Расчет материального баланса производства стифниновой кислоты

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. Тринитрорезорцин (2,4,6-тринитро-1,3-диоксибензол, стифни́новая кислота́, ТНР) — химическое соединение C6H(NO2)3(OH)2, светложелтые гексагональные кристаллы. Концентрированный водный раствор тринитрорезорцина 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 (C 6 H 6 O 2 ) является производным фенола, используется в производстве синтетических красителей, некоторых полимеров (например, резорцинальдегидных смол), в медицине в качестве дезинфицирующего средства при лечении кожных заболеваний. В качестве реагента для колориметрического определения фурфурола, углеводов, Zn, Pb и других элементов, в продукции пластификаторов и как UV амортизатор в полимерах. Бесцветные кристаллы, до 70,8 °C существуют в a-модификации, выше в p-модификации. Может самовоспламеняться при температуре 608°С, плавится при 109-110°С, легко растворим в этаноле, диэтиловом 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.

C 6 H 4 (OH) 2 + 2H 2 SO 4 → C 6 H 2 (OH) 2 (SO 2 O 4 ) + 2H 2 O (1)

На второй стадии производят окислительное нитрование полученного дисульфорезорцина в водном растворе азотной кислоты:

С 6 Н 2 (OH) 2 (SO 2 O 4 ) + 3HNO 3 → С 6 H(OH) 2 (NO 2 ) 3 + 2H 2 SO 4 + H 2 O (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 дисульфорезорцина, 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 - 12H18N10T.

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).

• 4.    Учитывая концентрацию резорцина 99,2 % масс, масса технического резорцина: 1346,2* 100/99.2 =1357,06 кг.

• 5.    Массовое соотношение дисульфорезорцина – 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 дисульфорезорцину: 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:

Таблица 1.

Примечание: Невязка баланса: 0,63%

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- 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.