Производство хлорбензола

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ВВЕДЕНИЕ

Промышленность основного органического синтеза является одной из важнейших отраслей химического производства. К основному органическому синтезу обычно относят производства синтетических органических продуктов пластических масс и резины. Сырьём для промышленности органического синтеза являются: нефть, уголь и газ. Из них путём переработки получают пять групп углеводородов, на которых базируется весь органический синтез:

1. Парафины (предельные углеводороды);

2. Олефины;

3. Ацетилен;

4. Синтез-газ;

5. Ароматические

Из этих пяти групп получают следующие классы органических соединений:

— галогенпроизводные;

— кислородсодержащие;

— азотсодержащие

Производства основного органического синтеза отличаются высокой энергоёмкостью, большой единичной мощностью, механизацией и автоматизацией всех процессов, аппараты высокопроизводительны, в основном применяется непрерывное производство. Хлорбензол относится к классу хлорпроизводных ароматических углеводородов. Хлорбензол — важный полупродукт в получении анилиновых красителей; он используется также как промежуточный продукт для получения фенола, ДДТ, салициловых препаратов; является хорошим растворителем этилцеллюлозы и многих смол.

Химическая и нефтехимическая промышленность прошла бурный путь развития в период 50−80х годов. В отрасли был создан значительный производственный потенциал. В используемых технологических процессах преобладают устаревшие технологии, внедренные в своем большинстве в 60 — 70х годах. К 90- годам сформировалась тенденция нарастающего отставания технического, технологического и экономического уровня химических производств комплекса от соответствующих показателей развитых стран на 10−20 лет, которое особенно возросло за последние 8 лет. За последние шесть лет объем производства отрасли снизился в целом на 56%, а по ряду важнейших продуктов падение составило: по химическим волокнам и нитям и лакокрасочной продукции — 75%, синтетическим красителям — 83%, синтетическому каучуку — 62%, соде каустической — 57%. Производственный процесс в настоящее время находится в состоянии неустойчивого и хрупкого равновесия. Два направления стратегического развития химической промышленности:

Первое направление — реформирование предприятий химической и нефтехимической промышленности. Результатом реализации данного направления должно стать обеспечение прогноза роста объемов производства важнейшей химической продукции и параметров развития отрасли на период до 2009 года, как составной части социально-экономического развития Российской Федерации в указанный период.

Второе направление — модернизация химической и нефтехимической отрасли. Реализация второго направления выходит за рамки 2009 года и в стратегии развития химической и нефтехимической промышленности до 2009 года прорабатывается концептуально. В указанный период прогнозируется реализовать только отдельные крупные инвестиционные проекты и фрагменты этой концепции.

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА

1.1 МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА ГОТОВОГО ПРОДУКТА И ИХ КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. ВЫБОР МЕТОДА, ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВА

В промышленности бензол получают следующими методами:

1.1.1 Каталитическое хлорирование бензола

Может идти двумя способами:

а) Периодическим;

б) Непрерывным

1.1.2 Окислительное хлорирование бензола

Периодический процесс хлорирования бензола:

C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Наряду с основной реакцией идут побочные реакции с образованием полихлоридов:

C6H6 + 2Cl2 C6H4Cl2 + 2HCl

C6H6 + 3Cl2 C6H3Cl3 + 3HCl и др.

В настоящее время этот метод почти не используется, так как процесс идёт при низких температурах (t? 200C), поэтому необходим отвод большого количества тепла реакции.

Достоинства: можно использовать, если необходимо получить небольшое количество хлорбензола.

Недостатки: низкая производительность; необходимо отводить большое количество тепла; требуется предварительная очистка и осушка бензола.

Непрерывный процесс хлорирования бензола осуществляется при температуре 75−830С (температура кипения бензола) за счёт испарения избыточного количества бензола. Процесс идёт в жидкой фазе, в качестве катализатора применяется железо и его соли (FeCl3).

C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Наряду с основной реакцией идут побочные реакции с образованием полихлоридов:

химический бензол гидрирование хлорирование

C6H6 + 2Cl2 C6H4Cl2 + 2HCl

C6H6 + 3Cl2C6H3Cl3 + 3HCl и др.

Мольное соотношение бензола и хлора поддерживают, равным 3,5? 1: 1, а содержание хлорбензола примерно равно 40%. На 1 т образовавшегося хлорбензола берётся 1,5 т бензола на испарение и избыточное количество бензола с таким расчётом, чтобы в продуктах реакции оставалось до 65% не прореагировавшего бензола. Получаемый хлорбензол содержит 0,3−1,1% полихлоридов и около 0,3% бензола.

Достоинства: Высокая производительность хлоратора; образование катализатора непосредственно при хлорировании бензола; интенсивный отвод тепла реакции.

Недостатки: необходима предварительная очистка и осушка бензола; берётся избыточное количество бензола; протекание большого количества побочных реакций.

1.1.3 Окислительное хлорирование бензола

С6H6 + HCl + 0,5O2 C6H5Cl + H2O

Процесс окисления проводят в паровой фазе над катализатором, состоящим из хлоридов меди и железа на окиси аммония. Температура процесса 235−2450С. Количественное соотношение бензола, хлористого водорода и кислорода составляют примерно 10: 2:3. Превращение бензола за один проход составляет 10−15%.

Достоинства: выход чистого хлорбензола составляет 95−98%.

Недостатки: необходимо применять коррозионно-стойкое оборудование.

1.2 ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЫРЬЯ, ПОЛУПРОДУКТОВ И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ. ХАРАКТЕРИСТИКА ИХ КАЧЕСТВА СОГЛАСНО СТАНДАРТАМ ОСНОВЫ ПРИНЯТОГО МЕТОДА

Сырьём для производства хлорбензола являются:

Бензол; Хлор Бензол. Физические свойства:

Бензол, — бесцветная жидкость со специфическим запахом; молярная масса 78; температура кипения 810С; температура плавления 5,50С; температура вспышки -140С; удельная теплоёмкость при постоянном давлении 1,7 Дж/г·К; плотность 0,879 г/см3; ?Н = 82,96 кДж/моль.

Химические свойства: Взаимодействие бензола с хлором:

C6H6 + Cl2C6H5Cl + HCl

хлорбензол

Взаимодействие бензола с неорганическими кислотами:

С6H6 + HNO3 C6H5NO2 + H2O

нитробензол

C6H6 + H2SO4 C6H5 -SO3H + H2O

бензолсульфокислота

Окисление бензола:

C6H6 + 0,5O2 С6H5 -OH

фенол

малеиновый ангидрид

Гидрирование бензола:

С6H6 + 3H2 С6Н12

циклогексан

Взаимодействие бензола со спиртами:

С6H6 + C2H5OH C6H5CH2-CH3 + H2O

этилбензол

Алкилирование бензола:

С6Н6 + СН2=СН2 С6Н5-СН2-СН3

этилбензол

C6H6 + C2H2Br C6H5-CH2-CH3

Взаимодействие бензола с окисью этилена:

С6Н6 + H2C — CH2 C6H5-CH2-CH2-OH

O фенилэтиловый спирт

Таблица № 1 Бензол (ГОСТ 8448−78)

Наименование показателя

Показатель

Наименование показателя

Показатель

Массовая доля основного вещества, %, не менее

99,80

Температура кристаллизации, 0С, не ниже

5,4

Плотность при 200С, г/см3, в пределах

0,878−0,880

Массовая доля тиофена, % не более

0,0001

Температурные пределы перегонки, при 101 325 Па, 0С

79,6−80,3

Показатель цветности сернокислой вытяжки по бихроматной шкале, не выше

4

В интервале, 0С

0,4

Массовая доля общей серы, %, не более

0,0005

Объёмная доля отгонки, %

95

Массовая доля нелетучего остатка, не более

0,02

Фасовка

Фасовка

Стекло 20,0 дм3

Стекло 1,0 дм3

Стекло 5,0 дм3

Стекло 0,5 дм3

Хлор. Физические свойства:

Хлор, формула Cl2 — желтовато-зелёный газ; молярная масса 71; температура кипения -34,10С; температура плавления -101,030С; удельная теплоёмкость при постоянном давлении 0,471 Дж/г·К; плотность 0,321 г/см3; динамическая вязкость 0,133 мПа·с; ?Н = 0 кДж/моль.

Химические свойства:

Взаимодействие хлора с неметаллами:

Cl2 + F2 2ClF

Cl2 + 3F2 2ClF3

Взаимодействие хлора с металлами:

Cl2 + 2Na 2NaCl

3Cl2 + 2Al 2AlCl3

Взаимодействие хлора с водой:

Cl2 + H2OHCl + HClO

хлорноватистая кислота

Взаимодействие хлора со щелочами:

Cl2 +2KOH KCl + KClO + H2O

Взаимодействие хлора с углеводородами:

Cl2 + CH4 CH3Cl + HCl

Cl2 + C2H4 ClCH2 — CH2Cl

Взаимодействие хлора с бензолом:

Cl2 + C6H6C6H5Cl + HCl

Таблица № 2 Хлор (ГОСТ 6718−93)

Наименование показателей

Нормы

1. Содержание хлора в об. %, не менее

99,6

2. Содержание влаги в вес. %, не более

0,05

3. Содержание трёххлористого азота в вес. %, не более

0,005

Готовым продуктом хлорирования бензола является хлорбензол.

Хлорбензол. Физические свойства:

Хлорбензол, — бесцветная жидкость с характерным запахом; молярная масса 112,5; температура плавления -45,580С; температура кипения 1320С; давление пара 1,33 кПа; удельная теплоёмкость при постоянном давлении 1,330 Дж/г·К; ?Н = -111,7 кДж/моль.

Химические свойства:

Гидролиз хлорбензола водным раствором щёлочи:

C6H5Cl + 2NaOH C6H5ONa + NaCl + H2O

фенолят натрия

Взаимодействие хлорбензола с аммиаком:

С6H5Cl + NH3 C6H5NH2 + HCl

анилин

Нитрование хлорбензола:

С6H5Cl + HNO3 C6H4(NO2)Cl + H2O

хлорнитробензол

Сульфирование хлорбензола:

С6H5Cl + H2NO4 C6H4(SO3H)Cl + H2O

хлорбензосульфокислота

Взаимодействие хлорбензола с хлором:

С6H5Cl + Cl2 C6H4Cl2 + HCl

дихлорбензол

Таблица № 3 Хлорбензол (ГОСТ 646−60)

Марка А

Марка Б

Сорт 1

Сорт 2

1. Внешний вид

Прозрачная бесцветная жидкость без механических примесей

2. 95% по объёму должно перегоняться в пределах изменения температуры в 0С, не более

0,7

2,0

3,5

3. Реакция водной вытяжки

Нейтральная

4. Содержание бензола в %, не более

Не определ.

0,1

0,3

5. Содержание полихлоридов в %, не более

Не определ.

0,75

1,0

1.3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИНЯТОГО МЕТОДА

Хлорбензол получают прямым хлорированием бензола. Процесс состоит из следующих стадий:

1 стадия — Подготовка сырья, включающая очистку бензола от сернистых соединений (тиофен, сероуглерод) моноэтаноламином методом хемабсорбции и тщательную осушку. Необходимо очищать бензол от сернистых соединений, так как тиофен при взаимодействии с хлорным железом и бензолом образует осадок, который не растворяется в бензоле и хлорбензоле, вызывая дезактивацию катализатора, загрязняя аппаратуру и трубопроводы, а присутствие сероуглерода в бензоле влияет на качество продукта — монохлорбензол получается окрашенным, приобретает кислую реакцию, и содержит соли железа. Имеющаяся в бензоле влага, которая гидролизует хлорное железо, что вызывает значительное усиление коррозии оборудования и трубопроводов. Осушку бензола обычно проводят путём азеотропной перегонки.

2 стадия — Хлорирование бензола. Процесс протекает по следующей реакции:

C6H6 + Cl2C6H5Cl + HCl

хлорбензол

Наряду с основной реакцией идут побочные реакции с образованием полихлоридов:

C6H6 + 2Cl2 C6H4Cl2 + 2HCl

C6H6 + 3Cl2 C6H3Cl3 + 3HCl и др.

Процесс хлорирования протекает по цепному-ионному механизму в три стадии на катализаторе FeCl3.

1. Зарождение цепи:

FeCl3 + Cl2 FeCl4— + Cl+

2. Развитие цепи:

С6H6 +Cl+ C6H5Cl + H+

3. Обрыв цепи:

FeCl4— + H+ FeCl3 + HCl

Мольное соотношение бензола и хлора поддерживают, равным 3,5? 1: 1, а содержание хлорбензола примерно равно 40%. Процесс хлорирования идёт при температуре 75−830С. На 1 т образовавшегося хлорбензола берётся 1,5 т бензола на испарение и избыточное количество бензола с таким расчётом, чтобы в продуктах реакции оставалось до 65% не прореагировавшего бензола. Процесс хлорирования бензола осуществляется в хлораторе (аппарат колонного типа, изнутри футерован кислотоупорными плитками, верхняя часть расширена и служит брызгоуловителем). Хлоратор наполнен керамическими кольцами и стальной стружкой. Через насадку пропускают хлор, при этом образуется FeCl3, который является катализатором. Затем в нижнюю часть хлоратора подаётся бензол и хлор. Образующийся при хлорировании бензола хлористый водород вместе с парами бензола, хлорбензола, остатками влаги и газообразными примесями, содержащимися в хлоре, отводят в самой верхней части хлоратора. Из отходящих газов выделяют бензол, для чего их подвергают двухступенчатому охлаждению. В первой ступени газы охлаждают до 300С, при этом конденсируется около 90% содержащегося в них бензола. Во второй ступени при -20С из газов дополнительно выделяется более 9% бензола. Из расширенной части хлоратора непрерывно отбирают жидкие продукты реакции — смесь хлорбензола, бензола, полихлоридов, хлорного железа, хлористого водорода, растворённого в жидкости и др.

3 стадия — Выделение хлорбензола из продуктов реакции методом ректификации в двухколонном ректификационном агрегате. В первой ректификационной колонне отделяется бензол от продуктов реакции. Температуру колонны поддерживают в пределах 113−1410С в кубовой части и 75−810С — в верхней части, колонна работает под атмосферным давлением. Дистиллят, отгоняемый из колонны, содержит 99,5% бензола и 0,5% хлорбензола. Из кубовой части колонны непрерывно вытекает хлорбензол-сырец, содержащий 0,15−0,25% бензола и 3,5−4,5% полихлоридов. Во второй ректификационной колонне отгоняют товарный хлорбензол от полихлоридов. В верхней части колонны поддерживается остаточное давление 200 мм рт. ст., что позволяет применять для обогрева кипятильника пар низкого давления. Получаемый хлорбензол содержит 0,3−1,1% полихлоридов и около 0,3% бензола. В смеси полихлоридов, вытекающей из куба, содержание хлорбензола обычно не превышает 10%.

4 стадия — Очистка хлорида водорода от бензола. Из хлористого водорода, образующегося при хлорировании бензола, получают соляную кислоту. Его можно также применять и для окислительного хлорирования бензола в хлорбензол:

С6H6 + HCl + 0,5O2 C6H5Cl + H2O

хлорбензол

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА

2.1 ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВЫПОЛНЕННОЙ ГРАФИЧЕСКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЛИ ОТДЕЛЕНИЯ

Предварительно очищенный от сернистых соединений и тщательно осушенный бензол из бачка для поддержания постоянного уровня жидкости СБ1 и газообразный хлор, осушенный серной кислотой подают в нижнюю часть хлоратора ХЛ. Процесс хлорирования идёт при температуре 75−830С. Образующийся при хлорировании бензола хлористый водород вместе с парами бензола, хлорбензола, остатками влаги и газообразными примесями, содержащимися в хлоре, отводят в самой верхней части хлоратора ХЛ. Количество испаряющегося бензола составляет 1,4−1,5 т на 1 т получаемого хлорбензола. Из отходящих газов выделяют бензол, для чего их подвергают двухступенчатому охлаждению. В первой ступени газы охлаждают до 300С, при этом конденсируется около 90% содержащегося в них бензола. Во второй ступени при -20С из газов дополнительно выделяется более 9% бензола, газы проходят холодильники Х, охлаждаемые хлорбензолом, который в свою очередь предварительно пропускают через рассольный теплообменник или охлаждают в конденсаторе смешения КС. Конденсатор смешения КС представляет собой насадочную колонну, орошаемую охлаждённым хлорбензолом. Пары раствора конденсируются, и раствор бензола в хлорбензоле вытекает из нижней части аппарата. Часть раствора через холодильник Х вновь направляется на орошение конденсатора смешения КС; из другой части раствора выделяют бензол в ректификационной колонне РК. Чтобы предотвратить насыщение хлорбензола конденсирующимся бензолом (во избежание замерзания раствора при его охлаждении), к циркулирующему раствору в промежуточном сборнике СБ2 добавляют свежий хлорбензол. Из расширенной части хлоратора ХЛ непрерывно отбирают жидкие продукты реакции — смесь хлорбензола, бензола, полихлоридов, хлорного железа, хлористого водорода, растворённого в жидкости и др. Эту смесь вместе с раствором, отбираемым из конденсатора смешения КС, направляют на разделение в двухколонный ректификационный агрегат непрерывного действия. Поступающая в насадочную колонну смесь содержит 64−65% бензола, 33,5−34% хлорбензола, около 1,5% полихлоридов и небольшое количество растворённых хлористого водорода и хлорного железа.

В первой ректификационной колонне РК1 отделяется бензол от продуктов реакции. Температуру колонны поддерживают в пределах 113−1410С в кубовой части и 75−810С — в верхней части, колонна работает под атмосферным давлением. Дистиллят, отгоняемый из колонны, содержит 99,5% бензола и 0,5% хлорбензола. Из кубовой части колонны непрерывно вытекает хлорбензол-сырец, содержащий 0,15−0,25% бензола и 3,5−4,5% полихлоридов. Во второй ректификационной колонне РК2 отгоняют товарный хлорбензол от полихлоридов. В верхней части колонны поддерживается остаточное давление 200 мм рт. ст., что позволяет применять для обогрева кипятильника пар низкого давления. Получаемый хлорбензол содержит 0,3−1,1% полихлоридов и около 0,3% бензола. В смеси полихлоридов, вытекающей из куба, содержание хлорбензола обычно не превышает 10%. Эта смесь может быть использована для получения тетра- и гексахлорбензола или переработана для получения хлорбензола, о- и п-дихлорбензолов.

Из хлористого водорода, образующегося при хлорировании бензола, получают соляную кислоту. Его можно также применять и для окислительного хлорирования бензола в хлорбензол.

2.2 КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ

Таблица № 4

Наименование параметра

Номин. значение

Позиция и тип прибора

Место установки регулирующ. клапана

Уровень в СБ1

Соотношение расхода бензола к хлору в ХЛ

Температура хлорбензола в ХО

Температура в верхней части РК1

Температура в нижней части РК1

11 268,2: 1886,3

300С

1300С

133 — 1410С

1а — уравнимер буйковый УБ-П

1б — вторичный преобразователь ПКП-1

1в — вторичный прибор с задатчиком ПРЗ-32

1 г — пневматический регулирующий клапан ПРК

2а и 3а — два сужающих устройства ДК6−50

2б и 3б — два передающих преобразователя расхода 13ДД11

2 В и 3в — два вторичных прибора со станцией управления ПВ 10 1Э

2 г — пневматический регулирующий клапан ПРК

4а — термоэлектрический преобразователь ТХА-0515

4б — электронный потенциометр с пневматическим регулирующим устройством КСП-3 мод. 1800

4в — пневматический регулирующий клапан ПРК

5а — термоэлектрический преобразователь ТХА-0515

5б — электронный потенциометр с пневматическим регулирующим устройством КСП-3 мод. 1800

5в — пневматический регулирующий клапан ПРК

6а — термоэлектрический преобразователь ТХА-0515

6б — электронный потенциометр с пневматическим регулирующим устройством КСП-3 мод. 1800

6в — пневматический регулирующий клапан ПРК

В трубопроводе подачи бензола

В трубопроводе подачи бензола

В трубопроводе подачи воды

2.3 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. ОТХОДЫ ПРОИЗВОДСТВА И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

В производстве хлорбензола образуются газообразные и жидкие отходы, а также сточные воды. Газообразные отходы образуются в результате хлорирования бензола, в этих отходах содержится HCl. Очистка газов от HCl может проводиться абсорбционным или адсорбционным методом. Наиболее эффективным и распространённым методом в промышленности является абсорбция газообразного HCl водой. Он и используется в данном проекте. После очистки газ, выбрасываемый в атмосферу, должен содержать HCl не выше ПДК = 0,2 мг/м3. Абсорбционный метод основан на физическом поглощении абсорбционной жидкости. Достоинством этого метода является высокая степень очистки, экологичность, возможность очистки больших объёмов газов. Вентиляционные выбросы содержат хлор, бензол и хлорбензол. Они поступают в атмосферу цеха через не плотности в оборудовании и из воздуходувок. Для очистки вентиляционных выбросов предлагают адсорбцию на активном угле. Адсорбционный метод основан на поглощении загрязнителей поверхностью пористых адсорбентов. Достоинством метода является высокая степень очистки, простота оборудования, отсутствие сточной воды. Адсорбция обычно применяется для очистки низко концентрированных газов. Сточная вода образуется при промывке газа от HCl, а также при промывке оборудования, в виду небольшого его количества сточную воду смешивают с бытовой сточной водой и отправляют на биологическую очистку. Биохимическая очистка один из самых основных методов глубокой очистки сточных вод, содержащих органические примеси. Достоинства — возможность удаления органических и неорганических соединений, несложное аппаратурное оформление, невысокие эксплуатационные затраты. Недостатки — большие капитальные затраты, необходимость удаления токсичных веществ, строгое соблюдение технологического режима. Для очистки сточных вод от ароматических углеводородов применяется азеотропная перегонка. Условно-чистая вода собирается в коллекторе для условно-чистой воды и направляется на градирни, где охлаждается и по системе водооборота возвращается в производство.

Для каждого вещества загрязняющего атмосферу, устанавливается максимально — разовая и суточная ПДК. Максимально-разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха) при кратковременном воздействии атмосферных загрязнений (до 20 минут), а среднесуточное с целью предупреждения их обще токсического, мутагенного и других влияний. Процесс получения хлорбензола является малоотходным производством, тем не менее, имеются вентиляционные выбросы, содержащие пары хлорбензола (ПДКм.р. = 0,1мг/м3; ПДКср.с. = 0,1мг/м3). Не прореагировавшие продукты, в частности бензол (ПДКм.р. = 1,5мг/м3; ПДКср.с. = 0,8 мг/м3), вновь возвращают в производство, что обеспечивает предотвращение выбросов в атмосферу (схема № 2), тем не менее, образуются выхлопные газы, которые содержат пары HCl, бензола, хлорбензола и хлора. Отходящие газы процесса хлорирования могут содержать хлор (ПДКм.р. = 0,1мг/м3; ПДКср.с. = 0,03мг/м3), как правило, он отделяется, так что выбросы не велики и не приводят к серьёзным проблемам.

2.4 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ, ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ И ОХРАНА ТРУДА

2.4.1 Бензол

Действие высоких концентраций паров бензола сказывается, главным образом, на центральной нервной системе (наркотическое и отчасти судорожное действие); при многократном воздействии низких концентраций на первом плане изменения со стороны крови и кроветворных органов. Жидкий бензол довольно сильно раздражает кожу. Повреждающее действие на кроветворную систему усиливает накопление бензола в костном мозге, в клетках которого идет усиленный метаболизм, создается депо бензола и его метаболитов. Имеются данные о нарушении синтеза нуклеиновых кислот (главным образом ДНК), ведущем к угнетению продукции клеток, их неполноценности, нарушению хромосомных структур и т. д. При очень высоких концентрациях — почти мгновенная потеря сознания и смерть в течение нескольких минут. Лицо приобретает синий цвет, слизистые оболочки часто вишнево-красные. При меньших концентрациях — возбуждение, подобное алкогольному, затем сонливость, общая слабость, головокружение, тошнота, рвота, головная боль, потеря сознания. Наблюдаются также мышечные подергивания, которые могут переходить в судороги. Зрачки часто расширены, не реагируют на свет. Дыхание сначала учащено, затем замедлено. Температура тела резко снижается. Пульс учащенный. Кровяное давление понижено. При вскрытии — темная жидкая кровь, кровоизлияния в мозг, сетчатке, легких, верхних дыхательных путях, органах брюшной полости, в слизистых оболочках пищеварительного тракта, клетчатке и коже; иногда только полнокровие внутренних органов. По Леману, пребывание в течение 10 минут при концентрации паров бензола 15−20 мг/л трудно переносимо. Более лёгкие хронические отравления бензолом характеризуются рядом общих симптомов: головная боль, головокружения, повышенная раздражительность, усталость, бессонница и сонливость. ПДКбензола в рабочем помещении 5мг/м3.

Пожароопасные свойства бензола:

Плотность газов по воздуху — 2,77;

Концентрационный предел воспламенения:

1. Нижний предел: а) 1,4% (объёма)

б) 45 г/м3

2. Верхний предел: а) 7,1% (объёма)

б) 230 г/м3

Температура, 0С:

1. Самовоспламенения 562;

2. Вспышки -11

Категория взрываемости — IIА; группа взрывоопасных смесей — Т1;

Средства защиты — противогаз марки А.

2.4.2 Хлор

Отравление высокими концентрациями может привести к молниеносной смерти из-за рефлекторного торможения дыхательного центра. Пострадавший задыхается, лицо синеет, он мечется, делает попытку бежать, но тотчас падает, движения становятся нескоординированными, сознание теряется, пульс делается частым, затем нитевидным. На вскрытии особых изменений не обнаруживается. При несколько меньших концентрациях хлора рефлекторная остановка дыхания короче; спустя несколько секунд дыхание возобновляется, но становится поверхностным, судорожным, паузы между дыхательными движениями чаще и продолжительнее, дыхание останавливается через 5−25 минут после вдыхания газа; сердце, хотя и ненадолго, переживает остановку дыхания. Смертельный исход объясняется химическим ожогом легких. При отравлении средними и низкими концентрациями — резкие загрудинные боли, жжение и резь в глазах, слезотечение, мучительный сухой кашель. Больной часто возбужден, в других случаях, напротив, подавлен. Через 2−3 часа развивается легочный отек. Явления раздражения дыхательных путей стихают, больной успокаивается. Отравления очень малыми концентрациями наиболее часты в производственных условиях. Сопровождаются они покраснением мягкого нёба и глотки, бронхитом, легкой одышкой, охриплостью, чувством давления в груди, часто рвотой.

ПДКхлора в рабочем помещении 1мг/м3.

Пожароопасные свойства хлора:

Температура плавления = -1010С;

Температура кипения = -34,050С;

Теплопроводность: 1. При 00С = 0,0242 Вт/м·К

2. При 550С = 0,0281 Вт/м·К

Средства защиты — противогаз марки В.

2.4.3 Хлорбензол

Опасность производства получения хлорбензола определяется свойствами применяемых веществ, их количества и особенностями физико-технологического процесса. Хлорирование бензола в производстве хлорбензола осуществляют в хлораторах — вертикальных цилиндрических аппаратах, футерованных кислотоупорной плиткой и заполненных железными кольцами в качестве катализатора. В производстве хлорбензола бензол хлорируют при сравнительно высоких температурах, что позволяет отводить тепло реакции за счёт испарения части бензола в отсутствии специальных теплообменных устройств и теплоносителей. Большинство аварий при хлорировании бензола в промышленных условиях обусловлено применением бензола, пары которого с воздухом образуют взрывоопасные смеси. При превышении скорости хлорирования процесс хлорирования становится неуправляемым и заканчивается взрывом. В производстве при хлорировании возможны взрывы, хлопки и загорание водовоздушных и хлороводородных газовых смесей в хлораторах, трубопроводах для отходящих газов и другом оборудовании, в котором хлор поглощается из хлороводородной смеси. Во избежание образования взрывоопасных парогазовых смесей в верхнюю часть хлоратора постоянно подают азот (1−2м3/ч) для разбавления.

Пожароопасные свойства хлорбензола:

Температура плавления -45,50С;

Температура кипения -1320С;

Температура вспышки -290С;

Растворяется в органических растворителях, плохо растворяется в воде.

Содержится в выбросах производств фенола, анилина, растворителей. ПДКм.р. и ПДКс.с. в рабочем помещении установлены 0,1мг/м3. Класс опасности — III.

Температурные пределы взрываемости насыщенных паров:

1. Нижний предел -230С;

2. Верхний предел 580С

Концентрационные пределы взрываемости в воздухе:

1. Нижний предел: а) 1,6 (объёмн. %)

б) 60 мг/л

2. Верхний предел: а) 9,6 (объёмн. %)

б) 330 мг/л

Средства и способы тушения: водяной пар, газ СО2

Категория взрываемости — IIA; группа взрывоопасных смесей — Т1;

Средства защиты — противогаз марки М.

3. РАСЧЁТЫ

3.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ РАСЧЁТ И ТАБЛИЦА МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПРОЕКТИРУЕМОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЛИ ОТДЕЛЕНИЯ

Исходные данные:

Производительность установки хлорбензола 20 000 т/г

Состав продуктов реакции (в масс. %):

Хлорбензол 34,0

Бензол 64,0

Дихлорбензол 1,0

Трихлорбензол 1,0

Потери хлорбензола составляют 3%

На 1 т образовавшегося хлорбензола на испарение берётся 1,5 т бензола.

Содержание основного вещества в бензоле составляет 98%, в хлоре — 99%.

ППР на текущий ремонт 2160/240

ППР на капитальный ремонт 17 280/286

Определяем количество рабочих часов в году:

Количество простоев на текущий ремонт в году, ч/г:

2160 ч. ---- 240 ч. [8, с 262]

366 · 24 ч. ---- ч1

ч1 = (366 · 24 · 240) / 2160 = 976

Количество простоев на капитальный ремонт в году, ч/г:

17 280 ч. ---- 286 ч.

366 · 24 ч. ---- ч2

ч2 = (366 · 24 · 286) / 17 280 = 145,4

Определяем время работы хлоратора в год, ч/г:

366 · 24 — (976 + 145,4) = 8784 — 1121,4 = 7662,6

Определяем часовую производительность установки не учитывая потери, кг/ч:

(20 000 · 1000) / 7662,6 = 2610,1

Определяем часовую производительность с учётом потерь, которые составляют 3%, кг/ч:

2610,1 / 0,97 = 2690,8

Определяем потери хлорбензола, кг/ч:

2690,8 — 2610,1 = 80,7

Определяем массу продуктов реакции, кг/ч:

2690,8 / 0,34 = 7914,1

Определяем состав продуктов реакции:

Бензол, кг/ч:

7914,1 · 0,64 = 5065

Дихлорбензол, кг/ч:

7914,1 · 0,01 = 79,1

Трихлорбензол, кг/ч:

7914,1 · 0,01 = 79,1

ч ч 1 2690,8кг/ч ч2

С6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl (1)

78 71 112,5 36,5

Теоретический расход бензола на основную реакцию, кг/ч:

ч = (78 · 2690,8) / 112,5 = 1865,6

Теоретический расход хлора на основную реакцию, кг/ч:

ч1 = (71 · 2690,8) / 112,5 = 1698,2

Сколько HCl образуется теоретически, кг/ч:

ч2 = (36,5 · 2690,8) / 112,5 = 873

ч ч1 79,1кг/ч ч2

С6H6 + 2Cl2 C6H4Cl2 + 2HCl (2)

78 142 147 73

Теоретический расход бензола на побочную реакцию, кг/ч:

ч = (78 · 79,1) / 147 = 42

Теоретический расход хлора на побочную реакцию, кг/ч:

ч1 = (142 · 79,1) / 147 = 76,4

Сколько HCl образуется теоретически, кг/ч:

ч2 = (73 · 79,1) / 147 = 39,8

ч ч1 79,1кг/ч ч2

С6H6 + 3Cl2 C6H3Cl3 + 3HCl (3)

78 213 181,5 109,5

Теоретический расход бензола на побочную реакцию, кг/ч:

ч = (78 · 79,1) / 181,5 = 34

Теоретический расход хлора на побочную реакцию, кг/ч:

ч1 = (213 · 79,1) / 181,5 = 92,8

Сколько HCl образуется теоретически, кг/ч:

ч2 = (109,5 · 79,1) / 181,5 = 47,2

Определяем количество бензола с учётом испарения, кг/ч:

2690,8 · 1,5 = 4036,2

Определяем количество бензола на все реакции, кг/ч:

5065 + 1865,6 + 42 + 34 + 4036,2 = 11 042,8

Определяем количество бензола с учётом основного вещества, кг/ч:

11 042,8 / 0,98 = 11 268,2

Определяем количество примесей (ксилол, толуол) в бензоле, кг/ч:

11 268,2 — 11 042,8 = 225,4

Определяем количество хлора на все реакции, кг/ч:

1698,2 + 76,4 + 92,8 = 1867,4

Определяем количество хлора с учётом основного вещества, кг/ч:

1867,4 / 0,99 = 1886,3

Определяем количество примесей (азот) в хлоре, кг/ч:

1886,3 — 1867,4 = 18,9

Определяем сколько образуется HCl, кг/ч:

873 + 39,8 + 47,2 = 960

Таблица № 5 Материальный баланс

Поступает

кг/ч

Образуется

кг/ч

1. Бензол технический

11 268,2

1. Хлорбензол

2690,8

1.1. Бензол по 1ой реакции

1865,6

2. Дихлорбензол

79,1

1.2. Бензол по 2ой реакции

42

3. Трихлорбензол

79,1

1.3. Бензол по 3ей реакции

34

4. Примеси бензола

225,4

1.4. Бензол в продуктах реакции

5065

4.1. Ксилол

112,7

1.5. Бензол на испарение

4036,2

4.2. Толуол

112,7

1.6. Примеси бензола

225,4

5. Бензол в продуктах реакции

5065

1.6.1. Ксилол

112,7

6. Бензол на испарение

4036,2

1.6.2. Толуол

112,7

7. HCl

960

2. Хлор

1886,3

8. Примеси хлора

18,9

2.1. Хлор по 1ой реакции

1698,2

8.1. Азот

18,9

2.2. Хлор по 2ой реакции

76,4

2.3. Хлор по 3ей реакции

92,8

2.4. Примеси хлора

18,9

2.4.1. Азот

18,9

ИТОГО

13 154,5

13 154,5

3.2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ПРОЕКТИРУЕМОГО АППАРАТА, ТАБЛИЦА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

Приход тепла, кДж/ч: Тепло, вносимое в аппарат сырьём, кДж/ч:

Q = mбензол · cбензол · t1 + mхлор · cхлор · t1 + mксилол · cксилол · t1 + mтолуол · cтолуол · t1 + mазот · cазот · t1 = 11 042,8 · 1,7 · 20 + 1867,4 · 0,5 · 20 + 112,7 · 1,2 · 20 + 112,7 · 1,1 · 20 + 18,9 · 1 · 20 = 375 455,2 + 18 674 + 2704,8 + 2479,4 + 378 = 399 691,4

где:

mбензол, mхлор, mксилол, mтолуол, mазот — массы веществ, хлора и бензола, химически-чистых примесей (ксилол, толуол, азот), кг/ч:

mбензол= 1865,6 + 42 + 34 + 5065 + 4036,2=11 042,8 [из таблицы материального баланса]

mхлор = 1698,2 + 76,4 + 92,8 = 1867,4

mксилол = 112,7

mтолуол = 112,7

mазот = 18,9

cбензол, cхлор, cксилол, cтолуол, cазот — теплоёмкости веществ, Дж/кг · 0К:

Ср = Со / М

Сбензол = 135,14 / 78 = 1,7 [5, с. 84]

Схлор = 33,93 / 71 = 0,5 [5, с. 73]

Сксилол = 127,57 / 106 = 1,2 [5, с. 84]

Столуол = 103,64 / 92 = 1,1 [5, с. 85]

Сазот = 29,12 / 28 = 1 [5, с. 73]

t1 — температура, при которой техническое сырьё вводится в аппарат, 0С:

t1 = 200С

Находим тепловые эффекты основной и побочных реакций, по закону Гесса, кДж/моль · 0К:

Qэфф. = ?Qобр. кон.  — ?Qобр. нач. = (5158 · 103 + 854 · 103) — (5328 · 103 + 478 · 103) = 6012 · 103— 5806 · 103 = 206 · 103

Основная реакция:

С6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Теплоту образования определяют по энтальпии. Энтальпия равна числовому значению с противоположным знаком, кДж/моль:

Бензол: ?Н = 49,03 [5, с. 22]

Qобр. = - 49,03 · 103

Хлор: ?Н = 0 [5, с. 10]

Qобр. = 0

Хлорбензол: ?Н = 10,65 [5, с. 24]

Qобр. = - 10,65· 103

HCl: ?Н = - 92,3 [5, с. 18]

Qобр. = 92,3 · 103

Qэфф. = 92,3·103-(-49,03·103— 10,65·103) = 92,3·103 + 9,68 · 103= 151,98 · 103 кДж/моль·0К

Определяем тепловой эффект реакции на 1 кг образовавшегося хлорбензола, кДж/кг:

(151,98 · 103) / 112,5 = 1350,9

Определяем тепловой эффект на часовую производительность хлорбензола, кДж/ч:

1350,9 · 2690,8 = 3 635 001,7

Побочные реакции. Теплота образования подсчитывается по энергии разрыва связи, кДж/моль:

С6H6 + 2Cl2 C6H4Cl2 + 2HCl + Q

Бензол: C-H = 6 · 412 · 103 = 2472 · 103 [9, с. 251]

C-C = 3 · 339 · 103 = 1017 · 103 [9, с. 250]

С=С = 3 · 613 · 103 = 1839 · 103 [9, с. 255]

Qобраз. = 2472 · 103 + 1017 · 103 + 1839 · 103 = 5328 · 103

Хлор: Cl-Cl = 2 · 239 · 103 = 478 · 103 [9, с. 245]

Qобраз. = 478 · 103

Дихлорбензол: С-Н = 4 · 412 · 103 = 1648 · 103

С-С = 3 · 339 · 103 = 1017 · 103

С=С = 3 · 613 · 103 = 1839 · 103

С-Cl = 2 · 327 · 103 = 654 · 103 [9, с. 248]

Qобраз. = 1648 · 103 + 1017 · 103 + 1839 · 103 + 654 · 103 = 5158 · 103

HCl: Н-Сl = 2 · 427· 103 = 854 · 103 [9, с. 247]

Qобраз. = 854 · 103

Определяем тепловой эффект реакции на 1 кг образовавшегося дихлорбензола, кДж/ч:

Qэфф. = (206 · 103) / 147 = 1401,36

Определяем тепловой эффект на часовую производительность дихлорбензола, кДж/ч:

Qэфф. = 1401,36 · 79,1 = 110 847,6

С6H6 + 3Cl2 C6H3Cl3 + 3HCl + Q

Qобраз. бензола = 5328 кДж/моль

Трихлорбензол: С-Н = 3 · 412 · 103 = 1236 · 103

С=С = 3 · 339 · 103 = 1017 · 103

С-С = 3 · 613 · 103 = 1839 · 103

С-Cl = 3 · 327 · 103 = 981 · 103

Qобраз. = 1236 · 103 + 1017 · 103 + 1839 · 103 + 981 · 103 = 5073 · 103

Хлор: Cl-Cl = 3 · 239 · 103 = 717 · 103

Qобраз. = 717 · 103

HCl: Н-Cl = 3 · 427 · 103 = 1281 · 103

Qобраз. = 1281 · 103

Определяем тепловой эффект трихлорбензола, кДж/моль;

Qэфф. = (5073 · 103 + 1281 · 103) — (5328 · 103 + 717 · 103) = 309 · 103

Определяем тепловой эффект реакции на 1 кг образовавшегося трихлорбензола, кДж/кг:

Qэфф. = (309 · 103) / 181,5 = 1702,5

Определяем тепловой эффект на часовую производительность трихлорбензола, кДж/ч:

Qэфф. =1702,5 · 79,1 = 134 667,7

Qреакции = 3 635 001,7 + 110 847,6 + 134 667,7 = 3 880 517

?Qприх. = 3 880 517 + 399 691,4 = 4 280 208,4

Расход тепла, кДж/ч.

Находим тепло, выносимое с продуктами реакции, кДж/ч:

Q = mхлорбензол · схлорбензол · t2 + mдихлорбензол · cдихлорбензол · t2 + mтрихлорбензол · cтрихлорбензол · t2 + mHCl · cHCl · t2 + mксилол · cксилол · t2 + mтолуол · cтолуол · t2 + mазот · cазот · t2 = 2690 · 1 · 80 + 79,1 · 1,4 · 80 + 79,1 · 1,1 · 80 + 960 · 0,7 · 80 + 112,7 · 1,4 · 80 + 112,7 · 1,3 · 80 + 18,9 · 1,1 · 80 = 215 200 + 8859,2 + 6960,8 + 53 760 + 12 622,4 + 11 720,8 + 1663,2 = 310 786,4

где:

mхлорбензол, mдихлорбензол, mтрихлорбензол, mHCl, mксилол, mтолуол, mазот — массы веществ, кг/ч:

mхлорбензол = 2690,8 [из таблицы материального баланса]

mдихлорбензол = 79,1

mтрихлорбензол = 79,1

mHCl = 960

mксилол = 112,7

mтолуол = 112,7

mазот = 18,9

cхлорбензол, cдихлорбензол, cтрихлорбензол, cHCl, сксилол, столуол, сазот — теплоёмкости веществ, находим эмпирическим путём, Дж/кг · 0К:

Ср = (?Ci · ni) / М [5, с. 32]

где:

Сi — атомная теплоёмкость;

ni — число атомов;

М — молярная масса веществ

Сдихлорбензол = (11,72 · 6 + 17,99 · 4 + 33,47 · 2) / 147 = 1,4

Стрихлорбензол = (11,72 · 6 + 17,99 · 3 + 33,47 · 3) / 181,5 = 1,1

Схлорбензол, Сксилол, Столуол = a + bt + ct2 + dt3

Схлорбензол = -33,9 + 558 · 10-3 · (80 + 273) + (- 445,2) · 10-6 · (80+ 273)2 + 139,4 · 10-9 · (80 + 273)3 = 114 / 112,5 = 1 Дж/кг · 0К

Сксилол=-11,3+526,64·10-3·(80+273)+(-204,76)·10-6·(80+273)2=149,1/106=1,4 Дж/кг·0К

Столуол = -21,59+476,85·10-3·(80+273)+(-190,33)·10-6·(80+273)2= 123/92 =1,3 Дж/кг·0К

СНСl, Сазот = a + bt + c / t2

CHCl = 23,3 + 4,60 · 10-3 · (80 + 273) + 1,9 · 105 / (80 + 273)2 = 26,4/ 36,5 = 0,7 Дж/кг·0К

Сазот = 27,88 + 4,27 · 10-3 · (80 + 273) = 29,4 / 28 = 1,1 Дж/кг · 0К

t2 — температура, при которой техническое сырьё выводится в аппарат, 0С:

t2 = 800С

Определяем потери тепла в окружающую среду, берётся от 1 до 10% от суммы прихода, кДж/ч:

Qпот. = 4 280 208,4 · 0,06 = 256 812,5

Определяем расход тепла с учётом потерь, кДж/ч:

Qрасх. = 310 786,4 + 256 812,5 = 567 598,9

Определяем тепловую нагрузку, которая равна разности тепла прихода и расхода, кДж/ч:

Qнагр. = 4 280 208,4 — 567 598,9 = 3 712 609,5

Таблица № 6 Тепловой баланс

Приход

кДж/ч

Расход

кДж/ч

1. Тепло, вносимое в аппарат сырьём

399 691,4

1. Тепло, выносимое из аппарата сырьём

310 786,4

2. Тепловой эффект основной и побочных реакций

3 880 517

2. Потери тепла в окружающую среду (6%)

256 812,5

3. Тепловая нагрузка

3 712 609,5

ИТОГО

4 280 208,4

4 280 208,4

Определяем количество испаряющегося бензола, кг/ч:

Q = G · r = 4036,2 · 395 = 1 594 299, где

r = 395 — теплота испарения бензола, кДж/кг [3, с. 815]

Определяем сечение для прохода теплоносителя в трубках печи, м2:

S = G / w = 4036,2 / (20 · 3600) = 0,06 [3, с. 449]

Выбираем трубы из хромистой стали диаметром 38/33 мм; сечение одной трубы равно 0,785 · 0,0332 = 0,855 м2

Определяем количество труб в кожухотрубчатом теплообменнике, шт. :

n = 0,06 / 0,855 = 70

Принимаем количество труб 121, тогда:

Sтр. = 121 · 0,855 = 0,103 [3, с. 429]

Определяем площадь сечения межтрубного пространства, м2:

Sмтр. = р/4 · (D2 — n · dн2) = 3,14/4 · (0,62 — 121 · 0,0382) = 0,15 [3, с. 444]

Определяем приведённое сечение, м2:

Sприв. = Sмтр. · h · ш /? = 0,15 · 0,13 · 0,5 / 0,43 = 0,023 [3, с. 444]

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой