Міністерство Освіти і Науки РФ
Казанський Державний Технологічний Університет
Кафедра загальної хімічної технології
Курсова робота
на уроках: Технологія хімічних виробництв
на тему:
Технологія виробництва нітробензолу
Казань 2008
Завдання
Скласти і описати технологічну схему виробництва нітробензолу
Скласти матеріальний баланс процесу
Розрахувати технологічні і техніко-економічні показники
В основу розрахунку прийняти такі реакції
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
Вихідні дані:
Пропускна здатність установки по бензолу, т / рік: | 1000 |
Конверсія бензолу% Концентрація бензолу% мас | 40 99 |
Склад нітруючою суміші% мас
| 20 59.6 20.4 |
Масове співвідношення бензол: нітрірующая суміш | 1:4 |
Втрати бензолу% мас Кількість денітробензола,% мас, від кількості нітробензолу | 4 2 |
Теоретична частина
Виробництво нітробензолу
Нітробензол (темп, пл, +5,7 °, темп. Кип. 210,9 °) представляє собою нерозчинну у воді жовтуватою рідиною із запахом гіркого мигдалю; отруйний, як всі нітросполуки.
Вперше нітрування бензолу було здійснено Мітчерліхом. У промисловості воно було розпочато в 1847 р.
Нітруючою суміш для нітрування бензолу до нітробензолу складали з таким розрахунком, щоб кількість азотної кислоти лише трохи перевищувала теоретичне, а сірчану кислоту беруть у такій кількості щоб до кінця процесу нітрування у відпрацьованій кисоту содеожолсь близько 70%
Нітрування проводиться при 40 °. Підвищення температури сприяє утворенню динітробензолу.
Процес нітрування можна проводити з періодичної, і по безперервній схемі.
При періодичної процес починають з наповнення нітратора бензолом потім включають грубку, підігрівають бензол до 40 - 45 ° і поступово вводять нітруючою суміш, регулюючи надходження та охолодження нітратора водою таким чином, щоб підтримувати температуру процесу близько 40 °.
Закінчивши пріліваніем нітруючою суміші, припиняють охолодження і дають температурі піднятися до 50 °. При низькій температурі вміст нітратора «витримують» близько 1 години, втечение цього часу реакція нітрування майже повністю закінчується; залишається всього біля 1% непрореагировавшего бензолу. Після витримки вміст нітратора зливають або передавлюють в сифонну трубку в відстійник-сепаратор, який представляє собою циліндричний апарат з конічним дном і мішалкою. У відстійнику продукти нітрування розділяються на два шари: верхній-нітрообензольний і нижній-кислотний. З відстійника відпрацьована кислота. містить 70-72% H 2 SO 4, невелика кількість окислених продуктів, окислів азоту та розчиненого і емульгованому бензолу, надходить до збірника. Сирий нітробензол промивають у відстійнику кілька разів холодною водою, а потім розчином соди.
Малюнок 1.Типовий схема процесу одержання нітросполук.
Нітрірующая суміш
відпрацьована Кислий
кислота нітропродукт
Початкове Промита
речовина і отработ.
нітропродукт кислота
На денітрації
і концентрування
вода
розчин
Nа 2 СО 3 Промивні води
На великих установках нітробензол отримують безперервним методом. У процесах безперервного нітрування бензолу застосовуються нітратори різних систем. Простотою, надійністю конструкції відрізняється нітратор з вертикальною циркуляцією реакційної маси (малюнок 2).
Такий нітратор представляє собою чавунний, або виконаний кислототривкої сталі котел з змійовиками і швидкохідної пропелерною мішалкою, вміщеній всередині направляючого вертикального сталевого циліндра. Бензол і нітрит суміш безперервно надходять через трубки в центральну частину нітратора змішуються з його змістом, ковзають знизу вгору, омиваючи змійовики, а потім зверху вниз через напрямний циліндр. Надлишок реакційної суміші безперервно відводиться з штуцера у верхній частині нітратора.
Малюнок 2. Нітратор безперервної дії.
Для доведення реакції нітробензолу до кінця виходить з нітратора реакційну суміш будуть додатково витримувати в циліндричному резервуарі з мішалкою (дозреватель). Решта процеси відстоювання і промивка сирого нітробензолу-також легко здійснюються за непереривку схемою.
Матеріальний 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 потоків:
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;
домішка C 6 H 6; домішка 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.
Прихід | Витрата | |||
кг / год | кмоль / год | кг / год | кмоль / год | |
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 |
домішка 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 |
Сума: | Σ 1 = 570,776 | Σ 2 = 570,831 |
1. m техн (C 6 H 6) = 1000 * 1000/365/24 = 114,155 кг / год;
2. m чистий (C 6 H 6) = 114,155 * 0,99 = 113,014 кг / год;
V чистий (C 6 H 6) = 113,014 / 78 = 1,449 кмоль / год;
m прим (C 6 H 6) = 114,155-113,014 = 1,141 кг / ч.
3. Втрати бензолу 4% мас.:
m п (C 6 H 6) = 113,014 * 0,04 = 4,521 кг / год;
V п (C 6 H 6) = 4,521 / 78 = 0,058 кмоль / год;
m (C 6 H 6) = 113,014-4,521 = 108,493 кг / год;
V (C 6 H 6) = 108,493 / 78 = 1,391 кмоль / ч.
4. Отриманого в цільової реакції нітробензолу:
V (C 6 H 5 NO 2) = V пр (C 6 H 6), де V пр (C 6 H 6) -
кількість прореагировавшего бензолу;
V пр (C 6 H 6) = 1,391 * 0,4 = 0,556 кмоль / год;
m пр (C 6 H 6) = 0,556 * 78 = 43,368 кг / год;
m (C 6 H 5 NO 2) = 0,556 * 123 = 68,388 кг / ч.
5. Кількість денітробензола від кількості нітробензолу 2% мас.:
m (C 6 H 4 (NO 2) 2) = 68,388 * 0,02 = 1,368 кг / год;
V (C 6 H 4 (NO 2) 2) = 1,368 / 168 = 0,008 кмоль / ч.
6. Кількість прореагировавшего нітробензолу:
V пр (C 6 H 5 NO 2) = V (C 6 H 4 (NO 2) 2) = 0,008 кмоль / год;
V ост (C 6 H 5 NO 2) = V-V пр = 0,556-0,08 = 0,548 кмоль / год;
m ост (C 6 H 5 NO 2) = 0,548 * 123 = 67,404 кг / ч.
7. Чи не прореагировавших бензол:
V ост (C 6 H 6) = V-V пр = 1,391-0,556 = 0,835 кмоль / год;
m ост (C 6 H 6) = 0,835 * 78 = 65,13 кг / ч.
8. Загальна кількість нітрірующей суміші, поданої у реакцію:
m (суміш) = 4 * m техн (C 6 H 6) = 4 * 114,155 = 456,62 кг / ч.
9. Склад нітрірующей суміші:
m всього (HNO 3) = 456,62 * 0,2 = 91,324 кг / год;
V всього (HNO 3) = 91,324 / 63 = 1,45 кмоль / год;
m (H 2 SO 4) = 456,62 * 0,596 = 272,146 кг / год;
V (H 2 SO 4) = 272,146 / 98 = 2,777 кмоль / год;
m (H 2 O ') = 456,62 * 0,204 = 93,151 кг / год;
V (H 2 O ') = 93,151 / 18 = 5,175 кмоль / ч.
10. Кількість прореагованою азотної кислоти:
V 0 (HNO 3) = V 1 - V 2, де V 1 - прореагувало з утворенням цільового продукту - нітробензолу, V 2 - на побічну реакцію.
V 2 (HNO 3) = V пр (C 6 H 5 NO 2) = 0,008 кмоль / год;
V 0 (HNO 3) = 0,556 +0,008 = 0,564 кмоль / год;
11. Не прореагувало азотної кислоти:
V ост (HNO 3) = V - V 0 = 1,45-0,564 = 0,886 кмоль / год;
m ост (HNO 3) = 0,886 * 63 = 55,818 кг / ч.
12. Кількість утворилася води:
V (H 2 O (1)) = V (C 6 H 5 NO 2) = 0,556 кмоль / год;
V (H 2 O (2)) = V (C 6 H 5 NO 2) = 0,008 кмоль / год;
m (H 2 O (1)) = 0,556 * 18 = 10,008 кг / год;
m (H 2 O (2)) = 0,008 * 18 = 0,144 кг / ч.
Технологічні та техніко-економічні показники процесу
1. Пропускна здатність установки по всіх видах сировини: 570,776 кг / ч.
2. Конверсія по бензолу: 40%.
3. Фактичний вихід нітробензолу:
Q ф = m (C 6 H 5 NO 2) = 67,404 кг / год;
4. Теоретичний вихід нітробензолу:
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 = 180,014 кг / год;
5. Вихід нітробензолу на поданий бензол:
β = Q ф / Q т * 100% = 67,404 / 180,014 * 100% = 37,44%.
6. Теоретичний вихід нітробензолу на перетворений 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 = 68,388 кг / год;
7. Вихід нітробензолу на перетворений бензол:
β '= Q ф / Q т' * 100% = 67,404 / 68,388 * 100% = 98,56%.
8. Витратні коефіцієнти по сировині:
теоретичні:
по бензолу:
γ C6H6 т = Mr (C 6 H 6) / Mr (C 6 H 5 NO 2) = 78/123 = 0,634 кмоль / кмоль;
по азотної кислоти:
γ C6H6 т = Mr (HNO 3) / Mr (C 6 H 5 NO 2) = 63/123 = 0,512 кмоль / кмоль;
фактичні:
по бензолу:
γ C6H6 ф = m техн (C 6 H 6) / m (C 6 H 5 NO 2) = 114,155 / 67,404 = 1,694 кг / кг;
по азотної кислоти:
γ C6H6 ф = m техн (HNO 3) / m (C 6 H 5 NO 2) = 456,62 / 67,404 = 6,77 кг / кг;
Список літератури
1. Лебедєв М.М. Хімія і технологія основного органічного і нафтохімічного синтезу. Вид. 2-е, пров. М., «Хімія», 2005, 736 с.
2. Юкельсон І.І. Технологія основного органічного синтезу. М.: «Хімія», 2008, 846 с.
3. Загальна хімічна технологія / Под ред. А.Г. Амеліна. М.: «Хімія», 2007, 400 с.
4. Розрахунки хіміко-технологічних процесів / Под ред. І.П. Мухленова. Л.: Хімія, 2008, 300 с.