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
C6
H6
+HNO3
→C6
H5
NO2
+H2
O
C6
H5
NO2
+HNO3
→C6
H4
(NO2
)2
+H2
O
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% H2
SO4
, 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
Nа2
СО3
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.
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
C6
H6
+HNO3
→C6
H5
NO2
+H2
O
C6
H5
NO2
+HNO3
→C6
H4
(NO2
)2
+H2
O
Схема потоков:
C6
H6
; HNO3
; H2
SO4
; H2
O; C6
H6
; HNO3
; H2
SO4
; H2
O; C6
H5
NO2
;
примесь C6
H6
; примесь C6
H6
; C6
H4
(NO2
)2
;
Mr(C6
H6
)=12*6+6=78кг/кмоль;
Mr(HNO3
)=1+14+16*3=63кг/кмоль;
Mr(H2
SO4
)=1*2+32+16*4=98кг/кмоль;
Mr(C6
H5
NO2
)=12*6+5+14+16*2=123кг/кмоль;
Mr(C6
H4
(NO2
)2
)=12*6+4+14*2+16*4=168кг/кмоль;
Mr(H2
O)=12+16=18кг/кмоль.
| Приход | Расход | |||
| кг/ч | кмоль/ч | кг/ч | кмоль/ч | |
| C6
H6 |
113,014 | 1,449 | 65,13+4,521 | 0,835+0,058 |
| HNO3
|
91,324 | 1,45 | 55,818 | 0,886 |
| примесь C6
H6 |
1,141 | - | 1,141 | - |
| H2
SO4 |
272,146 | 2,777 | 272,146 | 2,777 |
| H2
O’ |
93,151 | 5,175 | 93,151 | 5,175 |
| C6
H5 NO2 |
- | - | 67,404 | 0,548 |
| C6
H4 (NO2 )2 |
- | - | 1,368 | 0,008 |
| H2
O(1) |
- | - | 10,008 | 0,556 |
| H2
O(2) |
- | - | 0,144 | 0,008 |
| Сумма: | Σ1
=570,776 |
Σ2
=570,831 |
||
1. mтехн
(C6
H6
)=1000*1000/365/24=114,155кг/ч;
2. mчист
(C6
H6
)=114,155*0,99=113,014кг/ч;
Vчист
(C6
H6
)=113,014/78=1,449кмоль/ч;
mприм
(C6
H6
)=114,155-113,014=1,141кг/ч.
3. Потери бензола 4% масс.:
mп
(C6
H6
)=113,014*0,04=4,521кг/ч;
Vп
(C6
H6
)=4,521/78=0,058кмоль/ч;
m (C6
H6
)=113,014-4,521=108,493кг/ч;
V (C6
H6
)=108,493/78=1,391кмоль/ч.
4. Полученного в целевой реакции нитробензола:
V (C6
H5
NO2
)= Vпр
(C6
H6
), где Vпр
(C6
H6
) –
количество прореагировавшего бензола;
Vпр
(C6
H6
)=1,391*0,4=0,556кмоль/ч;
mпр
(C6
H6
)=0,556*78=43,368кг/ч;
m (C6
H5
NO2
)=0,556*123=68,388кг/ч.
5. Количество денитробензола от количества нитробензола 2% масс.:
m (C6
H4
(NO2
)2
)=68,388*0,02=1,368кг/ч;
V (C6
H4
(NO2
)2
)=1,368/168=0,008кмоль/ч.
6. Количество прореагировавшего нитробензола:
Vпр
(C6
H5
NO2
)= V (C6
H4
(NO2
)2
)=0,008 кмоль/ч;
Vост
(C6
H5
NO2
)= V- Vпр
=0,556-0,08=0,548кмоль/час;
mост
(C6
H5
NO2
)=0,548*123=67,404кг/ч.
7. Не прореагировавший бензол:
Vост
(C6
H6
)= V- Vпр
=1,391-0,556=0,835кмоль/ч;
mост
(C6
H6
)=0,835*78=65,13кг/ч.
8. Общее количество нитрирующей смеси, поданной в реакцию:
m(смесь)= 4*mтехн
(C6
H6
)=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(H2
SO4
)=456,62*0,596=272,146кг/ч;
V(H2
SO4
)=272,146/98=2,777кмоль/ч;
m(H2
O')=456,62*0,204=93,151кг/ч;
V(H2
O')=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
(C6
H5
NO2
)=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 (H2
O(1)
)= V (C6
H5
NO2
)=0,556кмоль/ч;
V (H2
O(2)
)= V (C6
H5
NO2
)=0,008кмоль/ч;
m(H2
O(1)
)=0,556*18=10,008кг/ч;
m(H2
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:
Qф
= m(C6
H5
NO2
)=67,404кг/ч;
4. Теоретический выход нитробензола:
Mr(C6
H6
) - Mr(C6
H5
NO2
)
mтехн
(C6
H6
) - 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(C6
H6
) - Mr(C6
H5
NO2
)
mпр
(C6
H6
) - 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:
γC6H6
т
= Mr(C6
H6
)/ Mr(C6
H5
NO2
)=78/123=0,634кмоль/кмоль;
по азотной кислоте:
γC6H6
т
= Mr(HNO3
)/ Mr(C6
H5
NO2
)=63/123=0,512кмоль/кмоль;
фактические:
по бензолу:
γC6H6
ф
= mтехн
(C6
H6
)/ m(C6
H5
NO2
)=114,155/67,404=1,694кг/кг;
по азотной кислоте:
γC6H6
ф
= mтехн
(HNO3
)/ m(C6
H5
NO2
)=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.