CC BY
64
РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПРОИЗВОДСТВА СТИФНИНОВОЙ КИСЛОТЫ
В.А. Ермолаева, канд. хим. наук, доцент В.В. Кузнецова, студент Муромский институт (филиал) ВлГУ (Россия, г. Муром)
DOI: 10.24411/2500-1000-2019-10566
Аннотация. Рассмотрен процесс производств стифниновой кислоты в две стадии: сульфирование резорцина, окислительное нитрование полученного дисульфорезорцина. Дана характеристика основного технологического оборудования (нитратор, аппарат промывки, шаровая мельница). Приведена характеристика целевого продукта - тринит-рорезорцина и исходного сырья (резорцин, серная кислота, концентрированная азотная кислота, меланж кислотный). Произведен расчет материального баланса стифниновой кислоты.
Ключевые слова: тринитрорезорцин, нитрование, нитратор.
Тринитрорезорцин (стифниновая кислота) используется в промышленности как полупродукт для синтеза ТНРС (три-нитрорезорцинат свинца). Энергонасыщенные материалы или взрывчатые вещества, широко используются в военном деле и народном хозяйстве, поэтому их производство является высокоразвитой технологией. В аналитической химии стифниновая кислота также нашла применение в качестве индикатора для определения железа, индигокармином при бромометрическом определении йодного числа и для обнаружения аммиака.
Характеристика исходного сырья и целевого продукта
Данная работа посвящена изучению производства стифниновой кислоты. Была проведена характеристика целевого продукта, тринитрорезорцина. Исходными материалами являются резорцин, серная кислота, концентрированная азотная кислоты и меланж кисотный. Тринитроре-зорцин (2,4,6-тринитро-1, 3 -диоксибензол, стифниновая кислота, ТНР) — химическое соединение С6Н(К02)3(0Н)2, светло-желтые гексагональные кристаллы. Концентрированный водный раствор тринит-рорезорцина растворяет железо и цинк с выделением водорода, особенно легко протекает реакция при нагревании. На медь, серебро, свинец, олово и кадмий он не действует. Карбонаты разлагаются три-
нитрорезорцином с выделением углекислоты.
Резорцин (С6Нб02) является производным фенола, используется в производстве синтетических красителей, некоторых полимеров (например, резорцин-альдегидных смол), в медицине в качестве дезинфицирующего средства при лечении кожных заболеваний. В качестве реагента для колориметрического определения фурфурола, углеводов, 2п, РЬ и других элементов, в продукции пластификаторов и как ИУ амортизатор в полимерах. Бесцветные кристаллы, до 70,8 °С существуют в а-модификации, выше в р-модификации. Может самовоспламеняться при температуре 608°С, плавится при 109-110°С, легко растворим в этаноле, диэти-ловом эфире, ацетоне, воде.
Серная кислота является одним из самых известных и широко распространенных химических соединений, бесцветная жидкость с маслянистыми свойствами. Серная кислота широко применяется в технологиях и различных отраслях. На данный момент эта кислота является одной из самых важных и наиболее распространенных продуктов химической промышленности.
Азотная кислота - токсичное вещество, которое является сильным окислителем и коррозионно-активным. Когда содержание основного вещества составляет более 89%,
ее называют «дымящей». Химические свойства азотной кислоты отличают ее от разбавленных серной или соляной кислоты тем, что азотная кислота является более сильным окислителем, поэтому водород никогда не выделяется в реакциях с металлами. Благодаря своим окислительным свойствам она также реагирует со многими неметаллами.
Меланж используют для приготовления нитросмеси любой концентрации, хранят в стальных емкостях, при этом азотную кислоту приходится хранить и транспортировать в алюминиевых емкостях. Негорючая, пожароопасная жидкость, сильный окислитель, растворим в воде. При соприкосновении со многими веществами вызывает их самовоспламенение.
Технологический процесс и оборудование
Рассмотрен и описан технологический процесс производства стифниновой кислоты, осуществляемый в две стадии. На первой стадии производят сульфирование резорцина в водной среде с одновременным сливом в реактор раствора серной кислоты, водного раствора резорцина.
СбН4(ОН)2 + 2И2804 ^
СбН2(0Н)2(80204) + 2Н2О (1)
На второй стадии производят окислительное нитрование полученного дисуль-форезорцина в водном растворе азотной кислоты:
C6H2(OH)2(SO2O4)
+
3HNO3
СбН(0Н)2(К02)э + 2Н2Б04 + Н2О (2)
Производят перекачивание насосом серной и азотной кислот из цистерны транспортировки в ёмкость хранения. Для приготовления кислотного меланжа подают азотную и серную кислоты из ёмкости хранения в мерник с помощью центробежного насоса, перемешать смеси и дать отстой. Содержание азотной кислоты в меланже не менее 87% и серной не менее 6,5%.
Производят измельчение резорцина в барабане шаровой мельницы, чтобы подготовить его к сульфированию, просеивают через шёлковую сетку и взвешивают. Используется водный раствор серной кислоты с содержанием моногидрата не менее 90%, подогревается до 900С, затем ох-
ладается до 300С. Низкая температура позволяют снизить скорость побочных окислительных процессов и увеличить выход дисульфорезорцина. На стадии окислительного нитрования подается меланж (смесь концентрированной азотной кислоты с купоросным маслом; жидкость с желтоватым или коричневым оттенком) в мерник с помощью сжатого воздуха перемешивая (температура смеси не выше 400С). Коэффициент заполнения нитратора 0,60-0,65. Мольное соотношение дисуль-форезорцин:азотная кислота 1:5. Дозировку дисульфорезорцина проводят порционно при температуре 60-65°С в течение 7080 минут, не допуская бурного окисления и вспенивания нитромассы. По окончании дозировки дисульфорезорцина реакционную массу выдерживают в течение 15-20 минут при температуре 65°С, затем массу нагревают до температуры 75-85°С и выдерживают при этой температуре 20-30 минут. После окончания выдержки реакционную массу охлаждают до температуры 20-25°С и сливают на вакуум-воронку. Промывка тринитрорезорцина на вакуум-воронке проводится водой от промывки реактора при перемешивании в соотношении к воде 1:1 в два приема. Применение на стадии окислительного нитрования низкой концентрации азотной кислоты и более низкой температуры позволило сократить время присыпки дисульфорезор-цина, снизить влияние побочных окислительных процессов и увеличить выход готовой продукции.
Основной нитратор представляет собой устройство, состоящее из двух компонентов: смесителя и трубчатого теплообменника. Смесительный агрегат действует как обычный циркуляционный насос с мешалкой типа пропеллера со скоростью 980 об/мин. Привод мешалки индивидуальный, расположенный на крышке блока аварийного сброса реакционной массы. Материал - 12Н18Ш0Т.
Шаровая мельница. Помол твердых материалов до разной величины зерна внутри барабана происходит благодаря передвижению шаров. Производительность мельниц зависит от формы размольных тел, степени наполненности ими барабана и
—>
скорости его вращения. Аппарат промывки представляет собой вертикальное устройство, оснащенное катушкой и пропеллерной мешалкой, устройство объединяется с сепаратором. На крышке сепаратора установлен электродвигатель мощностью 11 кВт.
Расчет материального баланса производства стифниновой кислоты
Исходные данные: производительность стифниновой кислоты - 30 т (1250 кг/ч); конверсия резорцина 43%; концентрация резорцина 99,2%; состав нитрующей смеси: азотная кислота 87%; серная кислота 6,5%; вода 5,5%; Массовое соотношение дисульфорезорцин - азотная кислота 1:5; потери резорцина 3% масс.
1. Количество стифниновой кислоты: 1250/245,11 =5,1 кмоль/ч.
2. Исходя из уравнения кол-во резорцина, пошедшего на сульфирование, 5,1 кмоль/ч, масса резорцина прореагировавшего 561,51 кг/ч, из них масса чистого резорцина с учетом 43 %-конверсии 1305,8 кг/ч; Учитывая потери 3 % масс, всего чистого резорцина вступило в реакцию 1305,8 * 100/97 = 1346,2 кг/ч (12,23 кмоль/ч).
3. Масса потерь резорцина: 40,4 кг (0,367 кмоль/ч).
Таблица 1.
Заключение
В данной работе был охарактеризован технологический процесс производства стифниновой кислоты путём нитрования резорцина нитрующей смесью (серной и азотной кислоты). Дали характеристику основного технологического оборудова-
4. Учитывая концентрацию резорцина 99,2 % масс, масса технического резорцина: 1346,2* 100/99.2 =1357,06 кг.
5. Массовое соотношение дисульфоре-зорцина - нитрирующая смесь 1: 5, таким образом, масса нитрирующей смеси 6731 кг: масса азотной кислоты: = 6731 * 87/100 = 5855, 97 кг (92,95 кмоль/ч), масса серной кислоты 6731 * 6,5/100 = 473,5 кг/ч (4,46 кмоль/ч), масса воды: 6731 * 5,5/100 = 370,205 кг/ч (20,57 кмоль/ч).
6. Кол-во воды по реакции (1) 10,2 кмоль/ч (183,6 кг/ч), по реакции (2) 2,65 кмоль/ч (47,7 кг/ч).
7. Масса не прореагировавшего резорцина: 784,96 кг/ч (7,13 кмоль/ч)
8. Производительность по дисульфоре-зорцину: 15т/сут = 15 * 1000/24 = 625 кг/ч (2,65 кмоль/ч)
9. Масса тринитрорезорцина по реакции (2): 2,65 кмоль/ч (649,5 кг), масса оставшегося тринитрорезорцина: 87,99 кг (0,36 кмоль/ч).
10. Кол-во азотной кислоты (1) по расчету 92,95 кмоль/ч, (2) по уравнению 7,95 кмоль/ч. Оставшейся азотная кислота: 92,95 - 7,95 = 85 кмоль/ч ( 5525 кг/ч). Полученные данные сводим в таблицу:
ния. Произвели характеристику целевого продукта - тринитрорезорцина и исходного сырья - резорцина и нитрующей смеси, их химические и физические свойства. Произведен расчет материального баланса производства стифниновой кислоты.
Приход Расход
кг/ч кмоль/ч кг/ч кмоль/ч
C6H4(OH)2 1346,2 12,23 784,96 7,13
HN03 5855,97 92,95 5525 7,95
H2SO4 473,5 4,46 473,5 4,46
Н2О(пр) 370,205 20,57 370,205 20.57
Дисульфорезорцин - 87,99 0,36
Тринитрорезорцин - 625 2,65
Н2О (1) - 183,6 10,2
Н2О (2) - 47,7 2,65
Примеси 12,5 12,5
£8058,375 £8109,495
Примечание: Невязка баланса: 0,63%
Библиографический список
1. Орлова Е. Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. - Л.: Химия, 1981. - 312 с.
2. Ермолаева В.А. Алгоритмы расчета и расчетные характеристики химико-технологических процессов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2018. - №5. - С. 28-33.
3. Ермолаева В.А., Ткачева Д.Р. Материальный и тепловой баланс производства фтористого водорода // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. - 2017. - №1 (31). - С. 5-11.
4. Ермолаева В.А., Поликарпова Д.М. Анализ технологического процесса производства азотной кислоты // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2018. -Т. 2, №5. - С. 73-76.
CALCULATION OF MATERIAL BALANCE OF PRODUCTION STIFNINOVA ACID
V.A. Ermolaeva, candidate of chemical sciences, associate professor V.V. Kuznetsova, student Murom institute (branch) VISU (Russia, Murom)
Abstract. Reviewed by process of production of styphnic acid in two stages is given: resorcin sulphonation, oxidizing nitration of the received disulforesorcin. Characteristic of the capital processing equipment (a nitrator, the washing device, a spherical mill) is given. Characteristic of a target product - a trinitrorezortsin and initial raw materials is made (resorcin, sulfuric acid, the concentrated nitric acid, melange acid). Calculation of material balance of styphnic acid is made.
Keywords: trinitroresorcin, nitration, nitrator.
