д.х.н., проф., зав. каф. ВМКТ Кондратов С.А.

аспирант каф. ВМКТ Аль Хамадани М.Д.

Институт химических технологий (г.Рубежное) Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля

Моделирование промышленного процесса нитрования бензола по прямому методу

Нитробензол – один из базовых продуктов органического синтеза, основа для дальнейшего получения полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ. В настоящее время в промышленности используются 2 метода нитрования: прямой и адиабатический [1]. В Украине на сегодняшний день реализован прямой метод, основанный на нитровании бензола серно-азотной кислотной смесью со снятием тепла внешним теплоносителем и последующей денитрацией-концентрированием отработанной серной кислоты и возвратом в цикл [1]. Актуальная проблема – совершенствование технологии действующего производства. Цель настоящей работы – разработка математической модели нитрования бензола, ее компьютерная реализация и исследование на ней закономерностей нитрования в промышленном реакторе.

Модель непрерывного процесса нитрования составлена в виде системы из двух дифференциальных уравнений идеального перемешивания, первое из которых – уравнение материального баланса, а второе – уравнение теплового баланса [2]. При составлении уравнения теплового баланса учтены тепловые эффекты реакции нитрования и разбавления серной кислоты выделяющийся водой [2]. На разработанной модели были выявлены закономерности пускового периода и стационарного процесса нитрования:

1) В пусковом периоде при низкой начальной температуре в реакторе (20^оС) наблюдается сначала накопление удельного количества азотной кислоты и бензола, проходящее через максимум а затем, при наступлении стационарного состояния, их уменьшение в 3-4 раза. Накопление непрореагировавших бензола и азотной кислоты создает потенциальную опасность неуправляемого протекания процесса. С повышением пусковой температуры наблюдается уменьшение максимальной концентрации непрореагировавших бензола и азотной кислоты, вплоть до полного исчезновения максимума при 60 - 65^оС.

2). Исследовано количество стационарных решений модели. Установлено, что система имеет одно стационарное решение, зависящее от времени пребывания массы в реакторе. С увеличением времени пребывания увеличивается стационарные температура и степень превращения. При этом наблюдается линейная корреляция между стационарной температурой и стационарной степенью превращения на выходе из реактора.

3). Используя статистическое моделирование и экспертное оценивание, исследовано влияние неопределенности в значении входных параметров, а также уравнения скорости на результат – неопределенность стационарных температуры и степени превращения. Установлено, что неопределенность в выходных параметрах снижается при увеличении концентрации отработанной кислоты до 70 % и времени пребывания выше 600 с. При снижении концентрации отработанной кислоты до 66 % наблюдается значительное возрастание неопределенности степени превращения. Эта неопределенность может быть снижена при увеличении времени пребывания в реакторе до 4000 – 6000 с.

На основании проведенных исследований сформулированы практические рекомендации для проведения нитрования в промышленном реакторе: пуск процесса следует проводить после предварительного подогрева отработанной кислоты в реакторе до 60-65^оС, а оптимальный состав кислотной смеси должен быть таким, чтобы концентрация серной кислоты в отработанной кислоте составляла 70-72 %

Литература:

1. Kent and Riegel's handbook of industrial chemistry and biotechnology / ed. J.A.Kent [Text]. – N.Y.: Springer, 2007. – v.1, p. 396

2. Кондратов С.А. Моделирование пускового периода реактора непрерывного нитрования бензола /С. А. Кондратов, А. Г. Ковган А.Г., М. Д. аль-Хамадани [Текст] // Вісник Східноукра\нського національного університету ім. В.Даля, 2012. – Т. 17 (188) – С. 153–158