Проекты

Безопасное производство с применением аммиака

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная химия, физическая химия» среди работ учащихся 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1564
Предметы: Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

На сегодняшний день увеличиваются объёмы производства продукции для обеспечения возрастающих потребностей населения. При этом растёт количество производств, загрязняющих окружающую среду. Для предотвращения ухудшения экологической обстановки нужно вводить на производствах безопасные технологии, включающие грамотную утилизацию отходов.

Аммиак – одно из самых востребованных соединений в производствах, но также является активным и «едким» веществом. Так, полигоны, где хранится аммиак и его производные, являются мощным источником загрязнений. Чтобы не засорять окружающую среду аммиаком и его производными, их можно использовать для создания безопасных технологий на производстве.

Цель

Предложить безопасную технологию очистки выбросов от монооксида и диоксида азота, монооксида и диоксида углерода с использованием аммиака на производстве.

Задачи

  1. Изучить процесс синтеза аммиака, возможные выбросы на производстве и пути решения проблем с загрязнениями.
  2. Разработать новые способы снижения выбросов, исключающие или минимизирующие образование токсичных веществ, которые будут доступны для применения на производстве.
  3. Создать модель установки с учётом стандартов безопасности.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Мерный цилиндр, колба, пробирки
  • Держатель, штатив для пробирок, газоотводная трубка с пробиркой, шпатель
  • Гранулы мочевины, дистиллированная вода, аммиачная вода (10%), азотная кислота концентрированная (10–40%), медная пластинка
  • Персональный компьютер с установленным ПО (программа КОМПАС-3D).

Описание

1. Ознакомились с дополнительными источниками для изучения вреда производства. Было выяснено, что основными вредными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: летучие углеводороды, окись углерода, оксиды азота; основными примесями, которые также содержатся в отходах на различных производствах, были водород, вода (пар) и/или оксиды углерода II и IV.

2. Ознакомились с принципами решения проблем с загрязнением окружающей среды для таких производств. Пришли к выводу, что для решения таких проблем существует малое количество установок.

3. Вывели свой способ решения для создания более безопасного производства. Для нашего способа очистки выбросов мы решили использовать аммиак или мочевину с целью снижения выбросов вредных оксидов азота в дымовых и выхлопных газах. В поток выхлопных газов впрыскивается аммиак или мочевина, но мочевина – органическое вещество, в процессе хранения, транспортировки или использования может разложиться, и её производство требует больших денежных затрат. Поэтому использование аммиака оказывается более выгодным.

Катализаторами в реакции будут оксид титана IV, цеолиты, оксиды железа или активированный углерод; температура варьируется от 450 до 900 К, что на производстве осуществимо. В схеме работы установки всего несколько этапов: полное окисление (восстановление водорода, монооксида углерода и монооксида азота до воды, диоксида углерода и диоксида азота соответственно), впрыск аммиака, реакция на катализаторе (6NO2 + 8NH3 = 7N2 + 12H2O), выход после основной реакции (в отходах будет вода в виде пара, которую можно сконденсировать при T≤100 ºС; азот, который в дальнейшем для экономии используется для синтеза аммиака процессом Габера; оксид углерода IV перерабатывается в сухой лёд при –78,3ºС, для того чтобы использовать его на производстве как источник холода).

4. Была проведена лабораторная работа для доказательства действия способа и возможности использования его на производстве. Был получен диоксид азота из реакции азотной кислоты с пластинкой меди; потом была проведена основная реакция и с аммиаком, и с мочевиной. Сделан вывод о том, что применять способ возможно в условиях производства.

5. Был разработан эскиз установки (примерная схема работы и последовательность реакций). Из эскиза с помощью программы КОМПАС-3D была спроектирована сборка, на основе которой в дальнейшем был выполнен чертёж.

Результаты работы/выводы

  1. Предложена установка, разработанная с учётом стандартов безопасности, обеспечивающая эффективное взаимодействие аммиака с оксидами азота. Её применение позволит очистить выбросы, негативно влияющие на окружающую среду.
  2. Использование аммиака в данных реакциях позволит расширить его применение, следовательно, остатки вещества не будут храниться в больших количествах на полигонах (уменьшается негативное влияние на окружающую среду).
  3. Предложенный способ позволит получить азот, используемый для производства аммиака, техническую воду и сухой лёд, которые можно применять на производстве для поддержания определённой температуры.

Перспективы использования результатов работы

Доработка и внедрение технологии в производство, в результате чего на практике будет наблюдаться уменьшение загрязнений окружающей среды.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

Детский технопарк «Альтаир» и кафедра физической химии РТУ МИРЭА