Урок - ролевая игра "Промышленный синтез аммиака"
методическая разработка по химии (11 класс)

(при изучении темы «Химия и химическая технология».)

    При проведении урока – деловой игры желательно по возможности использовать ПК, мультимедийный проектор.

      В центре помещения – длинный стол. Перед представителями отделов – таблички с указанием должности играющего.

     Можно подготовить выставку литературы, использовать плакаты, технологические схемы и т.д.

Игра проводится в 3 этапа:

1. Подготовительный:

установка на игру, вводная лекция-беседа, распределение главных ролей и формирование отделов; ознакомление с заданием и консультация; индивидуальные консультации.

2. Игровой:

проведение конференции, в начале которой формулируется задача: разработать оптимальные условия синтеза аммиака (предложите схему и её решение).

3. Заключительный:

заключительная речь главного инженера, обсуждение игры, составление отчётов, распределение «премиального фонда», «тестирование безработных».

Подготовительный этап – 1 час (во внеурочное время); игровой и заключительный – 2 часа.

Подготовительный этап

1. Вступительная беседа – лекция учителя.

Учитель формулирует цели и задачи игры. Сообщает, что деловая игра в классе будет имитировать работу НИИ, который получил «правительственное» задание по разработке оптимальных условий синтеза аммиака и составлению технологической схемы производства.

     В беседе подчёркивается важность, актуальность стоящей перед страной проблемы увеличения химической продукции.

2. Распределение главных ролей.

 На главные роли выбираются претенденты под руководством учителя с учётом уровня знаний и индивидуальных особенностей учеников.

По желанию формируются отделы. Участники получают задание, знакомятся с его содержанием, уясняют цель и задачи, формирую вопросы, по которым требуется консультация.

       Индивидуальная консультация назначается поочередно со всеми, во внеурочное время, при этом учащиеся получают справку по всем возникшим вопросам в ходе работы со специальной, справочной и дополнительной литературой.

      Задание даётся в папках или конвертах и содержит должностную характеристику и все необходимые установки для игры.

     Приведём содержание заданий для всех участников.

Директору НИИ

1. Вступительное слово о роли аммиака в н/х, его значении в химической промышленности.
2. Формулировка поставленной перед ним задачи: раскрыть сущность проблемы и её актуальность
3. В заключение конференции оценить работу всех действующих лиц, специалистов. Даёт задание: всем составить отчёт о проделанной работе на подготовительном этапе и в ходе конференции и сдать главному инженеру.

Задание главному инженеру

1. Руководство ходом игры.
2. Формулировка основной проблемы, по которой будет происходить дискуссия.
3. Во время игры поочередно предоставляет слово представителям всех отделов.
4. На заключительном этапе игры рассказать о вкладе НИИ в разработке оптимальных условий производства аммиака.

Задание историкам

1. Подготовить сообщение об истории промышленного получения аммиака.
2. Дать краткую характеристику различными способами его производства.
3. Отметить их достоинства и недостатки.
4. Назвать наиболее перспективный способ получения аммиака.

Задание химику – микробиологу

1. Подготовить сообщение о процессе мягкой фиксации атмосферного азота бактериями.
2. Рассказать о попытках моделирования природного синтеза аммиака учёных нашей страны.

Задание отделу снабжения

1. Указать источники сырья для

а) получения азота и водорода;

б) получения катализаторов гидрогенизации азота и конверсии метана.

Задание технологу по подготовке сырья

1. Подготовить сообщение о получении азота и водорода из источников сырья, указать условия, при которых осуществляются эти превращения
2. Обсудить факторы «отравления», способы регенерации катализаторов
3. Обратить внимание на способы нейтрализации нежелательных примесей

Задание старшему лаборанту

1. Предложить и обосновать оптимальную температуру, необходимую для максимального выхода аммиака, основываясь на принципе           Ле-Шателье.
2. Указать способ достижения температуры, необходимой для конверсии метана.

Задание технологу – компрессорщику

1. Основываясь на принципе Ле-Шателье, предложить и обосновать давление при производстве аммиака.
2. Конкретизировать применение компрессоров в промышленной технологической установке.

Задание технологу – катализаторщику

1. Используя данные о явлении катализа:

а) предложить наиболее выгодный катализатор для синтеза аммиака;

б) указать на факторы их «отравления», способы регенерации;

в) дать представление о роли катализатора при осуществлении химического процесса.

Задание главному технологу

1. Подготовить сообщение

а) о технологии производства;

б) об устройстве и принципе действия используемых аппаратов;

в) о техническом оснащении технологической установки для синтеза аммиака.

2. Уделить внимание осуществлению контроля и управления производством.

Задание отделу защиты окружающей среды

1. Знать состав выбросов производства, предложить способы их утилизации
2. Показать взаимосвязь между производством и состоянием окружающей среды
3. Убедить присутствующих в необходимости бережного отношения к природе.

Задание отделу по ТБ

1. Подготовить сообщение

а) о возможности взрывов, пожаров, мерах их предотвращения;

б) о признаках отравления аммиаком и правилах оказания первой медицинской помощи;

в) о способах хранения и транспортировки жидкого аммиака.

Задание главному экономисту

1. Изучить стоимость аппаратуры, влияние высоких температуры и давления на её износ.
2. Затраты энергии на производство аммиака.
3. Стоимость источников сырья, катализаторов, транспортных средств, приборов.
4. Амортизационные средства.
5. Обосновать весь процесс с экономической точки зрения.
6. Дать оценку всем действующим лицам (распределение «премиального фонда»)

Задание оппонентам

1. Разработать вопросы, которые вовлекли бы участников игры в дискуссию.
2. Вопросы должны быть предназначены всем выступающим.

Игровой этап

Главный инженер объявляет конференцию открытой, представляет слово директору НИИ, который должен рассказать о роли аммиака в н/х, о его значении в химической промышленности, сформулировать задание, поступившее в адрес НИИ.

Выступление директора НИИ

       Как вы знаете, содержание азота в земной коре довольно велико. Но вследствие химической инертности азота его часть содержится в свободном состоянии в атмосфере.

       В земной коре почти не обнаружено крупных месторождений азотных соединений. Исключение: месторождение нитрата натрия – чилийской селитры. Небольшое количество азота в виде органических соединений входит в состав ископаемого топлива.

       Азот играет огромную роль в жизни. О нём говорят: азот более драгоценен, чем самые редкие благородные металлы. Азот входит в состав белков – основы жизни. При недостатке азота рост растений задерживается, процесс фотосинтеза прекращается. Растения не могут усваивать азот из почвы и воздуха. Они извлекают азот в виде ионов NН4+ и NО3-. Существуют виды бактерий, живущие в почве и находящиеся на корнях бобовых растений, которые свободный азот переводят в органические вещества. Но этого недостаточно. Плодородие почвы снижается. Поэтому необходимо обеспечить его фиксацию из атмосферного воздуха.

       Нашему НИИ поручено разработать оптимальные условия синтеза аммиака, составить технологическую схему производства. 

       Из аммиака легко получить азотную кислоту, удобрения, содержащие этот макроэлемент в легкоусваиваемой форме.

       Кроме того, водные растворы аммиака применяются в быту, в медицине.

Жидкий аммиак при испарении выделяет большое количество теплоты, поэтому его используют в холодильных установках.

       Соли аммония применяют для получения взрывчатых веществ, красителей, в ситцепечатании, паянии, лужении, в гальванических элементах.

        Поэтому очень важно решить проблему: как с наименьшими затратами осуществить извлечение атмосферного азота.

        Обращаю ваше внимание, что в процессе обсуждения работа всех отделов НИИ будет оцениваться по качеству выступлений, рациональных предложений, выдвинутых в ходе дискуссии, критических замечаний к другим отделам.

        А теперь я представляю слово главному инженеру, который будет руководить дальнейшей работой конференции.

Выступление главного инженера

Итак, основные проблемные вопросы нашей конференции следующие:

1. Выбор состава газовой смеси;
2. Выбор оптимальной температуры;
3. Выбор оптимального давления
4. Подбор наиболее выгодных катализаторов
5. Источники сырья
6. Технология процесса
7. Техника безопасности (ТБ)
8. Экология

А пока выслушаем сообщение источников о промышленном получении в прошлом, в их задание входило охарактеризовать различные способы производства аммиака, их достоинства и недостатки. Указать наиболее перспективный способ синтеза аммиака.

Выступление первого историка

      Многие химики – экспериментаторы пытались получить соединения связанного азота из воздуха, но не удачно. Лишь на рубеже XIX – XX веков удалось создать два промышленных способа фиксации азота: цианамидный и дуговой.

       Интересно, что научной основой цианамидного способа послужили опыты шведского химика Шееле, опубликованные в 1775г., а прообразом дугового – опыты Кавендиша.

        Более 100 лет прошло, прежде чем лабораторный опыт превратился в промышленную технологию.

        При цианамидном способе нагревали карбид кальция в атмосфере азота.

СаС2 + N2      →    Са СN2 + С

       В настоящее время большая часть цианамида используется в качестве азотного удобрения; иногда его используют в качестве дефолианта, т.е. вещества, вызывающего опадение листьев растений, что облегчает машинную уборку урожая.

        Дуговой способ заключался в пропускании электрического тока через воздух, при этом моделировались процессы, происходящие в атмосфере при грозовом разряде (азот окислялся)

         В ХХ веке начинается интенсивное строительство заводов для производства соединений азота. Но всё же затраты на такое производство были очень высоки, что объяснялось несовершенством технологии. Основная часть энергии вообще затрачивалась впустую.

Вопрос оппонента: почему дуговой метод не получил широкого распространения?

Ответ оппоненту:

Этот метод требует больших энергетических затрат, т.к. необходимо достижение высокой температуры (свыше 3000 0С). В промышленном масштабе этот метод экономически невыгоден.

Выступление второго историка

Принципиально новое решение проблемы фиксации азота было найдено незадолго до I мировой войны.

        Речь идёт о синтезе аммиака – основном процессе современной технологии связанного азота.

        Такой синтез был осуществлён немецким химиком Габером в 1908 году. Оказалось, что при высоком давлении и температуре, в присутствии катализатора (соединений железа) азот вступает в реакцию с водородом, образуется аммиака:

N2 + 3Н2       ↔    2NН3 + Q;

Габеру удалось впервые синтезировать аммиак в лабораторном аппарате при высоких давлениях, в присутствии осмиевого катализатора.

        По словам Габера «отныне была открыта дорога развитию новой индустрии».

        К середине войны немецкому учёному – химику К. Бошу удалось завершить работу Габера и создать высокопроизводительный промышленный процесс синтеза аммиака.

        Позже и в других странах возникли свои заводы по синтезу аммиака. Но все они использовали процесс Габера-Боша. Имелись не большие различия в величине давления, составе катализатора и т.п., но основная схема процесса сохранялась. И в настоящее время, по происшествии более полувека, продолжается поиск оптимальных условий синтеза аммиака.

        За разработку процесса синтеза аммиака Ф. Габеру и К. Бошу были присуждены Нобелевские премии.

        После вручения премии Ф.Габер сказал: «Быть может, это решение ещё не окончательное. Существование азотных бактерий показывает нам, что природа в её утончённых формах биологической химии знает и осуществляет другие возможности, которые она скрывает от нашего взора».

Вопрос оппонента: благодаря чему стало возможным осуществление реакции синтеза аммиака?

Ответ оппоненту: синтез аммиака стал возможным благодаря успехам физической химии: французский учёный Ле-Шателье сформулировал принцип, определяющий смещение химического равновесия: если на систему оказывается внешнее воздействие, равновесие смещается в направлении ослабления этого воздействия.

Главный инженер:

Сама природа заставляет нас вести поиск новых способов фиксации атмосферного азота. Как это осуществляют бактерии нам расскажет химик – микробиолог.

Выступление химика - микробиолога

Крохотные бактерии, тихо осуществляющие биологическую фиксацию при комнатной температуре продолжают бросать химикам свой вызов. Действительно, если сопоставить процесс синтеза аммиака, происходящий в природе, и технологию Габера-Боша, то, увы, сравнение будет не в пользу последней.

        Ведь бактерии усваивают свободный азот в обычных условиях, в то время как для осуществления промышленной технологии требуется применение больших температур, громадных давлений и дорогостоящей аппаратуры.

         К сожалению, учёным крайне редко удаётся создать процесс, конкурентоспособный со своим природным аналогом.

Первоначально предстояло выяснить, каким образом живой природе удаётся инертный азот связывать, делать реакционноспособным. После многочисленных экспериментов было установлено, что это происходит с помощью специального фермента – катализатора – «нитрогеназы», высокие каталические свойства которого обеспечиваются за счет присутствия в нём микродобавок некоторых элементов: молибдена, меди, кобальта, марганца, железа и др. С помощью этого фермента инертный азот переходит в аммиак, что обеспечивает путь элементного азота в живое вещество.

         Знание механизма биологической фиксации азота побудило к исследованию её лабораторной имитации. В нашей стране решение проблемы биологической фиксации азота связано в первую очередь с именами М.Е. Вольгина, В.Б. Шура, А.Е. Шилова.

          Первоначально ученым удалось в присутствии соединений титана, ванадия, хрома, молибдена и железа активировать азот и получить в обычных условиях комплексные соединения, разлагаемые водой до аммиака А в дальнейшем оказалось возможным в мягких условиях получать и азотосодержащие органические соединения непосредственно из атмосферного воздуха.

Академик Н.Н. Семёнов писал по этому поводу: «Такой процесс, по-видимому, будет имитировать процесс в живом организме (азотбактерии). Но насколько же он будет проще. Уже на сегодняшнем этапе видно, что такую невероятно сложную реакцию можно проводить просто и легко».

           Сейчас промышленный способ мягкой фиксации азота ещё не создан, будем надеяться, что в скором времени его удастся осуществить.

Вопрос оппонента: какие растения способствуют усвоению свободного атмосферного азота?

Ответ оппоненту: эти бактерии обитают в почве и на корнях бобовых растений: клевера, вики, гороха, люпина и др.

Главный инженер:

Любое производство начинается с поиска источников сырья. По этому вопросу заслушаем начальника отдела снабжения.

Выступление начальника отдела снабжения

Что касается азотоводородной смеси, азот предлагаем выделять из жидкого воздуха, а водород получать конверсий метана.

         Метан является главной составной частью природного газа. Ближайшее крупное месторождение – Ставропольское.

         Катализатор, используемый в процессе синтеза аммиака, пористое железо можно приобрести на Курском металлургическом комбинате, это обойдётся недорого, т.к. сырьё КМА сравнительно дешёвое.

         Катализатор для конверсии метана – никель, получают на Екатеринбургском комбинате цветной металлургии.

Вопрос оппонента: 

Можно ли для конверсии метана применять другой катализатор, например, платину?

Ответ оппоненту: 

Себестоимость платинового катализатора выше, чем никелевого. Это экономически невыгодно.

Главный инженер

По вопросу о подготовке сырья к процессу синтеза выступит наш технолог. В его задачу входило разработать способ получение азота и водорода из источников сырья, предложить метод очистки исходных газов от примесей.

Выступление технолога по подготовке сырья

I этап: подготовка азотоводородной смеси.

Азот выделяется из жидкого воздуха в специальной установке (р = 340 кПа)

Или в холодильнике при t= -200 0С; охлаждение достигается с помощью «сухого льда» - утилизированного углекислого газа.

        Т.к. азот имеет более низкую tкип, чем кислород, он выделяется раньше.

         Водород получается конверсией метана при t = 800 0С, в присутствии никелевого катализатора:

СН4 + Н2О     →   СО    + 3Н2  ;

                                                                                      пар

СО + Н2О     →    СО2   + Н2   ;

                                                       пар

СО2 вымораживают жидким аммиаком, получают «сухой лёд» - охлаждающее средство. Образующиеся азот и водород поступают в смеситель.

II этап: Для нейтрализации примесей, которые «отравляют» катализаторы: сернистые соединения, пары воды, к железу добавляют оксиды калия, алюминия. Эти вещества нейтрализуют частично примеси, что повышают выход аммиака.

Вопрос оппонента:

Каким ещё способом можно очистить исходную смесь от примесей сернистого газа, сероводорода, паров воды?

Ответ оппоненту:

SО2 – адресуют гидроксидами натрия и калия (поглощают поверхностью);

Н2S – абсорбируют раствором моноэтаноламина (поглощают жидкостью);

Водяные пары удаляются при пропускании через натронную известь (смесь извести с едким натром).

Главный инженер

Старший лаборант занимался разработкой вопроса о выборе оптимальной температуры, предоставим ему слово.

Выступление старшего лаборанта

Конверсия метана происходит при t = 800 0С. Для её достижения часть этого газа сжигают:

СН4 + 2О2         →   СО2     + 2 Н2О1 + 890 кДж;

Реакция получения аммиака экзотермическая. Её нужно проводить при более низкой температуре.

       Но даже при t = 400 0С скорость реакции недостаточна, чтобы осуществить её в промышленном масштабе. Повышение температуры снижает выход аммиака.

       Мы выбрали t=400 0С и, используя другой параметр – давление, применяя катализатор, можно наладить производство аммиака с выходом 47%.

Вопрос оппонента:

Каким образом можно осуществить нагревание исходной азотоводородной смеси?

Ответ оппоненту:

Исходные газы-азот и водород – подогреваются за счёт теплоты, выделяющейся при их взаимодействии. Эти газы пропускают в колонне синтеза в промежутке между корпусом и коробкой катализатора и подогреваются за счёт покидающей катализатор горячей смеси (принцип противотока).

Главный инженер

Выход аммиака в значительной степени зависит от выбора оптимального давления. По этому вопросу выступит технолог – компрессорщик.

Выступление технолога – компрессорщика

Для противодействия влиянию повышенной температуры необходимо использовать высокое давление.

        Для синтеза аммиака используют давление от 15 до 100 МПа. В зависимости от давления различают три способа производства синтетического аммиака:

низкого 10…15 МПа

среднего 25…30 МПа

высокого 50…100 МПа давления.

        В колонне синтеза мы предлагаем использовать средний режим (р=30 МПа), т.к. при применении более высоких значений потребуется дополнительная реконструкция колонны, что экономически невыгодно.

         Кроме турбокомпрессора, необходимого для нагнетания азотоводородной смеси, в системе используется циркулярный компрессор для направления непрореагировавших газов в колонну синтеза.

Вопрос оппонента:

Чем обусловлена необходимость применения циркулярного компрессора?

Ответ оппоненту:

При указанных условиях (t=400 0С и р=30МПа) выход аммиака составляет около 0,4 объёмных долей.

Использование циркулярного метода позволяет осуществить 95%-ное использование исходных веществ, непрореагировавшая их часть возвращается в колонну синтеза.

Главный инженер

Чтобы понизить температуру протекания процесса необходимо подобрать соответствующий катализатор. Наш технолог – катализаторщик занимался этой проблемой, изучал способы регенерации, факторы «отравления» катализаторов. Сейчас мы заслушаем его доклад.

Выступление технолога – катализаторщика

Синтез аммиака осуществляется в присутствии катализатора.

      Катализатор в равной степени ускоряет прямую и обратную реакции, он не влияет на химическое равновесие, лишь приближает его наступление.

      Катализ осуществляется в цилиндрической коробке колонны синтеза. В качестве катализатора используется пористое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция и кремния.

       Примеси, содержащиеся в исходной смеси могут уменьшить скорость процесса, такое явление называется «отравлением катализатора». Эти вещества называют каталитическими ядами.

        Во избежание «отравления» катализатора исходную смесь подвергают предварительной очистке или же добавляют промоторы – вещества, усиливающие действие катализаторов. В нашем случае это оксиды калия, кальция, кремния и алюминия.

        Для конверсии метана используют никелевый катализатор.

Вопрос оппонента:

Как объяснить механизм действия катализатора?

Ответ оппоненту:

Исходные вещества образуют с катализатором промежуточные соединения схематично

А + К     →   АК;

АК + В   →     АВ + К, где

А, В – исходные вещества;

К – катализатор

эти две стадии протекают быстрее, чем непосредственно взаимодействие

А + В    →  АВ

Главный инженер

О технологии производства, об устройстве и принципе действия используемых аппаратов расскажет главный технолог.

Выступление главного технолога  

Под давлением турбокомпрессора исходная смесь поступает в колонну синтеза в узкое пространство между корпусом колонны и коробкой катализатора. При этом исходная смесь нагревается за счёт теплоты происходящей реакции – используется принцип теплообмена.

        Наружные стенки колонны синтеза предохраняются таким образом от перегревания.

        Процесс происходит при t=400 0С и р=30МПа. Выход аммиака 0,1-0,4 объемных долей.

Далее смесь охлаждается в холодильнике, поступает в сепаратор, жидкий аммиака отправляется на склад в баллонах, а непрореагировавшие азот и водород под давлением циркуляционного компрессора подаются в колонну синтеза.

Вопрос оппонента:

Как происходит контроль и управление производством? И назовите наиболее перспективный способ синтеза аммиака в будущем.

Ответ оппоненту:

Установки для производства аммиака оснащены измерительными приборами, показания которых регистрируется и записываются на общем щите. Здесь же сосредоточено управление процессом.

      Благодаря автоматизации контроля и управления удаётся поддерживать заданный режим, повысить выход продукта и производительность аппаратов, увеличить производительность труда. На новых установках электронные счётно-решающие устройства рассчитывают режим в соответствии с меняющимися условиями (например, изменение активности катализатора) и выдают показания для управления производством.

  Что касается второй части вопроса – в перспективе нужно выходить к осуществлению мягкой фиксации азота из атмосферы, это позволяет в будущем упростить аммиачный способ связывания азота, который довольно сложен технически. Видимо, восхищение перед мудростью природы продиктовало крупнейшему русскому учёному Д.Н. Пряншиникову такие слова:

«Каждый куст люпина (или другого бобового) есть в сущности миниатюрный завод по утилизации атмосферного азота, работающий, даром за счёт солнечной энергии».

Главный инженер

Начальник отдела защиты окружающей среды расскажет о способах предотвращения вредного воздействия промышленных выбросов  на экологическую систему и предложит способы утилизации отходов.

Выступление начальника отдела защиты окружающей среды

 В настоящее время вода и воздух составляют предмет пристального внимания и изучения специалистов по многим научным направлениям.

Надо сказать, что очистные сооружения нередко бывают дороже основного производства. Поэтому необходимо вырабатывать такие производственные технологические циклы, чтобы можно было использовать вредные отходы производства, а не выбрасывать их.

       Загрязнение окружающей среды связано в первую очередь с интенсификацией технологии, активным наращиванием мощностей и сосредоточением многих предприятий в одном районе. Такое положение ведёт к увеличению ядовитых выбросов в атмосферу.

        Весьма актуально звучит сегодня выражение: «Или люди сделают так, что в воздухе станет меньше дыма, или дым сделает так, что так на земле станет меньше людей».

         Для полного поглощения вредных выбросов производства аммиака  - незначительных количеств сероводорода, сернистого и углекислого газов используются специальные устройства – нейтрализаторы. По своему устройству и принципу действия они напоминают обычный противогаз: токсичные газы поглощаются твердыми и жидкими веществами (SО2 адсорбируют гидроксиды натрия и калия; Н2S – абсорбируется раствором моноэтаноламина; СО2 вымораживается жидким аммиаком, получается «сухой лёд» - охлаждающее средство).

        Будем надеяться способ сохранить всю прелесть земной природы, защитив её от своего пагубного влияния.

Вопрос оппонента:

Каковы перспективы утилизации выбросов промышленных предприятий в будущем?

Ответ оппоненту:

В настоящее время возникла оригинальная идея создания труб-дирижаблей, вернее, газозаполненных труб полужёсткой конструкции, предложена профессорам И.Л. Варшавским. Такие трубы могут вполне использоваться промышленными предприятиями, их стоимость в 2-3 раз дешевле стальных и кирпичных. Эти трубы могут быть любой длины, даже около 1000 км.

      Лёгкая надувная труба из современных полимерных материалов даёт возможность её быстро монтировать и перевозить на значительные расстояния. Одной трубой могут пользоваться несколько предприятий.

Главный инженер

По вопросу безопасности работы при производстве аммиака выступит наш инженер по ТБ.

Выступление инженера по ТБ

На любом предприятии очень важно соблюдать правила ТБ.

       Чтобы не допустить отравление газами, каждый работающий должен иметь противогаз.

        Если в воздухе производственных помещений содержится аммиак больше, чем его ПДК, то возникает отравление, раздражение дыхательных путей.

        Пострадавшего нужно доставить на воздух. При потере сознания сделать искусственное дыхание. При отравлении раствором аммиака – пить слабый раствор уксусной кислоты или лимонный сок. Вызвать рвоту. Дать растительное масло или яичный белок.

         В свою очередь, необходимо обеспечить вентиляцию производственных цехов. Все работающие должны быть в спецодежде.

         Во избежание взрывов нужно чётко следить за показаниями приборов, определяющих технологический режим, а также за герметизацией аппаратуры и своевременным её ремонтом.

          В смеси с воздухом, особенно с кислородом в отношении 1:2 метан образует взрывчатые смеси, поэтому следует избегать его разбавление воздухом или кислородом, предотвращать утечку в производственных помещениях.

          Смеси аммиака и кислорода, или воздуха могут взрываться при нагревании. Поэтому хранят его и транспортируют в жидком состоянии

(tкип = -33,4 0С), для этого его охлаждают или сжимают под давлением

900 кПа в баллоны, инертные по отношению к жидкому аммиаку. Или растворяют в воде  - образуется аммиачная вода. Доставляется в жёлтых металлических баллонах.

Вопрос оппонента:

Какие меры предусматриваются при возникновении пожаров по их ликвидации?

Ответ оппоненту:

Все цеха снабжены огнетушителями, здесь же находятся ящики с песком.

Главный инженер

По вопросу об экономическом обосновании производственного процесса синтеза аммиака выслушаем сообщение главного экономиста.

Выступление главного экономиста

I. Расходы предприятия

1) Для приобретения установки – холодильника для снижения воздуха необходимо                                                                      40 млн. рублей

Охлаждение достигается с помощью утилизированного СО2 («сухого льда»)

2) Конвертер для обработки природного газа.              45 млн. рублей     

3) Амортизационные средства этого оборудования      9,9 млн. рублей в год 

4) Расходы на природный газ с учётом транспортировки  10 млрд. 915 млн.

рублей    

5) Себестоимость никелевого катализатора                    12,5 млн. рублей/т

6) Средства для восстановления его производительности 4 млн. рублей (ч/з 5 л.)

7) Два компрессора                                                              30 млн. рублей

8) Колонна синтеза                                                               70 млн. рублей 

9) Холодильник                                                                     30 млн. рублей

10) Сепаратор                                                                         40 млн. рублей

11) Амортизационные средства 8-10                                  23 млн. рублей/год

12) Себестоимость железного катализатора с промоторами

90 млн. рублей /(3т)

13) Средство на его восстановление                              36 млн. рублей (за 5 лет)

Для достижения нужной температуры конверсии метана, часть его сжигают. В колонне синтеза используют принцип теплообмена, что не требует дополнительных затрат.

14) Приборы АСУ (автоматической системы управления) и контроля

150 млн. рублей

15) Потребление электроэнергии                                       140,4 млн. рублей/год 

                   Сумма расходов                                                11 495,8 млн. рублей

(Если с восстановлением катализаторов                         11 535, 8 млн. рублей)

Цикличность производства обеспечивает почти 100%-ное использование исходной смеси (циркуляционный процесс).

         Содержащиеся в исходных веществах примеси отрицательно влияют на выход продукта.

Теоретическая производительность установки – 574,5 т NН3 в сутки, практически осуществляется 47%-ный выход – 270т. Процесс непрерывный.

         В год производится 98,550 тыс. т.

На общую сумму                                     14 782,5 млн. рублей

Годовой доход 3286,7 млн. рублей

Его распределение

1) Заработная плата

ИТР(30 чел)    Служащие (150 чел)

1 человек в среднем/мес.                                 500 тыс.                 300 тыс.

                                    Год                                180 млн.                    540 млн.

                                                                                        720 млн. рублей

2) Экологические мероприятия                            1000 млн. рублей

3) Техническое переоснащение                             500 млн. рублей

4) Премиальный фонд                                           506,7 млн. рублей

5) Транспорт (8 машин «Камаз»)                  8 х 70 млн. = 560 млн. рублей

Вывод: срок окупаемости производства: 12 месяцев

Главный инженер

Для оценки работы всех действующих лиц слово предоставляется директору НИИ.

Выступает директор НИИ, даёт задание всем отделам: составить отчёт о проделанной работе на основе которого главный экономист будет распределять сумму, выделенную на премирование работников нашего НИИ. А пока слово предоставляется главному инженеру, его выступление о вкладе НИИ в разработке оптимальных условий производства аммиака.

Выступление главного инженера

В результате исследовательских работ нашего института для Невиномысского производственного объединения «Азот» разработаны оптимальные условия производства аммиака.

1) Сырьё: азотоводородная смесь (азот из воздуха, водород из метана).

2) Вспомогательный материал: катализатор – пористое железо, содержащее небольшие количества оксидов алюминия, калия, кальция и кремния.

3) Основной химический процесс

а) конверсия метана (катализатор-никель): СН4 + Н2О →  СО + 3Н2   ;

                                                                                     пар              

                                                                         СО + Н2О   →   СО2 + Н2   ;

                                                                                    пар

б) азот извлекается из воздуха в холодильной установке и в результате испарения отделяется от кислорода, после дополнительной очистки подаётся в колонну синтеза вместе с водородом:

N2 + 3Н2         →  2NН3   + 92кДж;

Реакция происходит при t = 400 0С, р = 30 МПа в присутствии катализатора с образованием 10-40% NН3.

Использование циркулярного процесса обеспечивает 95%-ное использование исходной смеси.

4) Особенности технологического процесса: направление движения смеси выбирается так, чтобы максимально использовать теплоту реакции и предохранять наружные стенки аппарата от перегревания.

          Образующийся аммиак (10-40%) отделяют сжижением, непрореагировавшая часть смеси возвращается в колонну синтеза. Процесс непрерывный, циркуляционный. Производство рентабельное.

          Далее главный инженер предлагает обсудить игру и приступить к составлению отчётов о проделанной работе.

      После сдачи  итоговых отчётов  главному инженеру, главный экономист распределит «премиальный фонд». После его выступления главный инженер объявляет конференцию закрытой.

Список литературы

1. Книга для чтения по неорганической химии / Сост. В.А. Крицман.- М.: Просвещение, 1993. 4.2. – 191с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: 1983.
3. Эпштейн Д. Учителю о химической технологии. Т.1.-М.: 1975.
4. Производство аммиака / Под ред. В.П. Семёнова.- М.: Химия, 1985
5. Хомченко Г.П. Химия.- М.: Высшая школа, 1989-368с.
6. Химия. Справочные материалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова.- М.: Просвещение, 1994-287с.
7. Данилов И.Д. Секреты программируемого микрокалькулятора.- М.: Наука, 1986-160с.
8. Фельдман Ф.Г. Рудзитис Г.Е. Химия 9- М.: Просвещение, 1990-176с.