Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất Nitrobenzen

làm lạnh (8) đến nhiệt độ thường rồi chảy xuống thiết bị phân li (9). Do trọng lượng riêng khác nhau nên ở thùng phân li có sự phân chia 2 lớp: lớp trên là Nitrobenzen và một ít axit chảy liên tục vào thiết bị rửa và trung hoà (10). Thiết bị này làm việc theo nguyên tắt ngược chiều và liên tục. Sản phẩm Nitrobenzen có độ axit nhỏ, tiếp xúc với dung dịch Na2CO3, và sản phẩm có độ axit lớn được tiếp xúc đầu tiên với nước sạch và đến Na2CO3 loãng. Thiết bị rửa và trung hoà gồm có 3 phòng lắng và 3 phòng khuấy trộn. Nước rửa được tách ra chưa thải ngay mà còn cho qua thu hồi để tách nốt phần Nitrobenzen có lẫn trong đó (không chỉ ra ở trong hình vẽ ). Nitrobenzen sau khi rửa và trung hòa chảy vào thùng chứa (11) rồi về kho sản sản phẩm. Lớp dưới là axit đã dùng chứa (70-72)% axit sunfuric, một ít sản phẩm oxi hoá, oxit nitơ và Nitrobenzen ở dạng hòa tan hay nhủ tương được chảy xuống thùng chứa (13) rồi bơm lên thùng lường (14). Axit đã dùng còn chứa một ít Nitrobenzen nên cần trích li ra khỏi axit đã dùng, trước khi đưa đến bộ phận cô đặc. Dùng benzen tinh khiết để trích li Nitrobenzen ra khỏi axit đã dùng (vì Nitrobenzen hòa tan trong benzen với tỉ lệ tuỳ ý ). Từ thùng (14) axit đã dùng và benzen chảy liên tục vào thiết bị trích li (15), rồi xuống thiết bị phân riêng (16), do trọng lượng riêng khác nhau nên Nitrobenzen và benzen được tách ra khỏi axit đã dùng và chảy về thùng lường 5 còn axit đã dùng ở phần dưới thiết bị phân riêng chảy về thùng chứa rồi đem đi cô đặc, hoặc pha trộn hỗn hợp nitro hoá . Thành phần Nitrobenzen kĩ thuật nhận được bằng phương pháp trên là : Nitrobenzen : 98,5% theo trọng lượng Benzen : 1% Nước : 0,5% Dinitrobenzen < 0,1% 2. Sản suất Nitrobenzen bằng phương pháp liên tục :[9] Hiện nay, công nghệ mới là những công nghệ sản suất liên tục. Do tính ưu việt của công nghệ này là dùng nhiều thùng khuấy nối tiếp, và do nguồn nguyên liệu người ta chọn là hỗn hợp nitro hoá (melazơ). Sơ đồ dây chuyền công nghệ sản suất Nitrobenzen bằng phương pháp liên tục(hình 8) 7. Thiết bị tinh luyện 8. Thiết bị làm lạnh Nitrobenzen tinh khiết 9. Máy nén khí 10. Thùng chứa axit đã dùng 11. Thùng chứa sản phẩm sau khi trung hòa 12. Thùng chứa sản phẩm rửa bằng nước 13. Thùng chứa sản phẩm Nitrobenzen tinh khiết 1. Thiết bị Nitro hóa 2. Thiết bị Nitro hóa hoàn toàn 3. Thiết bị làm lạnh 4. Thiết bị lắng 5. Thiết bị trung hòa 6. Thiết bị rửa bằng nước * Nguyên lí hoạt động : Nguyên liệu gồm có benzen và hỗn hợp axit (hỗn hợp nitro hoá đã chuẩn bị ở thiết bị trộn với thành phần phù hợp) và được đưa vào thiết bị nitro hoá(1). Tại đây nhiệt độ hỗn hợp phản ứng được khống chế trong khoảng 50oC (bằng cách dùng nước lạnh) và được duy trì khoảng 1 giờ, kết hợp với khuấy trộn liên tục. Sau đó đưa hỗn hợp phản ứng sang thiết bị nitro hoá hoàn toàn (2) và duy trì ở nhiệt độ khoảng (50-60)oC trong vòng vài giờ để phản ứng nitro hoá xảy ra hoàn toàn (lượng benzen còn lại chỉ vào khoảng 1%). Sau đó đưa khối phản ứng vào thiết bị làm lạnh (3) để làm lạnh đến nhiệt gần bằng nhiệt độ thường, rồi chuyển qua thiết bị lắng (4) để yên 12-14 giờ. Do sự chênh lệch về trọng lượng và ít tan lẫn nên tại đây hỗn hợp được phân chia thành 2 lớp. Lớp dưới chứa chủ yếu là dung dịch axit đã dùng với (70-72)% axit sunfuric và một ít Nitrobenzen, tạp chất, axit nitric, oxit nitơ được lắng tiếp một lần nữa để tách Nitrobenzen , còn axit đã dùng được chứa ở thùng chứa (10) và sau đó được đưa đi xử lí để tái sử dụng. Pha hữu cơ ở trên chứa chủ yếu là Nitrobenzen và một ít benzen, hỗn hợp này được đưa liên tục vào thiết bị trung hòa (5). Tại đây lượng axit còn lẫn với Nitrobenzen được trung hòa bằng dung dịch Na2CO3 6%. Sau thiết bị trung hòa cũng có phòng lắng, tại đây sản phẩm sau khi trung hòa cũng được chia làm 2 phần nhẹ, chứa chủ yếu là các muối trung hòa và một lượng ít Nitrobenzen, được đem đi trích li để thu hồi (không chỉ ra trên hình). Phần nặng là Nitrobenzen thô được đưa vào thùng chứa (11), sau đó được bơm liên tục qua thiết bị rửa bằng nước, để tiếp tục tách các tạp chất như NaNO3, Na2SO4Sau đó được đưa qua thiết bị phòng lắng thì phần nhẹ là nước rửa và tạp chất được lấy ra ở trên, còn phần nặng là benzen thương phẩm chứa một lượng rất ít benzen và sản phẩm phụ dinitrobenzen. Để thu Nitrobenzen tinh khiết thì người ta tiếp tục cho qua thiết bị chưng cất để loại bỏ dinitrobenzen ở phần đáy và thu được Nitrobenzen kĩ thuật. Ưu điểm: Làm việc liên tục, cho năng suất cao, hiệu suất cao (vì thời gian làm 1 mẻ ít, không có thời gian gián đoạn), dể tự động hoá, tình trạng sản xuất ổn định, an toàn. Nitrobenzen thu được có độ tinh khiết cao. Sản xuất Nitrobenzen bằng phương pháp liên tục bậc hai của Mỹ:[9] Sơ đồ dây chuyên công nghệ : Hình 9: Sản suất Nitrobenzen bằng phương pháp liên tục bật hai: H2O H2O H2O H2O H2O Hỗn hợp axit Axit đã dùng Nước đem tinh chế Benzen và nitrobenzen Ghi chú: 1,5. Thiết bị nitro hóa tác dụng liên tục ; 2,4,6. Thiết bị phân li; 3. Thiết bị nitro hóa benzen; 7. Bơm. Nguyên lí hoạt động: Cho benzen lẫn Nitrobenzen và hỗn hợp axit chứa 25% HNO3 vào thiết bị (1). Nitrobenzen được tiến hành từ (3-10) phút ở nhiệt độ (46-97,5)oC, Sau đó sang thiết bị (2), phân chia làm hai lớp. Lớp trên là Nitrobenzen chảy qua thiết bị (3) rửa bằng nước rồi chuyển sang thiết bị phân li (4), lớp dưới của (4) là Nitrobenzen tiếp tục đem đi điều chế anilin, còn lớp dưới ở trên bơm quay lại thiết bị rửa. Lớp axit lắng ở dưới thiết bị phân li chảy vào thiết bị Nitrobenzen tác dụng liên tục hai bậc, đồng thời cho benzen nguyên chất trộn lẫn với lớp axit đó, nhũ hóa của benzen và axit đã dùng từ thiết bị (5) chảy xuống thiết bị phân li (6) phân thành hai lớp, lớp trên là hỗn hợp benzen + Nitrobenzen được bơm lên thiết bị (1), còn lớp dưới là axit đã dùng, đem đi cô đặc và tái sinh hỗn hợp axit. Trong thiết bị (5) không những chỉ sử dụng hoàn toàn axit nitric dư, mà còn có nhiệm vụ trích Nitrobenzen ra khỏi axit đã dùng. Hiệu suất Nitrobenzen đạy được là 99% so với lí thuyết . Sản xuất Nitrobenzen theo phương pháp Katner: [9] Sơ đồ dây chuyền sản suất : Hình 10: Sơ đồ dây chuyền sản suất Nitrobenzen theo Katner: Chân không Ghi chú: 1,2,3,4. thiết bị nitro hóa. 5,6,7. thùng cao vị. 8. Thùng chưa axit đã dùng. 9. Thiết bị bốc hơi. 10. Thiết bị ngưng áp kế. 8 1 2 3 4 10 5 6 7 Nitro benzen Phản ứng Nitrohoá benzen tiến hành trong 10 phút. Nhiệt phản ứng toả ra được dùng để đun nóng khối phản ứng. Kết thúc quá trình nitro hóa, Nitrobenzen được lấy ra, còn axit đã dùng với nồng độ 72% cho chảy xuống thùng chứa (8), rồi hút chân không đưa lên thiết bị bốc hơi (9), và ở áp suất 35(mm)Hg, nước cùng Nitrobenzen được tách ra khởi axit sufuric , ngưng tụ lại ở thiết bị (10). Sự bốc hơi xảy ra căn bản là do làm axit đã dùng nghĩa là nhờ nhiệt phản ứng nitro hoá. Trong thiết bị bốc hơi axit sunfuric ngưng lại được từ (72-75)% chảy xuống thùng cao vị (7) và chảy vào nitrato (1,2,3,4). Sản suất Nitrobenzen theo phương pháp liên tục ở Nga :[9] ở Liên xô hơn 20 năm nay đều sản suất Nitrobenzen bằng phương pháp liên tục theo cơ đồ dây chuyền: 4 2 15 11 5 6 14 1 12 3 13 7 8 Hình 11 : Sơ đồ dây chuyền sản suất Nitrobenzen theo phương pháp liên tục của Nga: H2O H2O H2O H2O Đi trích ly Benzen và nitrobenzen Nitro benzen Hỗn hợp axit H2O 9 2H2O Ghi chú: 1 : Thiết bị nitro hóa 2 : Thùng lường nitrobenzen 3 : Thùng chứa hỗn hợp axit 4 : Thùng chứa axit đã dùng 5,10,11 : Bơm 6,7 : Thiết bị làm lạnh xoắn ốc 8 : Thiết bị phân li 9 : Thùng chứa axit đã dùng 12 : Thiết bị đièu chỉnh tỉ lệ 13 : Thiết bị điều chỉnh nhiệt độ 14 : Thiết bị 15 : Thùng chứa benzen Nguyên lí hoạt động : Benzen, hỗn hợp axit và axit đã dùng cho vào nồi nitrator (1). Người ta điều chỉnh tự động lượng benzen và hỗn hợp axit cho vào theo tỉ lệ đã cho, còn lượng axit đã dùng điều chỉnh theo nhiệt độ trong nồi nitro hóa. Trong nồi có có ống xoắn bên trong, làm lạnh bằng nước, có bộ phận khuếch tán đối lưu và có máy khuấy 350 (vòng/ phút). Sau đó khối phản ứng từ nồi được đưa sang thiết bị làm lạnh kiểu ống xoắn óc (6,7). ở thiết bị làm lạnh (6) tiến hành nitro hoá chuyển hoá hoàn toàn axit nitric chứa trong axit đã dùng còn trong thiết bị phân li (8), chia làm hai lớp Nitrobenzen và axit đã dùng. Nitrobenzen tiếp tục đem đi rửa và trung hoà, còn axit đã dùng quay lại thùng lường (4) để tiếp tục nitro hoá . Trong nitro hóa tiêu tốn gần 90% axit nitric (chứa trong hỗn hợp axit), còn trong thiết bị làm lạnh (6) tiêu tốn (9-9,5)% axit nitric. Tách Nitrobenzen từ axit đã dùng xảy ra nhanh và có hiệu quả do có tỉ trọng khác nhau nhiều (1,2-1,6 )g/ cm3. Tốc độ rơi nhỏ nhất của axit đã dùng khi phân phối với nhu tương là 2 mm/s, ứng với thời gian cực tiểu là 5 phút. Những thùng lắng nằm ngang có hiệu quả lớn nhất, khi chiều cao của thùng lắng 1-1,5 (m) thì chiều dài là 4-5(m) và chiều rộng phòng lắng phụ thuộc vào năng suất cần thiết mà xác định. Theo số liệu Zikoka sau khi phân chia lớp trong Nitrobenzen chứa 20-25 (g/l) axit vô cơ (tính theo axit sufuric ) và từ 0,5-1,2 (g/l) Nitrophenol, trong lớp axit chứa từ (0,5-1,2) % Nitrobenzen. Độ hoà tan của Nitrobenzen trong axit axit sunfuric theo Voronin thì tăng dần lên khi tăng nhiệt độ và nồng độ axit sunfuric. Sự có mặt của axit nitric trong axit sunfuric làm tăng độ hóa tan của Nitrobenzen trong axit sufuric. Nitrobenzen quay lại trong nitrator là 16%, trong đó với 15% với axit đã dùng và 1% benzen. Khi tuần hoàn một lượng Nitrobenzen lớn như thế không tránh khỏi tạo thành một ít dinitrobenzen. Vì thế trong thực tế cố gắng giảm cho axit đã dùng vào nitrator, muốn đạt được điều này phải nâng cao làm lạnh bên trong hệ thống bên trong nitro hóa. Trong sản suất Nitrobenzen dùng thiết bị làm lạnh kiểu ống xoắn có cường độ khuấy trộn tốt thay cho loại thiết bị tưới để thu được kết quả tốt . Phần II: Tính toán Chương I: Tính cân bằng vật chất và nhiệt lượng cho toàn xưởng I. Tính cân bằng vật chất : * Xác định thời gian làm việc của phân xưởng: Chọn thiết bị làm việc chính (thiết bị nitro hoá ) là loại thiết bị dạng thùng (hình trụ), có khuấy làm việc liên tục. Thiết bị chỉ ngừng làm việc khi cần sữa chữa và bảo dưỡng. Ta chọn số ngày nghĩ để máy sữa chữa và bảo dưỡng là 30 ngày đêm. Vậy thời gian làm việc nhà máy là : 360 – 30 = 335 (ngày) * Tính nguyên liệu vào: Do năng xuất của quá trình sản xuất là 49000 tấn / năm nên năng suất mỗi giờ của nhà máy là: Vì Nitrobenzen kĩ thuật có nồng độ 99% nên năng suất Nitrobenzen thực tế là: 6094,527 x 0,99 = 6033,582 (kg/h) Từ phương trình phản ứng : C6H6 + HNO3 C6H5NO2 + H2O Ta thấy các chất tham gia phản ứng cũng như sản phẩm đều theo tỉ lệ 1:1 và vì Mbenzen=78; Maxit= 63 ;Mnitrobenzen = 123; Mnước=18 nên ta có: Lượng benzen tinh khiết cấn dùng là: Lương axit nitric cần dùng là: ( Hiệu suất chung của quá trình nitro hoá là 99%) Giai đoạn chuẩn bị hỗn hợp nitro hoá: Hỗn hợp nitro hoá được chuẩn bị cho quá trình có thành phần như sau: HNO3 32% ; H2SO4 60% ; H2O 8% . Hỗn hợp nitro hoá được điều chế từ các thành phần sau : Hỗn hợp melazơ có thành phần 88% HNO3 ; 8% H2SO4 và 4% H2O. Dung dịch axit H2SO4 96% . H2O Lượng vật chất đi vào thiết bị trộn : Hỗn hợp melazơ có khối lượng các thành phần sau như sau: -Axit HNO3 : 3287,629 (kg/h) - Axit H2SO4 : - Nước : Vậy khối lượng hỗn hợp là : 3287,629 + 298,875 + 149,438 = 3735,942 (kg/h) Từ thành phần của hỗn hợp nitro hoá ta có - Khối lượng hỗn hợp nitro hoá là : - Khối lượng của nước có trong hỗn hợp nitro hoá : 10273,840 x 0,08 = 821,907 (kg/h) - Khối lượng H2SO4 có trong hỗn hợp nitro hoá là : 10273,84 x 0,6 = 6164,304 (kg/h) Lượng axit H2SO4 vừa tính nhiều hơn lượng H2SO4 có trong hỗn hợp melazơ. Do đó lượng axit H2SO4 có trong dung dịch axit H2SO4 96% cần pha vào là:6164,304 - 298,875 = 5865,429 (kg/h) - Lượng dung dịch axit 96% cần pha vào là : - Lượng nước có trong dung dịch này là: 6109,822 x 0,04 = 244,393(kg/h) - Lượng nước cần thiết phải pha vào hỗn hợp nitro hoá là: 821,907 - 149,438- 244,393 = 428,0765 (kg/h ) Lượng vật chất ra khỏi thiết bị trộn : Quá trình trộn là một quá trình vật lí thuần tuý nên lượng mỗi chất đi vào bằng lượng của chất đó khi ra do đó ta có bảng: Lượng vật chất đi vào Lượng vật chất đi ra Tên nguyên liệu Khối lượng (kg/h) Thành phần (%) Tên sản phẩm Khối lượng (kg/h) Thành phần(%) Hỗn hợp melazơ HNO3 H2SO4 H2O 3735,942 3287,629 298,875 149,438 88 8 4 Hỗn hợp nitro hoá 10273,840 Dung dịch axit H2SO4 96% H2SO4 H2O 6109,822 5865,429 244,393 96 4 HNO3 H2SO4 H2O 3287,629 6164,304 821,907 32 60 8 Nước 428,076 Tổng 10273,840 100 10273,840 100 Bảng 3: Cân bằng vật chất cho thiết bị trộn : Giai đoạn nitro hoá : * Lượng vật chất đi vào thiết bị nitro hoá : - Lượng benzen kĩ thuật 98% cần dùng : Trong đó có 4070,398 (kg/h) benzen và tạp chất chiếm 2% khối lượng , vậy lượng tạp chất có trong benzen kĩ thuật 98% đem vào là : 4153,467 x 0,02 = 83,069 (kg/h ) - Lượng vật chất ra khỏi thiét bị trộn : 10273,840 (kg/h) * Lượng vật chất ra khỏi thiết bị nitro hoá : Ngoài lượng sản phẩm chính là Nitrobenzen tạo thành, do phản ứng xảy ra không hoàn toàn, nên có một lượng nguyên liệu chưa phản ứng hết. Do đó phản ứng nitro hoá có hiệu suất 98% nên với lượng benzen tinh khiết đưa vào là : 4070,3978(kg/h) thì lượng Nitrobenzen tạo thành là: - Lượng Nitrobenzen : - Lượng nước sinh ra trong quá trình nitro hoá là : Lượng nước do hỗn hợp nitro hoá mang vào là: 821,907(kg/h) Vậy tổng lượng nước đi ra khỏi thiết bị nitro hoá là : 920,536 + 821,907 = 1742,443(kg/h) - Lượng benzen chưa phản ứng (còn là 2%) 4070,398 x 0,02 = 81,408 (kg/h) - Lượng axit nitric chưa phản ứng hết : 3287,629 x 0,02 = 65,753 (kg/h) - Lượng axit sufuric : 6164,304 (kg/h) - Lượng tạp chất : 83,069 (kg/h) Từ số liệu trên ta có bảng cân bằng vật chất ở thiết bị nitro hoá : Bảng 4: Cân bằng vật chất ở thiết bị nitro hoá Lượng vào Lượng ra Tên nguyên liệu Khối lượng (kg/h) Tên sản phẩm Khối lượng (kg/h) Hỗn hợp nitro hoá Benzen Tạp chất 10273,840 4070,398 83,069 Nitrobenzen H2SO4 HNO3(chưa phản ứng ) Benzen chưa phản ứng Nước Tạp chất 6290,330 6164,304 65,753 81,408 1742,443 83,069 Tổng 14427,307 14427,307 Tính cân bằng vật chất giai đoạn lắng : Lượng vật chất vào thiết bị lắng : Hỗn hợp phản ứng sau khi ra khỏi thiết bị nitro hoá được đưa vào thiết bị lắng để lắng khoảng 12 giờ để tách sơ bộ sản phẩm . Do đó lượng vật chất đi vào thiết bị lắng sẽ có thành phần và khối lượng hoàn toàn giống với thành phần và khối lượng vật chất đi ra khỏi thiết bị nitro hoá . Lượng vật chất ra khỏi thiết bị lắng: Sau khi lắng, khối phản ứng được phân làm hai lớp , phần nhẹ ở trên và phần nặng ở dưới . * Khối lượng ở phần nhẹ: Theo công nghệ này thì phần nhẹ có thành phần là 86,5% Nitrobenzen ; 0,68% benzen ; 0,4% axit nitric và 12,42% dung dịch axit sunfuric. Do hiệu suất giai đoạn lắng là 99% nên lượng Nitrobenzen có trong phần nhẹ là : 6290,33 x 0,99 = 6227,427 (kg/h) Với lượng Nitrobenzen này sẽ chiếm 86,5 % phần nhẹ , do đó ta tính được các thành phần còn lại như sau: + Lượng benzen là : + Lượng axit nitric : Dung dịch axit sufuric đã làm việc có nồng độ : Trong đó H2SO4 tinh khiết có : 894,158 x 0,77963 = 697,109 (kg/h) Còn lượng nước là : 894,158 - 697,109 = 197,049 (kg/h) Vậy tổng khối lượng ở phần nhẹ : 6227,427 + 48,955 + 28,797 + 894,158 = 7199,336(kg/h) * Khối lượng ở phần nặng : Khối lượng của mỗi chất ở phần nặng chính là phần còn lại của chất đó lúc đưa vào thiết bị lắng trừ đi lượng nằm ở phần nhẹ : Ta có thành phần nặng như sau : Lượng Nitrobenzen : 6290,330 - 6227,427 = 62,903 (kg/h) Lượng benzen là: 81,408 - 48,955 = 32,453 (kg/h) Lượng axit nitric là : 65,753 - 28,797 = 36,956 (kg/h) Lượng axit sufuric là : 6164,304 - 697,109 = 5467,195 (kg/h) Lượng nước còn lại là : 1742,443 - 197,049 = 1545,394 (kg/h) Lượng tạp chất là : 83,069 (kg/h) + Tổng khối lượng phần nặng : 62,903 + 32,453 + 36,956 + 5467,195 + 1545,394 + 83,069 = 7227,970 (kg/h) + Tổng lượng vật chất ra khỏi thiết bị lắng là : 7227,970 + 7199,337 = 14427,307 (kg/h) Bảng5 : Cân bằng vật chất của giai đoạn lắng. Lượng vào Lượng ra Tên nguyên liệu Khối lượng (kg/h) Tên sản phẩm Khối lượng (kg/h) Nitrobenzen H2SO4 HNO3 H2O Benzen Tạp chất 6290,330 6164,304 65,753 1742,443 81,408 83,069 Phần nhẹ Nitrobenzen Benzen HNO3 H2SO4 H2O Phần nặng Nitrobenzen Benzen HNO3 H2SO4 H2O Tạp chất 6227,427 48,955 28,797 697,109 197,049 62,903 32,453 36,956 5467,195 1545,394 83,069 Tổng 14427,307 14427,307 Tính cân bằng vật chất cho giai đoạn trung hoà : Phần nhẹ sau khi ra khỏi thiết bị lắng được đưa sang thiết bị trung hoà để trung hòa hết lượng axit dư . Quá trình trung hòa xảy ra các phản ứng sau : 2 HNO3 + Na2CO3 = 2 NaNO3 + H2O + CO2 (1) M 126 106 170 18 44 H2SO4 + Na2CO3 = Na2SO4 + H2O + CO2 M 98 106 142 18 44 Tính lượng vật chất đi vào thiết bị trung hòa : Lượng vật chất đi vào thiết bị trung hòa gồm có phần nhẹ của thiết bị lắng và chất trung hòa Na2CO3, lượng chất phần nhẹ có thành phần như đã trình bày ở trên bảng 5 trên với tổng khối 7199,337 (kg/h) Từ phản ứng trung hòa (1),(2) ta tính được lượng Na2CO3 dùng để trung hòa các axit HNO3 và H2SO4 là: Khối lượng sođa cần để trung hòa các axit : Khối lượng nước có trong dung dịch sođa : Khối lượng dung dịch sođa 6% cần dùng : 778,242 + 12192,454 = 12970,696 (kg/h) Lượng vật chất ra khỏi thiết bị trung hòa : Sau khi trung hòa và lắng, khối lượng vật chất ra khỏi thiết bị trung hòa phân thành hai lớp, lớp trên là dung dịch trung hòa, lớp dưới là Nitrobenzen thô, thành phần và khối lượng như sau : Lớp dưới gồm : Nitrobenzen thô chiếm 96% có khối lượng : 6227,427 x 0,98 = 6102,878 (kg/h) - Benzen chiếm 0,5% có khối lượng : - NaNO3 chiếm 0,1% có khối lượng : - Na2SO4 chiếm 0,9 % có khối lượng : - Nước chiếm 2,5 % có khối lượng : * Tổng khối lượng lớp dưới là : Lớp trên gồm có các chất có khối lượng như sau : - Nitrobenzen : 6227,427 x 0,02 = 124,548 (kg/h ) - Nước :bằng lượng đưa vào (nước phần nhẹ ở thiết bị lắng cộng nước có trong dung dịch Na2CO3) + lượng nước sinh ra trừ nước ở phần nặng . Vậy lượng nước ở phần nhẹ là : - Benzen : 48,955 - 31,786 = 17,169 (kg/h) - NaNO3 : - Na2SO4 : Vậy lượng ở phần nhẹ là : 124,548 + 12362,728 + 17,169 + 32,496 + 952,882 = 13489,823 (kg/h) * Ngoài ra sản phẩm trung hòa còn có một lượng CO2 bay ra : Khối lượng CO2 là : Vậy tổng khối lượng vật chất ra khỏi thiết bị là : 6357,154 + 13489,824 + 323,044 = 20170,032 (kg/h) Ta có bảng số liệu cân bằng vật chất cho giai đoạn trung hòa như sau : Bảng 6 : Lượng vào Lượng ra Tên nguyên liệu Khối lượng (kg/h) Tên sản phẩm Khối lượng (kg/h) Nguên liệu đầu Nitrobenzen Benzen HNO3 H2SO4 H2O 7199,337 6227,427 48,955 28,797 697,109 197,049 Nitrobenzen thô Nitrobenzen Benzen H2O NaNO3 Na2SO4 6357,164 6102,878 31,786 158,929 6,357 57,214 Dung dịch sođa 6% Na2CO3 H2O 12970,695 778,242 12192,454 Sản phẩm trung hòa Nitrobenzen Benzen H2O NaNO3 Na2SO4 13489,824 124,548 17,169 12362,728 32,496 952,882 khí CO2 323,044 Tổng 20170,032 Tổng 20170,032 Giai đoạn rửa: Sau khi trung hòa và lắng, hỗn hợp Nitrobenzen thô được đưa qua thiết bị rửa để tách bớt các tạp chất và thu được sản phẩm Nitrobenzen tương đối tinh khiết (Nitrobenzen thương phẩm 99%). Lượng vật chất đưa vào : Khối lượng vật chất đưa vào quá trình rửa bao gồm hỗn hợp Nitrobenzen thô thu được sau giai đoạn trung hòa (có thành phần khối lượng như đã trình bày ở bảng 6 trên ) và lượng nước rửa đưa vào có khối lượng là 6357,1648 (kg/h). Tính lượng vật chất đi ra : Sản phẩm của giai đoạn rửa này cũng được chia làm hai lớp : lớp Nitrobenzen thương phẩm và lớp rửa : * Lớp Nitrobenzen thương phẩm có thành phần 99% Nitrobenzen ; 0,3% benzen và 0,7% nước . Do hiệu suất của quá trình rửa chỉ đạt 98,5% nên ta có : - Khối lượng Nitrobenzen thu được là : 6102,8782 x 0,985 = 6011,335 (kg/h) - Khối lượng benzen là: - Khối lượng nước : Tổng khối lượng của lớp Nitrobenzen thương phẩm : 6011,335 + 18,216 + 42,504 = 6072,055(kg/h) * Lớp nước rửa có thành phần như sau : - Nước : 6357,164 + 158,929 - 42,504 = 6473,589 (kg/h) - Nitrobenzen : 6102,878 - 6011,335 = 91,543 (kg/h) - Benzen : 31,786 - 18,216 = 13,567 (kg/h) - NaNO3: 6,357 (kg/h) - Na2SO4 : 57,214 (kg/h) Tổng khối lượng của lớp nước rửa là : 6473,589 + 94,543 + 13,570 + 6,357 + 57,214 = 6645,273(kg/h) Ta có bảng 7: Số liệu cân bằng vật chất của giai đoạn rửa như sau : Lượng vào (kg/h) Lượng ra (kg/h) 1. Nitrobenzen thô - Nitrobenzen –Benzen -H2O -NaNO3 -Na2SO4 2. Nước rửa 6357,164 6102,878 31,786 158,929 6,357 57,214 6357,164 1. Nitrobenzen thương phẩm - Nitrobenzen - Benzen - H2O 2 . Nước rửa - NaNO3 - Na2SO4 - Benzen - Nitrobenzen - Nước 6011,335 18,216 42,504 6,357 57,214 13,570 91,543 6473,589 Tổng 12714,328 12714,328 Tóm lại : ta có bảng số liệu cân bằng vật chất cho toàn quá trình sản suất Nitrobenzen như sau : Bảng 8: Nguyên liệu vào Khối lượng (kg/h) Sản phẩm ra Khối lượng (kg/h) 1 Benzen kĩ thuật 96% Benzen tinh khiết Tạp chất 2. Hỗn hợp nitro hoá HNO3 H2SO4 H2O 3. Axit sufuric 96% 4. Nước 5. Dung dịch Na2CO36% 6. Nước rửa 4153,467 4070,398 83,069 3735,942 3287,629 298,875 149,438 6109,822 428,076 12970,695 6357,164 1. Nitrobenzen thương phẩm 2. Hỗn hợp nước rửa 3. Phần nhẹ ra khỏi thiết bị trung hòa 4. Khí CO2 5. Phần nặng ra khỏi thiết bị lắng 6072,055 6645,273 13489,824 323,044 7227,970 Tổng 33755,166 Tổng 33755,166 Chương II : Tính cân bằng nhiệt lượng cho toàn xưởng Đặc điểm của quá trình sản suất Nitrobenzen là quá trình toả nhiệt và tiến hành nhiệt độ thấp. Vì vậy không cần gia nhiệt trong khi sản suất , để tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ và tăng vận tốc của quá trình, giảm các phản ứng phụ thì người ta tiến hành làm lạnh trong thiết bị nitro hoá và làm lạnh hỗn hợp sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị này. Do đó ta cần tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng và thiết bị làm lạnh . I. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị nitro hoá : Phương trình cân bằng nhiệt lượng có dạng tổng quát sau: Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = Q5 + Q6 Trong đó : Q1 : Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào (k cal/h) Q2 : Nhiệt do nước làm lạnh mang vào (kcal/h) Q3 : Nhiệt lượng toả ra của quá trình nitro hóa (kcal/h) Q4 : Nhiệt lượng mất mát ra khỏi môi trường xung quanh (kcal/h) Q5 : Nhiệt lượng do nước làm lạnh mang ra (kcal/h) Q6 : Nhiệt lượng do sản phẩm mang ra (kcal/h) Nhiệt lượng do nguyên liệu mang vào : Q1 = QA + QB = GA. CA . tA + GB . CB . tB Trong đó : QA ; QB : lần lượt là nhiệt lượng do hỗn hợp nitro hoá và benzen mang vào (kcal/h) GA ; GB : lần lượt là khối lượng hỗn hợp nitro hoá và khối lượng benzen . tA ; tB : lần lượt là nhiệt độ hỗn hợp nitro hoá và nhệt độ benzen .(toC) CA ; CB : lần lượt là nhiệt dung riêng hỗn hợp nitro hoá và nhệt dung riêng benzen .(kcal/hgđộ) Ta có CA = 0,419 (kcal/kgđộ) [14.184] Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nitro hoá được tính từ nhiệt dung riêng của các thành phần như sau (ở 25oC): Trong đó : Ci : Nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i. Xi : Thành phần phần trăm của cấu tử thứ i trong hỗn hợp. n : Số cấu tử trong hỗn hợp n = 3 . (kcal/kgđộ) [14-174] (kcal/kgđộ) [14-174] (kcal/kgđộ) [14-174] Vì hỗn hợp nitro hoá có thành phần 32% HNO3; 60% H2SO4 và 8% H2O thay số ta có : C = 0,32 x 0,73 + 0,6 x 0,56 + 0,08 x 1,01 = 0,5604 (kcal/kgđộ) Vậy : Q1 = GA.CA.tA + GB.CB.tB = 10273,84 x 0,6504 x 25 + 4153,467 x 0,419 x 25 = 168817,941 (kcal/kgđộ) * Tính lượng nhiệt do nước làm lạnh mang vào Q2: Nước làm lạnh đi vào có nhiệt độ 25oC, lượng nhiệt này được tính theo công thức: Q2 = GN.CN.tđ Trong đó GN : lượng nước làm mát cần tính CN : 1,01 (Kcal/Kgđộ) tđ : 25oC Vậy Q2 = GN . 25. 1,01 = 25,25 . GN (kcal/kgđộ) * Tính lượng nhiệt do phản ứng nitro hoá toả ra : Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nitro hoá benzen là : H = -117 KJ/mol = 227,350(Kcal/kg) Khối lượng Nitrobenzen sinh ra trong 1 giờ là :6094,527 (kg/h) Vậy lượng sinh ra do phản ứng nitro hoá là: Q3 = 6094,527 x 227,350= 1385590,804 (kcal/h) * Tính lượng nhiệt do nước làm mát mang ra là: Chọn nhiệt độ cuối của nước đi ra là 45oC: Lượng nhiệt do nước mang ra là : Q5 = GN.CN.tc = GN. 1,01 . 45 = 45,450 (kcal/h) * Tính lượng nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh : Coi lượng nhiệt mất mát khoảng 5% lượng nhiệt tiêu tốn (lượng nhiệt để đưa nước từ nhiệt độ đầu đến nhiệt độ cuối) Q4 = 0,05 (Q5 – Q2) =0,05 (45,45 – 25,25) = 1,01 GN (kcal/h) * nhiệt lượng nhiệt do sản phẩm mang ra : Nhiệt lượng do hỗn hợp sản phẩm mang ra được tính theo công thức sau : Q6 = Gsp.Csp.tsp Trong đó : Gsp khối lượng sản phẩm (kg/h) Csp nhiệt dung riêng của hỗn hợp sản phẩm (kcal/kgđộ) tsp nhiệt