Технологія виробництва нітробензолу

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

1. Скласти і описати технологічну схему виробництва нітробензолу

2. Скласти матеріальний баланс процесу

3. 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:

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.

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.