Производство серной кислоты

Муниципальное общеобразовательное учреждение –
Средняя общеобразовательная школа №13
Деловая игра:
«Производство серной кислоты».
Учитель: Мишина Тамара Ивановна
г. Белгород 2008 г.
0
Оборудование к уроку:
«Деловая игра: «Производство серной кислоты».
Едва - ли найдется другое,
искусственно добываемое вещество, столь
часто применяемое в технике, как Н 2 SO 4 .
Где нет заводов для ее добывания –
немыслимо выгодное производство многих
других веществ, имеющих важное
техническое значение.
Д.И. Менделеев.
Таблица 1.
Сера в природе.
S – самородная сера
PbS – свинцовый блеск
ZпS – цинковая обманка
FеS 2 - пирит
Природный газ
Сульфаты
CaSO 4 ∙ 2H 2 O
МgSO 4 ∙ 7H 2 O
Nа 2 SO 4 ∙ H 2 O
Белки
Таблица 2 Химизм производства серной кислоты.
I ст.
4FеS 2 + 11 O 2 = 2Fе 2 O 3 + 8SO 2 + Q
II ст.
2SO 2 + O 2 = 2SO 3 + Q
III ст.
SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 + Q
.
Таблица 3. Зависимость выхода SO 3 от температуры.
t0C
400 0
450 0
550 0
650 0
1000 0
% выхода
99,2 %
97,2 %
85,5 %
58,5 %
5,0 %
1
Таблица 4. Комплексное использование сырья.
4FеS 2 + 11 O 2 = 2Fе 2 O 3 + 8SO 2 ↑
S + O 2 = SO 2 ↑
2 H 2 S + 3 O 2 = 2 H 2 O + 2 SO 2 ↑
Таблица 5.Научные принципы производства серной кислоты.
1. Принцип непрерывности.
2. Принцип обжига в “кипящем слое.”
3. Принцип теплообмена.
4. Принцип противотока.
5. Принцип автоматизации и контроля производства.
6. Принцип охраны окружающей среды.
Рисунки по охране окружающей среды (прилагаются).
Нам не привыкать к потерям, но только до тех пор пока
не настанет момент потерять природу – после этого
терять уже будет нечего.
С. Залыгин.
Таблички с формулами веществ и уравнениями реакций.
CaSO 4 ∙ 2 H 2 O
Nа 2 SO 4 ∙ 10 H 2 O
Cu SO 4 ∙ 5 H 2 O
Fе SO 4 ∙ 7 H 2 O
Таблички с наименованиями ролей (профессии)
Директор
Лаборант
Экономист
Технолог
2
Инженер
Инженер по технике безопасности
Агент по снабжению
Контролер ОТК
Аппаратчик
Эколог.
Слова Д.И. Менделеева (на листе ватмана):
«Едва ли найдётся другое, искусственно добываемое вещество,
столь часто применяемое в технике, как H 2 SО 4 Где нет заводов
для её добывания, немыслимо выгодное производство других
веществ, имеющих важное техническое значение».
Схема на альбомном листе - стр.31 ( из учебника Химия 9 класс.)
Лаборант: (в белом халате, выходит к доске).
A) на столе два штатива:
а) с пробирками
б) с пробирками №1 и № 2
Он определяет вместе с учащимися, где находится раствор серной кислоты,
предлагает записать уравнение характерной химической реакции. Сам пишет
на доске, учащиеся в тетрадях: BaCl2 + H2SO 4 = Ba SO4 + 2НС1
Ba 2+ + SО4 2- = BaSO4 задаёт вопрос агенту по снабжению.
Б) плакат, на котором написано уравнение реакции получения перекиси
водорода.
ВаО2 + H2SO4 - Ва SO4 + Н2 О2
Агент по снабжению, (таблица на альбомном листе)
Сера в природе.
S – самородная сера
PbS – свинцовый блеск
ZпS – цинковая обманка
FеS 2 - пирит
Природный газ
Белки
Сульфаты
CaSO 4 ∙ 2H 2 O
МgSO 4 ∙ 7H 2 O
Nа 2 SO 4 ∙ H 2 O
3
Б) географическая карта месторождения полезных ископаемых.
Не забывайте, что природные ресурсы нужно перерабатывать комплексно
А) плакат Сu 2 S + 2О 2 =2СuО + SO2
Б) комплексное использование сырья (плакат)
В) кооперация химических производств.
Главный конструктор: (следуя нашим общим задачам, считаю, что
заводская установка должна иметь следующие цеха.
а) таблица по производству H2SO4
железный купорос - FeSO4 ∙ 7Н2 О, набор солей : PbS2; FeS2 ; ZnS;
CaSO4 ∙ 2Н2O. 5.таблица по производству серной кислоты.
Плакат: «Серную кислоту издавна считают матерью всехкислот»
рисунок из книги Мартыненко «Кислота - основания »)
Слова: комплексное использование сырья, производительность аппаратов,
кооперация химических производств.
Действующие лица:
1. Директор;
2. Экономист;
3. Лаборант;
4. Технолог;
5. Инженер;
6. Агент по снабжению;
7. Главный конструктор;
8. Инженер по технике безопасности;
9. Контролёр ОТК;
10. Аппаратчик;
11. Эколог.
На доске слова: «Бережно относитесь не только к людям, но и к окружающей
природе.»
Ход урока:
1. Вступление.
2. Основная часть
1) Обобщение и поэтапное закрепление материала
Лукреций Кар:
«В полночный час, с горящего вулкана
Возьми немного серы, смерть дарящий.
И мелкий порошок её смешай
С составом чудотворным
Для ран бальзам получишь,
Краски для картин и дымом едким нечисть всю убьёшь».
4
2.Директор: Я являюсь директором завода по производству серной кислоты
(слова прилагаются).
А) на альбомном листе формулы:
CuSO4 ∙ 5Н2О ; FeSO4 ∙ 7Н2О ; Са SO4 ∙ 2Н2О; Na2 SO4 ∙ 10Н2О .
Б) плакат: « Серную кислоту считают матерью всех кислот», (рисунок)
Домашнее задание § 7 - 16 (подготовка к контрольной работе)
Ход деловой игры:
1. Директор: Я являюсь директором завода по производству серной
кислоты. Прежде чем рассмотреть химизм и процессы производства
серной кислоты , нужно хорошо знать значение этого вещества для
народного хозяйства. Ни одна отрасль промышленности практически не
может обойтись без серной кислоты, поэтому ее часто называют хлебом
химии. Менделеев говорил : « Едва ли найдется другое, искусственно
добываемое вещество, столь часто применяемое в технике, как Н2 S04. Где
нет заводов для ее добывания
немыслимо выгодное производство
многих других веществ, имеющих важное техническое значение. На
ваших столах стоят образцы солей серной кислоты. Так, медный купорос
Cu SO4 ∙ 5Н2О, применяется для протравливания семян, для уничтожения
спор грибков. Железный купорос FeSO4 ∙ 7Н2О - для приготовления
чернил, глауберова соль- Na2 SO4 ∙ 10Н2О в ветеринарии. Рассмотрите эти
соли, стоящие на ваших столах (показывает рисунок и книгу « Кислоты и
основания» Мартыненко). Этот
рисунок в очень наглядной форме
говорит о том, что не случайно серную кислоту издавна считают
«матерью» всех кислот. С ее помощью получают концентрированную
соляную кислоту, азотную, фосфорную и другие кислоты. Проводят
синтезы многих солей, оксидов, различных органических соединений.
Ею очищают газы, жидкости и твердые вещества, в ней
растворяют
металлы и обугливают органические вещества перед их анализом. Серной
кислотой химики пользуются гораздо чаще, чем любым другим
реактивом. Изрядное количество серной кислоты потребляет
металлургическая промышленность для травления металлов, т.е. для
растворения окалины с поверхности металла перед его цинкованием,
никелированием, хромированием. Все больше кислоты расходуют
транспортники для приготовления аккумуляторных растворов. Ведь
аккумуляторами сейчас снабжаются не только автомобили и мотоциклы,
но и комбайны, тракторы, самолеты, речные катера и даже поезда.
Кроме того,
появились электромобили, работающие целиком на
сернокислых аккумуляторах. Без серной кислоты не обходятся сейчас
многие производства, например, дубление шкур, выделка кож,
изготовление протравы для тканей перед их крашением, приготовление
некоторых лекарств, красок, взрывчатых веществ, ядохимикатов,
производство искусственных волокон и т.д.(все время обращается к схеме
5
: альбомный лист , на котором изображено производство и применение
серной кислоты. Эти схемы из учебника 9 кл. с.31) А сейчас давайте все
вместе с вами обсудим, как же мы будем отличать серную кислоту от
других кислот. Слово лаборанту завода.
2. Лаборант (выходит к доске)
У вас на столе в штативе есть пробирка № 1 и №2.В одной из этих пробирок
находится серная кислота. У меня к вам вопрос : с помощью какого реактива
можно распознать серную кислоту(спрашивает кого-нибудь. Если тот не
отвечает, то говорит лаборант: правильно или неправильно) Тогда возьмите,
пожалуйста ,из штатива пробирку №1(сам делает и уч-ся), отлейте в пустую
пробирку, добавьте раствор хлорида бария, должен получигься белый осадок.
Если его нет, то в этой пробирке нет и серной кислоты. Теперь возьмем
пробирку №2, сделаем то же самое. Наблюдаем выпадение осадка сульфата
бария.
В: Какими свойствами обладает осадок Ва SO4 ..(спрашивают одного из
участников) Ответ: BaSO4 не растворяется в НNОз. Запишите уравнение
реакций в своих тетрадях, (лаборант сам записывает на доске и
комментирует) BaCl2 + H2SO 4 = Ba SO4 + 2НС1 Ba 2+ + SО4 2- = BaSO4
Кстати, химики учли то обстоятельство, что сульфат бария не растворяется
ни в воде, ни в большинстве кислот. Вот такая высокая химическая
инертность сульфата бария широко используется химиками при некоторых
нестойких соединениях (держит перед собой лист альбомный, на котором
написано уравнение реакций получения пероксида водорода:
ВаО2 + H2SO 4-Ва SO4 + Н2О2
Известный всем
пергидроль -30% - ный раствор
пероксида водорода,
полученный обменом реакций в водном растворе. При этом сульфат бария
практически полностью выпадает в осадок, а в растворе остаётся чистый
пероксид водорода. А теперь мне хотелось бы задать вопросы агенту по
снабжению: что является сырьём для производства серной кислоты?
З.Агент по снабжению.
Мне хотелось сказать о том, что серную кислоту, в формуле которой есть
атом серы, конечно же, нужно получать из свободной серы или её
соединений (показывает таблицу из учебника стр.26), сера, свинцовый блеск,
пирит, цинковая обманка, гипс. Такие залежи имеются на Зап. Украине,
Поволжье и в других местах. Сера входит в состав горючих ископаемых:
природных газов, нефти, горючих сланцев, бурых и каменных углей. Я
полагаю, моя задача- доставить сырьё к месту переработки.(показывает на
географической карте месторождения сырья и её соединений).
4.Технолог (продолжает)
Не забывайте, что природные ресурсы нужно перерабатывать комплексно.
Это когда разумно используется и сырьё, и его отходы. Так могут
использоваться отходы газа цветной металлургии. Эти газы содержат
сероводород, сернистый газ, который идёт на производство
серной
кислоты.
Например,
медеплавильные заводы,
работающие
с
применением сырья - сульфида меди (I). Рассмотрим уравнение реакций:
6
Сu 2 S + 2О 2 =2СuО + SO2 ,оксид меди (2) используется для получения чистой
меди, а сернистый газ идёт на производство серной кислоты. Поэтому мне
хотелось бы сказать о другом важном экономическом показателе - это
кооперация химических производств, т. е. их
объединении.
Сернокислотные заводы размещаются рядом с заводами цветной
металлургии, газовыми месторождениями. А теперь, я считаю, нужно задать
вопросы главному конструктору завода:
В: Какие аппараты и цеха должны иметь заводы по производству серной
кислоты.
( ответ на вопрос стр. 40-41 - учебник). Начинает словами: «Я, конечно же,
отвечу на вопрос (после объясняет работу контактного аппарата, надо
сказать, что сейчас изыскиваются новые
катализаторы, обладающие
высокой механической прочностью и жаростойкостью, сохраняющие свою
активность при повышении температур.
5.Инженер.
Считаю вашу идею правильной. Принцип работы печи для обжига колчедана
таков (рассказывает о работе печи из учебника). Раньше на
сернокислотных
заводах использовались скребковые печи. Они
представляли собой внушительные сооружения высотой до 6 м. В этих печах
обжигают до 30 тонн колчедана в сутки. Увеличить интенсивность в такой
печи было невозможно, так как при более высокой температуре колчедан
спекался и мог повредить печь. Кроме того, в таких печах трудно было
осуществлять герметизацию (полную), что влекло за собой утечку оксида
серы(4), а, следовательно, загрязнение атмосферного воздуха. Печь для
обжига в «кипящем слое» имеет значительно меньшие размеры, но
существенно большую производительность – до 400 тонн колчедана в сутки.
Если раньше для обжига пирита требовалось 5-6 часов, то при обжиге
в
«кипящем слое» требуется лишь несколько секунд.
В: А что скажет нам экономист по поводу использования сырья для
производства?
6. Экономист. (держит плакат)
4FeS 2 +11 02 = 8SО2 + 2Fe2 Оз +Q
S + О2 = SO 2 +Q
2H2S + ЗО2 = 2Н2О + 2SO2 +Q
Посмотрите на эти уравнения реакций, здесь используется различное сырьё
для производства серной кислоты: пирит, сера, сероводород. В качестве
сырья для производства серной кислоты часто используется сера. Её можно
получить из газов. Это природные газы с большим содержанием сернистых
соединений, отходящие газы цветной металлургии. Использовать эти газы
невозможно на месте, так как пришлось бы вывозить полученную серную
кислоту, поэтому малотранспортабельный продукт H2S
и
SO2
перерабатывают в серу. Серу легко перевозить на дальние расстояния. Серу,
полученную из газов, называют газовой серой. В самородной сере
отсутствуют соединения, которые отравляют катализатор, или они
присутствуют в значительно малом количестве, поэтому почти отпадает
необходимость в тщательной очистке газов. Хотя S в 4,5 раза дороже, чем
7
FeS2, но её требуется на производство 1 тонны H2SO4 в 2,4 раза меньше, чем
пирита. Кроме того, затраты, т.е. стоимость оборудования на производство
серной кислоты из серы в трое меньше, чем из пирита. Поэтому
себестоимость серной кислоты из серы и пирита близка. Все реакции,
лежащие в основе производства серной кислоты, протекают с выделением
теплоты (показывает плакат)
4FeS 2 +11 02 = 8SО2 + 2Fe2 Оз+Q
S + О2 = SO 2 +Q
2SO3+O2 = SОз +Q
Использование тепла позволяет не только компенсировать все электрические
затраты, но и выдать часть энергии в виде пара. При рациональном
использовании лишь небольшой доли выходящего тепла
сернокислотные
заводы могут полностью обеспечить себя собственной электроэнергией.
При полном использовании выделяющегося тепла сернокислотное
производство может стать и поставщиком энергии, что снизит
себестоимость кислот. При производстве 1 т серной кислоты получится 1 т
пара. Я бы хотел задать вопрос лаборанту завода:
В: «Скажите, пожалуйста, как используется огарок, остающийся при обжиге
серного колчедана (пирита)?»
Лаборант
Я отвечу на этот вопрос. Это и есть комплексное использование сырья.
Огарок, образующийся при обжиге серного колчедана (пирита),
можно использовать при производстве чугуна, так как огарок содержит
оксид железа (З). Я проверила эту реакцию на лабораторной установке и
обнаружила следующее: в некоторых случаях из него можно извлечь медь, а
при содержании золота более 0,6 г на 1 т извлекают и его. Огарок
представляет собой
хорошее местное удобрение, которое особо
необходимо
на осушенных торфяных почвах. Мне хотелось бы задать
вопрос аппаратчику:
В: Каким
образом
идёт очистка сернистого газа от примесей, с какой
целью это делается?
З.Аппаратчик.
Я, очевидно, буду работать в этом цеху. Очищают газ с целью успешного
проведения 2 стадии химического производства (показывает плакат)
2SO3+O2 = SОз +Q
Эта реакция обратима, по принципу Ле-Шателье, а он устанавливает
зависимость смещения химического равновесия от температуры, давления и
концентрации. Если уменьшить температуру, то равновесие смещается в
сторону
увеличения температуры, т.е. вправо, что нам и нужно. А раз
уменьшаем температуру (оптимальная 450 С), то необходимо применение
катализатора с целью увеличения скорости химической реакции. Катализатор
не чувствителен к действию ядов, какими здесь являются пыль и вода. Для
этого и применяется система очистки (работа циклон - аппарата,
электрофильтра, сушильной башни).
В: А что может добавить контролер ОТК?
8
Контролер ОТК
Я хочу напомнить, что прежде чем направить сернистый газ в контактный
аппарат, необходимо проверить все параметры. При мощности печи до 2000
т в сутки, при оптимальных условиях, удаётся превратить в оксид серы (4) до
98% серы, содержащейся в колчедане, остальная сера остается в огарке. Если
в печном газе не осталось оксида мышьяка (5) и других примесей,
отравляющих катализатор, можно направлять его в контактный аппарат.
Приведем вам таблицу качественной зависимости равновесного выхода от
температуры, это мы проверили совместно с технологом и лаборантом.
(Показывает таблицу)
Таблица 3. Зависимость выхода SO 3 от температуры.
t0C
400 0
450 0
550 0
650 0
1000 0
% выхода
99,2 %
97,2 %
85,5 %
58,5 %
5,0 %
Итак, мы видим, что оптимальная температура 400-450 й С. Мне хотелось бы
задать вопрос технологу:
В: Каково устройство контактного аппарата и поглотительной башни.
Технолог: (объясняет устройство контактного аппарата и поглотительной
башни по таблице «Производство серной кислоты»)
Главный конструктор:
Итак, следуя нашим общим задачам, считаю, что заводская установка
должна иметь следующие цеха (показывает по таблице, висящей на доске)
A) печь для обжига в кипящем слое;
B) Б) систему очистительных аппаратов ;
B) теплообменник;
Г) контактный аппарат;
Д) поглотительную башню.
Устройство установки печи для обжига должно обеспечить наибольший
процент выгорания серы и превращения ее в сернистый газ. В качестве
очистных аппаратов я предлагаю циклон и электрофильтр, необходимы
также сушильная башня и теплообменник - эти установки должны
максимально обеспечить очистку сернистого газа от примесей, осушение и
охлаждение газа. Наиболее сложен в конструкции контактный аппарат, а
поглотительная башня по устройству подобна сушильной.
Инженер по технике безопасности.
Я считаю необходимым сказать и свое слово. Что бы мы не делали, главное 9
это забота о человеке, его жизни и здоровье, забота о нормальных условиях
труда и отдыха. Во-первых, специальная одежда с силиконовой пропиткой,
респираторные маски, перчатки и обувь. В производстве серной кислоты
опасность представляют ядовитые газы: сернистый, а также пары оксида
серы (6) и серная кислота. Поэтому обязательны хорошая вентиляция, полная
герметизация аппаратуры. Оксиды серы оказывают раздражающее действие
на легкие и вызывают их отек. (Далее - 2 правила из учебника, стр. 42 об
охране труда)
Настало время предоставить слово экологу.
Эколог.
Мне хотелось бы задать вопрос о том, встречается ли H2SO4 в природе в
свободном состоянии?
Нет. Так как она химически активна. Но вот какой случай произошел с
экспедицией крупнейшего академика Ферcмана. Обнаружив в центре
огромной пустыни Каракум многочисленные холмы, состоящие из смеси
песка и серы, геологи набрали большое количество образцов серы. Как и
положено в таких случаях, образцы завернули в бумагу, снабдили
этикетками, упаковали в ящики и отправили в Ленинград (С.-Петербугр).
Когда распаковали образцы, многие этикетки оказались чем-то изъедены,
ящики местами прожжены, а из некоторых кусков серы капала маслянистая
жидкость. Это оказалась серная кислота. В условиях жаркой пустыни SO 2
превращается в SОз, катализатором были оксиды металлов, содержащиеся в
песке. SОз жадно поглощает ночную влагу, быстро превращаясь в кислоту.
Хотя подобные заводы работали тысячи лет, озер из чистой серной кислоты
найти не удалось. Сейчас же в атмосферу поступает много сернистого газа.
Сегодня - это главный загрязнитель воздуха. Промышленность всего мира
выбрасывает в воздух примерно 140-150 млн. т. в год сернистого газа. Это
вдвое больше, чем расходуется на промышленное производство серной
кислоты. В атмосфере большая часть сернистого газа окисляется азотом в
серную кислоту, которая тут же возвращается на землю в виде дождей
(плакат о загрязнении окружающей среды из книги «Кислоты- основания»)
Поскольку жить под таким душем не очень приятно, предприниматели таких
стран как Англия, Франция, ФРГ стали строить на своих заводах и
теплоэлектростанциях дымовые трубы до 400 м и более .Южные ветры,
подхватывая выходящие из труб газы, уносили их прочь. Но земля не
бесконечна.
Тысячи тонн английских, французских и немецких газов обрушились на
Южную Скандинавию, из-за чего на каждый километр суши там стало
выпадать с осадками более тонны серной кислоты в год. Это привело к
массовому заболеванию лесов, особенно хвойных, оголению горных склонов,
эрозии почвы и смыванию плодородного слоя дождями. Кроме того,
произошло почти полное уничтожение рыбы в озерах. Из 150 обследованных
озер в Норвегии 145 озер осталось без рыбы.
Так как интенсивное загрязнение окружающей среды может привести к
тяжелым последствиям, то во всех странах развернулась борьба за охрану
10
природы. Поэтому на сернокислотных заводах нужно предотвращать
загрязнение окружающей среды путем герметизации аппаратуры,
применением газоочистительных установок.
Подведение итогов, формулировка общих научных принципов
производства серной кислоты.
Итак, подводим итоги: Мы обобщили знания по производству серной
кислоты. Запишите научные принципы производства:
1 принцип непрерывности;
2 принцип противотока;
3 принцип обжига в « кипящем слое»;
4 принцип теплообмена;
5 принцип автоматизации контроля производством
6 принцип охраны окружающей среды.
Использование игр или элементов игры на уроке имеет большое
воспитательное значение: учащиеся учатся работать коллективно, радоваться
успехам одноклассников, сопереживают их неудачи. В коллективе
формируется общественное мнение, создаётся творческая атмосфера и
благоприятные условия для развития каждого учащегося. В играх
тренируется также внимание и память, особенно зрительная и слуховая,
создаются положительный эмоциональный настрой, который содействует
успеху в работе и повышает интерес к ней учащихся.
Деловая
игра - это
подготовка к производственной
или
общественной деятельности, в ней предоставляется возможность проиграть
конкретную ситуацию, лучше понять психологию и требования окружающих
тебя людей.
Деловая игра позволяет поставить себя на место руководителя или
другого члена трудового коллектива и лучше представить свои возможности
в будущее трудовой деятельности, проверить их при решении конкретных
задач.
Список используемой литературы:
1. Н.И. Каметина; О.А.Ефременко; и др Л с.3-5 1990г. Игровой метод в
обучении химии: практическое пособие.
2. М.В.Зуева; Б.В.ИвановаЛ с. 140-198 1989г. Совершенствование
организационной деятельности школьников на уроках химии.
3. Плотников Э.Г.; Макова П.В.; и др. Л с.125-126 1992г. Урок окончен занятие продолжается.
4. Селевко Г.К. «Нар. обр. с.50-57 1997г. Современные образовательные
технологии.
6. Селевко Г.К Энциклопедия образовательных технологий. В 2т.М.2006г.
11
7. Воспитание игрой. Аникеева Г.И.1997 г.
12