Технология производства нитробензола

10



2



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



Составить и описать технологическую схему производства нитробензола

Составить материальный баланс процесса

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

	азотная кислота

	серная кислота

	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.



	

HNO3

H2SO4

Исходное 

вещество



		

	



Мешка кислот





            Нитрирующая смесь



    Нитрование





  Отстаивание





отработанная                                    Кислый

    кислота                                     нитропродукт





   Экстракция





   Исходное                                Промытая

 вещество и                                   отработ.

нитропродукт                                кислота



На денитрацию



Промывкаи концентрирование

вода



раствор

           Nа2СО3                                                                                                        Промывные воды

	

Нитропродукт                                                                                        

	

	

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:

	Σ1=570,776

	Σ2=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)= V- Vпр=0,556-0,08=0,548кмоль/час;

	mост(C6H5NO2)=0,548*123=67,404кг/ч.

	

	7. Не прореагировавший бензол:

	

	Vост(C6H6)= V- Vпр=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:

	

	β= 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:

	β’= Qф/Qт’*100%=67,404/68,388*100%=98,56%.

	

	8. Расходные коэффициенты по сырью:

	теоретические:

	по бензолу:

	

	γC6H6т= Mr(C6H6)/ Mr(C6H5NO2)=78/123=0,634кмоль/кмоль;

	

	по азотной кислоте:

	

	γC6H6т= Mr(HNO3)/ Mr(C6H5NO2)=63/123=0,512кмоль/кмоль;

	

	фактические:

	по бензолу:

	

	γC6H6ф= mтехн(C6H6)/ m(C6H5NO2)=114,155/67,404=1,694кг/кг;

	

	по азотной кислоте:

	
γC6H6ф= mтехн(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.