CC BY
26
УДК 66.095.81 Б01: 10.15587/2312-8372.2015.38042
Красильникова А. А., ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ АУДИТ ПРОЦЕССА
Кондратов с. А. ПРИГОТОВЛЕНИЯ НИТРОСМЕСИ
ДЛЯ НИТРОВАНИЯ БЕНЗОЛА И ТОЛУОЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Исследовано с помощью методов математического моделирования возможности и целесообразности использования неконцентрированной азотной кислоты для приготовления нитросмесей для нитрования бензола и толуола с одновременным локальным концентрированием отработанной кислоты. Показано, что локальный процесс концентрирования отработанной кислоты до необходимой рабочей концентрации оказывается более выгодным, чем централизованное концентрирование до 92-96 %-ной кислоты.
Ключевые слова: математическое моделирование, бензол, толуол, нитрование, концентрирование, нитросмесь, локальный процесс, отработанная кислота.
1. Введение
Ароматические мононитросоединения, прежде всего, нитробензол и нитротолуолы — важнейшие продукты промышленности органического синтеза, исходные вещества для получения полимеров, красителей, взрывчатых веществ, ядохимикатов и др. [1, 2]. Суммарный объем производства нитробензола и мононитротолулов составляет несколько миллионов тонн и имеет тенденцию к постоянному возрастанию. В этой связи актуальной проблемой является совершенствование технологии этих продуктов, направленное на снижение их себестоимости.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В настоящее время нитробензол и мононитротолуолы получают взаимодействием ароматических углеводородов с азотной кислотой в среде серной кислоты по уравнению:
ArH + HNO
H2SÜ4
3
ArNO2 + H2O. (1)
В промышленности нитрование проводят по непрерывному способу [3-5]. При этом, в нитратор непрерывно вводят по трем независимым линиям, связанным общим автоматическим управлением, следующие жидкие реагенты:
а) ароматический углеводород, подвергаемый нитрованию;
б) заранее приготовленную нитросмесь (будем называть ее базовой нитросмесью). Состав нитросмеси индивидуален для каждого углеводорода. Для нитрования бензола нитросмесь содержат (на 1 кмоль бензола):
1 кмоль (30,35 % масс) азотной кислоты, 1,2 кмоль (56,65 % масс) серной кислота и 1,5 кмоль (13,00 % масс) воды [4]. Для мононитрования толуола нитросмесь содержит (на 1 кмоль толуола) 1 кмоль азотной кислоты, 1,28 кмоль серной кислота и 2 кмоль воды [4]. В результате нитрования по реакции (1) после полного исчерпания ароматического углеводорода нитросмесь превращается в отработанную кислоту: раствор серной кислоты, разбавленный выделившейся водой. Для нитрования бензола концентрация образовавшейся отработанной кислоты составляет 72,32 %, для толуола — 69,91 % [4];
в) отработанную кислоту, из которой предварительно извлечена остаточная азотная кислота. Она вводится в систему как буфер для снятия большого количества тепла, выделяющегося при нитровании, чтобы сделать процесс управляемым. Количество вводимой кислоты (в кг на 1 кг ароматического углеводорода) называется модулем нитратора [6].
Отработанную кислоту после нитрования подвергают экстракции углеводородом для выделения остатков нитросоединений и азотной кислоты и далее часть возвращают на нитрование, а остальное направляют на централизованные общезаводские установки денитрации и концентрирования путем отгонки воды горячими дымовыми газами [7]. В результате получают 91-96 % серной кислоты, которую используют для приготовления нитросмесей.
В современных условиях нашей страны подобные схемы, разработанные в период плановой экономики, работают нестабильно из-за проблем, связанных с непостоянной конъюнктурой на продукцию. Поэтому возникает проблема создания локальных установок переработки отработанной кислоты. Предпосылкой к этому могут служить технологии, основанные на проведении нитрования с избытком ароматического углеводорода, где при нитровании происходит полное исчерпание азотной кислоты.
Современным примером таких технологий является т. н. «адиабатическое нитрование», когда процесс проводят при достаточно низком модуле при высокой температуре в условиях избытка бензола или толуола [8-12]. Это позволяет значительно повысить производительность стадии нитрования и получать мононитросоединения с минимальным содержанием динитросоединений.
Базовые нитросмеси можно приготовить только из концентрированной азотной кислоты или меланжа, которые относительно дороги. Представляет интерес приготовления смесей для нитрования из более дешевой 56-58 %-ной азотной кислоты, массово выпускаемой азотной промышленностью. В сочетании с локальным концентрированием серной кислоты это может позволить сократить энергетические затраты.
ной кислоты (рабочий раствор), содержащий 0,7232 ■ а + + 0,5665 кг H2SO4 и воду в количестве:
0,3035- (100 - p) MH2O = 0,2768 а + 0,13 —----— кг. (2)
После нитрования, в результате исчерпания азотной кислоты по уравнению (1) из 0,3035 кг азотной кислоты образуется 0,3035 ■ 18/63 = 0,0876 кг воды (18 и 63 — соответственно, молекулярные массы воды и азотной кислоты) и образуется отработанная кислота, содержащая Н^04 в количестве 0,7232 ■ а + 0,5665 и Н20 в количестве:
3. Объект, цель и задачи исследования
Объект исследования — процесс приготовления нит-росмеси для нитрования бензола и толуола с использованием неконцентрированной азотной кислоты.
Целью настоящей работы является исследование с помощью методов технологического аудита и математического моделирования возможности и целесообразности использования неконцентрированной азотной кислоты для приготовления нитросмесей для нитрования бензола и толуола с одновременным локальным концентрированием отработанной кислоты.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнить такие задачи:
1. Рассчитать состав нитросмеси для нитрования бензола и толуола.
2. Смоделировать тепловой баланс.
3. Сравнить затраты тепла для локальной отгонки, с целью получения рабочей серной кислоты заданной концентрации по сравнению с общезаводским процессом денитрации-концентрирования для получения 92-96 %-ной серной кислоты.
4. Результаты исследования нитросмесей
4.1. Расчет состава нитросмесей.
4.1.1. Нитросмесь для нитрования бензола. Базовую нитросмесь из неконцентрированной азотной кислоты приготовить невозможно, поэтому следует рассматривать приготовление «рабочей» нитросмеси, которая получалась бы при смешении базовой нитросмеси и отработанной кислоты. Будем считать, что отработанная кислота не содержит азотной кислоты. Формально получение рабочей нитросмеси можно рассматривать, как результат смешения 1 кг базовой нитросмеси, содержащей 0,3035 кг HNOз, 0,5665 кг H2SO4, 0,13 кг Н20 и а кг отработанной кислоты, которая содержит 0,7232 ■ а кг Н^04 и 0,2768 ■ а кг Н2О. В этом случае получаемая рабочая нитросмесь общей массой 1 + а кг будет содержать: HNO3: 0,3035 кг, H2SO4: 0,7232 ■ а + + 0,5665 кг;Н2О: 0,2768 ■ а + 0,13 кг.
Фактически эта нитросмесь готовится смешением раствора азотной кислоты, содержащего р % масс. HNO3 и (100 -р) % масс. Н2О. На это расходуется в составе раствора азотной кислоты 0,3035 кг HNO3
0,3035^ (100 - p) и - кг Н2О, и, по разности, раствор сер-
MgO = 0,2167 + 0,2768 а кг.
(3)
Суммарная масса отработанной кислоты составляет:
M0TP = 0,7832 + а.
(4)
Прямым расчетом можно показать, что концентрация отработанной кислоты не зависит от а и составляет 72,32 %.
Поскольку MH2O > 0, из выражения (2) можно получить нижнюю границу величины а:
0,3035 ■ (100 - p) 0,2768 а + 0,13 —----— >0;
а >
30,35 - 0,4335p 0,2768 ■ p '
(5)
Предельные значения, обращающие неравенство (5) в строгие равенства, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Предельные значения а, обращающие неравенство (5)
p, % 56 57 58
апред 0,4050 0,3695 0,3352
Физический смысл апред — количество 100 %-ной серной кислоты, кг, которое нужно добавить к указанному количеству р %-ной азотной кислоты, чтобы получить рабочую нитросмесь.
На практике количество отработанной кислоты определяется модулем М — массой этой кислоты, добавляемой на 1 кг ароматического углеводорода [6]. При нитровании в условиях избытка ароматического углеводорода в этом случае следует говорить о количестве кислоты на 1 кг углеводорода, вступившего в реакцию при 100 %-ном превращении. В этом случае для нитрования бензола величины М и а связаны соотношением:
207,6 0,2807 ■ (100 - p) M = -7^ а, (6) MH2o = 0,3009 а + 0,1604 —----—. (7)
где 207,6 кг — количество базовой нитросмеси, содержащей 1 кг-моль азотной кислоты; 78 — молярная масса бензола.
Исходя из полученных формул, авторы данной работы рассчитали для серии значений а технологические показатели процесса: модуль по бензолу, относительные количества отработанной кислоты, получаемой при нитровании, идущей на приготовление рабочей нитросмеси, а также, для серии концентраций азотной кислоты, относительное количество воды, которое необходимо отогнать из отработанной кислоты для получения рабочей кислоты и концентрацию этой кислоты. Относительные количества рассчитывали на 1 кг нитробензола, образовавшегося при 100 %-ной конверсии азотной кислоты по уравнению (1). Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Зависимость от величины а значения модуля (М), количества отработанной кислоты после нитрования (Мотр, кг на 1 кг PhN□2), количества отогнанной воды (Ма?, кг на 1 кг PhN□2) и концентрации рабочей серной кислоты (С, %) при разных концентрациях азотной кислоты, идущей на приготовление рабочей нитросмеси
Отрабо- Концентрация азотной кислоты, %
а M танная 56 % 57 % 58%
та, кг/кг Вода, отгон С, % Вода, отгон С, % Вода, отгон С, %
0,5 1,331 2,166 96,87 95,92 95,02
1 2,662 3,010 88,45 87,88 87,33
1,5 3,992 3,854 0,5488 84,33 0,5327 83,93 0,5172 83,54
2 5,323 4,698 81,89 81,58 81,27
2,5 6,654 5,541 80,27 80,02 79,77
3 7,985 6,385 79,13 78,91 78,70
После нитрования, в результате исчерпания азотной кислоты, из 0,2807 кг азотной кислоты образуется 0,2807 ■ 18/63 = 0,0802 кг воды и образуется отработанная кислота общей массой 0,7995 + а кг, содержащая H2SO4 в количестве 0,5589 + 0,6991 а и воду в количестве 0,2406 + 0,3009 ■ а. Нижняя граница величины а, получаемая из (7):
0,2807 ■ (100 - p) 0,3009-а + 0,1604 —----— > 0;
а >
28,07 - 0,4411-p 0,3009 ■ p '
(8)
Предельные значения а приведены в табл. 3.
Таблица 3
Предельные значения а
р, % 56 57 58
апред 0,1999 0,1707 0,1425
Вследствие того, что в системе имеется большее количество воды, апред значение для толуола существенно ниже, чем для бензола. Для нитрования толуола величина модуля и а связаны соотношением, значения которых приведены в табл. 4:
224,44 M = ,
(9)
Как следует из данных табл. 2, с увеличением концентрации азотной кислоты количество воды, которое следует отогнать из отработанной кислоты, уменьшается. С увеличением а и, соответственно, модуля, а также с увеличением концентрации азотной кислоты происходит уменьшение концентрации рабочей кислоты, из которой готовят рабочую нитросмесь. Так, при величине а = 0,5, достаточно близкой к предельному значению, для приготовления рабочей кислоты требуется высококонцентрированная кислота (95-97 %), а при а = 0,5 концентрация снижается до 78-89 %, то есть, можно отгонять меньшее количество воды на 1 кг отработанной кислоты.
4.1.2. Нитросмесь для нитрования толуола. Расчеты, описанные выше, были выполнены для нитрования толуола. Ввиду более высокой реакционной способности, для нитрования используется базовая нитросмесь с более высоким содержанием воды: 1 моль (28,07 %) HNO3, 1,28 моль (55,89 %) H2SO4, H2O 2 моль (16,04 %) [2]. Соответственно, отработанная кислота содержит 69,91 % H2SO4. В этом случае рабочая нитросмесь будет содержать 0,2807 кг HNO3, 0,5589 + 0,6991 а кг H2SO4, 0,1604 + 0,3009 а кг Н2О. Рабочая серная кислота, получаемая после упарки отработанной кислоты, будет содержать 0,5589 + 0,6991 ■ а кг H2SO4 и воду в количестве:
где 224,44 кг — количество базовой нитросмеси, содержащей 1 кг-моль азотной кислоты; 92 — молярная масса толуола.
Таблица 4
Зависимость от величины а значения модуля (М), количества отработанной кислоты после нитрования (Мотр, кг на 1 кг смеси мононитротолуолов), количества отогнанной воды (Ма?, кг на 1 кг смеси мононитротолуолов2) и концентрации рабочей серной кислоты (С, %) при разных концентрациях азотной кислоты, идущей на приготовление рабочей нитросмеси
а M От-рабо-тан-ная кислота, кг/кг Концентрация азотной кислоты, %
56 % 57 % 58 %
Вода, отгон С, % Вода, отгон С, % Вода, отгон С, %
0,5 1,220 2,129 0,4927 90,96 0,4783 90,16 0,4644 89,41
1 2,440 2,948 83,93 83,44 82,98
1,5 3,659 3,767 80,43 80,07 79,74
2 4,879 4,586 78,32 78,05 77,78
2,5 6,099 5,405 76,92 76,69 76,48
3 7,319 6,225 75,92 75,73 75,54
4.2. Моделирование теплового баланса.
4.2.1. Методы расчетов и моделирования. Уравнение теплового баланса для упарки серной кислоты имеет вид:
т0к ■ ^к + 0,п = Шрк ■ hрк + Шпар ■ hпар , (10)
где шок, шрк, шпар — массы отработанной кислоты, рабочей кислоты после упарки и испаренного водяного пара, кг; кок, Нрк, Нпар — удельные энтальпии отработанной кислоты, рабочей кислоты после упарки и испаренного водяного пара, КДж/кг;^ — количество теплоты, подведенной для нагрева и испарения воды из серной кислоты.
При этом выполняется условие материального баланса: Ш0ки = Шрк + Шкпар .
Расчеты проводили для начальной температуры отработанной кислоты 20 °С. Рабочее давление перегонки в расчетах варьировали в диапазоне 100600 мм рт. ст. (13,3-80 КПа). Температуру конечного состояния (рабочей кислоты и водяного пара) принимали равной температуре кипения рабочей кислоты в указанном диапазоне давлений.
Для расчетов использовали таблицы зависимости удельной энтальпии серной кислоты и давления паров воды над ней от концентрации и температуры [13, 14]. Табличные значения в диапазоне температур 10-300 °С и концентраций 10-99 % аппроксимировали бикубическими сплайнами. Для расчета температуры кипения растворов серной кислоты численно решали уравнение (11) относительно температуры Т и постоянной рабочей концентрации С:
SSз(C,T) - Ратм = 0, (11)
где SS3(C,T) — бикубический сплайн, полученный аппроксимацией табличной зависимости давления водяных паров над растворами серной кислоты в зависимости от концентрации и температуры. Расчеты производили в среде программы прикладной математики Scilab.
Для расчета удельной энтальпии водяного пара использовали справочные данные в диапазоне 100280 °С [15]. Справочные данные по удельной энтальпии пара при Р = 100 КПа и г в диапазоне 100-300 °С аппроксимировали квадратичной зависимостью. Зависимостью энтальпии от давления в диапазоне 10-100 кПа, ввиду ее слабости, пренебрегали.
5. Обсуждение результатов исследования нитросмесей
При разработке оптимального варианта процесса отгонки целесообразно сравнить затраты тепла для локальной отгонки с целью получения рабочей серной кислоты заданной концентрации по сравнению с общезаводским процессом денитрации-концентрирования для получения 92-96 %-ной серной кислоты.
Используя результаты расчета материального баланса, авторы данной работы рассчитали теплоту, которую необходимо подвести к отработанной кислоте для отгонки воды и получения кислоты с рабочей концентрацией. Расчеты проводили на 1 кг образовавшегося
нитросоединения (нитробензола, смеси мононитротолуо-лов) при 100 %-ной конверсии использованной азотной кислоты, для отгонки в вакууме (остаточное давление 13,3-80,0 КПа). Полученные результаты сравнивали с затратами тепла в процессе получения 92 %-ной серной кислоты из отработанной кислоты при атмосферном давлении (соответственно, 887,2 и 856,7 кДж 1 кг отработанной кислоты для нитробензола и мононитрото-луолов). Результаты приведены в табл. 5 и 6.
Таблица 5
Зависимость подведенной теплоты (0, Кдж/кг СбН5^2) и разницы подведенной теплоты для получения 92 %-ной и рабочей кислот из отработанной кислоты производства нитробензола (Д0, Кдж/кг Се^Щ и температуры кипения рабочей кислоты (°С) от величины а, концентрации азотной кислоты, идущей на приготовление рабочей нитросмеси и остаточного давления
а HNO3 56 % HNO3 57 % HNO3 58 %
О ДО ^кип О ДО ^кип О ДО 'кип
P = 13,3 КПа
0,5 2089,4 -167,8 247,4 2042,7 -121,1 236,5 1998,5 -76,9 228,6
1 2282,9 387,5 186,0 2229,8 440,5 183,5 2179,3 491,1 180,3
1,5 2412,6 1006,5 163,8 2362,3 1056,8 161,6 2313,1 1106,0 159,7
2 2556,5 1611,4 151,8 2505,5 1662,3 150,4 2455,9 1711,9 149,0
2,5 2708,0 2208,5 144,8 2660,5 2256,1 143,7 2616,1 2300,5 142,8
3 2879,8 2785,5 140,2 2834,5 2830,8 139,4 2789,4 2875,9 138,6
Р = 26,6 КПа
0,5 2113,4 -191,8 269,2 2066,9 -145,2 259,4 2021,5 -99,9 251,2
1 2377,9 292,4 207,8 2341,2 329,2 204,5 2306,5 363,8 201,1
1,5 2572,1 847,0 183,4 2520,7 898,4 181,1 2471,0 948,1 179
2 2744,1 1423,7 170,6 2692,0 1475,9 169,2 2641,5 1526,3 167,7
2,5 2926,0 1990,6 163,4 2878,5 2038,1 162,3 2834,5 2082,1 161,3
3 3134,6 2530,7 158,7 3091,0 2574,3 157,8 3048,3 2617,0 157
Р = 53,3 КПа
0,5 2141,7 -220,1 295,3 2093,5 -171,9 284,7 2047,2 -125,6 276,3
1 2403,6 266,8 231,4 2365,8 304,6 227,8 2330,3 340,1 224,3
1,5 2715,0 704,1 205,1 2679,7 739,4 202,7 2645,1 774,0 200,4
2 2956,3 1211,5 191,4 2903,3 1264,5 189,9 2851,7 1316,2 188,4
2,5 3170,9 1745,7 183,4 3124,4 1792,2 182,7 3081,0 1835,6 181,7
3 3422,8 2242,5 179,0 3381,1 2284,2 178,2 3340,8 2324,5 177,3
Р = 80,0 КПа
0,5 2159,3 -237,7 311,5 2110,5 -188,9 300,8 2063,4 -141,7 292,1
1 2419,9 250,5 246,4 2381,6 288,8 242,8 2345,5 324,8 239,2
1,5 2730,1 689,0 219,0 2694,2 724,9 216,5 2659,0 760,1 214,0
2 3050,3 1117,5 204,6 3011,3 1156,6 203,0 2973,8 1194,1 201,5
2,5 3329,8 1586,8 196,8 3283,3 1633,3 195,6 3240,4 1676,1 194,6
3 3608,4 2056,9 191,9 3566,7 2098,6 191,0 3526,5 2138,8 190,2
Таблица 6
Зависимость подведенной теплоты (О, Кдж/кг C6H5NO2) и разницы подведенной теплоты для получения 92 %-ной и рабочей кислот из отработанной кислоты производства нитротолуола (ДО, Кдж/кг Co^NCy и температуры кипения рабочей кислоты (°С) от величины а, концентрации азотной кислоты, идущей на приготовление рабочей нитросмеси и остаточного давления
а HNO3 56 % HNO3 57 % HNO3 58 %
О ДО ^кип О ДО ^кип О ДО ^кип
P = 13,3 КПа
0,5 1923,5 113,3 200,6 1873,9 162,8 196,2 1823,9 212,8 192,1
1 2017,9 802,4 161,7 1971,7 848,7 159,2 1926,7 893,7 156,9
1,5 2139,7 1464,4 145,5 2096,3 1507,8 143,9 2055,8 1548,2 142,7
2 2292,9 2094,8 137,2 2251,5 2136,3 136,2 2212,3 2175,4 135,2
2,5 2454,9 2716,4 131,9 2412,3 2759,0 131,1 2370,9 2800,4 130,3
3 2605,9 3349,1 128,3 2564,9 3390,1 127,6 2525,9 3429,1 126,9
Р = 26,6 КПа
0,5 1944,4 92,2 222,1 1907,3 129,3 217,5 1798,2 238,4 176,1
1 2138,8 681,5 181,1 2091,8 728,5 178,4 2138,6 681,7 213,3
1,5 2287,5 1316,4 164,0 2244,2 1359,8 162,5 2204,1 1399,9 161,1
2 2480,5 1907,1 155,5 2440,0 1947,7 154,4 2400,6 1987,0 153,4
2,5 2675,4 2495,8 150,2 2634,1 2537,3 149,4 2594,2 2577,1 148,6
3 2866,9 3088,0 146,6 2826,6 3128,3 145,9 2787,9 3167,0 145,2
Р = 53,3 КПа
0,5 1967,7 68,9 245,9 1929,9 106,7 241,4 1894,8 141,9 197,2
1 2260,4 559,9 202,6 2226,7 593,6 199,7 2160,5 659,8 237,2
1,5 2453,9 1150,0 184,5 2410,6 1193,3 182,9 2371,1 1232,8 181,6
2 2692,5 1695,1 175,8 2653,2 1734,4 174,7 2613,8 1773,8 173,7
2,5 2924,3 2246,9 170,4 2884,4 2286,9 169,5 2846,3 2324,9 168,7
3 3162,7 2792,2 166,6 3123,1 2831,9 165,9 3084,4 2870,5 165,3
Р = 80,0 КПа
0,5 1982,8 53,8 261,4 1944,7 91,9 257,0 1907,5 129,1 252,5
1 2273,8 546,4 216,4 2240,7 579,6 213,4 2208,3 611,9 210,6
1,5 2561,4 1042,6 197,5 2518,2 1085,8 195,9 2479,1 1124,8 194,4
2 2825,9 1561,7 188,6 2787,2 1600,4 187,6 2748,6 1639,0 186,5
2,5 3086,6 2084,7 183,2 3047,8 2123,5 182,4 3010,9 2160,3 181,6
3 3354,8 2600,1 179,5 3315,3 2639,6 178,7 3276,5 2678,4 178,1
Как следует из приведенных данных, с точки зрения расхода тепла локальный процесс концентрирования отработанной кислоты до необходимой рабочей концентрации оказывается более выгодным, чем централизованное концентрирование до 92-96 %-ной кислоты. На это указывает положительная величина DQ = 0центр - 0раб. Исключением является только нитрование бензола при а = 0,5, где для приготовления рабочей нитросмеси требуется 96 %-ная серная кислота. С повышением а положительный эффект от локального концентрирования увеличивается. Отметим, что на практике нитрование проводят при а > 2, то есть, в области положительного эффекта.
Величина положительного эффекта от локальной уменьшается с увеличением остаточного давления в системе (от 13,3 до 80 КПа). Это связано с увеличением температуры кипения и, соответственно, энтальпии
конечного состояния. С точки зрения практики для уменьшения расхода тепла процесс концентрирования целесообразно вести в вакууме. С нашей точки зрения, наиболее подходящим является остаточное давление на уровне 13,3 КПа. При этом температура отгонки не очень высока (для а > 2 она не более 150 °С), а указанное разрежение может быть создано экономичными водокольцевыми вакуум-насосами высокой производительности.
6. Выводы
1. Разработана компьютерная модель материального и теплового баланса приготовления нитросмеси для нитрования бензола и толуола на основе 56-58 %-ной азотной кислоты с последующим локальным концентрированием отработанной серной кислоты до требуемой концентрации для возврата в цикл.
2. В результате моделирования показано, что использование неконцентрированной азотной кислоты, в сочетании с локальным концентрированием отработанной кислоты с точки зрения энергозатрат оказывается более выгодным, чем традиционное использование дефицитной высококонцентрированной азотной кислоты в сочетании с общезаводским концентрированием отработанных кислот до высокой концентрации.
Литература
1. Грейш, А. А. Нитрование ароматических углеводородов на гетерогенных катализаторах [Текст] / А. А. Грейш // Российский химический журнал. — 2004. — Т. 48, № 6. — С. 92-104.
2. Збарский, В. Л. Толуол и его нитропроизводные [Текст] /
B. Ф. Жилин, В. Д. Збарский. — М.: Эдиториал УРСС, 2000. — 272 с.
3. Жилин, В. Ф. Синтез и технология нитропроизводных бензола и толуола [Текст] / В. Ф. Жилин, В. Д. Збарский // Российский химический журнал. — 2006. — Т. 50, № 3. —
C. 104-115.
4. Беркман, Б. Е. Промышленный синтез ароматических ни-тросоединений и аминов [Текст] / Б. Е. Беркман. — М.: Химия, 1964. — 344 с.
5. Groggins, P. H. Unit Processes in Organic Synthesis [Text] / Philip Herkimer Groggins. — New York: McGraw-Hill, 1958. — 1042 p.
6. Орлова, Е. Ю. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ [Текст] / Е. Ю. Орлова. — Л.: Химия, 1981. — 312 с.
7. Кузнецов, Д. А. Производство серной кислоты [Текст] / Д. А. Кузнецов. — М.: Высшая школа, 1968. — 296 с.
8. Quadros, P. A. Continuous adiabatic industrial benzene nitration with mixed acid at a pilot plant scale [Text] / P. A. Quadros, N. M. C. Oliveira, C. M. S. G. Baptista // Chemical Engineering Journal. — 2005. — Vol. 108, № 1-2. — P. 1-11. doi:10.1016/j.cej.2004.12.022
9. Verner, A. Continuous adiabatic process for the mononitration of benzene [Electronic resource] / A. Verner et al. // United States Patent. — May 23, 1978. — US 4091042 A. — Available at: \www/URL: http://www.google.com/patents/US4091042
10. Rausch, A. Process for the preparation of nitrobenzene by adiabatic nitration [Electronic resource] / A. Rausch et al. // United States Patent. — Aug. 24, 2010. — US 7781624 B2. — Available at: \www/URL: http://www.google.co.in/patents/US7781624
11. Munnig, J. Process for the continuous preparation of nitrobenzene [Electronic resource] / J. Munnig et al. // United States Patent. — Jan. 22, 2013. — US 8357827 B2. — Available at: \www/URL: http://www.google.com.ar/patents/US8357827
12. Rausch, A. Process for the preparation of nitrobenzene by adiabatic nitration [Electronic resource] / A. Rausch et al. // United States Patent. — Jul. 23, 2009. — US 20090187051 A1. — Available at: \www/URL: http://www.google.com/patents/US20090187051
13. Perry, R. H. Perry's chemical engineers' handbook [Text] / R. H. Perry, D. W. Green. — New York: McGraw-Hill, 1999. —2582 p.
14. Cox, J. D. Values for Thermodynamics [Text] / J. D. Cox, D. D. Wagman, V. A. Medvedev. — New York: Hemisphere Publishing Corp., 1989. — 271 p.
15. Ривкин, С. Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара [Текст]: справочник / С. Л. Ривкин, А. А. Александров. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 80 с.
ТЕХНОЛОПЧНИЙ АУДИТ ПРОЦЕСУ ВИГ0Т0ВЛЕННЯ ШТРОСУМ^ ДЛЯ ШТРУВАННЯ БЕНЗОЛУ i ТОЛУОЛУ 3 ВИКОРИСТАННЯМ НЕКОНЦЕНТРОВАНО1 ШТРАТНО! КИСЛОГИ
Дослiджено за допомогою методiв математичного моде-лювання можливост та доцiльностi використання неконцент-рованно! азотно! кислоти для приготування нiтросумiшей для нiтрування бензолу i толуолу з одночасним локальним концен-труванням вщирацьовано! кислоти. Показано, що локальний процес концентрування вщирацьовано! кислоти до необхщно! робочо! концентраци виявляеться бшьш вигiдним, нiж цент-рашзоване концентрування до 92-96 %-но! кислоти.
Ключовi слова: математичне моделювання, бензол, толуол, штрування, концентрування, нiтросумiш, локальний процес, вщирацьована кислота.
Красильникова Анна Александровна, аспирант, Институт химических технологий Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, Рубежное, Украина, e-mail: [email protected]. Кондратов Сергей Алексеевич, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики и компьютерной технологии, Институт химических технологий Вос-точноукраинского национального университета им. В. Даля, Рубежное, Украина, е-mail: [email protected].
Красильткова Анна Олeксандрiвна, астрант, 1нститут х1-мiчних технологий Схiдноукраiнського национального утверситету ш. В. Даля, Рубiжне, Украта.
Кондратов Сергт Олексшович, доктор хiмiчних наук, про-фесор, завгдувач кафедри вищоi математики та комп'ютерних технологш, 1нститут хiмiчних технологш Схiдноукраiнського национального утверситету ш. В. Даля, Рубiжне, Украта.
Krasylnikova Anna, Institute of Chemical Technology Volodymyr Dahl's East Ukrainian National University, Rubizhne, Ukraine, e-mail: [email protected].
Kondratov Serhii, Institute of Chemical Technology Volodymyr Dahl's East Ukrainian National University, Rubizhne, Ukraine, e-mail: [email protected]
УДК 66-9
Б01: 10.15587/2312-8372.2015.38074
Васильев м. I. ПИТАННЯ 1НТЕНСИФ1КАЦН
МАСООБМШНИХ ПРОЦЕС1В ПРИ ПРОТ1КАНН1 РЕАКЦ1Й У СКЛАДНО-РЕАКЦМНИХ ГЕТЕРОГЕННИХ сИсТЕМАх
У данш роботг на тдстаег дослгдження теорп процесге тепломасопереносу, егдомих моделей мгжфазног тепломасопередачг конкретизоеана ггдродинамгчна сторона процесге переносу. Це дозеоляе обгрунтоеано тдшти до методге ттенсифгкацп мгжфазного переносу: механгчний, пульсацшний, теплоеий утеорення-захлопуеання бульбашок, закручуеання та руху середоеища по криеолтшних каналах. Показано, що кожен метод може бути реалгзоеаний у е1дпое1днш конструкцп апарату, розробка та дослгдження цих конструкцш е перспектиеним напрямком.
Клпчов1 слова: масообмтт процеси, ттенсифгкацгя, гетерогенна система, мгжфазна поеерх-ня, теерсгя фаз.
1. Вступ
Переважна кшьюсть матерiальних технологш, що реалiзуються в хiмiчнiй промисловосп, вщноситься до гетерогенних систем. Навиь таю технологи, як рух i на-^вання води чи газу в каналу емносп, е результат взаемодп рiзнорiдноi пари — поточного середовища i твердого пла. З технологiчноi точки зору найбшьш значушд багатофазш системи з рiзними динамiчними, термодинамiчними, хiмiчними потенщалами взаемодт-чих фаз, що зумовлюе мiжфазовий обмш масою, iм-пульсом, енергiею, речовиною. Процеси мiжфазного переносу перерахованих якостей складають основу всiх матерiальних технологш, вони е неврiвноваженими про-цесами (по одному або деюльком з перерахованих вище якостей), що протжають в технологiчних апаратах або
реакторах. Повною мiрою до таких процеав, що проть кають в технолопчних апаратах, вiдносяться процеси, якi спостеркаються в складно-реакцiйних гетерогенних системах. Оскшьки гiдродинамiчна обстановка в апаратi визначае штенсившсть вказаних процесiв, то конкретика саме цих питань е актуальною задачею.
2. Анал1з л1тературних даних
Особливкть складно-реакцiйних гетерогенних систем полягае в тому, що при руа через технолопчний апарат, наприклад гомогенного або дисперсного середовища, за рахунок протiкання ряду послвдовних чи паралельних хiмiчних, фiзичних перетворень, середовище стае три-фазною системою, а в деяких випадках «чотирьохфаз-ною». Останне, згiдно сучасним уявленням фiзикохiмii
