Проектирование мастерской по производству 3, 5-динитробензойной кислоты мощностью 13 тонн/год

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ на тему:

Проектирование мастерской по производству 3,5-динитробензойной кислоты мощностью 13 тонн/год

• Введение
• 1. Аналитический обзор
• 2. Патентный поиск
• 3. Технологическая часть
• Описание технологической схемы
• Промывка
• Суточный материальный баланс
• Тепловой баланс
• Выбор и расчёт оборудования
• Определение поверхности теплообмена
• Определение средней разности температур между теплоносителем и реакционной массой
• 4. Основное оборудование
• 5. Строительная часть
• Генеральный план
• Объемно-планировочное решение
• Конструктивное решение
• Санитарно-техническое оборудование
• 6. Автоматизация и автоматизированные системы управления технологическим процессом (АСУ ТП)
• Обоснование необходимости контроля, регулирования и сигнализации
• Описание схемы автоматизации
• Спецификация на оборудование
• 7. Стандартизация
• 8. Охрана труда и окружающей среды
• Опасные и вредные производственные факторы, свойственные процессу получения динитробензойной кислоты
• Мероприятия, принятые в проекте для обеспечения безопасности технологического процесса
• Мероприятия, принятые в проекте для обеспечения безопасности технологического оборудования
• Организация пожаро — и взрывобезопасности проектируемого производства
• Мероприятия, предусмотренные в проекте для обеспечения нормальных санитарно-гигиенических условий производственной среды
• Охрана окружающей среды
• 9. Экономическая оценка проектных решений
• Организация производства
• Расчет сметной стоимости
• Расчёт численности работающих
• Расчет производительности труда
• Расчет фонда заработной платы работающих
• Расчет годового расхода электроэнергии
• Расчет сметы «Расходов на содержание и эксплуатацию оборудования»
• Расчет сметы «Общецеховые расходы»
• Расчет проектной себестоимости продукции
• Технико-экономические показатели и определение экономической эффективности проектируемого производства
• Выводы по проекту
• Список использованной литературы

Использование полинитроароматических соединений в органическом синтезе привлекает как доступностью исходного сырья, так и широкими синтетическими возможностями, обусловленными наличием нитрогрупп.

С одной стороны, полинитросоединения являются промышленно производимыми продуктами — производные нитробензола широко используются как взрывчатые вещества, так и промежуточные продукты в синтезе красителей.

Ароматические полинитросоединения, благодаря способности нитрогрупп к восстановлению и нуклеофильному замещению, а также возможности модификации других заместителей в цикле, представляют большую ценность в качестве субстратов в органическом синтезе. Например, ароматическая нитрогруппа оказывает активирующее, в силу своей электроноакцепторной природы, влияние на другие заместители в ароматическом кольце. В 2,4,6-тринитротолуоле благодаря наличию трех нитрогрупп становятся возможными реакции конденсации метильной группы с электрофильными агентами (альдегидами, нитрозосоединениями и др.).

Активированные ароматические нитрогруппы подвергаются замещению различными нуклеофилами, особенно легко протекает внутримолекулярная разновидность этой реакции, в которой нуклеофильная группа содержится в исходном субстрате. Реакция внутримолекулярной динитроциклизации открывает путь к синтезу различных конденсированных гетероциклов. Значительный интерес представляет синтез бензоконденсированных шести — и особенно семичленных гетероциклов, так как среди них имеется большое количество лекарственных веществ, в частности, регулирующие работу ЦНС — транквилизаторы, снотворные, антидепрессанты, нейролептики и т. п.

Продукты нитрования бензойной кислоты — моно — и динитробензойные кислоты — широко применяются в качестве полупродуктов в органическом синтезе, фармацевтике, фотохимии и химии красителей. В частности, 3,5-динитробензойная кислота используется в синтезе аминобензойных кислот, являющихся полупродуктами при получении азокрасителей, лекарственных препаратов, нитробензоилхлоридов, пигментов.

Реакции с хлорангидридами 3,5-динитробензойной кислоты используют для идентификации спиртов, аминов и алифатических простых эфиров.

Кроме того, 3,5-динитробензойная кислота используется для приготовления рентгеноконтактного препарата типа «Триомброст», для приготовления витамина, служащего для витаминизации кормом, применяемых в сельском хозяйстве.

Таким образом, можно сделать вывод о важности проектирования производства 3,5-динитробензойной кислоты мощностью 13 тонн в год, как для развития сельского хозяйства, так и для других отраслей промышленности.

1. Аналитический обзор

Одним из наиболее интересных представителей является 3,5-динитробензойная кислота (3,5-ДНБК). Так нитрование бензойной кислоты меланжем при 70−100⁰С в течение 20ч приводит к получению ДНБК с выходом 53%. При использовании нитрующей смеси на основе дымящей () азотной и концентрированной серной кислот и при температурах 70−145⁰С за 6ч выход составил 35%, а за 24 ч — 55−58%.

Немаловажное техническое преимущество нитрующей смеси перед меланжем состоит в том, что она может быть сохраняема в железной аппаратуре и передаваема по железным трубам, так как не разъедает этого металла. Количество серной кислоты рассчитывается по минимальной крепости (общей кислотности) смеси, при которой еще заметен нитрующий эффект. Если увеличить количество азотной кислоты при сохранении того же количества серной кислоты в правильно составленной нитрующей смеси, то часть азотной кислоты останется без взаимодействия. Если увеличить количество серной кислоты, это вызовет лишний расход серной кислоты в отработанной кислоте. На заводах часто при составлении нитрующей смеси пользуются отработанной кислотой предыдущих нитрований, соответствующим образом ее подкрепляя добавкой более крепкой серной и по расчету азотной кислоты.

Кроме того известно применение в качестве исходного продукта для получения ДНБК 3-нитробензойной кислоты. Но и при этом выход не превышал 66%.

Приведенные методы получения ДНБК отличаются невысоким выходом продукта, так как нитрование при высоких температурах способствует интенсивному протеканию нежелательных реакций окисления, которые в конечном счете могут стать причиной взрыва. Однако снижение температуры, уменьшающее вероятность протекания побочных процессов, в равной степени снижает скорость и основной реакции нитрования. Последняя лимитируется скоростью образования и степенью сольватации иона нитрония. На концентрацию и скорость образования ионов нитрония большое влияние также оказывает концентрация воды в нитрующей смеси (увеличения содержания воды ингибирует этот процесс). Очевидно, что благоприятными факторами, увеличивающими выход 3,5-ДНБК, будут снижение температуры нитрования, уменьшение содержания воды и увеличение избытка азотной кислоты в реакционной смеси.

Установлено, что при замене серной кислоты в нитрующей смеси на олеум возможно проведение процесса в более мягких температурных условиях с повышенным выходом. Изучено влияние ряда факторов на нитрование бензойной кислоты дымящей азотной кислотой в среде 5−60% олеума.

Таблица № 1

Зависимость выхода 3,5-динитробензойной кислоты от температуры реакции.

При исследовании зависимости выхода ДНБК от температуры (таблица) обнаружено, что максимальный выход ДНБК колеблется в области 55−65⁰С. С увеличением температуры возрастает роль побочных процессов окисления и уменьшается выход ДНБК. Существенным фактором процесса нитрования является его длительность. При увеличении температуры синтеза с 50 до 70⁰С максимум на кривой зависимости выхода ДНБК от длительности нитрования (рис.1) смещается с 12−14ч до 5−8ч, однако максимальный выход ДНБК при этом падает.

Рис1. Влияние длительности синтеза на выход ДНБК при различных температурах: 1−50; 2−60; 3−70⁰C.

На получениие ДНБК существенно влияет избыток нитрующего агента (рис.2).

Оптимальным является соотношение азотной и бензойной кислот, равное (2,4−2,8):

1. Следует отметить, что увеличение этого соотношения в данных условиях может привести к спонтанному выбросу реакционной смеси.

Рис2. Влияние избытка азотной кислоты на выход ДНБК.

Нитрование бензойной кислоты в олеуме с различным содержанием серного ангидрида (рис.3) показало, что выход ДНБК резко увеличивается в области содержания серного ангидрида 5−20% и в дальнейшем возрастает незначительно.

Рис3. Влияние содержания серного ангидрида в олеуме на выход ДНБК.

Таким образом, изучение приведенных выше закономерностей позволило в мягких условиях получить ДНБК высокой степени чистоты с выходом 70−80%. Ниже приведена методика нитрования бензойной кислоты в оптимальных условиях.

К охлажденной до 10⁰С смеси 5,5мл дымящей азотной кислоты () и 35 мл 20% олеума прибавляли порциями при перемешивании 12,2 г (0,1 моль) бензойной кислоты. После гомогенизации смеси прибавляли по каплям еще 5,4мл таким образом, чтобы общее количество ее составило 0,26моль. Затем в течение 1,5ч поднимали температуру до 60⁰С. Через 5−6ч наблюдали выпадение осадка ДНБК. Еще через 6ч охлаждали реакционную смесь до комнатной температуры и выливали на 200 г тонкоизмельченного льда. Осадок отфильтровали, промывали холодной водой и сушили при 120⁰С в течение 6ч. Выход 16,4 г (77,3 мас. %).Т. пл. 205−206⁰С, по данным [7], т. пл. 204−205⁰С. ИК-спектр: 1550 см^-1 (), 1690 см^-1 (, димер).

2. Патентный поиск

Патентный поиск проводился с целью найти известные ранее способы получения 3,5-динитробензойной кислоты, близкие по технологии к рассматриваемой в данном проекте, информацию о компаниях-производителях.

Патентный поиск производился на основе следующих бумажных и электронных носителей патентной информации:

Международный классификатор изобретений, 7-я редакция;

База данных Роспатента: http://www.Fips.ru (рефераты изобретений к заявкам РФ с 1994 г.)

База данных Европейского Патентного Ведомства:

http://www.europea-patent office.ru

В результате был найден патент на получение 3,5-динитробензойной кислоты методом нитрования бензойной кислоты смесью олеума и азотной кислоты.

Таблица № 2

Используемые патентные документы

3. Технологическая часть

Описание технологической схемы

Процесс получения 3,5-динитробензойной кислоты проходит в четыре стадии. На первой стадии исходное сырье — 98% азотная кислота и 20% олеум, охлажденные до 10⁰С, загружаются в реактор Р1, куда затем при помощи ленточного транспортера загружается бензойная кислота. Реакционная масса подогревается горячей водой из бойлерной до температуры 60⁰С, после чего выдерживается в течение 6 часов. В случае превышения данного температурного порога срабатывает сирена и реакционная масса сбрасывается в аварийную емкость. Для отвода нитрозных газов, выделяющихся в процессе реакции предусмотрен трубопровод под вакуумом, по которому окислы азота подаются на абсорбцию.

Затем реакционная масса с помощью трубы передавливания подается в разбавитель Р2 из промежуточной емкости Е4. В аппарате происходит разбавление реакционной массы водой для снижения содержания в ней серной кислоты. Содержание серной кислоты понижается в разбавителе до 20%. Далее суспензия динитробензойной кислоты сбрасывается на вакуум-фильтр ВФ1 и промывается водой.

Маточник и промывные воды при этом собираются емкости Е5 и отправляется на регенерацию, а сырая динитробензойная кислота инжектируется на пропарку в аппарат Р3. Процесс пропаривания происходит при 100⁰С в течение 4 часов, ввиду сильной гидрофобности 3,5-динитробензойной кислоты.

Пропаренная ДНБК снова сбрасывается на вакуум-фильтр ВФ2 и промывается водой. Маточник и промывные воды при этом собираются в емкости Е6 и отправляется на разбавление. ДНБК загружается вручную в реактор Р4, куда загружается и этиловый спиртм из емкости Е7 для процесса кристаллизации. Процесс проходит при 80⁰С. Затем кристаллизованная ДНБК фильтруется, сушится в сушильных шкафах и расфасовывается. Часть маточника при этом возвращается в процесс ввиду экономии этилового спирта.

Расчет материального баланса получения 3,5-динитробензойной кислоты

Выходы по стадиям:

1-я стадия — реакция нитрования — 55,2%

2-я стадия — разбавление и фильтрация — 98,5%

3-я стадия — пропарка и фильтрация — 95,0%

4-я стадия — кристаллизация и фильтрация — 89,5%

5-я стадия — сушка — 99,5%

Расчет количества бензойной кислоты, необходимого для получения 1000кг

3,5-динитробензойной кислоты:

Чтобы получить 1000 кг готовой динитробензойной кислоты, на стадию сушки необходимо подать с учетом выхода:

кг — поступает на стадию сушку

кг — поступает на стадию кристаллизации и фильтрации

кг — поступает на стадию пропарки и фильтрации

кг — поступает на стадию разбавления и фильтрации

1-я стадия — реакция нитрования

Реакция нитрования протекает в 2 стадии:

На первой стадии мононитрования бензойная кислота нитруется до изомеров в соотношении мета-: (орто — + пара-) =80: 20.

Таким образом, для получения 1199,4 кг динитробензойной кислоты необходимо бензойной кислоты:

Из 122,0 г/м бензойной кислоты образуется 212,0 г/м динитробензойной кислоты

Из кг БК — 1199,4 кг ДНБК

кг БК

С учетом выхода на каждой стадии реакции получаем, что для получения 1000 кг ДНБК необходимо:

кг БК

Бензойная кислота содержит 0,1% примесей, тогда общая масса БК, которую необходимо взять для реакции, составит:

кг БК

Рассчитаем количество мета-изомера, образующегося на первой стадии реакции, с учетом выхода:

Из 122,0 г/м БК — 167,0 г/м м-ДНБК

Из 1250,4 кг БК — кг м-ДНБК

кг м-ДНБК

Проверка по второй стадии реакции с учетом выхода: из 167,0 г/м м-ДНБК — 212,0 г/м ДНБК, из 1369,3 кг м-ДНБК — кг ДНБК

кг ДНБК

По методике к смеси 15,8 г 98% азотной кислоты и 66,1 г 20% олеума прибавляют порциями при перемешивании 12,2 г бензойной кислоты.

Следовательно, для нитрования 1250,4 кг бензойной кислоты потребуется пропорциональное количество азотной кислоты и олеума [8]:

в которой

моногидрата ;

воды ;

в котором

свободного ;

Рассчитаем количество требующегося по реакции моногидрата :

1) в первой реакции расходуется:

122,0 г/м БК — 63,0 г/м

1250,4 кг БК — кг

2) во второй реакции расходуется:

167,0 г/м БК — 63,0 г/м

1369,3 кг БК — кг

Таким образом, всего на нитрование идет моногидрата :

Следовательно, после нитрования осталось моногидрата :

Рассчитаем количество образовавшейся по реакции :

1) по первой реакции образуется:

122,0 г/м БК — 18,0 г/м

1250,4 кг БК — кг

2) по второй реакции образуется:

167,0 г/м БК — 18,0 г/м

1369,3 кг БК — кг

Таким образом, всего при нитровании образуется :

С учетом воды, содержащейся в азотной кислоте, общая масса составит:

Рассчитаем количество, образующейся в результате реакции при «связывании» воды сернистым ангидридом:

Х₉ 1355,9 Х₈

18,0 80,0 98,0

Из 80,0 г/м — 98,0 г/м

Из 1355,9 кг — кг

кг

Следовательно, общее количество серной кислоты складывается из кислоты образующейся при связывании воды и кислоты, содержащейся в 20%олеуме:

Рассчитаем количество, вступающее в реакцию:

80,0 г/м — 18,0 г/м

1355,9 кг — кг

кг

В процессе нитрования происходит раскисление орто - и пара-нитробензойных кислот и непрореагировавшей мета - нитробензойной кислоты.

586,0

334,0 1764,0 616,0 342,0 1140,0

Рассчитаем общее количество нитробензойных кислот, участвующих в реакции раскисления:

334 г/м НБК — 1764,0 г/м

кг НБК — 586,0кг

НБК Рассчитаем количество газообразных продуктов и воды, выделившихся в результате реакции:

Из 334,0 г/м НБК — 616,0 г/м

Из 110,9 кг НБК — кг

Из 334,0 г/м НБК — 1140,0 г/м

Из 110,9 кг НБК — кг

Из 334,0 г/м НБК — 342,0 г/м

Из 110,9 кг НБК — кг

Следовательно, количество воды не вступившее в реакцию составит:

Рассчитаем общее количество непрореагировавших орто - и пара-нитробензойных кислот и мета - нитробензойной кислоты:

Из 122,0 г/м БК — 167,0 г/м

Из 1250,4 кг БК — кг

кг

Следовательно, общее количество непрореагировавших орто - и пара-нитробензойных кислот и мета - нитробензойной кислоты равно:

Таким образом, в суспензии ДНБК останется непрореагировавших НБК:

Таблица № 3

Материальный баланс стадии нитрования

Таким образом, можно сделать вывод, что приведенное в методике количество азотной кислоты недостаточно, так как в результате реакции остается значительное количество нераскисленных нитробензойных кислот.

Рассчитаем требующееся количество азотной кислоты для полного раскисления нитробензойных кислот:

766,8

334,0 1764,0 616,0 342,0 1140,0

334 г/м НБК — 1764,0 г/м

766,8 кг НБК — кг

Азотная кислота, не вступившая в реакцию нитрования, частично остается в отработанной кислоте, частично расходуется в побочных реакциях, частично улетучивается в вентиляцию. Распределение азотной кислоты по этим статьям зависит от конкретных условий проведения реакции, то есть от температуры процесса, свойств и качества нитруемого соединения и т. д. На основании такого допущения определяем, что на раскисление пошло 20% моногидрата [9]:

Следовательно, общая масса моногидрата:

Для проведения реакции требуется 1002,1 кг моногидрата азотной кислоты, тогда общее количество моногидрата азотной кислоты, необходимое для проведения реакции нитрования составит:

Следовательно, количество требующейся 98% азотной кислоты составит:

Рассчитаем количество газообразных продуктов и воды, выделившихся в результате реакции:

766,8 4049,8

334,0 1764,0 616,0 342,0 1140,0

Из 1764,0 г/м — 616,0 г/м

Из 4049,8 кг — кг

Из 1764,0 г/м — 1140,0 г/м

Из 4049,8 кг — кг

Из 1764,0 г/м — 342,0 г/м

Из 4049,8 кг — кг

Для рассматриваемого процесса, можно принять, что 50% оставшейся азотной кислоты расходуется на раскисление, 25% - уносится в вентиляцию, а 25% - остается в отработанной кислоте.

Рассчитаем количество продуктов, образующихся при раскислении 404,9 кг моногидрата азотной кислоты:

404,9

126 18 76 32

Из 126,0 г/м — 76,0 г/м

Из 404,9 кг — кг

Из 126,0 г/м — 18,0 г/м

Из 404,9 кг — кг

Из 126,0 г/м — 32,0 г/м

Из 404,9 кг — кг

Следовательно, количество воды не вступившее в реакцию составит:

Таблица № 4

Материальный баланс стадии нитрования

2-я стадия — разбавление и фильтрация В соответствии с методикой получения 3,5-динитробензойной кислоты необходимо снизить концентрацию серной кислоты в суспензии динитробензойной кислоты до 20%. Для этого рассчитаем необходимое количество воды, идущее на разбавление серной кислоты.

Массовая доля серной кислоты в исходной суспензии:

Требуемая массовая доля серной кислоты в суспензии:

По правилу смешения запишем друг под другом массовые доли исходных растворов, а правее между ними — массовую долю раствора, который необходимо приготовить. При этом считаем, что вода — это раствор с массовой долей, равной нулю. Из большей массовой доли вычитаем заданную и записываем результат справа внизу, из заданной массовой доли вычитаем меньшую и записываем результат справа вверху.

Затем вычисляем массу полученного раствора и массу воды, которая потребуется для разбавления:

где — масса суспензии, которая подается на разбавление.

— масса полученного раствора Динитробензойная кислота после фильтрации содержит 40% маточного раствора, образующегося в результате реакции:

Рассчитаем процентное содержание компонентов в разбавленной суспензии:

Следовательно, в 472,5 кг маточного раствора содержится пропорциональное количество компонентов:

В результате, масса компонентов, содержащихся в отводимом маточном растворе уменьшится на соответствующее количество этих компонентов, содержащихся в динитробензойной кислоте:

Рассчитаем потери динитробензойной кислоты с учетом выхода продукта:

Таблица № 5

Материальный баланс стадии разбавления и фильтрации

Промывка Зададимся модулем при промывке ДНБК 1 (1:

1), на 1 м. ч. ДНБК возьмем 1 м. ч. воды. Промывка осуществляется на вакуум-фильтре.

Динитробензойная кислота после промывки содержит 20% маточного раствора:

Рассчитаем процентное содержание компонентов в промытой ДНБК:

Следовательно, в 236,2 кг маточного раствора содержится пропорциональное количество компонентов:

В результате, масса компонентов, содержащихся в отводимой промывной воде уменьшится на соответствующее количество этих компонентов, содержащихся в динитробензойной кислоте:

Таблица № 6

Материальный баланс стадии промывки

Ориентировочно число промывок для жидких, веществ можно оценить по следующей формуле:

где — начальная кислотность продукта;

— кислотность продукта после n-ной промывки;

— количества жидкого вещества;

— количество промывной жидкости;

— число промывок;

— коэффициент распределения примесей (кислоты) между продуктом и водой.

К сожалению, коэффициент в большинстве случаев нам неизвестен, кроме того, он не остаётся постоянным на всех ступенях промывки. Однако для ориентировочной оценки числа промывок этой формулой можно пользоваться.

Обычно изменяется от 0,1 до 0,3. Примем значение =0,2 и определим .

В продукте на 1181,2 кг ДНБК содержится 475,2 кг ОК, в том числе Н₂SO₄ моногидрата97,9 кг Н₂О 371,8 кг примем равным 0,4%.

Решая уравнение находим, что

Следовательно, одной промывки будет вполне достаточно.

3-я стадия — пропарка и фильтрация Расчет необходимого количества пара, необходимого для пропарки отфильтрованной реакционной массы приведен в расчете теплового баланса третьей стадии процесса. Необходимое количество пара составляет .

Динитробензойная кислота после фильтрации содержит 20% маточного раствора, образующегося в результате реакции:

Рассчитаем процентное содержание компонентов в пропаренной динитробензойной кислоте:

Следовательно, в маточного раствора содержится пропорциональное количество компонентов:

В результате, масса компонентов, содержащихся в отводимом маточном растворе уменьшится на соответствующее количество этих компонентов, содержащихся в динитробензойной кислоте:

Рассчитаем потери динитробензойной кислоты с учетом выхода продукта:

Таблица № 7

Материальный баланс стадии пропарки и фильтрации

Промывка

Зададимся модулем при промывке ДНБК 1 (1:

1), на 1 м. ч. ДНБК возьмем 1 м. ч. воды. Промывка осуществляется на вакуум-фильтре.

Динитробензойная кислота после промывки содержит 20% маточного раствора:

Рассчитаем процентное содержание компонентов в промытой ДНБК:

Таблица № 8

Материальный баланс стадии промывки

4-я стадия — кристаллизация и фильтрация Из литературных данных известно, что для растворения 1 весовой части динитробензойной кислоты требуется 4,5 весовых частей 50% этилового спирта. Рассчитаем необходимое количество, идущее на кристаллизацию динитробензойной кислоты.

Динитробензойная кислота после фильтрации содержит 20% маточного раствора, образующегося в результате реакции:

Рассчитаем процентное содержание компонентов в исходной динитробензойной кислоте:

Следовательно, в маточного раствора содержится пропорциональное количество компонентов:

В результате, масса компонентов, содержащихся в отводимом маточном растворе уменьшится на соответствующее количество этих компонентов, содержащихся в динитробензойной кислоте:

Рассчитаем потери динитробензойной кислоты после кристаллизации и фильтрации с учетом выхода продукта:

Таблица № 9

Материальный баланс стадии кристаллизации и фильтрации

Для снижения расхода этилового спирта примем, что половина маточного раствора возвращается в процесс.

Таблица № 10

Материальный баланс стадии кристаллизации и фильтрации с использованием маточного раствора

5-я стадия — сушка Рассчитаем потери динитробензойной кислоты на стадии сушки с учетом выхода продукта:

Таблица № 11

Материальный баланс стадии сушки

Суточный материальный баланс

Для определения числа операций за рабочий день, проводимых в одном реакторе, мы должны установить продолжительность одной операции по получению 3,5-динитробензойной кислоты. Общее время одной операции складывается из следующих составляющих:

1. Осмотр аппарата

2. Загрузка и подогрев компонентов

3. Выдержка и разбавление

4. Фильтрация

5. Пропарка и фильтрация

6. Кристаллизация и фильтрация

7. Сушка Пользуясь практическими данными, можно принять:

1. время осмотра аппарата — 5мин.

2. набор в мерники кислотной смеси — 10мин.

3. загрузка кислот в реактор — 20мин.

4. нагрев до — 90мин.

5. выдержка реакционной массы — 6ч.

6. слив реакционной массы — 20мин.

7. подогрев воды до — 30мин.

8. разбавление — 60 мин.

9. охлаждение до — 30мин.

10. фильтрация — 30мин.

11. выгрузка динитробензойной кислоты и загрузка в аппарат — 15мин.

12. пропарка — 4ч.

13. охлаждение до — 30мин.

14. фильтрация — 30мин.

15. набор в мерник этилового спирта — 10мин.

16. загрузка этилового спирта в кристаллизатор — 10мин.

17. загрузка динитробензойной кислоты — 15мин.

18. нагрев реакционной массы до — 30мин.

19. растворение — 15мин.

20. охлаждение до — 60мин.

21. фильтрация — 15мин.

22. выгрузка — 10мин.

23. сушка — 6ч.

Итого продолжительность одного цикла — 16 часов. Таким образом, за восьмичасовой рабочий день при двусменной работе возможно проведение только 1 цикла. Следовательно, операционный баланс будет равен суточному балансу. Производительность проектируемого производства составляет 13 тонн/год. Предполагается, что проектируемое производство будет работать 237 дней в году. Из этих данных определяем суточную производительность проектируемого объекта:

т готовой динитробензойной кислоты.

Таблица № 12

Операционный материальный баланс стадии нитрования

Таблица № 13

Операционный материальный баланс стадии разбавления и фильтрации

Таблица № 14

Материальный баланс стадии промывки

Таблица № 15

Операционный материальный баланс стадии пропарки и фильтрации

Таблица № 16

Материальный баланс стадии промывки

Таблица № 17

Операционный материальный баланс стадии кристаллизации и фильтрации

Для снижения расхода этилового спирта примем, что половина маточного раствора возвращается в процесс.

Таблица № 18

Операционный материальный баланс стадии кристаллизации и фильтрации с использованием маточного раствора

Таблица № 19

Материальный баланс стадии сушки

Тепловой баланс

Для расчёта, какое количество теплоты нужно отвести от аппарата (или подвести) в течение одной операции в периодическом процессе или за единицу времени (в час) в непрерывном процессе необходимо рассчитать тепловой баланс. Тепловой баланс составляется на основе данных операционного или часового материального баланса, данных принятого технологического режима и необходимых технических справочных данных.

Рассчитанный тепловой баланс показывает, какое количество теплоты нужно отвести из аппарата (или подвести) в течение одной операции в периодическом процессе. Эти данные необходимы для определения производительности любого аппарата — реактора.

По принятому технологическому режиму при получении 3,5-динитробензойной кислоты в аппарат вначале загружается кислотная смесь, затем бензойная кислота, потом смесь подогревается до 60 °C. Принимаем, что реагенты кислотная смесь поступают в аппарат с температурой 10 °C. Затем реакционная масса поступает на стадию разбавления.

1-я стадия — реакция нитрования Приход:

1. Количество тепла, поступающее в аппарат с реагентами:

— тепло, поступающее с реагентами, кДж;

— количество реагента, вносимое в аппарат на одну операцию (см. «Операционный материальный баланс»), кг;

— теплоёмкость реагентов, которую рассчитывают как аддитивную величину, кДж/ (кгЧК).

Теплоемкости сырья, продуктов реакции и отходов, кДж/ (кгЧград) [11]:

1. Бензойная кислота 1, 19

2. Азотная кислота (98%) 1,74

3. Олеум (20%) 1,34

4. 3,5 — динитробензойная кислота 1,01

5. Серная кислота 1,40

6. Вода 4,18

7. Окислы азота 0,86

8. Кислород 1,03

9. Этиловый спирт (50%) 3,32

10. Диоксид углерода0,90

Приход:

Тепло Q₁, поступившее с азотной кислотой (98%):

Тепло Q₂, поступившее с олеумом (20%):

Тепло Q₃, поступившее с бензойной кислотой:

Тепло Q₄ необходимое для нагрева смеси от 10 °C до 60°С:

Рассчитаем долю олеума в полученной реакционной смеси:

Определим количество тепла, выделившееся при протекании реакции получения динитробензойной кислоты:

На основании закона Гесса можно записать:

Q_{реакции}=Q_{образования продуктов реакции -} Q_{образования исходных веществ}

Теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции, [11]:

1. Бензойная кислота385,14

2. Азотная кислота (98%) 173,0

3. 3,5 — динитробензойная кислота 464,45

4. Вода 285,83

Определим удельную теплоту реакции:

где 122 — молекулярная масса бензойной кислоты.

Определим количество тепла, выделившееся при протекании реакции образования серной кислоты (реакции гидратации):

На основании закона Гесса можно записать:

Q_{реакции}=Q_{образования продуктов реакции -} Q_{образования исходных веществ}

Теплоты образования исходных веществ и продуктов реакции, [11]:

1. Оксид серы (VI) 439,0

2. Вода (98%) 285,83

3. Серная кислота 813,91

Определим удельную теплоту реакции:

где 80 — молекулярная масса оксида серы (VI).

Расход:

Тепло, отводимое с продуктами реакции:

Тепло, отводимое с газообразными продуктами реакции:

Тепло Q₉ — потери в окружающую среду (примем потери 10% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

Тепло Q₁₀, отводимое с охлаждающей водой:

Таблица № 20

Операционный тепловой баланс стадии нитрования

2-я стадия — разбавление и фильтрация Приход:

1) Тепло Q₂, поступившее с водой:

2) Определяем количество тепла Q₃, которое выделяется при разбавлении кислотной смеси водой, выделяющейся в процессе нитрования. В процессе нитрования происходит изменение концентрации кислотной смеси за счёт выделяющейся реакционной воды, а, иногда, и за счёт воды, вводимой с азотной кислотой, когда она дозируется. Теплота гидратации может быть определена по формулам Томсена или теплотам исчерпывающего разбавления. По Томсену теплота гидратации серной кислоты:

где — количество тепла, выделяющееся при разбавлении серной кислоты от моногидратного состояния до степени гидратности :

Степень гидратности показывает, сколько молей воды приходится на 1 моль серной кислоты.

Cостав исходной кислотной смеси, %

Н₂SO₄ 75,1

H₂O 10,0,

Определяем теплоту гидратации исходной кислотной смеси:

Состав кислотной смеси после разбавления, %

Н₂SO₄ 20,7,

H₂O 78,7

Определяем теплоту гидратации конечной кислотной смеси:

Теперь рассчитываем тепловой эффект разбавления:

где 0,78 — содержание серной кислоты в исходной смеси в долях;

98 — молекулярная масса серной кислоты.

Расход:

1) Тепло, отводимое с динитробензойной кислотой:

примем долю азотной кислоты равной 0.

2) Тепло, отводимое с маточным раствором:

3) Тепло, отводимое с охлаждающей водой:

Таблица № 21

Операционный тепловой баланс стадии разбавления и фильтрации

3-я стадия — пропарка и фильтрация

Приход:

1) Рассчитаем количество теплоты необходимое на нагрев смеси до 100⁰С

Количество пара, требующегося для нагрева смеси:

2) Тепло, поступившее с паром:

3) Тепло, вносимое с горячей водой:

Расход:

1) Тепло конденсации пара

2) Тепло, отводимое с динитробензойной кислотой:

3) Тепло, отводимое с маточным раствором:

4) Тепло — потери в окружающую среду (примем потери 20% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

Таблица № 22

Операционный тепловой баланс стадии пропарки и фильтрации

4-я стадия — кристаллизация Приход:

1) Тепло, поступившее с этанолом:

2) Тепло необходимое для нагрева смеси от 20 °C до 80°С:

Расход:

1) Тепло, отводимое с ДНБК:

2) Тепло, отводимое с маточным раствором:

3) Тепло — потери в окружающую среду (примем потери 10% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

4) Тепло, отводимое с охлаждающей водой:

Таблица № 23

Операционный тепловой баланс стадии кристаллизации

4-я стадия — кристаллизация с использованием маточного раствора Приход:

1) Тепло, поступившее с этанолом:

2) Тепло, поступившее с маточником:

3) Тепло необходимое для нагрева смеси от 20 °C до 80°С:

Расход:

1) Тепло, отводимое с ДНБК:

2) Тепло, отводимое с маточным раствором:

3) Тепло — потери в окружающую среду (примем потери 10% от теплоты, необходимой на нагрев смеси):

4) Тепло, отводимое с охлаждающей водой:

Таблица № 24

Операционный тепловой баланс стадии кристаллизации

Выбор и расчёт оборудования

1-я стадия — реакция нитрования

Вначале необходимо выбрать объем аппарата. Для этого определим суточные объемы, загружаемых в реактор компонентов и их сумму (плотность олеума — 1897 , — 1520 , — 1260).

Мы не можем загрузить общее количество материалов, равное этому объёму, так как всегда должен оставаться резерв на случай повышения уровня жидкости из-за перемешивания, вспенивания и т. д. Обычно коэффициент заполнения аппарата колеблется от 0,9 до 0,6. Для реакции нитрования примем коэффициент заполнения равным 0,7. Тогда

.

Из каталога выбираем аппарат с характеристиками [13]:

аппарат вертикальный Рабочая температура 10−100⁰

Номинальный объем — ;

D_{обечайки} — (внутренний);

Н_{обечайки} — ;

Основной материал — сталь 08Х22Н10Т Площадь поверхности теплообмена:

рубашки ;

змеевика ;

В аппарате имеется две секции змеевиков из труб Ж 25 мм с числом витков в секции 12. Шаг витка равен 2d трубы.

Определение поверхности теплообмена

Требуемая поверхность теплообмена определяется по формуле [12]:

В приведенной формуле:

— количество тепла, которое нужно отвести (подвести) в процессе дозировки, кДж;

— коэффициент теплопередачи, ;

— поверхность теплообмена,;

— средняя разность температур между теплоносителем и реакционной массой град.

Выбор коэффициента теплопередачи Для дипломного проекта значение коэффициента теплопередачи принимаем на основании литературных данных.

Примем следующие значения коэффициента теплопередачи [12]:

для змеевика

=500 =581,5

для рубашки

=200 =252,6

Определение средней разности температур между теплоносителем и реакционной массой

Для определения обычно располагают данными о температурном режиме в аппарате и температуре входящей охлаждающей воды или другого охлаждающего агента.

Для определения необходимы данные о температурном режиме в аппарате и температуре входящего охлаждающего агента (воды). Рассчитаем поверхность, необходимую для нагрева реакционной массы с 10до 60. Для этого примем, что горячая вода, поступающая в змеевик, охлаждается с 95до 65.

Следовательно, требуемая площадь нагрева составляет:

Рассчитаем поверхность, необходимую для отвода тепла реакционной массы. Для этого примем, что рассол (23,8% раствор хлорида кальция), поступающая в рубашку, нагревается с — 20до — 10. Температура реакционной массы при этом составляет 60.

Следовательно, требуемая площадь для отвода тепла составляет:

Так как площадь теплообмена рубашки составляет по каталогу, то для теплоотвода требуется использовать две секции змеевиков.

Рассчитаем время прилива кислотной смеси. Время прилива может быть рассчитано по формуле [12]:

Для периодического отмеривания жидкости используют резервуары с устройством для отмеривания объема. Чаще всего используют цилиндрические стальные резервуары с плоскими днищами. Для измерения жидкости в мерниках применяют смотровые стекла, поплавки, пневматические измерители. При выборе габаритов мерника исходят из необходимого количества жидкости, подлежащей загрузке за операцию.

Рассчитаем объемы мерников кислот, идущих на приготовление кислотной смеси и бензойной кислоты [14]:

— объем мерника 20% олеума

— объем мерника 98% азотной кислоты Бензойная кислота загружается в реактор при помощи ленточного расходомера.

— объем мерника бензойной кислоты Объем аварийной емкости Е3 должен в 4−5 раз превышать объем реактора нитрования:

Объем промежуточной емкости Е4 равен объему реактора нитрования:

Расчет перемешивающего устройства нитратора

Расчет ведется исходя из вязкости самого вязкого компонента, плотности самого плотного и температурного режима.

Самый вязкий и наиболее плотный компонент это 20% раствор олеума:

Диаметр перемешивающего устройства:

Примем скорость вращения мешалки [12]: м/с Следовательно, число оборотов мешалки:

оборот/сек Определим значение критерия Рейнольдса:

По выбираем пропеллерную трехлопастную мешалку.

Определим критерий мощности:, где и — постоянные величины (определяются по таблице [12]):

Рассчитаем величину мощности:

кВт Определяем мощность мешалки в пусковой момент:

кВт Установочная мощность:

кВт где 0,95 — КПД электродвигателя, 1,2-запас мощности электродвигателя.

Проверим следующее условие [12]:

следовательно, мешалка данного типа подходит.

Выбираем привод мощностью 1,0кВт; мотор редуктор типа МПО2 и электродвигатель типа АИ.

Рассчитаем производительность насоса для подачи 98% азотной кислоты [12]:

Время подачи азотной кислоты составляет 600с, тогда Выбираем насос марки Х20/18, производительностью. Тип электродвигателя АО2−31−2, мощностью 3кВт.

2-я стадия — разбавление и фильтрация Определим суточные объемы, загружаемых в реактор компонентов и их сумму (плотность воды — 1000 , — 1520 , — 1900).

Плотность суспензии ДНБК рассчитывается как аддитивная величина:

Следовательно, объем аппарата равен:

Примем коэффициент заполнения аппарата равным 0,8.

Тогда объем аппарата будет равен .

Из каталога выбираем аппарат с характеристиками [13]:

аппарат вертикальный Рабочая температура 10−100⁰

Номинальный объем — ;

D_{обечайки} — (внутренний);

Н_{обечайки} — ;

Основной материал — сталь 08Х22Н10Т Площадь поверхности теплообмена:

рубашки ;

змеевика ;

В аппарате одна секция змеевиков из труб Ж 57 мм с числом витков в секции 12. Шаг витка равен 2d трубы.

Рассчитаем поверхность, необходимую для отвода тепла реакционной массы. Для этого примем, что рассол (23,8% раствор хлорида кальция), поступающая в рубашку, нагревается с — 20до — 10. Реакционной массы при этом охлаждается с 60до 20.

Следовательно, требуемая площадь для отвода тепла составляет:

Так как площадь теплообмена рубашки составляет по каталогу, то для теплоотвода требуется использовать две секции змеевиков.

Рассчитаем время прилива воды. Время прилива может быть рассчитано по формуле [12]:

Рассчитаем объем мерника суспензии ДНБК, загружаемой в реактор разбавления:

Рассчитаем объем хранилища маточника отработанной кислотной смеси. Плотность маточного раствора рассчитывается как аддитивная величина (с учетом промывной воды):

Примем коэффициент заполнения равным 0,9; тогда объем хранилища будет равен:

Рассчитаем необходимую площадь поверхности фильтрации:

Плотность ДНБК рассчитывается как аддитивная величина:

Следовательно, объем ДНБК равен:

Зададим высоту слоя ДНБК на фильтре равной 15 см, тогда требуемая площадь поверхности составит:

Из каталога выбираем вакуум-фильтр емкостной под давлением с характеристиками [16]:

Площадь поверхности фильтрации — ;

D —; Н — ;

Основной материал — сталь 12Х18Н10Т

Расчет перемешивающего устройства разбавителя

Вязкость и плотность раствора ДНБК определим как аддитивные величины.

Диаметр перемешивающего устройства:

Примем скорость вращения мешалки [12]: м/с Следовательно, число оборотов мешалки:

оборот/сек Определим значение критерия Рейнольдса:

По выбираем пропеллерную трехлопастную мешалку.

Определим критерий мощности:, где и — постоянные величины (определяются по таблице [12]):

Рассчитаем величину мощности:

кВт Определяем мощность мешалки в пусковой момент:

кВт Установочная мощность:

кВт где 0,95 — КПД электродвигателя, 1,2-запас мощности электродвигателя.

Проверим следующее условие [12]:

следовательно, мешалка данного типа подходит.

Выбираем привод мощностью 1,5кВт; мотор редуктор типа МПО2 и электродвигатель типа АИ.

3-я стадия — пропарка и фильтрация Определим суточные объемы, загружаемых в реактор компонентов и их сумму, учитывая, что сконденсировавшийся пар переходит в равное по массе количество воды: (плотность воды — 1000 , — 1830 , — 1900).

Плотность ДНБК рассчитывается как аддитивная величина:

Следовательно, объем аппарата равен:

Для пропарки примем коэффициент заполнения равным 0,7.

Тогда .

Из каталога выбираем аппарат с характеристиками [13]:

аппарат вертикальный Рабочая температура 10−100⁰

Номинальный объем — ;

D_{обечайки} — (внутренний);

Н_{обечайки} — ;

Основной материал — сталь 08Х22Н10Т Площадь поверхности теплообмена:

рубашки ;

змеевика ;

Рассчитаем поверхность, необходимую для отвода тепла реакционной массы. Для этого примем, что рассол (23,8% раствор хлорида кальция), поступающая в рубашку, нагревается с — 20до — 5. Реакционной массы при этом охлаждается с 100до 20.

Следовательно, требуемая площадь нагрева составляет:

Так как площадь теплообмена рубашки составляет по каталогу, то для теплоотвода площади поверхности рубашки вполне достаточно.

Рассчитаем объем хранилища маточника реакционной смеси.

Плотность маточного раствора рассчитывается как аддитивная величина (с учетом промывной воды):

Примем коэффициент заполнения равным 0,9; тогда объем хранилища будет равен:

Рассчитаем необходимую площадь поверхности фильтрации:

Плотность ДНБК рассчитывается как аддитивная величина:

Следовательно, объем ДНБК равен:

Зададим высоту слоя ДНБК на фильтре равной 15 см, тогда требуемая площадь поверхности составит:

Из каталога выбираем вакуум-фильтр емкостной с характеристиками [16]:

Площадь поверхности фильтрации — ;

D —; Н — ;

Основной материал — сталь 12Х18Н10Т

Расчет перемешивающего устройства пропаривателя

Вязкость и плотность раствора ДНБК определим как аддитивные величины.

Диаметр перемешивающего устройства:

Примем скорость вращения мешалки [12]: м/с Следовательно, число оборотов мешалки:

оборот/сек Определим значение критерия Рейнольдса:

По выбираем пропеллерную трехлопастную мешалку.

Определим критерий мощности:, где и — постоянные величины (определяются по таблице [12]):

Рассчитаем величину мощности:

кВт Определяем мощность мешалки в пусковой момент:

кВт Установочная мощность:

кВт где 0,95 — КПД электродвигателя, 1,2-запас мощности электродвигателя.

Проверим следующее условие [12]:

,

следовательно, мешалка данного типа подходит.

Выбираем привод мощностью 1,0кВт; мотор редуктор типа МПО2 и электродвигатель типа АИ.

Рассчитаем производительность насоса для подачи маточного раствора на разбавление [12]:

Время подачи маточника составляет 3600с, тогда Выбираем насос марки Х2/25, производительностью. Тип электродвигателя АОЛ-12−2, мощностью 1,1кВт.

4-я стадия — кристаллизация и фильтрация Определим суточные объемы, загружаемых в реактор компонентов и их сумму: (плотность воды — 1000 , — 1900, — 894,5).