Технология производства нитробензола
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. Министерство Образования и Науки РФ Казанский Государственный Технологический Университет Кафедра общей химической технологии КУРСОВАЯ РАБОТА по предмету: Технология химических… Читать ещё >
Технология производства нитробензола (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
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: | ||
Конверсия бензола % Концентрация бензола % масс | ||
Состав нитрующей смеси % масс 1. азотная кислота 2. серная кислота 3. вода | 59.6 20.4 | |
Массовое соотношение бензол: нитрирующая смесь | 1:4 | |
Потери бензола % масс Количество денитробензола, % масс, от количества нитробензола | ||
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. mтехн(C6H6)=1000*1000/365/24=114,155кг/ч;
2. mчист(C6H6)=114,155*0,99=113,014кг/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)= VVпр=0,556−0,08=0,548кмоль/час;
mост(C6H5NO2)=0,548*123=67,404кг/ч.
7. Не прореагировавший бензол:
Vост(C6H6)= VVпр=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:
в= 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:
в'= Qф/Qт'*100%=67,404/68,388*100%=98,56%.
8. Расходные коэффициенты по сырью:
теоретические:
по бензолу:
гC6H6т= Mr (C6H6)/ Mr (C6H5NO2)=78/123=0,634кмоль/кмоль;
по азотной кислоте:
гC6H6т= Mr (HNO3)/ Mr (C6H5NO2)=63/123=0,512кмоль/кмоль;
фактические:
по бензолу:
гC6H6ф= mтехн(C6H6)/ m (C6H5NO2)=114,155/67,404=1,694кг/кг;
по азотной кислоте:
гC6H6ф= mтехн(HNO3)/ m (C6H5NO2)=456,62/67,404=6,77кг/кг;
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.