Технология производства нитробензола Министерство Образования и Науки РФ Казанский Государственный Технологический Университет Кафедра общей химической технологии 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 C6 H6 +HNO3 →C6 H5 NO2 +H2 O C6 H5 NO2 +HNO3 →C6 H4 (NO2 )2 +H2 O 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% H2 SO4 , 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. Исходное вещество H2 SO4 HNO3 Нитрирующая смесь отработанная Кислый кислота нитропродукт Исходное Промытая вещество и отработ. нитропродукт кислота На денитрацию Промывка и концентрирование вода раствор Nа2 СО3 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 C6 H6 +HNO3 →C6 H5 NO2 +H2 O C6 H5 NO2 +HNO3 →C6 H4 (NO2 )2 +H2 O Схема потоков: C6 H6 ; HNO3 ; H2 SO4 ; H2 O; C6 H6 ; HNO3 ; H2 SO4 ; H2 O; C6 H5 NO2 ; примесь C6 H6 ; примесь C6 H6 ; C6 H4 (NO2 )2 ; Mr(C6 H6 )=12*6+6=78кг/кмоль; Mr(HNO3 )=1+14+16*3=63кг/кмоль; Mr(H2 SO4 )=1*2+32+16*4=98кг/кмоль; Mr(C6 H5 NO2 )=12*6+5+14+16*2=123кг/кмоль; Mr(C6 H4 (NO2 )2 )=12*6+4+14*2+16*4=168кг/кмоль; Mr(H2 O)=12+16=18кг/кмоль. Приход Расход кг/ч кмоль/ч кг/ч кмоль/ч C6 H6 113,014 1,449 65,13+4,521 0,835+0,058 HNO3 91,324 1,45 55,818 0,886 примесь C6 H6 1,141 - 1,141 - H2 SO4 272,146 2,777 272,146 2,777 H2 O’ 93,151 5,175 93,151 5,175 C6 H5 NO2 - - 67,404 0,548 C6 H4 (NO2 )2 - - 1,368 0,008 H2 O(1) - - 10,008 0,556 H2 O(2) - - 0,144 0,008 Сумма: Σ1 =570,776 Σ2 =570,831 1. mтехн (C6 H6 )=1000*1000/365/24=114,155кг/ч; 2. mчист (C6 H6 )=114,155*0,99=113,014кг/ч; Vчист (C6 H6 )=113,014/78=1,449кмоль/ч; mприм (C6 H6 )=114,155-113,014=1,141кг/ч. 3. Потери бензола 4% масс.: mп (C6 H6 )=113,014*0,04=4,521кг/ч; Vп (C6 H6 )=4,521/78=0,058кмоль/ч; m (C6 H6 )=113,014-4,521=108,493кг/ч; V (C6 H6 )=108,493/78=1,391кмоль/ч. 4. Полученного в целевой реакции нитробензола: V (C6 H5 NO2 )= Vпр (C6 H6 ), где Vпр (C6 H6 ) – количество прореагировавшего бензола; Vпр (C6 H6 )=1,391*0,4=0,556кмоль/ч; mпр (C6 H6 )=0,556*78=43,368кг/ч; m (C6 H5 NO2 )=0,556*123=68,388кг/ч. 5. Количество денитробензола от количества нитробензола 2% масс.: m (C6 H4 (NO2 )2 )=68,388*0,02=1,368кг/ч; V (C6 H4 (NO2 )2 )=1,368/168=0,008кмоль/ч. 6. Количество прореагировавшего нитробензола: Vпр (C6 H5 NO2 )= V (C6 H4 (NO2 )2 )=0,008 кмоль/ч; Vост (C6 H5 NO2 )= V- Vпр =0,556-0,08=0,548кмоль/час; mост (C6 H5 NO2 )=0,548*123=67,404кг/ч. 7. Не прореагировавший бензол: Vост (C6 H6 )= V- Vпр =1,391-0,556=0,835кмоль/ч; mост (C6 H6 )=0,835*78=65,13кг/ч. 8. Общее количество нитрирующей смеси, поданной в реакцию: m(смесь)= 4*mтехн (C6 H6 )=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(H2 SO4 )=456,62*0,596=272,146кг/ч; V(H2 SO4 )=272,146/98=2,777кмоль/ч; m(H2 O')=456,62*0,204=93,151кг/ч; V(H2 O')=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 (C6 H5 NO2 )=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 (H2 O(1) )= V (C6 H5 NO2 )=0,556кмоль/ч; V (H2 O(2) )= V (C6 H5 NO2 )=0,008кмоль/ч; m(H2 O(1) )=0,556*18=10,008кг/ч; m(H2 O(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(C6 H5 NO2 )=67,404кг/ч; 4. Теоретический выход нитробензола: Mr(C6 H6 ) - Mr(C6 H5 NO2 ) mтехн (C6 H6 ) - 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(C6 H6 ) - Mr(C6 H5 NO2 ) mпр (C6 H6 ) - 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: γC6H6 т = Mr(C6 H6 )/ Mr(C6 H5 NO2 )=78/123=0,634кмоль/кмоль; по азотной кислоте: γC6H6 т = Mr(HNO3 )/ Mr(C6 H5 NO2 )=63/123=0,512кмоль/кмоль; фактические: по бензолу: γC6H6 ф = mтехн (C6 H6 )/ m(C6 H5 NO2 )=114,155/67,404=1,694кг/кг; по азотной кислоте: γC6H6 ф = mтехн (HNO3 )/ m(C6 H5 NO2 )=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.