ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SẢN XUẤT nitrobenzen.DOC

Lời cảm ơn Trong thời gian nhận nhiệm làm đồ án tốt nghịêp , từ sự nổ lực làm việc của bản thân , cùng với sự giúp đở tận tình của thầy giáo GS.TS Đào Văn T- ờng, em đã hoàn thành bản đồ án đúng thời gian quy định. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo GS.TS Đào Văn Tờng, cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Hữu Cơ -Hoá Dầu đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và làm đố án vừa qua . 1 MỤC LỤC    LỜI NÓI ĐẦU PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 1 Chương I :TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 2 I. Tính chất của nguyên liệu 2 A. Tính chất của benzen 2 1. Cấu tạo của vòng benzen 2 2. Tính chất vật lý của benzen 3 3. Tính chất hóa học của benzen 3 B. Tính chất của axit nitric 5 1. Tính chất vật lý của axit nitrric 6. 2. Tính chất hóa học của axit nitrric 7 C. Tính chất của axit sulfuric 8 1. Tính chất vật lý của axit sulfuric 9 2. Tính chất hóa học của axit sulfuric 9 D. Tính chất của Na 2 CO 3 10 1. Tính chất vật lý của Na 2 CO 3 10 2. Tính chất hóa học của Na 2 CO 3 11 II. Tính chất của sản phẩm 11 1. Tính chất vật lý của nitrobenzen 11 2. Tính chất hóa học của nitrobenzen 13. 3. Ứng dụng của nitrobenzene 14 Chương II : CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NITROBENZEN 15 1. Nitro hóa bằng axit HNO 3 15 2. Nitro hóa bằng axit HNO 3 + H 2 SO 4 15 3. Nitro hóa bằng muối của HNO 3 16 4. Nitro hóa bằng khi có thêm HCH 3 COO hay alhydric-axetic 16 5. Nitro hóa bằng phương pháp thế các nhóm sulfo, amino, diazo…bằng nhóm NO 2 17 6. Nitro hóa bằng oxit nitơ 17 7. Nitro hóa bằng oxit nitơ có mặt H 2 SO 4 19 8. Nitro hóa bằng HNO 3 với sự tách nước phản ứng 19 Chương III : SẢN XUẤT NITROBENZEN TRONG CÔNG NGHIỆP 21 I. Quá trình nitro hóa 21 II. Lý thuyết chung 23 1. Bản chất tác nhân nitro hóa 23 2. Cơ chế phản ứng nitro hóa bằng hỗn hợp H 2 SO 4 + HNO 3 25 2 3. Động học phản ứng quá trình nitro hóa bằng hỗn hợp HNO 3 + H 2 SO 4 . 28 4.Qúa trình phụ khi nitro hóa 30 5.Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitro hóa 31 aẢnh hưởng của lượng HNO 3 31 bẢnh hưởng của nồng độ axít H 2 SO 4 31 c.Ảnh hưỏng của nhiệt độ ntrro hoa 32 dẢnh hưởng của nhóm thế len quá trình ntrro hoá của hợp chất đã thế rồi 33 e. Ảnh hưởng của sự khoấy trộn và làm lạnh đến quá trình nitro hoá. 34 III. Kỹ thuật sản xuất quá trình nitro hóa 34 1. Thiết bò nitro hóa 34 2. Chuẩn bò hỗn hợp nitro hóa 37 3. Sản xuất những hợp chất nitro 40 IV.Sản xuất nitrobenzen 41 1. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen bằng phương pháp liên tục hai bậc 42 2. Sơ đồ nitro hóa benzen theo Katter 43 3. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen của Nga 44 4. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen theo phương pháp liên tục 45 5. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen theo phương pháp gián đoạn PHẦN II : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ A.Tính cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng I. Giai đoạn nitro hoá 1. Lượng vật chất đi vào thiết bò notro hoá 2. Lượng vật chất đi ra khỏi thiết bò nitro hoá II. Giai đoạn lắng 1. Lượng vật chất đi vào thiết bò lắng 2. Lượng vật chất đi ra khỏi thiết bò lắngù II. Giai đoạn trung hoà 1. Lượng vật chất đi vàảtung hoà 2. Lượng vật chất đi ra khỏảtung hoà II. Giai đoạn rửa 1. Lượng vật chất đi vào thiết bò rửa 2. Lượng vật chất đi ra khỏi thiết bò rửa B. Tính cân bằng nhiệt lượng 1. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò nitro hoá 1. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bò làm lạnh Chương II. TÍNH TOÁN THIẾT BỊ CHÍNH 3 1. Tính đường kính và chiều cao thiết bò nitro hoá 2. Tính bề dày thân thiết bò nitro hoá 3. Tính bề dày của đáy và nắp thiết bò nitro hoá 4. Tính chọn chân đỡ cho thiết bò nitro hoá 5. Tính chọn bơm trong day chuyền sản xuất 6. Tính chọn máy nén PHẦN III . THIẾT KẾ XÂY DỰNG I.Xác đònh đòa điểm xây dựng 1. Nhiệm vụ và yêu cầu 2. Cơ sở để xác đònh đòa điểm xây dựng 3. Chọn đòa điểm xây dựng 4. Tổng mặt bằng nhà máy 5. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ bản trong xây dựng nhà máy II. Thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 1. Nhiệm vụ 2. Các yêu cầu khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 3. Những giải pháp khi thiết kế tổng mặt bằng nhà máy 4. Mặt bằng nhà máy PHẦN IV . TÍNH TOÁN KINH TẾ I.Mục đích II. Nội dung tính toán 1. Tính chi phí vốn cố đònh 2. Tính chi phí vốn lưu động 3. Tính khấu hao 4. Tính giá thành sản phẩm 5. Tính lợi nhuận của nhà máy trong một năm 6. Tính thời gian thu hồi vốn PHẦN V. AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ VỆ SINH MÔI TRƯỜNG I.An toàn lao động 1. Yêu cầu về phòng cháy chữa cháy 2. Trang bò phòng hộ lao động II. Vệ sinh môi trường 1. Xử lý khí thải 2. Xử lý nước thải KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 4 Lời nói đầu Từ trớc đến nay trong hệ thống các ngành công nghiệp ,thì ngành công nghiệp hoá học chiếm một vị trí khá quan trọng trong nền kinh tế quốc dân Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học ,ngành công ngh9ệp hoá chất , đặt biệt là ngành tổng hợp hữu cơ ngày càng hoàn thiện về mặt kỹ thuật ,các sản phẩm hoá học ngày càng cao về mặt số lợng ,chất lợng cũng nh về mặt thể loại ,nhằm phục vụ cho nhu cầu cuộc sống và sinh hoạt của con ngời . Nitrobenzen là hợp chất trung gian điễn hình , có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống , chủ yếu để dùng làm các hợp chất nh : anilin , benzidin, dintrobenzen , thuốc nhộm ,làm xúc tiến quá trình lu hoá cao su, Ngoài ra còn dùng làm dung môi chọn lọc để tinh chế đầu mỏ , dùng trong y dợc và dùng làm thuốc nổ , Nitrobenzen ngày nay đợc sản xuất theo nhiều phơng pháp khác nhau .Tuy nhiên quá trình nitro hoá với tác nhân nitro hoá là hổn hợp axit sufuric và axit nitric là đợc phát hiện sớm nhất .Nitro hoá benzen đợc phát hiện đầu tiên vào năm 1834 và đợc đa vào sản xuất với qui mô công nghiệp vào năm 1847 đến nay. Nguyên liệu chủ yếu là benzen , còn tác nhân nitro hóa thì có nhiều loại nh: axit nitric, muối nitrat , hổn hợp axit , oxit nitơ, Nhng trong công nghiệp ngày nay chủ yếu sử dụng tác nhân nitro hoá là hổn hợp axit nitric và axit sunfuric , sau đó dùng dung dịch natricacbonat để trung hoà hết lợng axit còn trong sản phẩm , cuối cùng là dung nớc sạch để rửa lại. Việc sản xuất nitrobenzen là có vị trí quang trọng .Cho nên việc nắm vững cơ chế quá trình , lựa chọn sơ đồ công nghệ ,các điều kiện công nghệ, địa điểm xây dựng , cũng nh tính hiệu quả kinh tế , luôn là yêu cầu quang trọng và rất cần thiết của nhà thiết kế công nghệ , nhằm đa ra sản phẩm tốt nhất và kinh tế nhất. 5 PhÇn I Tỉng quan vỊ lý thut Chương I: TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM. A. TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU. I.Tính chất của benzen [ 3 – 120 ]: Benzen có công thức hóa học là C 6 H 6 . Benzen là một hydrocacbon thơm ở trạng thái lỏng, không màu, linh động, có chiết suất cao, có mùi thơm đặc biệt. Benzen không tan trong nước, nhưng tan trong rượu, ete, dầu hỏa. Benzen hòa tan được nhiều chất nhựa, mỡ, lưu huỳnh và nhiều chất khác không tan trong nước. Do đó benzen là một dung môi rất thông dụng. Benzen là nguồn nguyên liệu quan trọng trong công nghiệp phẩm nhuộm anilin, dược phẩm, trong việc sản xuất chất phụ để nâng cao chỉ số octan đối với nhiên liệu động cơ ôtô và máy bay.Năm 1825 Faraday là người tìm ra benzen . Benzen được tách từ chất lỏng ngưng tụ bằng cách nén khí dầu mỏ.Năm 1845 A.W.Hofman thu được benzen từ dầu nhẹ trong nhựa than. 1.Cấu tạo của vòng benzen [ 2 – 12 ]: ∗Theo quan điểm cổ điển: phân tư ûbenzen có cấu tạo mạch vòng khép kín. Nhiều tác giả đã đề nghò các công thức cấu tạo của vòng benzen, trong đó có công thức Kekule được sử dụng nhiều hơn cả. Mặc dù vậy, công thức Kekule không phản ánh được đầy đủ các tính chất của benzen. ∗Theo quan điểm hiện đại: Benzen có cấu tạo vòng 6 cạnh phẳng. Các nguyên tử cacbon trong vòng đều ở trạng thái lai hóa sp 2 . Mỗi nguyên tử cacbon còn một electron p chưa lai hóa. Sáu electron p của 6 nguyên tử cacbon không xen phủ đều cả hai bên tạo ra đám mây electron p phân bố đều trên cả 6 nguyên tử cacbon của vòng và được biểu diễn bằng công thức sau: Các góc hóa trò đều bằng 120 0 . 6 C C C C H C Độ dài kiên kết C – C có giá trò trung gian giữa liên kết đơn C – C và liên kết đôi C = C C C C C C C 1,54 A 0 1,40 A 0 1,34 A 0 Chúng ta dễ dàng nhận thấy rằng do các electron p xen phủ khép kín nên các liên kết C – C của vòng không mang tính chất của một liên kết đôi C = C. Phân tử benzen có mật độ electron p phân bố đều, phân tử hoàn toàn đối xứng, bền, vì thế mà khó cộng hợp, khó oxi hóa. Nó chỉ dễ phá vỡ cấu trúc bền của vòng. 2.Tính chất vật lý của benzen [ 10 ]: Dưới đây là các thông số vật lý của benzen: Điểm nóng chảy 5,533 0 C Điểm sôi 80,1 0 C Khối lượng riêng ở 25 o C: 879 kg/m 3 Độ nhớt ở 20 0 C 0,649.10 -3 N.s/m 2 Sức căng bề mặt ở 20 0 C 29.10 -3 N/m Nhiệt dung riêng ở 20 0 C 1730 J/kg.đo Nhiệt hóa hơi 8.09kcal/kmol. Nhiệt độ tự bốc cháy trong không khí 538 o C. Nhiệt độ tới hạn 289.45 o C. Nhiệt nóng chảy 30,1 kcal/kmol. Độ hoà tan của nước trong benzen 0.05g/100g C 6 H 6. Nhiệt lượng nóng chảy 2,351 kcal/mol. Tỷ trọng tới hạn 0,3 g/ml. 7 Hằng số vật lý một số hydrocacbon thơm [ 3 ] : Công thức Tên gọi t nc 0 C t sôi 0 C Tỷ khối C 6 H 6 C 6 H 5 CH 3 C 6 H 5 (CH 3 ) 2 C 6 H 5 C 2 H 5 Benzen Toluen Xilen Para-xilen Octo-xilen Meta-xilen Etylbenzen +5,51 -95 +13,2 -29,0 -53,6 -94,0 80,1 110,6 138,4 144,4 139,1 136,2 0,8790 0,8669 0,8610 0,8802 0,8641 0,8669 3.Tính chất hóa học của benzen [ 2 ]. a.Phản ứng cộng hợp :Khó thực hiện, đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ, xúc tác, áp suất. + Phản ứng khử : + 3H 2 0 Ni,200 - 300 C,300 atm → benzen xyclohexan + Tác dụng với clo : + 3 Cl 2 8 Cl CH Cl– CH CH- Cl Cl – CH CH–Cl CH Cl nhiệt độ, áp suất ánh sáng X NO 2 FeX 3 55 – 60 0 C SO 3 H R H 2 SO 4 b.Phản ứng oxi hóa : Rất khó thực hiện.Các chất oxi hóa thông thường như KMNO 4 ,K 2 Cr 2 O 7 / H 2 SO 4 không có khả năng oxi hóa nhân benzen. Ởû nhiệt độ cao, benzen bò oxi hóa bởi oxi tạo anhydric maleic với sự có mặt của xúc tác V 2 O 5 : O CH C + 9/2O 2 O benzen CH C O anhydricaxetic c.Phản ứng thế electrophyl S E : phản ứng halogen hóa : + X 2 + HX ; (X = Cl, Br) Phản ứng nitro hóa : + HNO 3 + H 2 O Phản ưnùg sulfo hóa : + H 2 SO 4 + H 2 O Phản ứng ankyl hóa : + RCl + HCl Phản ứng axyl hóa : 9 450 0 C V 2 O 5 AlCl 3 102 0 116 0 130 0 114 0 O + R – C – Cl + + HCl II.Tính chất của axit nitric [ 4 – 134 ], [ 5 – 183 ]: Axit nitric có công thức phân tử HNO 3 là một axit mạnh được dùng làm tác nhân nitro hóa benzen để sản xuất nitrobenzen.Ở trạng thái hơi, phân tử axit nitric có cấu tạo phẳng. H O 0,96 A 0 1,21 A 0 O N 1,41 A 0 O 1.Tính chất vật lý của axit nitric: Ởû điều kiện thường axit nitric là chất lỏng không màu, bốc khói mạnh trong không khí. Axit nitric đặc tan trong nước theo bất kì tỷ lệ nào. Nó tạo nên với nước hỗn hợp đồng sôi chứa 69,2% axit và sôi ở 121,8 0 C dưới áp suất thường. Axit nitric tinh khiết kém bền, dễ bò phân hủy dưới tác dụng của ánh sáng và nhiệt : 4 HNO 3 = 4 NO 2 + O 2 + 2 H 2 O Khí NO 2 sinh ra lại tan vào axit nitric làm cho chất lỏng từ không màu trở nên có màu vàng. Bản thân axit nitric tinh khiết tự ion hóa như sau : 2 HNO 3 NO 2 + + NO 3 - + H 2 O Trong đó nồng độ của mỗi loại ion là 0,5 mol/lít ở nhiệt độ –10 0 C. Khi tan trong dung môi có khả năng cho proton mạnh hơn, như axit sulfuric và axit pecloric, axit nitric phân ly cho ion nitroni NO 2 + : HNO 3 + 2HClO 4 NO 2 + + 2ClO 4 - + H 3 O + 10 O C R AlCl 3 [...]... dùng để chuyển hoá thành anilin ,benzidin, dinitrobenzen ,làm chất xúc tiến lưu hoá cao su, dùng để sản xuất thuốc nhuộm anilin đen Ngoài ra còn dùng làm dung môi chọn lọc để tinh chế dầu mỏ và một số ứng dụng quan trọng nữa là dùng để sản xuất thuốc nổ và dùng trong y dược 18 Chương II CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NITROBENZEN [ 8} 1.Nitro hoá bằng axit HNO3 : Phản ứng xảy ra theo phương trình : ArH + HONO2... dùng NH4NO3 thì tốt hơn vì bisulfat amon dùng tốt và xử lý dễ dàng - Nếu dùng HNO3 để nitro hoá toluen sản phẩm tự oxi hoá là meta nitrobenzenandehyt Hiệu suất của nó tăng theo sự tăng của nhiệt độ 4.Nitro hoá khi có thêm HCH3COO hay alhydric axetic : Hỗn hợp của HNO3 với HCH3COO hay với alhydric axetic là hỗn hợp tác nhân nitro hoá Axit axetic là môi trường tốt để nitro hoá mạch nhánh Dùng alhydric... thường dùng trong công nghiệp thuốc nhuộm để điều chế mêta- nitronaptalin hoặc điều chế trong phòng thí nghiệm para dinitro benzen tinh khiết từ para nitro-anilin 6.Nitro hoá bằng oxit nitơ : Phương pháp này được nghiên cứu và đưa vào sản xuất từ năm 1910 đến 1915 Nitro hoá bằng oxit nitơ trong kỹ thuật rất ưu việt, vì nó không cần qua giai đoạn điều chế HNO3 Như ta đã biết sản xuất HNO3 từ oxit nitơ... NO2 nitrobenzen Sự xác nhận trên được tìm ra trong khi tách sản phẩm tương tự của sự kết hợp axit nitric với hydrocacbon không no, naphtalin và angtraxen Thiếu sót của sơ đồ trên là không được rõ ràng khi tiếp tục chuyển hoá sản phẩm kết hợp thành dẫn xuất của benzen 28 Titop nghiên cứu sự tác dụng của axit nitric với naphtalin thấy rằng sản phẩm nhận được không phải là đơn chất mà là một hỗn hợp chứa... để cho sản phẩm nitro hóa Titop xem mặt xấu này là nguyên nhân hạ thấp hằng số vận tốc của quá trình nitro hóa khi tăng nồng độ của H2SO4 qua một trò số xác đònh 4.Quá trình phụ khi nitro hóa : Ngoài những sản phẩm chính của phản ứng nitro hóa là hợp chất nitro ra, còn thấy tạo thành một số sản phẩm phụ ở những điều kiện nitro hóa khác nhau Những sản phẩm ấy được tạo ra do kết quả tham gia đồng thời... SẢN PHẨM [12- 415 ; 1 - 96 ]: 1.Tính chất vật lý của nitrobenzen : Nitrobenzen có công thức phân tử C6H5NO2, là hợp chất nitro thơm đơn giản nhất Chất lỏng như dầu Nitrobenzen được điều chế bằng cách dùng hỗn hợp HNO3 và H2SO4 để nitro hóa benzen Dùng làm nguyên liệu để sản xuất anilin, benzidin, thuốc nhuộm, dung môi và chất oxi hóa Nitrobenzen tinh khiết là chất lỏng không màu (nitrobenzen công nghiệp. .. nối đôi như những axit vô cơ khác đồng thời tạo thành nitrat của rượu không no theo sơ đồ : H C = C + HONO2 ONO2 C C Tronop cũng như Nanutkin và Zabrodin coi sự kết hợp của axit nitric với benzen theo sơ đồ của Gonleman Vilanda không rõ ràng Các nhà nghiên cứu này giả đònh rằng hợp chất trung gian tạo thành do kết quả của sự kết hợp axit nitric với hydrocacbon theo sơ đồ : O C6H6 + N O O C6H5 N OH O... tinh khiết là dung môi ion hóa (ε = 100 ở 250C) Bản thân axit cũng tự ion hóa theo sơ đồ : H2SO4 + H2SO4 H3SO4+ + HSO4- Axit sulfuric đặc nóng oxi hóa được cả những kim loại kém hoạt động như đồng, bạc, thủy ngân (ε0 > 0) và sản phẩm sựï khử H2SO4 là SO2 Ví dụ : 2 H2SO4 + Cu CuSO4 + SO2 + 2H2O Với các kim loại hoạt động, sản phẩm sự khử axit sulfuric ngoài SO 2 còn tạo thành S, H2S Ví dụ : Mg + 2H2SO4... bằng quang phổ của dung dòch HNO3 trong H2SO4 thấy xuất hiện một đường có tần số bằng 1400 cm-1, đường này không có trong HNO3 loãng, nhưng lại xuất hiện trong HNO3 đặc, khá mạnh và rõ rệt nhất trong hỗn hợp HNO3 + H2SO4 Cường độ đường này giảm đi khi hàm lượng nước trong hỗn hợp tăng lên Thí nghiệm đưa đến kết luận : có sự phân ly ra O = N+ = O mới làm xuất hiện đường thẳng của quang phổ Trong oleum... nucleophyl Ví dụ: Phản ứng thế nucleophyl của dẫn xuất halogen xảy ra thuận lợi khi trong vòng benzen ,ngoài nguyên tử halogen còn có nhóm -NO 2 ở các vò trí octo và para O2N CL + NaOH O2N OH + NaCL Nhóm -NO2 là nhóm hút electron mạnh làm phân tán điện tích âm và làm bề cacbanion trong phản ứng thế electrophyl 3.Ứng dụng của nitrobenzen: Nitrobenzen là một sản phẩm trung gian quan trọng Hầu hết nitrobenzen . Sơ đồ nitro hóa benzen theo Katter 43 3. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen của Nga 44 4. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen theo phương pháp liên tục 45 5. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen theo phương pháp gián. Kỹ thuật sản xuất quá trình nitro hóa 34 1. Thiết bò nitro hóa 34 2. Chuẩn bò hỗn hợp nitro hóa 37 3. Sản xuất những hợp chất nitro 40 IV .Sản xuất nitrobenzen 41 1. Sơ đồ sản xuất nitrobenzen. 11 II. Tính chất của sản phẩm 11 1. Tính chất vật lý của nitrobenzen 11 2. Tính chất hóa học của nitrobenzen 13. 3. Ứng dụng của nitrobenzene 14 Chương II : CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NITROBENZEN 15 1.