обнаруживают по обесцвечиванию ими бромной воды или раствора марганцевокислого калия. Крекинг нефти демонстрируется на следующем приборе (рис. 3).

В этом приборе три основные части: печь для нагревания крекируемого сырья – железная трубка-приёмник для жидких продуктов и приёмник для газа. В качестве крекируемого сырья используется керосин, предварительно очищенный от непредельных соединений или мазут, оставшийся после фракционной перегонки нефти. Нагревание производится с помощью газовых горелок, паяльной лампы, угольной жаровни. К получившимся жидким и газообразным продуктам приливается бромная вода или раствор марганцевокислого калия – обнаруживаются образовавшиеся непредельные углеводороды. [6 – 8]

Рис. 3 - Крекинг нефти в лабораторных условиях

ГЛАВА 4. УРОКИ

II. Переработка нефти

Цель переработки нефти: получение бензина и сырья для нефтехимии.

Виды переработки нефти:

а) перегонка (физический процесс) - первичная переработка нефти - выход не более 20%,

б) крекинг (химический процесс) - вторичная переработка - выход до 80%.

а) Перегонка нефти.

Фракция – смесь УВ, кипящих в 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 перегонка нефти

· устройство ректификационной колонны (Н = 50 – 60 м, Д = 3 м);

· сущность перегонки нефти;

· продукты перегонки (фракции):

1. Бензиновая – С₅ – С₁₂, tє кипения = 40 – 200^о С – состав бензина

2. Лигроиновая – С₈ – С₁₄, tє кипения = 150 – 250^о С – горючее для тракторов

3. Керосиновая – С₁₂ – С₁₈, tє кипения = 180 – 300^оС – горючее для тракторов, ракет

4. Дизельная – С₁₂ – С₁₈, tє кипения = 180 – 350^оС – дизельное топливо

5. Гудрон – асфальт

Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (20 – 30%).

Крекинг термический – 470 – 550^о С, р = 2-6 Мпа

С₁₆Н₃₄ — С₈Н₁₈ + С₈Н₁₆

С₈Н₁₈ — С₄Н₁₀+ С₄Н₈

С₄Н₁₀— С₂Н₆– С₂Н₄

Состав бензина – разветвленные углеводороды, непредельные (но их меньше, чем в бензине термического крекинга).

Пиролиз – высокотемпературный крекинг – 650 – 700^о С. Получают непредельные углеводороды.

Риформинг – получение ароматических углеводородов (ароматизация нефти)

Химическая переработка углеводородов нефти позволяет получать не только горюче смазочные материалы, но и 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 присутствии катализатора – платины.

Природный газ

· состав природного газа;

· применение метана и его соединений.

Таблица 1 - Состав природного и попутного 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. Измеряется в кг/м³, по плотности нефти можно судить о её составе, применение нефти зависит от её состава. В нефти с небольшой плотностью меньше тяжелых углеводородов: асфальтенов, битумов, её легче отделить от воды и механических примесей.

Вязкость - свойство нефти оказывать при передвижении сопротивление перемещению частиц относительно друг 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, либо подается 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 полезное ископаемое, но неправильное использование и нарушение технологии добычи нефти приводят к серьёзным последствиям.

Следует отметить основные экологические проблемы:

1. Загрязнение воздуха.

Основными загрязнителями являются:

предприятия нефтегазового комплекса, теплоэлектроцентрали;

транспорт.

2.Загрязнение поверхностных вод.

Основными источниками загрязнений водоёмов 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 хроническому загрязнению и вызывают гибель данной фауны

3. Нарушение почвенно-растительного покрова.

Почвы подвергаются химическому загрязнению в районах месторождений нефти и газа. В районах пробуренных скважин отмечается повышенное содержание в почве цинка, свинца, никеля, хрома, бора, стронция. Вечная мерзлота способствует накоплению загрязняющих веществ в почве и длительному хранению. В условиях низких температур растительный покров развивается чрезвычайно медленно, поэтому природа более ранима. Чем в других районах планеты.

Длительность восстановления ландшафтов составляет от 15 до 100 лет, но основная их часть вообще не восстанавливается. Из-за бездумного освоения нефтегазовых ресурсов Ямала выведено из оборота 60тыс. км² оленьих пастбищ, в 1990 году сгорело 14 тыс. км² ягельников. При существующей практике экосистемы разрушены на 20-30%.

Вопрос: «Что такое парафин, который применяется для изготовления свечей, с химической точки зрения? »

Ответ:

Парафин - это воскоподобное вещество, смесь предельных углеводородов состава С₁₈Н₃₈– С₃₅Н₇₂, t плавления = 40-60⁰С, получают из нефти. Применяют для приготовления парафинистой 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?

Ответ:

Асфальты и битумы - это природные минералы, образуются в результате окисления нефти. Асфальт был известен ещё в древности. Асфальт (от греческого asphaltеs – горная смола).

Различают асфальты:

· природные (60-70% битумов): образуются при выветривании нефти в природе

искусственные - производят из нефти и используют для дорожного покрытия дорог, это смесь битумов -13-60% и песка, гравия, щебня.

В природе встречаются асфальтовые 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 капкан для животных. Птицы, привлекаемые обманчивым блеском поверхности, садятся на озеро и 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 без запаха; а газ, который применяется в быту, обладает сильным неприятным запахом?

· Что означают марки бензина, например: А-76, АИ-92, АИ-96, АИ- 96 и др?

· 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 свойстве веществ 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, топить можно и ассигнациями»?

Задачи с экологическим содержанием

1. Рассчитайте объем СО₂, возвращенного в круговорот углерода в результате деятельности метанокисляющих бактерий, если ими было утилизировано из воздуха 4, 8 т СН₄. Процесс биологического окисления метана идет ступенчато:

СН₄  СН₃ОН  НСНО  НСООН  СО₂.

Масса СН₄ в атмосфере равна 4, 3•10⁸ т, а общая масса СО₂ – 2, 3•10¹² т.

2. Один из способов очистки коксового газа от оксидов азота(II) – использование метана.

Какой объем СН₄ расходуется в час на взаимодействие с NO на установке по очистке коксового газа производительностью 130 тыс. м³/ч, если в 1 м³ коксового газа содержится 6 см³ NO?

3. На нефтеперерабатывающем заводе негерметичное соединение коммуникаций приводит к утечке бензина или другого нефтепродукта. Например, при утечке одной капли бензина 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 расход составляет 15 л на 100 км? Какой вред могут принести окружающей среде потери нефти и нефтепродуктов в нефтеперерабатывающей промышленности?

4. В настоящее время муравьиную кислоту получают из природного газа путем каталитического окисления содержащегося в нем метана. Вычислите объем природного газа (н. у.), необходимого для получения муравьиной кислоты массой 69 т, если объемная доля метана в нем равна 0, 95. Определите преимущества данной технологии по сравнению с методом получения муравьиной кислоты путем разложения формиата натрия серной кислотой при охлаждении раствора.

Литература

1. Борисов И.Н. Об изучении химических производств, жури. «Химия в школе», 1954, № 1.

2. Шаповаленко С.Г. Вопросы политехнического обучения в процессе преподавания химии, журн. «Химия в школе», 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. и др. 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.