Технология производства нитробензола

10

13

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.

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

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:	У1=570,776	У2=570,831

1. m_техн(C₆H₆)=1000*1000/365/24=114,155кг/ч;

2. m_чист(C₆H₆)=114,155*0,99=113,014кг/ч;

V_чист(C₆H₆)=113,014/78=1,449кмоль/ч;

m_прим(C₆H₆)=114,155-113,014=1,141кг/ч.

3. Потери бензола 4% масс.:

m_п(C₆H₆)=113,014*0,04=4,521кг/ч;

V_п(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)= V_пр(C₆H₆), где V_пр(C₆H₆) -

количество прореагировавшего бензола;

V_пр(C₆H₆)=1,391*0,4=0,556кмоль/ч;

m_пр(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:

V_пр(C₆H₅NO₂)= V (C₆H₄(NO₂)₂)=0,008 кмоль/ч;

V_ост(C₆H₅NO₂)= V- V_пр=0,556-0,08=0,548кмоль/час;

m_ост(C₆H₅NO₂)=0,548*123=67,404кг/ч.

7. Не прореагировавший бензол:

V_ост(C₆H₆)= V- V_пр=1,391-0,556=0,835кмоль/ч;

m_ост(C₆H₆)=0,835*78=65,13кг/ч.

8. Общее количество нитрирующей смеси, поданной в реакцию:

m(смесь)= 4*m_техн(C₆H₆)=4*114,155=456,62кг/ч.

9. Состав нитрирующей смеси:

m_всего(HNO₃)=456,62*0,2=91,324кг/ч;

V_всего(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)= V_пр(C₆H₅NO₂)=0,008кмол/ч;

V₀(HNO₃)=0,556+0,008=0,564кмоль/ч;

11. Не прореагировало азотной кислоты:

V_ост(HNO₃)= V - V₀=1,45-0,564=0,886кмоль/ч;

m_ост(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:

Q_ф= m(C₆H₅NO₂)=67,404кг/ч;

4. Теоретический выход нитробензола:

Mr(C₆H₆) - Mr(C₆H₅NO₂)

m_техн(C₆H₆) - Q_т

78 - 123

114,155 - Q_т

Q_т=114,155*123/78=180,014кг/ч;

5. Выход нитробензола на поданный бензол:

в= Q_ф/Q_т*100%=67,404/180,014*100%=37,44%.

6. Теоретический выход нитробензола на превращенный бензол:

Mr(C₆H₆) - Mr(C₆H₅NO₂)

m_пр(C₆H₆) - Q_т

78 - 123

43,368 - Q_т'

Q_т'=43,368*123/78=68,388кг/ч;

7. Выход нитробензола на превращенный бензол:

в'= Q_ф/Q_т'*100%=67,404/68,388*100%=98,56%.

8. Расходные коэффициенты по сырью:

теоретические:

по бензолу:

г_C6H6^т= Mr(C₆H₆)/ Mr(C₆H₅NO₂)=78/123=0,634кмоль/кмоль;

по азотной кислоте:

г_C6H6^т= Mr(HNO₃)/ Mr(C₆H₅NO₂)=63/123=0,512кмоль/кмоль;

фактические:

по бензолу:

г_C6H6^ф= m_техн(C₆H₆)/ m(C₆H₅NO₂)=114,155/67,404=1,694кг/кг;

по азотной кислоте:

г_C6H6^ф= m_техн(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.