Министерство Образования и Науки РФ
Казанский ГосударственныйТехнологический Университет
Кафедра общей химической технологии
КУРСОВАЯ РАБОТА
по предмету: Технология химическихпроизводств
на тему:
Технология производстванитробензола
Казань 2008
Задание
1. Составить и описатьтехнологическую схему производства нитробензола
2. Составить материальный баланспроцесса
3. Рассчитать технологические итехнико-экономические показатели
В основу расчета принять следующиереакции
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
Производствонитробензола
Нитробензол (темп, пл, +5,7°, темп. кип.210,9°) представляет собой нерастворимую в воде желтоватую жидкость с запахомгорького миндаля; ядовит, как все нитросоединения.
Впервые нитрование бензола было осуществленоМитчерлихом. В промышленности оно было начато в 1847 г.
Нитрующую смесь для нитрования бензоладо нитробензола составляли с таким расчетом, чтобы количество азотной кислотылишь немного превышало теоретическое, а серную кислоту берут в таком количествечтобы к концу процесса нитрования в отработанной кисоте содеожолсь около 70%
Нитрование проводится при 40°. Повышениетемпературы способствует образованию динитробензола.
Процесс нитрования можно проводить попериодической, и по непрерывной схеме.
При периодической процесс начинают снаполнения нитратора бензолом затем включают печку, подогревают бензол до 40 —45° и постепенно вводят нитрующую смесь, регулируя поступление и охлаждениенитратора водой таким образом, чтобы поддерживать температуру процесса около40°.
Закончив приливание нитрующей смеси,прекращают охлаждение и дают температуре подняться до 50°. При низкой температуресодержимое нитратора «выдерживают» около 1 часа, втечение этого времени реакциянитрования почти полностью заканчивается; остается всего около 1% непрореагировавшегобензола. После выдержки содержимое нитратора сливают или передавливают всифонную трубку в отстойник-сепаратор, представляющий собой цилиндрическийаппарат с коническим дном и мешалкой. В отстойнике продукты нитрованияразделяются на два слоя: верхний— нитрообензольный и нижний—кислотный. Изотстойника отработанная кислота. содержащая 70—72% H2SO4,небольшое количество окисленных продуктов, окислов азота и растворенного иэмульгированного бензола, поступает в сборник. Сырой нитробензол промывают вотстойнике несколько раз холодной водой, а затем раствором соды.
Рисунок1.Типовая схема процесса получения нитросоединений. /> /> /> /> /> /> />
Исходное
вещество
H2SO4
HNO3 />
/>/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> Нитрирующая смесь
/>
отработанная Кислый
кислота нитропродукт/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
/> Исходное Промытая
/>/> вещество и отработ.
нитропродукт кислота
На денитрацию
Промывка и концентрирование
/>/>вода/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
раствор
Nа2СО3 Промывные воды
Нитропродукт
На крупных установках нитробензолполучают непрерывным методом. В процессах непрерывного нитрирования бензолаприменяются нитраторы различных систем. Простотой, надежностью конструкцииотличается нитратор с вертикальной циркуляцией реакционной массы (рисунок 2).
Такой нитратор представляет собойчугунный, или выполненный кислотоупорной стали котел с змеевиками ибыстроходной пропеллерной мешалкой, помещенной внутри направляющеговертикального стального цилиндра. Бензол и нитрующая смесь непрерывно поступаютчерез 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 частинитратора.
Рисунок 2. Нитратор непрерывного действия.
/>
Для доведения реакции нитробензола доконца выходящую из нитратора реакционную смесь будут дополнительно выдерживатьв цилиндрическом резервуаре с мешалкой (дозреватель). Остальные процессыотстаивание и промывка сырого нитробензола—также легко осуществляются понепрерывкой 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; примесьC6H6; 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 реакциинитробензола:
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 отколичества 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 прореагировавшегонитробензола:
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 азотнойкислоты:
V0(HNO3)= V1 –V2, где V1 — прореагировало с образованием целевогопродукта – 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-экономическиепоказатели процесса
1. Пропускная способность установки повсем 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 поданныйбензол:
β= Qф/Qт*100%=67,404/180,014*100%=37,44%.
6. Теоретический выход нитробензола напревращенный 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 превращенныйбензол:
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 технологияосновного органического и нефтехимического синтеза. Изд. 2-е, пер. М., «Химия»,2005, 736 с.
2. Юкельсон И.И. Технологияосновного органического синтеза. М.: «Химия», 2008, 846 с.
3. Общая химическая технология / Подред. А.Г. Амелина. М.: «Химия», 2007, 400 с.
4. Расчеты химико-технологическихпроцессов / Под ред. И.П. Мухленова. Л.: Химия, 2008, 300 с.