5.2

5.3

[MAX1] 

5.4

5.4.1

      121                                    69          36,5                      168,5                58,5         18

Выход  диазосоединения принимается равным 96,7%.

Молярные массы продуктов побочных превращений принимаются равными молярной массе диазосоединения.

Определение количества исходных веществ.

Конечный объем реакционной массы в процессе диазотирования равен 2900 л.

Коэффициент заполнения  j = 0,7.

Избыток нитрита натрия на производстве составляет: 1,1-1 = 0,1 кмоль (7 кг).

При добавлении нитрита натрия происходит образование азотистой кислоты

NaNO₂ + HCl = HNO₂ + NaCl ,

                                               69        36,5      47       58,5

По окончании реакции диазотирования избыток азотистой кислоты разлагают, добавляя сульфаминовую кислоту :

HNO₂ + H₂NSO₃H = N₂ + H₂SO₄ + H₂O.

                                       47             97         28       98        18

                                       0,1            0,1        0,1      0,1       0,1

В случае аварийной ситуации возможно разложение образующейся азотистой кислоты с выделением окислов азота.

Статьи прихода.

1. Метоксилидин в виде пасты с массовой долей 83%.

m _ПАСТЫ = 121/ 0,83 = 145,8 кг

m _ВОДЫ   = 145,8-121 =  24,8 кг

2. Соляная кислота.

m _{100% HCl} = 36,5 × 2,52 = 92,0 кг

m _{27,5% HCl} = 92 / 0,275 =  334,5 кг

m _ВОДЫ =334,5- 92,0 = 242,5 кг

3. Нитрит натрия.

m _{100% NaNO2} = 69 × 1,1 = 75,9 кг

m _{Р-РА  NaNO2} = 75,9 / 0,3 = 253,0 кг

m _ВОДЫ = 253,0 - 75,9 = 177,1 кг

4. Сульфаминовая кислота.

m _{100% К-ТЫ} = 97 × 0,1 = 9,7 кг

m _{ТЕХН. К-ТЫ} = 13,0 кг

m _{10% Р-РА К-ТЫ} = 13,0 / 0,1 = 130,0 кг

m _ВОДЫ = 130,0-13,0 = 117,0 кг

5. Вода.

m^’_H2O = 2200 кг

S m _{ВОДА ПРИХ} =  24,8 + 242,5 + 177,1 + 117,0 + 2200 = 2761,4 кг

Статьи расхода.

1. Диазосоединение с выходом 96,75%.

m _ДИАЗО = 168,5 × 1,0 × 0,967 = 163,0 кг

2. Примеси от реакции.

m _ПР =  ×168,5 1,0 × 0,033 = 5,5 кг

3. Хлорид натрия.

m _NaCl = 58,5 × 1,1 = 64,4 кг

4. Избыток соляной кислоты.

m _{100% HCl} = 36,5 × [ 2,52 - ( 1,1 + 1,0 )] = 15,3 кг

5. Серная кислота.

m _H2SO4 = 98 × 0,1 = 9,8 кг

6. Отходящие газы.

m _N2 = 28 × 0,1 = 2,8 кг

7. Вода, образующаяся в ходе реакции диазотирования.

m _H2O = 18 × ( 2 × 1,0 + 0,1 ) = 37,8 кг

8. Вода по статьям расхода.

S m _{ВОДА РАСХ} = 2761,4 + 37,8 = 2799,2 кг

5.4.2

[MAX2] 

[MAX3] 

5.4.3

5.4.4

6. Тепловой  баланс стадии диазотирования

Тепловой баланс процесса диазотирования ароматических аминов описывается уравнением:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₅ +Q₆ , где

·       Q₁ - тепло, поступающее в аппарат с исходными веществами, кДж

·       Q₂ - тепло, отводимое охлаждающим агентом или подводимое теплоносителем к                     аппарату, кДж

·       Q₃ - тепловой эффект процесса, кДж

·       Q₄ - тепло, уносимое продуктами реакции, кДж

·       Q₅ - тепло, идущее на охлаждение или нагревание отдельных частей аппарата, кДж

·       Q₆ - тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду или получаемое из нее, кДж

Расчет теплот Q₁ и Q₂ проводят по следующим формулам :

Q₁ = S G_{i н} × c_p × T_н ;

Q₄ = S G_jк × c_p × T_к ,

·       G_iн , G_jк - масса исходных веществ и продуктов реакции, кг ;

·       с_рн , с_рк - удельные теплоемкости исходных веществ и продуктов реакции,

кДж / кг×К ;

·       T_н ,T_к - начальная и конечная температуры на данной стадии процесса, К.

Массы исходных веществ и продуктов реакции берут из данных материального баланса.

При отсутствии экспериментальных данных о удельных теплоемкостях, их вели­чины могут быть приближенно вычислены по уравнению :

·       с_ра - атомные теплоемкости элементов, кДж/ кг×К ;

·       n - число одноименных атомов в молекуле ;

·       M - молекулярная масса соединения, кг/ кмоль.

с_Р1 = (8 × 7,53 + 13 × 9,62 + 1 × 11,3) / 121 =  1,63 кДж / кг×К

с_Р2 = (8 × 7,53 + 11 × 9,62 + 2 × 11,3 + 26,36) / 168,5 = 1,28 кДж / кг×К

Удельные теплоемкости исходных веществ и продуктов реакции.

Тепловой эффект процесса диазотирования Q₃ может быть выражен из сле­дующего равенства :

где    G₁ - масса загружаемого амина, кг ;

с₁ - содержание чистого вещества в исходном амине, масс. доли ;

М₁ - молекулярная масса амина, кг/ кмоль ;

h

q_P - теплота реакции диазотирования, ккал/ г-моль;

d - избыток нитрита натрия от теоретического количества, %.

Теплота реакции диазотирования q_P складывается из теплот реакций-элементов

-нейтрализация амина

RNH₂ + HCl = RNH₂×HCl + q₁

-разложение нитрита натрия соляной кислотой

NaNO₂ + HCl = HNO₂ + NaCl + 3,45 ккал/ г-моль

-диазотирование

RNH₂ + HNO₂ = R-N=N-OH + H₂O + q₃

-нейтрализация диазоаминов

R-N=N-OH + HCl = RN₂⁺Cl^- + H₂O + q₄

Таким образом, удельная теплота реакции диазотирования

q_P = q₃ + q₄ + 3,45 - q₁ , ккал/ г-моль

Согласно справочным данным [1]

q₁ = 3,15 ккал/ г-моль ; q₃ = 15,01 ккал/ г-моль ; q₄ = 8,50 ккал/ г-моль.

q_P = 15,01 + 8,50 + 3,45 - 3,15 = 23,81 ккал/ г-моль.  

Количество тепла, необходимое для нагревания отдельных частей аппарата, нахо­дят по формуле :

Q₅ = G_АП × c_{Р ап} × ( T_{К  ап} - T_{Н ап} ),

где    G_АП - масса отдельных частей аппарата, кг

G_АП = 1350 кг ;

с_{Р ап} - теплоемкость материала, из которого изготовлен аппарат, кДж/ кг×К

с_{Р Ti} = 0,549 кДж/ кг×К ;

T_{К ап} , T_{Н ап} - средняя температура отдельных частей аппарата в конце и начале нагревания, К.

Количество тепла, необходимое для компенсации тепловых потерь в окружаю­щую среду, определяют как

Q₆ = 0,05 × Q₂

Количество теплоты Q₂ необходимое для охлаждения или нагревания отдельных частей аппарата

Q₂ = K × F × Dt_ср × t ,

где    К - среднее значение коэффициента теплопередачи, кВт/ м²×К ;

F - поверхность теплообмена аппарата, м² ;

t - продолжительность стадии теплообмена, с.

Таким образом поверхность теплообмена можнт быть представлена как

Для расчета количества витков змеевика принимаем

·       d_зм=2,040 м ,

·       d_тр= 0,053 м,

·       ­­h= 1,50 м.

Длина одного витка змеевика как винтовой линии составит

Поверхность теплообмена одного витка принимается  равной

Число витков змеевика

Процесс диазотирования метоксилидина скла­ды­ва­ется из трех стадий :

I - охлаждение раствора соляной кислоты до -2 °С ;

II - охлаждение кислого раствора метоксилидина до -3 °С ;

III - собственно диазотирование.

Температурная диаграмма процесса диазотирования в таком случае выглядит следующим образом :

6.1  Определение количества теплоты Q₂. отводимое хладагентом или подводимое теплоносителем, для каждой стадии

I стадия.

Q₃ = 0, так как не протекает никаких химических превращений.

Q₁ + Q₂ = Q₄ + Q₅ + Q₆

Q₂ = 1,05 ( Q₄ + Q₅ - Q₁ )

Q₄ = [92,00 × 0,99 + (2200 + 244,5) × 4,18 ] × 271 = 2,79 × 10⁶ КДж

Q₅ = 1350 × 0,549 × (271 - 293) = -1,63 × 10⁴ Дж

Q₁ = [92,00 × 0,99 + (2200 + 244,5× 4,18 ] × 293 = 3,02 × 10⁶ КДж

Q₂ = 1,05 (2,79 × 10⁶ - 1,63×10⁴ - 3,02 × 10⁶) = -2,60 × 10⁵ КДж

II стадия.

Q₃ = [ 121,0 × 4,19 × 1000 × 3,15 ] / 121 = 1,32 × 10⁴ КДж

Q₂ = 1,05 ( Q₄ + Q₅ - Q₃ -  Q₁ )

Q₄ = [121,00 × 1,68 + 92,00 × 0,99 + (2200 + 244,5+24,8) × 4,18 ] × 270 = 2,87 × 10⁶ КДж

Q₅ = 1350 × 0,549 × (270 - 271) = - 0,74× 10³ КДж

Q₁ = 121,00 × 1,63 × 293 + 2,79 × 10⁶ = 2,85 × 10⁶ КДж

Q₂ = 1,05 (2,87 × 10⁶ -1,32 × 10⁴ - 0,74× 10³ -2,85 × 10⁶) = -1,63 × 10⁴ КДж

III стадия.

Q₅ = 0

Q₁ + Q₂ + Q₃ = Q₄ + Q₆

Q₂ = 1,05 ( Q₄ - Q₁ - Q₃ )

Q₄ = [ 163,0 × 1,28 + 14,7 × 1,28 + 58,5 × 0,9 + 15,3 × 0,99 + 9,8 × 1,71 +

+ (2200 + 244,54+24,8+ 177,1 + 37,8) × 4,18 ] × 274 = 3,15 × 10⁶ КДж

Q₁ = [121,00×1,68+92,00×0,99+76×1,03 + (2200+244,5+24,8+177,1)×4,18 ]×270

     = 3,09×10⁶ КДж

Q₃ = [121×4,19×(1000 × 0,967 × 23,81 + 34,5 × 10) ] / 121 = 9,8 × 10⁴ КДж

Q₂ = 1,05 (3,15 × 10⁶ - 3,09×10⁶ - 9,8 × 10⁴) = -3,9 × 10⁴ КДж

6.2 Расчет поверхности теплообмена

I стадия.

В качестве хладоагента используется рассол с начальной температурой -10°С и конечной температурой -5°С. Теплоемкость примем как для воды.

Противоток:

Прямоток:

Принимаем значение коэффициента теплопередачи [3]   К=900 Вт/ м²·К.

Время охлаждения t  = 30 мин = 1800 с.

Расход рассола

Поверхность теплообмена:

Число витков змеевика:

  II стадия.