Публикации «Сравнение моделей лабораторных установок перегонки нефти и возможности их использования в условиях школьной лаборатории»

Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.

Скачать публикацию

Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: «Сравнение моделей лабораторных установок перегонки нефти и возможности их использования в условиях школьной лаборатории»
Автор: Тесник Юлия Валерьевна

«Сравнение моделей лабораторных установок перегонки нефти и возможности их использования в условиях школьной лаборатории»Тесник Юлия Валерьевна,старший педагог Регионального центра одарённых детей Калужской областиОдним из важнейших и активноразвивающихся направлений современной экономики является нефтеперерабатывающая отрасль. Постоянный рост спроса и цен на энергоносители и топливо увеличивает себестоимость продукции, что в свою очередь приводит к снижению еѐ конкурентоспособности на рынке. В целях повышения конкуренции продукции необходимо снижать затраты на еѐ производство. Пути снижения затрат могут быть разными: - усовершенствование оборудования; - модернизация; - использование вторичных энергоресурсов; - внедрение в производство новых процессов, например, мембранных методов разделения углеводородов, взамен экстракционных процессов и ректификации. Поэтому изучение и улучшение методов переработки нефти является перспективной и очень важной частью современной науки. В школьном курсе химии 10 класса процесс переработки нефти изучается в теоретическом и практическом ракурсе, как в промышленном масштабе, так и в условиях школьной лаборатории на уроках, кружковых занятиях, факультативах и элективных курсах. В классическом варианте фракционная перегонка нефти проводится на установке, описанной в практикуме Л.А. Цветкова или на ректификационной колонке. Это не простой по временным затратам и процессу проведения эксперимент, в том числе и из-за влияния запаха на состояние здоровья обучающихся, но интересный в плане химизма, постановки и самого процесса протекания опыта. С другой стороны, химический эксперимент придает особую специфику предмету химии, он является важнейшим способом осуществления связи теории с практикой путем превращения знаний в убеждения, и поэтому отказываться от него из-за трудностей различного характера нецелесообразно. Поэтому мы решили проанализировать различные варианты проведения подобного эксперимента, в том числе и современные подходы к перегонке нефти. Цель: сравнение существующих моделей лабораторных установок перегонки нефти и выявление наиболее оптимальных для использования в условиях школьной лаборатории. Проанализировав литературные источники, мы выявили, что полного единого обзора моделей установок для перегонки нефти нет.В ходе работы мы изучили некоторые существующие модели установок для перегонк нефти, которые используют в лабораториях: типовая установка, установка с ректификационной колонной, установка И.Т. Сыроежкина, установка Г.А. Зданчука, установка с дефлегматором, установка для перегонки под вакуумом, установка для мембранного метода, виртуальные программы компьютерного моделирования. Мы проанализировали достоинства и недостатки установок и выявили наиболее подходящие для проведения экспериментов в школьной лаборатории, а именно: типовую установку, виртуальные программы. Остальные установки подходят частично.Для фракционной перегонки нефти нами была выбрана типовая установка для разгонки нефти. Для проведения эксперимента мы использовали следующее оборудование: термометр на 25 °С, резиновая пробка с отверстием (2 шт.), насадка Вюрца, круглодонная колба, холодильник Либиха (прямой холодильник), алонж, приёмник, электронагревательный прибор (песчаная баня), цилиндр на 50 мл. Реальный опыт мы осуществили в школьной лаборатории по следующей методике: отмерили 50 мл нефти. Налили нефть в круглодонную колбу, поместить в колбу кипелки. Собрали установку для перегонки (термометр следует помещать так, чтобы верхняя граница ртутного шарика находилась на уровне нижнего края отверстия отводной трубки). Подставили нагревательный прибор, включили его в электрическую сеть. Приступили к перегонке нефти (отбор бензиновой фракции производится при температуре от 32 °С до 105 °С). На протяжении всей перегонки следили за температурой. После отбора бензиновой фракции провести отбор керосиновой фракций (160–230 °С), меняя приёмник. Для сбора установок подбирали лабораторную посуду и оборудование согласно ГОСТу 25336-82.Для определения плотности нефтепродуктов использовали ареометры для нефтепродуктов, стеклянные цилиндры для ареометров, термометр, термостат и водяную баню. Измерение плотности проводили по следующей методике: Установили стеклянный цилиндр на прочной горизонтальной подставке. Осторожно налили в цилиндр анализируемый продукт, (бензин и керосин) температура которого не должна отличаться от температуры окружающей среды более чем на +5 °С. Продукт наливают не прямо на дно цилиндра, а по стенке цилиндра или по стеклянной палочке. Чистый и сухой ареометр медленно и осторожно опустили в испытуемый продукт, держа его за верхний конец. После того как ареометр установится и прекратятся его колебания, произвели отсчёт по верхнему краю мениска.Также мы тестировали виртуальную программу для проведения опыта «Определение плотности нефти и нефтепродуктов» в программе ProgramLab. Для определения содержания воды проводили пробу Клиффорда и виртуальный опыт «Определение содержания воды в нефти» в программе ProgramLab. Для качественного определения непредельных углеводородов в нефтепродуктах в школьной лаборатории проделали следующий опыт: В две пробирки налили по 2 мл бензиновой фракции. В первую пробирку добавили примерно такое же количество водного раствора перманганата калия. Одну пробирку с водным раствором перманганата калия оставляем в качестве контроля. Закрыли пробирку пробкой, интенсивно взболтали её содержимое в течение 10–15 секунд и дать отстояться. Во вторую пробирку добавили раствор иодной воды, также взболтали её содержимое. Одну пробирку с иодной водой оставляем в качестве контроля. Повторили подобные опыты с керосиновой фракцией. Виртуальную модель для перегонки моделировали в программе «Blender» (версия программы — 4.2): 1) изготовление в режиме программы «3D Veiwport» отдельных видов химической посуды и оборудования — колба Бунзена, холодильник Либиха, алонж, колба приёмник (коническая колба), металлический штатив с кольцом, двупалой и трёхпалой лапками, муфтами (2 шт.), а также колбонагреватель, фон (стена и плиточная поверхность лабораторного стола); 2) проверка созданных деталей установки при помощи 3D-очков на предмет наличия «артефактов» (дефектов), для чего выполнен экспорт объектов в формате «.obj»; 3) «раскрашивание» моделей (назначение материалов) через создание новых слоёв (в новом окне — Shader Editor — появляются ноды — таблицы, в которых меняем настройки — для стекла, металла, дерева, изменяя числовые данные шероховатости, металличности, прозрачности, базового цвета, например, стеклу придаём голубоватый оттенок); 4) перемещаем (клавиша G) на сцене детали установки так, чтобы они располагались как у реальной установки друг около друга, при необходимости изменяем размеры (уменьшаем или увеличиваем) данных деталей (клавиша S); 5) в программе «Blender» переходим в режим рендера (значок в форме камеры справа от основного окна «3D Veiwport»), где выбираем «движок» Cycles; в результате установка приобретает все необходимые оптические свойства — выглядит почти как реальная; 6) проводим экспорт всей установки в формате «.obj», чтобы удостовериться, что нет дефектов в уже готовом изделии, при этом часть оптический свойств объекта не отражается, однако здесь задача — проверить на наличие дефектов в форме трёхмерной модели; 7) сохраняем модель установки на компьютере в конечном варианте. В дальнейшем можно на основе модели сделать реалистичное 2D-изображение или подготовить симуляцию с участием данной установки, например, симуляцию по сборке установки.По результатам сравнения моделей установок перегонки нефти выявлены достоинства некоторых из них (доступность, изученность, простота сборки установки, возможность изучения большого количества оборудования при сборке установки) и недостатки (большие временные затраты, низкая экологичность, запах, энергозатратность, сложная конструкция, недоступность некоторый деталей конструкции).Реальный эксперимент осуществлён в школьной лаборатории МБОУ «СОШ №6 им. А.С. Пушкина» г. Калуги, моделирование частей эксперимента мы проведено в Региональном центре одарённых детей Калужской области. Составные части есть в наличии, сборка не сложная, установка для перегонки в школьной лаборатории работает. Получены две фракции бензиновая и керосинова. Опыт по перегонке искусственной смеси бензина, керосина и смазочного масла проводили в лаборатории Регионального центра одарённых детей Калужской области. Опыт демонстрирует (доказывает) обучающимся наличие и разделение фракций на типовой установке. В ходе проведенного эксперимента по определению содержания воды (проба Клиффорда) в бензиновой и керосиновой фракции наблюдали окрашивание нефтепродукта обеих фракций в розоватые цвета, что свидетельствует о наличие некоторого количества воды. Виртуальные опыты по определению плотности нефти и содержанию воды мы проводили в Региональном центре одарённых детей. При проведении таких опытов мы увидели, что обучающиеся могут изучить оборудование, необходимое для опыта, провести самостоятельно опыт, а также провести рассчётную часть: рассчитать массовую долю воды в нефти. Опыт на определение воды удачно сочетается с практической частью (пробой Клиффорда), взаимодополняют друг друга. В результате проведения опыта на наличие непредельных углеводородов водный раствор перманганата калия и иодная вода обесцвечивались в течении 1 минуты в бензиновой и керосиновой фракциях, что доказывает наличие непредельных углеводородов. Мы наблюдали, как раствор опустился на дно и моментально покрылся коричневой масляной плёнкой. Затем в течение минуты раствор принял светлый цвет. После этого был осуществлён сравнительный анализ между пробирками, в результате которого было установлено, что цвет раствора KMnO4 изменился, став светлее и перейдя от фиолетового к бледно-розовому оттенку. С иодной водой наблюдения повторились. Иодная вода частично обесцветилась в течение 1 минуты. Смоделирована установка для простой перегонки нефти в программе «Blender» (версия программы — 4.2).В ходе исследования мы сделали следующие выводы: 1) Наиболее приемлемой установкой для проведения реального эксперимента перегонки нефти в условиях школьной лаборатории является типовая установка. 2) Виртуальные программы проведения некоторых опытов с нефтью и нефтепродуктами могут служить дополнением к реальному эксперименту на уроках, кружковых занятиях, факультативах и элективных курсах в школе. 3) Другие проанализированные модели могут быть использованы частично, например, для изучения лабораторного оборудования при сборе установки, анализа процесса протекания перегонки и т.п. 4) Перспективным направлением осуществления перегонки нефти является использование установки мембранного фильтрования.