Caùc saûn phaåm hoùa hoïc noùi chung vaø ñaëc bieät laø caùc saûn phaåm cuûa ngaønh coâng ngheä toång hôïp höõu cô noùi rieâng, ñoùng vai troø quan troïng trong ñôøi soáng cuõng nhö trong söï phaùt trieån cuûa neàn kinh teá quoác daân. Caùc saûn phaåm naøy ñöôïc saûn xuaát chuû yeáu töø nguyeân lieäu ban ñaàu laø than ñaù vaø daàu moû, qua nhieàu quaù trình cheá bieán hoùa hoïc khaùc nhau, taïo neân caùc hôïp chaát höõu cô trung gian. Nitrobenzen laø moät trong caùc saûn phaåm trung gian ñoù.Do nhu caàu cuûa con ngöôøi ngaøy caøng cao, cho neân vieäc toângr hôïp ra hôïp chaát nitrobenzen laø heát söùc caàn thieát. Noù chieám moät vò trí quan troïng trong ngaønh coâng nghieäp hoaù chaát cuûa nöôùc ta hieän nay .Nitrobenzen coù raát nhieàu öùng duïng. Phaàn lôùn ñöôïc duøng ñeå toång hôïp anilin, benzidin, dinitrobenzen, thuoác nhuoäm … Moät löôïng nhoû nhöng khoâng keùm phaàn quan troïng duøng ñeå laøm dung moâi choïn loïc, saûn xuaát thuoác noå vaø duøng trong y döôïc.Ñeán nay, nitrobenzen vaãn ñöôïc saûn xuaát theo moät phöông phaùp duy nhaát laø nitro hoùa benzen vôùi qui moâ lôùn vaø khaù hoaøn thieän veà maët kyõ thuaät. Nguyeân lieäu chuû yeáu laø benzen , coøn taùc nhaân nitro hoùa coù theå coù nhieàu loaïi nhö axit nitric, muoái nitrat, oxit nitô … Nhöng trong coâng nghieäp hieän nay haàu nhö chæ söû duïng taùc nhaân nitro hoùa laø hoãn hôïp axit nitric vaø axit sulfuric, ngoaøi ra coù söû duïng natricacbonat vaø nöôùc.Do söï ña daïng veà nhöõng öùng duïng quan troïng cuûa nitrobenzen vaø do caùc nguyeân lieäu ñaàu cho saûn xuaát nitrobenzen ñeàu khoâng phaûi nguyeân lieäu nhaäp ngoaïi neân vieäc thieát keá moät daây chuyeàn saûn xuaát nitrobenzen laø caàn thieát. Coù nhö vaäy môùi taïo ra ñöôïc nhieàu saûn phaåm öùng duïng trong caùc ngaønh coâng nghieäp ñöa nöôùc ta daàn daàn tieán ñeán moät neàn coâng nghieäp hoùa hoïc tieân tieán hieän ñaïi.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen MỤC LỤC MỤC LỤC GIỚI THIỆU CHUNG Chương I :TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM I Tính chất nguyên liệu A Tính chất benzen Cấu tạo vòng benzen Tính chất vật lý benzen Tính chất hóa học benzen B Tính chất axit nitric Tính chất vật lý axit nitrric Tính chất hóa học axit nitrric C Tính chất axit sulfuric .11 Tính chất vật lý axit sulfuric 11 Tính chất hóa học axit sulfuric .11 D Tính chất Na2CO3 13 Tính chất vật lý Na2CO3 13 Tính chất hóa học Na2CO3 13 II Tính chất sản phẩm 14 Tính chất vật lý nitrobenzen 14 Tính chất hóa học nitrobenzen .15 Chương II : CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NITROBENZEN 18 Nitro hóa axit HNO3 .18 Nitro hóa axit HNO3 + H2SO4 18 Nitro hóa muối HNO3 19 Nitro hóa có thêm HCH3COO hay alhydric-axetic 19 Nitro hóa phương pháp nhóm sulfo, amino, diazo… nhóm NO2 20 Nitro hóa oxit nitơ 20 Nitro hóa oxit nitơ có mặt H2SO4 22 Nitro hóa HNO3 với tách nước phản ứng 22 SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Chương III : SẢN XUẤT NITROBENZEN TRONG CÔNG NGHIỆP 24 I Quá trình nitro hóa 24 II Lý thuyết chung 25 Bản chất tác nhân nitro hóa .25 Cơ chế phản ứng nitro hóa hỗn hợp H2SO4 + HNO3 .28 Động học phản ứng trình nitro hóa hỗn hợp HNO3 + H2SO4 31 Qúa trình phụ nitro hóa .33 Những yếu tố ảnh hưởng đến trình nitro hóa 34 III Kỹ thuật sản xuất trình nitro hóa 38 Thiết bò nitro hóa 38 Chuẩn bò hỗn hợp nitro hóa 41 Sản xuất hợp chất nitro .45 IV.Sản xuất nitrobenzen 46 Sơ đồ sản xuất nitrobenzen phương pháp liên tục hai bậc .46 Sơ đồ nitro hóa benzen theo Katter 47 Sơ đồ sản xuất nitrobenzen Nga .47 Sơ đồ sản xuất nitrobenzen theo phương pháp liên tục 48 Chương IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ .54 I Tính cân vật chất thiết bò nitro hóa 54 Lượng vật chất vào thiết bò phản ứng 55 Lượng vật chất khỏi thiết bò phản ứng 56 II Tính cân nhiệt lượng thiết bò nitro hóa 57 Nhiệt lượng nguyên liệu mang vào .58 Nhiệt lượng nước lạnh mang vào 59 Nhiệt lượng trinh nitro hóa sinh 59 Nhiệt lượng nước lạnh mang 59 Nhiệt lượng sản phẩm mang 59 Nhiệt lượng mát môi trường 60 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen GIỚI THIỆU CHUNG Các sản phẩm hóa học nói chung đặc biệt sản phẩm ngành công nghệ tổng hợp hữu nói riêng, đóng vai trò quan trọng đời sống phát triển kinh tế quốc dân Các sản phẩm sản xuất chủ yếu từ nguyên liệu ban đầu than đá dầu mỏ, qua nhiều trình chế biến hóa học khác nhau, tạo nên hợp chất hữu trung gian Nitrobenzen sản phẩm trung gian đó.Do nhu cầu người ngày cao, việc tôngr hợp hợp chất nitrobenzen cần thiết Nó chiếm vò trí quan trọng ngành công nghiệp hoá chất nước ta Nitrobenzen có nhiều ứng dụng Phần lớn dùng để tổng hợp anilin, benzidin, dinitrobenzen, thuốc nhuộm … Một lượng nhỏ không phần quan trọng dùng để làm dung môi chọn lọc, sản xuất thuốc nổ dùng y dược Đến nay, nitrobenzen sản xuất theo phương pháp nitro hóa benzen với qui mô lớn hoàn thiện mặt kỹ thuật Nguyên liệu chủ yếu benzen , tác nhân nitro hóa có nhiều loại axit nitric, muối nitrat, oxit nitơ … Nhưng công nghiệp sử dụng tác nhân nitro hóa hỗn hợp axit nitric axit sulfuric, có sử dụng natricacbonat nước Do đa dạng ứng dụng quan trọng nitrobenzen nguyên liệu đầu cho sản xuất nitrobenzen nguyên liệu nhập ngoại nên việc thiết kế dây chuyền sản xuất nitrobenzen cần thiết Có tạo nhiều sản phẩm ứng dụng ngành công nghiệp đưa nước ta tiến đến công nghiệp hóa học tiên tiến đại SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Chương I TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM A TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU I.Tính chất benzen [ – 120 ] Benzen có công thức hóa học C6H6 Benzen hydrocacbon thơm trạng thái lỏng, không màu, linh động, có chiết suất cao, có mùi thơm đặc biệt Benzen không tan nước, tan rượu, ete, dầu hỏa Benzen hòa tan nhiều chất nhựa, mỡ, lưu huỳnh nhiều chất khác không tan nước Do benzen dung môi thông dụng Benzen nguồn nguyên liệu quan trọng công nghiệp phẩm nhuộm anilin, dược phẩm, việc sản xuất chất phụ để nâng cao số octan nhiên liệu động ôtô máy bay.Năm 1825 Faraday người tìm benzen Benzen tách từ chất lỏng ngưng tụ cách nén khí dầu mỏ.Năm 1845 A.W.Hofman thu benzen từ đàu nhẹ nhựa than Cấu tạo vòng benzen [ – 12 ] *Theo quan điểm cổ điển: phân tư ûbenzen có cấu tạo mạch vòng khép kín Nhiều tác giả đề nghò công thức cấu tạo vòng benzen, có công thức Kekule sử dụng nhiều Mặc dù vậy, công thức Kekule không phản ánh đầy đủ tính chất benzen Theo quan điểm đại: Benzen có cấu tạo vòng cạnh phẳng Các nguyên tử cacbon vòng trạng thái lai hóa sp2 Mỗi nguyên tử cacbon electron p chưa lai hóa Sáu electron p nguyên tử cacbon không xen phủ hai bên tạo đám mây electron p phân bố nguyên tử cacbon vòng biểu diễn công thức sau: SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Các góc hóa trò 1200 C C C C H C Độ dài kiên kết C – C có giá trò trung gian liên kết đơn C – C liên kết đôi C = C C C 1,54 A0 C C C 1,40 A0 C 1,34 A0 Chúng ta dễ dàng nhận thấy electron p xen phủ khép kín nên liên kết C – C vòng không mang tính chất liên kết đôi C = C Phân tử benzen có mật độ electron p phân bố đều, phân tử hoàn toàn đối xứng, bền, mà khó cộng hợp, khó oxi hóa Nó dễ phá vỡ cấu trúc bền vòng Tính chất vật lý benzen [ ] Dưới thông số vật lý benzen: Điểm nóng chảy 5,5330C Điểm sôi 80,10C Khối lượng riêng 25oC: 879 kg/m3 Độ nhớt 200C 0,649.10-3 N.s/m2 Sức căng bề mặt 200C 29.10-3 N/m Nhiệt dung riêng 200C 1730 J/kg.đo Nhiệt độ chớp cháy cốc kín –11,1oC Nhiệt cháy đẳng áp 25oC 9,999 kcal/mol Nhiệt hóa 8.09kcal/kmol SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Nhiệt độ tự bốc cháy không khí 538oC Nhiệt độ tới hạn 289.45oC Độ hoà tan nước 25oC 0.18g/100g H20 p suất tới hạn 48.6 atm Nhiệt nóng chảy 30,1 kcal/kmol Độ hoà tan nước benzen 0.05g/100g C6H6 Nhiệt lượng nóng chảy 2,351 kcal/mol Tỷ trọng tới hạn 0,3 g/ml Hằng số vật lý số hydrocacbon thơm [ ] : Công thức Tên gọi tnc0C tsôi0C Tỷ khối C6H6 Benzen +5,51 80,1 0,8790 C6H5CH3 Toluen -95 110,6 0,8669 C6H5(CH3)2 Xilen Para-xilen +13,2 138,4 0,8610 Octo-xilen -29,0 144,4 0,8802 Meta-xilen -53,6 139,1 0,8641 Etylbenzen -94,0 136,2 0,8669 C6H5C2H5 Tính chất hóa học benzen [ ] a Phản ứng cộng hợp : Khó thực hiện, đòi hỏi điều kiện khắc nghiệt : nhiệt độ, xúc tác, áp suất + Phản ứng khử : SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Ni,200 - 300 0C,300 atm + 3H2 benzen xyclohexan + Tác dụng với clo : Cl CH + CI2 nhiệt độ, áp suất ánh sáng Cl– CH CH- Cl Cl – CH CH–Cl CH Cl a Phản ứng oxi hóa : Rất khó thực Các chất oxi hóa thông thường KMNO4 ,K2Cr2O7 / H2SO4 khả oxi hóa nhân benzen nhiệt độ cao, benzen bò oxi hóa oxi tạo anhydric maleic với có mặt xúc tác V2O5 : O + benzen 9/2O2 450 C V2O5 CH C O CH C O anhydricaxetic SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen b.Phản ứng electrophyl SE : phản ứng halogen hóa : X + X2 FeX3 + HX ; (X = Cl, Br) Phản ứng nitro hóa : + HNO3 NO2 H2SO4 + H2O 55 – 60 C Phản ưnùg sulfo hóa : SO3H + H2SO4 + Phản ứng ankyl hóa : R AlCl3 + RCl + HCl O C R Phản ứng axyl hóa : O + R – C – Cl H2O + AlCl3 + HCl II.Tính chất axit nitric [ – 134 ], [ – 183 ] Axit nitric có công thức phân tử HNO3 axit mạnh dùng làm tác nhân nitro hóa benzen để sản xuất nitrobenzen Ở trạng thái hơi, phân tử axit nitric có cấu tạo phẳng SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen H O 0,96 A0 1020 O 1160 N 1,21 A0 1300 1140 1,41 A0 O I Tính chất vật lý axit nitric Ởû điều kiện thường axit nitric chất lỏng không màu, bốc khói mạnh không khí Axit nitric đặc tan nước theo tỷ lệ Nó tạo nên với nước hỗn hợp đồng sôi chứa 69,2% axit sôi 121,8 0C áp suất thường Axit nitric tinh khiết bền, dễ bò phân hủy tác dụng ánh sáng nhiệt : HNO3 = NO2 + O2 + H2O Khí NO2 sinh 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 sau : HNO3 NO2+ + NO3- + H2O Trong nồng độ loại ion 0,5 mol/lít nhiệt độ –100C Khi tan dung môi có khả cho proton mạnh hơn, axit sulfuric axit pecloric, axit nitric phân ly cho ion nitroni NO2+ : HNO3 + 2HClO4 4HNO3 + 2H2SO4 NO2+ + 2ClO4- + H3O+ 4NO2+ + 2HSO4- + H3O+ Qúa trình phân ly tạo nên nhiều ion nitroni tự ion hóa axit nitric Một số tính chất vật lý axit nitric [6] : Nhiệt độ sôi SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 82,60C ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Nhiệt độ kết tinh -41,590C Khối lượng riêng 200C 1512,8 kg/m3 Chỉ số khúc xạ nD25 1,397 Độ nhớt 200C 0,8.10-3 N.s/m2+ Nhiệt tạo thành pha lỏng 2,7474 J/g Nhiệt tạo thành pha khí 2,1258 J/g Nhiệt hóa 200C 626,3 J/g Nhiệt dung riêng 200C 1.748 j/g.độ Nhiệt nóng chảy 600 kcal/kmol 2.Tính chất hóa học axit nitric : Axit nitric axit mạnh, tương đối bền, oxi hóa mạnh tác nhân nitric hóa a Tác dụng với kim loại : Axit nitric tương tác với hầu hết kim loại trừ Au, Pt, Rh, Ta Ir Tùy thuộc vào nồng độ axit, nhiệt độ chất kim loại mà sản phẩm thu HNO2, NO2, N2O, N2 , NH4+ Nói chung kim loại điện cực nhỏ điện cực hidro khử axit nitric đến N2O, N2, NH4+ Ví dụ : 4Zn + 10HNO3(loãng) = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O Những kim loại khác khử axit nitric đặc đến NO2 khử axit nitric loãng đến NO Ví dụ : 3CU + 8HNO3(loãng) Pb + 4HNO3(đặc) = 3CU(NO3)2 + 2NO + 4H2O = Pb(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O Điều lạ số kim loại thông thường Fe, Al, Cr không tương tác với axit nitric đặc mà axit thụ động hóa (do tạo thành màng oxit mỏng khó tan) SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen (kÕt thóc!) (®Õn tÝnh to¸n) SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 119 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 120 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 121 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 122 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Chương IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ _ Thiết kế phân xưởng sản xuất nitrobenzen suất 45.000 tấn/năm _ Các số liệu ban đầu : + Benzen kỹ thuật (C6H6) 98% , 2% tạp chất + Axit sulfuric (H2SO4) 96% + Hỗn hợp nitro hóa có thành phần sau : 88%HNO3, 8%H2SO4, 4% H2O + Dung dòch muối natrricacbonat (Na2CO3) 6% + Hiệu suất giai đoạn : Hiệu suất chung 94% Nitro hóa 98% SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 123 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Lắng 99% Trung hòa 98% Rửa 98,5% Nitrobenzen kỹ thuật thu có nồng độ 99% I TÍNH CÂN BẰNG VẬT CHẤT THIẾT BỊ NITRO HÓA - Quá trình nitro hóa tạo thành theo phản ứng : Nếu nhà máy sản xuất 340 ngày năm (25 ngày để bảo dưỡng, sửa chữa đònh kỳ) lượng nitrobenzen thu : 45000.1000 5514,706(kg / h) 25(365 25).24 Lượng nitrobenzen tinh khiết thu : 5515,706 0,99 = 5459,559 (kg/h) Lượng nitrobenzen tinh khiết tính theo kmol/h : 5459,559 / 123 = 44,387 (kmol/h) Lượng vật chất vào thiết bò phản ứng : a.Lượng benzen tinh khiết vào thiết bò : 44,387 / 0,94 = 47,220 (kmol/h) Lượng benzen tinh khiết vào thiết bò : 44,220 78 = 3683,16 (kg/h) Lượng benzen thô vào thiết bò có nồng độ 98% : 3683,16 / 0,98 = 3758,327 (kg/h) Lượng tạp chất 2% vào thiết bò : 3758,327 - 3683,16 = 75,167 (kg/h) b.Lượng HNO3 đưa vào thiết bò theo phản ứng : 47,220 (kmol/h) Vậy khối lượng HNO3 đưa thiết bò : 47,220 63 = 2974,860 (kg/h) SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 124 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Vì theo đề không cho biết nồng độ HNO3 ta coi HNO3 đưa vào thiết bò dạng tinh khiết : 2974,860 (kg/h) c.Lượng H2SO4 tinh khiết cần đưa vào hỗn hợp nitro hóa : 2974,86.8 270,706(kg / h) 88 Theo đề H2SO4 có nồng độ 96%, H2SO4 thô có khối lượng : 270,442 / 0,96 = 281,710 (kg/h) Vậy lượng nước chứa H2SO4 : 281,71 – 270,442 = 11,268 (kg/h) Lượng nước kèm hỗn hợp nitro hóa : 2974,86.4 135,221(kg / h) 88 Tổng khối lượng hỗn hợp nitro hóa : 2974,86 + 270,442 + 135,221 = 3380,523 (kg/h) Lượng vật chất khỏi thiết bò phản ứng : -Khối lượng nitrobenzen khỏi thiết bò nitro hóa: 3683,16.123 0,98 5691,899(kg / h) 78 -Lượng nước khỏi thiết bò nitro hóa gồm : + Lượng nước phản ứng tạo : 3683,16.18 0,98 832,961(kg / h) 78 + Lượng nước vào hỗn hợp nitro hóa : 135,221 (kg/h) + Tổng lượng nước khỏi thiết bò nitro hóa : 832,961 + 135,221 = 968,182 (kg/h) -Lượng benzen chưa phản ứng : SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 125 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen 3683,16 - 3683,16 0,98 = 73,663 (kg/h) -Lượng HNO3 chưa phản ứng : 2974,86 - 2974,86 0,98 = 59,497 (kg/h) -Khối lượng H2SO4 : 270,442 (kg/h) -Khối lượng tạp chất : 75,167 (kg/h) Lượng vào Tên nguyên liệu Khối lượng (kg/h) Lượng Thành phần (%) Hỗn hợp nitro hóa: Tên sản phẩm Khối lượng (kg/h) Thành phần (%) C6H5NO2 5691,899 79,73 HNO3 2974,860 88 HNO3 59,497 0,83 H2SO4 270,442 H2SO4 270,442 3,79 H2O 135,221 H2O 968,182 13,56 Tổng 3380,523 100 C6H6 73,663 1,03 Benzen 3683,160 98 Tạp chất 75,167 1,05 Tạp chất 75,167 Tổng 3758,327 100 Tổng cộng 7138,850 Tổng 7138,850 100 II TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯNG THIẾT BỊ NITRO HÓA : Trong dây chuyền công nghệ sản xuất nitrobenzen, đa số giai đoạn làm việc nhiệt độ thường, có giai đoạn nitro hóa giai đoạn làm lạnh có trao đổi nhiệt độ Do cần tính cân nhiệt lượng thiết bò nitro hóa thiết bò làm lạnh Trong giới hạn đồ án môn học tính cân nhiệt lượng thiết bò nitro hóa SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 126 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Phương trình cân nhiệt lượng : Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 Trong : Q1 : Lượng nhiệt nguyên liệu mang vào, kcal/h Q2 : Lượng nhiệt nước làm lạnh mang vào, kcal/h Q3 : Nhiệt lượng tỏa trình nitro hóa, kcal/h Q4 : Lượng nhiệt mát môi trường xung quanh, kcal/h Q5 : Lượng nhiệt nước làm lạnh mang ra, kcal/h Q6 : Lượng nhiệt sản phẩm mang ra, kcal/h Nhiệt lượng nguyên liệu mang vào : Q1 = QA + QB = GA CA tA + GB CB tB Trong : QA : Nhiệt lượng hỗn hợp nitro hóa mang vào, kcal/h QB : Nhiệt lượng benzen mang vào, kcal/h GA : Khối lượng hỗn hợp nitro hóa, GA = 3380,523 (kg/h) GB : Khối lượng benzen, GB = 3758,327 (kg/h) CA : Nhiệt dung riêng hỗn hợp nitro hóa, kcal/kg.độ CB : Nhiệt dung riêng benzen (coi nhiệt dung riêng củ a tạp chất benzen), CB = 0,418 (kcal/kg.độ) tA : Nhiệt độ vào hỗn hợp nitro hóa, tA = 250C tB : Nhiệt độ vào benzen, tB = 250C Nhiệt dung riêng hỗn hợp nitro hóa tính theo công thức: C = x i Ci Trong : xi : phần khối lượng cấu tử hỗn hợp Ci : Nhiệt dung riêng cấu tử SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 127 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Hỗn hợp nitro hóa bao gồm : 88%HNO3; 8%H2SO4; 4%H2O Ở 250C, cấu tử có nhiệt dung riêng sau : C(HNO3) = 0,7 (kcal/kg.độ) C(H2SO4) = 0,565 (kcal/kg.độ) C(H2O) = (kcal/kg.độ) Thay số vào ta có : C = 0,88 0,7 + 0,08 0,565 + 0,04 = 0,701 (kcal/kg.độ) Vậy Q1 = 3380,523 0,701 + 3758,327 0,418 = 3940,727 (kg/h) Nhiệt lượng nước lạnh mang vào : Q2 = G C tđ (kcal/h) Trong : tđ : Nhiệt độ nước lạnh mang vào, tđ = 250C C : Nhệt dung riêng nước lạnh mang vào, C = (kcal/kg.độ) G : Khối lượng nước làm lạnh, kg/h Vậy Q2 = 25.G(kcal/h) Nhiệt lượng trình nitro hóa sinh : Hiệu ứng nhiệt trình nitro hóa H = -117(kj/mol) = -227,35 (kcal/kg) Khối lượng nitrobenzen sinh : 5459,559 (kg/h) Vậy lượng nhiệt sinh phản ứng : Q3 = 227,35 5459,559 = 1241230,739 (kcal/h) Nhiệt lượng nước làm lạnh mang : Q5 = G C tđ (kcal/h) Trong : SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 128 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen G : Khối lượng nước làm lạnh (kg/h) C : Nhiệt dung riêng nước nhiệt độ khỏi thiết bò, C = (kcal/kg.độ) tc : Nhiệt độ nước ra, tc = 450C Thay số, ta có : Q5 = 45.G (kcal/h) Nhiệt lượng sản phẩm mang : Q6 = Gsp Csp tsp (kcal/h) Trong : Gsp : Lượng sản phẩm, kg/h Csp : Nhiệt dung riêng hỗn hợp sản phẩm, kcal/kg.độ tsp : Nhiệt độ hỗn hợp sản phẩm khỏi thiết bò, tsp = 500C Hỗn hợp sản phẩm có thành phần sau : Lượng nitrobenzen thu = 5691,899 (kg/h) chiếm 79,73% Lượng benzen dư tạp chất = 73,663 + 75,167 = 148,83 (kg/h) chiếm 2,08% Lựơng HNO3 dư = 59,497 (kg/h) chiếm 0,83% Tổng lượng nước có sau phản ứng = 968,182 (kg/h) chiếm 13,56% Lượng H2SO4 = 270,442 (kg/h) chiếm 3,79% Tổng : 7138,85 (kg/h) Nhiệt dung riêng cấu tử thành phần nhiệt độ đầu 500C : C(H2SO4) = 0,678 (kcal/kg.độ) C(HNO3) = 0,908 (kcal/kg.độ) C(H2O) = (kcal/kg.độ) C(C6H6) = 0,445 (kcal/kg.độ) SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 129 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen C(C6H5NO2) = 0,330 (kcal/kg.độ) p dụng công thức : Csp = xi Ci = 0,7973 0,33 + 0,0208 0,445 + 0,0083 0,908 + 0,1356 + 0,0379 0,678 = 0,441 (kcal/kg.độ) Q6 = 7138,85 0,441 50 = 157411,643 (kal/h) Nhiệt lượng mát môi trường : Nhiệt mát môi trường xấp xỉ 5% lượng nhiệt mà chất tải nhiệt mang vào Q4 = 0,05 (Q5 – Q2) = 0,05 (45.G – 25.G) = G Thay số liệu tính vào phương trình cân nhiệt lượng, ta có : 3940,727 + 25.G + 1241230,739 + G = 45.G + 157411,643 Vậy G = 57250,517 (kg/h) Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh : Q4 = 57250,517 (kcal/h) Nhiệt lượng tác nhân lạnh mang vào : Q2 = 25.G = 25 57250,517 = 1431262,925 (kcal/h) Nhiệt lượng tác nhân lạnh mang khỏi thiết bò : Q5 = 45.G = 45 57250,517 = 2576273,265 (kcal/h) Bảng cân nhiệt lượng thiết bò nitro hóa Nhiệt lượng vào (kcal/h) Nhiệt lượng nguyên liệu mang vào Q1 3940,727 Nhiệt lượng nước làm lạnh mang vào Q2 1431262,925 Nhiệt lượng tỏa phản ứng nitro hóa Q3 1241230,739 Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh Q4 SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 57250,517 130 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Tổng 2733684,908 Nhiệt lượng (kcal/h) Nhiệt lượng nước làm lạnh mang Q5 Nhiệt lượng hỗn hợp sản phẩm mang Q6 Tổng 2576273,265 157411,643 2733684,908 KẾT LUẬN Qua thời gian tìm kiếm nghiên cứu tài liệu, em nhận thấy việc đưa nitrobenzen vào sản xuất có tầm quan trọng lớn, nitrobenzen sản phẩm có giá trò, sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp Được thiết kế dây chuyền sản xuất nitrobenzen phục vụ cho ngành tổng hợp hữu ước muốn lớn sinh viên công nghệ hóa học Được giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Hoàng Xuân Tiến em hoàn thành đồ án thiết kế phân xưởng sản xuất nitrobenzen với suất 45.000 (tấn/năm) Do thời gian có hạn nên qua trình hoàn thành đồ án không tránh khỏi sai sót, em tất mong bảo góp ý thầy cô để bẩn đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 31 tháng 01 năm 2004 SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 131 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Sinh viên Trần Phi Hằng TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Minh Châu Hóa hữu Trường Đại Học Sư Phạm Qui Nhơn 1995 Nguyễn Thò Thanh Hóa hữu Tập – Hợp chất hữu mạch vòng Nhà xuất Giáo Dục 1998 Lê Mậu Quyền Hóa học vô Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật 2000 Hoàng Nhâm Hóa học vô Tập Nhà xuất Giáo Dục 1999 Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn tổng hợp hữu Kỹ thuật tổng hợp chất hữu trung gian 1974 Trần Xoa, Nguyễn Trọng Khuông, Hồ Lê Viên Sổ tay trình thiết bò công nghệ hóa chất Tập Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật 1992 SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 132 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Nguyễn Thạc Cát (Chủ Biên), Hoàng Minh Châu, Đỗ Tất Hiển, Nguyễn Quốc Tín Từ điển hóa học phổ thông Nhà xuất Giáo Dục 2002 Vũ Thế Trí Tổng hợp chất trung gian Đại Học Bách Khoa Hà Nội 1974 Ullman’s encyclopedia of industrial chemistry Vol A17 SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 133 [...]... anilin ,benzidin, dinitrobenzene,lamf 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 moat số ứng dụng quan trọng nửa là dùng để sản xuất thuốc nổ và dùng trong y dược SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Chương II CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NITROBENZEN [ 8 ]... nitro hoá benzen bằng etylnitrat, thấy rằng phân tử axit SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 29 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen nitric tham gia chủ yếu để tạo thành sản phẩm trong đó một phân tử hoạt hoá phân tử benzen còn phân tử thứ hai được kết hợp như sơ đồ : O N O H OH (HNO3) Qua một số nghiên cứu khác Tronop còn thấy rằng giữa nitrobenzen và axit nitric tồn tại một phức... sự ion hoá phân tử N2O4 như sơ đồ : AlCl3 + N2O4 AlCl3.NO2.NO2 H AlCl3.NO2.NO2 + C6H6 NO2 ( NO2AlCl )H+ SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 21 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Trong hợp chất trung gian này, hydrozen liên kết với nguyên tử cacbon cùng với NO2 , dễ dàng tách ra dưới dạng ion để tạo thành nitrobenzen rồi kết hợp với phân tử thứ hai AlCl3 thành phân tử Người... lạnh trong hay cả hai phương pháp Vì lí do an toàn, thiết bò thong được giới hạn khả năng chứa khoảng 6000 lít ,kết hợp với máy khoấy Quá trình liên tục dùng cho sản xuất hợp chất trung gian (nitrobenzene , dinitrobenzen…) có độ an toàn và hiệu quả kinh tế cao SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Hai lónh vực quan trọng trong công nghệ... sản xuất anilin, benzidin, thuốc nhuộm, dung môi và chất oxi hóa 1.Tính chất vật lý của nitrobenzen : Nitrobenzen tinh khiết là chất lỏng không màu (nitrobenzen công nghiệp có màu vàng), có mùi hạnh nhân, độc, ít tan trong nước, có thể bay hơi theo hơi nước Nitrobenzen dễ tan được trong hầu hết các dung môi hữu SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen. .. benzen với axit nitric cho rằng đầu tiên axit nitric kết hợp với nhân thơm theo nối đôi rồi tiếp tục tách nước thành nitrobenzen SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 28 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen H - OH - H2O + H NO2 NO2 NO - 2 benzen 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... Trong đó axit nitric khan phần lớn HNO3 nằm ở dạng phân tử trung hoà HONO2 Một vài tính chất của HNO3 như sự biến đổi sức căng bề mặt SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen cùng với nhiệt độ, trọng lượng phân tử, quang phổ tử ngoại chứng tỏ có sự liên hợp các phân tử của axit nitric do liên kết hydro theo cấu tạo sau : O .H–O O N N O... triệt để hơn SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen 1 Tính chất vật lý của axit sulfuric Axit sulfuric là một chất lỏng nặng (d = 1,827 g/cm3 ), sánh như dầu, không có màu và mùi, các phân tử liên hợp với nhau bằng liên kết hidro, đông đặc ở 10,370C và sôi kèm theo sự phân hủy ở khoảng 2800C Hỗn hợp đồng sôi ở áp suất 1 atm chứa 98,2% H2SO4... hai dạng đồng phân : N2O4 2NO2 Ở nhiệt độ thấp nằm ở dạng đồng phân đimer oxit nitơ khi nhiệt độ lớn hơn 1400C thì N2O4 phân ly hoàn toàn Khi nhiệt độ 270C khoảng 20% N2O4 nằm dưới dạng monomer Màu sắc của N2O4 cũng thay đổi theo nhiệt độ, khi ở – 500C là tinh thể không màu, khi ở 1830C là khí màu đen SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Phản... Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Phản ứng khử hoá có thể tiến hành với hydro phân tử H2, dùng xúc tác Ni hoặc Pt, Pd b Phản ứng thế electrophyl : NO2 là nhóm thụ động hoá nhân benzen trong phản ứng SE , và là nhóm đònh hướng meta : Ví dụ : NO2 NO2 + Cl2 FeC3 + HCl Cl m – clo – nitrobenzen Nitrobenzen c Phản ứng thế nucleophyl: Nhóm -NO2 thể ... trọng nửa dùng để sản xuất thuốc nổ dùng y dược SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen Chương II CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT NITROBENZEN [... phân tử axit SV: Phạm Ngọc Hợp- Lớp: Hoá Dầu - K44 29 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết Kế Phân Xưởng Sản Xuất Nitrobenzen nitric tham gia chủ yếu để tạo thành sản phẩm phân tử hoạt hoá phân tử benzen phân. .. thuật sản xuất trình nitro hóa 38 Thiết bò nitro hóa 38 Chuẩn bò hỗn hợp nitro hóa 41 Sản xuất hợp chất nitro .45 IV .Sản xuất nitrobenzen 46 Sơ đồ sản xuất nitrobenzen