Технология производства нитробензола
Министерство Образования и Науки РФ
Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра общей химической технологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
по предмету: Технология химических производств
на тему:
Технология производства нитробензола
Казань 2008
Задание
Составить и описать технологическую схему производства нитробензола
Составить материальный баланс процесса
Рассчитать технологические и технико-экономические показатели
В основу расчета принять следующие реакции
C>6>H>6>+HNO>3>→C>6>H>5>NO>2>+H>2>O
C>6>H>5>NO>2>+HNO>3>→C>6>H>4>(NO>2>)>2>+H>2>O
Исходные данные:
|
Пропускная способность установки по бензолу,т/год: |
1000 |
|
Конверсия бензола % Концентрация бензола % масс |
40 99 |
|
Состав нитрующей смеси % масс
|
20 59.6 20.4 |
|
Массовое соотношение бензол: нитрирующая смесь |
1:4 |
|
Потери бензола % масс Количество денитробензола, % масс, от количества нитробензола |
4 2 |
Теоретическая часть
Производство нитробензола
Нитробензол (темп, пл, +5,7°, темп. кип. 210,9°) представляет собой нерастворимую в воде желтоватую жидкость с запахом горького миндаля; ядовит, как все нитросоединения.
Впервые нитрование бензола было осуществлено Митчерлихом. В промышленности оно было начато в 1847 г.
Нитрующую смесь для нитрования бензола до нитробензола составляли с таким расчетом, чтобы количество азотной кислоты лишь немного превышало теоретическое, а серную кислоту берут в таком количестве чтобы к концу процесса нитрования в отработанной кисоте содеожолсь около 70%
Нитрование проводится при 40°. Повышение температуры способствует образованию динитробензола.
Процесс нитрования можно проводить по периодической, и по непрерывной схеме.
При периодической процесс начинают с наполнения нитратора бензолом затем включают печку, подогревают бензол до 40 — 45° и постепенно вводят нитрующую смесь, регулируя поступление и охлаждение нитратора водой таким образом, чтобы поддерживать температуру процесса около 40°.
Закончив приливание нитрующей смеси, прекращают охлаждение и дают температуре подняться до 50°. При низкой температуре содержимое нитратора «выдерживают» около 1 часа, втечение этого времени реакция нитрования почти полностью заканчивается; остается всего около 1% непрореагировавшего бензола. После выдержки содержимое нитратора сливают или передавливают в сифонную трубку в отстойник-сепаратор, представляющий собой цилиндрический аппарат с коническим дном и мешалкой. В отстойнике продукты нитрования разделяются на два слоя: верхний— нитрообензольный и нижний—кислотный. Из отстойника отработанная кислота. содержащая 70—72% H>2>SO>4>, небольшое количество окисленных продуктов, окислов азота и растворенного и эмульгированного бензола, поступает в сборник. Сырой нитробензол промывают в отстойнике несколько раз холодной водой, а затем раствором соды.
Рисунок 1.Типовая схема процесса получения нитросоединений.
Исходное
вещество
H>2>SO>4>
HNO>3>
Мешка кислот
Нитрирующая смесь
Нитрование
Отстаивание
отработанная Кислый
кислота нитропродукт
Экстракция
Исходное
Промытая
вещество
и отработ.
нитропродукт кислота
На денитрацию
и
Промывка
концентрирование
в
ода
раствор
Nа>2>СО>3 >Промывные воды
Нитропродукт
На крупных установках нитробензол получают непрерывным методом. В процессах непрерывного нитрирования бензола применяются нитраторы различных систем. Простотой, надежностью конструкции отличается нитратор с вертикальной циркуляцией реакционной массы (рисунок 2).
Такой нитратор представляет собой чугунный, или выполненный кислотоупорной стали котел с змеевиками и быстроходной пропеллерной мешалкой, помещенной внутри направляющего вертикального стального цилиндра. Бензол и нитрующая смесь непрерывно поступают через трубки в центральную часть нитратора смешиваются с его содержимым, скользят снизу вверх, омывая змеевики, а затем сверху вниз через направляющий цилиндр. Избыток реакционной смеси непрерывно отводится из штуцера в верхней части нитратора.
Рисунок 2. Нитратор непрерывного действия.
Для доведения реакции нитробензола до конца выходящую из нитратора реакционную смесь будут дополнительно выдерживать в цилиндрическом резервуаре с мешалкой (дозреватель). Остальные процессы отстаивание и промывка сырого нитробензола—также легко осуществляются по непрерывкой схеме.
Материальный баланс
C>6>H>6>+HNO>3>→C>6>H>5>NO>2>+H>2>O
C>6>H>5>NO>2>+HNO>3>→C>6>H>4>(NO>2>)>2>+H>2>O
Схема потоков:
C
>6>H>6>;
HNO>3>; H>2>SO>4>;
H>2>O;
C>6>H>6>;
HNO>3>; H>2>SO>4>;
H>2>O; C>6>H>5>NO>2>;
примесь C>6>H>6>; примесь C>6>H>6>; C>6>H>4>(NO>2>)>2>;
Mr(C>6>H>6>)=12*6+6=78кг/кмоль;
Mr(HNO>3>)=1+14+16*3=63кг/кмоль;
Mr(H>2>SO>4>)=1*2+32+16*4=98кг/кмоль;
Mr(C>6>H>5>NO>2>)=12*6+5+14+16*2=123кг/кмоль;
Mr(C>6>H>4>(NO>2>)>2>)=12*6+4+14*2+16*4=168кг/кмоль;
Mr(H>2>O)=12+16=18кг/кмоль.
|
Приход |
Расход |
|||
|
кг/ч |
кмоль/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
|
|
C>6>H>6> |
113,014 |
1,449 |
65,13+4,521 |
0,835+0,058 |
|
HNO>3> |
91,324 |
1,45 |
55,818 |
0,886 |
|
примесь C>6>H>6> |
1,141 |
- |
1,141 |
- |
|
H>2>SO>4> |
272,146 |
2,777 |
272,146 |
2,777 |
|
H>2>O’ |
93,151 |
5,175 |
93,151 |
5,175 |
|
C>6>H>5>NO>2> |
- |
- |
67,404 |
0,548 |
|
C>6>H>4>(NO>2>)>2> |
- |
- |
1,368 |
0,008 |
|
H>2>O>(1)> |
- |
- |
10,008 |
0,556 |
|
H>2>O>(2)> |
- |
- |
0,144 |
0,008 |
|
Сумма: |
Σ>1>=570,776 |
Σ>2>=570,831 |
1. m>техн>(C>6>H>6>)=1000*1000/365/24=114,155кг/ч;
2. m>чист>(C>6>H>6>)=114,155*0,99=113,014кг/ч;
V>чист>(C>6>H>6>)=113,014/78=1,449кмоль/ч;
m>прим>(C>6>H>6>)=114,155-113,014=1,141кг/ч.
3. Потери бензола 4% масс.:
m>п>(C>6>H>6>)=113,014*0,04=4,521кг/ч;
V>п>(C>6>H>6>)=4,521/78=0,058кмоль/ч;
m (C>6>H>6>)=113,014-4,521=108,493кг/ч;
V (C>6>H>6>)=108,493/78=1,391кмоль/ч.
4. Полученного в целевой реакции нитробензола:
V (C>6>H>5>NO>2>)= V>пр>(C>6>H>6>), где V>пр>(C>6>H>6>) –
количество прореагировавшего бензола;
V>пр>(C>6>H>6>)=1,391*0,4=0,556кмоль/ч;
m>пр>(C>6>H>6>)=0,556*78=43,368кг/ч;
m (C>6>H>5>NO>2>)=0,556*123=68,388кг/ч.
5. Количество денитробензола от количества нитробензола 2% масс.:
m (C>6>H>4>(NO>2>)>2>)=68,388*0,02=1,368кг/ч;
V (C>6>H>4>(NO>2>)>2>)=1,368/168=0,008кмоль/ч.
6. Количество прореагировавшего нитробензола:
V>пр>(C>6>H>5>NO>2>)= V (C>6>H>4>(NO>2>)>2>)=0,008 кмоль/ч;
V>ост>(C>6>H>5>NO>2>)= V- V>пр>=0,556-0,08=0,548кмоль/час;
m>ост>(C>6>H>5>NO>2>)=0,548*123=67,404кг/ч.
7. Не прореагировавший бензол:
V>ост>(C>6>H>6>)= V- V>пр>=1,391-0,556=0,835кмоль/ч;
m>ост>(C>6>H>6>)=0,835*78=65,13кг/ч.
8. Общее количество нитрирующей смеси, поданной в реакцию:
m(смесь)= 4*m>техн>(C>6>H>6>)=4*114,155=456,62кг/ч.
9. Состав нитрирующей смеси:
m>всего>(HNO>3>)=456,62*0,2=91,324кг/ч;
V>всего>(HNO>3>)=91,324/63=1,45кмоль/ч;
m(H>2>SO>4>)=456,62*0,596=272,146кг/ч;
V(H>2>SO>4>)=272,146/98=2,777кмоль/ч;
m(H>2>O')=456,62*0,204=93,151кг/ч;
V(H>2>O')=93,151/18=5,175кмоль/ч.
10. Количество прореагировавшей азотной кислоты:
V>0>(HNO>3>)= V>1 >– V>2>, где V>1>- прореагировало с образованием целевого продукта – нитробензола, V>2> – на побочную реакцию.
V>2>(HNO>3>)= V>пр>(C>6>H>5>NO>2>)=0,008кмол/ч;
V>0>(HNO>3>)=0,556+0,008=0,564кмоль/ч;
11. Не прореагировало азотной кислоты:
V>ост>(HNO>3>)= V> >– V>0>=1,45-0,564=0,886кмоль/ч;
m>ост>(HNO>3>)=0,886*63=55,818кг/ч.
12. Количество образовавшейся воды:
V (H>2>O>(1)>)= V (C>6>H>5>NO>2>)=0,556кмоль/ч;
V (H>2>O>(2)>)= V (C>6>H>5>NO>2>)=0,008кмоль/ч;
m(H>2>O>(1)>)=0,556*18=10,008кг/ч;
m(H>2>O>(2)>)=0,008*18=0,144кг/ч.
Технологические и технико-экономические показатели процесса
1. Пропускная способность установки по всем видам сырья: 570,776кг/ч.
2. Конверсия по бензолу: 40%.
3. Фактический выход нитробензола:
Q>ф>= m(C>6>H>5>NO>2>)=67,404кг/ч;
4. Теоретический выход нитробензола:
Mr(C>6>H>6>) - Mr(C>6>H>5>NO>2>)
m>техн>(C>6>H>6>) - Q>т>
78 - 123
114,155 - Q>т>
Q>т>=114,155*123/78=180,014кг/ч;
5. Выход нитробензола на поданный бензол:
β= Q>ф>/Q>т>*100%=67,404/180,014*100%=37,44%.
6. Теоретический выход нитробензола на превращенный бензол:
Mr(C>6>H>6>) - Mr(C>6>H>5>NO>2>)
m>пр>(C>6>H>6>) - Q>т>
78 - 123
43,368 - Q>т>’
Q>т>’=43,368*123/78=68,388кг/ч;
7. Выход нитробензола на превращенный бензол:
β’= Q>ф>/Q>т>’*100%=67,404/68,388*100%=98,56%.
8. Расходные коэффициенты по сырью:
теоретические:
по бензолу:
γ>C6H6>т= Mr(C>6>H>6>)/ Mr(C>6>H>5>NO>2>)=78/123=0,634кмоль/кмоль;
по азотной кислоте:
γ>C6H6>т= Mr(HNO>3>)/ Mr(C>6>H>5>NO>2>)=63/123=0,512кмоль/кмоль;
фактические:
по бензолу:
γ>C6H6>ф= m>техн>(C>6>H>6>)/ m(C>6>H>5>NO>2>)=114,155/67,404=1,694кг/кг;
по азотной кислоте:
γ>C6H6>ф= m>техн>(HNO>3>)/ m(C>6>H>5>NO>2>)=456,62/67,404=6,77кг/кг;
Список литературы
1. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., «Химия», 2005, 736 с.
2. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. М.: «Химия», 2008, 846 с.
3. Общая химическая технология / Под ред. А.Г. Амелина. М.: «Химия», 2007, 400 с.
4. Расчеты химико-технологических процессов / Под ред. И.П. Мухленова. Л.:Химия, 2008, 300 с.