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
1.
Составить и описать
технологическую схему производства нитробензола
2.
Составить материальный баланс
процесса
3.
Рассчитать технологические и
технико-экономические показатели
В основу расчета принять следующие
реакции
C6H6+HNO3→C6H5NO2+H2O
C6H5NO2+HNO3→C6H4(NO2)2+H2O
Исходные данные:
Пропускная
способность установки по бензолу,т/год:
|
1000
|
Конверсия
бензола %
Концентрация
бензола % масс
|
40
99
|
Состав нитрующей
смеси % масс
1.
азотная кислота
2.
серная кислота
3.
вода
|
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% H2SO4,
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.
Нитрирующая смесь
отработанная
Кислый
кислота
нитропродукт
Исходное Промытая
вещество и
отработ.
нитропродукт
кислота
На денитрацию
и концентрирование
вода
раствор
Nа2СО3
Промывные воды
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.
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
C6H6+HNO3→C6H5NO2+H2O
C6H5NO2+HNO3→C6H4(NO2)2+H2O
Схема потоков:
C6H6; HNO3; H2SO4; H2O;
C6H6; HNO3; H2SO4; H2O;
C6H5NO2;
примесь C6H6; примесь
C6H6; C6H4(NO2)2;
Mr(C6H6)=12*6+6=78кг/кмоль;
Mr(HNO3)=1+14+16*3=63кг/кмоль;
Mr(H2SO4)=1*2+32+16*4=98кг/кмоль;
Mr(C6H5NO2)=12*6+5+14+16*2=123кг/кмоль;
Mr(C6H4(NO2)2)=12*6+4+14*2+16*4=168кг/кмоль;
Mr(H2O)=12+16=18кг/кмоль.
|
Приход
|
Расход
|
кг/ч
|
кмоль/ч
|
кг/ч
|
кмоль/ч
|
C6H6
|
113,014
|
1,449
|
65,13+4,521
|
0,835+0,058
|
HNO3
|
91,324
|
1,45
|
55,818
|
0,886
|
примесь C6H6
|
1,141
|
-
|
1,141
|
-
|
H2SO4
|
272,146
|
2,777
|
272,146
|
2,777
|
H2O’
|
93,151
|
5,175
|
93,151
|
5,175
|
C6H5NO2
|
-
|
-
|
67,404
|
0,548
|
C6H4(NO2)2
|
-
|
-
|
1,368
|
0,008
|
H2O(1)
|
-
|
-
|
10,008
|
0,556
|
H2O(2)
|
-
|
-
|
0,144
|
0,008
|
Сумма:
|
Σ1=570,776
|
Σ2=570,831
|
1. mтехн(C6H6)=1000*1000/365/24=114,155кг/ч;
Vчист(C6H6)=113,014/78=1,449кмоль/ч;
mприм(C6H6)=114,155-113,014=1,141кг/ч.
3. Потери бензола 4% масс.:
mп(C6H6)=113,014*0,04=4,521кг/ч;
Vп(C6H6)=4,521/78=0,058кмоль/ч;
m (C6H6)=113,014-4,521=108,493кг/ч;
V (C6H6)=108,493/78=1,391кмоль/ч.
4. Полученного в целевой реакции
нитробензола:
V (C6H5NO2)=
Vпр(C6H6), где Vпр(C6H6)
–
количество прореагировавшего бензола;
Vпр(C6H6)=1,391*0,4=0,556кмоль/ч;
mпр(C6H6)=0,556*78=43,368кг/ч;
m (C6H5NO2)=0,556*123=68,388кг/ч.
5. Количество денитробензола от
количества нитробензола 2% масс.:
m (C6H4(NO2)2)=68,388*0,02=1,368кг/ч;
V (C6H4(NO2)2)=1,368/168=0,008кмоль/ч.
6. Количество прореагировавшего
нитробензола:
Vпр(C6H5NO2)=
V (C6H4(NO2)2)=0,008 кмоль/ч;
Vост(C6H5NO2)=
V- Vпр=0,556-0,08=0,548кмоль/час;
mост(C6H5NO2)=0,548*123=67,404кг/ч.
7. Не прореагировавший бензол:
Vост(C6H6)=
V- Vпр=1,391-0,556=0,835кмоль/ч;
mост(C6H6)=0,835*78=65,13кг/ч.
8. Общее количество нитрирующей смеси,
поданной в реакцию:
m(смесь)= 4*mтехн(C6H6)=4*114,155=456,62кг/ч.
9. Состав нитрирующей смеси:
mвсего(HNO3)=456,62*0,2=91,324кг/ч;
Vвсего(HNO3)=91,324/63=1,45кмоль/ч;
m(H2SO4)=456,62*0,596=272,146кг/ч;
V(H2SO4)=272,146/98=2,777кмоль/ч;
m(H2O')=456,62*0,204=93,151кг/ч;
V(H2O')=93,151/18=5,175кмоль/ч.
10. Количество прореагировавшей азотной
кислоты:
V0(HNO3)= V1 –
V2, где V1- прореагировало с образованием целевого
продукта – нитробензола, V2 – на побочную реакцию.
V2(HNO3)= Vпр(C6H5NO2)=0,008кмол/ч;
V0(HNO3)=0,556+0,008=0,564кмоль/ч;
11. Не прореагировало азотной кислоты:
Vост(HNO3)= V
– V0=1,45-0,564=0,886кмоль/ч;
mост(HNO3)=0,886*63=55,818кг/ч.
12. Количество образовавшейся воды:
V (H2O(1))= V (C6H5NO2)=0,556кмоль/ч;
V (H2O(2))= V (C6H5NO2)=0,008кмоль/ч;
m(H2O(1))=0,556*18=10,008кг/ч;
m(H2O(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:
Qф= m(C6H5NO2)=67,404кг/ч;
4. Теоретический выход нитробензола:
Mr(C6H6) - Mr(C6H5NO2)
mтехн(C6H6)
- Qт
78 - 123
114,155 - Qт
Qт=114,155*123/78=180,014кг/ч;
5. Выход нитробензола на поданный
бензол:
β= Qф/Qт*100%=67,404/180,014*100%=37,44%.
6. Теоретический выход нитробензола на
превращенный бензол:
Mr(C6H6) - Mr(C6H5NO2)
mпр(C6H6)
- Qт
78 - 123
43,368 - Qт’
Qт’=43,368*123/78=68,388кг/ч;
7. Выход нитробензола на превращенный
бензол:
β’= Qф/Qт’*100%=67,404/68,388*100%=98,56%.
8. Расходные коэффициенты по сырью:
теоретические:
по бензолу:
γC6H6т= Mr(C6H6)/
Mr(C6H5NO2)=78/123=0,634кмоль/кмоль;
γC6H6т=
Mr(HNO3)/ Mr(C6H5NO2)=63/123=0,512кмоль/кмоль;
фактические:
по бензолу:
γC6H6ф= mтехн(C6H6)/
m(C6H5NO2)=114,155/67,404=1,694кг/кг;
по азотной кислоте:
γC6H6ф= mтехн(HNO3)/
m(C6H5NO2)=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.