Текст
A. H. ПЛАНОВСКИЙ, Д. А. ГУРЕВИЧ
АППАРАТУРА
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ОРГАНИЧЕСКИХ
ПОЛУПРОДУКТОВ
И КРАСИТЕЛЕЙ
Дчпуицгно Минш ine/icmeoM высшего и среднего
1 специального образования РСФСР
в качестве учебного пособии
Д для химико-технологических специальностей
высших учебных заведении
)СУДА|’(ЛВЕНН< )Е 11АУЧ1К l-TE.KI 1ИЧЕСКОЕ ИЗ ДАТЕЛЬСТВО
ХИМИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЕ,!
МОСКВА 1961
667
П 37
31-5-2
В книге описаны методы расчета и конструкции реак-
ционных аппаратов, применяемых в процессах сульфирова-
ния. нитрования, хлорирования, восстановления нитросоеди-
нений, в контактно-каталитических и других процессах произ-
водства органических полупродуктов и красителей, а также
рассмотрена аппаратура для проведения вспомогательных
операций подготовки сырья и обработки продуктов, полу-
чаемых в этих процессах. В соответствующих разделах кни-
I н излагаются принципы составления материального и теп-
лового баланса описываемых процессов и аппаратов.
Книга является учебным пособием для студентов хими-
ко-технологических вузов и факультетов. Она представляет
интерес и для инженерно-технических работников анилино-
красочной промышленности и других отраслей органичес-
кого синтеза, а также может быть полезна работникам ряда
проектных организаций и научно-исследовательских инсти-
тутов химической промышленности.
/
к читателю *-
<
Издательство просит присылать Ваши замечании
и отзывы об этой книге по адресу'- (
Москва, К-12, Новая площадь, 10, подъезд 11
Госхимиздат
Александр Николаевич Плановский, Даниил Абрамович Гуревич
АППАРАТУРА ПРОМЫШЛЕННОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОДУКТОВ
И КРАСИТЕЛЕЙ
Редактор Д. С. Азбель
Техн, редактор В. Г. Шпак
Т 10722 Подписано к печати 8/1Х 1961 г.
Бумага 60x901/10--= 15,75 бум. л. —31,5 печ, л. Уч.-изд. л. 29,2.
Тираж 10000 ЭКЗ. Цена 1 р. 17 к. Зак. № 2277
Типография Госхимиздата . Москва, 88. Угрешская
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие........................................................ 9
Глава I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета . . I)
I. Общее представление об аппаратуре промышленности органиче-
ских полупродуктов и красителей................................ 12
Факторы, определяющие конструкции реакционных аппаратов 13
Типовая реакционная аппаратура ............................ 24
2. Общие принципы расчета реакционных аппаратов............... 25
Основная задача расчета реакционных аппаратов.............. 25
Периодические и непрерывные производственные процессы . . 26
Специфические особенности аппаратов непрерывного действия 29
Движущая сила процессов.................................... 36
Побочные реакции в непрерывных процессах................... 44
Методы увеличения к. п. д. аппаратов непрерывного действия . 48
Определение основных размеров реакционных аппаратов ... 55
3. Материальные расчеты....................................... 59
Материальный баланс производственных процессов............. 59
4. Тепловые расчеты реакционных аппаратов..................... 62
Тепловой баланс ........................................... 63
Определение поверхности теплообмена и времени проведения
процесса.................................................. 74
Глав а II. Материалы и конструктивные узлы типовой реакционной
аппаратуры........................................................ 79
1. Материалы типовой реакционной аппаратуры................... 79
Стали и чугуны............................................. 80
Легированные стали, сплавы и биметаллы..................... 83
Цветные металлы ........................................... 86
Редкие металлы............................................. 87
Неметаллические материалы.................................. 88
2. Защитные покрытия..................................... , 91
Металлические покрытия..................................... 91
Неметаллические неорганические покрытая.................... 92
Покрытия из органических материалов.................... . 95
Содержание
3. Выбор материалов для аппаратуры........................... 99
I. Вертикальные котлы и чаны без мешалок ji элементов поверхнос-
ти теплообмена ............................................
5. Элементы поверхности теплообмена вертикальных котлов . . . 103
6. Обогрев и охлаждение реакционных аппаратов................ 107
7. Гарнитура реакционных аппаратов........................... Ю9
б. Электроприводы реакционных аппаратов...................... 1'20
Гланя III. Оборудование для' хранения, транспортировки и дозиро-
вания материалов .......................................... 12(5
J. Оборудование для хранения, транспортировки п дозирования
жидкостей .................................................. 126
Оборудование для перемещения жидкостей на дальние расстоя-
ния ................................................. 126
Оборудование для хранения жидкостей на складах.......... 128
Оборудование для транспортировки жидкого сырья по завод-
ской территории...................................... 131
Аппаратура для хранения жидкостей в цехах ............. 136
Аппаратура для отмеривания жидкостей..................... 138
2. Оборудование для храпения, транспортировки и дозирования твер-
дых материалов.......................................... I I- <"
Складские устройства..................................... 147
Транспортные устройства.................................. 148
Дозирование твердых материалов........................... 153
3. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
газов....................................................... 133
Транспортировка газов на дальние расстояния.............. 153
Хранение газов на складах................................к 156
Транспортировка газов по заводской территории ........... 157
Хранение и транспортировка газов в цехах ................ 157
Измерение расхода газов ................................. 157
Глава IV. Аппаратура процессов сульфирования.................... 159
1. Общие понятия о процессе сульфирования.................... 159
2. Смешение кислот........................................... 162
Материальный баланс смешения кислот...................... 163
Тепловой баланс смешения кислот ......................... 166
Аппаратура для смешения п разбавления серной кислоты и
олеума............................................... 169
,8. Сульфураторы............................................. 170
Сульфураторы для сульфирования жидких н твердых веществ
жидким сульфирующим агентом.......................... 171
Сульфураторы для сульфирования парообразных веществ жид-
ким щ ля.фи реющим агентом........................... 174
Содержание _ 5
Сульфирование жидких пли растворенных веществ, серным ан-
гидриде. м..................... ..........................
Сульфураторы для «экстракционного» сульфирования жидких
веществ жидким сульфирующим агентом ....................... 174
Сульфураторы для сульфирования методом «запекания» . . . 183
4. Тепловой баланс сульфураторов.............................. 18.э
о. Аппаратура для обработки продуктов сульфирования............ 189
Аппаратура для нейтрализации су льфома ееы сульфитом натрия 189
Аппаратура для централизации сульфомассы мелом или известью 192
Аппаратура для выделения сульфокислот солями.............. 192
Аппаратура для выделения сульфокислот разбавлением сульфо-
массы . ............................................. 193
Тепловой баланс процессов нейтрализации и высаливания еуль,-
фокислот................................................. 194
6. Абсорбция серною ангидрида................................ 19(>
Аппаратура для абсорбции серного ангидрида............... 197
Глава \ . Аппаратура процессов нитрования........................ 199
I. Общие понятия о процессе нитрования ........................ 199
2. Смешение кислот............................................. 293
Аппаратура для смешения кислот, применяемых в процессах
нитрования.............................................. -4)4
Материальный баланс смешения кислот и расист нитрующих
смесей................................................... 206
Тепловой баланс смешения кислот .......................... 212
I [итраторы . ............................................. 218
Нитраторы периодического действия ........................ 220
Нитраторы непрерывного действия........................... 221
I. Тепловой баланс нитраторов.................................. 226
5. Аппаратура для обработки питропродуктов .................. 229
Отстойники................................................. 229
Денитраторы............................................... 231
Аппаратура для извлечения питропродуктов из отработанных
кислот................................................... 232
Аппаратура для промывки и нейтрализации нитропродуктов . 23Г>
Аппаратура для дальнейшей обработки питропродуктов . . . 239
Аппаратура для абсорбции окислов азота .................... 210
Аппаратура для денитрации и концентрирования отработанных
кислот..................................................... 242
лава VI. Аппаратура процессов хлорирования....................... 216
1. Общие понятия о процессах хлорирования ..................... 246
2. Аппаратура для предварительной обработки исходных веществ . 219
6
Содержание
Испарители хлора............................................. 249
Аппаратура для осушки хлора.................................. 252
Аппаратура для осушки хлорируемых углеводородов .... 254
5. Хлораторы..................................................... 258
Хлораторы для хлорирования ядра жидких ароматических угле-
водородов ............................................ 258
Хлораторы для хлорирования боковой цепи ароматических со-
единений ................................................... 269
Хлораторы для хлорирования твердых веществ в среде инертных
растворителей или разбавителей ....... 261
4. Тепловой баланс хлораторов ................................... 263
5. Абсорбция хлористого водорода............................ . 265
Выделение хлорируемого сырья из хлористоводородного газа 26.5
Аппаратура для абсорбции хлористого водорода ............. 268
Глава VII. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений , 273
1. Общие понятия о процессах восстановления нитросоединений . . 273
2. Аппаратура для предварительной обработки исходных веществ . 274
Аппаратура для растворения щелочей .......................... 274
Аппаратура для растворения сернистого натрия и приготовле-
ния полисульфидов ........................................... 278
.'1. Редукторы............................................... 279
Редукторы для восстановления чугунной стружкой........... 279
Редукторы для восстановления цинковой пылью...... 285
Редукторы для восстановления сернистыми щелочами .... 239
Редукторы для восстановления молекулярным водородом . . . 290
4. Тепловой баланс процессов восстановления нитросоединений . . 291
5. Обработка полученных аминов............................... 294
Глава VIII. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования и
азосочетания....................................................... 298
1. Общие понятия о процессах нитрозирования, диазотирования и
азосочетания .................................................. 298
2. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования и
азосочетания .................................................. 301
3. Тепловой баланс процессов диазотирования, азэсочетания и
нитрозирования . ............................................... 310
Глава IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания 319
1. Общие понятия о процессах щелочного плавления и запекания . 319
2. Аппараты для щелочного плавления и запекания................. 320
Плавильные и варочные котлы.................................. 324
Аппараты для запекания....................................... 328
Содержание
1
3. Тепловой баланс процессов щелочного плавления ....... 330
4. Аппаратура для обработки продуктов щелочного плавления и за-
пекания ........................................................ 336
Глава X. Аппаратура процессов конденсации.......................... 340
1. Общие понятия о процессах конденсации........................ 340
2. Аппаратура процессов конденсации, протекающих в присутствии
хлористого алюминия ... 342
3. Аппаратура процессов конденсации, протекающих в присутствии
хлористого цинка................................................. 345
4. Аппаратура процессов конденсации, протекающих в присутствии
серной кислоты.................................................. 346
5. Аппаратура процессов конденсации, протекающих в ^присутствии
щелочей......................................................... 348
6. Аппаратура процессов конденсации с глицерином...... 351
7. Аппаратура процессов карбоксилирования...................... 351
Глава XL Аппаратура химических процессов, проводимых под дав-
лением ...................................................... 354
1. Общие представления о химических процессах, проводимых под
давлением ........................................... ....... 354
2. Реакторы, применяемые в процессах, проводимых под давлением 357
Автоклавы.................................................. 359
Аппараты змеевикового типа . .......................... 376
J. Тепловой баланс процессов гидролиза, аминирования и алкили-
рования ....................................................... 378
1. Аппаратура вспомогательных процессов...................... 387
Аппаратура для абсорбции и регенерации аммиака ...... 387
Глава XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов . . . . 395
1. Общие понятия о контактно-каталитических процессах .... 395
2. Аппаратура для п редварительной обработки контактируемых
веществ......................................................... 397
Аппаратура для расплавления твердых реагентов............... 397
Оборудование для очистки газообразных реагентов............. 398
Аппаратура для испарения жидких реагентов и получения паро-
газовой смеси............................................ 399
3. Условия проведения контактно-каталитических процессов . . . 408
Основные свойства стационарного слоя катализатора......... 409
Основные свойства кипящего слоя катализатора.............. 412
4. Конверторы.................................................. 416
Конверторы с неподвижным слоем катализатора................. 417
8 Содериии-ше
Конверторы с кипящим слоем катал и затора................... 425
lJ; 13cieiilei11le катализатора и конверторах .............. 132
Автоматическое ре г v.'i и рова и 11 е температуры и конверторах . . 131
5. Тепловой баланс конверторов................................. 136
6, Аппаратура для выделения и уланлнвання продуктов контактпро.
вания......................................................... lo'.J
Конденсаторы для выделения жидких продуктов.............. НО
Конденсаторы для выделения твердых продуктов............. 142
7. Аппаратура для очистки отходящих газов............... ..... 4-1.8
Примеры расчетов ........... . . !>!
К главе I................................................ Ы
К главе III............................................. 163
К. главе IV ........................................... 16->
К главе V.......................................... -Ий)
К главе VI . . . ........ 472
К лапе VII .. . 47!
К главе VIII........................................... 173
К главе IX ...... 173
К главе XI............... . 176
К главе XII......................................... 177
Литератур»....................................................... 489
II р ед м е т и ы ii у к а з а т е л в . 192
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая книга является вторым изданием книги А. Н. Нла-
повского «Специальная аппаратура промышленности органиче-
ских полупродуктов и красителей», которая в течение длительного
времени использовалась в качестве основного учебника по дан-
ному специальному курсу, а также служила пособием для работ-
ников ряда смежных отраслей химической промышленности, в
том: числе промышленности основного органического синтеза.
Книга была переведена на китайский язык.
Однако за 20 с лишним лет, прошедших со времени выхода
в свет первого издания, фактический материал книги в значитель-
ной степени устарел. В связи с этим при подготовке книги к пе-
реизданию излагаемые в ней сведения были тщательно пересмо-
трены с точки зрения соответствия их современному уровню тех-
ники. В результате содержание книги было существенно обновле-
но с учетом опыта и достижений отечественной химической про-
мышленности, материалов научно-исследовательских и проектных
организаций и опубликованных в литературе данных. Перечень
использованных литературных источников приведен г, конце
КП иги.
Общий план книги оставлен без изменений, за исключением
того, что в первую главу, в которой рассматривается типовая
реакционная аппаратура, включен заново написанный раздел,
посвященный общим принципам распела реакционных аппаратов
и теории непрерывных процессов, разработанной А. Н. Планов
скип. ('ведения о материалах и конструктивных узлах типовой
реакционной аппаратуры перенесены во. вторую главу. Такны
образом, в первых двух главах, а также в третьей главе, посвящен-
ной оборудованию для хранения, транспортировки и дозирования
различных веществ и материалов, излагаются вопросы, общие
для любого специального курса химической аппаратуры.
В главах IV—XII дано описание специальной аппаратуры для
проведения определенных химических процессов производства
органических полупродуктов и красителей . В каждой такой спе.:
циальной главе приведена краткая характеристика рассматривае-
мого процесса и законов, по которым он протекает, описано уст-
10 Предисловие
ройство применяемых аппаратов, рассмотрены принципиальные
аппаратурные схемы, в ряде случаев включающие элементы
автоматического контроля и регулирования, а также изложены
принципы составления материального и теплового баланса дан-
ного процесса или важнейших аппаратов. В связи с тем, что при
проведении большинства химических процессов возможно создать
такие условия, при которых скорость процесса практически опре-
деляется скоростью подвода или отвода тепла, вычислению тепло-
вого эффекта описываемых процессов и составлению тепловых
балансов уделено большое внимание. В концернаиги помещены
конкретные примеры расчетов.
При рассмотрении аппаратуры, применяемой в различных
процессах производства органических полупродуктов и красите-
лей, авторы сочли возможным не освещать материала, который
должен быть известен читателям из курсов «Основные процессы
и аппараты химической технологии», «Общая химическая техно-
логия», «Контрольно-измерительные приборы», «Основы синтеза
промежуточных продуктов и красителей», поскольку изучение
этих дисциплин предшествует ознакомлению с курсом специаль-
ной аппаратуры. Принципы устройства реакционных аппаратов
и методы их расчета являются общими для многих областей
химической технологии, поэтому изложенные в книге сведения,
по мнению авторов, могут быть использованы не только при изу-
чении аппаратуры производства органических полупродуктов
и красителей, но и аппаратуры, применяемой в других отраслях
химической промышленности.
Авторы выражают большую благодарность Н. И. Масанову,
докт. техн, наук проф. П. Г. Романкову, канд. хим. наук дон.
И. С. Павлушенко и канд. хим. наук Б. В. Пассету за ценные
советы, сделанные ими при рецензировании книги, а также отме-
чают помощь товарищей по работе, высказавших ряд полезных
замечаний при просмотре отдельных глав рукописи. Пожелания
и замечания, которые в дальнейшем помогут улучшить книгу,
будут приняты авторами с благодарностью.
Авторы
ГЛАВА 1
ТИПОВАЯ РЕАКЦИОННАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДЫ
ЕЕ РАСЧЕТА
В любой отрасли химической промышленности—в производ-
стве минеральных удобрений, пластических масс, органических
полупродуктов и красителей и т. д. - используются почти одина-
ковые машины и аппараты. Устройство химической аппаратуры
и машин определяется лишь специфическими условиями проведе-
ния процессов и свойствами перерабатываемых веществ.
Технологические процессы, аспо'1ьзуемые в химических про-
изводствах, можно разделить на шесть основных групп:
1) гидромеханические процессы (осаждение,
фильтрование, перемешивание и т. п.);
2) теп ловые процесс ы (нагревание, выпаривание,
охлаждение, конденсация и т. и.);
3) массообменные процессы (абсорбция, экст-
ракция, ректификация, адсорбция, сушка и т. п.);
4) химические процесс ы, т. е. процессы, связан-
ные с превращением веществ и изменением их химических
свойств;
5) механические процессы (измельчение твердых
материалов, их рассев, смешение и т. п.);
6) процессы переработки химических
продуктов в изделия (прессование, литье, экструзия,
формование, прядение и т. п.).
Процессы, относящиеся к первым пяти группам, используют-
ся во всех отраслях химической промышленности. Последняя,
шестая группа процессов специфична лишь для производства
так называемых синтетических материалов—пластических масс,
резиновых изделий, пленочных материалов, искусственных и син-
тетических волокон
В соответствии с программами химико-технологических вузов
и факультетов гидромеханические, тепловые, массообменные и
механические процессы и аппараты рассматриваются в общем
курсе «Процессы и аппараты химической технологии». Химические
процессы и аппараты, а также процессы переработки химических
12 Га. Л Танита:! реакционна!! аппаратура и. методы ее расчета
продуктов в изделия и применяемые для такой переработки
машины и аппараты изучаются, как правило, в специальных
курсах аппаратуры и оборудования соответствующих отраслей'
химической технологии. К таким специальным дисциплинам от-
носится и данный курс «Аппаратура промышленности органиче-
ских полупродуктов и красителей».
!. ОБЩЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ОБ АППАРАТУРЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛУПРОДУКТОВ И КРАСИТЕЛЕЙ
В промышленности органических полупродуктов и красителей,
кроме аппаратов общего назначения, используемых для проведе-
ния, например, таких процессов, как фильтрование, выпаривание,
ректификация, сушка, измельчение и т. д., широко применяется
специальная аппаратура, в которой проводятся сульфирование,
нитрование, хлорирование и другие химические процессы, специ-
фичные для данной отрасли промышленности.
К основным химическим процессам промышленности органиче-
ских полупродуктов и красителей относятся следующие:
I) сульфирование,
2) нитрование,
3) хлорирование.
1) восстановле н не н и тросоед и вен и й,
5) н итроз ированне, диазотирование, азоеочетан не,
6) щелочное плавление,
7) сульфидирование.
8) конденсация.
Некоторые химические процессы в ряде случаев проводят под
.давлением (щелочное плавление, гидролиз, алкилирование, ами-
нирование) пли контактно-каталитическим способом (окисление,
восстановление иитросоед1шеи ий, декарбокеплированне). Аппара-
турно-технологическое оформление таких процессов определяет-
ся главным образом методом их проведения, а не химической
сущностью процессов. В связи с этим аппаратурно-технологиче-
ское оформление процессов, протекающих под давлением, п коп
тактно-каталитических процессов рассматривается в разделах
книги, имеющих такое же самостоятельное значение, как и разде-
лы, пос вящей г, ые ап п а р ату рн о-тех но. логи чес ком у оформлению
основных химических процессов.
Для проведения основного технологического процесса обычно
необходимо осуществление ряда вспомогательных процессов. На-
пример. нитрование связано с необходимостью приготовления
нитрующих смесей, сепарацией нитропродуктов от отработанных
кислот, промывкой нитропродуктов, их грануляцией и т. д. Как
для основных, так и для вспомогательных процессов в произвол-
Факторы, определяющие конструкции реакционных аппаратов 13
стве органических полупродуктов и красителей требуется спе-
циальная аппаратура: аппараты для сульфирования, нитрования,
хлорирования и т. д.. а также аппараты для смешения, раство-
рения н др.
Ознакомление с этими аппаратами и с аппаратурой для хране-
ния, транспортирования и дозировки перерабатываемых веществ
и для проведения физических процессов дает общее представле-
ние об аппаратуре, промышленности органических полупродук-
тов и красителей. Разнообразие конструкций и форм специальной
реакционной аппаратуры обусловлено целым рядом факторов,
анализ которых позволит понять причины создания специфич-
ных аппаратов и правильно выбирать их конструкции при
проектировании производств различных органических полупро-
дуктов и красителей.
Факторы, определяющие конструкции
реакционных аппаратов
Аппаратура, применяемая для проведения химических про-
цессов как в лабораторных условиях, так и заводских установках,
весьма разнообразна. Это вызвано специфичностью условий про-
ведения процессов и требований, которым должны удовлетво-
рять реакционные аппараты, предназначенные для проведения
различных процессов.
Если правильно учтены условия проведения процесса и пра-
вильно выбраны типы аппаратов, то процесс протекает гладко и
с высокой скоростью, при которой достигается большая произ-
водительность аппаратуры. В случае неправильного определения
условий процесса и неудачного выбора типов аппаратуры про-
цесс либо вообще не идет, либо протекает медленно и сопровож-
дается рядом побочных нежелательных реакций.
При проведении лабораторных работ скорость протекания
процесса и производительность применяемого оборудования ино-
гда не являются решающими показателями, поэтому в лаборатор-
ных условиях часто пользуются оборудованием, несовершенным
в смысле возможности создания оптимальных условий процесса.
В промышленных же условиях скорость процесса и производи-
тельность аппаратуры имеют важнейшее значение. Вследствие
этого выбор типа и конструкции промышленных аппаратов сле-
дует рассматривать как наиболее ответственный этап перехода
от лабораторных опытов к реализации процесса в произведет
венных масштабах.
Конструкции аппаратов определяются свойствами обрабатывае-
мых веществ и условиями проведения процессов, поэтому целесо-
образно подробно рассмотреть эти определяющие факторы.
14
Гл. !. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
К важнейшим из них относятся:
1) агрегатное состояние реагирующих и образующихся ве-
ществ и консистенция реакционной массы;
2) интенсивность перемешивания ингредиентов;
3) температура реакции и давление;
4) тепловой эффект и интенсивность теплообмена;
5) химические свойства перерабатываемых веществ;
6) непрерывность или периодичность ведения процесса.
Рассмотрим эти факторы и установим влияние каждого из них
на конструкцию аппаратов и принципиальные схемы их устрой-
ства.
Агрегатное состояние реагирующих и образующихся еещестн
и консистенция реакционной массы. При выборе принципа дей-
ствия аппаратов этот фактор следует считать важнейшим, так как
именно он определяет тип аппарата в целом.
Теоретически и практически возможными системами взаимо-
действующих ингредиентов могут быть следующие:
I газ—газ IV жидкость—жидкость
II газ—жидкость V жидкость—твердое вешество
III газ—твердое вещество VI твердое вещество—твердое
вещество
В соответствии с применяемыми системами реагирующих ве-
ществ в химической промышленности используются многочислен-
ные типы аппаратов. Наиболее важные для промышленности ор-
ганических полупродуктов и красителей аппараты схематически
представлены на рис. 1 (стр. 16, 17).
Как правило, наиболее просто аппаратурное оформление си-
стемы г а з—г а з, так как для того чтобы произошло взаимо-
действие между реакционноспособными газами, достаточно по-
местить их в какой-либо замкнутый объем, где поддерживаются
требуемые давление и температура. Только необходимость созда-
ния определенного давления и температуры, интенсивного тепло-
обмена и энергичного перемешивания реагентов заставляет при-
менять более сложные аппараты для проведения процессов в си-
стемах газ—газ. Так, простейшие прямоугольные или цилиндри-
ческие камеры (рис. 1,типы 1а—1в), используемые в случае взаи-
модействия газов при температуре окружающей среды и атмосфер-
ном давлении, приходится заменять змеевиковыми и трубчатыми
аппаратами (рис. 1, типы /г, Id) только потому, что для прове-
дения ряда процессов требуется давление, нагревание, охлажде-
ние или перемешивание.
Для систем г а з—ж и д к о с т ь необходимо более сложное
аппаратурное оформление, так как возможность ускорения взаи-
модействия таких реагентов определяется рядом специфических
Факторы, определяющие конструкции реакционных аппаратов 15
условий. Взаимодействие газа и жидкости протекает тем активнее,
чем больше поверхность их соприкосновения (поверхность массо-
обмена) и чем быстрее распределяется в жидкости поглощаемый
ею газ. Следовательно, аппараты, в которых взаимодействуют газ
и жидкость, должны быть снабжены приспособлениями или
устройствами, позволяющими сильно увеличивать поверхность
массообмена. Скорость поглощения газа жидкостью увеличивает-
ся в результате перемешивания жидкости или создания таких
условий, "при которых газ соприкасается с тонким слоем жидкости.
Поэтому специфической особенностью аппаратов рассматриваемой
группы" следует считать наличие устройств для распределения
жидкости в виде тонкого слоя (пленки) или для ее размешивания.
Взаимодействие газа и жидкости обычно проводится в поверх-
ностных и пленочных аппаратах (рис. 1, типы На—Не), в аппа-
ратах барботажного типа (рис. 1, типы Нг, Нд) и в распыли-
вающих аппаратах (рис. 1, типы Не, Нж). Если пока не рассма-
тривать влияние температуры на конструкцию аппаратов, то при-
менение различных типов аппаратуры данной группы можно обос-
новать следующим образом. Для газа, легко растворимого в жид-
кости, достаточна небольшая поверхность массообмена; при этом
жидкость можно не размешивать и не распределять тонким слоем.
В этих условиях могут применяться аппараты типа На.
Для газов, трудно растворимых в жидкости, требуется боль-
шая поверхность массообмена и распределение жидкости тонким
слоем. В процессах взаимодействия таких реагентов применяются
колонные аппараты типа Нб, заполненные насадкой, трубчатые
аппараты типа Не, в которых по внутренней поверхности труб сте-
кает тонкая пленка жидкости, и аппараты пенного типа Нг, в ко-
торых при взаимодействии газа и жидкости создается слой динами-
чески устойчивой пены с развитой поверхностью контакта фаз.
Перемешивание жидкости успешно осуществляется при бар-
ботировании через нее газа, поэтому вместо аппаратов пленочного
типа часто используются барботажные аппараты типа Нд.
Весьма развитая поверхность массообмена создается при рас-
пыливании жидкости в пространстве, заполненном газом. Напри-
мер, в сушилке (аппарат типа Не) жидкость с помощью быстро
вращающегося диска распиливается в камере, заполненной газом.
В аппарате типа Нж распыливание жидкости'производится фор-
сунками.
Для систем г а з—т вердое вещество необходимо
применение еще более сложных аппаратов. В таких системах взаи-
модействие реагентов протекает с большей скоростью при уве-
личении поверхности массообмена и быстром ее. обновлении, до-
стигаемом путем перемешивания твердой фазы. Очевидно, что
поверхность контакта фаз возрастает с уменьшением линейных
16 Г.i. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
ID
прямиуги.и.ная камера (куб); 1й- цилиндрическая камера; Л< - прямоугольная камера
(параллелепипед); /с--змеевик; to трубчатка.
/Л; ороси тельный ii<iin-p\ii()( тын абсорбер; //б—абсорбер с пасадкий; /Лг -абсорбер с пленоч-
ным стоком жидкоскг, //< абсорбер псиного типа; //^—тарельчатый’ абсорбер с колпачковы-
ми тарелками-. Ш 'iiiiihi’h типа распылительной сушилки’, //w—абсорбер (-.форсунками для
разбрызгивания.
Ша Шб Шв Шг Ш д ПТе Шме
//Л/ - камера. .заполненная твердым веществом; ///б—трубчатка, заполненная твердым вещее!
ком; ///«•• кор.-л с перегородками и мешалкой для перемешивания твердых веществ: Шг......ан
пара г тина шаровой мельницы; I//(/—цилиндрическая камера с скребковыми мешалками и
полками; Шг трсбчапса со шнеками; НГж—аппарат с кипящим слоем твердой' диске П'иро-
ванной фазы.
Рис. I. Типы аппаратов, используемых в промышленности органических
полупродуктов и красителей.
Факторы, определяющие конструкции реакционных аппаратов
17
Продолжение put'. 1
/Ун—аппарат барботажного типа сподводо.о легкой жидкости в нижнюю часть аппарата;
/Уб—аппарат барботажного типа с противоточным движением жидкостей различного удельного
веса; /' —аппарат с мешалкой для перемешивания жидкостей ^различного удельного веса;
/Уг—трубчатка для взаимодействия жидкостей различного удельного веса е условиях турбу-
лентного потока.
Va, г с/—соответственно камера и трубчатка, заполненные твердыми веществами; Vh, V?, Уо—
аппараты с размешиваю ними устройствами различного типа для проведения процессов в системе
жидкость—твердое вещество.
----к
I
ПФ
ИЗ
Via—аппарат для запекания смеси твердых веществ; VI б- аппарат для запекания на бесконеч-
ной Jiewiej Vic—аппараты с греокшвыми мешалками.
2—2277
! S Ч ‘S (
18 Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
размеров твердых частиц, поэтому применение тонко измель-
ченных сыпучих материалов способствует ускорению процесса.
Если взаимодействие газа и твердого вещества протекает
очень активно, исключается необходимость сильного измельче-
ния и перемешивания твердого материала. В этом случае процес-
сы могут проводиться в камерах или трубах, заполненных твер-
дым веществом, через которые пропускают реагирующий с ним
газ (аппараты типов Illa и 1116).
При менее активном взаимодействии газа с твердым веществом
применяются аппараты, в которых твердый материал перемеши-
вается либо одновременно измельчается и перемешивается
(аппараты типов IНе и II 1г}. Первый из них (аппарат типа IНе}
представляет собой котел, снабженный мощной мешалкой и гори-
зонтальными перегородками (ножами), между которыми прохо-
дят вращающиеся горизонтальные лопасти мешалки. Простран-
ство над размешиваемой твердой фазой в этом аппарате запол-
нено газом, обычно находящимся под давлением. Второй аппа-
рат (типа II 1г} по принципу устройства аналогичен шаровой
мельнице, заполненной твердыми и газообразными реагентами.
По такому же принципу устроены аппараты непрерывного
действия (типы Шд—П1ж). Аппарат типа Hid представляет
собой цилиндрическую камеру, снабженную скребковыми мешал
ками и полками, по которым «стекает» твердая фаза. Аппарат?
типа Hie выполнен в виде системы последовательно соединенных
горизонтальных труб, внутри которых помещены шнеки, пере^ ..
двигающие сыпучий материал и заставляющие его перемещаться
из верхних труб в нижние. Газообразные реагенты движутся в
таких аппаратах в одном направлении с сыпучим материалом
или противотоком ему.
Высокая эффективность взаимодействия между газовой и твер-
дой фазой достигается в аппаратах с кипящим, или псевдоожижен-
ным, слоем (аппараты типа HI ж). Здесь газ движется с опреде-
ленной скоростью снизу вверх через слой высокодисперснсго
твердого вещества, которое при этом приводится в состояние,
напоминающее кипение жидкости. Для аппаратов этого типа
характерны интенсивное перемешивание газа и мелкозернистого
твердого вещества и малая разность температур между любыми
точками кипящего слоя. Последнее особенно существенно при
гетерогенных процессах, протекающих с выделением или погло-
щением тепла. Аппараты с кипящим слоем могут работать по пе-
риодической или по непрерывной схеме и находят широкое при-
менение в контактно-каталитических процессах, в процессах суш-
ки, обжига, адсорбции, смешения и т. д.
К аппаратуре, предназначенной для ведения процессов в си-
стеме ж и д к о с т ь—ж и д к о с т ь, предъявляются различ-
Факторы, onpiTh'/i <tioi:ilue коне гг.’укции реакционных аппаратов И-)
ные требования н зав тс . (мости от характера системы (гомогенная
или гетерогенная система). Если жидкостная система гомогенна,
т. е. взаимодействуюш.ие жидкости смешиваются во всех отноше-
ниях, требования к аппаратуре в известной степени аналогичны
требованиям, пре,it являемым к аппаратам для систем газ—газ.
В подобных аппаратах фактором, ускоряющим взаимодействие
реагентов, является простое смешение жидкостей; следовательно,
для проведения процесса могут успешно применяться аппараты
типов 1а—Id, принцип устройства которых описан выше.
Если система жидкость—жидкость гстерогенна, т. е. если взаи-
модействуют жидкосл - не смешивающиеся друг с другом, то
аппаратура должна удовлетворять требованиям, примерно ана-
логичным тем, которые предъявляются к аппаратам для систем
газ—жидкость. В данных условиях ускорение взаимодействия
ингредиентов происходи' в результате развития поверхности мас-
сообмена реагирующих жидкостей и увеличения скорости пере-
мещения одной фазы о’-нссительно другой. Наиболее развитая
поверхность массообмена образуется в тонких эмульсиях, создаю-
щихся при энергичном перемешивании, и поэтому его следует
рассматривать как важнейшее средство ускорения взаимодействия
ингредиентов.
Жидкости, не смешивающиеся друг с другом, но легко реаги-
рующие, можно обрабатывать, в аппаратах барботажного типа,
по принципу устройства аналогичных аппаратам типа Пд. Так,
например, жидкие реагенты взаимодействуют, если легкая жидкость
барботирует через слой тяжелой жидкости (аппарат типа IVa)
или если легкая и тяжелая жидкости непрерывно движутся на-
встречу друг другу (аппарат типа/Уб). Менее активные жидкости
обрабатывают при перемешивании, например, в аппарате с мешал-
кой типа IVe или в трубчатом аппарате типа /Ул при условии со-
здания турбулентного готока.
В системах ж и д к о с т ь --т вер д о е вещество для
побуждения реагентов к взаимодействию требуется сильно развитая
поверхность фазового контакта и большая скорость перемещения
частиц одной фазы относительно другой фазы (энергичное пере-
мешивание). При соблюдении этих условий процесс значительно
ускоряется и достигается полнота его протекания. В случае весьма
активного взаимодействия жидкости и твердого вещества процесс
может протекать и без интенсивного перемешивания. При этом
в качестве реакционных аппаратов могут служить камеры (ап-
параты типа Va) или трубчатки (аппараты типа Уб), заполненные
твердым веществом, которое омывается жидкостью. Менее актив-
ные жидкость и твердое вещество реагируют с достаточной ско-
ростью лишь при создании сильно развитой поверхности фазово-
го контакта, т. е. при условии тонкого измельчения твердого ве-
20 J\.i L Л'иуюрарреакционная аппаратура и методы ее расчета
щества я энергичном перемешивании всей реакционной массы.
Для проведения таких процессов применяются аппараты, снаб-
женные мощными размешивающими приспособлениями (аппа-
раты типов Ve — {/()).
Наиболее серьезные требования предъявляются к аппаратуре
для систем т в е р д о е в е щ е с т в о—т в е р д О'е в е щ е-
с т в о. Для ускорения взаимодействия ингредиентов в таких
системах необходимы сильно развитая поверхность массообмена
(т. е. тонкое измельчение реагирующих веществ), быстрое смеше-
ние ингредиентов и обновление поверхности массообмена (пере-
мешивание). При тонком измельчении ингредиентов и предвари-
тельном тщательном смешении их можно нести процесс без разме-
шивания. В этом случае смесь реагирующих веществ помещают
в виде тонких или толстых слоев в камеру (аппарат типа Via),
где поддерживаются соответствующие температурные.' условия,
или ведут процесс в подобной же камере, в которой смесь непре-
рывно перемещается па бесконечной ленте (аппарат типа VI6)..
Если для проведения процесса требуется также перемешивание, то
реакционную камеру снабжают размешивающими приспособле-
ниями (аппараты типов Vie и V/г), например, гребковыми мешалка-
ми различной конструкции.
Агрегатное состояние реагирующих веществ и вязкость реак-
ционной массы следует учитывать при выборе не только принципа
устройства аппарата, но и некоторых его деталей. Так, оформле-
ние поверхности теплообмена в аппаратах определяется вязкостью
реакционной массы и агрегатным состоянием реагентов. Для легко-
подвижных невязких жидкостей применим любой способ оформле-
ния поверхности теплообмена (двойные стенки, змеевики, трубча-
тые элементы и т. д.). В случае малоподвижных и вязких жидко-
стей можно оформлять поверхность теплообмена лишь в виде пло-
ских двойных стенок или сферических двойных стенок со сравни-
тельно большим радиусом кривизны поверхности (теплообменные
рубашки).
Поверхность теплообмена аппаратов для переработки твердых
материалов может быть оформлена главным образом в виде пло-
ских двойных стенок. В ряде случаев целесообразно вообще не
размещать элементы поверхности теплообмена в таких аппаратах,
а нагревать или охлаждать реакционную массу ири помощи инерт-
ных газов или жидкостей, непосредственно соприкасающихся с
твердыми материалами.
Интенсивность перемешивания ингредиентов. Подавляющее
большинство процессов протекает только при условии более или
мейее интенсивного перемешивания ингредиентов. При взаимодей-
ствии ' несмешивающихся жидкостей или жидкостей и твердых
веществ перемешивание является одним из важнейших средств
Факторы, определяющие конструкции реакционных аппаратов 21
интенсификации процесс а. Е остальных случаях при перемеши-
вании создаются лучшие условия протекания процесса, напри-
мер, увеличивается к<:эффнпиент теплопередачи, уменьшается
возможность пригорания и местных перегревов реакционной
массы и т. д.
Ингредиенты перемешиваются в аппаратах чаще всего при
помощи различных pa??ieiiiивающих устройств, обеспечивающих
требуемую интссечвнх 1 в перемешивания. Тин размешивающего
устройства записи г н ; польчо от требуемой интенсивности пере-
мешивания, по и от к >нс ретенции перерабатываемых веществ.
Например, для iicpeMe.ii ив ап ня л егкоподнижных невязких жид-
костей применяются птттчеттг1ттщющие устроиетва ./побои конструк-
ции (пропеллерные, .кмаетные. якорные и другие мешалки).
Если смесь таки-. жп,поспей легко расслаивается, эффективное
размешивание ее з образование эмульсин возможно только при
использовании мешаясь определенною тина (пропеллерные и
турбинные мешалига. Вязкие жидкости эффективно размешива-
ются лишь при помощи мешалок якорного типа.
Для перемешиванш] суспензий также требуются специальные
устройства. Если жидкая фа суспензии подвижна, а твердые
взвешенные частит,! обладают небольшим удельным весом и кон-
центрация их в жидкости невелика, для размешивания суспензий
целесообразно ирцмелзт > чельг-.лки пропеллерного н турбинного
типа. При размешивании суспензий, твердая фаза которых рас-
пределена в вязкой жидкости, применяются якорные или
лопастные мешалки. 3 суспензии с высокой концентрацией твер-
дой фазы, состоящей из час'/иц большого удельного веса, процесс
размешивания пракшчеткп можно свести только к «ворошению»
твердой фазы сиеп.иалыгымп мешалками грабельного и гребкового
типа.
Твердые сыпучие маг-рпаиы также можно размешивать, однако
для этого требуются сшцтал л ые гребковые или скребковые ме-
шалки, размешивающие приспособления типа шнековых или ви-
брационных транспортеров или измельчающих машин. Иногда
применяется, и /иет.ценье самого аппарата, в этом случае при
пересыпании матеоиала одновременно происходит его пе.ремешн-
вание.
Температура реакции и дазленле. Температура и давление
относятся к важпепшьм побудителям химических процессов.
Повышение температуры всегда способствует увеличению ско-
рости реакции, повышение давления веде.т к возрастанию скорости
реакции в случая?; взаимодействия газообразных веществ и проте-
кания этого процесса с. уменьшением объема. Обработка жидкостей
при высоких температурах всегда связана с необходимостью при-
менять давление.
22 Гл. Л Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Давление и температура процесса значительно влияют на кон-
струкции аппаратов. В зависимости от требуемой температуры
производится выбор материалов аппаратуры, выбор теплоноси-
телей, хладоагентов и конструктивное оформление поверхности
теплообмена. В зависимости от заданного давления определяют-
ся конструкция аппарата, его материал, размешивающие устрой-
ства и т. д.
В настоящее время в химической технологии, в частности в
промышленности органических полупродуктов, в зависимости
от температуры реакции используются различные теплоносители.
При нагревании до температур порядка 140° применяется водяной
насыщенный пар низкого давления, при нагревании примерно
до 180°—нар высокого давления, при нагревании до более высо-
ких температур используются топочные газы, образующиеся в ре-
зультате сжигания газообразного и жидкого топлива, или же на-
гретые высококипящие жидкости, расплавленные смеси солей
некоторых неорганических кислот, пары высококипящих жид-
костей, перегретые жидкости и электрический ток.
При охлаждении, в зависимости от температуры реакции,
применяются такие хладоагенты, как вода, водные растворы
солей ряда неорганических кислот (рассолы), органические тепло-
носители и некоторые виды нефтяных масел.
Нагревание паром низкого давления и нагретыми жидкостями,
а также охлаждение водой и рассолами позволяет оформлять по-
верхность теплообмена аппаратов любым способом (змеевики,
рубашки, двойные стенки и т. д.). При нагревании паром высокого
давления и перегретыми жидкостями или их парами более рацио-
нально оформлять поверхности теплообмена только в виде змееви-
ков. При нагревании топочными газами и электрическим током,
как правило, не требуется создания специальной теплообмен-
ной поверхности; в этом случае боковая поверхность аппаратов
является одновременно поверхностью теплообмена. Геометриче-
ские формы аппаратов определяются в первую очередь величи-
ной давления, при котором проводится процесс, поскольку меха-
ническая прочность конструкции зависит от ее геометрической фор-
мы и размеров. Так, аппараты цилиндрической или шарообразной
формы отличаются большей механической прочностью, чем прямо-
угольные аппараты. Цилиндрический аппарат тем легче выдер-
живает давление, чем меньше диаметр цилиндра.
В подавляющем большинстве случаев аппараты имеют форму
цилиндра или представляют собой комбинации цилиндра и шара.
Такую же форму могут иметь аппараты, работающие под высо-
ким давлением, ио соотношение их геометрических размеров
должно быть изменено в сторону уменьшения диаметра и соответ-
ственного увеличения высоты или длины. Для типовых реакцион-
Факторы, oi;lr:t"/e.i:i«:inu. конструкции реакционных аппаратов 23
ных аппаратов, работающих при низких давлениях, отношение
высоты к диаметру лринимается в пределах 1—3. Для аппаратов,
работающих при повышенном давлении, это отношение должно
быть увеличено и тем в большей мере, чем выше применяемое дав-
ление. Нетрудно заvteiiiть, что при значительном увеличении от-
ношения высоты i< диаметру цилиндрический аппарат превращает-
ся в длинную трубу, ко' орую удобнее всего конструктивно оформ-
лять в виде змеевика В соответствии с требуемым давлением
выбирается материал; для изготовления аппарата: при вы-
соких рабочих давлениях аппараты следует изготовлять толь-
ко из материалов, обладающих большой механической проч-
ностью.
Форма аппаратов оказывает влияние и на конструкцию раз-
мешивающих устройств При невозможности размещения переме-
шивающих устройств 1 аппарате, работающем под давлением,
энергичное переметква ше достигается путем создания турбулент-
ного потока реагирующих веществ.
Тепловой эффект и интенсивность теплообмена. Тепловой эф-
фект процесса и г;: _=С уе.мая интенсивность теплообмена менее
значительно сказываются на конструкции аппаратов, однако в
ряде случаев влияние этих факторов может оказаться весьма су-
щественным. Почти все химические, процессы протекают с выде-
лением или поглощением тепла, соответственно этому требуется
нагревание пли охлаждение реакционной массы. Если скорость
химического процесса велика по сравнению с возможной скоростью
теплообмена (по-видимому, такое соотношение характерно для
большинства случаев), го последняя ограничивает скорость прове-
дения процесса и определяет производительность аппарата.
Требуемая интенсивность теплообмена обусловливает необхо-
димость создания более или менее развитой теплообменной поверх-
ности, что сказывае"ся на конструктивном оформлении аппарата.
Менее развитая поверхность теплообмена создается при передаче
тепла через боковую юверхность (рубашку). Сильное развитие
поверхности теплообмена достигается размещением змеевиков
или трубчатых элементов в реакционной зоне аппарата.
Химические свойства перерабатываемых веществ. Выбор
материалов для изготовления аппаратуры целиком определяется
химическими свойствами перерабатываемых веществ. Аппарат
должен быть из готовлен из материалов, обладающих достаточной
стойкостью к коррозионному действию перерабатываемых веществ.
Свойства материалов, применяемых для изготовления аппарата,
влияют на конструктивное оформление отдельных деталей.
Кроме этого, па конструкцию аппарата влияют взрывчатые и
токсические свойства перерабатываемых веществ. При переработ-
ке реагентов с такими свойствами необходима герметизация реак-
24
Гл. I. Типовая
реакционная аппаратура и методы ее расчета
ционного объема и устранение движущихся деталей, способных
образовывать искры при ударе и трении.
При выборе материалов для аппаратуры следует также учиты-
вать возможность их каталитического или замедляющего действия
на ход процесса, проводимого в данном аппарате.
Непрерывность и периодичность процесса. Влияние этого
фактора не всегда связано с принципиальными изменениями кон-
струкции аппаратуры, так как принцип устройства аппаратов
в большей мере зависит от уже рассмотренных условий. Однако
в дальнейшем будут приведены случаи, когда характер про-
изводственного процесса—периодический или непрерывный—за-
метно отражается на устройстве аппаратов.
В результате тщательного сопоставления и анализа всех, за-
частую противоречивых, факторов конструируют новые типы
аппаратов, которые в дальнейшем, по мере более глубокого изуче-
ния процесса, совершенствуются. В последующих разделах,
посвященных описанию реакционных аппаратов, изложенные
здесь сведения иллюстрируются конкретными примерами.
Типовая реакционная аппаратура
Из числа разнообразных типов реакционной аппаратуры, при-
меняемой в промышленности органических полупродуктов и кра-
сителей, представляется возможным выделить группу аппаратов,
имеющих наиболее широкое распространение. Такие типовые
реакционные аппараты (котлы и чаны), используемые для прове-
дения самых различных процессов, довольно просты по устрой-
ству и включают целый ряд деталей, которые в иных комби-
нациях присущи и более сложным аппаратам. Реакционные кот-
лы и чаны снабжаются разнообразными размешивающими устрой-
ствами, имеют различным образом оформленные поверхности
теплообмена, гарнитуру (люки, гильзы для термометров и т. д.)
и прочие детали, присущие большинству других аппаратов. Сле-
довательно, такие котлы и чаны наиболее интересны для деталь-
ного изучения их конструкций, устройства отдельных деталей
и применяемых для их изготовления конструкционных материа-
лов. Детальное и тщательное ознакомление с типовой реакцион-
ной аппаратурой имеет весьма большое значение для инженеров-
производственников и проектировщиков, так как они должны
уметь правильно рассчитывать и эксплуатировать аппаратуру,
полностью используя ее мощность. Без детального знания аппа-
ратуры невозможны правильный выбор и расчет оборудования,
правильная организация предупредительных ремонтов, складов
запасных деталей и проведение прочих мероприятий, обеспечи-
вающих рациональную эксплуатацию оборудования и повышение1
его мощности.
J. Od^ut itp'i щииы расчета решщионньсх аппаратов 25
Проектными организациями и научно-исследовательскими ин-
ститутами проводится типизация и нормализация оборудования
с целью возможно большего сокращения его типов. Это дает
возможность сократить рас х.оды на проектирование, организовать
серийное изготовленн лпп.цр.атуры и удешевить ее стоимость.
При разработке нормалей учитывается сортамент материалов,
раскрой листов и т. д. с гем, чтобы при изготовлении оборудова-
ния свести к минимуму xe.i ячество отходов. Типизация оборудо-
вания создает также возможность приспособления его для различ-
ных целей. В ряде случаев выгоднее приспособить и дооборудо-
вать типовой аппарат, чем специально разрабатывать и изготов-
лять нетиповую к.'шст о.укпию .При выборе .емкостей, реакцион-
ных котлов, чанов, ме >ников и гарнитуры для них следует иметь
в виду, что их ы-пы и >ас\!ы:1! в большинстве случаев регламенти-
руются ГОСТами и нормалями. Нормали публикуются в катало-
гах на оборудованщ гаи в специальных изданиях исследователь-
ских и проектных г ргж ычиий.
2 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА РЕАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ
Основная задача расчета реакционных аппаратов
При расчете реах дюнг ыз; аппаратов определяют весовые потоки
перерабатываемых вешеств. энергетические затраты, необходимые
для осуществления процессов и вычисляют основные размеры
аппаратов.
При расчете аппаратов нежнейшей .задачей инженера-технолога
является установление материальных и энергетических соотно-
шений, создающихся ирг протекании процесса, и глубокий ана-
лиз его кинетических щкономерностей. В результате такого ана-
лиза находят оптичалг яые условия и соответствующие параметры
процесса, обеспечивающие минимальные габаритные размеры
реакционных апгаратов
Анализ процессов с расчет аппаратуры обычно производятся
в такой последовательности. Па основании законов термодинами-
ки определяют н а правление процесса и выявля-
ют у с л о в и я [I ,з и и :> в е с и я. Исходя из данных о рав-
новесии, выбирают начальные и конечные параметры процессов.
В соответствии с. законом сохранения материи составляют м а-
т е р и а л ь н ы й б алане процесса:
'-G„-^GK (1,1)
где EG„—вес исходных веществ;
EGK—все нещесгв, полутепных в
результате переработки.
26 Гл. Л Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Далее определяют тепловой эффект процесса и, исходя из за-
кона сохранения энергии, составляют тепловой баланс
процесса:
SQ„ + QP - + Qn (1.2)
где —тепло, поступающее и аппарат с исходными вещест-
вами;
Qp—тепловой эффект процесса;
SQK — тепло, уходящее из аппарата с конечными продуктами;
Q„—потери тепла в окружающую среду.
По величинам, характеризующим рабочие и равновесные па-
раметры процессов, определяют движущую силу про-
цесса (разность давлений, разность температур, разность кон-
центраций). На основании законов химической, тепловой или
диффузионной кинетики находят коэффициент скоро-
сти процесса. По полученным данным вычисляют основ-
ной размер аппарата (емкость, площадь поперечного
сечения, поверхность нагрева, поверхность массообмена и т. д.).
Для этого используется общее соотношение:
a = <1’3)
где А—основной размер аппарата;
Л4—количество продукта, получаемого в единицу времени;
Д—движущая сила процесса;
К—коэффициент скорости процесса.
Из формулы (I, 3) следует, что движущая сила и коэффициент
скорости процесса являются основными величинами для опреде-
ления размеров аппаратов. Нахождение числовых значений
этих двух величин является самой сложной частью расчета ап-
паратуры.
Периодические и непрерывные производственные процессы
В периодическом процессе все его стадии (или
операции) осуществляются в одном аппарате, но в разное время.
При этом состав и, следовательно, свойства реакционной массы
изменяются во времени.
Все стадии (или операции) непрерывного п роцес-
с а осуществляются одновременно, но в разных частях реакцион-
ного аппарата или аппаратурного агрегата. В отличие от перио-
дического процесса, при проведении непрерывного процесса со-
став и свойства перерабатываемых веществ в любой тачке реак-
ционного объема не меняются во времени.
Периодические и непрерывные процессы
27
Для примера рассмотрим про-
цесс, который состоит из загрузки
перерабатываемого вещества в
аппарат, нагревания, перемешива-
ния и охлаждения реакционной
массы и выгрузки из аппарата
готового продукта, -го- процесс
может быть периодическим или
непрерывным. При периодиче-
ском процессе все перечисленные
операции и стадии проводится
в разное время и происходят в
одном приспособлен том ал л эгогс
аппарате (рис. 2}. Исходное ве-
Рис. 2. Аппарат для проведе-
ния периодического процесса:
/, 4, л, -3—штуцеры; 2—корпус аппа-
рата; паровая рубашка; 6—мешал-
ка; 7—змеевик.
?ат отводится через штуцер 4.
кой 6. После перемешивания
щество загружается в аппарат че-
рез штуцер 1. После загрузки
вещество нагревается водяным
паром, подаваемыv> в рубашку 3
через штуцер 8. Пар отдгет тепло
реакционной массе через стенку
корпуса 2 п конденсируется. К.энде
Перемешивание производится мешг
Вещество
Рис. 3. Схема устино для проведения не-
прерь; и и:п'<> процесса:
/—теплообменник-наг|ъ!1ч.п:ль; 2— аппарат с мешалкой;
3 — теплоэбме лвяксолсдалышк.
Продукты
реакции
материал охлаждается
водой, которая подается
в змеевик 7. Готовый
продукт выгружается
через штуцер 5.
При непрерывном
процессе все стадии
процесса протекают од-
новременно в различных
аппаратах (рис. 3).
Установка состоит из
нескольких специали-
зированных аппаратов.
Исходное вещество не-
прерывно загружается в
аппарат и нагревается
в теплообменнике 1, пе-
ремешивается в аппара-
те 2 с мешалкой и
охлаждается в хсдодидышке 3. Готовый продукт непрерывно
выводится из холодильника.
Для более четкого разграничения периодических и непре-
рывных процессов, используем следующие понятия и обозначения:
28
Типовая реакционная аппаратура и .методы ее расчета
п родолж и т е л ь н ость и р оцес с а т—время, не-
обходимое для завершения всех стадий процесса, начиная от мо-
мента загрузки исходных веществ и кончая выгрузкой готовых
продуктов;
период процесса Дт—отрезок времени от начала
загрузки исходных веществ данной партии до начала загрузки
исходных веществ следующей партии;
с тепе н ь н е и р е р ы в н о с т и процесс а —- —
частное от деления продолжительности процесса на период про-
цесса.
Периодический процесс определяют:
период процесса, превышающий по времени продолжитель-
ность процесса;
длительность периода процесса Дт>0;
степень непрерывности ^-<1;
единство места осуществления отдельных стадий.
Непрерывный процесс характеризуют:
период процесса Дт->0;
степень непрерывности -»
единство времени осуществления отдельных стадий.
Ниже сопоставлены факторы, характеризующие периодический
и непрерывный процессы:
Фактори
Период процесса .... . .
Степень непрерывности про-
цесса .....................
Место осуществления отдель-
ных стадий процесса . . .
Время осуществления отдель-
ных стадий процесса . . .
Концентрация реагирующего
вещества...................
И р о ц с с с ы
периодический ненце] ел и н
Д '1 Д- ». О
В одном апиарите
Осуществляются
последовательно
Одинакова ио всех
точках объема
аппарата, но ме-
няется но времени
Дс
В разных аппаратах или
в разных его частях
Все стадии осушеств.1 1Я-
ются одновременно
Различна в каждый мо-
мент в разных точках
объема аппарата, но
постоянна во времени
для одной и той же
точки
Непрерывные процессы имеют значительные преимущества
перед периодическими. Применение непрерывных схем позволяет
осуществлять специализацию аппаратуры для каждой стадии
процесса, облегчает возможность создания аппаратов большой
мощности, обеспечивает стабилизацию процесса во времени
!- i >6en.4i>iи’ аппаратов непрерывного действия
29
большую однорсд .-юс гь качества готового продукта, легкость
регулирования ь во ложность автоматизации процесса. Этими
преимущества.* и объясняется неизменная тенденция к пере-
ходу от периодические процессов к непрерывным. К достоинствам
непрерывных ii] '.r с 01 относится также гораздо большая воз-
можности создашь-, различных иаивыгоднейших условий на от-
дельных стадиях процесса благо,царя их пространственному раз-
общению. Но з геи >ерывны'; процессах возможен преждевре-
менный проскок части перерабатываемых веществ из предыдущей;'
реакционной лшн от (арата в последующую и крайне нежелатель-
ное перемещение их из последующей зоны в предыдущую. Этого
недостатка лишены е| ,и -.<-ск ч- процессы, однако в периоди-
ческом процессе трудно создать различные наиболее выгодные
условия па отдельных с.тздигк процесса вследствие их простран-
ственного COBMC.l Ь.:н ! Я.
В условнее крупного промышленного производства весьма
большое влияние а оснзькс'й процесс может оказать любой из
сопутствующих ему ппепессов, в результате чего скорость или
длительность дгстс > ног.г и процесса может являться функцией
многих переменных величин и условий, обычно не рассматривае-
мых классической г.з.нетикей. Практически скорость проведения
химических процессов могут определять: скорость химических
превращений, лг.гю скорость подвода (или отвода) тепла, либо
скорость переноса вещества из одной фазы в другую.
Исходя из кпне-'ических особенностей процессов, все при-
меняемые типы реакционных аппаратов целесообразно подраз-
делить на три группы:
1) емкостные аппараты., производительность которых опреде-
ляется tn объемом:
2) теп.юзыь ап-'граты, производительность которых опреде-
ляется поверхностью теплообмена;
3) массообме1-.1<ы<; а г гулы, производительность которых оп-
ределяется пог?.рхпистью фазового контакта.
Специфические особенности аппаратов непрерывного действия
Рассмотрим л юдифические особенности аппаратов непрерыв-
ного действия, которые в соответствии с теорией, разработанной
А. Н. Планомг..in. позволяют предвидеть течение и результа-
ты процесса в ыглслмости ст выбранной схемы устройства аппа-
рата.
Весьм;1 существе [ но сопоставить периодический и непрерывный
процессы. Если иергодический процесс проводится в определенном
объеме и перера(:;г ываечые вещества пребывают в нем определен-
ное время, необходимое для достижения требуемой степени пре-
30 Гл. 1. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
вращения реагентов, то можно считать бесспорным, что все ча-
стицы перерабатываемых веществ пребывают в реакционной зоне
именно это время. В непрерывнодействующем аппарате, в зависи-
мости от его устройства, фактическое время пребывания частиц
может значительно отличаться от расчетного.
В качестве примера рассмотрим процесс превращения какого-
либо вещества в различных типах непрерывнодействующих аппа-
ратов. Предположим, что этот процесс протекает соответственно
уравнению мономолекулярной реакции, и исследуем характер
изменения концентрации от начальной величины хн до конечной
хк, имея в виду, что равновесная концентрация равна а.
Чтобы устранить расхождение между фактическим и расчетным
временем пребывания частиц в реакционном пространстве, дол-
жен применяться аппарат, в котором достигается идеальное
вытеснение находящихся в нем частиц поступающими в аппарат
частицами. Это возможно лишь в случае определенного соотно-
шения длины и сечения рабочей зоны, при котором скорости диф-
фузии частиц в направлении их движения через аппарат и навстре-
чу этому движению исчезающе малы по сравнению со скоростью
перемещения веществ, а турбулентные потоки не производят
заметного перемещения частиц в направлении, обратном движе-
нию веществ. Подобные аппараты в дальнейшем будут называться
аппаратами идеального вытеснения.
В аппарате идеального вытеснения (рис. 4,4) концентрация
вещества плавно изменяется по длине аппарата от начальной кон-
центрации х„ до конечной хк в результате того, что протекающие
через аппарат последующие объемы вещества не смешиваются
с предыдущими объемами и полностью вытесняют друг друга.
Наибольшее различие между расчетным и фактическим вре-
менем пребывания частиц )реакционной зоне наблюдается в ап-
парате, где происходит мгновенное и идеальное смешение посту-
пающих частиц с находящимися в нем частицами. Подобные ап-
параты в дальнейшем будут называться аппаратами иде-
ального смешения. В таком аппарате (рис. 4,£) последу-
ющие и предыдущие объемы вещества идеально смешаны, кон-
центрация вещества во всем объеме аппарата постоянна и равна
конечной концентрации хк.
Промежуточное место между аппаратами идеального смешения
и идеального вытеснения занимают аппараты, в которых фактиче-
ское время пребывания частиц отличается от расчетного меньше,
чем в аппаратах идеального смешения, но больше, чем в аппа-
ратах идеального вытеснения. В таком аппарате проме-
жуточного типа (рис. 4,В) не происходит полного сме-
шения предыдущих и последующих объемов вещества, однако
здесь не наблюдается и полного вытеснения их. Соответственно
Специфически.? >бенно:ти аппаратов непрерывного действия 31
этому концентрация г аппарате изменяется от начальной вели-
чины х' до конечной, разной хк.
Таким образом, в аппаратах описанных типов различен ха-
рактер изменения концентрации перерабатываемых веществ.
Продолжительность пребывания веществ в реакционной зоне
аппарата и особенно характер изменения их концентрации яв-
ляются решающими условиями протекания процесса. Остановимся
подробно на рассмотрении этих вопросов.
Рис. 4. Характер изменения концентрации х веществ в аппаратах раз-
личного типа:
Л—в аппарате идеал!,ноге пь теснения; 2—в аппарате идеального смешения; В—в anna*
рате промежуточного тнпп; --средняя движущая сила процесса; I — длина (вы-
сота) реакционной зоны.
Аппараты идеального смешения. Допустим, что в аппарате,
показанном на рис 4Д1, находится жидкость, имеющая концентра-
цию вещества, равную х, и что в аппарат непрерывно вводятся
новые объемы жидкости с удельным весом, равным удельному
весу первой жидкость, и с концентрацией вещества х0.
Для выявления условий вытеснения «старой» жидкости «новой»
введем следующие обозначения:
Vp—рабочий объем аппарата, .и'1;
V—объем] жидкости, поступающей в единицу времени,
м3]сек;
ха—начальная концентрация жидкости в аппарате;
хк—конечная концентрация жидкости в аппарате;
х0—концентрация' поступающей жидкости;
т—расчетное время пребывания частиц в аппарате, сек.
32
Гл. 1. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Материальный баланс процесса для рассматриваемых условий
вытеснения жидкости жидкостью при идеальном смешении может
быть составлен путем следующих рассуждений. За элемент вре-
мени концентрация жидкости в аппарате изменится на вели-
чину dx\ следовательно, в аппарате останется количество вещест-
ва, равное Vp(x—-dx). Это же количество оставшегося вещества
можно вычислить путем сложения остатка вещества (V—dV)x
и вновь поступившего количества dV х0:
Vp(x— dx< Л ..— dV) х + dVхя (1,4)
Полученное равенство может быть преобразовано:
Гр х — Vp dx — Vp х — d'd x 4- dV x0 11, 5)
ил и
I-7,, dx — dV (x — x0) (1,6)
dx _ dV V dz , i -7,
x~^r0 ту ту (
Из этого равенства легко может быть найдено изменение кон-
центрации dx в аппарате вследствие эффекта «вымывания» жидко-
сти жидкостью.
Интегрируя уравнение (I, 7) и пределах х.,—хя, получаем:
) х 1 J h (л/ е( 1> 8)
или
I.. Д"V V '1 9)
V,, V, J, J ?
Из равенства (1, 9) находим:
In V (1,10)
Т — *п = 1 . ~ V" -Хо)£ Р (1,11)
Для случая, когда£г() Т, равенство (1,11) преобразуется так:
Уравнение (I, 12) может характеризовать действительное
время пребывания частиц в аппарате идеального смешения.
Спели,i/niче x;.- ou.'iiw-ctи иппа/штив непрерывного действии 33
Пусть за врем: t, через аппарат проходит объем жидкости,
равный объему аппарата Отношение любого количества прошед-
шей жидкости к объем г аппарата равно тогда отношению времени
~ прохождения этэч> количества жидкости к времени тк-.
Время <к есть ^счетное время пребывания жидкости в аппа-
рате. Допустим для простоты. что-:/ I или что единицей измере-
ния г служит д, пы учим
V— 4.11)
’ i1
х, , - (I, 15)
Если за время : ' к ср: аппарат проходит объем жидкости,
равный обтем’, аппарат;, ю согласно зависимости
I р — Е? (1, 16)
вновь поступаю.ый оОъе;и жидкости нацело вытеснит в аппарате
идеального вык.ч-пени i вен: находящуюся в нем «старую» жид-
кость и частипы лог,ой» л -и:,к эст и будут находиться в аппарате
расчетное время
В аппаратах пдс... ьногс смешения имеют место другие соот-
ношения. Если ч.шш.нйя концентрация жидкости, находящейся
в аппарате. 1. концентрация поступающей жидкости х0 Он
время с момент а р..;< >;. । «новой.» жидкости - I .то
.ю т. п ;-х„0,368 ,1. 17)
Следовательно, i. пн трате идеального смешения после прохожде-
ния через него < .(;тема жидкости, ранного объему аппарата, оста-
нется 0,368 объема прежней жидкости и вытеснится0,632 ее объема.
Отсюда можно j.ik '-| пить, что и время пребывания частиц в 'лшз-
рате такого ины отлнчажея от расчетного.
Установим время нрес чш.пи и частик в аппарате для следующего случая.
Пусть через a riria 11 сп, а •ржали ii //ц частии.«етарлй» жидкости Л , имеющеп
концентрацию щ, I, ;i? •(•каст «новая» жидкость В, которая не содержит час
тнц жидкости А , (Г). За отрезок времени Лт концентрация жидкости А в ап-
парате умен I.инти ; । не тчн у 3. г, и еис гнипт'.
Al , ; V (I.
В аппарате ос'! 3|Ч'3 ко.ч пче -г ча гтп 11 жидкости А., равное, Л .
При этом и .:нп1;|ратс 1<уДбТ го'.рпжаться 7»н частиц «ношиЪ>. жидкости-.
И1„ ЛЛ - IIIД < ’•Л' (I, |<У
3—2277
34
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Следовательно, только ша частиц «новой» жидкости из всего количества
ее, введенного в аппарат за время Ат, пребывают в аппарате в течение этого вре-
мени Ат, остальные частицы—большее или меньшее время.
За отрезок времени 2Дт концентрация жидкости .Л в аппарате изменится
па величину Дл„ । и составит:
хн А-Г| । j = хн е (1,20)
Следовательно, количество оставшихся 1 аппарате частиц этой жидкости
будет равно тАе—2Лт
При этом в аппарате будет содержаться т} частиц «новой» жидкости.
пц = тд — ... шд (1 — (I, 2l)
Очевидно, что т0 частиц «новой» жидкости из общего ее количества,"по-
ступившего в аппарат за время от Ат до 2Ат, так же как и т0 частиц из общего
числа их, поступивших в аппарат за время отО до Ат, пребывают в аппарате н
течение времени Ат. Количество же частиц «новой» жидкости rnL_2 из общего
их числа, введенного за промежуток времени от 0 до Ат и пребывающего в ап
ларате время 2At, может быть определено так:
Anii-.j -= nt., — nti = (/7?a — /??д e A е 2М) —
= тд( е-Лт -- е-2ДД (i 22)
Продолжая аналогичные рассуждении, мы убедимся в том, что количество
частиц «новой» жидкости В из общего числа их, введенного в аппарат за про-
межуток времени от 0 до Ат и пребывающего в аппарате время ЗАт, составляет:
Дт2_3 = шд ( е~2Л' — е~ЗДт) (1, 23)
Далее находим количество частиц «новой» жидкости из общего числа ил,
введенного за промежуток времени от 0 до Ат и пребывающего в аппарате вре-
мя цАт.= т:
Ат = тА (е~~ — е~Т~ЛД = шд е~~ ( I - е~Дх) (I, 24)
Переходя к бесконечно малым величинам, следует перенимать уравнение
(I, 24) так:
dm = тА е~'~ (1 — (1, 25)
Для интегрирования этого уравнения разложим функцию i~'dz в ряд:
Пренебрегая бесконечно малыми величинами, возведенными в степень
больше единицы, как бесконечно малыми второго порядка, запишем уравнение
(I, 26) в следующем виде:
^==l_jT (],27)
Подставляя значение e~d' в уравнение (I, 25), получим:
dm = mAe-zdz (1,2^)
Интегрируя уравнение (1, 28) в пределах от 0 до « и от ~ до <», имеем:
т — — ( е~Х! — е~т) mА == шд (I, 29)
Специфические особенности аппаратов непрерывного действия 35
Согласно приведенным рассуждениям, величина есть общее количество
частиц, введенных!! .лпаргт за время т— 1, а т— часть общего количества
частиц, находящихся и аппарате в течение времени с. Подставляя в формулу
(I, 29) ряд числовых значе., й п<>лучим зависимость между т и т, представ-
ленную кривой на рче :
График гок. зь м . что незначительную долю расчетного
времени (например, О.Н) з аппарате находятся почти все вве-
денные частицы (по рас1 ету 906 из 1000). В течение расчетного вре-
мени тк в аппарате находится сравнительно небольшое количество
да
те \
Рис. й Зависимость немцу и т.
частиц [по уравнению (I, 20) 368 частиц из 1000). В течение
времени, превышающего расчетное, в частности при •-*;», в
аппарате находится количество частиц, близкое к нулю.
Аппараты идеального вытесненья. Для аппаратов идеального
вытеснения спраьед/иво равенство (I, 7), характеризующее из-
менение концентрации вследствие вымывания жидкости жид-
костью при условии рассмотрения не всего объема аппарата, а
лишь того элемента объема, в пределах которого концентрация
вещества может считаться постоянной. Соответственно этому
уравнение (1.7) может быть переписано так:
(1,30)
di V .
— -Со A17f
Разделив числитель ч знаменатель правой части на площадь
сечения аппарата, перпендикулярную потоку взаимодействую-
щих веществ, получим:
йх о» ,
----------------------------.- ----- -ТГ
(L31)
3*
lb J'.i /. Тиновап 1>ес1кционт1‘1 аппаратура а методы ее расчета
В уравнении (1,31) L—элемент длины аппарата (вл), ско-
рость перемещения реагентов (в м/сек).
По определению аппарата идеального вытеснения эффект
вымывания dx равен нулю. Последнее возможно при ~ - -О,
т. е. только при большой длине реакционной зоны.
В аппаратах промежуточного типа отношение не равно
нулю и эффект вымывания, согласно предыдущему уравнению,
зависит от этого отношения.
Движущая сила процессов
Движущая сила процесса представляет собой разность между
предельным числовым .значением параметра и действительным его
значением, например, для химических процессов разность ме-
жду равновесной для .данного процесса концентрацией и рабочей
концентрацией. Обозначив равновесную концентрацию а и р або-
чую концентрацию г. можно движущую силу процесса выразить
разностью а —х.
На рис. 4 (стр. 31) было показано изменение движущей силы
процесса (разности концентраций) в различных тинах аппаратов
непрерывного действия; средняя для процесса величина движущей
силы определяется величинами заштрихованных площадей. Как
видно из этого рисунка, большая величина движущей силы соот-
ветствует аппаратам идеального вытеснения , меньшая аппаратам
идеального смещения, средняя - -аппаратам промежуточного типа.
Важно отметить, что в неирерыннодействующих аппаратах
идеального смешения движущая сила процессов может о'ыть зна-
чительно увеличена путем секционирования аппарата. Например,
если аппарат идеального смешения объемом |/ разделить на п
секций или вместо одного аппарата объемом V., установить п ап-
пиратов каждый объемом * , то движущая сила процесса уве-
личится. К?к показано на рис. б, при создании четырех секции"
средняя движущая сила возрастает от величины, пропорциональ-
ной площади ajik, до величины, пропорциональной площади
abedefghik. К увеличением числа секций движущая сила процесса
в аппаратах идеального смешения приближается к движущей силе
в аппаратах идеального вытеснения. При большом числе секций
(практически 8—12) движущие силы в аппаратах обоих типов
становятся примерно одинаковы.
Для многих процессов, протекающих в гомогенной среде, ско-
рость реакции и концентр алия связаны простыми уравнениями
кинетики. В случае сложных систем взаимодействия, когда ско-
Z? ликци:,'и силе, процессов
рость процессов < [ре'П'Л'п'тся не голько скоростью реакций, но
и скоростью дшуфузпп скорость процессов является также сте-
пенной функцией -(iHueir'paii.HH. по с яругой зависимостью,
чем в соотнетс гву сшнх кинетических уравнениях.
В дальнейшем мы ’>уде я оперировать главным образом урав-
нениями классической кипи и к и, причем любое решение практи-
ческих задач с углия, ш иной функциональной зависимостью между
скоростями процессов и концентрациями производится по одной
общей схеме.
Рис. <>. . . г.к in hi ..нлз процесса при секпноннр< -
чан ни
Пусть в общем случаи скорость реакции выражается равенст-
вом:
""/m (1,32)
При любом периодическом процессе или при непрерывном про-
цессе, проводимом в аппарат идеального вытеснения, время, не-
обходимое для достижения концентрации хк продукта реакции,
оп редел яетс я р а веч iс in >м
Р d.x
1 к
(I, 33)
О
Иначе протекаю'! процессы и аппаратах идеального смешения
аппаратах промежуточного типа.
38 Гл. /. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Выразим эффект вымывания в форме, наиболее общей для
всех аппаратов:
где Re—число Рейнольдса;
О, и D2—коэффициенты диффузии исходных веществ и продук-
тов реакции;
/—длина (высота) аппарата;
d—диаметр аппарата.
В аппарате, где протекает химический процесс, установившееся
состояние наступит, очевидно, когда изменение концентрации
вследствие вымывания станет равным изменению концентрации
за счет химических превращений. Как известно, изменение кон
центрации в результате химических превращений может быть
выражено следующим образом:
dx = f (х) d-z (1, 35)
Сопоставляя уравнения (I, 34) и (I, 35). найдем:
j-г (X — х0)(Re, , —d j (XI (1 /36
Из уравнения (1, 36) может быть найдено отношение
-7 =/2 W (1,37)
а также отношение времени тп пребывания частим в реакционной
зоне аппарата периодического действия к времени тн пребывания
их в реакционной зоне непрерывнодействующего аппарата при усло-
вии достижения одинаковой степени превращения исходного ве-
щества. Это отношение в дальнейшем будем называть к. п. д. не-
прерывнодействующего аппарата и обозначать -ц.
В наиболее общей форме к. п. д. выражается следующим отно-
шением:
Движущая сила процессов уу
Исходя из уравнен) й И. 7) и (I, 32), для аппаратов идеального
смешения напишем:
dx (л — х0» - р— d~ 11, 39)
<i.v =’ f (х) dx (I, 40)
Сопоставляя два последних уравнения, получим:
V /<т)
* )тсюда
dx
/,Хк)] Дх)
, ,=.- -”Д- ... ...SI— (1,42)
Д, X хв
На основании таких же соображений следует считать, что
эффект вымывания для аппаратов промежуточного типа может
быть выражен уравнением (I. 34):
,/х (X- A (Re, -4")
Таким образом, ж прерывнодейстнующие реакционные аппа-
раты можно количественно характеризовать эффектом вымывания
dx, который выражается следующими уравнениями:
для аппаратов идеального смешения
dx ----- ш —xn)-J— d~ (1,43)
1 i>
для аппаратов идеального вытеснения
dx — 0
(I, 44)
Эффект вымывания и дир>ференциальные уравнения классиче-
ской кинетики позволяют решать все практические задачи, свя-
занные с определением характера протекания непрерывных про-
цессов. Однако следует отметить, что аналитические решения воз-
можны лишь для аппаратов) первых?двух типов. Решение же за-
дач'для аппаратов промежуточного типа возможно лишь после
экспериментального определения I Re,—-V
"2’ Я /
’Следует также иметь е. виду возможность интенсификации
химических процессов путем уменьшения степени превращения
реагентов и введения замкнутых регенеративных циклов. Для
40 /'л, I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
рассмотрения этой возможности (принимая процесс моиомолеку-
лярным) введем следующие обозначения:
1Т-- емкость аппарата, лг‘;
р — коэфф и и и е и т зап ол не имя a i и i а р ата \
-секундный объем перерабатываемых веществ, щ;7с<ъ',
время пребывания реагентов в аппарате , сек :,
а—начальная концентрация реагирующего вещества,
кг-мол/м’’",
х--конечная концентрация образующегося вещества,
кг-мол hr'",
/г — константа скорости реакции.
Между секундным объемом пере -
рабатываемых материалов, емкостью
аппарата и временем пребывания ре-
агентов в реакционной зоне существует
следующая простая зависимость'.
(1,45)
Рис. /. Графическое
представление уравнения:
., А И, <fY
--------------т
2,3 1g--------
Подставляя в уравнение (I, 45) вме-
сто времени -- его значение из кинети-
ческого уравнения, для мономоле.ку-
лярпой реакции получим:
Ю,.
Переходя от объемной производительности к весовой
найдем
6 -1 ..;к. , (1,47)
где у - удельный вес реакц; он ной массы, кг/м'л.
Зависимость, выражаемая уравнением (I, 48), графически
представлена на рис. 7. Из этого графика следует, что с уменьше-
нием степени превращения производительность аппарата значи-
тельно возрастает.
Это возрастание тем больше, чем выше порядок реакции.
Однако возможность проведения процесса с малой степенью
превращения теснейшим образом связана с методами выделения
,; t лж1ьци i шла процессов
II
продуктов реакц-ь. из >еакционной массы. Если продукты реак-
ции легко удаляются । i '.•еакцзонпоп массы и непрореагмровав-
шив исходные веш.ссг-'. mo,kiio легко возвращать в цикл на по-
вторную переработку го г д чисс с малой степенью превращения
технологически яффы-г ibcii. В протиином случае малая степень
превращения может -п ri t к 'Приемлема.
С развитием и с>•«ц пшене гвовгшие.ч лк-тодов .химической тех-
нологии процессы. iip< BOi он .к с маной степенью превращения,
становятся все более распространенными.
Применительно уравнениям химической кинетики для
реакций различны \ н.ря.цюз могут быть даны частные и кон-
кретные решения зь.ц.чч.
Обозначим:
д—концентр а ци я д аг и дуют его вещества;
х—концентрация продуктов реакции;
1г—константа сксщюти реакции;
—время.
При взаимо,1епс'’Ш1 и веществ в эквивалентных отношениях
дифференциальные уравнения кинетики могут быть представлены
в таком виде:
для реакций ну,-евого порядка:
(1,4$))
Л Л Я
реакции нерн<>ге порядка:
к (II А')
для реакция второго порядка:
с!х .
1г (а — г)
я(" '
(I . 50)
(1,51)
И т. д.
Рассмотрим общую схему протекания процесса, соответствую-
щего реакции н> 'к вог< порядка, в аппарате идеального смешения.
Допустим, что ютит!'! ранил продукта реакции в таком аппарате
в определенны it момент воемени составляет х и что в аппарат
вводится исходах вещество. не содержащее продуктов реакции.
Тогда по уравнен ню (I, 7) изменение концентрации продуктов
реакции вследствие пымышшпя выразится следующим образом:
dx ----- х rl~
(1, 52)
Изменение »онш ir ргп и и за счет химического превращения
может быть найдено из уравнения (1, 49):
dx ;> </•
(1, 53)
42____г л. I Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Подставляя значение dx из уравнения (I. 53) в уравнение
(I, 52), найдем:
/г дт - х d~ (1,54)
ил и
х = k -I. >ч
Поскольку ~ уравнение (I, 55) приводится в полное
соответствие с обычным кинетическим уравнением реакции нуле-
вого порядка: %
х = /гт , (1, 56)
Протекание непрерывных процессов, отвечающих кинетиче-
ским уравнениям высших порядков, значительно отличается от
хода реакций нулевого порядка; для реакций первого порядка
= (1,57:
d~.
Процесс проводится в аппарате идеального смешения, поэтому
при установившемся состоянии достигается постоянная концен-
трация х продукта реакции. Изменение концентрации продуктов
реакции при протекании процесса составляет
dx =-- k (а ----- х) d-. (1, 581
и равно изменению концентрации вследствие «вымывания»:
dx = .г ----- d~. (I, 59)
Сопоставление равенств (1, 58) и (I, 591 дает:
k (el — х) = х тг- И, 60)
v It
, , lZa
Но --- следовательно:
k (а — х} — ~ (1,61)
(Отсюда
Дхиясущоя сила процессов
43
Последние два у теп.нения [выражают непрерывное течение мо-
но молекул я рны х процессов в аппаратах идеального смешения.
Аналогично для бимолекулярной реакции получим:
dx k \-'i — х)- d-
Отсюда
X -p- — £)'-
K- (u — fl
Решая это ;> ।’антенне относительно х. найдем.
(1,64)
(।,65)
(1.66)
(1,67)
(1.68)
На основании г.злокенного можно установить, что при непре-
рывных процессах fi аппаратах идеального смешения время, необ-
ходимое для достижения определенной степени превращения ве-
щества, или достигаемая степень превращения исходного ве-
щества при определенном времени пребывания его в аппарате,
резко отличается от t ремени или степени превращения в непре-
рывнодействующи.ч аппаратах идеального вытеснения. Кинети-
ческие закономерно, г i непрерывных процессов, проводимых в
аппаратах идеального вытеснения, выражаются уравнениями
(I, 49)—(I, 51). Дли определения тех же закономерностей не-
прерывных процессе!’, протекающих в аппаратах идеального вы-
теснения, служат усы нения (1, 55), (I. 62) и (I, 67).
Исходя из этих, принципов, легко получить выражения для
к. п. д. аппаратов Тик, к. п. д. для реакций нулевого порядка
составляет:
/,
Т 7“ = 1 (1,69)
X
Для реакции ucpnoiG и< 1))ядка:
' - -Т. .1,70)
х а — х
11 Гл. Г Тцновал реакционная аппаратура и методы ее расчета
Рис. S. Зс1влсим<ч-ть к. л. .1. псирерыв-
ноденству1О1Ц11Х аппаратов от порядка
реакции и степени превращения .г
/.для реакций нулевого порядка; 2—для рсак’
цнп первого порядка; '' -для реакций вт<>| >ого по-
рядка.
Для реакций второго по-
рядка к. п. д. сост;|Н.'1Яе'|:
J т
/. а (а — г) и л
.... ; <г
Т а - X)-
|уравнение (I, 71)|
Таким образом, к. и. д.
не 11 ре р ы вн оде йств у ю щ и х ап-
паратов зависит от порядка
реакций и степени превра-
щения. Эта зависимость пред-
ставлена графически на
рис. 8. На графике видно,
что к. и. д. непрерывнодей-
ствующего аппарата идеаль-
ного смешения тем выше,
чем ниже порядок реакции
и степень превращения.
Побочные реакции в непрерывных процессах
Своеобразное изменение концентрации реагентов в непрерывно-
действующих аппаратах идеального смешения и аппаратах про-
межуточного типа оказывает большое влияние на протекание по-
бочных или вторичных реакций.
Допустим, что в результате взаимодействия веществ А и X
образуется вещество X-.
\|-\ \ (1,72)
Кроме того, в результате взаимодействия веществ X и N обра-
зуется вещество Y:
X + N---Y (1,73)
Обозначим в соответствии с предыдущими обозначениями ве-
личин:
а—концентрация вещества А;
х—концентрация продуктов первичных и вторичных реакций ,
у—концентрация продуктов вторичной реакции.
В общей форме соотношения скоростей первичной и вторич-
ной реакций могут быть выражены равенствами-.
dx г , . _ „ ,
_1^_ /з(Л-_г/) (1,75)
//к / чг iir. и HimiH’pi-iUfiux процессах !•>
()ткуда
Аналитическое решение* диерференциалыюго уравнения (J, 76)
возможно в ряде конкретных случаев. Для периодических про-
цессов и процессов, • • рогею.юшнх в аппаратах идеального вытесне-
ния. решение эп>гс. ур меню и его интегрирование должны про-
изводиться е унткср, п.'Го. ню концентрация продукта первичной
реакции возрастай1' ir нуля до определенного конечного значения
и 410 количество сооа- ующт хе; вторичных продуктов определяет-
ся каким-то средним шаченнем концентрации первичных продук-
тов. Решение ддфф'. :ч нциалыюго уравнения (1, 76) приводит к
похождении» <’т, нгпи: чао но7 зависимости между величинами
.V и //:
i; - [ (X) ( 1 , 771
В указанных про-.ы сах (периодических и проводимых в аппа-
ратах идеал i,iua-o вытеснен и ч; конечная концентрация вторич-
ных продуктов (X 2 ‘.г.г.и ('лр.едепяс’тся. по конечной концентрации
первичных про?уic iii1,
//,. il, 78)
(I
11рн непрерывны ip< >ноы.чл в аппаратах идеального смешения
концентрации пер.шшого н вторичного продуктов постоянны и
определяются друг ни rooino пениями. С учетом эффекта вымы-
вания и кипел лчес1??;Г ) ерш ш ипя (1 74) для первичной реакции
можно наинс.тт. е.н ty diiuit уравгенпя:
7. г : , (а - г -7? (1, 79)
ci л '.V -Л'„ > -р- И-. (1.80)
Сопоставляя эы уравнения, но.аечим:
р - '" - -С) /\ 'ч - -г) (1,81)
Аналогично, на елнованвл кинетического уравнения (1. 75),
найдем уравнение ж я вторичной реакции:
1Д (и -- (/п> --
(1, 82)
46 Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Сопоставляя уравнения (I, 81) и (1, 82), получим:
Ч - Уо _ /а (* — У)
v ' ft (а — х)
(1,8'3
Во многих случаях уравнение (1, 83) решается аналитически
относительно у (концентрации вторичных продуктов):
(1,84)
В ряде случаев приведенное общее решение может быть кон-
кретизировано. Допустим, что протекают мономолекулярные
реакции, тогда скорость первичной реакции может быть выра-
жена так:
dx , 1О-
-р- = /г, (о — х) (1,8м
а скорость, вторичной реакции определится выражением
-JT М* — у} (1,86 )
Сопоставление этих двух уравнений дает:
dx С (л- V) (ц -г) (1’87
где
Решая дифференциальное уравнение (1, 87) и интегрируя егс
в пределах от 0 до хк, находим конечную концентрацию втор i чных
продуктов:
,, _ у _ (« — — (а — *.<)
У к Лк ।
(1,88)
При непрерывных процессах, проводимых в аппаратах идеаль-
ного смешения, концентрация вторичного и первичного продуктов
реакции остается постоянной, следовательно, по аналогии с
приведенными рассуждениями можно написать:
(х — х0) = (д — х) (1,89)
уЧ'/ — =/?2(х — у\ (1.90)
Поенные {.еакции ti непрерывных процессах
47
Сопоставляя :<гг последние равенства, получаем:
у г: (/о Х~ У (1,91)
X - гп а - х
и - - Л 4- J\X IX — Х(|) - .£) + К (X - Х„) (1,92)
Для бимолек; улярных ре; 1КИИЙ, но аналогии с предыдущим,
могут быть нагл .с.знь! елнщующие равенства:
d.< = У, (а — .и (I, 93)
ф/ = 1’., (X — у)- U, 94)
k-Р! '.')2 _ 1/ (X— У)- - рй (а- .г)2 И, 95)
Соответственна условиям периодического или непрерывного
процесса, проводимого в аппарате идеального вытеснения, реше-
ние дифференниальзогс уравнения (1.95) дает следующую функ-
циональную зависимость между (о—v)
и (х—//):
А -\-2Ky А
> А — 2/<,,А
* — У
а (1,96)
а~У
а — х
где 4 = 1-г 4К.
Для бимолекулярное реакции, протекающей в аппарате идеаль-
ного смешения, можно написать аналогично предыдущему сле-
дующие равенства:
г |А- - .»v = k, (О - х> (1,97)
р- - (у ~ «о -= *.Л(х —у)-’ (I, 98)
Сопоставление дзух последних равенств дает
_ Мл — №— ь- Iх ~~ у)2
х — н, fr, (а -- г)’ (а — х)2
ИЛИ _
'/ : = “2й
где а=К(а—х);
Ь=2Кх(х—л0) (й- хУ',
с=Кх2(х—х/1- ) i,ya —х)!:.
18 Г.i. /, liiiioean реакционная аппаратура и методы ее расчета
В результате решения уравнений (I, 88), (I, 92), (I, 96), (I, 99)
и вычислений можно показать, что количество побочных про-
дуктов, образующихся при непрерывном процессе в аппарате
идеального смешения, значительно больше, чем в аппаратах перио-
дического действия и в непрерывнодействующих аппаратах идеаль-
ного вытеснения. Это может быть наглядно представлено гра-
фически (рис. 9).
Откладывая но оси абсцисс значения х, а по оси ординат зна-
чения (х—у), получим, в
ние. !). График <>6р;гн >н.| -
пня !1'П1|>ичпп1х npo.’iyi; ГОИ
реакции.
Площадь О А ВС превышает
За в ис и мо'сти от пор пд к а реакции, к р и -
вую или прямую ОВ. Величина,
пропорциональная движущей силе
образования вторичных продуктов в
периодическом процессе, выражается,
при конечной концентрации пер-
вичного продукта х,., заштрихован-
ной площадью ОВС. Для непрерыв-
ного процесса в аппарате идеального
смешения, т. е. при постоянных зна-
чениях х|; и х—-у. величина, про-
порциональная движущей силе обра-
зования вторичных продуктов,
представлена площадью ОД ВС.
площадь ОВС:, с шдовтгеды о , в аппа-
рате идеального смешения получается значительно больше вторич-
ных продуктов реакции, чем в процессе, проводимом периоди-
чески или неп.пер.ывно в анпарятаи лцщятьл'еуп.'? вытеснения .
Методы увеличения к. и. д. аппаратов непрерывного действия
При непрерывных процессах в любых аппаратах , за исключением
аппаратов идеального вытеснения, потеря движущей силы и ин-
тенсивность возрастания количества вторичных продуктов реак-
ций больше, чем при периодических процессах. Этот существенный
недостаток непрерывнодействующих аппаратов может бить
устранен различными методами, к которым относятся:
1. Проведение процесса в условиях, обеспечивающих боаыпую
линейную скорость перемещения ингредиентов через реакцион-
ную зону. При этом аппарат работает но схеме идеального вытес-
нения и к. п. д. аппарата равен единице.
2. Проведение процесса в условиях естественного стекания
жидких ингредиентов но насадке или теплообменным элементам.
В этих случаях аппарат также работает по схеме.близкой к схе-
ме идеального вытеснения.
3. Проведение процесса с низкой степенью превращения ис-
ходного вещества. При этом к. в. д. любого аппарата близок к
единице.
Методы увеличения г., t д. аппаратов непрерывного действия
49
4. Проведение процесса в аппарате идеального смешения,
разделенном перегородками на несколько секций (или ступеней).
При большом количестве секций к. п. д. такого аппарата прибли-
жается к единице.
В первых трех случаях характер изменения концентраций и
время, затрачиваемое па достижение заданной степени превра-
щения, соответствуют ранее выведенным уравнениям. Четвертый
случай следует рассмотреть отдельно. Предположим, что процесс
проводится в системе непрерывнодействующих аппаратов идеаль-
ного смешения (см. рис. 6 стр. 37). Допустим, что в первый ап-
парат вводятся ингредиенты, не содержащие продукта реакции.
В первом аппарате концентрация продукта реакции составляет
xt, во втором х2, в последнем (п—число секций агрегата).
Согласно уравнению (I, 35), время пребывания ингредиентов
в первой секции до достижения концентрации Xj составляет:
Для определения времени пребывания ингредиентов во вто-
рой секции воспользуемся ранее приведенной схемой (стр. 32).
По уравнению вымывания к по кинетическому уравнению полу-
чаем:
I / > V ,
dx = (у^ — Xj) dr
* а
dx ; / х2 ) d~.
(I, 102.)
откуда
4,103)
Аналогично для последней секции получим:
/ (х„)
(1, 104)
Тогда для многосекционной системы аппаратов идеального
смешения время пребывания ингредиентов в реакционной зоне
может быть определено следующим выражением-.
Ч I , w Хп-------хг.
‘ / (х„)
(I, 105)
В ряде случаев приведенное выше общее решение может быть
конкретизировано.
4 -2277
50
Гл. /. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Для многосекционной системы аппаратов идеального смеше-
ния при мономолекулярной реакции время пребывания ингредиен-
тов в реакционной зоне определяется уравнением:
- — __ Д___’-2 Д I . . . ХП х"~1 , Г I (|Л j
/Да-.Ч) п Да-.с2) /г(а-хп)
По аналогии с предыдущим для реакций второго порядка
- - - у2- + -у-Д—V + • ' '
и (а — xl)i k (а — ,v2)- k (a — x.,]-
Ha основании сделанных выводов можно составить уравнения,
позволяющие определять к. п. д. непрерывнодействующих много-
секционных аппаратов. Так для реакции, скорость которых опре-
деляется зависимостью ==/(х), к. п. д. можно выразить так:
| l(x)dx
б
Х1
i (д)
хп — х„х
i (хп)
11, 108)
Для мономолекулярных реакций:
а
д
Д — Д .. _Д> —Д>-г
а — х2 "г ' ‘ * а — Хп
(I, 109)
Для бимолекулярных реакций:
хп
Т) =
а —
а (а — х„)
(И - г,)'
Л-И-1
(а — х„у
(I, НО)
При выполнении приближенных технических расчетов мож-
но использовать общее эмпирическое выражение для к. п. д.
многосекционного аппарата с числом секций п:
1ПП
30 -)- (m— 1)н
(1, 111)
где гп=29 -Jl—;
1—'ll
t>j—к. п. д. односекционного аппарата.
Методы уве-мя . а. У аппаратов непрерывного действия- 51
Следует отметить, что . ля пребывания ингредиентов в
реакционной зоне аппарата, необходимое для достижения требуе-
мой степени превращения. зависит не только от числа секций си-
стемы, но и от распределены концентраций по ступеням. При
этом рациональное :;спре,золение концентраций определяется
функцией вида:
-'J = (1, 112)
Чтобы выяснят влияние распределения концентраций по
секциям, вычис.1 гл т > у i; I. пню (I, 105) время, необходимое
для достижения треоуемон степени
ном аппарате при. различных кон-
центрациях в обеих секциях. Ко-
нечную степень превращения при-
мем х2=0,8. Результат вычисле-
ний и построения показан на
рис. 10. Как следует из рисунка,
функция ?==/(.г(| имев'- .мини-
мум. Следователи), минимальное
время протекания реакций и ми-
нимальная емкость аппарата со-
ответствуют лишь строго опреде-
ленному распределению концент-
раций по ступеням, » зандш/. слу-
чае—определенному значению х .
Выразим минимум указанной фу
необходимо продифференцировать
превращения в двухсекцион-
Рис. 10. Влияние распределения
концентраций по секциям на
суммарное время реакции.
1кции аналитически, для чего
уравнение:
_ Ч______ I Ч Л'1
(« — Ф) ‘ 1г (а — х2)
(1,113)
(х2 как конечная .лепет, превращения принимается здесь постоян-
ной).
При дифференцировании получается:
_ о __________________ _ J____________________
'?| ’ ’Ш - С,)2 /. (а — х2)
(I, 114)
Приравнивая летзую производную нулю, находим:
или
; — ----- -— —• - I 1 , 1 1 О I
/, (а - ху k (а — х2) ’
i.Xj =-<м,— <;.Г| F х? <1, 116)
52
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Вычитая из левой и правой частей равенства (I, 116) произве-
дение xtx2, получим:
ах, — XjX2 = ах2 — х,х2 — ах, х? (I.H7)
Отсюда А = х2 — х, (а - х,) (а — х2) (1,118)
или хг х2 — XY k (а — xt) k (а — х2) (I, 119)
Минимальному значению - соответствует, следовательно, ра-
венство слагаемых правой части уравнения (1, 106) или равен-
ство времен пребывания ингредиентов в каждой ступени аппарата.
Нетрудно показать, что этот вывод справедлив для любого числа
секций, а также для реакций второго и третьего порядков. Вполне
очевидно, что указанное условие минимального значения т спра-
ведливо лишь для реакций указанных порядков.
В общем случае рациональное распределение концентраций
по ступеням определяется следующим равенством:
(I, 120)
Следует отметить, что условия, соответствующие минимальному
значению т, одновременно являются условиями образования ми-
нимальных количеств продуктов вторичных реакций (поскольку
минимуму отвечает минимальное среднее значение х, а послед-
нему—минимальное среднее значение у).
Влияние числа секции на к. п. д. многосекционного аппарата
при минимальном значении т показано на рис. 11. Из графика
видно, что к. п. д. многосекционного аппарата возрастает с уве-
личением числа секций, с уменьшением степени превращения и
с понижением порядка реакции.
Выведенные уравнения и построенные кривые дают возмож-
ность сравнительно легко вычислять время пребывания ингредиен-
тов в реакционной зоне аппарата, необходимое для достижения
требуемой степени превращения, при заданном распределении
концентраций по секциям. Уравнения (I, 106) и (I, 107) могут быть
использованы в этом случае без всяких изменений. Если же обус-
ловлена только конечная степень превращения или только кон-
центрация продукта реакции в последней секции, задаются чис-
лом ступеней и по кривым рис. 11 или по формулам находят
Методы увеличения л. д. аппаратов непрерывного действия
53
к. п. д. аппарата. Далее по уравнениям классической кинетики
определяют время реакции и, разделив его значение на к. п. д.
аппарата, вычисляют необходимое для данных условий время
пребывания реагентов в рабочей зоне аппарата.
Рис. 11. Влияние числа сечи чй на ь. г д. чногосекционного аппарата при ми-
нимальном значении т и сазличной степени превращения л".
а—для моно молекулярные. р€<1ици‘|; <>--для G а молекулярных реакций, /—при jt—0,1; 2—при
л=(|,2; Л—при 4 — при -с-0,4; .5—при л=0,5; 6—при х—0,6.
В случае необходимости вычисляют концентрации в секциях
по времени пребывания ингредиентов в одной секции аппарата тс:
1{.ксоыванпя ингредиентов в аппарате;
где —суммарное гр<.
п—число секций.
При заданной величине концентраций в секциях задача ре-
шается при помощи преобразованных уравнений (1, 106) и (I,. 107),
Для реакций верною порядка:
772-1
(1,122)
где пг—порядковый номер ступени.
Из уравнения (1, 122) находим:
. ... A';ic ~~ *т-1
'п
(1, 123)
п
(1,121)
/' Щ — ¥„,)
1
54
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
(1, 124)
(I, 125)
Для реакций второго порядка:
_ __ -',Н ХП1~1
'с - Т(а - Хту '
Отсюда
х,п ~ а + 2^ — | ( 2Л^г) +
При помощи уравнений (I, 123) u (1, 125) можно последователь-
но вычислить концентрации веществ от секций к секции по направ-
лению движения ингредиентов. Для последовательного вычисле-
ния в обратном направлении целесообразно переписать эти урав-
нения следующим образом:
хт_.-=хт — — x„,i (I, 126)
-W-i = x,n — /гтс ia — xltp" (I, 127)
По формулам (1, 123) и (I, 127) можно провести и непосредст-
венный «ступенчатый» расчет. Исходя из начальной (или конеч-
ной) концентрации продукта реакции и задаваясь временем пре-
бывания ингредиентов в одной ступени, путем последовательных
расчетов легко определить конечную (или соответственно началь-
ную) концентрацию. При этом количество расчетных операций
будет соответствовать числу секций аппарата, а общее время пре-
бывания ингредиентов в реакционной зоне аппарата—числу сек-
ций, умноженному на время пребывания ингредиентов в одной
секции.
Количество продуктов вторичных реакций, образующихся при
проведении процессов в многосекцнонных непрерывнодействую-
щих аппаратах, определяется путем сложения количеств этих
продуктов, образующихся в отдельных секциях и легко опреде-
ляемых с помощью приведенных выше уравнений. Так, если
между величинами у и х существует функциональная зависимость,
выражаемая уравнением (I, 76). количество вторичных продуктов,
образующихся в таких аппаратах, выражается формулой:
-У = У) 4- Уг 4--Уп = xjtx.j +
г- {х.> — x.yf(x2i -|-(x,i — х,^)Цх,у (I, 128)
В отдельных случаях общая зависимость может быть конкре-
тизирована. В частности, для реакций первого порядка концен-
трация вторичных продуктов определяется по формуле, выводимой
из равенства (I, 92):
Для этого последовательно вычисляют значения у,, у...... уп.
Определение ы-иитп раемерон реакционных аппаратов
Для реакции зге : iо гсрмдда содержание вторичных продук-
тов определяете; г нал гичнь.м образом, но при помощи уравне-
ний (I, 99) и (1,'lii))
Определение основных размеров реакционных аппаратов
Аппараты иепреты ног > дейстчия. Рассмотрим па 'обобщаю-
щем примере связ.- кю ду щ.зуераии аппарата и основными пара-
метрами процесс,. Г) ст > к аппарате идеального вытеснения
(рис. 12) протекает шл. дел:, з котором концентрация перерабаты-
ваемого веществ , щ. меняете;-. < ю начальной. величины щ, до конеч-
ной'’хк, равнове/.н ас кэн''.ситуация пои этом равна и.
Л
>ХЛ.
I,
Рис. Щ. Идиш -i.'i г ; эш.•пн рации п аппарате идеального
ь .петчеиня 6',—длпна аппарата).
Очевидно, me ддьжущая сила процесса, соответствующая
любой концентрации составляет Ьх—а—х.
В соответствии с. основным кинетическим законом для рас-
сматриваемого случая будет действительно следующее уравнение:
<1, 130)
где Л4—весовое ко. Щ'стзо получаемого продукта:
Vp—рабочий с (хи I ;чш арата;
т—время;
—константа скорости . юцесса.
Уравнение (1, 13.1) можно написать в интегральной форме:
(I, 131)
где Дхт—средняя . .ни кушан сила процесса.
В общем случае /У) „ эире1 цляется как средняя величина дви-
жущих сил в предел:'с концентраций х„—,с|;:
/1. 132)
56
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Величина =МХ представляет собой производительность
аппарата в единицу времени (к.г!час, кг!сек. и т. д.). Уравнение
(I, 131), следовательно, можно переписать так:
или —= (1,133) V - (I. 134) р
Если объем веществ, перерабатываемых в единицу времени,
обозначить Vz, то Л4, == 1Л (х„ — хк) (I, 135) 1/ (Хц — X.,) (1,136)
Установим зависимость между размерами аппарата и объемом
веществ VT, протекающих через аппарат в единицу времени.
Обозначим длину аппарата (р, площадь его поперечного сечения
/, линейную скорость потока w. Тогда по уравнению расхода
И, — fw (I, 137;
Умножив и”р аздел ив сомножители правой части этого равен-
ства на /р, найдем:
^=//P-j = 4-
Отсюда объем аппарата Уа составит:
х (I, 139)
где т—время пребывания веществ в аппарате.
Из сопоставления уравнений (I, 136) и (1,139) следует:
(I, 140)
где -—продолжительность процесса.
Таким образом, объем аппаратов можно определять как по
уравнению (I, 134), так и по уравнению (I, 139), в последнем слу-
чае, если время пребывания веществ в аппарате выбрано равным
продолжительности процесса. При этом время т является комплек-
сным скоростным фактором, включающим как движущую силу.
Определенен ътмны/. размеров реакционных аппаратов
так и коэффициент с .< я эс;ъ Если объем аппарата Vp, вычислен-
ный по указанным '/равнениям, окажется слишком большим, вы-
бирают п параллельно действующих аппаратов с рабочими объе-
мами Von == “р-
Все сказанное он- шитая к расчету непрерывнодействующих
аппаратов идеального вытеснения.
Аппараты период пчел кого действия. При расчете таких аппа-
ратов заданы производительность аппаратуры V в единицу време-
ни (например, в сутки I с) л период процесса Д-r, который склады-
вается из продолжите., но.' и процесса т и времени, затрачивае-
мого на загрузку, выгрузку и другие вспомогательные опера-
ции.
Выбрав период процесса Д:, легко определить число опера-
ций Р, которое может быть проведено в сутки в одном аппарате.
Выражая Д' в часах, получим соотношение:
Число операций, которое должно быть проведено в течение су-
ток для обеспечения жданной производительности, составляет:
Ус
(I, 142)
где V'p—рабочий объем аппарата.
Из уравнений (1, 141) и (1, 142) можно вывести следующую
формулу:
где п—число аппаратов.
Задаваясь рабочим объемом аппарата Е можно по уравнению
(I, 143) определить чистз аппаратов п или же, выбрав число аппа-
ратов, вычислит,-, забоеий объем аппарата.
Если целесообразна установка одного аппарата, т. е. если
п=1, то из уравнени я (i, 1-13) можно непосредственно определить
рабочий объем аппаоа га
(1,144)
Число операций (шь/тий! з сутки -х рекомендуется сохранять
постоянным во все?; стадиях производства, так как это облегчает
контроль процесса и учет расходуемого сырья. Если число партий
постоянно по всему производственному процессу, то при получе-
нии на одной из стадии недоброкачественного продукта исклю-
58
Гл. /. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
чается возможность смешения испорченной партии с качествен-
ными. Кроме того, отпадает необходимость дальнейшего отмери-
вания и взвешивания промежуточных продуктов, которое тре-
буется в случае дробления или укрупнения партий на последую-
щих стадиях переработки.
Выбирая число устанавливаемых аппаратов, следует учиты-
вать, что применение большого количества малопроизводительных
аппаратов приводит к увеличению числа операций загрузки и вы-
грузки, числа точек контроля и объектов наблюдения и к увеличе-
нию фронта обслуживания аппаратов, площади и объема производ-
ственного сооружения. При установке аппаратов большой произ-
водительности эти недостатки устраняются, но усложняются
некоторые монтажные и строительные работы, вследствие увели-
чения размеров оборудования, а также усложняется его демон-
таж.
Как правило, установка меньшего числа высокопроизводитель-
ных аппаратов целесообразна в подавляющем большинстве слу-
чаев. Почти всегда при этом значительно сокращаются капиталь-
ные затраты и уменьшаются эксплуатационные расходы. Все же
при выборе числа аппаратов необходимо учитывать все рассмо-
тренные выше факторы и ориентироваться на выбор типового
оборудования.
При определении продолжительности работы аппаратов в те-
чение суток и в течение года следует иметь в виду, что в производ-
ствах органических полупродуктов, как правило, цехи работают
круглосуточно и без остановок в выходные дни. С учетом затрат
времени на капитальный ремонт продолжительность работы аппа-
ратов должна составлять 330 суток в течение года.
При выборе числа устанавливаемых аппаратов должен учиты-
ваться запас производительности, компенсирующий простои обо-
рудования по различным причинам (текущий ремонт аппаратов,
зданий, коммуникаций, контрольно-измерительных приборов и
пр.). Практически для различных типов аппаратуры принимают
следующий запас производительности (в ;%):
Чаны, сборники и прочие простые и Цегко ремонтируе-
мые аппараты............................... 5 10
Сулъфуриторы, нитраторы, хлораторы н другие реакцион-
ные аппараты, работающие без давления и при относи-
тельно низких температурах . .......... . 10-15
Центрифуги, автоклавы, плавильные котлы и другие аппа-
раты, имеющие быстро движущиеся детали и работаю-
щие при высоком давлении или г. жестких температур-
ных условиях ............. ..... .......... 15—20
Отметим также, что коэффициент заполнения’аппаратов реак-
ционной массой должен быть всегда меньше единицы, иначе воз-
Материальные расчеты
59
можны выбросы массы и i г.п :-аратов, например, при размешивании
или вспенивании. <। . ш > коэффициенты заполнения аппаратов
принимаются е с.::е;г.".ош,? * пределах:
Хранилища, моримп и друие подобные аппараты 0,85—0,90
Сульфураторо, uni): то ы другие аппараты с ме-
шалками .......................................0,75—0,80
Аппараты, г, K ra ptr: npmee.iwi пронес- ы с большим
пенообраооын и-'ч ........... 0,40—0,60
С учетом запаса пцзи ъод:гх.'льнси'ти г, выраженного в сотых
долях единицы ^-авыние (1, 143) примет следующий вид:
7, ,1 .-) v
241/,,
(I, 145)
Рабочий объем те
му объему а пи гат з /
аппарата ш. Озсюла
Из этого уравнен
если предварите.inз :>
рата К, соответственно будет равен полно-
умноженному на коэффициент заполнения
v’Ib-
241/
(I, 146)
t n меж нс также- найти объем аппарата Уа,
. адагьен числом аппаратов п:
1'с(1
' • " 2Ъг;....
(I, 147)
Приведении
давляющему бс.
пользуемых в
Уравнения (1,
перподичее кого
конкретны х с.г у з ,е
в конце книги (с.'р ! >6
?,ыьк общий метод в принципе применим к по-
нял иштву расчетов реакционных аппаратов, ис-
п|.( ж, тленности органических полупродуктов.
4(i) н (I. 117) пригодны для расчета аппаратов
i не ре р явного действия. Основные примеры
рименения описанного метода приведены
3 МАТЕРИАЛЬНЫЕ РАСЧЕТЫ
Матери^ н баланс производственных процессов
При расчет-; ।,ы.ио'.:ых аппаратов прежде всего определя-
ют материальные- соотноси-;кия, которые создаются при проте-
кании данных Н'чч’.г-ссов. Количественное определение этих мате-
риальных eoo'-[ioiii(!iii л, натыкаемое материальными расчетами,
является из е.уе:,|.г/аг материальным балансом той стадии произ-
водственного пронес.;;, -юторая проводится в данном аппарате.
Не остаяавлга-.аяс... иа рилщах теоретического вычисления вы-
ходов при помощи з; • <o-.t-.v_? химического равновесия, поскольку
60 Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
эти методы не имеют большого практического значения для важ-
нейших процессов промышленности органических полупродуктов,
рассмотрим лишь методику составления материальных балансов.
Материальные балансы составляют применительно к одной пар-
тии перерабатываемых в аппарате веществ, или применительно
к суточным, часовым и секундным количествам перерабатывае-
мых веществ, или, наконец, применительно к единице веса (напри-
мер 1 т) получаемого продукта.
При составлении материального баланса применительно к
количеству веществ, перерабатываемых в единицу времени, полу-
чают данные, позволяющие определять производительность и ко-
личество требуемого оборудования несколько проще и быстрее,
чем на основе данных материального баланса, составленного по
другим методам. Зато материальный баланс, составленный на еди-
ницу веса готовой продукции, не зависит от мощности производ-
ства и при ее изменении не меняется.
Обычно материальные балансы составляют на основании дан-
ных производственного регламента или полузаводского рецепта.
Весь расчет, связанный с составлением материального баланса,
сводится к весьма несложным математическим манипуляциям,
показанным на следующем примере.
Пример. Материальный баланс стадии нитрования бензола в производстве
нитробензола мощностью 1000 т1год.
Решение. При заданной мощности производства, принимая в расчете
330 рабочих дней в году, определим суточную мощность производства:
1000-1000 „
---220---= 3030 кг 100%-ного нитробензола
Реакция образования нитробензола из бензола соответствует следующему
стехиометрическому соотношению:
78 123
где 78 и 123—молекулярные веса соответственно бензола и нитробензола.
Согласно данным производственного регламента, выход нитробензола ра-
вен 98% от теоретического, следовательно, суточный расход бензола составит:
78
3030- |2з q gg = I960 кг 100%-ного продукта
Допуская, что технический бензол содержит 99% чистого продукта, опре-
делим суточный расход технического бензола:
1960
0,99 1980 кг
Весовой состав 1980 кг технического бензола:
Бензол.................. 1980-0,99 = 1960 кг
Примеси.................1980 (10,99) =20 кг
Материальный баланс
61
Удельный вес технического бензола равен 0,879 кг!л, отсюда объем бензола,
расходуемого в сутки, составляет:
1980
0,879 ~ 2250 л
По производственному регламенту на каждые 500 кг технического бензола,
загружаемого в аппараты для нитрования, расходуется 2020 кг нитрующей
смеси, которая содержит 59,6% серной кислоты, 20% азотной кислоты и 20,4%
воды.
При вычисленном расходе бензола потребуется следующее количество нит-
рующей смеси.
) 980
2020- - = 8000 кг
500
Весовой состав 8006 <. нитрующей смеси:
Азотная кисло"а............. 8000-0,2=1600 кг
Серная кисло:; ...... 8000-0,596=4770 кг
Вода ..................... 8000-0,204=1630 кг
Удельный вес нитрующей смеги такого состава равен 1,5 кг)л; следова-
тельно. объем указ.-нвег- количества нитрующей смеси составит:
Процесс нитроз;с- :н б, чзс.г.а соответствует стехиометрическому уравне-
нию:
+нж>; =.-= c»hsno2 + н2о
/8 63 123 18
Согласно ьтому .•-•ра-чнч ню. три нитровании I960 кг бензола расходуется
азотной кислоты:
63
I».: =;г- 1580 кг
При выходе ирод у кт а ' стадии титрования 99% от теоретического обра-
зуется нитробензол:
m
19 Ю. -0,99 = 3060 кг
Образуется волу;
I960- yj - = 452 кг
Останется непрорс зг--новавшей г зотной кислоты:
1600 - 1580 == 20 кг
Серной кислоты останет я 1770 кг.
Общее содержание ’зот.ы в реакционной массе и конце процесса:
1630 4- 452 = 208.2 кг
62
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
По регламенту объем нитромассы на 500 кг бензола составляет 1725 л. При
нитровании 1980 кг технического бензола объем реакционной массы будет равен:
1980
1725- = 6820 л
OvU
Результаты материального расчета стадии нитрования сведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Результаты материального расчета стадии нитрования
Вещества Содержа- ние, % вес Вес ке Удельный | вес Объем л
3 а г ру жено )
Технический бензол:
бензол . . 99,0 I960 — —
примеси 1,0 20 — —
Всего . .... 100,0 1980 0,879 2250
Нитрующая смесь: 20,0 1600
азотная кислота .......
серная кислота ....... . . ! 59 ,6 4770 : — —
вода 20,4 1630 — —
Всего 100, 0 8000 1, 5 5330
Итого загружено : — 9980 , — 7580
П о л у ч е н о
Реакционная масса
нитробензол i 30,62 3060 — —
азотная кислота | 0,2 20
серная кислота 1 47,8 4770 — —
вода 20,9 2082 — —
примеси (по разности) 0,48 48 — —
Итого получено | 100,0 9980 — 6820
На основании данных материального расчета определяют
требуемое количество и производительность аппаратов, а также
выполняют тепловые и энергетические расчеты.
4. ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ РЕАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ
Все промышленные химические процессы должны проводиться
при строго определенных, заданных производственным регламен-
том, температурных условиях и в большинстве случаев требуют
подвода или отвода тепла. Скорость отвода и подвода тепла к
оеакцнонной массе в аппаратах во многих случаях лимитирует
4. 'Гi iiAo-.t pitiji реакционных аппаратов
63
продолжительность ii3i цееса, гоэтому тепловому расчету реак-
ционной аппаратуры следует придавать весьма большое значение.
Тепловой расчс- в основном сводится к составлению теплового
баланса процессе, эпрсделению количества подводимого или от-
водимого тепла, он ее,д лешно расхода теплоносителей или хладо-
агентов^и bi i«mk. ci и поверхности теплообмена.
Тепловой баланс
Уравнение, выражающее гепловой баланс химического про-
цесса, может быть представлено в такой наиболее общей форме:
<,), -г Qi — д,; = Qt 4-Qs + Q» 'J. 148)
где Qi—тепло, вносиьлг в аппарат с герерабатываемымп вещест-
вами, ккал;
Qa—тепло, отдаваемое теплоносителем аппарату и перераба-
тываемым веществам, ккал;
Q3—тепловой <т процесса, ккал;
Qt—тепло, уносил,те из аппарата с продуктами реакции,
ккал;
Q6—тепло, расходуемое на нагревание отдельных деталей ап-
парата, ккал;
Qe—тепло, теряемое .шиш?атом в окружающую среду, ккал.
Количество тепла, вносимое в аппарат
с перерабатываемыми тещеетвами и у н оси мое из аппа-
рата с продуктами реакции, может быть определено с помощью
известного равенства:
О ---- Wet (1,149)
где G—вес веществ та;
с—теплоемкость материалов, ккал/кг-град-,
t—температурь, С.
Весовые количества веществ G в этом равенстве берут по дан-
ным материального баланса. Значения t обычно заданы рецепту-
рой или регламентом процесса. Теплоемкости приходится нахо-
дить в справочниках Физико-химических величин, а при отсутст-
вии их в справочниках— вычислять.
Для вычисления теплоемкостей твердых и жидких тел (в
ккал/кг-град) можно пользоваться следующей формулой:
с-------(1,150)
Л-1
где с.—атомная теплоемкость элементов;
п—число одноименных атомов в молекуле:
М—молекулярный вес соединения.
64 Гл. 1. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Ниже приведены значения атомной теплоемкости элементов
!са(тв.)—для твердых веществ, са(ж)— для жидких веществ!:
Элементы са(тв.) са(ж) Элементы са(тв.) са(ж)
Углерод . . . . . 1,8 2,8 Кремний 4,8 5,8
Водород . . . . . 2,3 4,3 Фтор 5,0 7,0
Кислород . . . . . 4,0 6,0 Бор 2,8 4,7
Сера . 5,4 7,4 Бериллий .... 3,8 —
Фосфор . 5,5 7,0 Остальные элементы 6,2—6,4 8,0
По формуле (I, 150) определяется величина теплоемкости
при 0°. При других, главным образом при более высоких темпе-
ратурах теплоемкость соединений несколько отличается от вычис-
ленной по этой формуле, вследствие чего в расчетах вычисленное
значение с рекомендуется увеличивать на 5—10%.
При отсутствии опытных данных значения теплоемкостей рас-
творов, сплавов, шлаков, стекол (в ккал/кг • град) могут быть вы-
числены по следующей формуле:
= gici +
100
(1,151)
гдеglt g2—содержание соединений, входящих в состав указан-
ных растворов и веществ, % вес.;*
ci> сг—удельные теплоемкости этих соединений, ккал/кг-град.
Следует иметь в виду, что при значительном тепловом эффекте
смешения (растворения) расчет по этой^формуле дает завышенные
результаты.
Для ориентировочных расчетов можно пользоваться практи-
ческими данными, согласно которым теплоемкость большинства
жидкостей находится в пределах 0,4—0,6 ккал/кг-град. Теплоем-
кость большинства органических соединений равна 0,3—
0,4 ккал/кг-град. Исключение составляют галоидозамещенные
углеводороды (с=0,15—0,35 ккал/кг-град), а также вода, аммиак
и некоторые другие вещества, о теплоемкости которых имеются
экспериментальные данные.
Теплоемкость газов и паров ориентировочно может быть под-
считана по их молекулярному составу при помощи приведенных
ниже формул.
Теплоемкость при постоянном объеме (в ккал/кг-град)'.
_ ARn + */2AR 2n 4- 1
С‘" - м ~ м
Теплоемкость при постоянном давлении (в ккал/кг* гр ад):
____ARn 4~ 3/2AR 2п -Т 3 .г I -
СР~ М —4Г' (|,1°
(I, 152)
Тепловой баланс
65
где AR—произведи жив теплового эквивалента работы на газовую
постоянную, равное 1,986;
п—число атомов в молекуле соединения;
М—молекулярный нес соединения.
Т е п л о в о и л ф ф е н г п р о цесса представляет собой
суммарное количество тепла, которое выделяется или поглощает-
ся при протекании о мических реакций и сопровождающих их
физико-химических процессов (растворение, гидратация, испа-
рение и т. д.).
Теплоту химических реакций определяют чаще всего по теп-
лотам образования из элементов реагирующих и образующихся
соединений. При атом для вычислений пользуются законом Гес-
са, математическая интерпретация которого применительно к
данному случае приводят к несложному равенству:
z/i . у?„ (1,154)
где <7р—теплота реакции. киал!г-мол;
—сумма теплел образования соединений, вступающих в
химическое взаимодействие, ккал!г-мол;
Ес/к--сумма теплит образования соединений, образующихся
при химическом взаимодействии, ккал)г-мол.
Теплоты образования реагирующих и образующихся соедине-
ний могут быть найдены в справочниках физико-химических ве-
личин. При отсутствии этих данных их можно вычислить по тепло-
там сгорания как разность между теплотой сгорания элементов,
входящих в состав соединения, и теплотой сгорания самого со-
единения. Формула для вычисления:
(1,155)
где </„—теплота образования, ккал!г-мол;
п—число одноименных томов в молекуле;
<?.,—теплота сгорания I грамм-атома элемента, пиал;
—теплота сгорания соединения, ккал 1г-мол.
Теплоты сгорания /а для органических соединений, содержа-
щих атомы С, Н, Гг, CI, Г, J, N, О и S, могут быть определены из
приведенных ниже .дгн ных.
! ’лсмегты г
Углерод ............. !М,38
Водород ... 34, |Я
Бром..................О (.•• 65)
Хлор..................О (’. „27;
Иод . ............. О
П [' И М < ' 3 (4 ?. Обычно пр
вий являв)Ti‘;j глзоебгдзные СОг-
твердый и НЕ' в есдноу рагтгоое. .
НС1, UNOji и Hi'SO], получаемых
скобки.
Элементы <7а
Азот........... 0(15,61)
Кислород ... 0
Фтор........... 41,4
Сера............69,3(139,1)
одуктамн сгорания органических сосдине-
Cl2, N2 и 80г, жидкие. Н20 и Вг2, ,Ц>
Значения </ для продуктов сгорания НВг,
в виде иодных растворов, заключены в
5—2277
66
Гл. 1. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
При отсутствии экспериментальных данных о теплотах сгора-
ния органических соединений их определяют расчетом.
Теплоты сгорания qc (в ккал/г) органических соединений в газо-
образном состоянии могут быть определены по формуле Д. П. Ко-
новалова:
48,8л 4-10,6m+ Х /г 1ССх
Qe = -м'- (I, 156)
где п—число атомов кислорода, необходимое для полного сгора-
ния вещества;
m—число молей образующейся воды;
X—поправка (термическая характеристика), постоянная в
пределах гомологического ряда, ккал1моль',
М—молекулярный вес.
Числовые значения термической характеристики X в формуле
(I, 156) для различных типов органических соединений:
Соединения X Соединения X
Предельные углеводороды —С—С— 0 Одноосновные кислоты R—СООН . О
Этиленовые » —С=С— 21 Двухосновные кислоты
Ацетиленовые » —CsC— 51 НООС—R—СООН.................... 3
Алкилбензолы R—С,;Н6............24 Кетоны R—СО—R...............12
Спирты R—СН2ОН .................12 Простые эфиры R—О—R.........21
Альдегиды R—СОН '...... 18
Теплоты сгорания qc (в ккал!г-мол) жидких органических сое-
динений могут быть определены по формуле Караша:
= 26,05/г 4-Ш (1,157)
где п==С4-44 С3-34 С2-2-) Сг Н Н-1—число перемещающихся
электронов (С4, Ся, С2, С4—число атомов углерода, в кото-
рых при данной реакции перемещается соответственно
4, 3, 2 электрона и 1 электрон; Н—число атомов водорода,
в которых перемещаются электроны);
Д—тепловая поправка, соответствующая данному замести-
телю (см. табл. 2);
t—число одинаковых заместителей.
Данный метод расчета основан на предположении, что теплота
сгорания является функцией числа электронов, перемещающихся
при горении от сгорающего вещества к кислороду. Кроме того,
предполагается, что каждый заместитель изменяет значение
теплоты сгорания на некоторую постоянную величину. Этот метод
расчета может быть иллюстрирован примером вычисления теплоты
сгорания фенола С8Н5ОН. Как известно, фенол содержит 5 угле-
родных атомов, в которых перемещается по 4 электрона.
Тепловой баланс
67
Числовые значении тепловых поправок А
Таблица 2
Характер групп, заместителей А
и связей Ккал1с-мэи
Примечание
Связь между алифати-
ческим и ароматиче-
ским радикалами
Аг—R
Связь между аромаги- —6,5
вескими радикалами
Аг—Аг
При сгорании атомов углерода, один
из которых принадлежит к аро-
матическому радикалу, а другой—
к алифатическому, будут переме-
щаться все электроны, имеющиеся
в этих атомах
При сгорании атомов углерода, вхо-
дящих в разные ароматические яд-
ра, будут перемещаться все элек-
троны, имеющиеся в этих атомах.
Число тепловых поправок в случае
горения соединений, представляю-
щих собой конденсированные ядра
ароматических углеводородов, рав-
но числу «спаек» ядер
Этиленовая связь С ==С
в цис-соединения:<
в транс-соединениях
Связь между аромати-
ческим радикалом и
винильными или аце-
тиленовыми группами
Аг—СН=СН2 или
Аг—С=СН
Двойная связь в цикле
СН2
H-jCf7 ^сн
I II
Н2С сн
ЧСНа
Ацетиленовая связь
—С=С[ I
Группа —Сз:'- , те
связанная с атомами
водорода
Связь между первичным
алифатическим радика-
лом и гидроксильной
группой (первичные
спирты)
R—ОН
-)-4б, 1
- -з.! I
I
-1-13
При сгорании углерода, связанного с
гидроксильной группой, перемеща-
ются только три электрона. Не пе-
ремещается электрон, участвую-
щий в образовании связи между
углеродом и кислородом, а также
электрон водорода, содержащего-
ся в гидроксильной группе
68
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Продолжение табл. 2
Характер групп, заместителей и связей A 1 ккал / г-мол\ Примечание
Связь между вторичным алифатическим радика- лом и гидроксильной группой (вторичные спирты) R /СН-ОН R +6,5
Связь между третичным алифатическим радикалом и гидроксильной группой (третичные спирты) R \, R-С—ОН / R Связь между аромати- ческим радикалом и гидроксильной группой Аг-ОН + 3,5 I +3,5 При cropaiHiHiH углерода, свяэан1ного с гидроксильной группой, перемеща- ются только три электрона. Не пе- ремещается электрон, участвующий в образовании связи между угле- родом /и кислородом, а также элек- трон водорода, содержащегося в ги тр'сьипи.ащдэ й. гр у агт/г
Алифатические и арома- тические эфиры (Ar)R-O—R(Ar) + 1 + 5 Как п в спиртах, при сгорании угле- рода, связанного с кислородом, пе- ремещаются 3 электрона
Альдегидная группа и али- фатических и аромати- ческих соединениях. (Ar)R-CHO Кето-группа в алифатиче- + 13 В углероде альдегидной г руппы и кето-группн при сгорани и переме-
ских и ароматических соединениях (Ar)R-CO-R(Ar) +6,5 1Щ1ЮТСЯ 2 электрона
«Кетокислоты R- -С—СООН + 13 Тепловую поправку вводят, если группа R—С— связана с группой СООН, в остальных случаях не требуется тепловой поправки на группу СООН. При сгорании угле- рода карбоксильной группы пере- мещается только один электрон, так как остальные уже «затраче- ны» на образование связи между углеродом и кислородом
Тепловой баланс
Продолжение табл. 2
Характер групп, заместителей
и связей
Л
ккал/ г-мсл
Примечание
Оксикислоты
R
/С(ОН)--СООН
R
Тепловую поправку вводят, если груп-
па С(ОН)— связана е группой
RZ
—СООН, все сказанное о кетокис-
логах справедливо и для оксикислот
Группа О
II
R—С—
Тепловую поправку вводят, если груп-
О
II
па R—С— связана с такой же
группой; кроме того, вводят две
поправки па кето-группу, т. е.
+ 6,5-2
Циклопропановые кольца
в карбоновых кислот ах
I
—С
C-COOI-I
/I
—с
Циклобутановые вольна
в карбоновых кислотах
I I
-С-С-
I I
—С—СН--СООН
I
Лактоны типа
н2с-сн2- сн2 -с = с
!—о —I
Ангидриды карбоновых
кислот
70 Гл. 1. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Продолжение табл. '2
Характер групп, заместителей и связей д ккал/г-мол Примечание
Сложные алифатиче- ские эфиры R-COOR Первичные ароматиче- ские амины ArNH2 Первичные алифатиче- ские амины rnh2 Вторичные ароматиче- ские амины Ar— NH—Аг Вторичные алифатиче- ские амины R-NH-R Третичные ароматиче- ские амины Аг /N—Аг Аг • Третичные алифатиче- ские амины R /N-R R Связь между аромати- ческим радикалом и азотом и аминах Замещенные амиды типа R R—HN—С=О Связь между углеродом и нитрильной группой —C^N в алифатиче- . ских и ароматических соединениях + 16,5 +6,5 + 13 43 -1-19,5 + 19,5 + 26 -3,5 + 6,5 + 16,5 1 В атоме углерода, связанном с ами- ногруппой, при сгорании переме- щаются все электроны; при под счете числа перемещающихся элек тронов учитываются также элек- троны водородных атомов, непо- средственно связанных с азотом, Это же справедливо и для вторич- । пых и для третичных аминов Жирноароматические вторичные ами- ны рассматриваются как вторичные ароматические Жирноароматические третичные ами- ны рассматриваются как третич- ные ароматические Кроме поправки на соответствующую аминогруппу (см. выше), вводят тепловые поправки на каждую связь между ароматическим ради- калом п азотом В атоме углерода, связанного с азо- том в нитрильной группе, при сго- рании перемещаются все электроны
Теплозой баланс
71
Продолжение табл. 2
Характер групп, заместителей И связей '! л \ккал/»-мол Примечание
Ароматические нитрилы Ar-C=N --6,5 Вводятся две поправки: на связь между углеродом и группой C=N и на собственно нитрильную группу
Алифатические изонит рилы R—N=C -33,1 —
Нитрогруппа NO2 в али- фатических и арома- тических соединениях - - 1 С’ При сгорании углерода, связанного с витрогруппой, перемещаются не вес электроны, а на один электрон меньше. Этот электрон остается при азоте нитрогруппы, который восстанавливается в процессе го- рения
Сульфогруппа SOJ-1 в ароматических соедж-е- ниях —2? 4 Сказанное о нитрогруппе справедливо и для сульфогруппы
Хлор в алифатичесиа?; соединениях ---7,7 При сгорании в атоме углерода, свя- занном с галоидом, перемещаются не все электроны, а на один меньше
Хлор в ароматических соединениях - -6,5 —
Бром в алифатические соединениях --1-16.5 —
Бром в ароматических соединениях -3,5 —
Иод в алифатических в некоторых аромати- ческих соединениях + 12
72
Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
Кроме того, фенол содержит 1 углеродный атом, в 'котором
перемещается 3 электрона, и 5 водородных атомов, в которых
перемещается но одному электрону. Отсюда число перемеща-
ющихся электронов равно:
л — 5-4 4-1-3 + 5-1 =28
Число тепловых поправок определяемых в данном случае на-
личием одного заместителя (оксигруппы), равно 1. Величина теп-
ловой поправки на оксигруппу Д -4 3,5 /скал.
Теплота сгорания составляет:
с/с = 26,05// Д; 26,05- 28 4- 3,5- 1 = 732,9 ккал/г-мол
Практически найденная величина равна 729,5 ккал 1г-мел.
По формуле (I, 157) определяют теплоту сгорания органиче-
ских соединений в жидком состоянии. Если же требуется вычи-
слить теплоту сгорания органических соединений, находящихся
в других агрегатных состояниях, необходимо вносить соответст-
вующие поправки, учитывающие теплоту плавления, теплоту ис-
парения или теплоту растворения. С учетом поправки на агре-
гатное состояние 7аг. теплота образования соединения qo будет
равна
= —+ (1,158)
где 14/»—сумма теплот сгорания элементов;
—теплота сгорания соединения.
Общие формулы тепловых поправок на агрегатное состояние
приведены в табл. 3.
Та б л и ц а 3
Тепловые поправки г/а|. на агрегатное состояние веществ
V. для получаемых продуктов
Исходные вещества газ (пар) жидкость твердое вещество
Гач (пар) +с + 4пПл. + С
Жидкость -<7п 0 4пл.
Твердое вещество ! 4п - <?ПЛ. ис ^пл. + <7пл. - ^л.
Примечание: </п—теплота парообразования, ккал/г-молы тпл —теплота плавления,
ккал/г-моль. Верхний индекс «п» относится к получаемому продукту, верхний индекс
«ис» — к исходному веществу.
Тепловой баланс
73
(при 1 ата)
(I, 159)
Для определения пилот испарения могут быть использова-
ны приведенные ниже формулы. Если известна
кипения вещества Гк (ь °К). io теплота испарения
определяется по следующей формуле (в ккалЦкг):
_ i8,75J-4,571(’TK)TK
где М—молекулярный вес жидкости.
В соответствии с ноавилом Трутона теплота испарения (в
ккал!кг) определяется равенством:
ш.. к олео)
где К—постоянная величина (для большинства органических
соединен и й К.= 20 — 22);
7’к—температура кипения, К;
М—молекулярный вес жидкости.
Для определения ген лоты плавления (в ккалИкг) может быть
использована формула:
/п.. 'V' (1,161)
где К—постоянная величина, равная 2—3 для элементов, 5—7
для неорганических соединений и 13±3 для органиче-
ских соединений;
Тпл.—температура плавления, °К;
М.—молекулярный вес соединения.
Если процесс проводится в открытых аппаратах и некоторая
часть жидких веществ при этом испаряется, то количество тепла,
расходуемое на компенсацию тенлопотерь, следует увеличить на
составляющую учитывающую расход тепла на испарение:
с/и Gr ккал (I, 162)
где G—вес испаряемой жидкости, кг;
г—теплота испарения, ккал[кг.
Вычисление теплоемкости, теплового эффекта процессов, теп-
лот испарения и плавления подробно описано в курсе химической
термодинамики. Здесь оно рассмотрено лишь в объеме, необходи-
мом для выполнения тепловых расчетов основных аппаратов про-
мышленности органических полупродуктов и красителей.
Расчет количеств теп. ia, расходуемого на нагревание отдельных
частей аппарата и теряемого в окружающую среду, а также
определение расхода теплоносителей и хладоагентов подробно
рассматриваются в курсе «Основные процессы и аппараты химиче-
ской технологии».
74 Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета _
Определение поверхности теплообмена и времени
проведения процесса
Из уравнения теплового баланса легко может быть найдено
количество тепла Q, передаваемого через теплообменную поверх-
ность аппарата. Эта величина является исходной для вычисления
поверхности теплообмена или же времени нагревания (или охлаж-
дения), если поверхность теплообмена аппарата задана. Как по-
верхность теплообмена, так и время определяются из основного
уравнения теплопередачи:
Q = kFrbtm (1,163)
где k—коэффициент теплопередачи, ккал!я2-час-град',
F—поверхность теплообмена, ju2;
t—время нагревания или охлаждения, часы;
Ltm—средняя разность между температурами теплоносителей
(хладоагентов) и температурами нагреваемых (охлаждае-
мых) материалов.
Известно, что средняя разность температур определяется раз-
лично, в зависимости от условий теплообмена. Если в процессе
теплообмена температуры нагреваемых или охлаждаемых веществ
и температуры теплоносителей или хладоагентов изменяются
только по поверхности теплообмена или только во времени, то
средняя разность температур определяется как средняя логариф-
мическая между максимальной и минимальной разностью. Если же
указанные температуры изменяются и по поверхности тепло-
обмена и во времени, то средняя разность температур опреде-
ляется на основании более сложной логарифмической зависимости.
Указанные логарифмические зависимости справедливы лишь
в том случае, когда при протекании процесса перерабатываемые
вещества только нагреваются или только охлаждаются. Если же
одновременно с нагреванием или охлаждением происходят физи-
ко-химические превращения веществ, сопровождающиеся выде-
лением или поглощением тепла (что специфично для реакционных
аппаратов), то разность температур изменяется по более сложным
закономерностям и не может быть вычислена обычными для рас-
чета теплопередачи методами.
В соответствии с характером изменения температур целесооб-
разно отдельно рассмотреть реакционные аппараты периодиче-
ского действия, непрерывнодействующие аппараты, в которых
температура не изменяется по длине реакционной зоны и непре-
рывнодействующие аппараты, в которых температура изменяется
по длине реакционной зоны.
Реакционные аппараты периодического действия. В таких
аппаратах процесс может протекать как при постоянной, так и
Определение поверхности теплообмена
75
при переменной температуре, причем изменение температуры,
связанное с соображениями технологического характера, может
происходить по любым выбранным закономерностям (прямоли-
нейным или логарифмическим). Графическая интерпретация хода
процесса при переменном температурном режиме в реакционном
аппарате периодического действия представлена на рис. 13.
Рис. 13. Примерши графин изменения температуры
процесса и периодически действующем аппарате:
/—темпера!ура; т—время.
График изменения температуры процесса дан в системе коор-
динат, температура /---время В начальный период времени
производится загрузка первого компонента при температуре t1.
Затем этот компонент подогревается до температуры /3, при кото-
рой загружают второй компонент. Смесь обоих компонентов подо-
гревается до температуры 14, при которой проводится выдержка,
необходимая в данном случае для полноты превращения исходных
веществ. Далее реакционная масса охлаждается до температуры
/,, при которой продукты реакции выгружают из аппарата.
Подобный график температур составляется на основании
данных производственного регламента, который устанавливает-
ся, в подавляющем большинстве случаев, экспериментальным
путем.
Если процесс протекает в реакционном аппарате периодиче-
ского действия при постоянной температуре, то необходимым ус-
ловием проведения такого процесса является определенная до-
зировка ингредиентов или определенная скорость подачи теплоно-
сителя’или хладоагента.
Допустим, что в аппарате протекает процесс превращения ве-
щества А в вещество X по уравнению:
А -»• X 4- q (I, 164>
76 Гл. /. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
где q—количество выделяющегося или поглощаемого тепла,
ккал]г-мол.
Общее количество выделяющегося или поглощаемого тепла
составляет Q ккал. Вполне очевидно, что количество выделяющего-
ся или поглощаемого в единицу времени тепла меняется в ходе
процесса в соответствии с изменением количества реагирующих и
образующихся веществ. Эти количества могут быть определены
на основании законов химической кинетики.
Для приведенной выше мономолекулярной реакции (I, 164)
справедливы следующие кинетические уравнения:
-^-=,К0(й-х) (1,165)
т = -±_ In (I, 166)
Ка а — х v
х = й(1 —е-7<от) (1,167)
где а—начальная концентрация исходного вещества А;
х—концентрация получаемого продукта в любой момент вре-
мени;
т—время;
Кп—константа скорости реакции;
е—основание натуральных логарифмов.
Количество выделившегося или поглощенного тепла Qp прямо
пропорционально степени превращения вещества А в вещество X,
следовательно:
Qp = c,a (1 - е-л'°ти) (IJ68)
где q—коэффициент пропорциональности;
"к—продолжитель ность процесса.
Для момента времени т уравнение (1, 168) может быть перепи-
сано в таком виде:
QPt = сга (1 — (1,169)
Сопоставляя два последних уравнения, получим формулу, вы-
ражающую закон тепловыделения или теплопоглощения в реак-
ционном аппарате:
Qp. = Qp--^t^~ (КИО)
1 — е к
Количество расходуемого теплоносителя или хладоагента
составляет:
Onp,:tk’.ie:iue
totiepxHOCTU теплообмена
77
где tK и tH—соответственно конечная и начальная температура
теплоносителя или хладоагента, °C;
с—теплоемкость теплоносителя или хладоагента.
Если величина W не изменяется во времени, а время про-
текания процесса задано и ингредиенты сразу загружаются
в аппарат, то в процессе теплообмена должна меняться разность
температур и, следовательно, температура уходящего теплоносите-
ля или хладоагента. Понятно, что в начале процесса при макси-
мальном тепловыделен ин или максимальном теплопоглощении че-
рез поверхность теплообмена передается наибольшее количество
тепла. На передачу этого количества тепла и должна быть рас-
считана поверхность теплооо'мена.
Выбирая от начал з процесса небольшой отрезок времени Дт
(практически 0,01 да, по уравнению (1, 170) можно вычислить
количество выделяющегося за это время тепла Д<2. Далее, задаваясь
величиной IV расхода теплоносителя или хладоагента на весь
процесс по уравнению
•> (1, 172)
можно найти темпера уру теплоносителя или охлаждающего
агента на выходе и определить разность температур для отрезка
времени Дт как
L\i=-.--T — tK (1,173)
где Т—постоянная температура реакции, иС.
Зная Д(), Д( и Д:. можно .вычислить величину поверхности
теплообмена по уравнению (!. 163). Вычисленная таким образом
поверхность будет максимальной.
Однако в процессе теплообмена разность между температура-
ми теплоносителя г. и хладоагента на входе и на выходе может
оставаться постоянной. При этом (поскольку величина W прямо
пропорциональна расход теплоносителя или хладоагента дол-
жен меняться во времени в соответствии с равенством:
И ' (1,174)
1 — с 11
где —количество теплоносителя или хладоагента, расходуе-
мое за врем.т :.
Очевидно, что в этом случае можно находить среднюю разность
температур как среднюю логарифмическую, потому что здесь
температура изменяется только по поверхности теплообмена и не
изменяется во времени. Поверхность теплообмена можно опреде-
лять обычным методом, т. е. по уравнению (I, 163).
Аналогичные закономерности будут справедливы в тех случаях,
когда для регулирования температуры изменяют не количество
7 8 Гл. I. Типовая реакционная аппаратура и методы ее расчета
теплоносителя или хладоагента, а количество веществ, загружае-
мых в аппарат в единицу времени. Чтобы количество тепла, выде-
ляющегося в единицу времени, оставалось постоянным, необхо-
димо вначале загружать небольшие количества реагентов, увели-
чивая их по мере протекания процесса.
Если в процессе теплообмена температура реакционной массы
изменяется, ход ее изменения должен быть задан. Обычно, прово-
дя процесс при переменной температуре, предусматривают пря-
молинейное повышение или прямолинейное понижение ее.
Пусть температура ингредиентов за время тк увеличивается
или уменьшается на АТК, тогда изменение ее за промежуток вре-
мени т по закону прямолинейной зависимости составит:
ДГ = Д7\^ (1,175)
тк
При этом количество отнимаемого или подводимого тепла,
определяемое равенствами (I, 168) и (I, 169), изменится на вели-
чину
&Q = GcbT (1,176)
где G—вес перерабатываемых веществ, кг;
с—теплоемкость перерабатываемых веществ, ккал/кг-град.
Следовательно, в отличие от процесса, протекающего при
постоянной температуре, для случая переменной температуры
формула (I, 170) может быть преобразована так:
Qp- — Qp
c^i (1 — е K°z)'±Gc<\TK —
t____________'________
Cja (1 — ) ± GcSTK
(I, 177)
Реакционные аппараты непрерызного действия. Для аппара-
тов, в которых температура не меняется по длине реакционной
зоны, характерно мгновенное смешение поступающих ингредиен-
тов с общей массой веществ, в результате чего происходит вырав-
нивание температуры по всей длине реакционной зоны. При рас-
чете таких аппаратов, очевидно, можно пользоваться обычными
для теплопередачи методами вычисления средней разности тем-
ператур, так как здесь температура теплоносителя или хладо-
агента меняется только по поверхности теплообмена.
Аппараты непрерывного действия, в которых температура
меняется по длине реакционной зоны, наиболее сложны в
смысле установления всех термических соотношений и определе-
ния средней разности температур. Такие аппараты и специ-
фичные для них термические соотношения рассматриваются
в главе XII.
ГЛАВА II
МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКТИВНЫЕ УЗЛЫ ТИПОВОЙ
РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
1. МАТЕРИАЛЫ ТИПОВОЙ РЕАКЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ
В химической промышленности, в том числе и в промышлен-
ности органических полупродуктов, для изготовления аппарату-
ры используются весьма разнообразные материалы. Это объясняет-
ся разнообразием и специфичностью требований, предъявляемых
к конструкционным- материалам для химической аппаратуры.
Применяемые для этих целей материалы должны иметь достаточ-
ную механическую прочность и стойкость к коррозионному воздей-
ствию перерабатываемых веществ и обладать соответствующими
физическими свойствами (например, хорошей теплопроводностью);
легко поддаваться -механической обработке; не оказывать инги-
бирующего действия в процессах, проводимых в данной аппара-
туре, и не влиять на чистоту продуктов реакции, а также
должны быть дешевы и доступны.
Вследствие многообразия перечисленных выше требований при
изготовлении химической аппаратуры применяются самые раз-
личные материалы. По характеру применения их можно разде-
лить на две большие группы, конструкционные материалы, ис-
пользуемые для изготовления аппаратов, и материалы для защит-
ных покрытий, предохраняющих аппараты от коррозии (защитные
покрытия рассматриваются в следующем разделе данной главы,
стр. 91 и сл.).
Основные конструкционные материалы, применяемые для
изготовления аппаратов промышленности органических полу-
продуктов, будут описаны в такой последовательности:
1. Металлы
а) стали и чугуны,
б) легированные стали, сплавы и биметаллы;
в) цветные металлы, редкие металлы.
2. Немет ал л н ч е с к и е материал ы
а) неорганические материалы;
б) органические материалы (пластические массы).
80
Гл. И. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Стали и чугуны
Наиболее широкое распространение в качестве материалов
для химической аппаратуры получили стали и чугуны. Они обла-
дают высокой механической прочностью, хорошими физическими
свойствами (высокая теплопроводность, малая теплоемкость и др.),
вполне доступны и достаточно дешевы.
Стали. Сталью называют сплавы, содержащие главным обра-
зом железо и незначительное количество углерода (примерно до
1,7%). С увеличением содержания углерода возрастает твердость
стали и уменьшается ее ударная вязкость, т. е. сопротивление
ударной нагрузке. При небольшом содержании углерода (0,2—
0,3%) обыкновенная литая сталь обладает известной мягкостью
и эластичностью, хорошо куется и сваривается, но слабо зака-
ливается. Сталь, содержащая большие количества углерода, от-
личается повышенной твердостью и упругостью, хорошо закали-
вается и практически не сваривается.
Углеродистая сталь. По ГОСТ 380—57 углероди-
стая сталь обыкновенного и повышенного качества разделяется
на три группы. Для стали I группы гарантируются определенные
механические свойства, для стали II группы нормируется химиче-
ский состав. Сталь III группы (повышенного качества) поставляет-
ся одновременно по химическому составу и по механическим
свойствам.
Выпускается бессемеровская и мартеновская углеродистая
сталь I группы. Марки бессемеровской стали: БСт.О, БСт. Зкп,
БСт.З, БСт. 4кп, БСт.4, БСт.5, БСт.6; марки мартеновской стали:
Ст.0, Ст. 1, Ст.2, Ст. Зкп, Ст.3, Ст.4, Ст.4а, Ст.5, Ст.6, Ст.7. Стали
различных марок этой группы различаются по механическим свой-
ствам. Наименьшее временное сопротивление разрыву (32 кг/мм2)
нормируется для стали марки Ст. 1, наибольшее (70 кг1мм- и
более)—для стали марки Ст.7. Буквами «кп» обозначается кипя-
щая сталь, т. е. сталь, которая при застывании «кипит», выделяя
газы (спокойная сталь получается при застывании металлов
без выделения газов). Кипящая сталь дешевле, легче сваривается,
но отличается неоднородностью, склонностью к старению и обла-
дает меньшей механической прочностью при высоких температу-
рах.
Сталь II группы изготовляется также бессемеровским и мар-
теновским способами. Марки бессемеровской стали: Б09кп, Б09,
Б16кп, Б16, Б23, БЗЗ; марки мартеновской стали: М09кп, М12кп,
М18кп, М18, М21, М26, М31, М44, М56. Стали этих марок разли-
чаются по содержанию углерода и примесей. Цифры в марке ста-
ли обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процен-
та. Чем выше номер марки стали, тем больше содержание углерода.
Спит и чугуны
81
Для получения сник II] группы применяется только марте-
новский процесс.. Марки выпускаемой стали: М09, М12, М16,
М18а, М21а, М2ба. М:»1а. .'*.4.-4 а, М56а. Для сталей этих марок
нормируются и мехап шеские свойства и химический состав.
Для изготовления аппаратуры, применяемой в промышленно-
сти органических по.; /продуктов и красителей, используются
стали различны* марок. Гак, для нзютовления корпусов и вну-
тренних устройств акционных аппаратов, теплообменников,
фланцев, трубных шмет-о болтов большей частью применяют
сталь марки Ст.З
Корпуса хранилн:л. часю изготовляют из стали марки Ст.2.
Для изготовления налов разно пинающих приспособлений исполь-
зуют сталь марки <2тД> Выб?р марок сталей следует производить
с учетом давлен як, ни козорсе рассчитывается аппарат, рабочей
температуры, >. арак-'.юа ш панических нагрузок, химических
свойств перерабатываемы* веществ.
Благодаря мылгссб.'аэи о чарок сталей, выпускаемых метал-
лургической пр(>Ч1>!шлепн'1сты'.'. для химической аппаратуры мож-
но выбирать ксгзстр у ь нис ччьи; материалы, наиболее пригодные в
различных конкретна; условиях ее эксплуатации. При выборе
марки стали следую- •уксзодст.зоваться в первую очередь «Пра-
вилами устройств;: и оез г.гс.чсй эксплуатации сосудов, работаю-
щих под давлением:; п упитывать специфические особенности марок
стали, описываемые в справочной литературе (см., например,
«Справочник по м.а.нинострои-дльным материалам», т. I, Сталь.
Машгиз, 1959).
Качественная у ' .;. ер од и с т а я ст а л ь, при-
меняемая в машииостр >ег г I-: (ГОСТ 1050—57), подразделяется на
две группы. В I ipyini* входя? стали двадцати одной марки с нор-
мальным содержанием маоганпа (до 0,80%): 05кп, 05, 08кп, 08,
Юкп, 10,-15кп, 15, 20'г п, 2С’ 25, 30 и т. д. Цифры в обозначении,
марки стали соттюгстьуют среднему содержанию углерода в со-
тых долях п роцента. Так, сталь марки 15 содержит от0,12 до 0,18%
углерода.
Вторая группа кзчгственнлх сталей отличается повышенным
содержанием марганца (до 1,8%). Б эту группу входят стали сем-
надцати марок: 15!'. 20Г. ЗОГ, 40Г, БОГ, 60Г, 65Г, 10Г2, 15Г2,
20Г2 и др. Цифры перед буквой «Г» соответствуют среднему со-
держанию углерода в со"ых долях процента, цифры после бук-
вы «Г»—приблизительному содержанию марганца (в %), если оно
выше 1%.
Стали марок 08 л 10 применяют для изготовления корпусов,
днищ и деталей эмалированной аппаратуры, стали марок 15 и 20—
для изготовления сосудов, работающих при высоком давлении и
при температуре стаэк от -40 до 450 .
6-2277
82
Гл. 11. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Стальное литье. Для изготовления аппаратуры (авто-
клавы, фасонные детали) довольно часто применяют стальное
литье. По ГОСТ 977—58 отливки из углеродистой стали разделя-
ются на три группы: отливки обыкновенного качества, отливки
повышенного качества и отливки особого качества. Отливки раз-
ных групп отличаются по содержанию серы и фосфора, являющих-
ся вредными примесями, которые придают стали хрупкость. II.: -
меньшес количество серы и фосфора содержат отливки III группы.
Стальные отливки каждой группы выпускаются девяти марок
(15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л, 40Л, 50Л и 55Л), отличающихся друг
от друга по содержанию углерода. Цифры в обозначении марки
стали соответствуют среднему содержанию углерода в сотых до-
лях процента. Например, в стали марки 40Л находится 0,37—
0,45% углерода. Чем выше номер марки, тем больше содержание
углерода в стали и выше ее прочность и твердость.
Стали марок 15Л, 20Л, 25Л и ЗОЛ I группы применяют для
изготовления сосудов, работающих при температуре стенок от
—15 до -1 400° и давлении рабочей среды не более 50 кг1см“. Из
сталей марок 15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ II и III групп изготовляют со-
суды, работающие при температуре стенок от —40 до 4 450° без
ограничения предела давления рабочей среды.
Качество листовой углеродистой стали для котло-
строения нормируется ГОСТ 5520—50. Такую сталь вы-
пускают пяти марок. Листовая сталь Ст.2 и Ст.З предназначается
для изготовления сосудов, работающих при температуре не
выше 120° и давлении не более 8 ати. Стали марок 15К, 20К и
25К применяются для изготовления сосудов, работающих под
давлением до 60 ати при температуре не выше 450°.
Чугуны. Чугуном называют сплав железа с углеродом, содер-
жащий более 1,7% С. По сравнению со сталью чугун более хрупок
и имеет меньшую прочность, вследствие чего его не применяют
при работе под давлением свыше 6 ати. К недостаткам чугуна
относится также ограниченная возможность его механической
обработки, поэтому чугун может быть использован только в виде
литья.
Серый чугун. Выпускается 10 марок серого чугуна
(ГОСТ 1412—54): СЧ 00, СЧ 12—28, СЧ 15—32, СЧ 18—36,
СЧ 21—40, СЧ 24—44, СЧ 28—48, СЧ 32—52.. СЧ 35—56 и
СЧ 38—60. Первая цифра в обозначении марки соответствует пре-
делу прочности металла при растяжении, вторая цифра-—пределу
прочности при изгибе (в кг/млГ).
Для изготовления аппаратов, применяемых в промышленности
органических полупродуктов и красителей, используют различ-
ные марки серого чугуна. Так, например, для изготовления кор-
пусов реакционных аппаратов применяют серый чугун марок
Легирмс-ниые eia.iu, сплавы и биметаллы
СЧ 15—32 и СЧ 18 — .Чугун марки СЧ 32—52 используется
для изготовления реакционных котлов и ответственных литых де-
талей (вкладыши автсклавов, зубчатые колеса, сальники, втулки,
лапы, корпуса вент.злег. и кранов и т. д.).
Ковкий чу г у г. Согласно ГОСТ 1215—59 ковкий чу-
гун выпускается девяти марок: КЧ 30 —6, КЧ 33—8 и т. д. Пер-
вые две цифры м.: |? !:п с бозпачают временное сопротивление, раз-
рыву (в кгс1мм2';, последние цифры- относительное удлинение
(в %).
По сравнении) : серым чугуном ковкий чугун обладает повы-
шенной прочностыо. Из (его изготовляют детали насосов, измель-
чающие шары для ылььиг. ч др.
В ы с о к о и р о г и I i ч у г у н. Отливки из высокопроч-
ного чугуна выпуска о тсс пяти чарок: ВЧ 45—0, ВЧ 50—1,5 ит. д.
(ГОСТ 7293—54) Чжщл обозначают те же механические харак-
теристики, что и для • ;кс.г чугуна. Благодаря хорошим меха-
ническим свойства vs ньат ког.рэчкый чугун в ряде случаев может
заменить стальные' ст/ды ки или отливки из ковкого чугуна, при
этом уменьшается вес литых чугунных деталей. Из высокопроч-
ного чугуна изготовляют шестерни, муфты, валы.
Разнообразие выпускаемых парок чугуна дает возможность
выбирать чугуны, наиболее соответствующие конкретным усло-
виям эксплуатации да иного аппарата и его деталей. При выборе
марки чугуна следует учитывать в первую очередь условия
работы аппарата гл и его узлов и свойства чугуна различных
марок, подробно i и.чы? в справочной литературе (см. на-
пример, «Справочник по машиностооительным материалам», т. III,
Чугун, Машп’з. 1959'.
Легированные стали, сплавы и биметаллы
Обыкновенная углеродистая сталь с присадкой некоторых
цветных металлов (хром, никель, титан и др.) приобретает повы-
шенную стойкость к коррозионному действию агрессивных аген-
тов. Такая сталь, называемая легированной, или специальной,
сталью, выдерживает Е-.<гдействи? растворов некоторых кислот,
щелочей и солей, раз додающих углеродистую сталь. Поэтому ле-
гированная сталь пах:,тп: шлуоксе применение при изготовлении
химической аппарату.;)!, . Следует отметить, что в различных сре-
дах и при разных темпе: । гурах устойчивы различные сорта леги-
рованных сталей и сплавов.
Для сокращен из рас:;<: га с,с гогостоящих цветных и легирован-
ных металлов нрименшет биметзл.гы, представляющие собой угле-
родистую сталь, на которую внесен слой цветного или легиро-
ванного металла.
6*
84 Гл. П. Материалы и у;>лы тшювон реакционной аппаратуры
Высоколегированные стали и сплавы. По ГОСТ 5632—51 вы-
соколегированные стали и сплавы разделяются на три группы.
К I группе относятся нержавеющие стали марок 1X13, 2X13,
3X13 и др., обладающие стойкостью к атмосферной коррозии,
и кислотостойкие стали марок X 1~, Х25, Х28, Х17Н2, 0Х1811Ч
IX18H9, 2XI8H9, IX 18Н9ГГ и др., высокоусгойчивые к коррозион-
ному действию различных агрессивных сред
Во 11 группу входят окалиностойкие стали, обладающие стой-
костью против газовой коррозии при высокой температуре, т. е.
нс образующие окалины п этих условиях. При температура,г до
850—900" устойчивы стали марок: Х6С, Х9С2, Х12ЮС, при тем-
пературах до 1000—1 '100—стали марок У\25, Х28 , Х25С1Н и др .
К этой же группе относятся жаропрочные стали (сохраняющие
прочность при высокой температуре): стали марок ХГ и .Х5ВФ
устойчивые до 450—550"; стали марок Х5М и Х6СМ и др., устой-
чивые до 600--650, и стали марок Х18Н12МЗТ, 4Х14Н14В2М,
устойчивые до 700--800 .
Стали и сплавы с высоким омическим сопротивлением состав
ляют 1Н группу высоколегированных сталей. По ГОСТ 9232—59
выпускают семь марок сталей и сплавов (например, А13104
Х15Н6О и др.), обладающих высоким удельным электрическим
сопротивлением и одновременно окалиностойкостью при темпе-
ратурах до 1000—1300 .
эуктш в марках сталей и сплавов обозначают название леги-
рующих элементов: Ю—алюминий, В—вольфрам, С—кремний,
Г—марганец. М—молибден, Н—никель, Б—ниобий, Т—титан.
Ф--ванадий, К—хром. Цифры после букв соответствуют средне-
му содержавию данного элемента в стали или в сплаве в процентах,
например, Х17—.хромистая сталь, содержащая 17% хрома. Если
стали или сплавы различаются но содержанию углерода, то пер-
вая цифра, стоящая перед буквой, обозначает содержание углеро-
да в десятых долях процента, например 1Х18Н9Т—хромоникс-
летитановая сталь, содержащая 0.1 % углерода, 18% хрома, 9%
никеля и менее 1% титана.
В промышленности органических полупродуктов широко рас-
пространены аппараты, коммуникации и арматура, изготовленные
из стали 1Х18Н9Т. Эта сталь хорошо сваривается. Oi за вьпускает -
ся в виде листов, труб и используется для изготсвл ения теплооб
мепников, реакционных аппаратов, хранилищ и т. д. В химиче-
ском машиностроении применяются также другие марки легиро-
ванных сталей. Их основные свойства и области применения ука-
заны в ГОСТ 5632—51.
Высококремнист ы й с. и я а в (ф е р р о с и а и д).
Железокремнийуглеродистын сплав, содержащий 14,5—18% крем-
ния, носит названиеферросилида. Он обладает повышенной хими-
УЛ? лг/л/ше/.>ze стали, сплавы и биметаллы B5
ческой стойкостью“ i ipвменяется для изготовления аппаратов и
деталей, работающих - головнях воздействия азотной кислоты,
серной кислоты, холодной со/ /ной кислоты, растворов солей
и т. д. Сплав несяке; к действию растворов сернистой кислоты и
расплавленных . Ио I ОСТ 2233—43 изготовляются две
марки отливок из cbeopiiCH.nyia: С15 (14,5—16% кремния) и С17
(16—18% крем1ш:1). 1’< ; р< ’ 1.11 г марки С17 обладает более высо-
кой .химической с гоз ю ОСТ..10.
Недостатком tv.-ц.-окок ремнистого сплава является его хрупкость
п большая чувст-1..пел .-.нэсть ь резким изменениям температуры.
Из ферросилида изготмв <яют царги колонн, котлы, центробежные
н асосы, тру бы, а (•> ч ату о у.
Железо к г е м u a 1; м о .1 и б д е и о в ы й с п л а в
(а н т и х л о р) <|/дс|’,д| тсколо 15% кремния, около 3,5% молиб-
дена и примерно 0,5% , -лерода По сравнению с ферросилидом он
обладает повыше г кой •- .тойкос' ыо к действию соляной кислоты
(устойчив при тем 1 .шагсре до 90'').
ЖелезокремниймС'/иП’деионьб сплав может быть использован
для изготовления liacc-ci .в, апнгратов, арматуры. Его недостатка-
ми являются oTiiccu'e,| .но трудная обрабатываемость и высокая
стоимость.
[Цело ч е с г й - и и у г у н. Выпускаются две марки
щелочестойкого чугуна: С'-Ш,- и СЧЩ-2. В качестве присадок
такой чугун со.ъгря«пг 1.2— 2‘ > кремния, 0,4—0,8% хрома,
0,35—1% никелг , а чан ке т?>гае элементы. Он применяется для
изготовления аппаратуры, эксплуатируемой в условиях воздей-
ствия водных растворов или рас г,завов едкого натра и едкого кали.
Такой же устойчивость!') в эта с условиях обладают и природно-
легированные елнзаветпнесие и халиловскне чугуны.
Биметаллы. Ьихета. ;л шюдставляст собой двухслойный ма-
териал, основой кохэрого пв.ые.тея относительно дешевая угле-
родистая сталь, а ыгорыл (пл '.пирующим) слоем—цветной или ле-
гированный иегалл. <( про: от гая стойкость биметалла опреде-
ляется свойствами .1 аклрд I* ш.его металла, непосредственно
соприкасающегося с ге .кпионной массой.
Из биметаллически?; листов изготовляют реакционные котлы,
крышки аппаратов, люк и и ". д. В промышленности органических
полупродуктов и кра; ьмкй дли изготовления аппаратов приме-
няют биметаллические листы >сновным слоем которых является
углеродистая сталь. . ; лак >',т \ i ццим —никель или кислотостойкая
сталь.
Временными iн.\i.пческ.щ । условиями ВТУ 211- 59 пред-
усматривается выпуск трех лрупп («а>-, «б», «в») двухслойной толсто-
листовой стали. Для биметаллов групп «а» и «б» в качестве основ-
ного слоя применяют (л.З и сталь марки 10, а в качестве плаки-
86 Гл. 11. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
рующего слоя—сталь 1Х18Н9Т. Для биметалла группы «в» основ-
ным слоем является сталь марки 20К, плакирующим слоем—сталь
Х18Н12М2Т. Двухслойную листовую сталь выпускают толщи-
ной от 8 до 60 мм, при этом толщина плакирующего слоя состав-
ляет от 2 до 7 мм. Применение биметаллов дает возможность зна-
чительно сократить расход дорогостоящих цветных металлов и
одновременно обеспечить коррозионную стойкость материалов
аппаразуры.
Цветные металлы
Некоторые из цветных металлов обладают устойчивостью к
действию ряда агрессивных сред. Поэтому при изготовлении аппа-
ратуры для промышленности органических полупродуктов и кра-
сителей наряду со сталью, чугуном и легированными металлами и
сплавами применяют некоторые цветные металлы. Наибольшее
применение имеют алюминий и никель.
А л ю м и н и й. Благодаря доступности по сравнению с
другими цветными металлами, а также легкости, достаточной
механической прочности и стойкости к воздействию некоторых
агрессивных агентов (например, азотной кислоты) алюминий по-
лучил довольно широкое распространение в качестве материала
химической аппаратуры.
В промышленности органических полупродуктов и красите-
лей алюминий применяется для изготовления мерников, храни-
лищ, реакторов, теплообменников и других аппаратов, работа-
ющих без давления и при температуре стенок не выше 150°.
По ГОСТ 3549—55 выпускается алюминий десяти марок
(AB0000, AB000, AB00, АВО, А000, А00, АО, Al, А2, АЗ), отличаю-
щихся по содержанию чистого металла. Минимальное содержание
примесей, соответствующее наибольшей химической стойкости
металла, имеет алюминий марки AB0000 (99,996% А1). Для изго-
товления химической аппаратуры в большинстве случаев исполь-
зуют алюминий марок А00 (99,7% А1) и АО (99,6% А1).
Н и к е л ь. Вследствие высокой механической прочности
и значительной химической стойкости никель считается одним
из лучших материалов химического аппаратостроения. Никель
отличается высокой устойчивостью к воздействию горячих рас-
творов и расплавов щелочей. Он устойчив к коррозионному дейст-
вию большинства органических кислот и растворов солей (азотно-
кислых, хлористых, сернокислых). Однако малая доступность и
дороговизна никеля пока препятствуют его широкому распрост-
ранен ию.
Обычно из никеля изготовляется'особо ответственные аппара-
ты (реакторы, теплообменники, вкладыши и их детали), которые
должны обладать высокой химической стойкостью и механической
Реокие металлы №
прочностью и, кроме того, обеспечивать достаточно хороший
теплообмен.
Согласно ГОСТ S49 —56 выпускается пять марок никеля (Н-0,
Н-1. Н-2, Н-3 и Н-4) отличающихся по содержанию никеля и
кобальта. Наизысшему содержанию никеля (99,99%) со-
ответствует марка И-0 (не более 0,005% Со), наименьше-
му—марки Н-4 Mi-Со. .в том числе не более 0,7% Со).
Для изготовления аргэз в промышленности полупродуктов
и красителей успе_;яэ применяют никель марки Н-2 (99,8%
NHCo).
Редкие металлы
В последние годы в химическом машиностроении начинают
применять такие ]:е;и< ie металлы, как тантал, титан, цирконий,
обладающие высокой устойчивостью к действию ряда агрессивных
сред. К настоящему времчвт выявлены значительные промышлен-
ные месторождения названных металлов, п вероятно, в ближай-
шем будущем эти металлы уже не будут относить к редким. Однако
пока тантал, титан и цирконий производятся в ограниченных мас-
штабах и стоимость нк остается высокой, особенно для тантала и
циркония. В связи с. э’ нм указанные металлы применяются глав-
ным образом при облицовке аппаратов для защиты их от корро-
зии и при изготовлении наиболее, ответственных деталей ап-
паратуры.
Все три перечисленные металла относятся к числу тугоплав-
ких, свариваются они к среде инертного.(защитного) газа ,напри-
мер аргона.
Т ант ал устой чь в к действию цаетворов горячей соляной
кислоты и смеси соляной и атто-ной кислот (царская водка) .Он
применяется при нзго'овлении испарителей для соляной кисло-
ты, теплообменников, работающих при высокой температуре
(порядка 350°) и высоком давлении (60—70 ати) .Тантал нестоек
к воздействию олеум;, фосфорной кислоты (при температуре
выше 145е), соединений фтора, концентрированных растворов ще-
лочей, легко адсорбирует водород, что приводит к возникновению
хрупкости металл.:.
Г и т а н устойчнз к дейгтню уксусной и муравьиной кис-
лот, разбавленных створов соляной кислоты , смеси соляной
и азотной кислот при комнат ни температуре, к действию раство-
ров хлористого натри д железа, аммония, магния и других хлори-
дов при различной концентрат и солей и различной температуре,
за исключением конц нттиоганногс раствора треххлористого
алюминия (более 2;>% AlCi..)„ три 100°. Разрушается титан в среде
серной кислоты, концентрированной соляной кис юты .щавелевой
кислоты, особенно три новы: генной концентрации и температуре .
S8 Г л //. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Сплав титана с молибденом (30% Мо) обладает значительной
стойкостью в среде соляной, серной, ортофосфорной кислот.
При взаимодействии титана с азотной кислотой наблюдались
взрывы, при применении сплава титана с алюминием таких слу-
чаев не происходило. Выпускают титан в виде листов и цельно-
тянутых труб. Его применяют главным образом для облицовки
аппаратов и изготовления деталей центробежных насосов, армату-
ры. В других отраслях машиностроения титан используется пре-
имущественно в качестве жароупорного материала.
Ц и рк он ий обладает высокой стойкостью к действию раз-
бавленной серной, соляной и азотной кислот при различных тем-
пературах. благодаря чему его начинают применять в химическом
машиностроении. Цирконий устойчив в среде щавелевой и муравьи-
ной кислот, солянокислого анилина, в 10—40%-ных растворах едко-
го натра и едкого кали. В некоторых случаях этот металл может
заменить даже платину.
Цирконий выпускают в виде листов, лент, труб, проволоки.
Его применяют для облицовки аппаратов, для изготовления де-
талей насосов и арматуры. Известны также химически стойкие
сплавы циркония: цирколай-1 (2,5% олова), цирколай-2 (1,3—
1,6% олова, 0,2—0,7% железа, 0,05—0,16% хрома, 0,03—0,08%
никеля), цирколай-3 (0,25% олова и 0,25% железа). При темпе-
ратуре около 500 прочность циркония резко снижается; в этих
условиях можно применять цирконий, легированный!некоторыми
металлам и (присадки Сц, Al, Nb).
Неметаллические материалы
При изготовлении аппаратов для промышленности органиче-
ских полупродуктов и красителей применяются некоторые и е-
металлические неорганические матери а-
л ы, например, керамика, фарфор, стекло, кислотоупорный бе-
тон, графит. Эти материалы обладают высокой химической стой-
костью, но плохо поддаются механической обработке и отличаются
хрупкостью, низкой термической стойкостью и, за исключением
графта, плохой теплопроводностью (0,8—1,0 ккал/м час-а/ ад),
что сильно ограничивает области их применения в качестве
конструкционных материалов.
В химическом аппаратостроении применяются также многие
п л астическ ие масс ы, обладающие высокой стойкостью
к воздействию кислот и растворов солей и хорошо поддающиеся,
механической обработке. К недостаткам пластических масс следует
отнести их низкую теплопроводность, а для некоторых из них—-
узкие пределы температур, при которых они могут применяться.
К е р а м и ка, ф а р ф о р, стек л о используются для
изготовления реакционных аппаратов, колонн, центробежных
>t етал.ш h-i кие материалы 89
насосов, труб и туча (ур.д, подвергающихся в процессе эксплу-
атации действию .ииьш агрессивных веществ.
Кислот о у и о : и ы ? б е. т о и представляет собой ком-
позицию на основе нищ кого .кисла силикатных наполнителей и
кремнефтористого натрия. Он 'щменяется для изготовления ем-
костей, башен н к чел эн хранил ;пц.
Г р а ф и т о в ы е 1 е. г р и а л ы. Графит, применяемый
в химическом маз.иное гроенпи. получают путем обжига смеси
антрацита или ые>‘:':и < »гс> локса <’ каменноугольным пеком и
антраценовым маслег ни пшату ре около 2500°. Графит устой-
чив к действию большинства . имически агрессивных сред и обла-
дает повышенной т гло ? v ©о шее i ню (100 ккал/м час - град).Отмечают
его нестойкость з <онштированной г.ерно.й кислоте и в азотной
кислоте, имеюще. к чинен-! рацию выше 10% HNO.,. Графит при-
меняют при изгокэнл. - л и теплообменной аппаратуры, труб и т. д.
Удельный вес графил примерно в четыре? раза меньше удельного
веса стали, поэтому ли -.стр у к пни из графитовых материалов зна-
чительно легче г налогичиых металлических конструкций.
Следует tmci >-то .материалы на основе графита только
условно могут быть отнеси;-ы к неорганическим материалам, по-
скольку графит, -.глич лещине я пористостью, обычно пропиты-
вают композициями из основе феноло-формальдегидных смол.
Графитовые матери злы хорошо поддаются механической обра-
ботке и склеиваются обьчча феноло-формальдегидными смо-
лами) с последующей г -рмообработкой. В последнее время аппа-
раты из графитовых материалов получают все более широкое рас-
пространение в шкон. тленности органических полупродуктов.
К числу графит ос лт материалов относится, например, антег-
мит (ATM), пре,;,ш яю.з.ий собой иресспоропюк на основе
графитовых материалов и фе оло-формальдегидных смол. Он
является teii.'ioripcno.iHL!!,' материалом (теплопроводность
35 ккал!м3- час cptid\ ос. ia. ,..нищим химической стойкостью к дейст-
вию большинства к цель х сред и растворов солей. Антегмит марки
АТМ-1 неустойчив г q ед; азотной кислоты, щелочей и сильных
окислителей Антегми; чарки ATM-10 не разрушается как в кис-
лых, так и в щелочных iej-.гл и. устойчив в некоторых окислитель-
ных средах. Пог. впени n'i стойкостью к действию окислительных
сред отличается аптгч лит ллр.а АГМ-1Г. Изделия из антегмита
получают путем i с »а , в горячих нрессформах. Из антег-
мита марки ATM I и-; • >тсзляк”' трубы, фасонные части, футеро-
вочные плитки.
Фаолит .T.ci.a jfcr .-сбой пластическую массу на основе
феноло-формальцетгд . М с мдлы. содержащую наполнители (асбест,
графит). Фаолит пола пае' значительной химической стойкостью
и удовлетворительным М'.’лт- 'ческими свойствами. Благодаря
90 Гл. II. Материалы и узлы, типовой реакционной аппаратуры
сравнительной легкости обработки фаолит применяют для изготов-
ления самой разнообразной аппаратуры: реакционных котлов,
хранилищ, фильтрующей аппаратуры, ректификационных колонн
и других аппаратов, в которых перерабатываются вещества,
оказывающие сильное коррозионное воздействие на металлы. Фао-
лит, содержащий в качестве наполнителя графит, отличается по-
вышенной теплопроводностью. Он пригоден для эксплуатации
при температурах от —30 до 4 130“.
Г е к с т о л и т представляет собой композицию на основе
хлопчатобумажной ткани, пропитанной феноло-формальдегид-
ными смолами. Пропитанный материал подвергается прессованию
и термической обработке. Текстолит устойчив к действию раство-
ров солей и минеральных кислот (кроме азотной) при температу-
рах до 100°. Он применяется для изготовления центробежных на-
сосов, мешалок, трубопроводов и арматуры.
Стекл отекстол и т—материал, аналогичный текстоли-
ту, но изготовленный на основе стеклянного волокна. Стекло-
текстолит обладает высокой химической стойкостью и поддается
обработке на станках. Его применяют для изготовления деталей,
работающих при высоких механических нагрузках (мешалки, де-
тали насосов).
Винипласт — продукт термомеханической пластифика-
ции поливинилхлорида (при 155—163°) с добавкой небольших
количеств стабилизаторов и наполнителей. Винипласт стоек к
действию растворов кислот, солей и разбавленных щелочей, но
не устойчив в условиях воздействия ароматических углеводородов.
Он поддается механической обработке, сваривается и склеивается,
сохраняет химическую и достаточную механическую прочность
при температурах не выше 40—60°.
Винипласт сваривают в токе горячего воздуха при помощи
специального сварочного пистолета, в котором воздух подогре-
вается электрическим током до 200—250°,
Выпускаются пленочный и листовой винипласт (толщина ли-
стов от 0,2 до 20 мм), а также трубы из винипласта. Винипласт
применяется для изготовления деталей аппаратов и арматуры,
а также в качестве защитных покрытий (стр. 96).
Тефлон (политетрафторэтилен) может применяться при
температурах до 300°. Он устойчив при высокой температуре к
воздействию растворов серной, азотной и фтористоводородной
кислот и инертен по отношению к растворителям. Благодаря вы-
сокой устойчивости тефлона к действию различных агрессивных
сред при высокой температуре он является чрезвычайно пер-
спективным конструкционным материалом. Отсутствие клеев для
склеивания тефлона с металлами пока затрудняет его применение
в качестве защитного покрытия.
Метчллчиские покрытия 91
2 ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Материалы, применяемые для изготовления химической аппа-
ратуры, должны обладать химической стойкостью и механической
прочностью. Далеко п все материалы одновременно удовлетво-
ряют этим двум треб:>Е: ниям. Химически стойкие материалы часто
оказываются непригоднымк Еюледствие неудовлетворительных
механических сеюйстс, и наоборот, некоторые механически проч-
ные материалы пел : i годе-еti кз-за низкой химической стой-
кости. В подобных случаях прибегают к комбинированию ма-
териалов или н;iыс-с. 1 io защитных покрытий. Подвергающуюся
коррозии поверхность механически прочного материала покры-
вают химически '’-тон.кпм материалом, при этом получается более
или менее удовлетворктелънля. комбинация. Такое комбинирова-
ние материалов весьма широко используется в технике. Приме-
няемые для изгогозления аппаратуры металлы защищают от кор-
розии нанесением металлических или неметаллических покрытий.
Металлические покрытия
В промышленности органически к полупродуктов и красителей
в качестве защитного металлического покрытия применяется пре-
имущественно с с в е и г. о в ы ванн е.
Освинцовывавшем называют нанесение слоя свинца на метал-
лическую поверхность, подвергающуюся коррозии. Обычно освин-
цовывают стальные г чугунные аппараты, покрывая их слоем
свинца толщиной 3—(> мм.
Согласно ГОСТ 37’’8—56 выпускается шесть марок техниче-
ского свинца—СО, Cl С2. СЗ. С4 и СЗСу, различающиеся по
содержанию свинца в i римессй. Свине ц марки СО отличается наи-
большей чистотой и t-.aаменыпим содержанием примесей (не менее
99,992% РЬ), свинец л; арки С4 содержит наибольшее количество
примесей (не менее 99,<1% ]-’?). В свинце марки СЗСу допускается
повышенное содержание сурьмы (0,4—0.8%). Химическая стой-
кость свинца тем етым-с чем меньше он содержит примесеи, поэто-
му в химическом апп;г атоег.юении желательно использовать до-
статочно чистый сешшц.
Удовлетворите.!ьнею химической стойкостью обладает свинец
марки С2 (не менее 99,95% РЬ). Его применяют при изготовлении
аппаратуры в тс-< с/р аж. чсгда непригодны другие химически
стойкие материалы.
Наиболее рас иг ост г аненными способами нанесения свинцовых
покрытий являютт:л ••-ньное севинтховывание и гомогенное освин-
цовывая ие.
Рольное осв|[|(1['ЩЫ1--аняс следует рассматривать как наиболее
простой, но наименее тадежный способ выполнения свинцового
92 Гл. //. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
покрытия. Этот способ заключается в следующем. Из листового
свинца вырезают по заранее подготовленному шаблону нужные
детали покрытия. Вырезанные детали размещают в аппарате,
подлежащем освинцовыванию, и плотно пригоняют к стенкам
при помощи деревянных молотков; швы между листами спаивают
свинцом. Таким образом, стенки аппарата плотно покрываются
свинцовым «кожухом».
При освинцовывали и но этому способу между стенками аппа-
рата и листами свинца остаются воздушные прослойки. Заключен-
ный в них воздух при нагревании аппарата или создании в не.м
вакуума расширяется и легко отделяет от стенок всю свинцовую
облицовку. Поэтому рольное освинцовывание не применяют для
защиты обогреваемых аппаратов и аппаратов, работающих при
разрежении.
Гомогенное освинцовывание является более дорогим, но бо-
лее надежным способом покрытия свинцом и применяется для за-
щиты обогреваемых аппаратов и аппаратов, работающих при
вакууме По этому способу слой свинца наплавляется на луженую
поверхность металла. Освинцовываемая поверхность, предвари-
тельно очищенная от ржавчины и грязи, подвергается травлению
соляной кислотой, затем нагревается до температуры плавления
олова. Далее производится лужение. Луженую поверхность нагре-
вают до температуры плавления свинца и наносят на нее металл,
расплавленный в пламени водородной горелки.
Помимо описанных способов освинцовывания, в технике ино-
гда применяют покрытие распылением (удовлетворительные ре-
зультаты получаются при толщине слоя свинца не более 1 мм)
и электролитическое освинцовывание, заключающееся в выделе-
нии свинца из растворов его солей под действием постоянного
электрического тока.
Неметаллические неорганические покрытия
К этим видам защитных покрытий относятся эмалнрование.|и
футеровка аппаратов.
Э м а л и р о в а н и е—покрытие поверхности чугунных или
стальных аппаратов эмалью—применяется в тех случаях, когда
через защищаемую от коррозии поверхность металла необходимо
передавать значительные количества тепла.
Эмали представляют собой сплавы кремнезема (55—65%)
и окислов некоторых металлов (алюминия, калия, натрия, бора,
титана и др.).
Эмалевые покрытия устойчивы к действию большинства орга-
нических и неорганических кислот любой концентрации, растворов
солей и холодных щелочных растворов, но не выдерживают воз-
lli'Mc ra/.i -ческие неорганические покрытия
93
действия плави к онои i> ислоты и щелочных растворов при высокой"
температуре.
Эмалируемую ьош рхносп. предварительно очищают от .за-
грязнений и рлджчиин и грунтуют (покрытие поверхности грунт-
эмалью). Изделия. _ы рытые слоем грунтовки, обжигают в печах
при температуре 8(н.' - 'ОС1 , соответствующей температуре спекания
эмали. После обжит;. пр-чстуиают к эмалированию, проводимому
«мокрым» или <у.ипо сгос.е.сочк. По «мокрому» способу нанесение
эмали производл вш «на гггчпо наш сгнию грунт-эмали. По «су-
хому» способу сбозг.ыинос после грунтовки изделие быстро выни-
мают из печи и И1 гл;;й групгнмали ианосятпри помощи специаль-
ных вибрирующих . г тонне измельчен шую. эмаль. Затем эмали-
руемое изделие с.товг шх /шлют в печь ,гду оно нагревается до
температуры плавлен! л г.чегачной.адэли. В зависимости от тре-
буемого качества шжрииш .эмаль износят в несколько слоев
(3—4). После наи.?'п< я ггич угосюя эмали изделия обжиг . ают, за-
тем медленно охлаждай п и.сверяют качество нанесенной эмалн.
Эмалированно.! >.срыгге считается удовлетворительным, если
электрическая тени всейт,щая нл, корпуса эмалированного
аппарата, истэч.икп псс"очиного тока, вольтметра и раствора
поваренной сотне, шлллг.'иошего аппарат; не проводит ток напря-
жением ) пЭо. 'i’e| мичщ-кая стойкость эмапеного покрытия
тем выше, чем мен ял рк.тшиютгя коэффициенты линейного рас-
ширения г мал '1 и r.ici и лт , ч и кот epi ей нанесена эмаль. Различные
виды эмалевых пок л’ТиУ о иран.чюг стойкость при температурах
от —40 ди j У Н) . 11 ;б ел юне. трепщпы, обнару жеиные в эмале-
вых покрыты! ю, ,<гл1 ут была заделаны золотом или танталом.
Следует отметить чл. чугунная эмалированная аппаратура обла-
дает несколько ('.0.1 ьле . .химической н термической стойкостью,
чем стальна» знал) оовюлая аппаратура.
Целослноси >\т , изгю нарушаемая при монтаже и эксплуа-
тации апиарапв ,д ет Длп. восстановлена при помощи кислото-
упорной замазки. Для .исто поврежденный участок эмалевого по-
крытия тщательно з,.-читают .’чрованочной щеткой и затем покры-
вают слоем замазке, состоящей из чистого кварцевого песка
(95%) и кремпефто.шетото натрия (5%), замешанных с жидким
стеклом (уд. вес I. ./сиги. Iu I ч. жидкого стекла расходуют 2 ч.
сухой смеси песка о кремнефторида. Далее замазку опрыскивают
2?4-ной садявсй к <с отей и выдерживают в таком состоянии в те-
чение 5—6 нас.. Рл;г чеяш е таким образом покрытие может защи-
щать поврежденный у ;<>к от коррозии в течение длительной
э ксп л у ат; i ц к и ai i г ?.«; ста.
Размеры эма, лр'.ем .их аппаратов лимитируются размерами су-
ществующих оби их вых 1ечей (высота 2 8 м, ширина 2,2 м и
длина 3,5 ли.
94
Гл. II. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Эмалируемые аппараты и детали должны иметь простую фор-
му, без острых выступов и углублений. Наличие выступов, углуб-
лений и штуцеров значительно осложняет эмалирование. Эмали-
рованию могут быть подвергнуты лишь те участки поверхности
аппаратов, которые доступны для осмотра и обработки инструмен-
тами.
Футеровка —покрытие поверхности аппаратов, подвер-
гающейся коррозии, химически стойким облицовочным материа-
лом (в большинстве случаев плитками)—также относится к рас
пространенным способам защиты от коррозии.
По сравнению с гуммированием (см. ниже) этот способ слож-
нее, приводит к значительному утяжелению аппаратов н ухуд-
шению теплообмена через стенки. Однако футеровка может успешно
конкурировать с гуммированием и покрытием поверхности пласт-
массами в тех случаях, когда защищаемая от коррозии аппарату-
ра работает при температуре выше 100°, а внутренняя поверхность
аппарата подвергается истиранию твердыми частицами, содержа-
щимися в реакционной массе.
В качестве облицовочных материалов в настоящее время при-
меняют метлахские плитки, кислотоупорный кирпич, стеклян-
ные, графитовые, диабазовые плитки, плитки из каменного литья
(83% базальта, 15% горнблендита и 2% хромистого железняка).
Наиболее распространена футеровка диабазовыми плитками и
плитками из каменного литья. Эти материалы обладают хорошей
химической стойкостью и выдерживают воздействие кислот и ще-
лочей как на холоду, так и при нагревании.
Плитки прикрепляют к защищаемой поверхности и скрепляют
между собой при помощи специальных замазок, химическая стой-
кость которых определяет антикоррозионные свойства покрытия
в целом. Футеруемая поверхность обычно покрывается плитками
в два слоя так, чтобы плитки верхнего слоя перекрывали швы
между плитками нижнего слоя.
Широкое распространение получила диабазовая замазка. Ее
готовят на жидком стекле, к которому в качестве наполнителя до-
бавляют молотый диабаз и в качестве ускорителя твердения—
кремнефтористый натрий. Диабазовая замазка является кислото-
стойкой. но не выдерживает воздействия щелочей. Большой инте-
рес представляют замазки типа арзамит. Их готовят смешением
раствора феноло-формальдегидной смолы в бензиловом спирте
с тонкоразмолотыми минеральными наполнителями и паратолуол-
сульфохлоридом, ускоряющим твердение замазки при комнатной
температуре. Замазка арзамит-1 (наполнители—кварцевая мука
и кремнезем) обладает кислотостойкостью. Замазка арзамит-2,
устойчивая к действию кислот и щелочей, готовится с добавлением
глицериндихлоргидрина; наполнителями служат кварцевая мука
: : иг органических материалов 95
и сернокислый барий. Замазка арзамит-4 обладает, кроме кис-
лотостойкости, повышенной теплопроводностью и применяется
при футеровке аппаратов, з которых должен производится нагрев
или охлаждение реакционной массы. В качестве футеровочного
материала для облицовки таких аппаратов служат плитки из теп-
лопроводного материал;: ATM-. Теплопроводность таких плиток
35 ккал1м час град
Для лучшей ваша! о аппаратов от коррозии футеровочные ра-
боты следует вьтполтлг!тги тго'тытою , т. %. '_уТ\тадтвтлт'|. облицовоч-
ные материалы на мовепхпость, предварительно освинцованную,
гуммированную или '.’порытую пластмассой.
Как указывалось, залаькк типа арзамит содержат паратолуол-
сульфохлорид, обладаю!дик кислотными свойствами. Для предот-
вращения его вредного воздействия на сталь футеровку с примене-
нием таких замазок вид олняют по подслою из свинца или поли-
изобутилена или же ! рнме ы. ст с иликатные замазки при нанесении
первого слоя фуг р ншг а втсоой слой укладывают на замазке
арзамит. При <руг< р<>: - поверхностей теплообмена графитовыми
плитками на замазке а;иами'?-4 поверхность аппарата надо пред-
варительно гомогенно •:•>.чипц-г.зать или тщательно покрыть баке-
литовым лаком с последу ощей термической обработкой.
Покрытия из органических материалов
В качестве защитных, покрытий этого типа в химической про-
мышленности примет шогся гуммирование, покрытие некоторыми
пластмассами, а также лакокрасочные покрытия.
Гумми ров н . с—покрытие поверхности резиной—яв-
ляется распрост] ..!! т нь;и способом защиты аппаратуры от кор-
розионного возденешь и я растворов большинства кислот, солей
и щелочей. Для гуглитровдвия применяется мягкая резина и
эбонит (твердая резав,а’|. Мягкую резину получают вулканиза-
цией каучука в присущ ’ вин х—5% серы, эбонит—вулканизацией
каучука в присутствии гртмдцю 30% серы. По сравнению с мяг-
кой резиной эбонит облазает большей твердостью и более устойчив
к воздействию агрессг е. i >ix агентов, однако он хрупок и трескает-
ся при резких кс.'ебш rax температуры. Стандартные сорта мяг-
кой резины и эбонита шетитнп к действию окислителей (азотная
кислота, концентр идова шая серная кислота, перекись водорода
и т. д.) и некоторых ?а -.тесргтелей. В большинстве случаев по-
крытие гуммировгань.х mi аратов сохраняет стойкость при тем-
пературе до 50э.
Поверхность, подлежащую гуммированию, очищают от ржав-
чины и грязи при пог/оши тджосгруйного аппарата и промывают
бензином. На подготовЧечнею "-аким образом поверхность наносят
I гиос
96 Гл. II. Материалы и узлы, типовой реакционной аппаратуры
ИЬЙГО!
слой резинового клея (раствор резиновой смеси в бензине BMhHdtl
ношении 1 : 8—1 : 10), назначением которого является об
вание промежуточного слоя, обеспечивающего прочное сцеп <
металла и резины или слоев обкладочной резины. После npi . _
ки клея на поверхность наносят слой сырой резиновой или эз””щтИ'
товой смеси толщиной 2- -5 мм, тщательно прикатывают ее дер^^®^
ными роликами и затем подвергают вулканизации.
Вулканизацию обкладки проводят и специальных котлах, куда
гуммируемые аппараты, детали или арматуру и вводят острый пар дана£M0Q8*
3 -lainu. Вследствие ограниченного объема вулканизационных котлов»» uffn
ные аппараты, подлежащие гуммированию, приходится изготовлять из пег*
Kir.v частей, .которые г v.M.MH,n улгпх‘31 ло .отдаилости I [оспе в у ч г чн n:ri mA, T&Q
кладки производится сборка гуммированных частей па фланцах.
Если гуммируемые аппараты герметично закрываются и выдерживают
иетствующее давление, для вулканизации резиновой обкладки можно иод,. ~ у
пар непосредственно в аппарат. I) аппаратуре большой емкости вулкаииЛ * *
покрытия производится открытым способом, без тавления. для чего апозыея
заполняют горячен водок' или раствором соли, кипятим при температуре
100°, и нагревают жидкость перегретым паром. Иногда применяется вулка
при открыто\
2 1 раза ме!<|ХИЯЯ
лай V
ГХ.ММЦ )ОГГГП
рытия растоХЭВй
соответству;
Вулкапиз
цпя под действием горячего воздуха. Следует отметить, что
собе вулканизации прочность сцепления резины с металлом в
чем при гулкая ii3'aiu!ii иод давлен чем.
Сложные по ис шфигурглции /{стали, готори1 ис угнетен
ными методами, можно гуммировать путем окунания или пок
пли латексом пол и хлоропренового каучука, содержащим
ингредиенты (наполнители, вулканизующие вещества и др.;,
такого иокгштпя проводят горячим воздухом при: 80--100°.
л [лэ а
Аппараты гуммируют в один, .два, иногда в три слоя, в
мости от назначения аппарата и условий его эксплуатации.
толщина защитного покрытия достигает 6—7 мм. _ — .
К гуммируемой аппаратуре предъявляются некоторые спец
ческнс требования: аппараты я детали должны иметь такую “• “ ‘
струкцию, чтобы был возможен доступ к поверхности, кото
обкладывают слоем сырой резины; острые углы и выступы гуг
руемых деталей недопустимы, сварные швы должны быть тщат
но зашлифованы, патрубки и штуцеры должны иметь возмо
меньшую длину.
В и н и и л а с т. В промышленности органических полу!
дуктон и красителей в качестве защитного покрытия металл .
ски.х аппаратов применяется также пленочный винипласт. К по-
верхности стенок и деталей аппаратов пленка винипласта приклеи-
вается специальным клеем (раствор перхлорвиниловой смолы в
дихлорэтане или другом растворите.'.ie). Винипласт хорошо приклеи-
вается не только к металлам, но и к бетону, благодаря чему пле-
ночным винипластом футеруют также бетонные кислотохрапи-
лища.
П о л и и з о б у т и л е и. Для обкладки аппаратов приме-
няют листовой полиизобутилен марки ПСГ (смесь полиизобутиле-
я •• • '.р.и'шчесш материилон
на с сажен и градщг >м). iior материал устойчив к действию
растворов кислот, щелочей и солей при температурах до 60°. Об-
клеивание металл теш-их поверхностей полиизобутиленом произ-
водится специальными клеями (например, клеем №88), образую-
щими достаточно прентый клеевой шов без нагрева. Это выгодно
отличает покрытие чг аллпческих поверхностей листовыми пла-
стиками от гуммирования, яри котором требуется термическая
обработка (вулканизация резедовой обкладки).
Стыки листов пол иэ Ду гиленл склеивают (или сваривают
при 150—200’) без пр меня ия присадочных материалов. Недо-
статком по. 11! и •. । । га ..из, ьяедся. поля счесть ..ч;ьбл ндд немал даже
при неболыпах иагру.з:- ах.
А с б о в и к и л, Смешением асбеста с 40—50%-ным раство-
ром полимеров е,игиш и тапег ciena з ксилоле (лак этиноль) полу-
чают асбовинил ириуд няемый главным образом для защиты ме-
таллов и бетона от । »р< зишшого де йствия кислых сред—соля-
ной кислоты, сг :• । эй л.слоги до 75% H.,SOd), уксусной кислоты,
влажного хлора, тагг.ке рас 1 воров некоторых солей (хлористого
аммония, енриокпело' . uiov г чия и др.).
Асбовиннловую ма. гу наносят на защищаемую поверхность
слоем толщиной 10 - 4 их, i для отверждения нагревают до
120—г 130° в течег г' ”1) -75 - г.. Защитные покрытия крупногаба-
ритных аппаратов о ты ржда: >тся без нагревания в течение 25—
30 суток. Сущесгигн ч м недостатком асбовиниловой массы яв-
ляется ее токсичнсс гь я огн:ог.асн ют;, (из-за присутствия в ней
ксилфла),
Тфмпературос.гои кость асбог.инила находится в пределах от
—50 до 4-11'.)’, !'(чю.пю.-одпеегь его 0,13 ккал/м-час-град.
Пол ИЭТИ.1 и ы. Полиэтилены устойчивы к действию кис-
лот, щелочей, растзс в солей. При температуре до 60° азотная
кислота (меьее 30% ICO.) не разрушает полиэтилена. К воздей-
ствию хлорбензола, г нуела, кислорода, хлора полиэтилен не-
устойчив. Как .известно, полиэтилен тготовляют методами высо-
кого Давления и низчот> давления. Полиэтилен низкого давления
(средний молекул я рвы!: вес 60 000—300 000) отличается несколь-
ко большей стойксс'ью в среде азотной кислоты и органических
растворителей по стечению с полиэтиленом высокого давления
(средний молекулярный все 25 000—50 000). Защитные покрытия
из -полиэтилена наносят на металлические поверхности методом
пламенного напыления. Для этого взвесь порошкообразного по-
лиэтилена в струе ы :у>а пропускают через пламя воздушно-
ацетиненовой горелки, в котором частицы полиэтилена нагре-
ваются до пластического состояния и в таком виде наносятся
на металлическую .поверхность, предварительно нагретую до
140-160°.
7—2277
98 Г.i. II. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Покрытие толщиной 0,5 мм, создающее надежную защиту от кор-
розии, получается в результате 10—12-кратного напыления.
Лакокрасочные покрытия. Для защиты наружных (а иногда и
внутренних) поверхностей аппар агуры и коммуникаций от корро
зии широко применяют лакокрасочные покрытия. Для получения
таких покрытий применяют масляные краски и некоторые виды
лаков и эмалей на основе синтетических полимеров.
Масляные краски готовят преимущественно на оли-
фе, способной высыхать на воздухе с образованием пленки, хоро-
шо скрепляющейся с окрашиваемой поверхностью. Вводимые в
краски пигменты, как правило, являются минеральными веще
ствами.. Масляные .краски применяют для защиты аппаратуры и
коммуникаций от атмосферной коррозии и от действия кислых
паров и газов, присутствующих иногда в воздухе на химические
пр оизводствах.
П е р х л о р в и н и л о в ы е лаки и э м а л и получают
растворением в органических растворителях нерхлорвиниловой
смолы, к которой добавляют пластификаторы и пигменты. Покры-
тия на основе этих лаков и эмалей обладают хорошей стойкостью
к действию кислот, щелочей, масел и некоторых растворителей
и выдерживают температуру до 100е.
Э т и н о л е в ы е лаки готовят на основе полимеров ди-
вин ил ацетилен а. Они выдерживают действие кислот и щелочей
при температуре до 200°, но образуют относительно хрупкие
пленки.
Баке, л и т о в ы е л аки представляют собой растворы
феноло-формальдегидной смолы в спирте с добавкой минеральных
наполнителей (каолин, андезитовая мука и т. д.). Лас наносят
в 4—5 слоев и каждый слой подвергают термической обработке
Покрытия бакелитовыми лаками устойчивы к действию рас-
творов кислот и солей, но не обладают стойкостью при воздейст-
вии окислителей и растворов щелочей. Существенным недостатком
бакелитовых лаков является хрупкость образуемых ими защитных
пленок и относительно слабое сцепление таких пленок с метал
лом.
Эпоксидные лаки и эмали. Использование ла-
ков и эмалей на основе эпоксидных смол весьма перспективно.
Эти смолы являются продуктами конденсации многоатомных фено-
лов с эпихлоргидрином или дихлоргидрином. Эпоксидные покры-
тия хорошо сцепляются с поверхностью, быстро отверждаются,
устойчивы к действию кислот и щелочей и обладают минимальной
пористостью.
Лак на основе, каучука получают растворением
в ароматических углеводородах хлорированного каучука с добав-
ками смол и высыхающих масел. Защитные пленки, образуемые
3. 1ыа.ы>р ч.н’_ раилов t).V' аппаратуры 99
лаками на основе ?.лс;> (ронанпого каучука, устойчивы к действию
щелочей, раствори со. ef и минеральных кислот, а также к дей-
ствию хлора.
Кроме пере । еле . Iaix выше лакокрасочных материалов, для
защиты хи'.''!чс. । । ап apaiypti от коррозии применяются многие
другие химичеоь с пз кие штзнкообрлзующие вещества, изготов-
ляемые в болынип: в? cjiyt/.t з на основе синтетических высоко-
полимеров.
Перед окраской, ш roi производится с помощью кисти или
пульверизатора. окр лваемые поверхности должны быть тща-
тельно очищены и в •.!<• ш< пь (- наче защитное покрытие не будет
достаточно прочным , !тя повышения прочности защитной пленки
краску целесоссу, Bui. нан>- -;ть тонкими слоями в несколько
приемов.
I. ВЬ[.( V АТбРИАЛОВ ДЛЯ АППАРАТУРЫ
В настоящее зрел ; з ( ею.,штате, широких научных исследова-
ний и приобретенною промышленностью опыта накоплены раз-
нообразные даг з яс., [(.я своляощие правильно выбирать материалы
для химической аппаратуры
В табл. 4 перечислены наиболее распространенные конструк-
ционные материал к апн нс покрытия применяемые при изго-
товлении аппаратуры промышленности органических полупро-
дуктов и класть' т . Волей подробные сведения сб этих матери-
алах можно нг-тг в i пециа п.ной литературе.
Т а б л ина 4
Конструкцией < »! я ireaiia.iw i защитные покрытия аппаратуры
промышлении г) iprsiiH'iecKnx полупродуктов и красителей
Г1срерабать’н;|<? s: 1./: я* 1 € г с( а
\ондрукциоринс материалы п зт-цитные покрытия
К ил .7 <1 Г [,
Лтотна я
Нитрующие смеси (; :< > чип
лота, серная кислою. -о
Сорная
до 75% H.SC1,,
{povotii ко.1'зам сталь, хромистая стал,., эмаль,
керам ика стекло, диабаз; при концентра-
jihi выпи 70% HNO3—алюминий
io- Сталь, ф<:р| «1СИ.Т11Д, хромоникелевая сталь
75- 100% hUSfa,
олеум
Chi пей, фсрросилнд, эмаль, керамика, фар-
|'ор, стекло, диабаз; до 50% 1I,SO4 - ре-
ииа, пластмассы
Саль, цугуц
G : !Ь
100 Гл. Н. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Перерабатываемые вещества
К и с л о т !,1
Соляная
до 10% HCI
более 10% НО
пары при температуре выше
160е
Хлорсульфошшая
Орга ни '1' ск ис су л ьфот клоты
(растворы)
У ксусиая. му равнин: > я, фталевая,
малеиновая, щавелевая (рас- ;
творы)
Щ е л о ч и
Едкий натр, едкое кали, водные ,
растворы аммиака, известковое;
молоко
11 родолжение табл, 4
Конструкционные материалы и защитные покрытия
Ферросилид, свинец, керамика, фарфор, стекло,
эмаль., диабаз, пластмассы, резина
Эмаль, керамика, фарфор, стекло, диабаз
пластмассы, резина
Ста.ть . хромоникелевая сталь
Сталь, чугун
Свинец. Тегль. керамика, фарфор, стекло,
диабаз; то 50% —резина, пластмассы
Хромоникелевая и хромоникельмолибденовая
стали, ферросилгд. эмаль, керамика, фар-
фор, с ?ек.зо, еаае 1 массгы, алюминии (только
для уксусной кислоты), резина (только дчя
уксусной и 51 урпl-.’.HI К Ж КЩ-ЛОТ1
Сгаль, чугун; для едкого натра и едкого кали
при высоких температурах—щ- елочеустойчи-
вые чугуны
Расти о р ы м и и е р а л ьи Ы X
с о л е й ,
Хлориды натрия, калия, кальция, I
пинка, аммония, сульфаты нат-
рия и меди ।
Карбонат натрия, нитрит натрия,
сульфид натрия, железный ку- ;
порос
Г а з ы
Аммиак
Хлористый водород. сернистый
ангидрид, сероводе|х>д
сухие
влажные
Счинем. ферртеилид, хромоникелевая сталь,
эмаль, резина, пластмассы, керамика фар-
фор. стекло, диабаз
Сталь.
Сталь; при высоких температурах—хромомо
лпбденовая н хро мои и целевая стали
О р г а н 11 ч е с к и е в е щ е с т в а I
г- л
Бензол, толуол, ксилол, нафта-।
лин, антрацен, антрахинон, га- '
лоидопроизводные, амины, нит-;
росоединения, спирты (мети- ;
ловый, этиловый и др.) I
Сталь, свинец, чугун
Свинец, резина, пластмассы, керамика, фар-
фор, стекло
Сталь, чугун
1. Вертикальные котлы и чаны 10£
4. BEHHb.A. 1 НЫЕ КОТЛЫ И ЧАНЫ БЕЗ МЕШАЛОК
И ЭЛЕМЕНТОВ поверхности ТЕПЛООБМЕНА
Форма котлос Вертикальные котлы без размешивающих уст-
ройств и элемен'ов ов <.тети теплообмена почти не исполь-
зуются в качестве ре жг.ионных аппаратов; их применяют глав-
ным образом в ь.ачеш зе хранилищ, сборников, монтежю и т. п.
Однако рассмотрелне реакционной аппаратуры целесообразно
начать именно с этих : отлэь. "ак как они являются основным кон-
структивным sc. 1< м раз «образных реакторов, которые, в от-
личие от котлов, хна'.ц -нб рядом деталей, отсутствующих в котлах.
Рассматриваемые герминальные котлы не предназначены для
работы под давление’», но их обычно рассчитывают на давление
ата. Такое давление м г-не. г создаваться в аппарате при эвакуа-
ции из него жидкес 'и ыутеы. передавливания сжатым газом. Учиты-
вая возможность рахпы юд давлением, котлы снабжают деталями,
обеспечивающих:;, герунтичность реакционного объема. Это имеет
большое значение в те., слу-ыях, когда в аппарате находятся веще-
ства, выделяющие тт двоен,юные нары или газы. Такие условия
в производстве органически? г:олупродуктов н красителей возни-
кают довольно хаете, и р > ;п 'иные котлы на давление. 3—4 ата,
являются весьм-з растростманенным типом аппаратов.
Поскольку в aims {ат? может создаваться давление, наиболее
целесообразной геометрической
ограниченный сверху и снизу
сферическими .1 с зер > ноет ями.
Обычно применяются цилин-
дрические котлы се сферичес-
ким^ крышкой и д-л.щем.
Типовые реьзциош.1 ле котлы
выполняют сварными чз тпстс-
вой фтал и илильтым* пт чугуна.
Стальник сеарные котлы
Стальные котлы изготовляются
из стандартных шгамгованных
днищ и листовой стати. Листу
стали придают hi залп цах ци-
линдрическую форму ? ‘варива-
ют края листовУ-обрыным уси-
ленном швом (рис К), пс л у чт-
ется рак называемая обечай-
ка—-цилиндрическая часть кстла
приваривают штампов.: иное днище, а к верхней части—фланец из
листовой или угловой стали. Таким же образом фланец привари-
вается и к крышке згпараы. Как показано на рис. 15,фланцы
рмои котла является цилиндр,
Рис. 14. -ЧЮ
V-обрчзный
усиленный Рис. 15. Фланец из
ш°г- голосовой стали.
. К обечайке таким же швом снизу
102 Гл. //. Материалы и узлы типоной реакционной аппаратуры
привариваются к котлу и к крышке двумя швами. Для создания
герметичности между фланцами укладывается прокладка.
Подобный реакционный котел представлен на рис. 16.
Емкость стальных котлов выбирают в соответствии с ГОС'Г
8932—58*. по которому предусматриваются 34 номинальные
емкости в пределах от 0,01 до 200 Л13.
Чугунные котлы. В промышленности органических полупро-
дуктов широко распространены также литые чугунные котлы.
Рис 16. Обилий вид сталь-
ного сварного котла.
Рис. 17. Общий вид чугун-
ного котла.
Эти аппараты состоят из двух основных частей: литого котла,
днище и цилиндрическая часть которого представляют собой еди-
ное целое, н крышки, прикрепляемой на прокладке к цилиндри-
ческой части котла при помощи болтов (рис. 17). Толщина стенок
чугунных аппаратов значительно больше, чем стальных аппаратов
такой же емкости. Поэтому в тех случаях, когда вследствие кор-
розионного действия перерабатываемых веществ требуется устано-
вить аппараты с большой толщиной стенки, применяют чугунные
аппараты. Однако следует учитывать, что из-за большой толщины
* Указанный ГОСТ распространяется также на горизонтальные цилинд-
рические аппараты и аппараты с конусными днищами.
i:: чепг-л поиерхноС!и теплообмена
IU3
стенок вес чугунг. л? г.г.паратов значительно превосходит вес
стальных аппаратов :ри одинаково» емкости их.
Типы и основные |: азю-'.' >1 чугунных сосудов выбирают в соот-
ветствии с ГОСТ 1861: —57. Стандарт распространяется на чугун-
ные сосуды, работаю.дне при иг утреннем давлении не более 6 кг!смг.
наружном давлении ее выше S кг1см'1 и при температуре стенок,
не превышающей Указанный стандарт распространяется
также на чугунные ; тпараг I, предназначенные для эмалирова-
ния.
Стальные чаны. Сильные чаны применяются в производствен-
ных процессах, вронодимых без давления и без участия веществ,
обладающих токсическиии или взрывчатыми свойствами и вы-
сокой упругое]':то и.г.о >в. В прошлом ча-
ны были широко распространенными
аппаратами промышленности органи-
ческих полупродуктов. В настоящее
вре(ия в большинстве случаен, они за-
менены более падежаымь: и удобными
в экспуатацни герметическими сталь-
ными котлами. Однако благодаря про-
стоте устройства и изготовления, чаны
еще находят некоторое применение ври
проведении простейших те.хпологичес- Рис. 18. Стялыюй чан.
ких операций.
Чаны представляют собой стальные сварные цилиндрические
аппараты с плоскими днищами и плоскими же крышками (рис. 18).
Цилиндрическую часть чашж сваривают из листовой стали. К
верхнему краю обе-щйки пр вваривается фланец, к которому на
прокладке прикрепляют при помощи болтов крышку.
5. ЭЛЕМЕНТЫ ПОВЕРХНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА ВЕРТИКАЛЬНЫХ
КОТЛОВ
Подавляющее 5о.ш шннсгво химических и физических процес-
сов протекает с выделением гт и поглощением тепла. Поэтому поч-
ти во всех случая?:, ?< гдч описанные выше котлы используют в ка-
честве реакцией».ых адпарагон., их снабжают элементами поверх-
ности теп? ообмеп а
Поверхность теплообмена з таких аппаратах оформляется в
виде рубашек (см. р нс 19) змеевиков, расположенных внутри ап-
парата (см. рис. 20) змеевиков, залитых в стенки котла (см.
рис. 23), и и и привариваемых к стенкам котла (см. рис. 24), а так-
же в виде змеев и л св. выполненных из разрезанных труб (см. рис.
25,Б), из уголков П? . рис. 25,В) или же в виде трубчаток (см,
рис. 26).
104 1л. !1. Мисериилл и узлы типовой реакционной аппаратуры
Рубашки. Рубашки стальных и чугунных реакционных котлов
выполняются сварными из листовой стали и стандартных выпук-
лых днищ, т. е. так же, как и сами стальные котлы. К сварным
стальным котлам рубашки крепят различными способами (рис. 19).
По способу А к котлу приваривается второй фланец, к которому
на болтах крепится рубашка. Этот второй фланец обычно рас-
полагают на 5-10 см ниже уровня жидкости в котле. Фланец для
Рис. 19. Рубашка реакционного аппарата и различные способы ее крепления.
крепления рубашки чугунных котлов отливается вместе с котлом
и составляет с ним единое целое. При таком способе крепления
можно сравнительно легко монтировать и демонтировать ру-
башку.
Если по технологическим соображениям необходимо приме-
нять рубашку, целиком покрывающую боковую поверхность кот-
ла и, следовательно, достигающую верхнего фланца, для крепле-
ния рубашки используют способ Б. По этому способу в фланец
котла ввертывают шпильки, на них навертывают гайки и
прикрепляют к фланцу котла крышку (сверху) и рубашку
(снизу).
Иногда выполняется неразъемное соединение стального котла
и рубашки. Так, по способу В рубашку приваривают к стальному
кольцу, которое в свою очередь приваривается к стенке котла.
,:Ч,мпч rftt .10 -грхности еплообмена
105
По способу Г руб: и и сваривают непосредственно к котлу. Для
обогрева паром, имеюьдщ! давление до 75 ат, применяют рубашки
с «вмятинами» (снос.?> .'О. Тэкие рубашки изготовляют из листов
с. отверстиями.
Для образована’ вьыгип <оая отверстий подкатывают и затем
приваривают к стена за аппарата.
При неразъемном соединении котла и рубашки отсутствует
возможность дем:ч т'трсза'.ч. последнюю. Следовательно, такое
л пшено лишь в тех случаях, когда
рубашки не. приходится демонти-
'овать до конца срока службы
аппаратов.
Наиболее р ас п р ост р а н е н н ы м и
способами крепления рубашек
; вляются способы А и Б.
соединение может сыт
Рис.'20. Котел зуееник
размещенным знч пн
аппарата.
?ис. 21. Крепление змеевиков к стойкам.
Змеевики. Змеевики описываемых реакционных котлов вы-
полняют чаще; все то к..? < га.ъных, свинцовых, алюминиевых труб
и труб из кислотостойкой стали
Витки змеевиков, размещаемых в реакционном объеме аппа-
рата (рис. 20), и <ц дются к специальным стойкам при помо-
щи хомутиков, к.зк ток.;заво на рис. 21 Грубы змеевиков выводят
из аппарата чере? <рь тку н крепят к штуцерам аппарата (рис.
22). При этом змеев а< •: помощью фланца 2 крепится болтами к
фланцу штуцера-J Вел? лий 'Ълаиец 1 служит для соединения змее-
вика (^фланцем трубопровод:.. подводящего или отводящего тепло-
носитель или хладса'егт. Аналогичным образом устанавливают
змеевики в Сталины?; чан эх.
106 i л. //. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
В котлах, выполненных по тин)' аппарата, показанного на
рис. 23, змеевики заливаются в стенки; в котлах другого типа
(рис. 24) змеевики приварены к внешней поверхности котла, как
показано на рис. 25,4.
Рис. 23. Котел с змеевика-
ми, залитыми б стенки.
Рис. 22. Вывод змеевика через
крышку аппарата:
/—верхний фланец ‘змеевика; 2—ниж-
ний фланец змеевика; 3—фланец шту-
цера; 4—штуцер.
Рис. 24. Котел с приварен-
ным и сна р уж и змеевика м и..
Рис. 25. Приварка наружны* змеевиков.
6. 06oi)iee '' ,:<да.накние реакционных аппаратов (0£
Иногда трубы змдзвр хов крепят х поверхности котла другими
способами. Так, трубы, разрезанные вдоль на две части, прива-
ривают к стенке котла ipiic. 25,Б) нормальным сварным швом.
Более упрощенный мето I крепления змеевиков—приваривание к
наружной стенке аппарата профильной стали (рис. 25,В).
Трубчатки. Трубч.кы и реакционных котлов выполняются из
таких же труб, ччо - 1мз .‘ввки Сравнительно короткие, в отличие
от змеевиков, отрезки руб ре чвальцечывают в отверстиях труб-
Нрег.ление тууо
ных решеток нлн приваривают чх к решеткам, как показано на
рис. 26. Трубные решетки крепят внутри цилиндрической части
котла на болтах или приваривают к стенкам аппарата.
6. ОБОГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ РЕАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ
Способ обогрева ч охлаждения реакционных аппаратов зави-
сит в первую очередь от температуры процесса, а также от
свойств выбранных теплоносителей и хладоагентов.
Применяемые теп лоносители должны удовлетворять следующим
требованиям:
1) достижение, высских температур при низких давлениях;
2) большая химическая стойкость;
3) отсутствие коррозионного действия;
4) высокий коэффициент теплоотдачи;
5) большая теплой иед.арения;
6) низкая темперарра плавления;
7)i взрыва- и сг1- зопасность;
8) отсутствие токен еских свойств.
9) дешевизна и дос |угш ость.
Х|Ладоагснты долины удовлетворять таким же требованиям,
лишь с той разницей, что и- и должны обеспечивать возможность
достижения низки:; тс::ператуо.
108
Гл. II Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Теплоносители. Наиболее распространенными в промышлен-
ности органических полупродуктов теплоносителями являются
водяной пар, электрический ток, топочные газы и др.
Водяной пар. Нагревание насыщенным водяным паром—са-
мый распространенный, доступный и дешевый способ нагревания.
По сравнению с другими способами нагревания он имеет це-
лый ряд преимуществ: легкость и точность регулирования темпе-
ратуры, компактность установок, использующих пар в качестве
теплоносителя, высокий коэффициент теплоотдачи и высокий
коэффициент полезного действия.
К недостаткам описанного способа нагрева относятся: невоз-
можность достижения высоких температур (порядка 200—250J)
и н<? бх д::\юсгь применения греющих элементе, рассчитанных на
давление.
Э л е к т р о о б о г р е в является наиболее удобным спо-
собом нагревания. Он дает возможность достигать высоких тем-
ператур, легко и точно их регулировать. Кроме того, установки
с электрообогревом легки, просты, компактны и работают с
высоким коэффициентом полезного действия (до 95%).
Топочные газы применяют в качестве высокотемпе-
ратурного теплоносителя. Практически температура газов состав-
ляет 700—1000°. Их получают сжиганием в печах природного или
генераторного газа. Нагревание топочными газами отличается
существенными недостатками, к которым относятся трудность точ-
ного регулирования температуры, низкий коэффициент полезного
действия и низкий коэффициент теплоотдачи, громоздкость обо-
греваемых установок. Поэтому вместо топочных газов предпочи-
тают, по возможности, применять другие теплоносители.
Дифенильная смесь (26,5% дифенила и 73,5% ди-
фенилового эфира) используется в тех случаях, когда требуется
нагревание до высокой температуры (250—380°). Дифенильная
смесь плавится при 12,3', кипит при 258° и начинает разлагаться
при 400°. При нагревании до 250° применяют жидкую дифениль-
ную смесь, при нагревании до 380° используют пары этой смеси
(давление 8—10 ати). Благодаря простоте и точности регулиро-
вания температуры, возможности передачи теплоносителя на
большие расстояния и другим достоинствам обогрев дифениль-
ной смесью находит все более широкое применение в промышлен-
ности органических полупродуктов и красителей.
Перегретая вода. Перегретую воду можно применять
для нагревания до температур порядка 350J. В этих условиях
вода находится в состоянии, близком к критическому (/'кр=374',
р1(р=225 ат). В качестве греющих элементов при использовании
перегретой воды применяются змеевики, залитые в стенкэ аппа
рата (см. рис. 23) или приваренные к его стенкам (см. рис. 24).
/ l i/.piiL i у pc. реакционных аппаратов
Хладоагенты. fi качестве хладоагентов в производстве орга-
нических полупродуктов и коасигелей используют воду и холо-
дильные рассолы. Охлаждающая вода имеет температуру 10—20°,
что дает возможность охлаждения до 15—25°. Применение хо-
лодильных рассол он позволяет производить охлаждение до более
низких температур ( — ’Т).
Для отвода тепла ри высоких температурах (150—500)
используют всзду> или { ас ял азы солей например нитрит-нитрат-
ную смесь, состоящую и:. 7% Ня'Юз, 40% NaNO-j и 53% KNOS.
7 ГАРНИТУРА реакционных АППАРАТОВ
Фланцевые уплотнено:;. Д.ш, герметизации реакционного объема
котлов между фланцами toti.i i фланцами кр-шки помещают
прокладку из yitiorasjeif.его материаг а. :акая итог: падка, сжа-
тая при затягившш.1 Алт:’. поепът-
ствует проникании! г. ; пп.зрата газов 2
и'паров через ф. ... г щ.. -.^х
В качестве унлотп:;: щте. (прокла- \ Д'! ;
дочных) материя, юн „) гмин; от шиу-
ровой и листовой те.'":"'. ;-'.':г!!Г/. па- .?-z
ронит. мягкое жене-о. -ню-линю. медь \ ' ! - " xL-L
_______I
Рис. 27. ‘);К'|('..|ъ-'<.‘Н1 t yn.юг
няющего ic6e<:r;>i':!। i
Рис. 28. Уплотняющие
капании на фланцах:
/"-уплотняющий шнур; 2—ка-
навки; прилив (капельница).
ф.ъ ш;.:';
и т. д.; Выбор материя.i прзкгадки определяется химическими
свойствами перерабать з юмьх веществ, температурой и давле-
нием в аппарате 1 ’иыг факторами.
Наиболее расгг’острщ гны асбестовые прокладки, применяемые
преимущественно г виде шнура. Шнур, уложенный на флянце
котла «змейкой» (рис. 271 раздавливается при затягивании болтов
и образует уплотнение, : ороло препятствующее прониканию га-
зов и паров из аппарпа. Рте.соложение уплотняющего шнура
«змейкой» способствует созданию более надежного уплотнения и
равномерному распределению во фланцах напряжений, возникаю-
щих при затягивании битов.
Для повышения надежности уплотнения на фланцах чугунных
я стальных котлов часто вытачивают канавки (рис. 28), в которые
но
Гл. if. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
укладывают уплотняющий шнур. При наличии таких канавок
удлиняется путь прохождения газов и паров, что препятствует
их удалению из аппарата. В непосредственной близости к флан-
цам крышки котла во многих аппаратах р асполагается прилив,
называемый капельницей. Капельница направляет в аппарат
жидкость, образующуюся в результате конденсации паров на
внутренней поверхности крышки. Благодаря этому жидкость
не затекает во фланцевое уплотнение.
В тех случаях, когда необходима высокая герметичность
аппарата (в большинстве случаев при переработке газов), при-
меняют фтанпевые уплотнения типа «впадина—выступ» (рис. 29)
Рис. 29. Фланцевое уплотнение
тип:; «впадина — выступ»..
Рис. 30. Фланцевое уплот-
нение стального футерован-
ного котла:
/—стенка котла; 2—диабазовая
плитка; 5’—диабазовая замазка:
/— свинцовая обкладка.
Изготовление этих фланцев несколько сложнее и дороже, но та-
кая конструкция их обеспечивает значительно большую плот-
ность фланцевых уплотнений.
На рис. 30 показан разрез фланцевого уплотнения стального
футерованного котла. Стенки котла 1 защищены диабазовой плит-
кой 2, уложенной в два слоя на диабазовой замазке 3. Фланцы
аппарата защищены свинцовой обкладкой 4.
Штуцеры. Подавляющее большинство аппаратов сообщается
друг с другом посредством трубопроводов, присоединяемых к
соответствующим штуцерам, которые располагаются обычно на
крышках аппаратов. К стальным крышкам штуцеры приварива-
ются, как схематически показано на рис. 31.
По способам А и Б штуцеры приваривают к крышкам аппара-
тов одинарным или двойным сварным ’швом. Эти способы наибо-
'А^ИГ. Jpll •jC-l.vL't'iOHf-'hlX
аппаратов
лее распространены благодаря простоте и надежности крепления.
Способ В применяется г. ге\ случаях, когда крышка аппарата не
Рис. 31 Сто?Л;.1 j;p iw.-iHii 'сталыш. штуцеров к крышкам
Je кичсшн аппаратоь.
должна иметь першисы й и острых выступов, недопустимых, ^на-
пример, при гуммировании и освиниовывании аппаратов. В слу-
чае необходимости бел е усаленного
крепления 'штуцеров и о '.’.выполняют,
например, по способу /
Штуцеры чугунных аппаратов (рис.
32) отливаются вместе г крышкой ап-
парата и составляя»’? с ней одно це-
лое.
Обычно все штуцере, расположен-
ные на крышке аппаратов, смеют оди-
наковый диаметр, что ooecienKBaeT их
взаимозаменяемости. Сеч-we нгуцеров
рассчитывают. ис.ход.-i и : возможности
эвакуации в течей ic !й -3') мин. всей
аппаратов выбирают
жидкости, находящейся ь аппарате.
Практически в i i ic’ i о" емкости
следующие диаметры . i уце:< : ci:
,f II. ), d, ММ
д- ИДО............................ 70
ЗООС—О) Ю .................. 80
_..[(» Ю0 . ., ... 100
112 / 11. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
В аппаратах, предназначенных для переработки агрессивных
веществ, наиболее быстрой коррозии подвергаются, как правило,
штуцеры. В штуцерах жидкости движутся с наибольшей скоростью,
что приводит к разрушению защитных оксидных пленок на по-
верхности металла, особенно в месте приварки штуцера. Как из-
вестно, сварные швы являются наиболее уязвимыми участками
металлической поверхности, подвергающейся коррозионным воз-
действиям. Поэтому во всех случаях, когда реакционные аппара-
ты должны быть защищены изнутри антикоррозионными покры-
тиями, не менее тщательно изо-
лируют штуцеры от непосредст-
венного контакта с химически
агрессивными средами. Штуцеры
гуммируют, обкладывают слоем
пластмассы или освинцовывают
Рис. 33. Штуцер, защищенный
гуммированчем, пластмассой или.
оещщцовап in.ni'.
Рис. 34. Штуцер, защищенный
фарфоровой гильзой.
(рис. 33), стыки защитного покрытия тщательно сваривают (про-
варивание) или обклеивают. При футеровке аппарата плитками
в штуцер закладывают на’силикатной замазке керамическую или
фарфоровую гильзу (рис. 34). Наиболее надежная защита штуце-
ров достигается при закладке в них гильз по подслою из свинца
или полиизобутилена (см. рис.'45, стр. 117).
Люки. В подавляющем большинстве случаев реакционные
котлы снабжаются люками или лазами, размещаемыми на крыш-
ках аппаратов. Люки служат для загрузки твердых материалов,
лазы— для внутреннего осмотра и ремонта аппаратов.
По форме люки делят на круглые и овальные; диаметры круглых
люков 100, 200. 300 и 400 мм, размеры овальных люков 300x400 мм.
Чаще всего люки выполняются круглой формы. Овальные люки
применяются преимущественно в тех случаях, когда на крышке
аппарата большой емкости не хватает места для размещения круг-
7. / а/ыип/л; рпспционн1'1х аппаратов
113
лого люка, но анпграт должен быть доступен изнутри для
осмотра и ремонта.
Круглый люк реакционною котла (рис. 35) состоит из цилинд-
рической горловины Л при крепленой к крышке аппарата, и пло-
ской крышки 2. Крышка при помоши валика»? прикреплена к гор-
ловине и может плотно прикрывать ее благодаря резиновой или
асбестовой прокладке, находящейся в уплотняющей канавке 4.
Люк может закрываться гермети-
чески. для этого крышку плотно
прижимают к горловине и затя-
гивают откидные болты.
При наличии откидных болтов
значительно усложняется откры-
вание и закрывание люков, по-
этому. кроме люка описанной
Рис. ЗГ>. Круглой ног:
1—горловина; 2- -крыши.!; нлл к; углгт-
шиошая кагг [!<£.
Рис. 36. Люк со скобой:
/ —норот; 2—натяжной винт; 3—скоба;
4—вилка.
конструкции, часто применяют люки со скобой (рис. 36). Вместо
болтов они имеют скопу 3, порот /, натяжной винт 2 и вилку 4.
При закрывании люк;: скобу подводят под вилку и, вращая во-
рот, плотно прижимают крышку люка к горловине, так как при
вращении ворота н.- .г.ыкной з>-т поднимает скобу и, опираясь на
нее, давит на краше.
Люки аппаратов, и эедпазиаченны < для переработки агрессив-
ных веществ, защищают о г коогюзии так же, как и сами аппараты.
На рис. 37 изображен круглый освинцованный люк. Для лучшей
защиты сварного шва < винновый воротник подведен под слой фу-
теровки. Крышка люка тазже покрыта свинцом.
8-2277
114
Гл. fl. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
На рис. 38 показан люк, защищенный кислотоупорной плиткой,
крышка люка покрыта слоем свинца.
Рис. 37. Люк, защищенный свин- Рис. 38. Люк, защищенный футе-
цом. ровной.
Диаметр в свету защищенных люков и лазов должен быть не
менее 400 лии, что необходимо для периодического осмотра аппа-
рата и ремонта футеровки.
В связи с этим лазы и люкг, которые должны быть футеро-
ваны, делают диаметром 500—600 мм.
Рис. 39. Труба на-
полнения.
Рис. 40. Установка керамического
патрубка наполнения:
1—керамический патрубок; 1—диабазовая за-
мазка.
7. , <i(:итем реакционных аппаратов
Трубы наполнения Штуцеры реакционных котлов, предназна-
ченные для залива жидкостей, снабжаются трубами наполнения
(рис. 39), представ; яющими собой короткие патрубки, вставлен-
ные в загрузочные штуцеры и прикрепленные болтами.
При отсутствии тр.б наполнения загружаемая через штуцер
жидкость растекается по внутренней поверхности крышки и по-
падает в прокладку, ееаходящуюся между фланцами, что весьма
нежелательно. Поэтом; трубы наполнения считаются строго обя-
зательными деталями реакционных аппаратов.
Чтобы жидкость ыр । загрузке не разбрызгивалась и не попада-
ла на стенки котла, кпжпцц конец загрузочных труб должен быть
срезан под углом Иг. Диаметр труб на-
полнения— рассчитыва от, исходя из объ-
емного расхода и допускаемой скорости
потока жидкости но трубопроводу (от 0,75
до 1,5 я /сек I.
В футеровал ныл. к.от.г.г т устанавли-
вают трубы пано.юю.ия. изготовленные
из материалов, устойчивых, к коррозии.
На рис. 40 показать у -та нов к а керамиче-
ского патрубка к. . цтия mi диабазо-
вой замазке.
Трубы для передавливания (-(ерсдавли-
вающие трубы) с. ужат для эвакуации
жидких веществ из ап г арата сжатым воз-
духом и являются несохорд мой принад-
лежностью большинет; г реакционных кот-
лов. Эти трубы \станзг.ливают в тех слу-
Рис. 41. Установка
изогнутой трубы для
передавливания.
чаях, когда реакцией iсю v/rccv ит дан-
ного аппарата при.хсдпгст. транспортировать в другие аппараты,
расположенные выпи? или рьдои.
Установка перед э щпваюшщ трубы в реакционном котле схе-
матически показана па рис. II. Как видно из рисунка, труба
крепится к соответствующему штуцеру на крышке аппарата при
помощи фланцев и болтов. Нижний конец передавливающей
трубы загибают таю м образом, чтобы при установке ее в ап-
парате этот конец iipnxi' рно совпадал с центром днища в низшей
точке аппарата.
Для увеличения площади сечения во входном отверстии пере-
давливающей труби; нижний конец ее срезают под углом 45е'.
Полнота эвакуации жидкостей через передавливающие трубы,
зависит от устройся в,- и расположения входных отверстий.
Передавливающие, грубы аппаратов без мешалок располагают
в центре по вертикальной оси. При этом трубы делают прямыми
и устанавливают тик. чтобы входное отверстие находилось над
116 Гл. //. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
центром днища на высоте, равной половине диаметра трубы
(рис. 42).
Иногда в качестве передавливающих труб используются полые
валы мешалок.
Нижний спуск. В стальных и чугунных реакционных котлах,
не. имеющих рубашек, нижний спуск по устройству не отличается
Рис. 42. Установка
центральной трубы
для передавливания.
от штуцеров.
В реакционных! котлах, снабженных
рубашками, нижний спуск выполняется
по-разному. Если рубашка приваривается
к аппарату, нижний спуск может быть
выполнен так, как показано на рис. 43.
В тех случаях, когда рубашка не прива-
ривается к аппарату, нижний спуск вы-
полняется чаще всего в форме сальниковых
устройств. Патрубок 1 (рис. 44), через
который из котла удаляется реак-
ционная масса, выводится наружу через сальниковую короб-
ку .У, приваренную к рубашке 2. Кольцевой объем сальниковой
Рис. 43. Нижний спуск в котлах с приваренными
рубашками.
коробки заполняется уплотняющим материалом 4 и герметизи-
рует теплоноситель, находящийся в рубашке. Герметизация про-
исходит при затягивании нажимной втулки 5, прикрепляемой к
сальниковой коробке шпильками 6. Трубопровод, соединяющий
нижний спуск с другими аппаратами, крепится к патрубку котла
при помощи фланца 7 и болтов 8.
При переработке агрессивных веществ нижние спуски, как и
аппараты, должны быть защищены от коррозии. На рис. 45 по-
казан способ защиты нижнего спуска стального футерованного
чана. Чан изнутри защищен диабазовой плиткой /, уложенной
едва слоя. Спускной штуцер защищен керамическим патрубком 2,
установленным на диабазовой замазке 3 с подслоем полиизобути-
лена 4.
реакционных аппаратов
Рис- 44- Нижний с: усь в котлгк
с рубашками, усташк .'жгпымг ца
фланках:
/—патрубок; 2 -рубгппча мinni.^i га; ?—(Фи-
никовая коробка; /- уп.г Л'ня oiiifii мак-
риал; 5—нажимная е--у; -сг:; >. -шшиики;
7—фланец; S-- "у..iтi. .
Рис. 45. Нижний спуск у сталь-
н ых футерованны х ч а нов;
/—диабазовая плитка; 2—керамический
па трубок; диабазовая замазка; 4—поли-
изобутилен.
Гильзы для термометров. Измерение температуры веществ,
перерабатываемых в реакционных котлах, производится главным
образом с помощью удлиненных термометров или термопар, по-
мещенных к гильзы. Гильзы выполняются в виде закрытых с одно-
го конца трубок из чугуна или стали. При установке в гильзы тер-
мометров, в эти трубка заливают машинное масло или высококи-
пящую жидкость, чгэ необходимо для создания лучших условий
теплообмена.
Термометрические гильзы вставляют в аппарат через штуцеры
и прикрепляют к г им при : смощи болтов. На рис. 46 показана
чугунная гильза, на рис. 47 стальные гильзы. Иногда верхнюю
часть гильз для термометры! утолщают, что способствует увеличе-
нию механической прочности длинных гильз. Это важно для аппа-
ратов, в которых производится размешивание густых и вязких
масс. В чу[унных .шльзах (см. рис. 46) верхняя часть стенок дела-
ется утолщенной при отливке в стальных гильзах (рис. 47,Б)
на верхнюю часть г и. ,ьзы для утолщения надевается отрезок
трубки.
Сальники. Подаши ющее большинство реакционных аппаратов
снабжено мешалками. В промышленности органических полупро-
дуктов используются -лавным образом лопастные, рамные, якор-
ные, пропеллерные н турбинные мешалки. Характеристики этих
мешалок, их конструктивные. особенности и области применения
подробно рассматриваются в курсе :Основные процессы и аппа-
раты химической технологию.
Валы мешалг.к выводятся из реакционных котлов наружу через
приспособления намываемые сальниками. Эти приспособления
I (8 Гл. 11. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Рис. 46. Чугунная
гильза для термо-
метра.
Рис. 47. Стальные гильзы
для термометрии.
должны обеспечивать возможность свободного вращения вала
мешалки и не пропускать наружу газы и пары, находящиеся в
аппарате под давлением, пли не пропускать воздух в аппарат,
работающий при разрежении.
В технике применяются весьма разнообразные сальники, одна-
ко сальники обычных реакционных аппаратов по устройству одно-
типны. Они состоят (рис. 48) из сальниковой коробки, нажимной
втулки и грундбуксы. Сальниковая коробка отливается из чугуна
с.р/'ь гура реакционных аппаратов
119
Ри.-. .. . Кругдып сальник:
-нажимния втулка; 2—шпильки; сальниковая
коробка: -стопорный нипт; .5—грундбукса; 6—
уплотняющий материал.
и прикрепляется шпильками к стальной крышке аппарата; если
крышка аппарата выпол гена из чугуна, то сальниковая коробка от-
ливается вместе с крышкой. 13 сальниковую коробку вставляют
бронзовую грундбуксу II прочно закрепляют ее при помощи сто-
порного винта, Через грунд-
буксу и сальниковую порею-
ку пропускают вал шю яки,
который плотно охаатынается
грундбуксой и не касается
прочих деталей сальника.
Назначение грундбук: л «на-
правлять» вал мешалки, т. е.
препятствовать его зибриро-
ванию и колебаниям при вра-
щении, а также поддержи-
вать уплотняющий материал.
Зазор между валон мешал-
ки и сальниковой коробкой
заполняется у плоти мощей
набивкой, в качестве, ко; орой
применяют льняную пдетен-
ку, асбестовый шнур или
другие набивки. Зга набивка сжимается при затягивании саль-
ника, т. е. тогда, когде
Рис. 49. Эллиптический
сальник.
нажимная втулка, вставленная в саль-
никовую коробку, начинает двигаться
вниз в результате завертывания гаек
на шпильках. Спрессованный уплотня-
ющий материал препятствует проника-
нию газов и паров из аппарата через
сальник. Нажимная втулка крепится к
сальниковой коробке посредством нес-
кольких шпилек (обычно две или четы-
ре шпильки).
При наличии двух шпилек флан-
цы нажимной втулки имеют фор-
му ал.липса (рис. 49), а при четырех
шпильках—-форму окружности.
При высокой температуре условия
работы сальников осложняются. В этих
условиях ускоряются процессы окисле-
ния сальниковой набивки, она теряет
эластичность, нарушается ее герметич-
ность. Другим осложняющим фактором
является химическое воздействие пере-
рабатываемых веществ.
120 Гл. //. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
На рис. 50 показана конст рукция сальника с водяным охлажде-
нием, защищенного от действия агрессивной среды, заполняющей
Рис. 50. Сальник с водяным охлаждением и
защитой от коррозии:
/—нажимная втулка; 2—трубка для подвода воды;
5'—фланец; /—коробка для охлаждающей воды; 5—
корпус сальника; 6—грундбукса; 7—слой антикорро-
зионного металлического покрытия; Я—набивка; .9—
трубка для отвода воды; /^—трубка для подвода
смазки.
алов для их изготовления приводятся
логах НИИхиммаш.
реакционный аппарат.
Сальник состоит из
корпуса 5, фланца .У,
при помощи которо-
го сальник крепится
к аппарату, грундбук-
сы 6, сальниковой на-
бивки 8, нажимной втул-
ки 1, трубки W для под-
вода смазки и коробки 4
для охлаждающей воды.
Вода подводится в ко-
робку по трубке 2 и уда-
ляется через трубку 8.
Для защиты от коррозии
сальник снаружи имеет
металлическое покры-
тие 7.
В заключение следу-
ет отметить, что все ос-
новные виды гарнитуры
реакционных котлов в
настоящее время нор-
мализованы.
Эскизы их с указа-
нием размеров, рекомен-
дуемых типов и матери-
в соответствующих ката-
s. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ РЕАКЦИОННЫХ АППАРАТОВ
Электроприводом реакционных аппаратов называют сово-
купность механизмов, передающих движение от электродвига-
теля валу мешалки или другим движущимся частям аппарата.
Приводы реакционных аппаратов могут быть групповыми и инди-
видуальными. Групповой привод передает движение валу мешал-
ки от трансмиссии и не связан непосредственно с электродви-
гателем. Индивидуальный привод передает движение от электро-
двигателя валу мешалки при помощи зубчатой, червячной или
клиноременной передачи и непосредственно связан с электродви-
гателем. В настоящее время в промышленности органических по-
лупродуктов и красителей индивидуальные приводы почти повсе-
местно вытеснили групповые приводы.
<S'. е^ыктро приводы реакционных аппаратов
121
На рис. 51 пока:-г и индивидуальный электропривод с верти-
кальным одноступенчатым цилиндрическим}редуктором типа ВО,,
привод установлен на крышке реакционного* аппарата типа котла.
Рис. 51. Упаковка индивидуального электро-
привода с вертикальным одноступенчатым ци-
линдрическим редуктором:
1—электрод5и iTe.it; П-редуктор; f <7—муфта; /—стойка
для кр клопия привода.
Одноступенчатые вертикальные редукторы имеют передаточ-
ные числа от 8,25 до 3,66, таким образом при стандартных числах
оборотов электродвигателей (750, 1000 и 1500 об/мин.) скорость
122 Гл. II. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
вращения выходного вала составляет от 90 до 400 об/мин.
Если вал должен иметь меньшее число оборотов, устанавливают
приводы с вертикальными двухступенчатыми цилиндрически-
ми редукторами типа ВД. Передаточные числа двухступенчатых
Рис. 52. Установка индивидуального элект-
ропривода с вертикальным двухступенчатым
цилиндрическим редуктором.
цилиндрических редукто-
ров от 73,4 до 9,75, это
обеспечивает скорость вра-
щения выходного вала от
10 до ПО об/мин. Общий
вид установки электропри-
вода с двухступенчатым
цилиндрическим редукто-
ром, смонтированным на
крышке реакционного ап-
парата (типа котла), пред-
ставлен на рис. 52.
Вертикальные редук-
торы используются в диа-
пазоне мощности от 0,6 до
100 кет.
Вертикальные цилинд-
рические редукторы имеют
планетарную передачу.
Шестерня одноступенча-
тых редукторов, установ-
ленная на валу элект-
родвигателя, выполняет
функцию солнечной ше-
стерни. В двухступенча-
тых вертикальных редук-
торах установлена допол-
нительная пара цилинд-
рических зубчатых шесте-
рен, при этом шестерня,
установленная на валу
электродвигателя, являет-
ся первой ступенью цилин-
дрической передачи реду-
ктора, а планетарная пе-
редача второй ступенью.
При горизонтальном
расположении вращающе-
гося вала в химических ап-
паратах применяются го-
ризонтальные цилиндриче-
tf. h‘<;i poi pui ^ih -л1 мизинных аппаратов
123
ские редукторы. lh>inv<j:ae’c>i три типа таких редукторов: одно-
ступенчатые типа ГО [р с. 5i.! 1, двухступенчатые типа ГД (рис.
53,5) и трехступе: ч.?ты? тип ГТ (рис. 53.В). Схема зубчатых пе-
редач в горизонт ругулорах типов ГО и ГД показана на
рис. 53, А и Б.
л
z;
Рис. 53. Гор; инггальтые тлпндрические редукторы:
Л—сдност.гк ii'-ii.' тиг1 ГС-; '’.'—двухступенчатый тцпа ГД.
124
Гл. II. Материалы и узлы типовой реакционной аппаратуры
Одноступенчатые горизонтальные редукторы имеют переда-
точные числа от 8.90 до 3,95, что при указанных выше стандарт-
ных числах оборотов электродвигателей дает скорость вращения
выходного вала от 80 до 380 об,мин. При меньших числах оборо-
тов горизонтального вала устанавливают двух- и трехступенча-
тые редукторы с передаточными числами от 49,84 до 10,35 (для
двухступенчатых редукторов) и от 175,6 до 72,1 (для трехсту-
пенчатых). При этом скорость вращения выходного вала для двух-
ступенчатых редукторов составляет от 15 до 140 об/мин. и для
трехступенчатых от 4 до 20 об, мин. Мощность выпускаемых го-
ризонтальных цилиндрических редукторов от 0,3 до 140 киш.
Рис. 53, В. Горизонтальный цилиндрический
трехступенчатый редуктор типа ГТ.
В настоящее время в промышленности органических полу-
продуктов и красителей наиболее широко распространены описанные
выше приводы. Они отличаются большой компактностью, удобст-
вом в эксплуатации, относительно высоким коэффициентом по-
лезного действия и достаточно универсальны в применении.
Однако в ряде случаев еще работают установленные ранее редук-
торы других типов.
Цилиндрические редукторы рассчитаны на длительную работу
при температуре от 5 до 50", относительной влажности воздуха
не выше 50% и концентрации взвешенных частиц в воздухе не
более 50 г/л.
<>. п/лш Д реакционных аппаратов
125
При наличии высокой стоики вертикальные редукторы можно
устанавливать и на аппаратах, работающих при высоких темпе-
ратурах.
Редукторы ком, .'lei. , уни :.1- с электродвигателями различных
типов, в том числе с >лехтродвигателями во взрывобезопасном
исполнении.
Описанные выше кд гика/;иные и горизонтальные цилиндриче-
ские редукторы норма шаоз.шы. Подробная характеристика их
приведена в каталоге <1 'едоктор л цилиндрические» (НИИхиммаш,
.1958).
Г Л А В Л I! I
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ
И ДОЗИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ
При любом производствен ном процессе, кроме реакционных
аппаратов, требуется аппаратура для проведения гидромехани-
ческих, тепловых и массообменных процессов, а также необходимо
оборудование для хранения, транспортировки и дозирования ма-
териалов и веществ, подвергаемых переработке. Это оборудование
является в значительной мере общим для различных отраслей
химической промышленности и изучается в курсах «Процессы и
аппараты химической технологии», «Контрольно-измерительные
приборы», а также в других специальных курсах. Поэтому в по-
следующем изложении оно рассматривается очень кратко.
В промышленности органических полупродуктов и красителей
перерабатываются вещества, находящиеся в различных агрегат-
ных состояниях, в связи с этим в данной главе описываются
способы хранения, транспортировки и дозирования жидкостей,
твердых веществ и газов.
1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ
И ДОЗИРОВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Оборудование для перемещения жидкостей на дальние
расстояния
При перевозке жидкостей на дальние расстояния пользуются
обычными товарными вагонами или специальными вагонами-
цистернами. Первые применяются лишь при перевозке небольших
количеств жидкостей в таре (в контейнерах, бочках или бутылях),
вторые—для транспортирования больших количеств жидкостей.
Цистерны. Применяют самые разнообразные типы
цистерн в зависимости от их назначения. Их можно разделить на
три основные группы: 1) двухосные цистерны емкостью 25 л3,
2) четырехосные цистерны емкостью 26 м3 и 3) четырехосные ци-
стерны емкостью 50 мя.
Ot'topi/fio.iiiни-' для перемещения жидкостей.
Ш
Рис. 54. Двухосный вагон-
цистерна.
Схематически цистерна изображена на рис. 54.
Для перевозки незамерзающих и неагрессивных жидкостей с
удельным весом не более единицы применяются двухосные ци-
стерны емкостью 25 ж и четырехосные емкостью 50 м\
Меланж, серную kiczotv (купо-
росное масло) и олеум перевозят в
четырехосных стальных цистернах
емкостью 26 ж3 (грузоподъемность
50 т).
Для транспортировки азотной и
уксусной кислот любой концентра-
ции пользуются алюминиевыми
цистернами; соляную к зелоту можно
перевозить в стальг-дх. гуммирован-
ных цистернах.
Аммиак транспортируют в двухосных стальных цистернах ем-
костью 25 м'л (грузоподъемность 25 /и) и в четырехосных стальных
цистернах емкостью 50 и3 (грузоподъемность 50 т). Такие цистер-
ны снабжены теплоизоляцией из стеклянной ваты или шлаковаты
толщиной 150 м.1' и защищены от атмосферных осадков кожухом
из кровельного железа
Для перевозки расплав ленных продуктов (нафталин, фталевый
ангидрид, олеум, содержаний 60—65% свободного серного ан-
гидрида) используют стальные, цистерны с обогревом. Снаружи
к стенкам таких цистерн приваривают змеевики для обогрева
паром (давление 7 агрц) Цистерны для перевозки расплавленных
продуктов, аналогично аммиачным цистернам, снабжены термоизо-
ляцией и защищены от атмосферных осадков.
К о н т е й н е р г. используются для транспортирования жид-
костей на большие расстояния и для перевозки их по территории
завода. Описание контейнеров приведено ниже, в разделе «Обо-
рудование для транспортировки жидкого сырья по заводской
территории» (стр. 135 и сл.).
Бочки применяют для транспортирования неагрессивных
жидкостей и жидкостей, оказывающих коррозионное действие.
Для перевозки неагрессивных жидкостей используют обычные
стальные бочки. В случае перевозки жидкостей, обладающих кор-
розионным действием, стальные бочки защищают изнутри рези-
ной, полиизобутилени.м. полиэтиленом (рис. 55). Для нанесения
защитного покрытия необходимо обеспечить доступ к внутренней
поверхности бочки, поэтому бочку делают разъемной, выполняя ее
из отдельных царг, собираемых на фланцах (узел /). Загрузка
и выгрузка жидкости из бочки производятся через горловину
(узел II). Вес разт>емн<?и бзчки превышает вес обычной стальной
бочки на 20%.
128 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Рис. 55. Разъемные бочки для транспортирования агрессивных жидкостей:
/—фланцевое соединение; //—горловина.
Оборудование для хранения жидкостей на складах
Большие количества жидкостей, транспортируемых на дальние
расстояния, почти никогда не поступают непосредственно к месту
потребления. Вначале их направляют на склад, откуда по мере
потребности распределяют по производственным цехам.
Для хранения больших количеств жидких продуктов на скла-
дах применяются резервуары-хранилища самых разнообразных
конструкций, изготовленные из различных материалов, в зависи-
мости от физико-химических свойств хранимых веществ. Наибо-
лее широкое применение в промышленности органических полу-
продуктов находят хранилища из стали и железобетона.
Стальные хранилища выполняются в виде горизон-
тальны;х пли вертикальных цилиндрических, реже прямоугольных
резервуаров. Горизонтальные и вертикальные цилиндрические
резервуары снабжаются сферическими или плоскими днищами
в зависимости от способа эвакуации жидкости из хранилищ.
Для работы без давления служат резервуары с плоскими днищами,
для эвакуации жидкости при помощи сжатого воздуха или ваку-
ума применяются цилиндрические резервуары с выпуклыми или
( - '.iji лр.гы’.-шя мЮкостей ни складах 129
погнутыми сферическими днищами. Если в вертикальных цилин-
дрических резервуарах ж:у кость отстаивается от воды или дру-
гих примесей, резерв-, ары снабжают коническими днищами.
Крышки вертикальных цилиндрических резервуаров, как
правило, конические или плоские; прямоугольные резервуары-хра-
нилища снабжаюген вюскимк крышками.
Внутреннюю поверхность стальных резервуаров защищают
различными покрытиями из материалов, стойких к действию
хранимых веществ \cti. ':?i и ел.).
4,На рис. 56 показан стальной вертикальный цилиндрический
резервуар-хранилище пя жидкостей”, застывающих при низких
температурах. В зижней tac и резервуара расположен паровой
змеевик /, уложеины я i а спорную конструкцию 2 так, чтобы все
стороны змеевика омыв щись нагреваемой жидкостью. Резервуар
имеет шатровую крышк\ 9, покоящуюся на фермах 11. На крышке
расположены: люк •?, з нт ил анионный патрубок 10, люк 12 для
контрольного зан.- а урви/ ж адкости. Для подъема на крышку
резервуар снабжен ./е .т: ицей Количество жидкости в резервуа-
ре контролируется up-: юмоци поплавка 13 и измерителя уровня
/5. Удаление ж .дькт ,j из резервуара производится через шту-
цер 3, соединении Ji с трубой 4. Эта труба шарнирно закреплена в
месте подвода к ыгуцер-. Угол наклона трубы регулируется руч-
ной лебедкой 5 ищ i л .юшз пиюа б, перекинутого через ролико-
вый блок 7. Если ж -/ioci'.:, хранящаяся в резервуаре, должна
отстаиваться (нг: рпь.-ш с г воды), то вначале удаляют верхние
отстоявшиеся слои жидкости, а затем нижние .Самый нижний слой
удаляется из резервуар . только при его чистке. Наклон трубы 1
контролируется чо пок. загшя .1 -нка-лы /б.
Железо б е т ~ и ( ы е р е з е р в у а р ы-х ранили-
щ а в последнее время i-аход; г широкое применение для хранения
больших количеств viiin -рглзвых кислот на складах и в цехах .
Такие резервуары апоювляют большей частью цилиндрически-
ми, реже—прямоу г.ыми. Днища их делают.. как правило .
плоскими, в виде ба.' поной пли безбалочной плиты, однако не
исключена возможност!: устройства днищ конической и. сфериче-
ской форм.
На рис. 57 предсгаа.ien железобетонный резервуар, футерован-
ный изнутри двумя слоями полиизобутилена . Крышка б резер-
вуара поддерживается колонной 7. На крышке имеется горлови-
на 3, на которой см.'иг.'взонам люк 4 с четырьмя штуцерами .пред-
назначенными дня иап'убка наполнения, для замера уровня и
для вентиляционного патрубка, четвертый штуцер—запасной.
Содержащиеся в жидкости примеси при отстаивании скапливаются
я приямке 12. Жидкости удаляемся из резервуара через штуцер 10,
а из приямка—чере.- штуцер 11 .
9—2277
130 Г.i. 111. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Рис. 56. </галi.ikh'i нерп(ка.чыinii iiiuiiiiii'ieci<iiii ре-
зервуар-хранилище:
у—змеевик; 2—опорная конструкция; 7—штуцер ; 4—груба; о—
ручная лебедка; 6—трое; 7—роликовый блок; Я—люк; 9—крыш-
ка; Я’—вентиляционный патрубок; // —фермы; /2—люк для за-
мера уровня жидкости; 13—поплавок; /4—лестница; /5—измерь
толь уровня жидкости; /5—шкала.
/--резервуар; I'-'.t.i i.u-i полпиву склеил; J -горловина; -/-люк; 5—крыш-
ка люк;с >' - xpi.iiui;] pt ерьуцв 7-колонна. ...лестница; 9—лаз; /О, И—
п гущ л г, /2-гриямок.
Для ремонта и очистке а резервуар спускаются по лестнице 8
через лаз 9. Все мет а." ппческие детали в резервуаре покрывают пер-
хлорвиниловым .-аком (лк защиты от агрессивного действия хра-
нимых жидкостей.
Оборудование для транспортировки жидкого сырья
по заводской территории
Из общих окна.',он жидкое сырье распределяется по производ-
ственным цехам в сравнительно небольших количествах, и подача
его может производиться гтесекачиванием по трубопроводам с
помощью насосов или путем перевозки в контейнерах. Выбор спо-
соба подачи зависит oi свойств транспортируемых жидкостей, их
количества и расстояния от складов до мест потребления. В на-
стоящее время наиболее распространено перекачивание жидко-
стей по трубопроводам. требующее меньших затрат труда и более
удобное при эксплу.'та <ип, особенно в случае транспортирования
больших количеств жидкисти на небольшие расстояния.
9*
132 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Для перекачивания жидкостей по трубопроводам чаще всего
используются центробежные насосы различных типов.
Рис. 58. Погружной
центробежный насос:
/—электродвигатель; 2—на-
гнетательный штуцер; 3—
фланец; /—корпус насоса;
5—вал; 6—улитка; 7—тур-
бинка; Я—защитная втулка;
9—всасывающий патрубок;
10—решетка.
Перекачивание огневзрывоопасных жид-
костей! часто производят насосами с па-
ровым приводом, вполне безопасными в
пожарном отношении. Поэтому такие
насосы широко используются для транс-
портирования спиртов, бензола, толуола
и т. п. В случае установки электропри-
вода он должен применяться во взрыво-
безопасном исполнении. Перспективно при-
менение бессальниковых насосов с элект-
ромагнитным приводом. Отсутствие в них
сальников обеспечивает большую гермети-
чность насоса,'так как в обычных цент-
робежных насосах при перекачивании
растворителей (бензол, толуол и др.)
происходит вымывание сальниковой на-
бивки.
При перекачивании жидкостей центро-
бежными насосами с небольшой высотой
всасывания складские помещения обору-
дуются специальными устройствами для
заливки 4 насосов: напорными бачками,
заливными колонками или ручными на-
сосами.
Материал трубопроводов для перекачи-
вания жидкостей выбирается в зависимо-
сти от свойств'перекачиваемой жидкости.
В промышленности органических полу-
продуктов находят применение стальные,
чугунные, свинцовые, медные, алюминие-
вые, керамические, стальные гуммирован-
ные и текстол итовые трубопроводы, а также
трубопроводы из специальных сталей и
других материалов.
Для перекачивания широко применя-
ются погружные центробежные насосы
(рис. 58). Насос устанавливается на люке
аппарата, к которому прикрепляется с по-
мощью фланца 3. Насос состоит из корпу-
са 4, вала 5, улитки 6, турбинки 7, за-
щитной втулки 8, всасывающего патрубка 9, решетки 10, нагнета-
тельного штуцера 2. На крышке насоса установлен электро-
двигатель /. Погружные насосы изготовляются из серого или
O6opt»;<:i4i‘>bi! для грачспортировки жидкого сырья 133
легированного чугуна иди из кислотостойкой стали. Глубина
погружения насосан; 2,5——3,3 ж. При использовании погружных
центробежных на<сс .в удается предотвратить утечку жидкостей
через сальниковые 'п.кгнения и охлаждение перекачиваемых
продуктов. Погружные центробежные насосы применяются также
для перекачивания низких и легко кристаллизующихся жидко-
стей, для переиа1-икания кислот (куноросного масла, моногидрата
серной кисло'"ы олеума, нитрующих смесей и т. д.) и расплавов
(едкого натра, нь фтал иг. а. ф-элевого ангидрида и др.). Произ-
водительность выпускаемых насосов от 3 до 20 мЧчас, создава-
емый ими напор дс г'0 ж.
Перемещение жидкости то трубопроводу может производиться
при помощи сжатое:, воздуха или инертного газа или посредством
вакуума.
Для перемещения жи.д.-ости п р и п о м о щ и ежа т о г о
воздуха Щ)пм( няются специальные аппараты—монтежю.
Этот способ перемещения имеет существенные недостатки. Так,
применение ci о в i рон-щощ.тве органических полупродуктов и
красителей стран.raei о огэевзрывоопасностыо ряда применяемых
жидкостей (бензол, "олуол. спирт и т. д.). Кроме того, расход
энергии при .т-ох способе геремещения жидкостей чрезвычайно
велик, так как коэффициент полезного действия монтежю (как
насоса) не превышает 5—10%.
Засасывани-? жидкост?. из резервуаров-хранилищ в а к у у'м-
н а с осам и ro'-ii не используется для передачи веществ
на большие paccrom: ;я, так как величина создаваемого напора не
может быть боле? 1 ат.и. В связи с этим область использования
обоих указанны1; < обе : перемещения жидкостей ограничивает-
ся внутрицеховым ту нс г;,ртом.
Кон т е й я е р а шире <о применяются для перевозки вяз-
ких, легко крист; ллпзунщихся и химически агрессивных
жидкостей, а тзьже при перевозке небольших количеств жидко-
стей на сравните." i-.ь.о далекие расстояния. Перевозка контейнеров
по заводской территории производи гея автотягачами, электрока-
рами-тележками, ki тори с снабжены электродвигателями или
двигателями внутреннего сгорания (автокары). Недостатками тя-
гачей и автокар являются выделение выхлопных газов, некоторая
сложность упг •.Елен в я, чзелстная псжароопасностьГи т. д.; в свя-
зи с этим предпочитают применять тележки с электродвига-
телями.
На рис. 59 гска? .и! контейнер с обогревом, смонтированный на
платформе автепципена и предназначенный для перевозки засты-
вающих жидкис':ей. Емкость контейнера 2000 л. Пар подается
в обогревающие эш щщты. выполненные из уголков 2 и змеевиков 3.
привареннных к кэрпусу контейнера.
Рис. 59 Контейнер с обогРевом, смонтированный на автоприцепе:
•корпус контейнера: 2—уголк',г, —зм^евикн: /—лестница; 5—автоприцеп; 5—площадка: 7—Лестница; 6—люк; ,о—труба для
Передавливания.
i.'otipi/ 'tiri <Ъ -i '!pai-.ciiopiiipoeKii жидкого сырья 135
Снаружи контенне.р икныт слоем теплоизоляции. Жидкость
эвакуируют из кон тем нерп ;.кт'ым воздухом или газом, псрздавли-
вание произведите;! через грубу 9, установленную в штуцере
люка 8. Для обслуживание оборудована металлическая пло-
щадка 6 с лестницей 7. Площадка вместе с контейнером монти-
руется на платформе автоприцепа.
Ряс. 60. ()Й01|к r i l OH 'ey i/т, дл.я nepiTio ikii .<ai'Ti,iii;in>ui,ii x жидкостей:"
i - -ел.!. > cceMHa-i сгонка; л- петли.
На рнс 60 ист.к jut eiitiep тина КЖ-4,8 с внутренним обо-
гревающим эленен-т . в>.1 по.чненным з виде змеевика /, в который
подается гдеющин rap. Д.г; захвата контейнеров крюками подъем-
ных механизмов те,:усмотрены нет.ш 3. Отличительной особен
ностыо контейнера является съемная стенка 2. Благодаря разъем-
ной конструкпиг коп гейнер может быть защищен изнутри анти-
коррозионным иск ш.1: не м суммирование, слой полиизобутилена
и т. д.). KoH'ieiirei'M тит. КЖ-Д8, защищенные от коррозии,
могут прнме.кягьсн для Г"?рево.зки агрессивных жидкостей".
136 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Для перевозки незамерзающих жидкостей используются контей-
неры, аналогичные изображенным на рис. 59 и 60, но без обо-
Рис. 61 Контепнез для пе-
ред оз к и р а сел а и в а к> щи хся
жидкостей:
/—люк; 2—съемная крышка;
петли.
грева.
Контейнеры типа КЖЛ-1,9 (рис. 61)
предназначены для перевозки расслаи-
вающихся жидкостей. Перед сливом
жидкость размешивается механической
мешалкой, погружаемой в люк /, за
крывающийся съемной крышкой 2. Та-
кие контейнеры могут быть применены
для транспортирования суспензий ор) н-
нических по лупродуктов.
Характеристика контейнеров приве-
дена в табл. 5 (стр. 152). Контейнеры
описанных типов КЖ-4,8 и КЖЛ-1,9
используются для перевозки жидко-
стей на расстояние до 500 км.
Новым видом тары для перевозки
химически агрессивных и горючих жид-
костей, а также сыпучих материалов
являются складные резиновые контей-
неры, изготовляемые из резины, арми-
рованной синтетической тканью. Такие
контейнеры имеют вид мешков или бал-
лонов, емкость их достигает 10,5 м
При перевозке грузов в складных, рези-
новых контейнерах вес тары составляет
только 3—10% от веса контейнера, за-
полненного жидкостью или сыпучим
материалом. Погрузка и разгрузки
складных резиновых контейнеров ме-
ханизированы, перевозят их на авто-
машинах и железнодорожных плат
формах.
Аппаратура для хранения жидкостей в цехах
Количество жидкостей, которое разрешается хранить в цехе
вых складских помещениях, зависит, от огне- и взрывоопасных
свойств жидких веществ. Для неорганических жидких веществ
(кислоты, щелочи, растворы солей) допускается хранение их в ко-
личестве 1—3-суточного расхода. Органические жидкие вещества,
как огневзрывоопасные, можно хранить в цехе в количествах, не
превышающих расход таких жидкостей на 1—2 операции. Вообще
же, для обеспечения пожарной безопасности, хранения жидкого.
Аппарат урн >ля лрипечая жшЖаптей к цехах
органического сырья - :,е>озь;.\ складах следует но возможности
избегать.
ДЛя хранения жидкостей г. цехах используются преимуществен-
но вертикальные или горизонтальные цилиндрические хранили-
ща-монтежю и примоугсльнЕле резервуары.
Вь|бор типа хранилищ зависит от способа эвакуации из них жид-
кости |и ее огне- и взрывоопасны*, и токсических свойств. Для опо-
рожнения хранилищ пр т помощи сжатого воздуха или вакуума тре-
буется аппаратура, за ы читан! ын на работу под давлением. Хра-
нение огне- и г <рт;во<'Т.т :ньы к токсичных жидкостей допустимо
толькр в repwi’o чны
пилитЦа, снабженные
». емкостях. Цилиндрические монтежю-хра-
сферическим днищем п крышкой, вполне
удовлетворяют' у<аззн i м требованья i . поэтому такие., сосуды
применяются,;лч ко. т ;:-ня сгн;- ь взрывоопасных жсячостей н жид-
костей, транспортирует-.. х ври г омоши сжатого воздуха. Для хра-
нения огне-ивзрывоси.:.е ы: жидкостей,эвакуация которых произ-
водится самотеком или геи г ймощн насосов, используются прямо-
угольные резерв'). । .1 кран.к ищ .
М <) н т е ж ю пр и иенякзте т те только идя хранения жидкого
сырья-и транспортаровь его по'- помощи сжатого воздуха, ио и
для проведения не к <:п :>рых вспомогал ел иных операций (отсасыва-
вание фильтратов с ну--!-фильтров, сбор дистиллятов па установ-
ках, работающих пр; разрежении, п т. д.). Для изготовления
монтежю употребляется ла злым образом сталь; при хранении в
монтежю агрессивных -.к ид кек той сталь покрывают слоем защит-
ного материала (резингй, ни’аэтоупопной плиткой, свинцом).
В некоторых случая?; на.одзт и о именем ие. монтежю из алюмин'.!<1.
специальных ста.чоп, >< зачини и -г. д.
В промышленноеги органикюних полупродуктов и красите.’, й
применяются горизонтапьнне монтежю (рис. 62) и вертикальные
монтеЖю. Вертикал:;.!- ьп моп'.’ежю не отличаются от стальных
реакционных котлов обычного тина.
138 Гл. ИГ Ойоруаоваши- для хранения, транспортировки и дозирования
Необходимой арматурой монтежю являются: воздушная колон-
ка с мановакуумметром, труба наполнения, труба для передав-
ливания, запорные краны и вентили. Иногда монтежю снабжают
предохранительными клапанами и измерителями уровня (глав-
ным образом поплавковыми).
II р я м о у г о л ь н ы е р е з е р в у а р ы могут быть из-
готовлены сварными из листовой стали или выполнены из же-
лезобетона. Кроме основного назначения (хранение жидкостей),
такие резервуары могут использоваться в качестве напорных ба-
ков, сборников реакционной массы, кристаллизаторов и т. д
Стальные резервуары, в которых должны храниться кислые жид-
кости, гуммируют, футеруют или освинцовывают.
Железобетонные резервуары-хранилища из обычного или кис-
лотостойкого бетона применяю! главным образом для хранения
больших количеств минеральных кислот в открытых и полузакры-
тых складах.
Аппаратура для отмеривания жидкостей
Отмеривание жидкостей в производственных условиях про-
водится периодически (мерниками) или непрерывно с помощью
специальных аппаратов и приборов (регуляторы напора, измери-
тели расхода и т. и.).
MepH.'iK'i. В производстве органических полупродуктов п кра-
ев те чей применяются мерники плоскодонные, с коническим
днищем, с вогнутым днищем и плоскими крышками, со сфериче-
скими днищами и крышками, мерники на весах. Выбор типа мер-
ника определяется требованиями, предъявляемыми к операции
отмеривания. К числу таких требований относятся', полная эва-
куация жидкости из мерника, подача жидкости в аппарат под дав-
лением, необходимость предварительного отстаивания содержимое
го мерника, повышенная точность отмеривания и т .д .
Материалом для изготовления мерников чаще всего служит
сталь. Внутреннюю поверхность меринков, предназначенных для
дозирования химически активных жидкостей, гуммируют, освин-
цовывают или футеруют. Реже мерники выполняются из. керами-
ки, специальных сталей, алюминия или других материалов . Для
наполнения и спуска жидкости мерники снабжаются штуцерами,
расположенными на крышке и у днища аппарата. Изменение уров-
ня жидкости может производиться при помощи водомерных сте-
кол. поплавков или пневматических измерителей .
М е р н и к н с п л о с к и м и д н и щ а м и (рис. 63) , наи-
более дешевые и простые, применяют в тех случаях, когда к опе-
рации отмеривания не предъявляется никаких специальных тре-
бований. Эти мерники не рассчитаны на работу под давлением .
1 /1 , 111 1 ' It I (}. I ‘I 1 .-I 4 1filth1 tilt '1 >t, It (/КОС I CU
M (1 p к и к 11 с < о ' И ч с х И м I! Д Н И щ а м и (рис. 641
также-предназначаются (ля работы при атмосферном давлении.
Они применяются в г, \ случая;;, когда при отмеривании требу
ется полное удален не жидкости или предварительное ее отста-
ивание.
Ри с. fi I. Мерии к с м.|-
1111ческим днищем.
М е р н и х. и с н и г и у г и м и i, и и щ а м н и и л о с-
к и м и к р ы in к а \! (рис. 6:i применяются при таких опера
циях отмеривания, ксгд,. требуитя полная эвакуация жидкости
Такие мерники нескшп-ко удобнее при монтаже, чем мерники с
к о н и ч ес к и м и д шинами
М е р и и к и со । ф е р и ч е с к и м и д и н щ а м и и
к р ы ш к а м и (рис. 6( > служат для отмер икания при разреже
нии или под давлением Но устройству они аналогичны стальным
котлам, рассмогрс 1111ыi г/ а«е li (стр. 1QI *.
При помощи меринков изменяют вес. или обком жидкости. В пер-
вом случае меринки устававл и -:а от на весах, во втором--снабжают
измерителями уршши.
140 III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Г’ис. 65. Мерник с ноги-утым
днищем л плоской крыш-
кой .
Измерители i уровня. В каче-
стве устройств, предназначенных
для измерения уровня жидкостей
в емкостях различного типа
(мерники, хранилища, сборники и
т. д.), используются мерные стек-
ла, смотровые окна, поплавковые
измерители,^пневматические изме-
рители и т. д.
Рис. 56. Мерник со
сферическими днищем
и крышкой.
Ч е р н ы е с т е к л а с к р а н а м и употребляются глав-
ным образом для измерения уровня жидкости в аппаратах, рабо-
тающих без давления. Мерные, стекла (рис. 67) устанавливают
на мерниках в специальных штуцерах при помощи фланцев и
болтов. Для защиты от повреждений мерные стекла снабжаются
ограждением из полосовой или угловой стали. Около мерного
стекла обычно укрепляется рейка с делениями, соответству-
ющими весовым или объемным единицам.
Мерные стекла представляют собой толстостенные, стеклянные
трубки диаметром 10—38 мм. Краны к мерным стеклам выпол-
няются чаще всего из чугуна, фосфористой бронзы, алюминия и
свинца. При отмеривании соляной кислоты или других высоко-
агрессивных веществ вместо кранов устанавливают чугунные вен-
тили с резиновыми вкладышами.
Мерные стекла без кранов (рис. 68) использу-
ются для наблюдения за уровнем жидкости в хранилищах, отстой-
A.'i/K'.Jti lit pc oi .члривания жидкое гей
141
никах, испарителя* н реакционных аппаратах, работающих под
давлением до 25 дая.
Чтобы облегчить паи.ьодзнмс jaa уровнем жидкости, мерные
стекла снабжают и•.•од.соп.иымн рисками, вызывающими преломле-
ние световых лучен благодаря с,ему жидкость в сосуде кажется
оолее темной.
Рис. 67. Мерное ,T.n;>ic
Рис. 68. Мерное стекло без крана.
Смотровы е о i; i а (рте. 69) предназначаются для на-
блюдения за постоянством уровня жидкости в хранилищах и реак-
ционных аппаратах. Измерители этого типа изготовляют из сте-
кол толщиной 10 г 20 tt.it и диаметром 60 и 165 мм.
Указатели ( р । в п я гав т о матиче с к и м in а-
р о в ы!м з а т в о р > г устанавливаются на мерниках, рабо-
тающий под давлен щ;ч.
142 Гл. II!. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
В случае поломки стекла шарики таких уровнемеров (рис. 70)
под действием жидкости, стремящейся выйти из аппарата, при-
жимаются к отверстиям вентилей, и вытекание жидкости пре-
кращается.
Рис. 69. Смотровое окно.
Рис. 70. Указатель уров-
ня с автоматическим ша-
ровым затвором:
/—шарики.
П о п л а в к о в ы е измерите л и у р о в н я обычно
применяются в тех случаях, когда производится отмеривание
агрессивных жидкостей или жидкостей, обладающих токсически-
ми или огне-и взрывоопасными свойствами. В этих условиях неже-
лательно расположение кранов в нижней части мерника. Поплав-
ковые измерители уровня разделяются на гильзовые и грузовые.
Гильзовый поплавок (рис. 71) обычно выдувается из стеклян-
ной трубки. Его нижний расширенный конец погружен в жид-
кость, находящуюся в мернике, верхний запаянный конец выведен
из аппарата через направляющую стеклянную трубку 1. Трубка /
находится в стальной трубке 2 с двумя расположенными друг
против друга продольными щелями, через которые наблюдают за
положением поплавка. К трубке 2 прикрепляется градуированная
рейка, каждое деление которой соответствует определенному
объему отмериваемой жидкости. На верхнюю часть трубки 2
через пробковое уплотнение навинчен колпак 3, прижимающий
d.’.i
ГЛГ:рив11На.Ч
жидкостей
143
стеклянную трубку ' книзу, что создает герметичность системы
и позволяет ноль.'оьап ( а поплавком при работе аппарата под
давлением.
Нижний коти по.
пшка, находящийся в аппарате, заключен
j направляющую стальную труб-
ку^. Эта трубка прикреплена при
нлмощи фланца и болтов к штуцеру
рата. На штуцере аппарата кре-
;н“.ся глухой фланец 5,имеющий не-
бел иное круглое отверстие только
ч месте прохода через него верхней
чаш.’и поплавка. К фланцу припарен
отрубок, в который вставляется
тру'ка на замазке.
Гиль юные поплавки нередко пло-
хи работают из-за перекосов, во.чни-
< леших вследствие коррозии трубки
। на то стенках отлагаются продукты
ч.ррозии, что вызывает уменьшение
зазора между гильзой и трубкой).
! рузэв( й поплавок {рис. 72), бо-
.I'.1 ipovTc/й но устройству, может
;ис 7“? Грузовой по-
плавок:
, -блок; 2—полый металличес-
кий шар; 3—хомут; направ-
ляющая.
Рис. 7 '. Гн: ..и
вый чопланж:
/—стеклянная ’) рубкг
2—стальная ip/ска:
3—колпак; /--наг ли
ляюш.ая >"га.:1ьн?!1 i
ка; то-флаи<"ь
144 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
применяться только в аппаратах, работающих без давления.
Принцип действия грузового поплавкового измерителя заключает-
ся в следующем. Шнур, перекинутый через блок /. соединяется
одним концом с полым металлическим шаром 2, плавающим в
жидкости, а другим концом—с грузом, который скользит вдоль
рейки с делениями, что дает возможность судить об уровне жид-
кости в аппарате.
Поплавок 2 связан хомутом 3 с направляющей 4 и перемещает-
ся только в вертикальном направлении, это гарантирует правиль-
ность производимых измерений.
Пневматические измерители уровня
(рисД73) служат для дистанционного измерения уровня. Принцип
Рис. 7'3. Схема ус'(\пн,'>и<и
।; 11 евматнческог'. .• измените.'!я
уровня:
1—мерник; 2—манометп: ii -вы сна
уровня жидкости.
действия измерителя заключается в
следующем. В мерник вводится трубка,
почти достигающая дна, через эту
трубку вводится сжатый воздух (или
газ), который барботирует через жид-
кость и удаляется в атмосферу. По
величине давления, необходимого для
преодоления веса столба жидкости, су-
дят о высоте жидкости в мернике. Это
давление показывает манометр, уста-
новленный на трубопроводе, подводя-
щем воздух. Для упрощения измерений
шкала ‘манометра может быть програ-
дуирована в е ди ниц ах объема или веса
отмериваемой жидкости.
Дозирующие аппараты. Для непре-
рывного отмеривания жидкости приме-
няется специальная дозирующая аппа-
ратура, при помощи которой создается постоянный напор жидко-
сти, измеряется ее расход и регулируется подача.
Регуляторы на и о р а. ’Постоянство расхода жидкости
достигается при помощи регуляторов напора, устройство которых
зависит от способа подачи жидкости. Постоянный уровень жид-
кости в регуляторе напора поддерживается посредством перелива
через патрубок (при подаче жидкости насосом) либо при помощи
поплавка с автоматически закрывающимся и открывающимся
клапаном.
На рис. 74 представлена схема дозирующего устройства с
подачей жидкости насосом. Жидкость из хранилища / непре-
рывно подается насосом 2 по трубопроводу в стальной напорный
бачок 3 емкостью 100—200 л. Избыток жидкости из напорного
бачка 3 возвращается через переливную трубу в хранилище /.
Внутри бачка устанавливается пеоегородка, не доходящая до
Аппаратура
для in мааивания
жис).'-с1>с1 ей
145
верха. Благодаря широкому водосливу через перегородку
уменьшаются колебания уровня жидкости, вызываемые нерав-
номерной подачей ее насосом. Из бачка 3 через кран 7 жид-
кость сливается в расходный трубопровод. При непрерывном
напоре и постоянном уровне жидкости в бачке расход жидкости
зависит от степени открытия крана 7 и диаметра отверстия диафраг-
мы 6.
Рис. ?4 Схема дс-:п и"/ющего \ .тройства с по-
дачей па дкости нао ппи
1—xpaniUijiLic.
гель ряслода:
—j ясог; -5--напорный бачок; 4—ипмепи-
-меэнос стекло; диафрагма; 7--кран.
При дозировании .к.-же застывающих или агрессивных жид-
костей, т. е. в тех случаях, когда нежелательно пользоваться
насосом, хранилище приходится устанавливать выше регулятора
уровня (рис. 75). Хранилище для легко застывающих жидкостей
снабжают змеевиком 7, ' который подается пар для обогрева. Регу-
лятор уровня 3 в этом случае имеет запорное устройство в виде
рычага 11 первого рода; на одном конце рычага расположена запор-
ная пробка 12, на другом- поплавок 13. При подъеме жидкости
в коробке регулятора до максимального уровня полый попла-
вок 13 поднимается кверху, а запорная пробка 12 опускается,
10-2 277
146 Гл. HI. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
прекращая доступ жидкости в регулятор. При снижении уровня в
регуляторе жидкость поступает в него из хранилища по заполнен
ному трубопроводу 9. Регулятор уровня 3, расходомер 4 и тру-
бопроводы 8,9 и 10 обогре
Рис. 75. Схема дозирующего устройства
без насоса:
/—хранилище; 2—змеевик для обогрева паром;
3—регулятор уровня; 4—измеритель расхода; 5—
мерное стекло; 5—диафрагма; 7—кран; <3, 9, 10—
трубопроводы; 11—рычаг; /2—запорная пробка;
13—поплавок.
ваются, чтобы не происхо-
дило застывание расплавов.
Сосуды и трубопроводы,
предназначенные для дози-
рования агрессивных жид-
костей, защищаются изнутри
антикоррозионными материа-
лами или выполняются из
таких материалов.
Измерите л и р а с-
х о д а. Как указывалось,
жидкость из регуляторов на-
пора (см. рис. 74 и 75) на-
правляется через кран в из-
меритель расхода, работаю-
щий по принципу диафрагмы.
Наиболее распространен-
ный расходомер представляет
собой вертикально установ-
ленный отрезок трубы (диа-
метр 75—100 мм, длина
1000 мм) с диафрагмой в
нижней части. Уровень жид-
кости в расходомере конт-
ролируется через мерное
стекло, к которому прикре-
плена градуированная рейка.
Регулирование расхода в
сравнительно небольших пре-
делах производится при по-
мощи крана 7 (см. рис. 75)
путем изменения высоты
столба жидкости в трубе.
При помощи измерителя
можно наблюдать за скоро-
стью протекания жидкости через систему в любой момент вре-
мени. В случае необходимости изменения расхода в более широ-
ких пределах заменяют установленную диафрагму другой
диафрагмой соответствующего размера.
Диаметр d отверстия дозирующей диафрагмы (в мм) опреде-
ляется по следующей формуле:
Складские yet оойства 147
i looo I / ——=
I/ a-0,785>/2gA
где |7—расход жидкости, лг’/сек;
<р—коэффициент расхода (<р= 0,62);
h—высота столба жидкости над диафрагмой, м.
Точность расхода дозируемой жидкости зависит при прочих
равных услозиях от в >CTosiiicrea высоты столба жидкости над
диафрагмой. Колебаниг уровня жидкости вызываются неравно-
мерной подачей ее та:; iccv:. В большинстве случаев достаточна
высота /г==Ю00 мл:..
Описанные прогeiiiuде устройства для отмеривания и регули-
рования расхода жидкеетеи шигюко применяются в промышлен-
ности органических полупродуктов. Современная приборострои-
тельная промышленное ъ вы пускает разнообразные контрольно-
измерительные ( у .! и средства, при помощи которых можно
автоматически отмезав;ть, регулировать и регистрировать рас-
ходы жидкостей. У казанные’дгройства подробно рассматриваются
в курсе «Контрольно й'.мерительные приборы».
2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ
И ДОЗИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Складские; устройства
Твердые матер; ь ранят г транспортируют в таре или без
тары, в зависимости от физико-химических свойств материалов.
Материалы, упам тынные в тару, укладывают в штабеля или
на стеллажи, неупакованные размещают навалом .
Тарой для твер-
дых материалов слу-
жат деревянные и
стальные бочки, ба-
рабаны и мешки. Для
сокращения расходов
на упаковку рекомен-
дуется применение
оборотной тары, на-
пример стальных мно-
гократно ис пол аз уе-
мых барабанив '.рис.
76). Тара такого "ниа
рекомендуется для
перевозки сухих кра-
'ис. Стальной многооборотный барабан.
сителей.
10'
148 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Непосредственно в цехе обычно хранят весьма незначительные
количества твердых материалов, соответствующие расходу на 1 —
2 операции, и в той же таре, которой пользуются при транспорти-
ровке. Незатаренные материалы хранят в цехе в специальных
деревянных или стальных ящиках и бункерах.
Склады, предназначенные для длительного хранения твердых
материалов, разделяются на четыре основных типа: открытые,
полузакрытые, закрытые и бункерные.
Открытые склады (бетонированные площадки, под-
порные стенки, эстакады и закрома) служат для хранения боль-
ших количеств материалов, устойчивых как к действию влаги,
так и к действию повышенной и пониженной температуры.
Полузакрытые с к л а д ы, или навесы, применяются
для хранения материалов, легко выдерживающих температурные
изменения, но неустойчивых при действии влаги.
3 а к р ы т ы е с к л а д ы (деревянные, кирпичные, бетон-
ные или железобетонные сооружения, одноэтажные или в не-
сколько этажей) используются для хранения материалов, не вы-
держивающих колебаний температуры и действия влаги.
Б у н к е р н ы е с к л а д ы служат для хранения сыпучих
материалов. В зависимости от свойств хранимого сырья они могут
быть расположены под открытым небом или в закрытых помеще-
ниях. Эти сооружения представляют собой закрома квадратного,
прямоугольного и шестигранного сечения, выполненные из железа
или железобетона. Материал загружается в них сверху при по-
мощи подъемного механизма, а выгружается «самотеком» на плат-
формы, вагонетки или в тару через днище, устроенное в виде во-
ронки и имеющее специальный затвор.
Хранение органического сырья и готовой продукции в боль-
шинстве случаев производится в закрытых или полузакрытых
складских помещениях. Открытые склады применяются глав-
ным образом для хранения вспомогательных материалов: камен-
ного угля, торфа, гравия, песка и т. д.
Транспортные устройства
Твердые материалы перевозят на дальние расстояния в товар-
ных железнодорожных вагонах обычного типа и на открытых плат-
формах. В последнем случае широко используют контейнеры.
Контейнеры. По ГОСТ 6575—57 предусмотрен выпуск
универсальных металлических контейнеров номинальной грузо-
подъемностью 1900 кг и внутренним объемом 5,2 лН. Длина кон-
тейнера 2025 мм, ширина 1180 мм, высота 2170 мм, размеры двер-
ного проема не менее 990 X 2135 мм. Крышка делается плоской для
размещения контейнеров на погрузочных площадках в два яруса.
'J'чансп^рг.кые устройства
149
Для перевозки некс’орьм твердых химических продуктов на
расстояние до 500 км рекомендуются специальные контейнеры,
являющиеся разновидностями многооборотной тары. При исполь-
зовании таких контейнеров сокращаются потери продуктов и
расход тары и обеспеч !вае"< я сохранение качества перевозимых
материалов. Уменыштося также стоимость складских сооруже-
ний, так как контейнер .1 можно хранить на открытых площадках,
а благодаря возможности механизации работ ио погрузке и раз-
грузке таких кантон перон сокращаются транспортные рас-
ходы.
Рис. 77. к .нитейкер КС-2,1
' -рь:г р /зные люки.
Контейнеры типа К.1 -2, ! (рис 77) предназначены дляжперевозки
сыпучих материалов н. герметичной упаковке. Они имеют наклонное
тно и нижние выгрузные доки.
Для этих же целей рекомендуются п конусные контейнеры
типа К КС-4.3 (рис. 78>.
Контейнеры '1ипн I» ШЦМ-;:- рекомендуются для перевозки сы-
пучих материал! г. не нуждающихся в герметизации. Такой кон-
тейнер пока ШИ :-..•! рис. 79
Характеристик! юют. ны ров, рекомендуемых в качестве обо-
ротной тары для перевозки ',’вердых и жидких химических про-
дуктов, приведены табл. 5 (стр. 152).
150 Гл. щ. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Рис. 78. Герметичный конусный контейнер К .КС-4,3.
В н у тр из ав о д с к и й т р анспорт. При транспорти-
ровании по заводской территории сырья в таре пользуются те-
лежками, вагонетками, автокарами и электрокарами. Для пере-
возки сыпучих материалов применяют вагонетки с корытообраз-
ным опрокидывающимся кузовом и всевозможные транспортеры.
Приспособления для внутрицехового транспорта весьма разно-
образны. Выбор их зависит от свойств перемещаемого материала.
Г ране портные устройства
151
от расстояния, на которое он должен перевозиться, и от направ-
ления перемещений (гер и .онтзльэое, вертикальное, наклонное).
Внутрицеховое щр.емещенне материалов в таре в горизонталь-
ном направлении производится при помощи тележек или электро-
каров, И горизонтальном г вертикальном направлениях—при по-
мощи ручных талей, мот дрель'.св.. электрических талей и блоков;
только в вертикальном и гр-щ п—при помощи подъемников.
Для перемещен а .' ' верных сыпучих материалов при разгрузке
железнодорожных х.нт го пру подаче со складов, а также при
загрузке в аппаратуру могут щ око использоваться специали-
зированные транспсртерв ле приспособления—скребковые, вин-
товые, Пластинчатые, леп .очны' и вибрационные транспортеры,
пневможелобы, а таз же элеваторы.
152 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
Таблица 5
Характеристика контейнеров
Типы контейнеров
Показатели KUIUM-5 КС-2,4 ККС-4,3 : КЖ-4,8 . КЖЛ-1,9
Вес тары, tn 0,42 0,52 0,34 0,79 1 0,34
Вес брутто (с продуктом), m Вес ।гетто (грузоподъемность). 1.4 5,0 2,4 4,3 4,8 1,9
— 4,6 — 1,9 —4,0 —4,0 — 1,6
Объем Грута, .и;| Габариты, мм 1,6 4,2 1,0 2,0 1,3
ширина (или диаметр) 1350 1325 1300/970 1380 1226
длина . 1385 2120 — 1985
высота Минимальный объемный вес груза при полном исполь- зовании грузоподъемности 1105 2330 1245 1665
контейнера, пг/м'1 .... Количество контейнеров, вме- щающихся на четырехосную железнодорожную платфор- му, ШТ. 2,86 0,45 4,0 2,0 1,22
пустые контейнеры . . . при полном использова- нии грузоподъемности 18 (в сло- женном виде 90) 12 20 (в сло- женном виде 85) 12 20
контейнеров Вес груза на платформе (при полном использовании гру- зе шодъемности контейнеров), 11 12 14 12 20
111 55 28,8 60 57,5 38
П невмотр анспорт получает все большее распростра-
нение в промышленности органических полупродуктов и краси-
телей. Его применяют для транспортирования некоторых видов
сырья (поваренная соль, сода, чугунная стружка) и готовой про-
дукции. По трубопроводу диаметром 100 мм можно передавать в
час. 1,5 m 2-нафтола. 1,5 гп поваренной соли, 1 m соды, 1 m чугун-
ной стружки.
Перспективным способом является транспортировка сыпучих
материалов в псевдоожиженном состоянии. Псевдоожиженные
сыпучие материалы легко передавливаются из аппаратов и легко
транспортируются по трубопроводам. При псевдоожижении орга-
нических продуктов, способных образовывать с воздухом взры-
воопасные смеси, воздух следует разбавлять инертным газом (азот,
углекислый газ). Количество инертного газа должно быть таким,
чтобы содержание кислорода в газе не превышало 8—10%..
Грече.ii'I’iировка ,ii:joe 153
T p а и c п о p г ! J p э в а и не суспензий. производ-
стве ряда органически \ пол у продуктов оказалось целесообразным
транспортирован! твердые вещества в виде 15—30%-ных суспен-
зий. iМежзаводские перевозки таких суспензий производятся в
автоцистернах. При движении автомашин происходит интенсив-
ное Перемешивание с у стена ин. препятствующее их отстаиванию.
Из цистерн в цеховые '.ран ил ища, а из них в реакционные аппа-
раты! суспензии передавливаются сжатым воздухом. На расстоя-
ние 100* м и более суспензии передавливают по трубопроводам
диаметром 50—75 ш при помощи сжатого воздуха (давление
3—4 ати), а также погружными г,ли шламовыми насосами.
При этом значительно сокращаются трудоемкие операции,
исключается возможность соприкосновения обслуживающего
персонала с. токсичными веществами, достигается экономия
тары (бочек) и уменьшаются истери продуктов, так как на стенках
тары не остается частиц вещества. Недостатком данного метода
транспортирования суспензий является перевозка значитель-
ного количества воды. .'Этот метод более целесообразно применять
для перевозки твердых, в особенности токсичных веществ на
небольшие расстояния.
Дозирование твердых материалов
Дозирование твердых веществ может производиться перио-
дически или непрерывно. способы дозирования—взвешивание
или измерение объем.!.
При периодическом дозировании твердых веществ обычно упо-
требляются весы. Непрерывное дозирование твердых материалов
осуществляется rip;, i эмощн питателей и дозаторов различных
конструкций. Из питателен, по конструкции мало отличающихся
от транспортеров, чаще всего применяются винтовые, секторные,
тарельчатые, плунжерные и ленточные питатели.
Все питатели снабжаются специальными приспособлениями,
позволяющими регулировать додачу материалов в довольно ши-
роких пределах. Более точны позирующие устройства с автомати-
ческим отмериванием и регулировкой подачи твердых сыпучих
материалов, ншгрнм< :р авто магические дозировочные весы.
3. ОБОРУДОВАНА ДЛЯ ХРАНЕНИЯ, ТРАНСПОРТИРОВКИ
И ДОЗИРОВАНИЯ ГАЗОВ
Транспортировка газов на дальние расстояния
Газы перемещаются по трубопроводам и перевозятся в цистер-
нах и в бал.юна);. Вы nip в !,1£ транспорта определяется количест-
вом расходуемого газа и г•£< •стоянием от заводов-поставщиков до
заводов-потребителей. По трубопроводам газ транспортируется
154 Гл. П1. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
под низким давлением, в цистернах газы перевозят в сжиженном
состоянии, в баллонах транспортируют и хранят сжиженные,
сжатые и растворенные газы.
Для перемещения больших количеств газообразных веществ
на относительно близкие расстояния используются трубопрово-
ды. При перемещении больших количеств газов на дальние рас-
стояния применяют цистерны. Баллоны применяют только в тех
случаях, когда газообразные вещества расходуются в малых
количествах.
Трубопроводы. Существенным преиму-
ществом этого наиболее экономичного вида тран-
Лг спортировки газообразных веществ является от-
сутствие необходимости перевозок тяжелой тары
для возврата ее заводу-поставщику. По трубопро-
водам газы транспортируют под давлением, необ-
ходимым для преодоления гидравлических со-
----" противлений транспортных коммуникаций и реак-
ционных аппаратов в цехах-потребителях. Для
создания необходимого напора в цехах завода-
поставщика устанавливаются газодувки. Газопро-
воды чаще всего укладывают на эстакадах, при
! этом обеспечивается возможность ремонта и на-
блюдения за состоянием трубопроводов в процес-
се их эксплуатации.
Цистерны, применяемые для транспорти-
рования сжиженных газов, конструктивно анало-
гичны ранее описанным цистернам. Рассчитанные
« на перевозку газов, находящихся под давлением,
)\ ,7,4 цистерны перед приемкой в эксплуатацию под-
> вергаются гидравлическому испытанию. Для за-
щиты от внешних воздействий (главным образом
>ис. 80. Бал- от действия температуры) цистерны снабжают
юн для ежа- г J ’ г
тых ежи- наружным слоем термоизоляции и стальным ко-
женных и жухом (защита от атмосферных осадков),
растворен- Для опорожнения цистерны со сжиженным га-
ных газов:
/—баллон; 2—
вентиль; S—пре-
дохранитель -
ный колпак;
опориы Й
башмак,
зом ее ввозят в отапливаемое помещение или
нагревают при помощи наружных паровых зме-
евиков. При этом сжиженный газ испаряется и
может быть отведен по трубопроводу к месту по-
ашмак. требления. Иногда для эвакуации сжиженных
газов применяют сжатый воздух.
Баллон ы представляют собой стальные цилиндрические
сосуды, рассчитанные на высокое давление (до 200 кг/см2). Со-
гласно ГОСТ 949—57 баллоны изготовляются из углеродистой
и легированной стали.
'J pancwpi аровка газон
Таблица 6
Окраска и маркировка баллонов
Газы 1 1 <>K(iaCK:I | баллонов Надписи Цвет полосы
*СХСТ 1 цвет
Азот Ч ; г А гТ | Желтый ' Коричневый
Аммиак Желта? К мл га к Черный -
Аргон I
сырой i Черная Аргон сырой Белый Белый
технический То же Аргон техшлч< - Синий Синий
(КИЙ 1
чистый Серая Ар он чис ый Зеленый Зеленый
Ацетилен [>-• 1Я Ацетилен 1 Красный —
Бутилен Красная Бу гпген Желтый Черный
Водород Темно-зсле! ля Водогюд Красный
Воздух Черчая G:k< тый воздух! Белый —•
Гелий Коричневая Гелий 1 Го же —
Двуокись угле- Чгрная У лзеислот;] : Желтый —
рода
Закись азота С:'{"1Я Згкись азота , Черный —
Кислород Голуба.- Кислород 1о же —...
Кислород меди- 1 же Кислород меди- »
цинский пинский
Нефтяные; газы Серая 1 ери к Красный —
Сероводород CeixwiopoA : То же Красный
Сернистый ан- Черная Сернистый ан- i Белый Желтый
гидрид гидрид
Фосген Защитная — — Красный
Фреон-11 Алюминиепья I <t> ?eoi 1 1 | Черный Синий
Фреон-12 1о же ! Фтеоь 12 То же ; —
Фреон-13 ф-ео1-13 : » Три красные
Фреон-22 Ф?еоп-22 Две желтые
Хлор Заииг'ыя — — j Зеленый
Циклопропан Оранж.етая Ц и к..и>прог:а и Черный —
Этилен Фисшетикт Красный —
Все другие го- Красна:- Наименование Белый ; —
рючие газы "< .3.2 1
Во избежание :iутапицы, которая может привести к очень
нежелательным последствиям, баллоны окрашивают в отличи-
тельные цвета ? снабжают маркирующей цветной полосой и
надписью (табл. Различгют баллоны малой емкости (от 0,4
до 12 л) и балловы большей емкости (от 12 до 55 л).
На рис. 80 показек общий гчд стандартного баллона, снабжен-
ного вентилем и предохрани тельным колпаком. Для устойчивости
баллон имеет опорный баамак.
При транспор гиронниит. П1Ж1 под давлением необходимо соблю-
дать известные меры предосдтрожности, поэтому баллоны, при-
156 Гл. HI. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
меняемые в качестве тары для газов, перед сдачей в эксплуатацию'
должны подвергаться тщательному осмотру и испытаниям (провер-
ка емкости, гидравлические испытания и т. д.). Каждый баллон
обязательно маркируется с указанием порядкового номера, веса
тары, даты изготовления баллона, допустимого рабочего давления,
пробного гидравлического давления, емкости баллона и т. д.
Перевозка баллонов производится в обычных вагонах, на спе-
циальных платформах или в электрокарах, снабженных стеллажа-
ми, препятствующими тому, чтобы баллоны во время перевозки
раскатывались и сталкивались друг с другом.
В связи с тем, что баллоны относятся к числу сосудов, рабо-
тающих под давлением, порядок их испытаний, условия транспор-
тировки, хранения, эксплуатации и маркирование подробно регла-
ментируются «Правилами устройства и безопасной эксплуатации
сосудов, работающих под давлением».
Хранение газов на складах
На складах газы хранят в баллонах, горизонтальных резервуа-
рах и в газгольдерах.
Баллон ы хранятся на стеллажах в вертикальном и го-
ризонтальном положении. При хранении в вертикальном поло-
жении баллоны устанавливают в гнезда, рассчитанные не более
чем на два баллона. Стеллажи делают одно- и двусторонние и
для предотвращения возможности выпадения баллонов из гнезд
снабжают предохранительной цепью. Для хранения баллонов в
горизонтальном положении устанавливают стеллажи из попереч-
ных и продольных стальных полос. Образуемые таким образом
полки снабжают прокладками из досок (чтобы баллоны не уда-
рялись друг о друга).
Горизонтальные резервуары для стационарного
хранения сжиженных газов представляют собой цилиндрические
хранилища, хорошо изолированные от поступления тепла из окрс-
жающей среды. Эти аппараты снабжают предохранительным кла-
паном, манометром и указателем уровня жидкости. Выпуск сжи-
женного газа производится при помощи специального вентиля
через трубу, достигающую дна резервуара.
Ганг о л ь д е р ы для стационарного хранения газов, нах о-
дящихся под малым давлением (близким к атмосферному), приме-
няются двух типов—с постоянным объемом и с постоянным давле-
нием. Газгольдеры с постоянным объемом имеют существенные
недостатки (трудность сборки, необходимость редуцирования га-
за, большое колебание давлений) и применяются редко. Они из-
готовляются из листовой стали в виде шарообразных или цилинд-
рических резервуаров, в которых газ, нагнетаемый компрессором,
157
'I ранспич i.,-азоа no заводской территории
хранится под давлением По мере надобности газ выпускается из
газгольдера через редукционный вентиль.
Газгольдеры с постоянным давлением разделяются на мокрые
и сухие (диафрагменные). Наиболее распространенным видом мок-
рых газгольдеров являются телескопические газгольдеры. Сухие
газгольдеры являются более совершенным типом газгольдеров.
Основным достоинством их является постоянство состава газа
(газ, уходящий из газгольдера, по составу не отличается от по-
ступающего, так как во время хранения он не подвергается увлаж-
нению). Сухой газгольдер представляет собой цилиндрический или
многогранный резерву яр, снабженный плоским газонепроницае-
мым днищем й ксюъщкрышей с выходным отверстием. Внутри
резервуара устананлигаетсг. горизонтально расположенная пе-
регородка (диафрагма), которая. в зависимости от давления газа
в газгольдере, може.н череда<иа”ься при помощи роликов вверх
или вниз по угловым с iойкам. 1Ь месте соприкосновения со стен-
кой резервуара диафон на снабжается гидравлическим затвором,
создаваемым жидксс-ью (,щг;>т ? . масло и т. и.), находящейся в
желобе диафрагмы.
Транспортировка газов но заводской территории
Баллоны переноз я?' . тележках, автокарах, электрокарах или
перемещают на нос или. ю снеь'.иальной конструкции, исключающей
возможность выпадение баллонов.
При перемещен? ь J.i. тлоноз подтемпиками необходимо закреп-
лять баллоны в <>1.обд> люльках или подставках.
Транспортирыщы. гя а и-., газгольдера производится путем пе-
рекачивания по г1 ''/бон।-.оводам вентиляторами, воздуходувками и
турбокомпрессорами.
Хранение и гратпортировка газов в цехах
В производственны:-. помещениях хранят весьма небольшие
количества газое пое имущественно в баллонах, которые поме-
щаются в специальные гнезда и транспортируются внутри цеха
такими же способами, ак и другие виды сырья в таре, т. е. те-
лежками, электрокарами, подъемниками.
Для транспортирования баллонов внутри цеха недопустимо
применение электрета.нй и подъемных кранов.
Измерение расхода газов
В производственной практике дозирование газообразных ве-
ществ производится лгзным образом непрерывным методом
при помощи крапов и вентилей и контролируется специальными
158 Гл. III. Оборудование для хранения, транспортировки и дозирования
измерительными приборами. В качестве таких измерителей ис-
пользуются диафрагмы, трубы Вентури, ротаметры, газовые часы.
Иногда отмеривание газов производится одновременно кон-
трольно-измерительными приборами и обычными весами, на ко-
торые устанавливается баллон с газом.
Сжиженные газы, находящиеся в баллонах, перед подачей в
реакционные аппараты переводят в газообразное состояние в
специальных испарителях.
В непрерывных производственных процессах дозирование и
отмеривание веществ, регулирование и запись их расхода произ-
водятся приборами автоматического контроля и регулирования.
Г’ JI АВА IV
АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ СУЛЬФИРОВАНИЯ
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССЕ СУЛЬФИРОВАНИЯ
Сульфированием ;(<13|Дв:н<)т процесс замещения атома водорода
в молекуле органично о. о соединения группой SO..H (сульфогруп-
пой). Этот процесс протекает при непосредственной обработке
сульфируемого прог',угк'"а сульфирующим агентом. Сульфируемыми
продуктами в большинстве случаев являются ароматические
углеводороды или их пр о. зг.о'ные—Зепзол, толуол, хлорбен-
зол, ксилол, нафталин, каобгзол, антрацен, антрахинон и т. д.
Сульфирующими агентами служат серная кислота (преимущест-
венно купоросное масло и моногидрат), олеум, хлорсульфоновая
кислота и некоторые в,ругне серосодержащие неорганические со-
единения, имеющие второстепенное значение.
Реакции сульфирования углеводородов серной кислотой или
олеумом можно представив, :з виде следующей схемы:
RH v -I xH2SOt =--- R(SO,H)r + хН.2О (IV, 1)
Л1, 98.с Л1., 18х
или
i;'-A4-xSO3 = R(SO3H)j: (IV, 2)
м. 80х ,И2
где RH,;—углеводород;
х—число атомов подо |юда, замещаемых сульфогруппами;
R(SO3H)a:—продукт сульфирования (сульфокислота).
Действительное соотношение ингредиентов, принимающих уча-
стие в процессе сульфирования г.ерной кислотой и олеумом, толь-
ко в идеале может приближаться к стехиометрическому соотно-
шению по уравнениям (iV, 1 I в (IV, 2). Вследствие некоторых спе-
цифических особенностей процесса сульфирования сульфирующий
агент (олеум или седая кислота) практически расходуется в
больших количествах Эти особенности заключаются в следующем.
Серная кислота может двляте.ся сульфирующим агентом для дан-
ного органического соединения (при данной температуре и данном
160
Гл IV. Аппаратура процессов сульфирования
числе сульфогрупп, вступающих в сульфируемое соединение)
лишь в том случае, если концентрация кислоты превышает неко-
торую критическую величину. Кислота меньшей концентрации,
как бы ни было велико ее относительное количество, практически
не является сульфирующим агентом в обычных условиях про-
цесса. Предельную, или критическую, концентрацию серной
кислоты, при которой она служит сульфирующим агентом, обо-
значают 7г (z сульфирования) и выражают в сотых долях серного
ангидрида, содержащегося в сульфирующем агенте.
Отмеченное положение позволяет более точно установить ма-
териальные соотношения реагентов, которые создаются в процес-
се сульфирования.
Обозначим:
G,—вес сульфируемого продукта, кг;
G.,—расход сульфирующего агента, кг;
s—содержание серного ангидрида в сульфирующем агенте,
сотые доли.
Согласно принятым обозначениям и уравнению (IV, 2) расход
серного ангидрида на образование продуктов сульфирования
составит (в кг):
,, 80х
G г,
Количество серного ангидрида, оставшегося в реакционной
массе после проведения процесса, будет, следовательно, равно
(в кг):
Gas - G(.
Количество оставшегося сульфирующего агента, очевидно, мо-
жет быть выражено так (в кг):
г 80х
G ~ °'
Концентрация серного ангидрида в оставшемся сульфирующем
агенте должна быть равна it, поэтому справедливо следующее
равенство, выражающее баланс серного ангидрида при сульфиро-
вании:
„ _ 80х „ 80х \
(J..S — (j. —TV-- — (j„ —г;— It
d c Alj I d c Mx I
Решая это уравнение относительно Ga, можно вычислить рас-
ход сульфирующего агента (в кг):
т~- _ 80х (1 и) ту/
I. Coii'it'; понятия с процессе сульфирования 161
Из уравнения (IV. 3) следует, что действительный расход суль-
фирующего агента значительно превышает теоретический, опре-
деляемый стехиометрическим соотношением. Причем это превы-
шение расхода тек больше, чем меньше концентрация серного
ангидрида в исходном сульфирующем агенте.
В практических условиях расход сульфирующего агента всегда
несколько выше теэрегичес того, так как часть серного ангидрида
неизбежно расходуепш на побочные окислительно-восстанови-
тельные реакции в на образование некоторого количества продук-
тов более глубокого превращения (полисульфокислот). Большой
«перерасход» сульфирующего агента весьма нежелателен, так как
приводит к непроизводительным затратам не только серной кис-
лоты, но и других магер налов (например, мела, соды, извести,
поваренной соли и г. /..), .? также энергии и труда, расходуемых
при обработке прочукгов сульфирования. Поэтому вполне понят-
но стремление с e.io ;ат<- :; й н инженеров к изысканию методов
сульфирования, чей которых достигается минимальный, прибли-
жающийся к п.( ><. 111 ес<<)?/\, расход сульфирующего агента.
Методы проведеиь я процессов сульфирования с минимальным
расходом сульфи|•ихиго .агента могут быть выявлены при ана-
лизе уравнения HV .'д. Очевидно, расход сульфирующего агента
может быть уменьшен путем увеличения концентрации в нем сер-
ного ангидрида. 11 пределе величина s может быть равна единице
(сульфирование серным ангидридом), при этом расход сульфирую-
щего агента может быть снижен до теоретического. Кроме того,
уменьшение расхода ; ульфтрующегс агента достигается удале-
нием воды из рЕЭлциогной массы во время проведения процесса.
Если одноврем; т;.:> : меньпением содержания серного ангидри-
да, расходуемого на образование сульфокислот, из реакционной
массы будет удалы:.:» вода, концентрация серного ангидрида
в сульфирующем агзпге останется постоянной в течение всего
процесса и он можш 6ыте. проведен с теоретическим расходом
сульфирующего аге: ic
Удаление воды с .'егкдяонной массы производится путем от-
гонки (чаще: всего с потоком паров сульфируемого продукта) либо
химическими способама—три помощи веществ, способных связы-
вать воду. Например, при большом избытке сульфируемого про-
дукта, не смешивающегося с серной кислотой и растворяющего
образующиеся су.г ь о ис оты, можно отделять продукты сульфи-
рования от серной кислоты путем отстаивания и проводить про-
цесс с теоретическим расходом сульфирующего агента (экстрак-
ционный метод сульфирования).
Некоторые сульфируемые вещества обладают такими. химиче-
скими свойствами, которые позволяют проводить процесс сульфи-
рования с теоретическим расходом серной кислоты. Так, при об-
ll -2277
162
Гл IV. Аппаратура процессов сульфирования
работке ароматических аминов теоретическим количеством сер-
ной кислоты образуется сернокислая соль, которая при последую-
щем термическом воздействии («запекание») превращается в сульф-
аминовую кислоту, в дальнейшем образующую сульфокислоту.
Изложенное выше показывает многообразие методов проведе-
ния процесса сульфирования, которое влечет за собой разнообра-
зие форм и конструкций реакционных аппаратов.
Общее представление об аппаратуре сульфирующих агрегатов.
Кроме основных реакционных аппаратов, предназначенных для
проведения основного процесса сульфирования, необходима также
вспомогательная аппаратура, описанная в третьей главе: мерни-
ки, хранилища, монтежю и т. п., а также специализированные
аппараты для предварительной обработки сырья и последующей
переработки продуктов сульфирования.
Наиболее важной вспомогательной операцией, связанной с
предварительной обработкой сырья, является смешение кислот
различной концентрации для получения сульфирующего агента
заданной концентрации. Последующая обработка продуктов суль-
фирования состоит в выделении свободных сульфокислот путем
разбавления реакционной массы водой или выделении солей суль-
фокислот в виде растворов или твердых веществ путем нейтрали-
зации сульфомассы и высаливания.
Для проведения перечисленных вспомогательных операций
(смешение кислот, разбавление сульфомассы, нейтрализация,
высаливание и т. д.) требуется аппаратура специального назначе-
ния—смесители кислот, нейтрализаторы, аппараты для высали-
вания и др. Эти аппараты, наряду с основной реакционной аппа-
ратурой, рассматриваются в настоящей главе.
2. СМЕШЕНИЕ КИСЛОТ
Разбавление и смешение серной кислоты. В процессах сульфи-
рования используются следующие сорта технической серной кис-
лоты: купоросное масло (93—94% H2SO4), моногидрат (98—
100% H2SO4), 20%-ный олеум (дымящая серная кислота, со-
держащая 20% свободного SOa) и 66%-ный олеум.
Сульфирующие агенты иногда должны иметь концентрацию, от-
личающуюся от концентрации технических сортов серной кисло-
ты, поэтому приходится приготовлять сульфирующие агенты пу-
тем смешения или разбавления соответствующих сортов техниче-
ской кислоты. Кроме того, разбавление кислот практикуетсяГи
для других целей, например для выделения свободных сульфокис-
лот из реакционной ма^сы, для получения из моногидрата
30—40 %-ной серной кислоты, применяемой для последующей
обработки продуктов сульфирования и в других процессах.
Mai'itnii.ibH.iitl салоне смешения кислот 163
Условия смешен!-: я л разбавления кислот весьма несложны.
Для получения кислоты требуемой концентрации достаточно тща-
тельно перемешать рассчитанные и отмеренные количества более
концентрированной и \ ,ш < концентрированной кислоты или кис-
лоты и воды. При смешении кислот выде.ляется тепло, количество
которого тем больше, чем больше разность концентраций смеши-
ваемых кислот. Пс.'.'он/ смешение кислот без охлаждения может
привести к знача гел-ы-юму повышению температуры смеси. Высо-
кая температура г мешсли: (более 50—60') нежелательна, так как
в этих условиях '/сил 1 с.ается ксэрозия аппаратуры, а при избыт-
ке SOs в кислотах г, рош.-хсдит также, испарение серного ангидрида.
В связи с этим смешенп к пел от проводят в большинстве случаев
с охлаждением, шг.еш:, вносг, которого и определяет производи-
тельность смесите." ьнов ыш 1ратуры,
Материальный баланс смешения кислот
На практике смешение кислот проводится по следующим ос-
новным вариантам
1) смешение киса-л различной концентрации;
2) разбавление ь от водой;
3) смешение кислст с олеумом для укрепления кислоты или
разбавления олеума.
Смешен и е к пело т р а л и твой концентр а-
ц и и. Для рассмотрения вопросов, связанных с материальным
балансом смешеви I кислот, введем следующие обозначения:
Gx—вес концеп дшров.т-г ой кислоты, кг\
G2—вес разб.чв.ле-шой кислоты, кг;
G—вес кислоты, получаемой при смешении, кг;
/7?!—содержание серной кислоты в концентрированной кис-
лоте . %:
:п.г—содержание сер.ой кислоты в разбавленной кислоте, %•,
m—содержание серной кислоты в кислоте, получаемой при
смешении, И.
Согласно принятый обозначениям материальный баланс, сме-
шения может быть тл’лставлсп следующими уравнениями:
(- V,m2 ----- Gtn (IV, 4)
и
G - G,_- G (IV, 5)
Из этих у ран ,1. Hi т [дно, что вес моногидрата H,SO4 в сме-
шиваемых кислотах равен несу его в полученной смеси, а вес
смешиваемых кислот ,в< i лесу полученной смеси.
164
Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
Совместное решение уравнений (IV, 4) и (IV, 5) позволяет вы-
числить количества концентрированной и разбавленной кислот
(в кг), расходуемых на образование требуемого количества кислоты
заданной концентрации:
G, = G-'—(IV, 6)
1 гпг — т„
G., =- G G - G. (IV, 7)
т.2 -- 1
Разбавление кислоты водой. Для случая раз-
бавления кислоты водой балансовые равенства (IV, 4) и (IV, 5)
можно переписать следующим образом (считая, что концентрация
разбавленной кислоты т2-=0):
G1m1 = Gm
G, + G. ~ G
Из этих уравнений определяется количество концентрирован-
ной кислоты G, и воды G2 (в кг), расходуемое на образование G кг
кислоты концентрацией т %:
G, G " (IV ,8)
G.,^G^-:.''!. g - G, (IV ,9)
"h
С м е ш е н и е о л е у м а и к и с л о т ы с образов а-
н и е м г.’ е и е е концентрированного о л е у м а.
Если обозначить через /нх и т концентрацию разбавляемого и по-
лучаемого олеума в % SO;1 избыточного и выразить концентрацию
кислоты т2 также в % SOa избыточного, то для этого варианта сме-
шения олеума и кислоты будут справедливы формулы (IV, 4),
(IV, 5), (IV, 6) и (IV, 7).
Концентрация серной кислоты в % SO, избыточного может быть
найдена при помощи следующих рассуждений. Очевидно, концен-
трация моногидрата в % SO3 избыточного составляет 0%. Концен-
трация разбавленной серной кислоты в % SO, избыточного мень-
ше концентрации моногидрата на столько процентов, на сколько
увеличивается вес разбавленной кислоты, насыщающейся серным
ангидридом до концентрации моногидрата. Если известно, что
концентрация кислоты составляет т2 % H,SO4 и каждые 18 вес. ч.
воды поглощают 80 вес. ч. серного ангидрида, то при насыщении
такой кислоты серным ангидридом (до концентрации моногидрата)
вес ее увеличится на ^-(100—т.,) %, или на 4,44 (100—т2)%.
165
Иатерие’чмий (шанс смешения кислот
Следовательно, ко;;, титрация такой кислоты в % SO3 избыточ-
ного может быте ей.Т’ткена гак:
та =:= () - . 14 ,|(](1 —• т2} = 4 ,44 im2 — 100)
Подставляя зна'-юни1.' rr,, ю. кого равенства в уравнения (IV, 6)
и (IV, 7), получим формулы для. определения количества концен-
трированного олеум;? О’, (з к?| п кислоты G., (в кг), расходуемых
при получении С \г олеума еэнцентрацией т %:
4,44 (т,, — 100)
..1,1! (V.3- ТОО)
6. -- с:
!' -- Gly
,4л1 i(I)) — ль
(IV ,Ю)
(IV, 11)
С м е ш е н и е. о ' с- у я а и кис л о т ы с образова-
к и с л оты.
н и е. м (5 о л
В этом случае, как и .? i рецыдущем, применимы балансовые равен-
ства (IV, 4), (IV. 5), I.1V, (>) и ((V, 7) при условии, что концентра-
ция олеума, обычно. з тджаемая в % SO.. избыточного, будет вы-
ражена в °11 HtSO.|.
Концентрация ел еда ;д г. SO., избыточного может быть пе-
ресчитана в % И (.'бедначается при помощи следующих
вычислений. В -(pu&w гидратации избыточного серного ангид-
рида до образования моногидрата серной кислоты вес смеси уве-
личится на иг, ,г.1 на 0 22'1/п/%. Следовательно, концентра-
ция олеума в % 1-L..S0. составит-
-и 1 ;== I ();) 4- 0 ,2.25м; ।
Обозначая через . . . и д соответственно концентрацию исход-
ной кислоты и полу-, аемон к тс. юты (в % HjSOJ и подставляя в
равенства (IV, V и <[V, /. качения т', выведем формулы для
определения количеегз олеума Gl (в кг) в кислоты G2 (в кг), рас-
ходуемых пои гц'пучс.1г и С к ’ более концентрированной кислоты,
содержащей /ч V HJ.O,;
Для случаев с.ме.'ие-нит, олгума различной концентрации равен-
ства (IV, 4). (IV о’,. । iV, 5) в (IV, 7) справедливы при любом спо-
собе. выражена- м г..'Н'’'ра1!ПИ серного ангидрида.
166 Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
Тепловой баланс смешения кислот
Без учета количества тепла, расходуемого на нагревание де-
талей аппарата и на компенсацию теплопотерь, тепловой баланс
смешения кислот может быть представлен следующими уравне-
ниями:
G}c}ti -I- 6+’.,+ । Qp Get + Q (IV, 14)
Q — GiC,/, к G,.c2t2 +- Ц, —Get (IV, 15)
где с, и c,,—теплоемкости смешиваемых кисло!, ккал'кг;
tA и 6,—начальные температуры смешиваемых кислот. "С\
с—теплоемкость получаемой кислоты, к.ка.1'кг\
t—температура получаемой кислоты, СС;
Qv—тепло, выделяющееся при смешении кислот, ккал:
()—тепло, отводимое хладоагентом,. ккал:.
(остальные обозначения см. выше).
По уравнениям (IV. 14) и (IV, 15) можно вычислить количество
отводимого тепла, которое является основной исходной величиной
для технологического и энергетического расчетов смесительной
аппаратуры.
Обычно при расчетах задаются температурами и t2 смешивае-
мых кислот (соответствуют температуре помещения) и темпера-
турой Z получаемой кислоты. Величины теплоемкости могут быть
найдены в соответствующих справочниках, тепловой эффект сме-
шения вычисляется в соответствии с законом Гесса по формулам
Томсена и Пор сера.
Тепловой эффект смешения и разбавления кислот. При смеше-
нии 1 моля 100%-ной серной кислоты с х молями воды выделяется
тепло в количестве q (в ккал/г-мол H.2SO4), определяемом
рической формуле Томсена:
17,86л
q ' х + 1,7983
Это уравнение может быть переписано так:
272п
~ /Г+49
где л— содержание воды в кислоте после разбавления,
Теплота смешения жидкого серного ангидрида с
ккал/кг воды) определяется уравнением Портера:
л 504.2 , 0,714(1—15)
1 ’ ’” I ."
I — m 1 — ni , ,,
-----+ 0,2013 -----+ 0,062
по змии
(IV, 16)
(IV, 17)
% .
водой (в
(IV .18)
J.'di/K. i30i’. баланс смжния кислот 167
где m—общее содержание серного ангидрида в кислоте, получен-
ной при смешении. сотые доли;
I—температура смешения, С..
Для вычисления теплоты смешения кислот введем дополнитель-
ные обозначения
qv—тепло, г.ндсл:> • -цееся : ?и образовании концентрированной
кислоты н:.-. моногидрата и воды, икал!кг H.2SO4;
7,—тепло, ;Ш1Д;!Лшощгес.и .зри образовании разбавленной кис-
лоты из моно-щраш. и воды, ккал/кг H2SO4;
q—тепло, пыдгг таэщесся при образовании из моногидрата и
воды кислоты когдллрациеи, равной концентрации по-
лучаемой ьиех-эты, ккал!к,’. ll.2SO,.
Очевидно, общее •соличсс.тво тепла Q', выделяющегося при
образовании G чЛ- сер: ой лдслоты концентрацией in % ll.,SO4 из
(G'-O.Olfli) \G.2 О.СЬи..! ьг .moi огидрата и воды, может быть най-
дено так (в ккал';:
С и.-0,1)1 + Gj-O.Oh/iM/j -р
Это же количество те тли (в ккал) может быть определено как
теплота разбавьенп:- 11-0,01 m кг моногидрата водой при образо-
вании кислоты ко т.д (.грацией /п % 11.,SOP т. е.:
С1' ;= G 0,01 тс/
При согюстзлгл) кп двух (селедних равенств находим:
Q., ::: 11.01 --(1 ДП1 , С], GjOTjC/a» (IV, 19)
По уравнению д \/, 19) предполагается определение теплоты
разбавления по формуле Томсена. При применении уравнения
Портера равенство (IV, 19) должно быть изменено следующим
образом:
фргю) о| [Cnq‘ —Gtiirfi — G2nzq^ ккал (,1V, 20)
где g'~-теилста смешения серного ангидрида и воды при обра-
зовании кислоты концентрацией пг %, ккал/кг воды;
с//—теплота сП' Шсшы серного ангидрида с водой при об-
разовал ,ш кислот концентрацией тЛ %, ккал/кг воды;
теплят г си. ш> .ния серного ангидрида и воды при обра-
зовании .1.:л(лт.1 концентрацией tn„ %, ккал/кг воды;
n, rtj, п4—содержав.!!-- водь, 'как связанной с SO.,, так и не свя-
занной) в смешиваемых кислотах и получаемой сме-
си, V.
168
Гл IV. Аппаратура процессов сульфирования
Для определения п пользуются следующими равенствами:
для серной кислоты
п — (100 — пгс + m, -J-?-1 = 100 — 0,8164m,
\ Уо .'
для олеума
п -- 0,1836 (100 — m0<
где mc—содержание моногидрата в серной кислоте, %;
т„—содержание свободного серного ангидрида в олеуме. %.
<7 Ыал/кг Н-О
3000 г
2800
Рис. 81. Номограмма для определения теплоты
смешения серного ангидрида с подои.
Формула Портера, связанная с громоздкими арифметическими
вычислениями, и экспериментальные данные о теплотах смешения
серного ангидрида и воды номографированы* (рис. 81). Этой но-
мограммой мы рекомендуем пользоваться в технических расчетах
при определении тепловых эффектов смешения кислот и тепловых
* Номограмма разработана С. Н. Тихменевым.
AiwutMtu для слежения и разбавления 169
эффектов изменения контентрации сульфирующего агента в про-
цессе сульфирован и>.
Пример. Определт гт i-tt i >ту с.к.'иесия серного ангидрида при 50° с обра-
зованием моноги цратг .:с<‘.ног кислоты.
Решение. "з ; ...н,".-.1 1 он .егтогпию серного ангидрида в моногидрате
(в % 8О3):
Л)
10(1--jj- :== 81,6%
Затем определяет и. . огрзмме (рис. 81 теплоту смешения q, ранную
1315 ккал! кг воды.
Аппаратура для сменет ия и разбавления серной кислоты
и олеума
Обычно в прел июле i-.екныл условиях не приходится разбав-
лять и смешивать бал ;тое <-.цячества серной кислоты или олеу-
ма, поэтому для lipiGT.H‘нг f -лих операций используют весьма
простые периоде -ест д йстпуюл.ие смесители. Благодаря про-
стоте операций стопюп л применимы любые аппараты, в которых
жидкости могут бьл:-. ясремешшп.. и охлаждены. Такими простей-
шими аппаратами явлен гея типовые котлы, выполненные из кис-
лотостойкого матд: тал;.
Следует различи"!, i jii c.iv тая смешения кислот, применяе-
мых для сульфв 3‘’Р.агшя:
1) смешение, поишщгих» то г образованию разбавленной кисло-
ты (менее 75% П.К,
2) смешение, ирпто:;; яшее к образованию концентрированной
кислоты (75 -100% H.;SG|i;
3) смешение, цшиодящее к образованию олеума.
В первом случае сто лег не проводят в аппарате, выполненном
из материала, стойче •<: к действию серной кислоты, имеющей
концентрацию меже 7>%; аппарат снабжен мешалкой или воз-
душным барботерам В случж смешения, приводящего к образо-
ванию конщ нтрпрс зз-i !.ой то. слоты, перемешивание путем бар-
ботажа воздухом нто-то ггельнс так как оно способствует погло-
щению кислотой :.п « пз ".ознуха и, следовательно, вызывает раз-
бавление кис топ.. При смешении с образованием олеума перемеши-
вание сжатым во злу х >м ненри-одно вследствие легкости десорбции
серного ангидрида.
Руководствуясь л’то и c-.'cf р.тжепиями, а также стремлением
к наиболее выгедн то то бпшшии кислотостойких материалов,
для смешен! я серкой i-ислоты и олеума используют следующие ,,
аппараты, для ш:.. точтои/ р гДавленчой кислоты применяются i
стальные сварные -то. .1 л. горизонтальные монтежю, футеро- И
ванные кис.чотоупоп-:( г гни-.то, преимущественно диабазовой. ((
170 Гл IV. Аппаратура процессов сульфирования
Эти аппараты снабжают свинцовыми змеевиками (для охлажде-
ния) и свинцовыми воздушными барботерами (для перемешивания).
Барботер выполняется в виде перфорированной трубы, уложен-
ной спиралью на дне аппарата. Более целесообразно, по сравне-
нию с барботерами, применение стальных освинцованных мешалок.
Разбавленная кислота может быть, эвакуирована из аппаратов
через нижний спускной штуцер или путем сифонирования. Одна-
ко лучше всего для эвакуации кислоты пользоваться погружным
центробежным насосом, так как при этом исключается возмож-
ность «заедания» кранов на спускной линии. При применении бо-
лее надежных кранов, например из кремнистого чугуна, слив
разбавленной кислоты самотеком через нижний спуск можно счи-
тать достаточно удобным способом ее эвакуации. Кроме того, в
настоящее время разработаны смазки, при употреблении которых
предотвращается «заедание» кранов, установленных на трубопро-
водах для серной кислоты.
Процессы смешения олеума и кислот, приводящие к образова-
нию олеума и концентрированной серной кислоты, проводятся в
закрытых чугунных (лучше в стальных) аппаратах. Смесители
этого типа снабжены мешалками (преимущественно пропел-
лерными) и рубашками для охлаждения водой.
По устройству описываемые смесители не отличаются от типо-
вых реакционных котлов и чанов, рассмотренных в главе II
(стр. 101 и ст.).
Для смешения больших количеств серной кислоты или олеума
описанные смесители мало пригодны вследствие их небольшой
производительности. В этих случаях следует ориентироваться
на применение более сложных, но более производительных сме-
сителей, которые описаны в главе V (стр. 206).
3. СУЛЬФУРАТОРЫ
Сульфураторами называются реакционные аппараты, пред-
назначенные для проведения процессов сульфировани?!. Конструк-
ции этих аппаратов разнообразны, что обусловлено разнообразием
методов сульфирования, применяемых в промышленности. В на-
стоящее время наиболее распространены следующие методы’
1) сульфирование жидких или твердых (измельченных) ве-
ществ жидким сульфирующим агентом;
2) сульфирование парообразных веществ жидким сульфирую-
щим агентом;
3) сульфирование жидких или растворенных веществ газооб-
разным сульфирующим агентом (SO;!);
3. Ср /.ьфураторь/ j 7J
4) «экстракцис.1 i,.:k i ульфиссвание жидких веществ жидким
с ульфирующим агентом
5) сульфирование «-ж еканиемг.
Сульфураторы для сульфирования жидких и твердых
веще -с । в жидким сульфирующим агентом
Сущность этого !v.e,n да заключается в смешении сульфируе-
мого вещества с сулногрующам агентом и выдерживании смеси
ингредиентов при определенной температуре в течение установ-
ленного времени. По эго1. у наиболее старому и распространенному
методу сульфдрсвангш ipi вгц.щгя в аппаратах периодического
действия.
Агрегатное состоя1 • ж рент н.тэв в данном случае может соот-
ветствовать системе нс/ менци-ающихся жидкостей (углеводород
и сульфирующий чешу и.in суспензии твердого измельченного
сульфируемого щ-щеелг.? в жидком сульфирующем агенте. Для
осуществления период, k ес сото процесса взаимодействия в таких
системах требуется i ар.зтуэа, аналогичная аппаратам типов
iVe и Ув (рис. 1, ст? ’7), т. е. обычные реакционные котлы.
Консистенция р< дюпион массы при проведении процесса
по этому способу различна. Сульфирование жидких веществ,
как правило, пршюдщ < образованию довольно подвижной реак-
ционной массы, суп; (рирнвание твердых—к образованию менее
подвижной и болед-. втаоч р ’.акционной массы. Соответственно
этому при сульфирован 1и жидких веществ сульфураторы снаб-
жаются пропеллерным я мешалками, змеевиками и трубчатками,
а в процессе сульфирсшания твердых веществ применяют якорные
или пропеллерные че:чал к и и оформляют поверхность теплооб-
мена сульфураторов тегько в виде рубашек. Иногда при сульфи-
ровании образуется столь вязкая и густая масса (вследствие кри-
сталлизации), что размешивание ее становится невозможным даже
при помощи якорных мешалок. В этих случаях в аппаратах уста-
навливают спецнал г.ые режущие приспособления (см. ниже,
стр. 174), что С11:»соб;т!’ует лучшему перемешиванию.
Характер разместие-анич ингредиентов в сульфураторах этого
типа зависит от кощ'.шц'егщии реакционной массы. При сульфи-
ровании жидки?; исписав, не смешивающихся с сульфирующим
агентом, требуется зm чс.чец )? перемешивание. В процессе суль-
фирования -вердыд -.•.чепещшрованных веществ интенсивного
перемешивания не требует-?. Поэтому в рассматриваемых суль-
фураторах примен.яюгс.; соответственно и якорные и пропеллер-
ные мешалки.
Температура нрешн ов еу.е фирования колеблется в пределах
— Юж I 180' , п.сэ'ома. г промышленных условиях приходится при-
172 Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
менять различные теплоносители и различные хладоагенты. В ка-
честве теплоносителей в процессах сульфирования используется
преимущественно насыщенный водяной пар низкого и высокого
давления или пары ВОТ, в качестве хладоагентов—вода и холо-
дильные рассолы. Применение перечисленных теплоносителей и
хладоагентов, за исключением пара высокого давления, позволяет
ОфорМЛЯТЬ поверхности Теплообмена аппаратов любым способом.
В случае использования пара высокого давления отказываются
от рубашек и устанавливают змеевики. Однако в ряде случаев
из-за слишком высокой вязкости реакционной массы прихо-
дится отказаться и от размещения змеевиков в реакционном объеме.
Поэтому при применении в качестве теплоносителей пара высокого
давления или паров ВОТ сульфураторы изготовляются с змееви-
ками, залитыми в стенки аппарата, или с змеевиками, помещен-
ными в свннцово-сурьмяную баню.
Давление не имеет в процессах сульфирования существенного
значения и практически не оказывает влияния на конструкцию
сульфураторов. Эти аппараты обычно рассчитываются лишь на
давление, создаваемое в них при эвакуации реакционной массы
сжатым воздухом (2—3 ати).
Тепловой эффект процессов сульфирования положителен и
довольно вьсок. Поэтому сульфирование при низких темпе-
ратурах должно проводиться в условиях интенсивного охлажде-
ния. Сульфирование при высоких температурах проводится пре-
имущественно без искусственного охлаждения, несмотря на
выделение тепла. Следовательно, в процессе сульфирования при
высоких температурах интенсивность теплообмена не имеет решаю-
щего значения.
Для создания лучших условий теплообмена при сульфирова-
нии па холоду (улучшение теплообмена может оказывать влияние
на скорость проведения процесса) в большинстве случаев не стре-
мятся к развитию поверхности охлаждения, так как размещение
змеевиков и трубчаток в аппарате недопустимо вследствие образо-
вания высоковязкой реакционной массы. Иногда нецелесообраз-
но и увеличение разности температур между сульфомассой и хладо-
агентом, так как переохлаждение стенок вызывает кристаллизацию
на них твердых продуктов реакции и ухудшение условий тепло-
обмена. В этих случаях на начальной стадии охлаждения лучше
применять теплую воду. Уменьшение разности температур между
сульфомассой и хладоагентом позволяет предотвратить кристалли-
зацию продуктов реакции на поверхности охлаждения.
Для интенсификации охлаждения целесообразно применение
скребковых мешалок, при вращении которых стенки аппарата
очищаются от налипающей на них массы, что приводит к увели-
чению коэффициента теплопередачи в 1,5—2 раза.
. ораторы
173
Риг. 62. Сульфуратор для суль-
фирования жидких углеводоро-
дов при низкой температуре.
Ингредиенты, neperзбатыв&емые в сульфураторах, по хими-
ческим свойствам соотвегствуют концентрированной серной кис-
лоте. Такая кислота не оказывает сильного коррозионного дейст-
вия на черные металл-!, поэтому они могут успешно применяться
для изготовления гульсруратсюое. При применении олеума в ка-
честве сульфирующего тента наблюдалось растрескивание чу-
гунных аппаратов. По т ой причине при сульфировании олеумом
следует применят аплаоазы ;н; высококачественного чугунного
ЛИТЬЯ. Структура ЛИ"1.!! ДОЛЖНИ
быть мелкозернистой, >ез рако-
вин. Как показал опъл такие чу-
гунные сульфураюры <’юлег стой-
ки к действию серной кислсты
и органических cj,'i ьфокис. 1 от.
чем стальные сулырурагоры. Хи-
мическая стойкое л. ч;. .на в про-
цессах сулыЬироЕ.авня озпзсгает
при введении в мега ч.ч лнц.уи-
щих добавок. Для jk- иров-шкя
применяются: на.сел. 'примерно
0,4%) и хром CffinMeooo
На основание, в... ч.гнпых со-
ображений можно сдел.ль следую-
щий вывод. Аппаратам'-- для про-
ведения сульфировали - :ки>.них
или твердых Boic.ecri'. жадким
сульфирующим агентом могут
служить (.таидар гньл озг.'!:!,
снабженные элеменгачи поверх-
ности теплообмен л и р'.нмешнзао-
щими приспособлен!! гон различ-
ных типов. Для су с t,0. ро гг-ия при 1'сижих температурах такие
котлы должны ОоГ'ь снабжен,,, стальными рубашками, для суль-
фирования при ыг,1., < тем'.трату pay. (при обогреве паром вы-
сокого давления) у.огг г. долж-:ы быть снабжены змеевиками, за-
литыми в стенки аппарате в. или змеевиками, помещенными в рас-
плав металлов (например, i свинцово-сурьмяную баню).
В качестве раз шли в зачмцн.с приспособлений в сульфураторах
устанавливаются якорные1, и пропеллерные мешалки. Первые ис-
пользуются глазным образом при образовании вязких про-
дуктов реакции, вторые—;пи образовании системы нссмеши-
вающихся жидхоетеп’.
На рис. 82, 8',’, 84 показаны важнейшие конструкции сульфу-
раторов этого типа. А .тларт?, показанный на рис. 82, приме.няется
для сульфировании лидк-и углеводородов при низкой те.мпера-
174
Гл IV. Аппаратура процессов сульфирования
туре. Аппарат, изображенный на рис. 83, используется в процес-
сах сульфирования при низкой температуре, при которых обра-
зуется вязкая реакционная масса. В таком сульфураторе разме-
щают режущие приспособления в виде стальных балок, прикреплен-
ных к крышке аппарата. На
рис. 84 показан сульфуратор,
применяемый при высоких
температурах процесса. Ап-
парат представляет собой
чугунный котел со сталь-
ной рубашкой, в которой
Рис. 84. Сульфуратор для сульфирова-
ния при высоких температурах, снаб-
женный змеевиками, залитыми в стенки
аппарату.
Рис. 8.3. Сульфуратор для суль-
фирования при низкой темпера-
туре с образованием вязкой ре-
акционной массы:
1—режущее приспособление.
расположены змеевики, залитые свинцово-сурьмяным расплавом;
змеевики обогреваются паром давлением 10—12 апги.
По устройству такие сульфураторы мало отличаются от типо-
вых реакционных котлов и потому не требуют подробного рас-
смотрения .
Сульфураторы для сульфирования парообразных веществ
жидким сульфирующим агентом
Этот метод сульфирования заключается в пропускании паров
сульфируемого вещества через жидкий сульфирующий агент.
Проходя через слой жидкого сульфирующего агента, пары ча-
Сумх/щраторы
стично сульфируются с. образованием сульфокислот, остающихся
в среде сульфирующего агента. Непросульфировавшаяся часть
парообразного исхид:тог<. соединения при прохождении через
сульфирующий агент насыщает-! тарами реакционной воды. Пары
воды отгоняются из аппарата вместе с парами непрореагировав-
шего вещества. По..щ.' конденсации отогнанные продукты легко
разделяются путем простого отстаивания. Сульфируемое соеди-
нение вновь возвращаете в цикл, вода выводится из системы.
Следовательно, прожхаднт рециркуляция паров сульфируемого
вещества, что спос:>б;:т щют удалению воды из реакционной мас-
сы и сокращению рас езда сульфирующего агента.
Если через сульфирующий .тент будет пропущено G кг паров
сульфируемого веществ;'!, из которых нс просульфируется G, кг,
то из аппарата будет удалена вода в количестве G2 кг, определяемом
равенством
1 W2p2 Ф
где pL—парциальное "зваени; пазов сульфируемых веществ;
р2—парциальное о,явление паров воды над сульфирующим
агентом;
Mt—молекулярный вес сульфируемых веществ;
М2—молекулярный вес воды;
<р—коэффициент, учитывающий степень насыщения паров
сульфируемых веществ парами воды.
Благодаря удалению такого количества воды из реакционной
массы расход сульфирующего агента (в кг) снизится на следую-
щую величину:
При сульфировавши бензола этот способ проведения процесса
оказался намного эффективнее описанного выше. При этом
расход сульфирующего ьгелта уменьшается почти в 2,5 раза,
ускоряется процесс к получается сульфомасса, содержащая лишь
3—4% свободной серией кислоты. Однако этот способ применим
только в тех случая:;, когда сульфируемое соединение обладает
значительной летучестью и концентрация серного ангидрида в
сульфируют,ем апнг е га превышает 75—80%.
Сульфураторы, гредпазначёнгые для проведения процесса
по описанному методу, относятся к группе аппаратов для взаимо-
действия веществ н с лгаем.- г аз -жидкость. Следовательно, их
можно оформлять в вид; аппаратов поверхностного типа, пле-
ночно-поверхностного типа, барботажного типа и в виде распы-
176
Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
сы, имеющей консистенцию
Рис. 85. Сульфуратор для
п а р оф а з I [ о го сульфирования
бензола периодическим спо-
собом.
ливающе-разбрызгивающих аппаратов (рис. 1, типы На—//ж,
стр. 16). Наиболее удобны для данного процесса аппараты бар-
ботажного типа, так как в других аппаратах не удается создать
достаточно развитую поверхность фазового контакта или до-
стигнуть требуемой продолжительности соприкосновения ин-
гредиентов.
Рассматриваемый процесс приводит к образованию сульфомас-
довольно подвижной жидкости, бла-
годаря чему элементы поверхности
теплообмена и размешивающие при-
способления в таких аппаратах мо-
гут быть оформлены любым спосо-
бом.
Производственный опыт показал,
что при сульфировании парообраз-
ных веществ не требуется энергич-
ного перемешивания сульфирующего
агента; вполне достаточно перемеши-
вания, создающегося в результате
барботирования паров через жид-
кость. Поэтому рассматриваемые
сульфураторы могут не иметь спс-
циальных размешивающих приспо-
соблений.
В отношении влияния темпера-
туры, давления, интенсивности теп-
лообмена и прочих факторов, опре-
деляющих конструкцию реакцион-
ного аппарата, метод сульфирова-
ния бензола в парах не отличается
от описанного выше (стр. 171 и сл.).
На рис. 85 показан сульфуратор периодического действия
для сульфирования бензола в парах. Аппарат представляет собой
чугунный котел, снабженный паровой рубашкой, барботером для
ввода паров бензола и соответствующей арматурой и гарнитурой.
Наибольшей коррозии подвергаются верхняя часть и крышка
сульфуратора, соприкасающиеся с паровой фазой. В связи с этим
сульфураторы выполняют из двух царг, что дает возможность в
случае необходимости заменять только верхнюю часть аппарата,
а не демонтировать весь сульфуратор.
Отношение высоты к диаметру в этом аппарате несколько
больше, чем в типовых реакционных котлах, так как при большей
высоте столба жидкости процесс протекает более активно и пары
бензола в большей степени насыщаются парами воды. Барботер
сульфуратора выполнен в виде колокола с зубчатыми краями,
3. Сульфураторы 17*1
что способствует боже равномерному распределению паров бен-
зола в жидкости. Распространенный способ конструктивного
оформления барботерог; (в виде змеевика из перфорированных
труб) в данных условиях менее пригоден. Перфорированная труба
в таком сульфураторе подвергается быстрому взносу, кроме того,
в отверстиях барботера могут отлагаться смолообразные вещества,
побочно образующиеся в процессе сульфирования.
Непрерывное сульфирование парообразного сырья представ-
ляет большой ины ы в техническом отношении и имеет большое
практическое значение. Благодаря сильно развитой поверхности
фазового контакта щ-щ.ниг сульфирования в парах протекает, по-
видимому, с большой скоростью, а скорость протекания процесса
в коу-ечном счете определяете? скоростью пропускания паров суль-
фируемого вещест за. Последнее определяет возможность значитель-
ного сокращения житель гости процесса и целесообразность
проведения его непрерывным методом. Для непрерывного сульфи-
рования в парах могут быть вспользованы описанные выше суль-
фураторы, последовательно соединенные в каскад, состоящий из
двух, трех или более аппаратов. Промышленная реализация про-
цесса непрерывного сульфирования бензола в парах значительно
затрудняется вследствие побочного образования больших коли-
честв сульфонов.
А. Н. Планов; к ий и С. 3. Каган разработали метод непрерыв-
ного сульфирования бензола в нарах, лишенный указанного не-
достатка. Агрегат для сульфирования по этому методу представлен
на рис. 86.
Серная кислота непрерывно перекачивается из хранилища 1
через регулятор напора 3 и измеритель расхода 4 в непрерывно-
действующий сульфу ?атэр 5. Жидкий бензол из хранилища 8
подается насосом 9 s прямоточный испаритель-перегреватель 7,
откуда поступает в сульфуратор 5 и колонный сульфуратор 10.
Количество подаваемого в систему бензола контролируется рас-
ходомерами ба и !>'>.
Из сульфуратор'а о. где происходит взаимодействие серной
кислоты и бензола, непрерывно вытекает сульфомасса, содержа-
щая 30% свободно)' серной кислоты. Сульфомасса поступает в
колонный сульфуратор Ю, выполненный в виде ректификацион-
ной колонны с шестью тарелками или секциями, и стекает вниз
по секциям. Из пшкаеА части колонного аппарата выводится бен-
золсульфокислота, содержащая 3—4% свободной серной кислоты.
Пары бензола проходят через колонный сульфуратор снизу вверх,
постепенно насыщаются водяными парами и отводятся из верхней
части аппарата в холодильник-конденсатор 11. Конденсат смеси
паров бензола и воды расслаивается в отстойнике 12. Водный слой
удаляется в канализацию, бензольный слой через осушитель-ней-
12—2277
178 Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
!-!пе. 86. Агрегат для непрерывного с.ул ьфпроваипя бензола н ча-
рах jo методу А. II. Плааовского и С. 3. Кагана:
/—хранилище серной кислоты; 2, 9—центробежные погружные насосы; 3—регу-
лятор напора; 4—измеритель расхода серной кислоты; 5—сульфуратор непрерыв-
ного действия; 6а, 66—измерители расхода бензола; 7—испаритоль-перегрева-
гель; 8—хранилище бензола; /9—колонный сульфуратор; 11—холодильник-кон-
денсатор; 12—отстойник; 13—осушитель-нейтрализатор.
трализатор 13 поступает в хранилище бензола 8. Описанный ме-
тод применяется в промышленности.
При непрерывном сульфировании бензола в таком агрегате
реакция значительно ускоряется вследствие улучшения контакта
фаз и некоторого повышения температуры процесса.
Сульфирование жидких или растворенных веществ
серным ангидридом
Разработка процессов сульфирования серным ангидридом имеет
исключительно большое значение, так как эти процессы могут
протекать при применении теоретических количеств сульфирую-
щего агента.
Процесс осложняется побочными реакциями (образование
большого количества сульфонов), что является существенным пре-
• >. С./.и-фурторы ________1 <'’>
пятствием к его промышленной реализации. А. И. Плановский
и С. 3. Каган предложили метод, сочетающий сульфирование бен-
зола серным ангидридом с «экстракционным» методом сульфирова-
ния, при этом были найдены условия, в которых процесс не ослож-
няется образованней сульфонов.
Сульфураторы для «экстракционного» сульфирования
жидких веществ жидким сульфирующим агентом
Весьма интересен лето.; «экстракционного» сульфирования
жидких углеводороде!.1. Он. основан на. способности сульфируемо-
го вещества раствор:) i; продукт сульфирования (сульфокислоту)
ц на способности су.-.-.Пирующего агента растворять воду. Так,
при пропускании черет серную кислоту бензола можно в извест-
ных услови$!х доел-п !iv ж их. г,ззимоде нствия, приводящего к об-
разованию бензол^.!зфок!1с/н)гы и воды. При большом избытке,
бензола возможно рас : вонен:н? продуктов сульфирования., т. е.
образование 2 :! Т > рас г. юр а бснзодсульфокнслоты в бензоле
и серной кисло) я, разбив.iOHiicii водой. Бензол и серная кислота
легко расслаива ется, что н'отвеляет получить обратно всю избы-
точную серную ),!!(, аду (правда, менее концентрированную).
После концентрэ- взяни-л кислота мож-.-т быть вновь гсиолыов'шэ
для сульфирования, (...юдов.зтельно, в этом случае., как п по пре-
дыдущему методу, процесс протекает с теоретическим расходом
сульфирующего аг.гы. .
При практиче;ю:ш проведет ш «экстракционного» сульфиро-
вания, очевидно, 5,явлен;.! использоваться сульфураторы дли
взаимодействия веще;: 1:. в системе жидкость—жидкость. Ускоре-
нию процесса, экс ы-д. амодействуют песмептев 'пэщисся
жидкости, может спспсбс'. ею я ть весьма интенсивное нерсмеши,-
вание или .эму.лъп.рэвлнне их. Поэтому сульфуратор должен
быть снабжен рз.пеги аваьэщлмп приспособлениями или устрой-
ствами, увеличивающими г:оы:|'\тость фазового контакта. Рассма-
триваемые сулы|ц'!.ч11 ээы, за ; и вег. описанные ранее, должны,
включать элеменчы поверхности теплообмена, соответствующие
консистенции перер абы ываемьж веществ.. " р
Наиболее просто!! с ,льф;/|1.д"ор для «экстракционного» суль-
фирования схематично, пзобра г.ев на рас. 87. Этот айн ар ат пред-
ставлет собой ста. i:i -эй ,лв L угу ннь-й котел, снабженный пропел-
лерной мешал ко:'- п руо.’.шлей или змеевиком для нагревания или
охлаждения (на pi>.\ нкв не показано). В котел загружают сер-
ную кислоту и через нее пропускают жидкий бензол, вводимый
в нижнюю часть : iиарста .бензол, имеющий меныпий удельный
вес, чем кислота i ротецит через слой размешиваемой жидкости
и собирается в верхнее сет 'грационном объеме аппарата. Здесь
бензол отделяете;- oi увлекаемой им кислоты и затем удаляется
12*
180
Гл. !V. Аппаратура процессов сульфирования
из аппарата. Сульфуратор может работать как периодически, так
и непрерывно.
В первом случае кислоту загружают в аппарат периодически
и пропускают через нее бензол до тех пор, пока концентрация
кислоты не снизится до заданного предела, после чего из аппарата
выгружается отработанная кислота. Во втором случае бензол
и кислота пропускаются через аппарат непрерывно. При этом
Рис. 87. Сульфуратор типа котла
для «экстракционного» сульфиро-
вания .
Рис. 88. Цилиндрический суль-
фуратор для «экстракционного»
сульфирования:
/—перегородка.
с верхней и в нижней части аппарата должны создаваться сепа-
рационные зоны, в которых происходит разделение кислоты и бензола.
Бензол, выводимый из аппарата, содержит 2—3% растворен-
ной бензолсульфокислоты и поступает в специальные аппараты
для промывки водой или щелочными растворами. В этих аппара-
тах из бензола извлекается бензолсульфокислота или ее соль в
виде водного раствора (возможна также отгонка бензола). Осво-
божденный от сульфокислоты бензол вновь возвращается на
сульфирование и, таким образом, может замкнуто циркулировать
в системе сульфирующего агрегата.
Экстракционные сульфураторы могут иметь и другое устрой-
ство, например в виде цилиндрического аппарата (рис. 88), вну-
j (.’ули'рураторы
181
три которого концентрически расположен цилиндр с перегород-
кой. К этому же цилиндру крепятся змеевики, обогревающие или
охлаждающие реакционную массу в процессе сульфирования.
Кислота поступает в реакционный объем через верхний штуцер
(расположенный над. перегородкой), поднимается вверх и затем
проходит вниз по кольцевому сечению аппарата. Бензол, вводи-
мый в аппарат через мпжнкЬ штуцер, поступает под перегородку и,
вследствие меньшего удельного веса, направляется вверх по тому
же кольцевому сечению, дечсаясь навстречу серной' кислоте.
Образовавшаяся в i роцсссе
сульфирования гц<г ,та ины
кислота выводится ;гз л .парам
через нижний боковой шт;,пер.
раствор бензол сульфо кис. io'о
в бензоле удаляется через верх-
ний боковой штуцер. 1'азмерь
сульфуратора следует рассчи-
тывать так, чтобы высш а верх-
ней и нижней частг была до-
статочна для секарапин, т о.
для отделения кисло’ы от нш-
зола вверху и отделения С-еп-
зола от кислоты ллизу.
Вследствие небел..лэй ско-
рости протекания процесса г
необходимости .1.1 г'-х. : >г со-
прикосновения с ульфируемого
вещества и сульфирующего
агента авторы этого метода
рекомендуют послед<>вчте.п -.но
соединять несколько экстрак-
ционных сульфура'орев. Рн,-. 89. (Схема агрегата для
Схема такого ггрепга искана- «экстракционного» сульфирования .
на на рис. 89.
Как показали А. Н. [(лапонекий и С. 3. Каган, при сульфиро-
вании по экстракции]-.ному методу требуются значительные объе-
мы аппаратуры и значительный расход тепла. В связи с этим ими
был разработан «комбинированный» метод сульфирования с исполь-
зованием в качестве исходного сырья газообразного S03 и одно-
временной экстракцией продуктов реакции.
По расчетам этих авгороз наиболее экономичными и перспек-
тивными являются «комбинированный» метод и метод парофазпо-
го сульфирования. Cxoi.i а . к.-урпог > агрегата для сульфирова-
ния бензола по «комбинированному» методу представлена на рис. 90.
Бензол из хранилищ 7 или 8 насосом 9 подается в напорный
182 _Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
бачок 1, откуда непрерывно поступает в сульфуратор-экстрактор 3t
заполненный на 40—60% моногидратом. Моногидрат загружает-
ся из хранилища 10 через мерник 2. В сульфураторе-экстракторе
при интенсивном перемешивании ингредиенты эмульгируются
и энергично взаимодействуют. В результате сепарации, которая
происходит в верхней части аппарата, происходит отслаивание
бензола. Бензол, содержащий растворенную бензолсульфокисло-
ту, перетекает из сульфуратора в экстрактор 5. При сульфирова-
ние. 90. Агрегат для «комбинированного» сульфирова-
ния бензола (но методу Планопского и Кагана)-.
/—напорный бачок для бензола; 2—мерник для моногидрата серной
кислоты; 3—сульфуратор-экстрактор; /—напорный бачок для воды или
раствора щелочи; 5—экстрактор; 6—осушитель; 7—сборник обратно-
го бензола; «—хранилище свежего бензола; 9—насос; ?J0—хранили-
ще моногидрата.
иии 1 моля бензола расходуется 1 моль моногидрата серной кис-
лоты и выделяется 1 моль воды. В реакционную зону аппарата
непрерывно вводится газообразный SO3, который связывает вы-
деляющуюся воду с образованием моногидрата серной кислоты.
Таким образом, в сульфураторе сохраняется постоянное количе-
ство моногидрата неизменной концентрации, который и является
сульфирующим агентом. В сульфуратор вводятся только бензол
и серный ангидрид, так что в конечном счете бензол сульфи-
руется серным ангидридом.
Экстрактор 5 сходен по конструкции с сульфуратором-экстрак-
тором 3. В экстракторе 5 бензолсульфокислота извлекается из
3 СулнЬурагоры
183
бензола водой и,пи раствором щелочи, поступающим из бачка 4,
и непрерывно удаляется из нижней части аппарата в виде рас-
твора. Бензол отводится из верхней части аппарата в осушитель 6,
откуда он вновь возвращается в цикл через сборник 7, который
служит промежуточным хранилищем обратного бензола.
«Комбинированный» метод, сочетает все достоинства «экстрак-
ционного» метода и метода сульфирования серным ангидридом и
вместе с тем лишен их недостатков. Расход сульфирующего аген-
та не превышает теоре: ического, но в то же время устраняется
возможность образования значительных количеств сульфонов,
так как реакция происходит в среде моногидрата.
Сульфураторы для сульфирования методом «запекания»
Сульфирование аминов методом «запекания» заключается в
последовател ьном проведе н ни двух технологических операций:
солеобразования и собственно «запекания». Солеобразование,
происходящее при обработке аминов, эквимолекулярным количест-
вом серной кислоты, приводит .< получению сернокислых аминов.
При «запекании» (нагревание до 190—200°) сернокислые соли
аминов выделяют воду и перегруппировываются, образуя сульфо-
кислоты аминов (например, сульфаниловую и нафтионовую кис-
лоты).
По характеру и условиям проведения операция солеобра-
зования близка к сульфированию обычным (первым) методом
и, следовательно, может проводиться в сульфураторах, изображен-
ных на рис. 82 и 83.
За рубежом «запекание» пповодят во вращающихся барабанах
или'в аппаратах с. мешалками. Вращающиеся барабаны представ-
ляют собой стальные, горизонтально установленные цилиндры
объемом 3—4 м3, снабженные рубашками для обогрева аппаратов
топочными газами. Е»арабан приводится во вращение электродви-
гателем через редуктор и зубчатую передачу. Исходные вещества
загружают в барабан через полый вал, через который отсасывают-
ся', также пары и газообразные продукты реакции. Для лучшего
размешивания реакционной массы в барабан загружают чугун-
ные шары.
На рис. 91 изображен аппарат для сульфирования «запека-
нием». Аппарат представляет собой котел объемом 2000 л с мешал-
кой и обогревом топочными газами. Он установлен в печи, обогре-
ваемой газом. Мощная мешалка 4 имеет зубья, которые проходят
между вертикальными пластинами 3, укрепленными в крышке
аппарата.
Благодаря наличию пластин сульфируемый продукт исти-
рается в тонкий порошок.
184
Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
На рис. 92 показан аппарат для аналогичного процесса «запе-
кания». Котел объемом 7500 л снабжен мощной сошниковой ме-
шалкой и обогревается горячей водой, поступающей в змеевики,
залитые в днище, стенки и крышку аппарата. Загрузка исходных
продуктов производится через люк 1, разгрузка—через люк 2.
Аппараты, показанные на рис. 91 и 92, приспособлены для рабо-
ты при разрежении.
Рис. 91. Аппарат с мешалкой для «запека-
ния», обогреваемый топочными газами:
1—котел. 2—печь; <3—вертикальные пластины; 4—ме-
шалка.
Рис. 92. Аппарат для «запека-
ния» с мешалкой, обогреваемый
горячей водой:
/—люк для загрузки; 2—люк для раз-
грузки.
В отечественной промышленности применяется более совер-
шенный метод перегруппировки солей аминов (анилина, 1-нафтил-
амина) в среде полихлоридов бензола. Перегруппировку сернокис-
лой соли амина проводят в среде технического о-дихлорбензола
при 175—180° в чугунных котлах, снабженных мешалками и обо-
греваемых парами высококипящего органического теплоносителя.
Вода, выделяющаяся при перегруппировке сернокислой соли
амина, отгоняется в виде азеотропной смеси с дихлорбензолом.
Как отмечалось выше, процесс протекает с теоретическим расхо-
дом сульфирующего агента. Описанный метод позволяет сокра-
тить затраты ручного труда при сульфировании и значительно
уменьшить возможность контакта обслуживающего персонала
с применяемыми токсичными аминами.
4. ,::t . <1вой баланс сумфураторов
185
4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС СУЛЬФУРАТОРОВ
Общее уравнение тепло: ого баланса. Тепловой баланс сульфу-
раторов в наиболее общем зиде может быть представлен следую-
щим равенством:
h , + Q-i + Q;, + + Qy
(IV, 21)
где Qt—тепло, поступающее в аппарат с греющим агентом, ккал;
()2—тепло, поступающее в аппарат с обрабатываемыми веще-
ствами, ьлшц
Qg—тепло, выделяющееся в результате сульфирования, ккал;
04—тепло, уносимое продуктами сульфирования, ккал;
Q6—тепло, расходуемое на нагревание аппарата, ккал;
Qe—тепло, расходуемое на испарение воды и сульфируемо-
го вещества, ккал;
Q7—тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду, ккал.
Это равенство сшаанедл юо как для процессов, проводимых
при нагревании, так и д.и-i процессов, проводимых при охлаж-
дении. В последнем случае величина будет соответство-
вать теплу, отводимому охлаждающим; агентом, и иметь знак
минус.
Все величины, составляющие тепловой баланс сульфуратора,
за исключением вел . пн ф3 и Q6, находят обычными методами,
поэтому на способах их вычисления мы не останавливаемся.
Величины Q;i и Q6. специфичные для процессов сульфирования,
требуют специального рассмотрения.
Тепло Q... выделяющееся в результате сульфирования, пред-
ставляет собой сумму тепловых эффектов всех физико-химических
процессов, сопутствующих сульфированию.
Тепловой эффект процесса сульфирования. Полагая, что важ-
нейшим (по величине теплового эффекта) физико-химическим
процессом, сопутствующим сульфированию, является из-
менение концентрации сульфирующего агента, представим теп-
ловой эффект процесса следующим равенством:
Q;< === (?с
(IV, 22)
где Qp—теп.пота реакции сульфирования, ккал;
Q„—тепло, выделяющееся при изменении концентрации суль-
фирующего агента, ккал.
Теплота реакции сульфирования может быть определена обыч-
ным для термохимии методом как разность между суммой теплот
186 Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
образования продуктов, полученных в результате реакции, и сум-
мой^теплот образования исходных продуктов:
<7р = — 2<7.. (IV, 23)
где <7Р—теплота реакции, ккал!г-мол;
Е</к—сумма теплот образования полученных продуктов,
икал! г-мол-,
£<7,—сумма теплот образования исходных (перерабатываемых)
веществ, ккал!г-мол.
Применительно к реакции сульфирования серным ангидридом
RH, < xSO3 = R(SO3H)t. (IV, 2)
формула (IV, 23) перепишется так:
9р = 7.. — V. — xqso3
или
7Р = — qc—103,2х (IV, 24)
где —тепло образования сульфокислоты, ккал/г-мол;
qc—тепло образования сульфируемого продукта, ккал/г-мол;
7so:,—тепло образования серного ангидрида (103,2 ккал,1 г-мол);
х—количество атомов водорода в молекуле органического
соединения, замещаемых сульфогруппами.
Теплота изменения концентрации сульфирующего агента, со-
ответствующая теплоте выделения из сульфирующего агента сер-
ного ангидрида, расходуемого на образование сульфокислот, мо-
жет быть вычислена, если известны пределы изменения концентра-
ции серной кислоты или олеума, а также их количества, участвую-
щие в процессе. Для вычисления, очевидно, могут быть использо-
ваны формулы (IV, 16), (IV, 17) и (IV, 18), определяющие теплоту
разбавления моногидрата серной кислоты водой и теплоту смеше-
ния серного ангидрида и воды.
Эти теплоты равны по величине и противоположны по знаку
тенлотам выделения серного ангидрида из серной кислоты и
олеума.
Заметим, что теплота изменения концентрации сульфирующего
агента может соответствовать и теплоте разбавления его водой,
выделяющейся в результате реакции, если реакция сульфирова-
ния может быть представлена уравнением (IV, 1). Но эту реакцию
удобнее представлять уравнением (IV, 2), что и принято при
выводе равенства (IV, 24). Поэтому следует предположить, что
взаимодействие углеводорода с сульфирующим агентом протекает
< /.-/',,овчй ciimhc сульфураторов J87
следующим образом (предположение вполне справедливо лишь
с точки зрения энергетического баланса). Из сульфирующего
агента выделяется с поглощением тепла серный ангидрид (теплота
его образования из элементов 103,2 ккал!г-мол, а теплота образо-
вания SO3 в водном эастворе больше и зависит от концентрации
раствора), далее серным ангидрид взаимодействует с углеводоро-
дом, причем эта реакция сопровождается выделением тепла по
уравнению (IV, 21
Зная теплоту смешения серного ангидрида с водой .вычисленную
по формуле (IV, 18), можно легко определить теплоту выделения из
сульфирующего агента серного ангидрида, расходуемого на обра-
зование сульфокислот.
С точки зрения термохимии будет справедливо следующее пред-
ставление о ходе этого процесса. Вначале с затратой Q' икал тепла
выделяется весь серп п ангидрид. Часть серного ангидрида рас-
ходуется на образован не сульфокислот, другая же часть не всту-
пает в реакцию и г:о окончании процесса растворяется в воде с
выделением Q" ккал тепла. З акии образом, теплота выделения сер-
ного ангидрида определяется разностью Q'—Q" ккал.
Теплота выделения серного ангидрида может быть отнесена
к 1 кг серного ангидрит;! или к 1 кг воды (формула (IV, 18)]. Пусть
теплота смешения серного ангидрида с 1 кг воды при образовании
сульфирующего .агента начальной концентрацией s составляет
t/_v ккал!кг воды, а теп. ота смешения серного ангидрида с водой
при образовании сульфирующего агента конечной концентрацией
- составляет д, кка.цкг воды. 'Тогда в соответствии с изложенным
выше теплота выделения о. ci • о ангидрида из сульфирующего
агента определите.?- форм .слой:
>:/, д — д- ккал/кг воды
или
Q |( =.-: <; ( ( — s, q„ ккал
где G—расход сульфирующего агента, кг.
Переходя от теплового эффекта реакции, выраженного в
ккал!г-мол, к теплу выделяющемуся при сульфировании бс кг
продукта, равенство (IV, 22) в окончательном виде можно перепи-
сать так:
Q;) - а. — б/d - .si</и (IV,25)
Во многих случаях, когда процесс сульфирования проводится
при высокой температуре, из сульфуратора отгоняются пары суль-
188
Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
фируемого вещества и воды. Количество отгоняемых паров может
быть весьма значительно (например, при сульфировании в паровой
фазе). При этом тепло Qe, расходуемое на испарение сульфируемо-
го вещества и воды, существенно сказывается на тепловом ба-
лансе процесса.
Количество тепла Qe может быть определено по формуле:
Qt — + Qi,
(IV, 26)
где Gt—вес испаряющегося сульфируемого продукта, кг;
G.,—вес испаряющейся воды, кг;
—теплота испарения сульфируемого продукта при темпе-
ратуре сульфирования, ккал!кг;
г,—теплота испарения воды при температуре сульфирования,
ккал IК2. \
Qu—теплота выделения испаряющейся воды из сульфирующе-
го агента, ккал.
Величина QB может быть найдена как теплота смешения SO3
и Н.,О при изменении концентрации сульфирующего агента, вы-
званном испарением воды. Если конечная концентрация сульфи-
рующего агента без учета испарения воды составляет а дейст-
вительная конечная концентрация с учетом испарения воды рав-
на тг2, то количество тепла, затрачиваемое на выделение воды,
может быть, очевидно, определено уравнением:
QB=G0[(4“h41v^'l ^1 <1V’27)
I \ К2 / \ п2 / |
где Ga—количество серного ангидрида в оставшемся сульфирую-
щем агенте, кг;
—теплота смешения серного ангидрида с водой при обра-
зовании кислоты концентрацией тг(, ккал/кг воды;
72—теплота смешения серного ангидрида с водой при обра-
зовании кислоты концентрацией -,, ккал1кг воды.
Легко установить, что между величинами G,2, Go, и суще-
ствует простая зависимость:
к, = —( IV, 28)
2 *2
Зная количество отгоняемой воды, вес оставшегося серного
ангидрида и конечную концентрацию его в сульфирующем агенте,
по формуле (IV, 28) можно вычислить величину я,.
5. Ai:napntt/pa o.oi обрсммки продуктов сульфирования 189
5 АППАРАТУРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ СУЛЬФИРОВАНИЯ
Сульфомасса, по.-ученная в результате сульфирования,—смесь
сульфокислот и пс:чрореа,-пропавшего сульфирующего агента—
подвергается дал..-дейнл-п обработке для отделения сульфокислот
от непрореагировавгиего сульфирующего агента. Обработка сво-
дится к нейтрализации сульссомассы, разбавлению ее водой или
высаливанию сульср диелот. В качестве нейтрализующих агентов
широко применяю”;:я: кальцинированная сода, сульфит натрия,
мел, известь, окись к; шия и водные растворы аммиака. Для
высаливания втеулыш- используются поваренная соль и сульфат
н атрия.
Аппаратура для нейтрализации сульфомассы сульфитом натрия
Условия процесс^;. нейтрализации сульфитом натрия таковы:
к нагретому до 90—-100’ раствору сульфита при размешивании
постепенно криклвакн сульфомассу (иногда предварительно раз-
бавленную водой) з.!:г же к сульфомассе постепенно приливают
раствор сульфита н-ал-рпя, нагретый до 90—100°. При нейтрализа-
ции происходит выделение сернистого газа, сопровождающееся
сильным вспениванием реакционной массы. Выделяющийся SO.
обычно проходит систему ловушек и направляется в отделение
щелочного плавлетля для нейтрализации разбавленных водой
щелочных плавов. По -жонч^нии нейтрализации, которая прово-
дится весьма быстро, ’1еакциопную массу некоторое время разме-
шивают при 1 ()()-- !;•.' ддя белее полного удаления из нее сернисто-
го газа. В процессе :-ецтралнзации не требуется интенсивного пе-
ремешивания и нагревания, гак как в результате этого процесса
образуется подвижная реакционная масса, достаточно легко раз-
мешиваемая
Для нейтрализации применяют аппараты, обычно называемые
нейтрализаторами, периодического и непрерывного действия.
Н е й т р а л и ?. т о р ы периодического деист-
в и я представляют собой вертикальные цилиндрические котлы,
снабженные мешалками. Нейтрализуемая сульфомасса имеет кис-
лую реакцию и может ;.-.оде])ж.з"'ь бисульфит натрия. Поэтому ма-
териал аппарата до,- жен бы"ь стойким к действию разбавленной
серной кислоты н бксульфнта натрия. Таким материалом может
служить сталь, футерованвз> кислотоупорной (диабазовой) плит-
кой.
В большинстве случаен тепло нейтрализации компенсирует
потери тепл;.; с выделяющимся сернистым газом. Если все же тре-
буется нагревание реакционной массы, в нейтрализаторах уста-
навливают змеев '.кп лз свинцовых труб, куда подают насыщенный
водяной пар.
190
Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
На рис. 93 показан нейтрализатор,^относящийся к аппара-
там такого типа. Он представляет собой стальной футерованный
диабазовой плиткой котел, снабженный сферической крышкой,
лопастной мешалкой и свинцовым змеевиком.
Нейтрализатор должен иметь приспособления, способствующие
уменьшению ценообразования (так называемые пеносбиватели).
лопасти мешалки,
над поверхностью'
Они могут быть оформлены в виде
дополнительной
расположенной
жидкости, или в виде перфориро-
ванной трубы, которая размещается
над поверхностью жидкости и слу-
жит дли ввода в аппарат водяного
пара. Водяной пар направляют тон-
кими струйками на поверхность
пенящейся жидкости, что способст-
вует уничтожению пены и, следова-
тельно, ускорению процесса нейтра-
лизации.
Реакционный объем рассматри-
ваемых нейтрализаторов должен быть
тщательно герметизирован, так как
утечка токсичного сернистого газа
из аппарата недопустима.
Из нейтрализаторов описанного
типа реакционная масса эвакуируется
чаще всего посредством передавли-
вания сжатым воздухом, , ля чего
такие нейтрализаторы снабжаются
соответствующими трубами.
не пре ры в н о г о действ и я
состоит из собственно нейтрализа-
отдувки SQ,. Сульфмасса из с Сор-
1 при температуре 100—120 непрерывно через расходо-
ского действия для нейтрализа-
ции сульфомассы сульфитом на-
трия .
И с й т р ализатор
изображен на рис. 94. Он
тора 4 и колонны 7 для
ника /
мер 2 поступает по текстолитовому трубопроводу <3 в и ижнюю часть
нейтрализатора 4. Для поддержания температуры сульфомассы па
заданном уровне сборник I обогревается паровыми змеевиками Рас
твор сульфита натрия, предварительно нагретый примерно до
100‘, также непрерывно подается по текстолитовому трубопроводу
в нижнюю часть нейтрализатора 4. Расход раствора Na„SO3 регу-
лируется автоматически в зависимости от показаний pH-метра
(на рисунке не показано).
Нейтрализатор непрерывного действия 'представляет собой
стальной футерованный аппарат, снабженный эмалированной,
текстолитовой или стальной освинцованной мешалкой, делающей
Аппарагурс дл нейтрализации сульфомассы
191
45—60 сб/мин. В верхней части нейтрализатора расположена
переливная труба 6, n :i которой реакционная масса непрерывно пе-
ретекает в отдувочную колонну 7. Сернистый газ, выделяющийся
в процессе нейтрализации, отводится из нейтрализатора 4 в ко-
лонну по трубопроводу 7Ф Стальная футерованная колонна 7
состоит из двух частей: верхней части большего диаметра и ниж-
ней отдувочной части •• ш :гею диаметра. В нижней части колон-
ны расположено веско, п.ко дна базовых решеток 8, выполняющих
роль насадки. Для отдункт сернистого газа из реакционной массы
Рис. 94. AunaiHir :н. : 111,01 <»:с 1 "-i i i ,ля и с ит i ri ч л к, и i сульф< -
/, .'СЕ < у.Чм|-.|ТО» НЕТ(Н1я:
/—сборник су,41.фомэ: с1.|: i .мс ' I -и I- асходш :’-кстолчтогын трубопровод для
сульфомассы; 4— aei .. с-: ]•»:—ipto провод для отвода сернистого газа; 6—пере-
ливная труба; 7..с/’Д’/й ' i { I 1 эленпл , 8- - диабазов! т решетки; о - -гидравлический за-
в нижнюю ч icTt коле'.-л ы асдается острый пар. Снижение скоро-
сти потока смеси водяного пара и SO., в верхней части колон-
ны способствует лучшему отделению парогазовой смеси от захва-
ченных ею капель жидкости. Парогазовая смесь уходит из колон-
ны через верхний вл'сцер. Нейтрализованная и отделенная от
сернистого газа ре;:.к цноям.’я наест удаляется из колонны через
гидравлический 9
192 Гл. 1V. Аппаратура процессов сульфирования
Аппаратура для нейтрализации сульфомассы мелом или известью
Нейтрализация сульфомассы мелом или известью проводится
в условиях, аналогичных условиям нейтрализации сульфитом
натрия; следовательно, рассмотренные выше нейтрализаторы мо-
гут быть применены и в процессах нейтрализации мелом или
известью.
Нейтрализацию сульфомассы мелом можно проводить различ-
ными способами: введением суспендированного в воде мела в
сульфомассу, находящуюся в нейтрализаторе, или введением суль-
фомассы в водную суспензию
мела, находящуюся в нейтра-
Рис. 95. Аппарат для нейтрализации
сульфомассы мелом.
лизаторе, или путем одновре-
менной загрузки в нейтрали-
затор сульфомассы и суспен-
зии мела.
Чаще предпочитают по-
следний способ, так как он
дает возможность все время
поддерживать в аппарате сла-
бокислую реакцию, что спо-
собствует образованию легко
отфильтровываемого осадка
гипса.
В процессе нейтрализа-
ции сульфомассы суспензией
мела выделяется значитель-
ное количество тепла, ком-
пенсирующее потери тепла
С; удаляющимся углекислым
газом; поэтому нагревание
реакционной массы не тре-
буется.
В технике для проведения
нейтрализации сульфомассы
мелом применяются аппара-
ты с мешалками (рис. 95). Такой аппарат представляет собой
стальной котел, футерованный кислотоупорной плиткой и снаб-
женной лопастной мешалкой.
Аппаратура для выделения сульфокислот солями
Выделение сульфокислот солями (хлориды и сульфаты натрия
и калия) относится к довольно распространенным способам обра-
ботки сульфомассы. Этот процесс заключается в добавлении соли
к разбавленной водой сульфомассе. При взаимодействии соли с
Лиг:,, pul у ра Аля
отделения сульфокислот
193
сульфокислотами обршуются натриевые или калиевые соли суль-
фокислот. При применении хлоридов выделяется хлористый во-
дород, частично шсть, щяющишя в воде и частично десорбирую-
щийся. Соль берет с избытком, часть ее расходуется при проте-
кании химических процессов солеобразования, другая часть рас-
творяется в воде, спалю понижая растворимость образующихся
солен сульф,жислот, ксгорь.е выпадают в осадок и отделяются от
маточного раствора фильтро.шнием.
Аппаратура, нр-дченяемая в процессах выделения сульфокис-
лот солями, не отличается от рассмотренных выше нейтрали-
заторов.
Чаще всего высаливание ведут в стальных котлах , футеро-
ванных кислотоупорной плиткой и снабженных стааьными освин-
цованными рамными мешалками и свинцовыми змеевиками.
Аппаратура для выделения сульфокислот разбавлением
сульфомассы
Сульфокислоты органических соединений в большинстве слу-
чаев растворимы в отработанном сульфирующем агенте (серной
кислоте), причем их растворимость в большой мере зависит от
концентрации серной кислоты: растворимость сульфокислот в
концентрированной сенной кислоте велика, в разбавленной—
незначительна, i .и i .тельно. разбавление сульфомассы водой
легко приводит к выделению свободных сульфокислот в виде
осадка.
Разбавление сульфомассы водой проводится в тех же условиях,
что и разбавление серной кислоты, и в такой же аппаратуре, ко-
торая применяется для смешения и разбавления серной кислоты
(стр. 169 и сл.).
Разделение полученных таким образом растворов и осадков
производится фильтрованием
В качестве фильтрующей аппаратуры, применяемой для отде-
ления сульфокислот или нх солей, используют непрерывнодейст-
вующие вакуум-фильтры различной конструкции (ленточные или
барабанные) или ненслифуги
При фильтровании растворов солей сульфокислот от гипса при-
меняются круглые вл к рум- н у тч и, снабженные поднимающимися
мешалками, В эти?: аппаратах фильтрование можно вести при
размешивании, что позволяет легко отмывать образующийся гипс
от растворов солей ерльфокнелот и эвакуировать его в виде вод-
ной суспензии.
Более рационал..кым является применение для этих целей ба-
рабанных вакуум-фильтров. Имеющийся опыт говорит о перспек-
тивности их применен ।я.
13-2277
194 Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
Тепловой баланс процессов нейтрализации
и высали-ания сульфокислот
Тепловой баланс процессов нейтрализации и высаливания
сульфокислот, для которых общим является солеобразование,
может быть, представлен в виде следующего равенства:
Qi + Qi + Qs,= Qu + Q.& + Qe + Qt
где Q|—тепло, вносимое в аппарат греющим агентом, ккал;
Q2—тепло, вносимое в аппарат ингредиентами, ккал;
Q3—тепло, выделяющееся при протекании реакций, ккал;
Q(—тепло, расходуемое на нагревание аппарата, ккал;
—тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду, ккал;
О.—физическое тепло продуктов реакции после нейтрализа-
ции или высаливания, ккал;
Q7—тепло, уносимое из аппарата газами и парами, ккал.
Способы вычисления всех величин, входящих в уравнение теп-
лового баланса, за исключением величины Q3, не специфичны для
процессов нейтрализации и высаливания и специально не рассма-
триваются. Тепловой эффект Q3 процессов нейтрализации и выса-
ливания складывается из теплоты разбавления сульфирующего
агента водой Q и теплового эффекта протекающих реакций Qp:
Qa = Q + Qp (IV, 29)
Теплота разбавления сульфирующего агента может быть вы-
числена по формулам, приведенным выше (стр. 166). Тепловой
эффект реакций (в ккал/г-мол) вычисляется по закону Гесса:
7Р = — £<?.< (IV, 23)
Все необходимые для решения этого уравнения теплоты обра-
зования реагирующих и образующихся веществ, за исключением
теплот образования солей сульфокислот, могут быть найдены в
справочниках физико-химических величин. Теплоты образова-
ния солей сульфокислот из-за отсутствия опытных данных прихо-
дится вычислять, пользуясь несколько приближенным методом.
По имеющимся в литературе данным о теплотах нейтрализа-
ции* сульфокислот ароматических углеводородов, они приближа-
ются к теплотам нейтрализации таких сильных кислот, как НО,
HNO3 и H2SO4. Эти кислоты при взаимодействии с сильными ос-
нованиями NaOH, КОН и Са(ОН)., в водных растворах выделяют
на 1 г-экв водорода примерно одинаковое количество тепла, равное
<~13,8—15,7 ккал (табл. 7).
* Величина теплоты нейтрализации зависит от степени диссоциации
взаимодействующих кислот и оснований и от характера ядра органического
соединения и имеющихся заместителей.
Тепловой баланс нс,4 рвлизации и высаливания сульфокислот 195
Т а б л и ц а 7
Теплота нейтрш и: ации кисло! основаниями при различной
с кисни разбавления реагентов
1 еплота 4еГ1Тра.1изации кислот, /скал/г-зка водорода
Основания ПС НЧ0.1 | сцкоон 1’2 КП1„1 пне 1 =-<лы HCQOH | а 2 j. воды H2SO4 1 /2 С211‘>О4 в 4 .1 воды Р/2 H2S в 8 л воды 1/2 со2 в 15 л । воды
NaOH КОН 1 г- в 2 экв л 13. ,;5 13.’’Б К.. 77 К 3 13 3 13,4 13,4 15,69 15,65 14,3 14,3 ! 3,85 3,85 10,09 10,1
nh4oh ВОДЫ 12,27 1К.К К :) 11.9 14,08 12,7 ' З’1 7, Q5
’/2Сч(ОН)2в 25 л 13,95- 1 7 . : 2 । 13,5 15,57 18,5 , 3,9 9,16
’/» Ва(ОН)2) В 13,89 11.1: 18, 1 13.5 18,45 16,7 — 10,91
'/.з Fe(OH)3J Юл 5,58 - /г 1, 5,64 —
'/2 Zn(OH)2] 72 Fe(OH)J В 6 л !), .94 10,? 3 И) 7,7 8, 1 9,9 '' 11,71 12,4!) 12. .5 9,6 1 7,3 5,0
'4 Mg(OH)2 13,85 12 7- 1 р5’61 - 1 8,95
При нейтралf ыцин рас:ичрэв бензолсульфокислот иодным
раствором едкого иагра в г;, и: тся тепло и следующих коли-
чествах (в /сксиЛ-.поа):
CeH8SO3H -(- Nc-'H = <.'l.HiSO8Na(pacTB.) + Н2О + 13,6
CeH66O8H +N;.(?H~ ( f,H-3SOoNa(TBj + НгО + 14,4
Сопоставление тешки нейтрализации сульфокислот и сильных
минеральных кислот позволяет принимать теплоты централизации
сульфокислот равнымч теалсптм нейтрализации сильных мине-
ральных кислот в iio.li iorai с-i в расчетах данными, приведен-
ными в табл. 7.
Определив теплоту нейчрализаш-и сульфокислот, можно най-
ти теплоту образовании их солей и далее вычислить тепловой эф-
фект реакций, в когорт. \ принимают участие соли сульфокислот.
Обозначим:
qs—теплота образования сульфокислоты из элементов,
ккал 1г-мол;
—теплота образования металлической соли сульфокислоты
из элементов, ккал!г -мол;
q0—теплота образования основания из элементов, ккал{г-мол',
q„—теплота образования воды из элементов, ккал/г-мол’,
q„—теплота нейтрализации, ккал1г-мол.
13*
196 Гл. IV. Аппаратура процессов сульфирования
По закону Гесса, разность теплот образования сульфокислоты
и се солей (в ккал!г-мол) может быть представлена равенством:
А7 = <?м — <7-s = 7<> — <7в + (/» (IV, 30)
Поскольку тепло образования оснований и воды известно, а
тепло нейтрализации сульфокислот может быть принято равным
теплу нейтрализации сильных кислот ( следовательно, также из-
вестно), возможно вычислить величину Д</для различных основа-
ний и соответственно для различных металлических солей. Вы-
численые А. Н. Плановскнм значения Д</ приведены в табл. 8.
Таблица 8
Теплоты образовании оснований
из элементов с/(1 и числовые значения iq
А*/, ккал/г-мол
Основание (раствор) 7° ккал] г-Мчл для твердой сульфокислоты для сульфо- кислоты в растворе
1 12,7 57,9 58,8
коп 116,0 62,8 63,6
Ва(ОН)., 115,7 57,0 57,6
72 Са(ОН)., 119,4 60,9 65,7
'Г Mg(OH),, 108,6 53,8 54,6
>/.. Ье(()Н)„ 34,2 —20,6 — 19,8
NHjOil 20,3 —34,5 — 33,7
Очевидно, по данным величинам Ду и найденным теплотам
образования сульфокислот легко определить тепло образования
их металлических солей, пользуясь равенством (IV, 30), которое
для данного случая может быть написано так:
+ Д'/
(IV, 31)
Зная тепло образования металлических солей сульфокислот,
легко вычислить тепловой эффект реакций солеобразования, со-
ставить тепловой баланс процесса и определить расход теплоноси-
телей или охлаждающих агентов.
(>. АБСОРБЦИЯ СЕРНОГО АНГИДРИДА
При транспортировании олеума при помощи сжатого воздуха
в аппаратуре образуется смесь воздуха и серного ангидрида. Эта
газовая смесь по условиям техники безопасности не может быть
,'OiopCit,jo ирного ангидрида
выведена в атмосферу, поэтому смесь направляют в специальные
ловушки, предназначенные для поглощения SOy серной кислотой.
После прохождения таких л опушек воздух может быть выведен
непосредственно в атмосферу
К поглощению серного ангидрида приходится прибегать и в
тех случаях, когда для транспортирования олеума применяются
вакуум-насосы. Вендух, отсасываемый из монтежю, в котором на-
ходится олеум, пре -к. .с ш м попасть в вакуум-линию, должен пройти
ловушку для S();1. li г и отпевтм случае серный ангидрид может
проникнуть в вакуум-’-тсос. что вызовет неисправность послед-
него.
Аппаратура для абсорбции серного ангидрида
Обычно серный ангидрид поглощается серной кислотой. Опы-
тами установлено, что .-;зилучп1иы поглотителем является 98%-ная
серная кислота (парцв.г iwioe
над нею рению :iy.ir< ).
Степень абсорбцг: ст р-
ного ангидрида годным
раствором серной к <:, ю- О
ты возрастает прог.оршю-
нально повыше)! нет ее :i
концентрации и дос гн'нет
наибольшего зиачепня паи д
содержании H^SO,,, реши >м S
9(8%, после чего ic iHiae.T ::
уменьшаться (рис. 96). р
Поглощение од наго 1,
ангидрида кислотой со- С
провождается выделением
з начительного количест ..а
тепла. Следовательно, i !' >-
цесс абсорбции лучч а при-
водить при охлаждеана;
новышен не гем ид: а г у у» i j
приводит к уменьп ен .г-.о
степени абсорбции Сю
давление паров серного ангидрида
Концентрация кислоты, % 1ДSO/,
У с. 96. . ’ а г. и с и Moc’Ti-. степени абсорбции
'(;>по 'о aiiru.ipii.'ia cepiioii кислотой от кои-
а< 11т|‘аци11 абсорбента при i.’aa.'iuhiаоГг темпе
рат\।ю.
уменьшение происхсд’ г <о всех случаях, независимо от концен-
трации кислоты, од.н л-, о для 98% -пой кислоты в пределах 25—65'
оно почти незаметно.
В производстве »ргы-ических полупродуктов приходится по-
глощать незначительней количество серного ангидрида, поэтому
все поглотительньк? устройства обычно состоят только из ловушек
вертикального или гсоиюнта/:-..неготипа . К.ак правило, эти ловуш-
ки устанавливают на вы? лопных линиях и на вакуум-линиях от
198
Гл IV. Аппаратура процессов сульфирования
сульфураторов и монтежю-хранилищ. Ловушки представляют
собой аппараты барботажного типа.
Вертикальная ловушка серного ангидрида (рис. 97) выполне-
на в виде стального цилиндрического сосуда, в котором концентри-
Рис. 97. Вертикальная ло-
вушка серного ангидрида.
чески, размещается другой цилиндриче-
ский сосуд меньшего диаметра, укреп-
ленный на общей крышке и не достигаю-
щий дна внешнего сосуда. Во внутрен-
ний сосуд, нижняя часть которого
снабжается перфорированным днищем,
поступает содержащий пары SO3 воз-
дух, который барботирует через слой
кислоты.
В кольцевом сечении между наруж-
ным и внутренним сосудом размещены
перфорированные перегородки, служа-
щие для улавливания из воздуха, вы-
ходящего из ловушки, механически
увлеченных им капелек кислоты. Ло-
вушки такого типа иногда имеют внут-
ренний цилиндр в виде колпака,
нижняя часть'?которого снабжена боль-
шим количеством зубцов, имеющих
то же назначение, что и перфорирован-
ное днище.
Горизонтальная ловушка, изобра-
женная на рис. 98, по принципу
действия аналогична описанной ловушке. В горизонтальном
стальном цилиндре внутри имеется перфорированная труба для
ввода серного ангидрида. Ловушка заполняется кислотой до
Рис. 98. Горизонтальная ловушка серного ангидрида.
определенного уровня с таким расчетом, чтобы труба для ввода
SO;| была целиком покрыта кислотой. Воздух, содержащий сер-
ный ангидрид, поступает в ловушку, барботирует через слой
серной кислоты, освобождаясь от SO3, и удаляется из аппа-
рата.
Г Л А В А V
АППАРАТУРА процессов нитрования
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССЕ НИТРОВАНИЯ
Нитрованием на ко шст процесс замещения атома водорода в
молекуле органического соединения нитрогруппой NO2, проте-
кающий при целое бедственной обработке исходного вещества ни-
трующим агентом. Исходными веществами в большинстве случаев
являются незамещенные и замещенные углеводороды ароматиче-
ского ряда: бензол, толуол, ксилол, нафталин, хлорбензол, сульфо-
кислоты нафталина, фенол и т. д. В качестве нитрующих агентов
в технике используют азотную кислоту, особенно часто нитрую-
щие смеси различного состава, содержащие азотную кислоту, сер-
ную кислоту и воду.
Уравнение реакции нитрования углеводородов нитрующей
смесью может быть написано следующим образом:
Ki \ I xHNO. Д z/H5SO4 + zH2O =
ЛГ, ДА !)% 18г
- I? К( )2), -- t/HoSQ, т- + х) Н2О (V, 1)
.11. A8z/ 18(z+x)
Расход азотной кис лоты в процессе нитрования близок к соот-
ношениям по уравнению (V., Г) , следовательно, близок к теорети-
ческому расходу. Пластически азотную кислоту берут в коли-
чествах, превышающих теоретический расход всего на 1 —10%.
Серная кислота вводится в нитрующую смесь в больших коли-
чествах, чем требуется по уравнению (V, 1), причем количество
вводимой серной кислоты зависит от соотношения коэффициентов
х, у и z.
Как известно из теории и практики процессов нитрования, со-
держание серной кислоты в нитрующей смеси весьма существенно
влияет на ход процессов нитрования. В большинстве случаев они
протекают гладко и с большими выходами только при наличии
в нитрующей смеси определенного количества серной кислоты и
образовании отработанной кислоты (смесь H2SO4 и Н2О), имеющей
200
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
строго определенную концентрацию H2SO4, т. е. при соотношениях
х, у и а, строго соответствующих соотношениям, установленным
опытным путем для каждого конкретного процесса.
Опыт показывает, что соотношения коэффициентов х и у мо-
гут быть изменены произвольно (в известных пределах), но не-
смотря на это, процесс нитрования будет протекать гладко, если
у
отношение ——
соответствует заданной величине п, следователь-
но, если создается требуемая концентрация H-jSO, в
кислоте. Отношение ——Д—, называемое ч и с л
18 (.v-H)
о т и я т и я, определяет концентрацию H2SO4 в
отработанной
о м вод о-
отработанной
кислоте и является важнейшим параметром процесса нитрования,
позволяющим установить основные материальные соотношения
этого процесса.
Для определения количественного соотношения веществ, при-
нимающих участие в процессе, введем следующие обозначения:
GH—вес нитруемого продукта, кг;
G—расход нитрующей смеси на нитрование, кг;
I—содержание азотной кислоты в нитрующей смеси, %;
m—содержание серной кислоты в нитрующей смеси, %;
п -содержание воды в нитрующей смеси, %.
98,/ ,
‘j::=r8”(v4~J'”r"98^ (коии-ентРация серной кислоты в от-
работанной кислоте, сотые доли);
? -избыток азотной кислоты по сравнению с теоретическим
расходом, %.
Согласно принятым обозначениям и уравнению реакции (V, 1),
фактический расход азотной кислоты в процессе нитрования мо-
жет быть выражен так (в кг):
Ghno;i
63х
Ж'
(1 -4-0,01
(V, 2)
Содержание азотной кислоты в нитрующей смеси (в кг) по при-
нятым обозначениям можно представить равенством
G'hNO;i — ('Л 3)
Следовательно
^(1+0.01<р) (V.4)
В соответствии с принятыми обозначениями содержание сер-
ной кислоты в нитрующей смеси составляет G-^ кг, а вес отрабо-
1. i.iHxrttf. о г,роц..>ссс нитрования
201
тайной кислоты (в ка), состоящей только из воды и серной кисло-
ты, выражается суммой
,, 100 - I г !8х
" ЮС-" ” ~
Баланс серной к пело ты в процессе нитрования (если считать
потери ее равными пуло) может быть представлен следующим
равенством:
/ ,, ЮС - I . 18х ’> z, hi
(°’ In (‘" ;₽:— ‘”100
которое может бы л, шл об юзовано так:
z. в' (101) - !} > „ 18х , , к.
" Поо” ° ".щ !>z’5)
Разделив левую и правую части уравнения (V, 4) соответствен-
но на левую и праву к: части уравнения (V, 5), получим:
/ (1 : (Ь01у) __ 3.5(1 -)-0,01у)
m - (100 -ill, За
Решим это уразаезш относительно от:
3,3(1 -1!-0,01-й '
или (V,7)
где , _ (1- з,5 о ! ;>. ?i :)|р 3,5 (1 -г С.б <,) b = 100р.
Формулу \V. н :> сы:но казна'?:., у р а в и е н и е м сое т а в а
и и т р у ю ш е и с м о с и, так как она выражает зависимость
между концентрацией серной и азотной кислоты в смеси кислот,
применяемой для нитрования Из уравнения состава следует, что
в нитрующих смесях юшцентщщии серной и азотной кислот свя-
заны прямолинейной зависимостью и состав нитрующих смесей,
применяемых для пнтсованпя одного и того же вещества (т. е.
при заданных <ь и и, мс-ш т быть изменен в зависимости от наличия
тех или ины?; кне.шг для др и готов лен и я нитросмеси. Однако со-
держание серной и азотной кислот в нитрующих смесях должно
точно соответствовать уразне.ш-ио состава. Этим положением и
руководствуются три отсчете состава нитрующих смесей.
Количество серной киснсиы, вводимой в нитрующую смесь в
процессе нитрования, очевидно, есть величина переменная, как
202 ______ Г л, V. Аппаратура процессов нитрования
и состав нитрующей смеси. Минимальный расход серной кислоты
соответствует такому составу нитрующей смеси, при котором
достигается максимальная концентрация и серной и азотной кис-
лот, т. е. нитрующая смесь не содержит воды:
>п + / = 100 (V.8)
Решая совместно уравнения (V, 7) и (V, 8), можно найти мак-
симальные концентрации серной и азотной кислот в нитрующей
смеси:
_ __ ь + 100*
^тах “ । । /,
, 100 - h
(V, 9)
(V, Ю)
Зная максимальные концентрации азотной и серной кислот,
находят минимальное количество нитрующей смеси (в кг)
0^=^- +0,01?) (V, И)
Ни ах
минимальный расход серной кислоты (в кг)
/; ___,/гшах
CTHoSOj ----Cflllin igg
(V, 12)
и минимальное количество образующейся отработанной кислоты
(в кг)
G = G /у 13)
иотр- - и11ЦП IQQ 0 *. * >
Следует отметить, что даже минимальный расход серной кис-
лоты весьма значителен но абсолютной величине, еще более вели-
ко количество образующейся отработанной кислоты. Таким обра-
зом, в процессах нитрования принимает участие большое коли-
чество серной кислоты, которая фактически не расходуется, но
концентрация ее уменьшается. Вследствие этого необходим воз-
врат серной кислоты в последующие циклы процесса нитрования.
Это довольно легко осуществить, так как образующиеся нитро-
продукты в большинстве случаев нерастворимы в отработанной
кислоте и, следовательно, отделяются от нее путем простого
отстаивания.
Отработанная кислота может быть укреплена добавлением кон-
центрированной кислоты или в результате удаления воды (концен-
трирование путем выпаривания). Укрепленная (концентрирован-
ная) серная кислота может вновь применяться для приготовления
нитрующих смесей, т. е. возвращаться в процессы нитрования.
Смешение кислот
203
Общее предстален :е об аппаратуре процессов нитрования.
В производстве нитропродуктов необходимы, кроме собственно
нитрования, вспомогательные процессы и операции, связанные с
предварительной обработкой исходных веществ и последующей
обработкой нитропродуктов.
Последователь поста основных и вспомогательных технологи-
ческих процессов, проводимых пои нитровании, может быть
представлена в общем виде следующей схемой:
J.[ :и< >Т01леШ1е нитрующих смесей
(ехеышие кисло г)
!: итрсыние
Огч.г и тл।) п)ир-л|1озуктов. от отработанной
кис.к/гы (ее к раапя или фильтрация)
Дополнительное ов-тгин; иге или
сепарация отработанных кислот
Промывка п нейтрализация
нитропродуктов
Денитрация и когцснт ш , ванне
отработанны* гтатт
(альпсйшая обработка нитропро-
ов (дистилляция, кристаллизация
гранулирование, сушка и др.)
При проведении вспомогательных процессов требуются смеси-
тели кислот (для приготовления нитрующих смесей), отстойники,
фильтры и сепараторы (для отделения нитропродуктов от отрабо-
танных кислот), промывные аппараты, нейтрализаторы, грануля-
торы, кристаллизаторы и др. Эти аппараты будут рассмотрены
в данной главе пар я ду с основной реакционной аппаратурой.
2. СМЕШЕНИЕ КИСЛОТ
Смешение кисло]' проводится для получения нитрующих сме-
сей определенного состава из технических и отработанных кислот,
содержащих серную кислоту, азотную кислоту и воду. Приготов-
ление нитрующих смесей является сравнительно несложной
204 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
технологической операцией. Для получения нитрующей смеси
достаточно смешать рассчитанное количество исходных кислот и
отвести выделяющееся при этом тепло. Перемешивание и охлажде-
ние следует считать важнейшими факторами, от которых зависит
производительность оборудования.
Необходимость отвода тепла при операции приготовления ни-
трующих смесей обусловлена тем, что процесс протекает с выделе-
нием тепла, а повышение температуры смешиваемых кислот
более чем до 35—40й недопустимо. Под действием высокой темпе-
ратуры происходит частичное разложение азотной кислоты, ее
испарение и наблюдается более интенсивная коррозия аппарату-
ры. Следовательно, при высокой температуре неизбежны большие
потери азотной кислоты и быстрый износ аппаратуры.
Перемешивание кислот, составляющих нитросмесь, может
производиться при помощи механических размешивающих при-
способлений (мешалки) или сжатым воздухом (барботаж). Послед-
ний способ перемешивания менее целесообразен, чем переме-
шивание механическими мешалками, так как воздух, барботирую-
щий через смесь кислот, вносит в нее некоторое количество влаги
и «выдувает» из смеси часть азотной кислоты. Кроме того, как
показывает опыт, барботеры довольно быстро разрушаются и
выходят из строя.
Аппаратура для смешения кислот, применяемых
в процессах нитрования
Конструкция аппаратов для приготовления нитрующих сме-
сей (смесителей) определяется в основном агрегатным состоянием
кислот, интенсивностью перемешивания и теплообмена, тепловым
эффектом процесса и химическими свойствами перераба-
тываемых веществ. Их смешивают в любых отношениях; сле-
довательно, смесителями могут служить резервуары с. вынос,
ними змеевиками, трубчатки, котлы с мешалками и другие,
аппараты, в которых возможно интенсивное смешение обрабаты-
ваемых веществ. Интенсивное перемешивание ускоряет процесс
смешения, устраняет возможность местных перегревов и способ-
ствует повышению коэффициента теплопередачи, увеличивая тем
самым производительность аппаратуры.
Большая величина теплового эффекта процесса, нежелатель-
ность перегревов реакционной смеси и высекая скорость протека-
ния процесса определяют особую важность интенсивности охлажде-
ния. Очевидно, что процесс смешения кислот можно проводить
с такой скоростью, с которой может быть отведено выделяющееся
тепло. Поэтому продолжительность проведения процесса соответ-
ствует времени охлаждения, и мощность применяемой аппаратуры
«Да смешении кислот
205
определяется ее rei : •нухническими характеристиками. Для до-
стижения интенсивно‘и гег лообм.ена требуется аппаратура с силь-
но развитой нонерхноеп.ю ген.юобмена.
Химические снопеtii.i вс'лсс'т;, обрабатываемых в смесителях,
обусловливают лиг-iuix>.шную опасность проникания хладоаген-
тов (вода, рассолы) в летки.ионный объем аппарата. Смешение
воды с кислотной смесью проводит .к весьма бурному повыше-
нию температуры, вскипанию, разложению азотной кислоты
и т. д. Поверхность теплообмена смесителей должна быть офор-
млена так, чтобы возможное"!. про-
никания хладоагснтов о реакцион-
ный объем ;ш л а рать полностью
исключалась. По-пому в смесителях
кислот предусм.чт[)ива'.,!ся ороси-
тельное охлажден: а... разделение
кислот и хладоагентсн толстостен-
ными перегородками, просушива-
ние хладоагентов ш.шз элемен-
ты поверхности теплообмена
и т. д.
Особенно важно пркмеиение
конструкционны \ .материалов,
стойких к коррозионному воздей-
ствию реакционной coe.ii. Сме-
сители выполняют преимущест-
венно из чугуна, спет альных ста-
лей и обычной ст а.'. ц г. е. из ма-
териалов, устойчивы.'» к действию
смесей, содержащих серную ки-
Рис. 99. Простейший смеси-
тель кислот.
слоту, азотную кислоту и воду.
Устройство смеси-.г.чеп существенно зависит и от мощности
производства нитронродуктов, В производствах небольшой мощ-
ности, т. е. при небелi.шой потребности в нитрующих смесях, мо-
жет быть применена аппаратура, хотя и не полностью удовлетво-
ряющая перечисленным требованиям, но зато более простая.
На рис. 99 показан простейший смеситель периодического
действия, представляющий собой чугунный (или стальной) котел
с водяной рубашкой. Аппарат снабжен пропеллерной мешалкой,
гильзой для термоме-ра и трубой для выдавливания нитросмеси.
Смешение может с ыть интенсифицировано при размещении внутри
аппарата охлажд.-плнх змеевиков.
Значительная, [роизводитегьность процессов смешения кис-
лот достигается г » ii»iio и нелрерывподейетвующих смесителях,
имеющих сильно развитую поверхность теплообмена в виде
змеевиков или грубчаток.
206
Гл. У'. Аппаратура процессов нитрования
Смеситель кислот непрерывного действия показан на рис. 100.
Аппарат представляет собой горизонтальный стальной резер-
вуар, изнутри футерованный в два слоя (первый слой—диабазо-
вая плитка, второй слой—кислотоупорный кирпич). Такая футе-
ровка отличается повышенной стойкостью благодаря тому, что
сцепление диабазовой замазки с кислотоупорнь м кирпичом ’со-
храняется дольше, чем сцепление ее с диабазовой плиткой.
Смеситель снабжен погружным центробежным насосом, шту-
церами для патрубков наполнения, для отбора проб и замера
уровня кислоты и нижним .тюком для чистки и ремонта аппа-
рата.
Рис. 100. Смеситель кислот непрерывного действия'.
/—люк; 2—штуцеры для патрубков наполнения; J—погружной центробежный насос; —шту-
церы *для отбора проб и_ замера урсгня кислсты; Z—срссительпый холодильник; 6—поддон.
В процессе смешения кислотную смесь перекачивают погруж-
ным насосом через оросительный холодильник 5, в котором отво-
дится теплота смешения. Готовая нитросмесь погружным насосом
3 перекачивается по трубопроводу в расходные емкости. Охлаж-
дающая вода собирается в поддон 6, откуда удаляется в канализа-
цию. Объем подобных смесителей достигает 30 м3. Они предназна-
чены для приготовления больших количеств нитрующей смесили
могут работать также периодическим способом.
Материальный баланс смешения кислот и расчет,'
нитрующих смесей
Для рассмотрения материального баланса смешения кислот
и расчета нитрующих смесей введем следующие обозначения (счи-
тая, что нитрующую смесь приготовляют из трех составляющих):
Материальный
Сю.'.анс сменен if и расчет нитрующих смесей
207
итросмеси, кг;
кислоты в приготовляемой нитро-
лслоты н приготовляемой нитро-
приготовляемой нитросмеси, %;
расходуемой на приготовление
кислоты в составляющей а, %;
° о /
кислоты в составляющей а, то;
зстав/яющей а, %;
приготовляемой нитросмсси, кг;
кислоты в составляющей й, %;
кислоты в составляющей Ь, %;
доставляющей Ь, %;
исход уемой на приготовление ни-
кнслоты в составляющей с, %;
полоты в составляющей с, %;
составляющей с, %.
.. процессе приготовления нитрую-
; принять вес. получаемой смеси
। ваяющих:
G—вес приготовляемой в
I—концентрация азотной
смеси, %,
m—концентрация .« ног i
смеси, %;
п—концентраций; « iw в
Ga—вес составлчсш й а,
нитросмеси, «с;
1а—концентрация а отпой
та—концентрация серной
па—концентрация. воды в се
Gb—вес состав. 1ят1щ..й о в
1Ь—концентрация тютнсй
ть—концентрация серной я
пь—концентр ап и !•! ) ды в <
Gc—вес составляющей с, р;
тросмеси, кг,
1е—конце/трат!! .и отпой
тс—концентрация, с. «ной .<
пс—концентрация воды з <
Полагая, что ноге за кислот i
щей смеси отсутствую', можис
равным сумме весов все'. сос'т;
(V,14)
<« == 6<( Gb I- gc
Баланс азотной кислоты, серной кислоты и воды в процессе
смешения может быть представлен (при принятых обозначениях)
соответственно следующими равенствами:
i'z. = 6.-, /, - Gblb + Gclc (V, 15)
Gm^Gjr^ -Gbmb + (V, 16)
6цт:.Сапа -\-Gbr;b Gcnc (V, 17)
Совместное решение уравнений (V, 15), (V, 16) и (V, 17) позво-
ляет вычислять расход составляющих а, b и с (в кг):
(р 0 (;гт--- - 1ь) (тс — т)
('« '*)!'’,г - - Ч) —\1а — 1с)(та — «*) ’
С //> <-'г'ч -- '"г) — Uv т)
(7„ '(,) юн, - Z у.) — (7„ — ZJ (//!„ — ть)
G - i1" - z. "'/iLziIi'" ~~
1 — !b} - - I".c) — (l(, — le) (mn — mb)
(V, 18)
(V, 19)
(V, 20)
208 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
Последние формулы справедливы для всех случаев приготов-
ления нитрующих смесей из трех составляющих, которые содер-
жат любые количества (от 0 до 100%) азотной кислоты, серной
кислоты и воды. Если одной из составляющих является олеум,
его концентрацию, обычно выражаемую в процентах избыточного
SO3, условно перечисляют в проценты моногидрата серной кисло-
ты. Расчет нитрующих смесей при помощи выведенных формул,
очевидно, может быть произведен лишь в том случае, если со-
став получаемых нитрующих смесей задан, т. е. известны величины
I и пг. Однако состав нитрующих смесей не всегда может быть
задан, так как его возможно менять в сравнительно широких пре-
делах (стр. 200).
Значения I и ш в нитрующей смеси могут значительно изменять-
ся, но только в соответствии с уравнением состава нитрующих сме-
сей fi уравнениями смешения кислотных составляющих (см. ниже).
Определение состава нитрующей смеси должно явиться результа-
том совместного решения уравнения состава и уравнений смеше-
ния.
Предварительно отметим, что совместное решение уравнения
состава и уравнения смешения приводит к однозначному резуль-
тату только при получении нитрующей смеси из двух составляю-
щих. При большем числе составляющих решение уравнения со-
става с уравнениями смешения может указать лишь пределы
возможного изменения состава нитрующей смеси при данных со-
ставляющих.
Уравнения смешения могут быть выведены при составлении
материального баланса попарного смешения составляющих. На-
пример, пусть смешивают составляющие Лис (составляющая b
имеет большую концентрацию азотной кислоты, чем составляющая
с). Для их смешения справедливы равенства
Gblb + Gclc =-- (Gft + G,J I
Gbmb + Gcmc = \ Gb + GJ m
сопоставление которых дает уравнение смешения:
m =z +(V,21)
lb— ‘с ‘h — c
Совместное решение уравнения смешения и уравнения соста-
ва (V, 7) дает равенство
/ = L^ZZ^ckzJ^kzzA^ (V, 22)
(Z,M - mt.) — k(lb — le) 1 '
позволяющее определять концентрацию азотной кислоты в ни-
трующей смеси и состав нитрующей смеси.
209
Материальный i'll,!' "спеилет. я и расчет, нитрующих смесей
Если нитрующую смесь приготовляют ие из двух, а из трех
составляющих, концентрация азотной кислоты в смеси может
.меняться в пределах ог 1Л до L. причем 1Л определяется уравне-
нием (V, 22), а /.. — уравнением
, Д/' — — h:n,h') /у 90)
Материальные .ошс . я процесса смешения трехкомпо-
нентных кислот (содержанье азотную кислоту, серную кислоту
и воду) более наглядно выявляются при графических построениях.
Однако графи чес?; ш чехи расчета нитрующих смесей уступает
по точности изложение', у выше аналитическому методу.
H.,SO4
Ы |-.,о
Рис. 101, Гг'ЮТ...! ,нг[|'. ,жи|ббсс: д ।я расчета нитрующих
•Mt eei’i.
Для графического выражения функциональной зависимости
между тремя переменными обычно пользуются треугольной диа-
граммой (треугольник Джисбса). Эта диаграмма (рис. 101) пред-
ставляет собой равносторонний треугольник, каждая сторона
(ось) которого, разделенная на 10 (или на 100) равных частей, со-
ответствует концентрации дшого из компонентов кислотных смесей,
в данном случае воды, серной кислоты и азотной кислоты. Таким
образом, любая точка, лежащая внутри треугольника, отвечает
14—2277
210
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
определенному составу трехкомпонентной смеси. Например, точка
О соответствует смеси, содержащей 70% серной кислоты, 20%
азотной кислоты и 10% воды.
На треугольной диаграмме все функциональные зависимости
имеют такой же .характер, как в системе прямоугольных коорди-
нат: уравнение состава нитрующей смеси (V, 7) представляется
прямой, отсекающей на оси пт отрезок Ь и на оси / отрезок blk
(рис. 102), а уравнение смешения (V, 21)—прямой ВС, которая
соединяет точки, характеризующие
составы кислотных смесей. Точка
пересечения линии состава нитрую-
щей смеси с линией смешения дает
состав нитрующей смеси, которая
должна применяться при заданных
условиях нитрования (при данных
о и и готовиться из данных со-
ставляющих.
Графические построения легко
могут заменить сложные арифмети-
ческие расчеты по формулам (V, 18),
(V, 19) и (V, 20). Например, пусть
нитросмесь получается из составляю-
щих Ли с (см. рис. 102) и линия соста-
юо о
Рис. 102. Графическое опреде-
ление состава нитрующей сме-
си из двух составляют!??:.
ва пересекает линию смешения в точ-
ке А, имеющей координаты /, tn и п.
Для определения соотношений, в которых должны быть смешаны
составляющие, представим баланс смешения следующим равен-
ством:
из которого следует, что
или
GbCb--l) = Gc(l-lc}
_Gc_ _ I —
~g7 ~ G-i
l~lb НА
Отношение { равно отношению длины отрезков
Следовательно
Gc _ _ВЛ
Gb ~ АС
Но так как
G„ + GC = G
Материальный бал vic смешения и расчет нитрующих смесей
211
ИЛИ
/1.1 „ 'АС\ВА\ ВС
АС ) = ''' ~АС) = G» АС = G
то
r г АС
Gl’ *“ G ВС
(V, 24)
Таким же образом можно найти:
„ ВЛ
G-BC
(V, 25)
Приведенные соотношения показывают, что вместо расчетов
по сложным фор чулан можгсделать графические построения,
измерить длины отрезков В А, АС и ВС в любом масштабе и найти
величины Gf и Gt из ьесьма простых
соотношений (V, 24,' и (V, 25), юо а
Несколько сложите графические
построения, связанные с расчетом
нитрующих смесей ?з трех компо-
нентов. Нанеся на координатную
плоскость три точка. а, b и с (рис.
103), соответствующие составам сме-
шиваемых кислот и соединив их
прямыми, получим площадь, являю-
щуюся геометрическим местом то-
чек, которые определяют составы
нитрующих смесей. получземых из
данных составляющих. Отрезок ли-
нии уравнения состава, отсекаемый
сторонами треугольник a iibc, представ-
ляет собой геометрическое место
Рис. 103. Графическое опреде-
ление состава нитрующей сме-
си из трех составляющих.
точек, соответствующих составам нитрующей смеси, которые
удовлетворяют и уравнениям смешения и уравнению состава.
На этом отрезке можно выбрать точку, характеризующую со-
став получаемой смеси Пусть это будет точка К, тогда для опре-
деления отношений количества смешиваемых составляющих не-
обходимо сделать следующие построения (на основании теорем
элементарной геометрии): из вершины а через точку К провести
прямую до пересечен ня ее с противолежащей стороной в точке А
и из точек b и с через точку К провести прямые до пересечения
их с противолежащими сторонами в точках В и С.
Измерив в любом масштабе отрезки аК, аА, ЬК, ЬВ, сК и сС,
получают все данные для определения количества составляющих,
14*
212 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
расходуемых на получение G кг нитрующей смеси. В этом случае
сложные арифметические расчеты заменяются весьма просты-
ми вычислениями по следующим формулам:
Г г КВ
Cjo = G^B
(V, 26)
(V, 27)
(V, 28)
Как следует из изложенного, условия нитрования (величины
р и <р) и составы смешиваемых кислот однозначно определяют
состав нитрующей смеси лишь в том случае, если она приготов-
ляется смешением двух составляющих. Во всех остальных случаях
по расчетам, можно определить лишь пределы изменения состава
нитрующей смеси, а точным ее составом приходится задаваться.
На практике чаще всего приходится проводить расчеты по
следующим трем вариантам:
I. Заданы только содержание серной кислоты в отработанной
кислоте р, избыток азотной кислоты <р (в процентах от теоретиче-
ского) и состав исходных кислот. По уравнениям (V, 22) и (V, 23)
находят пределы концентрации азотной кислоты и нитрующей
смеси. Выбрав в этих пределах любую концентрацию, вычисляют
по уравнению (V, 7) концентрацию серной кислоты в нитрующей
смеси, затем по формулам (V, 18), (V, 19) и (V, 20) находят расход
составляющих.
2. Заданы те же величины, что в первом варианте, и, кроме
того, концентрация азотной кислоты в нитрующей смеси /. По
уравнению (V, 7) вычисляют концентрацию серной кислоты в ни-
трующей смеси и ведут расчеты так же, как в предыдущем варианте.
3. Заданы те же величины, что в первом варианте и, кроме
того, количество нитрующей смеси. По уравнению (V, 2) находят
расход моногидрата азотной кислоты, затем концентрацию азотной
кислоты в нитрующей смеси и производят дальнейшие расчеты по
предыдущему варианту.
Тепловой баланс смешения кислот
При получении больших количеств нитрующих смесей ско-
рость проведения процессов смешения практически совпадает
со скоростью отвода тепла, иопределение количества выделяюще-
гося тепла является единственной основой технологических и
энергетических расчетов смесительной аппаратуры.
I'.!ii •'.1<ий .'hi/inнс смешения кислот
213
Для рассмотрения теплового баланса смешения кислот введем
следующие обоз н ач е н шi:
G , Gb, Gc. . G,--вес первой, второй, третьей (и т. д.) кислот-
ным сосгчв дяющих , поступающих в смеситель,
к г.
G—кс получаемой нитрующей смеси, кг;
ia, lb, tc... температура первой, второй, третьей , (и т. д.)
jo-!.аотныч составляющих, поступающих в сме-
ситель, ’С;
/- - e.MircpziTypo получаемой нитрующей смеси, "С;
с , сЛ, сг... с ••—теп. юем кость первой, второй, третьей (и т. д.)
шшютных. составляющих, поступающих в сме-
ситель, ккал/кг-град;
с -' еилчемкость получаемой нитрующей смеси,
ккпл.Скг грао;.
Qb -тепловой эффект процесса смешения, ккал;
ф, -количество тепла, отводимое охлаждающим
агентом, ккал.
При таких обозначениях тепловой баланс смесителей может
быть представлен следующим равенством:
Gact,ta + 4-GccfG -i--------1- G . ф. = Get + Qx
Отсюда
Qx = G/Cj'. + G-•+ G+ • + Gzcd^ + фр — Get (V, 29)
Пользуясь уравнением (V, .29), легко вычислить количество
тепла, выделяющегося и процессе смешения кислот, если известна
величина фр. При пом-лди приведенных ниже формул можно найти
и тепловой эффект г ношения. Обозначим дополнительно:
ша, ть, тс... п>содержание серной кислоты в первой, второй,
грегьей (и т. д) кислотных составляющих,
iioc.iупшощих в смеситель, %;
la, lb, ....'.•-содержание азотной кислоты в этих состав-
тяющис. "ф
п пь, пс... /(.--содержание воды в этих составляющих, %;
qtl, ‘/tn lh— V- - ото исчерпывающего разбавления* кис-
кг'пых составляющих .ккал/кг исходных кис-
лот;
in, I, а--..•одержание, серной кислоты, азотной кислоты
и ясны з нитрующей смеси, %;
/-пшюта исчерпывающего разбавления* ни-
трующей смеси, ккал 1кг.
* При даллюшее 1,г;•'явлении <пслоты знзчеипя q практически не из-
меняются.
214 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
Теплота смешения 100%-ной серной кислоты, 100%-ной азот-
ной кислоты и воды при образовании G кг нитрующей смеси (со-
става tn, I и п) может быть найдена путем следующих рассуждений.
Пусть имеется Gh2so4 ка серной кислоты, Ghno3 кг азотной кислоты
и GHao кг воды, при смешении которых получается G кг нитрую-
щей смеси. Исчерпывающее разбавление этих количеств кислот
может быть осуществлено двумя способами:
1) Можно исчерпывающе разбавить GH„S04 кг серной кислоты,
затем GHno3 азотной кислоты, смешать их после разбавления
и прибавить к смеси GH2o кг воды. При исчерпывающем разбавле-
нии серной кислоты выделится количество тепла, равное
Gh2so4 • <?h2so4 ккал, при исчерпывающем разбавлении азотной кис-
лоты—Ghnoj 7hno3 ккал, а при смешении исчерпывающе разбавлен-
ных кислот друг с другом и водой—0 ккал. Таким образом, общее
количество выделившегося тепла составит (в ккал)-.
Q' — Gh2so4 • Ун2зо4 + Ghno3'7hno3
где </h2so4—теплота исчерпывающего разбавления 100%-ной
H2SO4, ккал/кг;
7hno3—теплота исчерпывающего разбавления 100%-ной
HNO3, ккал1кг.
2) Можно вначале смешать Gh2so4 кг серной кислоты, GHxo3 кг
азотной кислоты и Gti,0 кг воды с выделением Q ккал тепла. Далее
полученную нитрующую смесь исчерпывающе разбавляют с вы-
делением Gq ккал тепла. Таким образом, общее количество выде-
ляющегося тепла составит (в ккал):
Q" = Q + Gq
В соответствии с законом Гесса величины Q’ и Q" равны;
следовательно, количество тепла, выделяющегося при образова-
нии нитрующей смеси из 100%-ной H2SO4, 100%-ной HNO3 и
воды, может быть найдено так:
Q = Gh,so4 7h2so4 + Ghno3'7hno3 — Gq (V, 30)
Однако нитрующие смеси обычно приготовляют не из 100%-ных
кислот, а из кислотных смесей, при получении которых из100%-ных
кислот и воды выделяется определенное количество тепла. На это
количество тепла и должен быть уменьшен тепловой эффект про-
цесса смешения, вычисленный по уравнению (V, 30). По аналогии
с этим уравнением количество тепла, выделяющегося при обра-
зовании любой кислотной смеси (из 100%-ных кислот и воды),
215
Геклмой баланс смешения кислот
используемой для tip <готовления нитрующей смеси, может быть
определено из следующих равенств:
" ^J,i “'[()<) “И G(t 17hNO:i Gaqa
Gi>- G,, 4iKO, -Ghqh и т. д.
Соответственно изложенному выше
Q^Q-Q^-Qb----------------Q: (V.31)
или
Qp = Gi-io.o.i [:soi "H ’-'iinch — Gq — Ga <7h4so4 —•
~[0() V1 !ЬО3 G flv — Gb [qq- VfbSO, Gb “Jqq~ 9HNO3 "4“
+ Gbqb -......— ‘Л'Тор ^i-b-SOj + ^hn°3 + Gzq,
Но по условиям смешения
Г r mb L Г' 1П^ ' 1 n J1G__
(-WO, - Л, 10() F Gn 100 , +0, 1()0
C /' — - -i Г -J’’- с 1 r: _Lz_
(hin.j,-- с о’ -t <J»~f6o '' 1 °* 100
Поэтому равенство (V, 31) з окончательном виде может быть
переписано так:
'-С /а +• Ghq„ + • • г G:q: — Gq (V, 32 7
Таким образом, тепло, выделяющееся при получении нитрую-
щей смеси, равно сумме тенлот исчерпывающего разбавления исход-
ных кислотных смесей, уменьшенной па теплоту исчерпывающего
разбавления приготовляемой нитрующей смеси. Количество тепла,
отводимого от смешиваемых веществ в процессе приготовления
нитрующих смесей, • ?в -,ni<) может быть легко определено по
формуле (V. 32) и приведенным ниже данным о теплотах разбав-
ления кислотных '.:месей.
Теплота исчерпывающего разбавления кислотных смесей, со-
держащих серную кислоту, азотную кислоту и воду (в ккал/кг
216
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
разбавляемой смеси), по выводам некоторых исследователей опре-
деляется при помощи уравнения:
</ -
№.
4l — (Vi — ЧА х
(V, 33)
где qt—теплота исчерпывающего разбавления серной кис-
лоты, содержащей столько же процентов воды, сколь-
ко кислотная смесь, ккал/кг-,
m
х — ---отношение концентрации серной кислоты в смеси
к суммарной концентрации кислот, сотые доли..
Для'определения величин qY и q2 (в ккал/кг разбавляемой кис-
лоты) можно пользоваться формулами, выведенными А. Н. Пла-
новским:
324 л
<<19
Д = 183 —
(V, '341
312п
«4-98,5
(V, 35)
а также видоизмененными формулами Томсена:
272/г \ m
С/1-[183 „ : ig) |()f(
_ /1 1 I 282« \ I
q2 — ^lll — j -р0С)-
(V ,361
(V ,371
Уравнения (V, 33)—(V, 37) графически представлены в виде
номограммы, изображенной на рис. 104. Пользование номограм-
мой позволяет легко и быстро находить теплоты разбавления
кислотных смесей без громоздких арифметических вычислений.
Пример. Определить теплоту разбавления кислотной смеси, содержаще!;
50% H2SO4 (tn), 50% HNO3 (Z) и 0% H2O (л).
Решение. Находим величину х-.
ш 50
х = Г+ m = ’бОТБо" = 0 -5
По номограмме (см. рис. 104) для
ния исходной кислотной смеси:
п .0 определяем q - теплоту разбавле-
<7—138,5 ккал/кг
q А к и л'/к с смеси
160
/509
1
I 9 Л _-
ч
100-
90-
609
70 \
60-
60^
кислотных смесей.
Ten.i'Mdti лиаьс. смешения кислот
ю
218 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
3. НИТРАТОРЫ
Нитраторами называются реакционные аппараты, предназна-
ченные для проведения процессов нитрования. Конструкции ни-
траторов весьма разнообразны, несмотря на идентичность условий
проведения большинства процессов нитрования. Конструкция
нитраторов зависит от ряда факторов, из которых наибольшее
значение имеют интенсивность теплообмена и интенсивность пере-
мешивания реакционной массы.
Агрегатное состояние веществ, перерабатываемых в нитрато-
рах, н подавляющем большинстве случаев соответствует системе
жидкость—жидкость. Жидкие вещества, загружаемые в нитрато-
ры (нитруемый углеводород и нитрующая смесь), не смешиваются,
поэтому для их взаимодействия требуется весьма интенсивное пе-
ремешивание с образованием эмульсии.
По принципу устройства нитраторам соответствуют аппараты,
представленные на рис. 1 (типы IVa—1Уг, стр. 17). Однако прак-
тическое значение имеет лишь аппарат типа IVe, поскольку в дру-
гих аппаратах не достигается интенсивное размешивание жидко-
стей .
Нитраторы должны быть снабжены специальными размеши-
вающими устройствами—мощными пропеллерными или турбин-
ными мешалками, вращению которых не препятствует консистен-
ция реакционной массы.
Температура процесса нитрования находится чаще всего в
пределах 0—100°. Реакция протекает с выделением больших ко-
личеств тепла, вследствие чего приходится вести процесс преиму-
щественно с охлаждением. Перегрев реакционной массы в
ходе процесса может привести к весьма опасным последст-
виям (вплоть до взрыва), поэтому интенсивный теплообмен сле-
дует считать важнейшим условием нормального процесса нитро-
вания.
Процессы нитрования в большинстве случаев протекают с вы-
сокой скоростью, и время, необходимое для их завершения, опре-
деляется скоростью отвода тепла. В таких процессах производи-
тельность аппаратуры зависит от ее теплотехнических характери-
стик и условий теплообмена.
Поскольку скорость отвода тепла определяет производитель-
ность нитраторов, последняя пропорциональна коэффициенту
теплопередачи, средней разности температур между охлаждае-
мыми веществами и хладоагентом и поверхности теплообмена.
Возможности увеличения коэффициента теплопередачи и средней
разности температур ограничены, пределы же увеличения поверх-
ности теплообмена весьма велики. Поэтому повышения произво-
дительности аппаратуры стремятся достигнуть путем развития
поверхности теплообмена.
3. Нитраторы
219
В промышленной практике применяются следующие основные
методы увеличения и[юизводитгльности нитраторов:
1) Создание аппаратов с возможно более развитой поверх-
ностью теплообмена (’обашки. змеевики, вертикальные стаканы
— гильзы), увеличены интенсивности перемешивания и разности
температур между нитромассон и хладоагентом (периодические
и непрерывные процессы нитрования).
2) Введение в иитз.ттор вместе с исходными веществами охлаж-
денной отработанной кш-лсть. что способствует более интенсив-
ному отводу реакишii-.fio.ro тепла, (непрерывные, процессы нитро-
вания).
3) Установка вы minx .холодильников, через которые ни-
тромасса циркулирует при помощи центробежных насосов (перио-
дические и непрерывные процессы нитрования).
В отношении коррозионного воздействия на материалы аппа-
ратуры вещества, перерабатыиге.мые в нитраторах, равноценны
смеси азотной кислоты. серной кислоты и воды. Нитраторы чаще
всего изготовляют и?, чугуна или кислотостойкой стали. Примене-
ние кислотостойкой стали (например., марки 1Х18Н9Т) безусловно
необходимо при изготовлении нитраторов, в которых могут обра-
зоваться весьма разбавленные отработанные кислоты в конце про-
цесса, а также в сл\чае нитрования чистой азотной кисло-
той.
Свойства веществ, перерабатываемых в нитраторах, оказы-
вают влияние на выбпр нс только материала аппаратуры, но и
на оформление поверх>т>ст'.1 теплообмена. При смешении хладо-
агента (вода) с кислоганн выделяется огромное количество тепла,
что приводит к быстрей/ повышению температуры смеси, сопро-
вождающемуся ее гоным вскипанием, которое вызывается образо-
ванием газообразных продуктов разложения. Проникание воды
в реакционный объем ниграгера может вызвать даже взрыв.
Следовательно, необходимо такое оформление элементов поверх-
ности охлаждения, чтобы исключалась возможность попадания
хладоагентов в н ит [жмассу. В связи с этим следует обращать
особое внимание па механическую прочность конструктивных
элементов поверхности теплообмена и герметизацию объема, за-
полняемого хладоы\-[г.1м.
Эксплуатация -уцг-тиков, ir -, кислотостойкой стали подтвер-
дила их достаточщщ? надежность.
Таким образом, 1пи| атгры можно охарактеризовать как реак-
ционные аппараты с. тошными размешивающими устройствами
и сильно развито!! поверх костью охлаждения, конструктивное
оформление которог нжяо исключать возможность попадания
хладоагентов в реакционное пространство.
220
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования.
Нитраторы периодического действия
Наиболее простой по устройству нитратор, мало отличающий-
ся от типовых аппаратов, изображен на рис. 105. Он представ-
ляет собой чугунный котел со сферическим днищем и крышкой,
снабженный паро-водяной рубашкой и пропеллерной мешалкой.
Для более интенсивного охлаждения
Рис. 105. Нитратор с рубашкой
и охлаждающим змеевиком'.
I — крышка; 2—корпус котла; ру-
башка; 4—днище; ,5—мешалка; tf—змее-
вик; 7--ди1|)фу.?ор.
внутри аппарата установлен змеевик.
Иногда для увеличения срока служ-
бы змеевика и вала мешалки их
изготовляют из кислотостойкой ста-
ли, Повышение интенсивности пе-
ремешивания достигается установкой
внутри аппарата диффузора, иногда
в виде двустенного цилиндра, между
стенками которого циркулирует
хладоагент.
Благодаря наличию диффузора
увеличивается охлаждающая по-
верхность и, следовательно, повы-
шается производительность аппа-
рата.
При получении взрывчатых ве-
ществ шестерни привода аппарата
должны быть выполнены из разных
материалов, при трении которых
друг о друга не возникает искр
(например, чугун бронза, чугун--
пластмасса и т. д.). В таких произ-
водствах для цехов нитрования тре-
буются электродвигатели в газо-
взрывобезопасном исполнении. По
условиям безопасной работы применяют также гидравлические
приводы устройства, которые приводят мешанки во вращение
жидкостью, подаваемой под давлением. Такая рабочая жидкость
подается насосом из сборника в нагнетательный трубопровод,
откуда поступает в гидравлический привод . Здесь энергия дав-
ления жидкости преобразуется в энергию движения, сообщае-
мую мешалке, после чего жидкость по трубопроводу низкого
давления снова возвращается в сборник.
Во избежание аварии, которая может произойти в результате
коррозии охлаждающих змеевиков, иногда воду просасывают
в змеевики при помощи вакуума. При установке в цитрато ре не-
скольких змеевиков они иногда снабжаются самостоятельными
вводами и выводами хладоагента. Это дает возможность в случае
рампы н’пмрывного^ действия
221
неисправности однэгз и змеевиков закончить операцию нитро-
вания, пользуясь изо;- >-.м змеевиком.
Как указывало. :. выше. д.ю увеличения поверхности охлажде-
ния в нитраторах х с.-анзвливают " акже специальные охлаждающие
элементы в виде гильз <рг с 106). Гильза снабжена трубкой /,
расположенной п<: вертикальной оси и дохо-
дящей почти до ина гильзы. Через эту трубку <=Ч1^1
в гильзу вводится наждающая жидкость, 2
которая удаляете;? ?h . глтлы через трубку 2. х
Благодаря циркуляции ох пах-, дающей жидко-
сти в гильзах улу г;~щ/тся условия геплооб- и
мена и повышается дгегень использования по- | й /
верхности охлаж.ц -ли:!. J
Гильзы монтируют;/ иг крышке аппарата -д—ц—-п-
при помощи фланпев которые соединены на | (
болтах с фланпамл н уг.евов аппарата. Не- \
достатком описанны.х о •лаждающих элементов 8 |
является большое ч ciii честзо соединений, за I I
герметичностью г.огэ. н.г; при ходится тщатель- | I
но следить при эг.с.пю атап.п и аппаратов. Но- 1 М
этому гильзы следую тримжягь только в тех
случаях, когда уставов.-.а шеевиков пли труб-
чаток по каким-либс пончика» неприемлема. Р,|С- ,06‘ Гильза
1 1 Я ттсг П ¥ Л Я -,и ПРИМ а *
для охлаждения*.
Нитраторы непрерывною действия
/—трубка для ввода
о х ла ж д а ю щ с й ж ид к о -
стп; 2—трубка для вы-
вода охлаждающей
Процессы Hll' pcn.j, i ЛЯ В большинстве слу- жидкости: 3-фланец,
чаев протекают с со."мной скоростью, в связи
с этим для ловь । . ия про,; щодшельности аппаратуры наибо-
лее целесообразно я поводить ьти процессы в нитраторах непре-
рывного действия.
При нитрован.ш вл-ре;и.шным методом возможно резкое умень-
шение количества ш ;росропуктов, единовременно находящихся
в аппаратуре. Эю янтчется чрезвычайно существенным преиму-
ществом промышленных методов непрерывного нитрования, так
как производство де.(.шипе! р,а нитропродуктов относится к ка-
тегории огне- и втрьшоопас-;ых процессов.
Один из типов ан'разора непрерывного действия для нитро-
вания ароматичес < углеводородов изображен на рис. 107.
Нитратор пред,станам'; собой цилиндрический сосуд 1, внутри
которого размешен». . .губч.г к,ч 2 и пропеллерная мешалка 3. Ни-
трующий агент но;г лжет сызу через кран 4 и отверстие 5.
Исходный > г. •е- тлород подается через трубу 8 в сере-
дину верхней части апланата ь пропеллерными лопастями мешал-
ки направляется ккщ. В нижней части нитратора происходит сме-
222_____________Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
шение углеводорода с нитрующим агентом. Образовавшаяся смесь
поднимается вверх по трубчатке 2. Для отвода тепла реакции в
межтрубное пространство нитратора через штуцер 6 вводится
Рис. 107. Нитратор непрерыв-
ного действия, снабженный труб-
чаткой:
/—цилиндрический сосуд; 2—трубчат-
ка; <?—пропеллерная мешалка; /—кран;
J—отверстие для ввода нитрующего
агента; 6, 9—штуцеры для ввода и вы-
вода хладоагента; 7—штуцер для вы-
вода питропродукта и отработанной
кислоты: Я—труба для подачи исход-
ного углеводорода.
хладоагент, выходящий далее из
штуцера 9. Нитропродукт и от-
работанная кислота в виде эмуль-
сии удаляются из нитратора через
штуцер 7.
Необходимо обращать особое
внимание на тщательность закре-
пления концов труб в трубных ре-
шетках нитратора, так как малей-
шее нарушение герметичности
может явиться причиной проника-
ния хладоагента (подаваемого
под давлением) в реакционное про-
странство, что совершенно недопу-
стимо. К недостаткам тайного
нитратора следует отнести нали-
чие в днище отверстия, нежела-
тельного в аппаратах, заполнен-
ных кислотой и подвергающихся
даже небольшой коррозии.
Высоко/! производительностью
отличаются непрерывнодействую-
щие нитраторы, поверхность теп-
лообмена которых выполнена
в виде змеевиков. На рис.
108 изображен один из таких
нитраторов со снимающимся кор-
пусом (нитраторы Биацци). Этот
аппарат имеет вид цилиндра
(высота 870 мм, диаметр 700 мм),
внутри которого расположено
пять спиральных змеевиков, при-
чем два внутренних змеевика
имеют меньший диаметр, чем
внешние. Все змеевики скреплены
металлическими полосами и обра-
зуют единый элемент, который крепится к крышке аппарата.
В нитраторе установлена мешалка турбинного или пропеллерного
типа. Аппарат и все детали, соприкасающиеся с реакционной мас-
сой, выполнены из кислотостойкой стали. В днище нитратора имеет-
ся штуцер диаметром 152 мм для аварийного спуска реакционной
массы. Штуцер закрыт задвижкой, которая в случае необходимо-
Нигр.чторы непрерывного действия
223
сти открывается рычажным механизмом, имеющим дистан-
ционное пневматическое и дублирующее ручное управле-
ние.
Крышка нитратора снабжена' патрубком наполнения, через
который подается нитрующий агент, углеводород поступает
в нитратор через сопло, разделяющее поток жидкости на не-
сколько тонких струй, реагенты вводятся в середину аппарата.
Рис. 103. Итератор с? снимающимся корпусом:
/Ь-общгй вид; />—апгграт в разобранном виде.
В центре нитратора реакционная масса движется сверху вниз,
возле стенок аппарата поднимается кверху. Эмульсия нитропро-
дукта и отработанной кислоты удаляется через боковой штуцер,
тангенциально приваренный к корпусу нитратора. Корпус крепят
на кронштейне, который может перемещаться по вертикали при
помощи противовеса, соединенного с кронштейном тросом, пере-
кинутым через блок. Возможность опускания корпуса предусмо-
трена для тщательного осмотра змеевиков. В аппаратах подобного
типа реакция нитрования доводится практически до конца. Так,
при нитровании бензола количество непрореагировавшего углево-
дорода в нитропродукте не превышает 0,5% при содержании дини-
тробензола не более 0,01 %.
224
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
Значительно проще по конструкции успешно применяемый в
промышленности нитратор непрерывного действия, показанный на
рис. 109. В этом аппарате охлаждение реакционной массы проис-
ходит как через поверхность змеевиков, так и через стенку котла.
Нитратор представляет собой стальной или чугунный котел 1
с рубашкой 2 и с одним или несколькими охлаждающими змееви-
ками 3. Витки змеевиков в большинстве случаев укладывают с
Рис. 1(19. Нитратор непрерывного
дейстпня:
1—котел; 2—рубашка; 6'—змеевик, уло-
женный в виде «стакана»; 4—штуцер для
вывода реакционной массы; 5—мешалка;
с>—штуцеры с патрубками наполнения.
Рис. 110. Аппарат непрерывного
действия, установленный последо-
вательно в качестве второго нит-
ратор а;
1—штуцер для ввода реакционной массы;
2—штуцер для вывода реакционной массы;
J—патрубок наполнения.
малым шагом, благодаря чему они образуют внутри нитратора
«стакан», играющий роль диффузора. На крышке аппарата имеют-
ся штуцеры 6 с патрубками наполнения для ввода нитрующего
агента и исходного углеводорода. Установленная внутри нитра-
тора пропеллерная мешалка 5, делающая 250 —290 об/мин., на-
правляет поток реагентов вниз. По выходе из «стакана» реакцион-
ная масса движется кверху и удаляется из нитратора через шту-
цер 4.
В производстве некоторых нитропродуктов процесс нитрова-
ния осуществляется в двух и более аппаратах, установленных
последовательно. Реакционная масса вводится во второй нитра-
тор (рис. 110) через штуцер 1 и удаляется через штуцер 2. В слу-
чае необходимости дополнительное количество нитрующего аген-
та поступает через патрубок 3. При наличии второго аппарата
Hu.'pawpbt непрерывного действия
процесс нитрования ' ; но заканчивать при температуре, отли-
чающейся от темпер,-т:;, ры, поддерживаемой в первом нитраторе.
В качестве одного из эффективных способов отвода тепла реак-
ции применяют разбазление реакционной массы холодной отра-
ботанной кислотой. /Iя этого над нитратором устанавливаю!
смесительную колонку (объем 30--70 л) из стали 1Х18Н9Т, запол-
ненную керамическими кольцами.
Нитруемый углеводород и колодная
отработанная кислотг .цате л ыю сме-
шиваются в колон ке до пос тупления
в нитратор.
В связи с значительным тепло-
вым эффектом процессов нитрования
и взрывчатыми свойствами большин-
ства нитропродушо:; перегревы ре-
акционной массы чреч в ы чай но опас-
ны. Поэтому необходимо полностью
исключить возможность поступления
нитрующего агента в нитратор при
остановке мешалки. Кран, установ-
ленный на трубопроводе, по кото-
рому подается ншруюший агент, в
ряде случаев блоки роки с мешалкой.
В случае прекращения иерем.еш.вва-
ния немедленно автоматически пре-
кращается подача нигр\ ющего аген-
та, а при уменьшишь( «шела оборо-
тов мешалки подается световой или
звуковой сигнал.
На рис. 111 показа, о устройство.
Рис. III. Устройство ДЛИ
контроля работы мешалки:
/—стальная трубка; 2—отверстие
в стальной трубке; //—кран; 4—
стеклянная трубка; 5—электроды;
6—колено.
позволяющее достаточно просто кон-
тролировать работу мешалки. Оно
состоит из стальной тробки /.. по-
груженной в реакционную массу,
и стеклянной труш.т •/. находящей-
ся вне аппарата. Верхняя часть груб-
ки 1 соединена с трубкой 4 при помощи сальника. В колено 6 стек-
лянной трубки залита с крашенная жидкость (обычно серная кисло-
та). Стальная трубка I диаметром 25—38 мм внизу (с торца) закры-
та, сбоку имеется отверстие 2 диаметром 10—20 мм. При вращении
мешалки давление в трубке 1 повышается, следствием чего является
повышение уровня жидкости в левой части колена 6. Таким обра-
зом, об интенсивности перемешивания реакционной массы в аппа-
рате можно судить по разности уровней жидкости в обеих частях
этого колена. В стенки полена впаяны электроды 5. При останов-
15-2277
226 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
ке мешалки обе части колена заполняются жидкостью, и про-
исходит замыкание электрической цепи, в результате чего подает-
ся световой или звуковой сигнал.
При передавливании реакционной массы из аппарата периоди-
ческого действия перекрывают кран 3 между стальной трубкой 1
и стеклянной трубкой 4.
Описанное устройство применяется для контроля работы не
только нитраторов, но и других реакционных аппаратов, для
безаварийной работы которых необходимо бесперебойное действие
размешивающих устройств.
, Применяется также блокировка других элементов управления
технологическим процессом. Например, в случае превышения тем-
пературы, установленной для данного процесса, в некоторых си-
стемах нитрации автоматически прекращается подача нитруемого
сырья в аппарат.
4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС НИТРАТО РОВ
Общее уравнение тепло юго баланса. В наиболее общем виде
тепловой баланс нитраторов может«быть представлен следующим
равенством:
Q1 + + Q3 - <34 + Qs + + Qt (V, 38)
где Qj -тепло, поступающее в аппарат с нитруемым веществом,
ккал;
Q2—тепло, поступающее в аппарат с нитрующей смесью,
ккал;
Q3—тепловой эффект процесса нитрования, ккал;
Q4—тепло, отводимое хладоагентом, ккал;
Q5—тепло, уходящее из аппарата с нитропродуктами, ккал;
Qn—тепло, уходящее из аппарата с отработанной кислотой,
ккал;
Q7—тепло, теряемое в окружающую среду, ккал.
Тепловой баланс нитраторов является весьма существенной
частью их расчета, так как по уравнению теплового баланса
можно определить количество отводимого тепла Q4. Эта величи-
на в ряде случаев является почти единственной основой энерго-
теплотехнических и технологических расчетов нитраторов. Ве-
личину Q4 находят из равенства (V, 38), следовательно, для ее
определения необходимо найти все остальные величины, входя-
щие в это равенство. Значения всех теплот, входящих в равен-
ство (V, 38), за исключением Q.,, вычисляют общеизвестными ме-
тодами, поэтому в дальнейшем будет рассмотрен лишь метод вы-
числения теплового эффекта процессов нитрования. .
Г.? иловой баланс нитраторов 227
Тепловой эффект процессов нитрования. Тепловой эффект
этих процессов с клады пае гея из теплоты реакции и теплоты из-
менения состава цитрующей смеси (в икал):
%. % : Ф, iV-'9'
Тепло реакции нитрования Q(1 (в ккал) может быть определено
из равенства:
где G„—вес нитруемого вещества, кг;
—его молекулярный нес.;
с/р—-теплота реакции, ккал/г-мол.
Молярную тепло 'у реакции вычисляют в соответствии с урав-
нением реакции нитрования законом Гесса:
</р - Г/Н - С/.. -- (69 — 41,6) х
или
г/., “ 7л 7. Т- 27,4х (7,40)
где с/н—теплота образования питропродукта, ккал!г-мол;
с/с—теплота образования нитруемого сырья, ккал;г-мол;
69—теплота образования воды, ккал/г-мол;
41,6— теплота образования 100%-ной азотной кислоты,
ккал ;г-мо.1;
х—число атомов водорода и молекуле органического соеди-
нения, заметаемых и/.трогруииам .
При определении тепла реакции принимают теплоту образова-
ния воды, не связанной с кислотой (69 ккал/г-мол), и теплоту обра-
зования азотной кислоты, не связанной с водой и серной кислотой
(41,6 ккал/г-мол). В связи с этим необходимо учитывать теплоту
разбавления кислиц водой, выделяющейся при нитровании, и
теплоту «выделениях 100%-иой азотной кислоты из нитрующей
смеси (см. ниже). Из этик двух величин и складывается теплота
изменения состава нитрующей смеси Q„.
Теплота «выделения.) 10С’%-цсй азотной кислоты из нитрующей
смеси равна по величине и противоположна по знаку теплоте сме-
шения 100%-ной азотной кислоты, расходуемой на нитрование,
с «остатком нитрующей смеси». Е'сли на нитрование расходуется
G кг нитрующей смеси, а для реакции нитрования требуется кг
100%-ной азотной кислоты, то теплота «выделения» азотной кисло-
ты из нитрующей смеси (в ккал) определится по уравнению
<Л, - — (Ф - (7) 9п — £</hno3 (V ,41)
15*
228 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
где q—теплота исчерпывающего разбавления нитрующей смеси,
ккал/кг смеси',
qQ—теплота исчерпывающего разбавления кислотной смеси,
которая получается после выделения из нитрующей сме-
си д кг азотной кислоты, ккал/кг смеси;
<7hno;)—теплота исчерпывающего разбавления 100%-ной азотной
кислоты, ккал[кг кислоты.
В процессе нитрования выделяется вода, разбавляющая «оста-
ток нитрующей смеси», в результате образуется отработанная кис-
лота. Пусть количество образующейся отработанной кислоты бу-
дет Сотр. кг, а теплота ее исчерпывающего разбавления составляет
z/nTp. ккал/кг смеси, тогда теплота разбавления «остатка нитрую-
щей смеси» реакционной водой определится выр'ажхнием'.
<2™. = (G — ц) д0 — G0TP. gmp. (V, 42)
Соответственно изложенному, тепло изменения состава нитрую-
щей смеси должно быть найдено из равенства
= (V,43)
При подстановке в него значений Q,. и Qcu. из'уравненин (V, 41)
и (V, 42) получается формула:
Qu Gq G01|,. VoTp. £<7hnq3 , 44)
Таким образом, тепловой эффект процесса нитрования может
быть представлен следующим несложным уравнением
О» Л4ф ^отр.7отр. й<7нрЮч (V, 4о)
которое может быть несколько видоизменено при подстановке в
него значений ц и <?hno3. Принимая 111 ккал!кг, а
63 г
д ----- G„ и подставляя эти значения в уравнение (V, 45), получим
формулу для вычисления теплового эффекта процессов нитрова-
ния:
Qt ~ G,, 1- 7х) +Gq — Garp. ^отр. (V, 46)
При наличии данных о теплоте образования реагентов и полу-
чаемых продуктов, а также о теплоте разбавления кислотных сме-
сей по этой формуле легко найти тепловой эффект процесса, соста-
вить тепловой баланс нитратора и определить количество тепла,
которое должно быть отведено в процессе нитрования.
iianiv' г /z обработки нитропродуктов^
229
5 АППАРАТУРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ НИТРОПРОДУКТОВ
Отстойники
После нитровании иочти всегда требуется отделить получен-
ные нитропродукты от отработанной кислоты, т. е. провести
разделение несмешивающихся жидкостей. Этот процесс, называе-
мый сепара ц и е й, или отстаиванием, проводится как перио-
дически, так и непрерывно.
О т с т о й п и к и п е р и о д и ч е- □=-=
с к о г о д е й с т ь и I,. Одни из апна- ^гзг=Дй==гг!!=
ратов этого типа изображен па рис. 112. . .j
Он представляет сс-бсй стальной котел |
(иногда футерованный кислотоупорной / | \
плиткой или защищенный снницом), сныб- I 1=а
женный крышкой и гэогвегсли'ющей ар- I
мату рой. ,1]
В таком аппарате происходит расслаи- н [
ванне реакционной массы. Более легкая [L__________|_____J
жидкость (ши ре < :. i; и) собирается в ) /и
верхней части аппарата, более тяжелая Д. I /г
(отработанная кислота; -в нижней. ej
Из отстойника жидкости эвакуируют-
ся через нижний ег ус.кпой штуцер и
смотровой фонарь. Благодаря наличию JJ
смотрового фонаря л ен о установить ко-
нец эвакуации тяжевой жид кости и пу-
тем перекрытия соогветс.твующих коанов
л *• * 1 llriz-. I 1 О ( iTn-IVHJIJirtZ IIP-
Рис. 112. Отстойник пе-
риодического действия
для отделения нитропро-
направить легкую жидкость в сборники
или хранилища.
Чтобы легче проследить за ходом рас- дукта от отработанно!"!
сдаивания, отстойники иногда снабжают кислоты,
пробными кранами, располагаемыми па
различной высоте. При отделении легко застывающих нитро-
продуктов от кислот применяют отстойники, снабженные паро-
выми рубашками или змеевиками.
О т с т о й н и к и н е п р е г ы и н о г о действия. Бо-
лее четкое расслаивание нитромассы происходит в непрерывно-
действующих отстойниках. Один из наиболее распространенных
аппаратов этого тина приведен на рис. 11.3.
Отстойник представляет собой стальной или чугунный цилинд-
рический сосуд с крышкой. Он имеет штуцеры для ввода эмуль-
сии (нитромассы), для вывода легкой жидкости и для вывода тя-
желой жидкости, а также прочую необходимую арматуру и гар-
нитуру. Эмульсия, те! упающзя на расслаивание, непрерывно
230 _ Гл. И. Аппаратура процессов нитрования
вводится в аппарат через штуцер, расположенный на середине
высоты отстойника. Благодаря разности удельных весов разделяе-
мых жидкостей происходит их расслаивание: легкая жидкость на-
правляется вверх и, постепенно освобождаясь от тяжелой жидко-
сти, удаляется из аппарата через верхний штуцер, тяжелая жид-
кость направляется вниз, постепенно отделяется от легкой жидко-
сти и удаляется из аппарата через
Рис. 113. Отстойник непрерывного дей-
ствия (колонного типа) для разделения
иитропродукта и отработанной кислоты:
/—соединительный: грубопрово д; ,2—гидравличе-
ский затвор.
нижний штуцер.
Для разрыва сифона, ко-
торый может образоваться
в гидравлическом затворе 2,
его соединяют трубопрово-
дом 1 с верхней частью от-
стойника. Образование си-
фона может способствовать
слишком быстрому отсасы-
ванию жидкости из нижней
части отстойника, что при-
ведет к удалению части не-
расслоившейся эмульсии че-
рез нижний штуцер.
Известно, что производи-
тельность отстойника тем вы-
ше, чем больше площадь его
сечения; поэтому целесооб-
разно применение отстойни-
ков типа коробки (рис. 114).
Такой отстойник представ-
ляет собой стальной прямо-
угольный резервуар разме-
ром 1,5x3,Ох 1,0 м. Смесь
отработанной кислоты и нит-
ропродукта поступает в oi-
стойник через штуцер /, компонент меньшего удельного веса уда-
ляется через штуцер 2, более тяжелый компонент—через шту-
цер 3 и гидравлический затвор 4.
Для увеличения длины пути расслаивающихся жидкостей в
отстойнике установлены перегородки 5.
Более совершенными аппаратами для отделения нитропродук-
тов от отработанной кислоты являются гидроциклоны, обладаю-
щие высокой производительностью и хорошей разделяющей спо-
собностью. .Для этой же цели могут быть использованы центри-
фуги. Аппараты обоих этих типов должны быть известны чита-
телю из курса «Основные процессы и аппараты химической тех-
нологии».
Пенитраторы
231
Жидкости
на расслаивание
Рис. 1М Огсгойник непрерывного действия (типа ко-
робки) д"я отделения ипгропродукта от отработанной
кислоты:
/—штуцер наполнения; 2—штуцер для отводя более легкого компо-
нента; 3—штуцер для отк1 да более тяжелого компонента; 4—гидрав-
лический гаттор; 5—перегородки.
Денитраторы
В некоторых случаях (например, при нитровании сульфокис-
лот нафталина) вслед за процессом нитрования производится
ден итра ци нитромассы. Сущность этого процесса заклю-
чается в освобождении реакционной массы от остатка непрореаги-
ровавшей азотной кислоты и окислов азота, содержащихся в дан-
ной среде преимущественно в виде нитрозилсерной кислоты. По-
лученная нитро масса выдавливается в аппарат, называемый
д е н и т р а т о р о м, где ее разбавляют водой; выделяющиеся
при этом окпслы агога отдуваются воздухом. Как правило, дени-
трацию ведуг при температуре около 100". При разбавлении нитро-
массы водой вы.н л . с к-ч значительное количество тепла. Для ре-
гулирования температуры используют змеевик.
Денитратор (рис. 15) представляет собой стальной котел /,
футерованный кисло-оулорной плиткой 2 по подслою свинца. Ап-
парат снабжен змеевиком ?. а также мешалкой и барботером для
ввода сжатого воздуха (на рисунке не показаны). Через штуцеры
4, снабженные патрубками наполнения, загружается нитромасса
и вода. Воздух, насыщенный окислами азота, отводится через
штуцер 5, имеющий больший диаметр, чем штуцеры 4.
232
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
Рис. 115. Денитратор:
/ стальной котел; 2—футеровка (кислотоупорная
плитка); 3—змеевик; 4— штуцеры (2 шт.) для па-
трубков наполнения; 5—штуцер для отвода воз-
дула и окислив азота; 6—люк.
процессы и аппараты химический
этих аппаратов подробно описаны в
пример аппараты для высаливания
IV (стр. 189 и ел.).
В соответствии с характе-
ром реакционной среды (го-
рячая серная кислота пере-
менной концентрации) для
защиты мешалки от корро-
зии, а также для изготовле-
ния змеевика и барботера
применяется свинец.
Кроме отстаивания от от-
работанной кислоты и дени-
трации, в промышленности
органических полупродуктов
применяются и другие мето-
ды обработки полученной
нитромассы, например от-
фильтровывание нитросоеди-
нений из разбавленной реак-
ционной массы, высаливание
или выделение их в виде
кальциевых солей. В этих
процессах используется об-
щая для различных отраслей
химической промышленности
аппаратура, известная чита-
телю из курса «Основные
технологии». Некоторые из
других разделах книги, на-
били рассмотрены в главе
Аппаратура для извлечения нитропродуктов из отработанных
кислот
В подавляющем большинстве случаев при отстаивании нитро-
массы не происходит исчерпывающего отделения нитропродуктов
от отработанных кислот. Нитропродукты, удаляющиеся из от-
стойников, всегда содержат незначительное количество кислоты;
в свою очередь отработанные кислоты содержат небольшое ко-
личество нитропродуктов, а в некоторых случаях и азотной кис-
лоты. Из отработанной кислоты нитропродукты извлекаются при
дополнительном отстаивании в отстойниках второй ступени, а
иногда путем экстракции их исходными органическими вещест-
вами, которые подвергают нитрованию в данном производстве.
Дополнительное отстаивание отработанной кислоты от нитро-
продуктов чаще всего производится в крупных отстойниках перио-
liii'n.pinitpa для извлечения нитропродуктов
233
дического действия, где кислота выдерживается в течение длитель-
ного времени.
Такие отстойники обычно выполняют в виде стальных сварных
цилиндрических резервуаров, футерованных изнутри кислото-
упорными плитками (например, диабазовыми).
Эвакуация отделившихся, нитропродуктов из отстойников произ-
водится различными способами, в зависимости от количества ни-
тропродукта. При значительном количестве отделившихся нитро-
продуктов их спускают из отстойников самотеком через штуцер,
располагаемый на. линии раздела обеих жидкостей, как схе-
матически показано на рис. 116.
Рис. 116. Отстой ник для ш мот ните.11
ного отстаивания ' о г1 Рабата и 11 г :i
кислоты.
Рис. 117. Отстойник для дополни-
тельного отстаивания отработанной
КИСЛОТЫ'.
I - -редервуар-отстойиик; 2, о—сборники для
гитропродукта и для отработанной кислоты.
В малотоннажны». производствах дополнительное отстаивание
отработанной кислоты производят в резервуарах относительно
небольшого объема, установленных над сборниками (рис. 117).
Отработанная кислота и иитропродукт эвакуируются из отстойни-
ка 1 по общему трубопроводу, снабженному смотровым фонарем,
и направляются в сборники 2 и 3.
Более удобно тчтаиван ие в сосудах с. коническим днищем,
позволяющим более тщательно разделять нитропродукты и кис-
лоту. В ряде случаев описанные отстойники с успехом заменяются
сверхцентрифугами, е которых отделение нитропродуктов от от-
работанной кислоты завершается намного быстрее, чем в отстой-
никах.
234
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
Экстракция нитропродуктов из отработанной кислоты в боль-
шинстве случаев проводится непрерывно в котлах-экстракторах,
выполненных из углеродистой стали или из кислотостойкой стали
марки 1Х18Н9Т и снабженных пропеллерными мешалками (150—
250 об/мин.).
В случае необходимости^ проведения процесса экстракции с
нагреванием или охлаждением котлы-экстракторы снабжают змее-
виками или рубашками. Отработанная кислота и экстрагент (бен-
зол, хлорбензол) непрерывно поступают в аппарат (рис. 118) и
тщательно перемешиваются непрерывно вращающейся мешалкой.
Отработанная
кислота
Рис. 118. Агрегат для извлечения нитроиродукта из отработанной
кислоты:
/—экстрактор; 2—отстойник.
Образующаяся эмульсия непрерывно перетекает через боковой
штуцер в отстойник 2. Отсюда отработанная кислота, обладающая
большим удельным весом, вытекает через нижний штуцер, а более
легкий экстрагент, содержащий нитропродукт, отводится через
верхний штуцер отстойника.
Если процесс экстракции сопровождается нитрованием экстра-
гента остатками азотной кислоты, содержащейся в отработанной
кислоте, тепло реакции отводится хладоагентом, подаваемым в
змеевик (или рубашку) экстрактора.
Аппаратура для промывки и нейтрализации
235
Аппаратура для промывки и нейтрализации нитропродуктов
Нитропродукты, отделенные от отработанной кислоты, всегда
содержат незначительное количество кислоты и должны быть осво-
бождены от нее путем нейтрализации и промывки. Жидкие или
расплавленные нитропродукты обычно нейтрализуют 1—2%-ным
содовым раствором и промывают чистой водой. Как промывка,
так и нейтрализация проводятся в промывных аппаратах перио-
дического и непрерывного действия, сходных с отстойниками со-
ответствующего типа.
Периодически действующий промыв-
ной аппарат (рис. 119) в отличие от отстой-
ника снабжен пропеллерной мешалкой,
обеспечивающей интенсивное размешива-
ние взаимодействующих веществ. Аппарат
представляет собой цилиндрический котел
с крышкцй, коническим днищем и соот-
ветствующей гарнитурой.
Нитропродукты, содержащие кислоту,
загружают в промывной аппарат через
штуцер, расположенный на крышке. К
питропродуктам добавляют рассчитанное
количество содового раствора и интен-
сивно размешивают содержимое аппарата
в течение определенного времени. Затем
мешалку останавливают и дают жидкости
отстояться. После отстаивания водный
слой отделяют от слоя нитропродукта, на-
правляемого на дальнейшую обработку.
В качестве нейтрализаторов приме-
няются также аппараты типа котлов. В со-
ответствии с химическими свойствами
перерабатываемых продуктов аппараты
для нейтрализации и промывки изготов-
Рис. 119. Промывной ап-
парат периодического
действия типа воронки.
ляют из стали и футеруют диабазовой плиткой или выполняют
из кислотостойкой стали марки 1Х18Н9Т. При необходимости
нагревания или охлаждения аппараты снабжают змеевиками или
рубашками. На рис. 120 показан агрегат периодического действия
для промывки нитропродуктов. Он состоит из промывного аппарата
! и ловушки 8. Промывной аппарат снабжен пропеллерной мешал-
кой 2 и трубами 3 и 4 для передавливания. Нитропродукт и вода
(или раствор соды) поступают на промывку через штуцер 5. В аппа-
рате нитропродукт и вода (или раствор соды) тщательно переме-
шиваются, затем при выключенной мешалке жидкость отстаивает-
ся. При этом происходит расслоение двух несмешиваюшихся жид-
236 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
костей различного удельного веса. Нитропродукт, имеющий
больший удельный вес, собирается в нижней части аппарата,
водный слой—в верхней. По короткой трубе 4 водный слой пере-
давливается в ловушку 8, здесь происходит дополнительное рас-
слоение жидкости. Водный слой через штуцер 9 удаляется в ка-
нализацию, а дополнительно выделившийся в ловушке нитропро-
дукт через штуцер 7 и гидравлический затвор 6 направляется в
Рис. 120, Агрегат периодического действия для про-
мывки нитропродуктов;
/—промывной аппарат; 2—мешалка; «у, 4—трубы для передавливания;
5—штуцер для загрузки; 6—гидравлический затвор; 7—штуцер для
удаления промытого нитропродукта; 8—ловушка; 9—штуцер для
слива водного слоя.
сборники промытого нитропродукта. Нитропродукт, оставшийся
в нижней части промывного аппарата 1, в случае необходимости
подвергают повторной промывке; если же достаточно одной про-
мывки, нитропродукт передавливают по трубе 3 в сборники про-
мытого нитропродукта.
На рис. 121 изображен агрегат для непрерывной промывки
нитропродуктов. Воду и нитропродукт непрерывно загружают в
промывной аппарат 1 через штуцеры 3 и 4', для смешения жидкостей
служит мешалка 2. Образующаяся эмульсия непрерывно перетекает
в отстойник 5, откуда водный слой через верхний штуцер удаляется
в канализацию, а промытый нитропродукт через нижний штуцер
и гидравлический затвор 6 направляется в сборники.
Аппаратура для промывки и нейтрализации
237
Рис. 121. Агрегат непрерывного действия для промывки пит-
рспродуктов:
/—промывной аппарат; 2— мешалка; 3, /—штуцеры для заливки воды и за-
грузки нитропродукта; 5—отстойник; 6—гидравлический затвор.
Рис. 122. Колонный промывной
аппарат непрерывного действия:
/—штуцер для ввода кислого нитрс-
продукта; 2—штуцер для ввода рас-
твора соды;_3—штуцер для ввода воды.
На рис. 122 схематически показан непрерывнодействующий
промывной аппарат колонного типа. Непрерывный процесс промыв-
ки, нейтрализации и отстаивания производится следующим обра-
зом. В верхнюю часть аппарата
через штуцер 1 подводится кис-
лый нитропродукт (жидкость боль-
шего удельного веса), в нижнюю
часть аппарата через штуцер 3
подается вода (жидкость меньше-
го удельного веса), в среднюю
часть аппарата через штуцер 2
поступает раствор соды (жидкость
с удельным весом меньшим, чем
для нитроиродукта, и большим,
чем для воды).
В описанном аппарате нитро-
продукт и вода движутся противо-
током друг другу. Нитропро-
дукт, проходящий через аппарат
сверху вниз, отмывается от кис-
лоты и удаляется через нижний
штуцер.
238
Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
Вода и содовый раствор, движущиеся навстречу нитропро-
дукту, вымывают из него кислоту и удаляются через верхний
штуцер.
Конструктивно более сложный, но зато более эффективный про-
мывной аппарат непрерывного действия представлен на рис. 12'!.
Рис. Г23. Многосекционный промывной аппарат непрерывного
действия:
I, Ш, V—отстойные камеры; //, IV, V/—смесительные камеры; /—отверстия
для перетока эмульсии из смесительных камер в отстойные-, 2—отверстия для
перетока нитропродукта из отстойных камор н смесительные; 3—мешалки; /—
штуцер для отсюда водного слоя; 5, Л—трубы для перетока промывного раство-
ра (воды); 7—штуцер для отвода промытого нитропродукта; 5—трубопровод
для соединения затвора с атмосферой; 9—гидравлический затвор.
В этом аппарате происходит последовательная промывка нитро-
продукта водой и щелочным реагентом (аммиачная вода, раствор
соды или едкого натра). Аппарат представляет собой стальной фу-
терованный резервуар прямоугольной формы, разделенный на
несколько секций. Секции II, IV и VI снабжены пропеллерными
мешалками и выполняют роль смесительных камер; несколько
большие по размерам секции I, III, V являются отстойниками.
Аппаратура для дальнейшей обработки нитропродуктов
239
Секции сообщаются друг с другом через отверстия / и 2. Ни-
тропродукт поступает на промывку в секцию VI, где смешивается
с подаваемой туда водой и с отработанным промывным раствором,
поступающим из секции III по трубе 5. Образующаяся в секции
VI эмульсия перетекает через верхнее отверстие 1 в отстойную
секцию V. Здесь нитропродукт отделяется от водного слоя, кото-
рый удаляется из аппарата через штуцер 4, а частично промытый
нитропродукт поступает через нижнее отверстие 2 в следующую
смесительную секцию IV. В этой секции нитропродукт смешивает-
ся с промывной водой, поступающей из отстойной камеры I по тру-
бе 6. Отсюда эмульсия уходит через отверстие I в отстойную сек-
цию III и снова расслаивается там, нитропродукт направляется
в секцию II, промывная вода по трубе 5—в секцию VI.
В секцию// через верхний штуцер поступает примерно 5%-ный
раствор аммиака или соды. Эмульсия, образовавшаяся в этой
секции, перетекает через отверстие 1 в отстойную секцию /. От-
делившийся в секции / нитропродукт удаляется из промывного
аппарата через нижний штуцер 7 и гидравлический затвор 9\
водный слой по трубе 6 поступает в секцию IV и повторно исполь-
зуется для промывки нитропродукта. Для разрыва сифона, кото-
рый может образовываться в гидравлическом затворе, последний
соединяют с атмосферой трубопроводом 8.
Аппаратура для дальнейшей обработки нитропродуктов
Нейтрализованные и промытые нитропродукты часто подверга-
ются дальнейшей обработке. Жидкие нитропродукты во многих слу-
чаях разделяют перегонкой на составные индивидуальные нит-
росоединения. Легко застывающие нитропродукты подвергают
кристаллизации, гранулированию и сушке.
Гранулированием называется процесс отверждения
расплавленных веществ с образованием мелких частиц (гранул),
напоминающих по форме крупу. Гранулированные нитропродукты
имеют ряд преимуществ при дальнейшей переработке и примене-
нии, поэтому легко застывающие нитропродукты часто подвер-
гают гранулированию.
Образование гранул происходит при интенсивном перемеши-
вании расплавленного нитропродукта и холодной воды. Гранули-
рование проводится в аппаратах типа котлов, снабженных мешал-
ками. Предварительно в такие грануляторы заливают холод-
ную воду, затем при интенсивном размешивании тонкой струей
вводят расплавленный нитропродукт. Для перемешивания приме-
няется мешалка с тремя пропеллерами, делающая 120 об/мин.
Для отвода тепла, выделяющегося при гранулировании нитро-
продуктов, аппарат снабжают рубашкой, в которую подают охлаж-
дающую воду.
240 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
в центре
кольца
ла
Вода
Расплавленный
Humponpodyhm
-Р
Рис. 124. Гранулирующее при-
способление:
1—труба, согнутая в виде кольца; 2—
разбрызгивающие сопла; /У—труба для
подвода холодной воды; t—труба для
подвода расплавленного нитронродук-
Более рационально проведение процесса гранулирования с
помощью приспособления, изображенного на рис. 124. Гранули-
рующее приспособление состоит из трубы 1, согнутой в виде кольца
и снабженной разбрызгивающими соплами 2. К такому кольцу
через трубу 3 подводится холодная вода, которая при разбрызги-
вании ее соплами 2 соприкасается с тонкой струей расплавленного
нитропродукта, вытекающего из трубы 4, которая расположена
'Я тесному смешению нитропродукта с
охлаждающей водой в пространстве,
показанном на рисунке пунктиром
(под трубой 4), процесс гранулиро-
вания протекает легко и быстро.
Гранулированный продукт легко от-
фильтровывается от воды.
Описанный способ гранулирова-
ния позволяет обойтись без приме-
нения громоздкой аппаратуры и од-
новременно ускорить этот процесс.
Некоторые нитропродукты под-
вергают разделению путем к р и-
с т а л л и з а ц и и, проводимой в
аппаратах трубчатого типа (разде-
ление мононитрохлорбензолов, мо-
нонитротолуолов). Образующиеся
при этом эвтектические смеси раз-
деляют затем разгонкой в ректи-
фикационных колоннах.
Процессы фильтрования, криста,ч-
лизаци.'. сушки, перегонки и ректи-
фикации не являются специфичными для производства нитро-
продуктов, кроме того, они рассматриваются в курсе «Основ-
ные процессы и аппараты химической технологии». Поэтому дан-
ные процессы здесь не будут описаны.
Аппаратура для абсорбции окислов азота
Процессы нитрования и другие операции, в которых принимает
участие азотная кислота и нитрующие смеси, обычно сопровож-
даются более или менее значительным выделением окислов азота.
Вследствие этого агрегаты для нитрования должны снабжаться
специальными установками и аппаратурой для поглощения выде-
ляющихся окислов. Абсорбция окислов азота необходима
главным образом по условиям безопасного ведения процес-
са, а при значительном количестве окислов—также и по со-
ображениям экономического характера.
Аппаратура для абсорбции окислов азота
241
Исчерпывающее поглощение окислов азота является основным
требованием техники безопасности и может быть проведено на
установке, показанной на рис. 125. Газовая смесь, содержащая
окислы азота (NO и NO2), нагнетается воздушным эжектором или
вентилятором 1 в керамическую (или изготовленную из кислото-
стойкой стали) абсорбционную колонну 3, заполненную насадкой,
Вода
Рис. 125. Абсорбционный агрегат для поглощения окислов
азота:
/—вентилятор; 2—бачок для дозировки воды; 3. 5—абсорбционные колонны;
/—сборник азотной кислоты; б—бачок для дозировки серной кислоты.
7—сборник нитрозилсерной кислоты; А'—центробежный насос.
которая орошается водой из дозирующего бачка 2. В колонне 3
окись азота окисляется кислородом воздуха до двуокиси азота,
поглощаемой водой с образованием азотной кислоты и выделе-
нием окиси азота.
Азотная кислота в виде 10—30%-ного раствора поступает из
колонны в сборник 4 и передается на дальнейшее использование.
Из верхней части колонны 3 удаляется газовая смесь, содержащая
кислород, азот и непоглощенные окислы азота. Эти газы направля-
ются во вторую абсорбционную колонну 5, по устройству анало-
гичную колонне 3. Насадка колонны 5 орошается серной кислотой ,
поступающей из дозирующего бачка 6. Взаимодействие окислов
азота с серной кислотой приводит к образованию нитрозилсерной
16—2277
242
Гл. 1/. Аппаратура процессов нитрования
кислоты («нитрозы»), отводимой из колонны 5 в сборник 7. Пасы
щение серной кислоты окислами азота протекает медленно, поэто-
му целесообразно пропускать серную кислоту через абсорбцион-
ную колонну 5 несколько раз. Для этого используется насос 8,
который перекачивает так-
Рис. 12(5. Абсорбер для поглощения окис-
лив азота:
/—абсорбционная колонна; 2—сборник раствора едко-
го натра: <7- центробежный насос.
шенне колонны 1. Циркулирующий
же нитрозилсерную кис-
лоту из сборника 7 (обыч-
но в цех азотной кислоты
или на денитрацию).
Для поглощения не-
больших количеств окис-
лов азота может приме-
няться упрощенная аппа-
ратура (рис. 126). В этом
случае абсорбцию прово-
дят раствором едкого нат-
ра в колонне 1 из керами-
ки или кислотостойкой
стали. При взаимодейст-
вии NaOH с окисла-
ми азота образуется рас-
твор нитрита натрия, ко-
торый используется в
производстве красителей
Свежий раствор едкого
натра поступает в сборник
2, откуда центробежным
насосом 3 подается на оро-
в системе раствор нитрита
натрия но достижении необходимой концентрации перекачивается
тем же насосом 3 в хранилища. Воздух, освобожденный от окис-
лов азота, выводится из колонны в атмосферу.
Аппаратура для денитрации и концентрирования
отработанных кислот
При нитровании ароматических углеводородов получается
большое количество отработанной серной кислоты, загрязненной
примесями нитропродуктов и имеющей более низкую концентра-
цию, чем требуется для приготовления нитрующей смеси. Кроме
того, в отработанной кислоте могут содержаться следы азотной
кислоты и окнелы азота, преимущественно связанные в виде ни-
трозплсерной кислоты.
Для денитрации и концентрирования отработанную кислоту
нагревают до 270—280°. При этом окисляются нитросоединения,
Аппаратура для денитрации и концентрирования
243
содержащиеся в отработанной кислоте, и происходит десорбция
окислов азота. При образовании больших количеств отработанной
кислоты денитрацию и концентрирование ее проводят в аппара-
тах барабанного типа, известных читателю из курса «Общей хи-
мической технологии». В некоторых малотоннажных производст-
вах органических полупродуктов для указанной цели приме-
няются специальные реторты.
I'ik. I27. Схема агрегата для денитрации и концен'
три ровен и я отработанной кислоты:
/—пр ом bi в на я кслпнна; / — скруббер; pt к ртр/, игк«
На рис. 127 представлена схема денитрации и концентрирова-
ния кислоты. Отработанная кислота (70—75% li2£Oa) непре-
рывно подается на орошение скруббера 2, где нагревается
горячими газами и парами, поступающими из реторты <3. Из скруб-
бера кислота стекает в реторту 3 и нагревается там до 270—280°.
При этом происходит скгслсние органических примесей, десорбция
окислов азота и концентрирование кислоты до купоросного масла,
отводимого через холодильник 4 в сборники. Газы и пары, посту-
пающие из скруббера 2 в колонну 1, промываются водой. Неокон -
денсировавшисся промытые газы удаляются в атмосферу, а вода,
содержащая примеси КИСЛОТЫ, исправляется в канализацию кис-
лых стоков и далее па нейтрализацию.
1Р
244 Гл. V. Аппаратура процессов нитрования
лее устойчивы, чем диабазовые.
Рис./128. Реторта
/—корпус реторты, 2-крышка: футе-
ровка (ферросилидовые плитки); -/—шту-
цер для подачи отработанной кислоты;
5—штуцер для отвода паров и газов; 6 —
штуцер для отвода денитроваиной кон-
^центрированной кислоты.
Реторты (рис. 128) выполняются из легированного чугуна с
присадкой никеля и хрома. Крышка аппарата для защиты от кор-
розии изнутри покрыта слоем диабазовой замазки. Наиболее под-
верженный коррозии участок раздела жидкой и газовой фаз футе-
рован ферросилидовыми плитками, уложенными на диабазовой за-
мазке. В условиях данного процесса ферросилидовые плитки 'бо-
Подлежащая концентрированию и
денитрации отработанная кис-
лота непрерывно поступает в
реторту через штуцер 4. Пары
п газы удаляются через шту-
цер 5, денитрованная концен-
трированная кислота вытекает
через штуцер 6. Штуцер 6 за-
щищен от коррозии ферроси-
лидовым патрубком, закреп-
ленным на диабазовой замазке.
Реторта обогревается топочны-
ми газами. Срок службы ретор-
ты в большой степени зависит
от конструкции печи: чем рав-
номернее обогрев, тем длитель-
нее срок службы реторт.
На рис. 129 изображен ап-
парат для нагревания отрабо-
танной (70—80%-ной) кислоты
смесью паров и газов, выхо-
дящих из реторты при тем-
пературе 270 — 280". Аппарат
представляет собой стальную
колонну /, футерованную диабазовой плиткой 2. В нижней
части колонны расположена стальная решетка J, опирающаяся
на колонки 4 из диабазовых плиток. Подвергающиеся наиболь-
шей коррозии отверстия решетки защищены фарфоровыми коль-
цами 5, закрепленными диабазовой замазкой. На решетке 3 на-
ходится слой насадки 7 (кварцевый бой). Холодная отработанная
кислота поступает в колонну через патрубок 9 и равномерно рас-
пределяется по сечению колонны при помощи ферросилидовой
распределительной тарелки»1?. Горячие газы поступают из реторты
в колонну через нижний штуцер 6, охлажденные газы удаляются
сверху через штуцер 10. При охлаждении купоросного масла,
полученного в результате денитрации и концентрирования отра-
ботанной кислоты, выделяется значительное количество шлама,
который забивает трубы холодильников змеевикового типа. По-
этому для охлаждения денитрованной концентрированной кис-
Аппаратура для денитрации и концентрирования J245
лоты применяют холодильник специальной конструкции (рис. 130),
изготовленный из легированного чугуна. Горячая кислота вводит-
ся в аппарат по трубе 5, охлажденная кислота удаляется через
Рис. 130. Холодильник для'депитрован-
пой концентрированной серной ки-
слоты:
Рис. 129. Аспират для нагревания
отработанно ii к 11 с л от ы
/—стал; нау кол< нна; 2.футеровка (диа-
базовые плитки), (/—стальная решетка;
4—колонки из диабазовых плиток; 5—фар-
форовые кольца; 6—штуцер для ввода го-
рячих газов; 7— насадка (кварцевый бон);
8—распределительная тарелка; 4—патру-
бок наполнения; 10—штуцер для удаления
охлажденных газов.
1- корпус; 2- охлаждающий элемент; •-- конус;
4— желоб; Л—труба для вгода горячей кис-
лоты; б—ороситель; 7—труба для подачи
охпаждающей воды; 8- штуцер для отвода
охлажденной кислоты.
штуцер 8. Холодная вода подается в охлаждающий элемент 2
по трубе 7 и уходит из него через верхний штуцер. Кроме, того,
наружные стенки аппарата охлаждаются водой, подаваемой че-
рез ороситель 6 и стекающей по стенкам в желоб 4, откуда вода
отводится в канализацию. Шлам, выпадающий при охлаждении
кислоты, оседает в конусе ,3, откуда периодически удаляется.
Вследствие очень жестких условий эксплуатации аппаратов для
денитрации и концентрирования кислоты, средний срок службы
реторт, скрубберов и холодильников не превышает одного года.
1ЛЛВА VI
АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ ХЛОРИРОВАНИЯ
I ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССАХ ХЛОРИРОВАНИЯ
'Хлорированием называют процесс замещения атома водорода
в органическом соединении атомом хлора, протекаю ций при
непосредственной обработке исходного вещества хлорирующим
агентом.
В промышленности органических полупродуктов и краси-
телей хлорируют незамещенные углеводороды ароматического
ряда и некоторые полупродукты. Хлорирующими агентами в
большинстве случаев служат: газообразный хлор, хлористый
сульфурил, соли хлорноватистой и хлорноватой кислот и неко-
торые другие хлорсодержащие соединения, имеющие второсте-
пенное значение.
Суммарное стехиометрическое уравнение реакции хлориро-
вания, протекающей при участии молекулярного хлора может
быть написано так:
RHr н :1.2 = R 4-хН 31 (VI,! )
х7[ ЛЩ Л36Щ
Однако в большинстве случаев материальные соотношения
в процессе хлорирования более сложны и равенство (VI, 1) от-
ражает их только в общей форме.
Для большинства процессов хлорирования характерно одно
временное взаимодействие с хлорирую цим агентом не только
исходного хлорируемого вещества, но и уже образовавшихся
хлорпронзводных. Вследствие этого наряду с монохлорзамещен-
ными в реакционной массе всегда содержатся ди- и подихлор-
замещенные, т. е. реакционная'масса представляет собой смесь
продуктов различной степени хлорирования.
Не все продукты хлорирования представляют одинаковую
ценность, поэтому процессы хлорирования проводят в условиях,
при которых достигается максимальный выход вещества, для по-
лучения которого ведут данный процесс.
/. Общие понятия о процессах хлорирования
247
Соотношение образующихся моно-, ди- и трихлорпроизводных
может быть установлено на основании законов химической кине-
тики. Кинетика процесса хлорирования достаточно подробно ис-
следована применительно к производству хлорбензола—одного
из важных полупродуктов, вырабатываемого в больших коли-
чествах.
В процессе хлорирования бензола протекают следующие реак-
ции:
С(1Н(, 4- С12 - С6Н6С1 + НС1
СЛН5С1 + CL — СвН4С12 + НС1
Дихлорбензолы являются в данном случае нежелательными
побочными продуктами, образование которых приводит к пере
расходу бензола и хлора. Таким образом, одной из основных
проблем хлорирования бензола является получение возможно
меньших количеств дихлорбензолов. По Буреону, концентра-
цию дихлорбензолов в реакционной массе после хлорирования
можно подсчитать по уравнению:
где у — молярное содержание дихлорбензолов:
х—молярное содержание хлорбензола:
а—молярное содержание бензола в исходной смеси;
/г—константа Буреона (0,118 при 20—30?).
Для чистого бензола величина а равна 1. В случае хлорирова-
ния «обратного» бензола, содержащего некоторое количество
хлорбензола, а будет меньше единицы.
Хлорируя бензол в аппарате периодического действия, Буреон
получил соотношение хлорбензола и полихлоридов в реакцион-
ной массе, равное 22—25. С увеличением потребности в хлорбен-
золе возникла тенденция перехода к непрерывным методам его
производства. Однако при непрерывном процессе содержание
дихлоридов бензола в реакционной массе повысилось, что объ-
ясняется невозможностью удаления хлорбензола из зоны реакции.
Он может быть выведен из реакционной зоны только в аппаратах
идеального вытеснения, в аппаратах других типов хлорбензол
частично остается в зоне реакции, что вызывает уменьшение ве-
личины а и соответственное возрастание величины у [см. урав-
нение (VI, 2)].
Для получения возможно меньших количеств полихлори-
дов бензола при его непрерывном хлорировании Н. Н. Ворожцов
предложил ступенчатый метод хлорирования бензола в несколь-
ких последовательно соединенных секциях. В каждую секпию
поступает бензол и хлор.
248
Г л. VI Аппаратура процессов хлорирования
По А. Н. Плановскому и В. С. Хайлову, концентрацию хлор-
производных при непрерывном процессе хлорирования можно
подсчитать, пользуясь уравнениями:
__Уп-1 (о хп} (хп хп-1) /VI Д)
z" ~ (а — х„) + k (х„ — х„^)
const (VI, 4)
а - хп
где уп и хп—количества полихлоридов и хлорбензола, образую-
щихся в данной ступени при возможно минималь-
ном выходе полихлоридов, % мол.;
у,,-! и х„_/—то же для предыдущей ступени, % мол.
Общее представление 'об аппаратуре для хлорирования.
Проведение промышленных процессов хлорирования связа-
но с рядом вспомогательных процессов и операций, технологи-
ческая последовательность которых может быть представлена
следующей схемой:
I Подготовка хлорирующего агента | I Подготовка хлорируемого сырья
(испарение и дозирование хлора) j | (отстаивание и осушка)
I
Хлорирование
Обработка продуктов хлорирования
(перегонка)
1
Абсорбция ХЛОЩСТОГО ЮДО[ЮД/1 И 1 |
I очистка газов, содержащих хлористый I,
! водород.
Специфичными для процессов хлорирования операциями яв-
ляются подготовка хлорирующих агентов и хлорируемого сырья,
а также абсорбция газов, содержащих хлористый водород. Ап-
паратура для этих вспомогательных операций будет рассмотре-
на в данной главе наряду с аппаратурой для проведения собствен-
но процесса хлорирования. Дальнейшая обработка продуктов
хлорирования связана главным образом с перегонкой и
ректификацией и здесь не описывается, поскольку эти процессы
должны быть знакомы читателю из курса «Основные процессы
и аппараты химической техно.логиИ)Ч.
2. Аппаратура для предварительной обработки исходных веществ 249
2 АППАРАТУРА ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ
Испарители хлора
Наиболее дешевым хлорирующим агентом является 1 азо-
образный хлор, получаемый при электролизе растворов поварен-
ной соли. Однако он может быть непосредственно использован для
хлорирования лишь в тех случаях, когда цехи хлорирования и
электролиза находятся относительно близко друг к другу, т. е.
когда хлор можно транспортировать к месту потребления по трубо-
проводу. Если же в цехе хлорирования расходуется небольшое
количество хлора, которое к тому же значительно меняется во
времени, непосредственная связь цеха электролиза и цеха хлори-
рования нецелесообразна. В этом случае удобнее использовать
сжиженный хлор, транспортируемый к месту потребления в
цистернах, бочках или баллонах.
Процессу хлорирования предшествуют испарение хлора и его
осушка, необходимая даже при весьма незначительном содержа-
нии влаги в газе. Устройство аппаратов для испарения хлора
зависит главным образом от его расхода. Для испарения неболь-
шого количества хлора может быть использован тот же баллон,
в котором находится газ. При этом баллон устанавливают венти-
лем книзу (рис. 131), так чтобы открытый конец сифонной трубки
баллона оказался соединенным с газовым пространством, и вы-
пускают из баллона только газообразный хлор. Необходимо
с '1гд;। п>, чтобы скорость выхода хлора не превышала скорости
его испарения за счет теплообмена с окружающей средой. Этот
способ испарения, не требующий никакой специальной аппарату-
ры, весьма прост и удобен, но область его применения ограни-
чена.
Если в процессе хлорирования потребляются большие, коли-
чества хлора, необходимы специальные аппараты-испарители.
Простейшим испарителем жидкого хлора может служить полый
стальной цилиндр, помещенный в водяную баню, которая обогре-
вается острым водяным паром (рис. 132). (2 цилиндром 2 соеди-
нен хлорный баллон / и при открывании вентиля жидкий хлор,
находящийся в баллоне, передавливается в цилиндр 2, где. проис-
ходит его испарение вследствие передачи тепла от стенок цилинд-
ра, обогреваемых горячей водой. Полученный при испарении
газообразный хлор направляется на осушку или непосредственно
на хлорирование.
Количество израсходованного хлора контролируется из-
мерительными приборами (реометры, ротаметры и т. д.) или пу-
тем взвешивания баллона, из которого отбирается хлор. Для
250
Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
этого хлорные баллоны устанавливают на весы, по показаниям
которых можно достаточно точно определять расход хлора и та-
ким образом контролировать процесс хлорирования.
1’ис. 131. Испа-
рение хлора и:<
баллона.
Рис. 132. Испарение хлора при
помощи водяной бани:
/—баллон; 2—полый стальной ; цилиндр.
В соответствии с правилами техники безопасности хлорные
баллоны и испарители следует устанавливать в вытяжных шкафах
Рис. 133. Испаритель хлора
Для испарения больших количеств жидкого хлора целесо-
образнее применять испарители в виде стальной трубы с паровой
рубашкой (рис. 133). Несколько хлорных баллонов устанавли-
вают на весах в вытяжном шкафу (рис. 134) и соединяют через
коллектор с испарителем, также помещенным в вытяжном шкафу.
Жидкий хлор, выходящий из баллонов, направляется через кол-
Испарители хлора
251
лектор в испаритель, где испаряется за счет тепла греющего
пара, и в газообразном состоянии передается на осушку.
Pm ,! ’Л. Схема установки испарителей хлора и вытяжном шкафу.
2 лор
Рис. 135. Схема испарительной станции:
-водяная баня; С—панель; -I. 7—манометры; 4—водяная баня; 5—змеевик-испаритель .
^—распределительная панель газообразного хлора; Л—предохранительный клапан
Испарительную аппаратуру рекомендуется устанавливать в
изолированном помещении (испарительная станция). На рис. 135
показана схема довольно крупной испарительной станции для
испарения значительных количеств жидкого хлора, поступающего
252 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
одновременно из нескольких баллонов или из бочки, или из
железнодорожной цистерны. Такая испарительная станция
состоит из водяной бани 1, панели 2, к которой подключены трубо-
проводы для подачи жидкого хлора, водяной бани 4 с змеевиком-
испарителем 5 п панели 6 для распределения газообразного
хлора. Распределительная панель снабжена контрольными мано-
метрами 3 и 7 и предохранительным клапаном 8.
Аппаратура для осушки хлора
Осушку газообразного хлора осуществляют путем абсорбции
содержащегося в газе небольшого количества водяных паров.
В качестве абсорбента пользуются преимущественно серной ки-
слотой.
Подлежащий осушке влажный га-
зообразный хлор направляется гиз
испарителя в керамическую абсорб-
ционную колонну 1 (рис. 136),
заполненную насадкой, которая
сверху орошается серной кислотой.
Пройдя через абсорбер, высушен-
ный хлор поступает в брызгоуло-
витель 4, представляющий собой
стальной цилиндр с плоской пере-
городкой, не доходящей до дна.
Здесь хлор освобождается от увле-
ченных им капелек серной кислоты
и далее поступает в цех хлориро-
вания. Серная кислота вытекает из
нижней части колонны / в сборник^*,
откуда вновь перекачивается насо-
сом 3 на орошение абсорбера. Серная
кислота циркулирует в системе ко-
лонна—сборник—насос до тех пор ,
пока концентрация ее не понизится
до установленного предела. Отработанную серную кислоту пе.ре-
качивают из сборника 2, сборник заполняют концентрированной
кислотой из мерника 5.
Осушка в такой установке целесообразна только при относи-
тельно большом количестве газообразного хлора. При небольшом
количестве хлора используют более простые и компактные уста-
новки. Простейшая установка для осушки небольших количеств
газообразного хлора, представленная на рис. 137, состоит всего
из трех аппаратов, аналогичных по устройству мерникам с кони-
ческими днищами.
Рис. 136. Установка для oc.viir-
кп газообразного хлора:
/—абсорбционная колонна; 2—сборник;
центробежный насос; 4 —брызгоуло-
витель; '—мерник концентрированной
серной кислоты.
Аппаратура для осушка хлора
253
Осушаемый хлор проходит через последовательно соединенные
аппараты в направлении, указанном стрелками. Первый и тре-
тий по ходу газа аппараты в процессе осушки пусты, второй—
Рис. 137. Установка для осушки небольших количеств
хлора:
/ буферная емкость: 2—аппарат, заполненный 'серной кислотой;
: -брызгоулонитель.
заполнен серной кислотой, через которую барботирует осушаемый
хлор. Третий аппарат является брызгоуловителем, в котором
улавливаются капельки серной кислоты, увлекаемые газовым по-
током. Первый аппарат служит
буферной емкостью, в которую
может быть собрана серная кис-
лота из второго аппарата, в тех
случаях, когда по каким-либо
причинам в хлораторе создается
давление и серная кислота начи-
нает перемещаться из второго осу-
шительного аппарата в направле-
нии. обратном потоку хлора.
При понижении концентра-
ции серной кислоты в аппарате 2
ее сливают через нижний шту-
цер в специальную емкость и за-
полняют аппарат 2 новой пор-
цией концентрированной кислоты.
Более компактная установка
для осушки хлора показана на
рис. 138. Аппарат для осуш-
ки представляет собой полый
стальной цилиндр /, внутри ко-
торого концентрически вставлю!
! -полый сгллыюй цилиндр: 2 —вториГ^цп-
лнндр з насадкоП; 3—сетчатое днище: 4-
бры'и ')уловнтел|,.
254 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
цилиндр 2 меньшего диаметра и меньшей высоты с сетча-
тым днищем 3. Второй цилиндр снабжен насадкой (стеклян-
ный бой).
В процессе осушки в аппарате находится серная кислота, уровень
которой должен быть несколько выше днища цилиндра /2.
Хлор поступает в аппарат через верхний боковой штуцер и на-
правляется вниз через кольцевое пространство между внешним
и внутренним цилиндрами. В нижней части цилиндра 1 хлор бар-
ботирует через серную кислоту, затем поступает во внутренний
цилиндр 2 и проходит через насадку вверх. Сухой освобожденный
от большей части капелек серной кислоты хлор удаляется из ап-
парата через верхний штуцер. Серная кислота по мере снижения
ее концентрации выводится через нижний штуцер. Для полного
улавливания капелек серной кислоты, увлеченных газообразным
хлором, зааппаратом 1 устанавливают брызгоуловитель 4.
Аппаратура для осушки хлорируемых углеводородов
Перед хлорированием жидкие углеводороды подвергают
. J ри хлорировании боковой цепи влага отр,
1’ис. 139. Осушитель жидкого
сырья с мешалкой.
цательно влияет на ход процесса
не только потому, что способствует
увеличению коррозии металлических
частей аппаратуры , но и вследствие
ее гидролизующего действия. В ре-
зультате гидролиза хлорпроизвод-
ные превращаются в оксипроизвод-
ные, загрязняющие получаемый про-
дукт.
Для обезвоживания жидкого хло-
рируемого сырья применяются сорб-
ционные методы сушки, основанные
на дегидратирующем (водоотнимаю
тем) действии некоторых неоргани-
ческих соединений. Одним из наи-
более распространенных осушителей
является гранулированный или пла-
вленый хлористый кальций, благо-
даря дешевизне и доступности ши-
роко применяемый для осушки жид-
кого хлорируемого сырья. Кроме
хлористого кальция, заслуживают
внимания плавленый едкий натр,
плавленое едкое кали, окись кальция, окись магния и др.
Плавленый едкий натр применяют преимущественно в тех с.лу-
Аппаратура для осушки хлорируемых углеводородов
чаях, когда отработанный осушитель может быть далее ис-
пользован в производстве в качестве химического сырья.
На рис. 139 изображен осушитель периодического действия,
в котором циркуляция обрабатываемой жидкости происходит при
размешивании ее мешалкой. Аппарат представляет собой стальной
цилиндрический котел с коническим днищем, снабженный про-
пеллерной мешалкой. Чтобы жидкость не со-
прикасалась с железом, присутствие которого
при хлорировании боковой цепи не. допускает-
ся, котел изнутри футерован кислотоупорной
плиткой, внутренняя поверхность крышки ос-
винцована. В аппарат загружается хлористый
кальций и обезвоживаемая жидкость, затем
содержимое аппарата перемешивается в тече-
ние I—2 час. После отстаивания обезвожен-
ная жидкость выводится из аппарата через
боковой штуцер, расположенный внизу ци-
линдрической части котла, отработанный
хлористый кальций выгружается из аппарата
через нижний штуцер в конической части.
Расход хлористого кальция на обезвожи-
вание определяется влагосодержанием осу-
шаемой жидкости. Хлористый кальций мо-
жет поглощать влагу в количестве, соот-
ветствующем образованию шестиводного гид-
рата СаС12-6Н.,О (т. е. около 100% от веса
анк). В промышленных условиях чаше всего ори-
1’ис. 110. Осу-
ентируются на поглощение хлористым каль- шитель с тнер-
цием 30—30% влаги, считая па вес. загружен- ’’ым ’«глогитс-
ного в аппарат поглотителя. Осушительный ',ем 1 d
1 ,, ' 1 -крьшисг, J —
аппарат простои конструкции представлен на стальная колонна:
рис. 140. Он предназначен ДЛЯ обезвоживания агент^'^шетка;
жидких веществ кусковым едким натром без 5—днище,
побудительной циркуляции жидкости. Аппа-
рат представляет собой стальную колонну с плоской крыш-
кой /, коническим днищем 5 и решеткой /, на которую загружают
осушающий агент. Процесс высушивания в таком аппарате весьма
несложен. Едкий натр и осушаемую жидкость выдерживают
некоторое время в колонне, затем жидкость сливают .через
нижний штуцер цилиндрической части аппарата, отработанный
едкий натр выводят через нижний штуцер конической части.
Описанный аппарат дешев и прост в эксплуатации, но высушива-
ние происходит в нем медленно.
На рис. 141 показана установка с насосом для циркуляции
осушаемой жидкости. Колонна 2. заполненная хлористым, каль-
25(i Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
На хлорирована»
Рис. 141. Установка для осуш-
ки с циркуляционным насосом:
1 -насос; '2—колонна, заполненная хло-
ри< т1>1м кальцием: -7—отстойник: 4
контрольный бачок.
цием, сообщается с отстойником <У, который в свою очередь через
насос 1 сообщается с колонной. Процесс осушки происходит
при непрерывной циркуляции жидкости через колонну и отстой-
ник, осуществляемой при помощи насоса, причем в отстойнике
непрерывно осаждаются увлекаемые жидкостью мелкие частицы
хлористого кальция. Примерно 5—10-кратная циркуляция жид-
кости через колонну приводит практически к исчерпывающему
обезвоживанию. По окончании
осушки краны перекрывают и
всю жидкость направляют в от-
стойник 3, где она окончательно
отстаивается от взвешенных ча-
стиц хлористого кальция, а за-
тем перекачивается на хлорирова-
ние. Осевшие в отстойнике мел-
кие частицы хлористого кальция
взбалтывают с водой и взвесь
сливают из аппарата через конт-
рольный бачок 4.
Жидкое сырье, подлежащее
хлорированию в ядро, также
подвергается тщательной осуш-
ке, так как влага вызывает кор-
розию оборудования и отрицатель-
но влияет на катализатор процесса
(железо). Осушка может произ-
водиться в аппаратуре одного из
описанных видов. На рис. 1412
приведена схема осушки бензола,
применяемого в производстве
хлорбензола. Сырой бензол, после
частичного отстаивания на складе, подается в цеховое хранили-
ще 1, откуда перекачивается .'центробежным насосом 2 через по-
догреватель 3 в напорный бачок 5. Отсюда через клапан 6, регу-
лирующий расход жидкости в зависимости от температуры паров
наверху колонны 7, сырой бензол подается на орошение этой
колонны, снабженной кипятильником 8. Из колонны отгоня-
ется азеотропная смесь бензола и воды, вместе с некоторым из-
бытком паров бензола эта смесь поступает в конденсатор-холо-
дильник К). Конденсат стекает в отстойник 9 непрерывного
действия, отсюда сырой бензол возвращается в хранилище 1,
вода удаляется в канализацию.
Осушенный бензол стекает из кипятильника 8 через подогре-
ватель 3 в контрольный осушитель 4, заполненный хлористым
кальцием, ('.одержание влаги в бензоле после осушки снижается
Аппаратура для осушив хлорируемых углеводородов 257
'о 0,005 - 0,01"«. Сухой бензол направляется на хлорирование,
раствор хлористого кальция сливается в канализацию. Агрегат
для осушки бензола оборудован приборами дистанционного конт-
роля и автоматическими регуляторами—регулятором температуры
Рис. I Г_'. Схема агрегата для осушки бензола:
/- хранилище сырого бензола; ^—центробежный насос; «'/—подогреватель; /—контрольный осу-
шитель', 5—напорный бачок', 6 —клапан , ре гулф ующьй расход сырого бензола; 7 —ректифика-
ционная колонна; Я—кипятильник; 9—отстойник*, Ю —конденсатор-холодилтик .
в кипятильнике й, клапаном 6, регулирующим расход сырого бен-
зола на орошение ректификационной колонны 7, регулятором рас-
хода воды на конденсацию и охлаждение азеотропной смеси в
холодильнике 10.
Описанная схема применяется в производствах большой мощ-
ности при необходимости очень высокой степени осушки жидкого
хлорируемого сырья.
17 2277
258 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
3. ХЛОРАТОРЫ
Хлораторами называются аппараты, предназначенные для
проведения процессов хлорирования. Конструкции этих аппара-
тов, определяемые условиями проводимых процессов, целесообраз-
но в соответствии с методами хлорирования разделить на следую-
щие группы:
1) аппараты для хлорирования ядра жидких ароматических
соединений;
2) аппараты для хлорирования боковой цепи ароматических
соединений;
3) аппараты для хлорирования твердых ароматических соеди
нений в среде инертных растворителей или разбавителей.
Хлораторы для хлорирования ядра жидких ароматических
соединений
Хлорирование ядра ароматических соединений в жидкой
фазе осуществляется без доступа света в присутствии катализа-
тора—хлорного железа, образующегося в ходе реакции из
железной ленты или железных колец, предварительно загружен-
ных в хлоратор.
Хлорирование ароматических соединений может проводиться
периодическими или непрерывными методами.
Периодический процесс хлорирования бензола применялся в
промышленности в то время, когда масштабы производства хлор-
бензола еще не были столь велики, как сейчас. Хлораторы для
периодического хлорирования бензола представляли собой верти-
кальные стальные или чугунные цилиндрические аппараты, снаб-
женные для отвода реакционного тепла рубашками или трубами,
размещенными внутри хлоратора; в качестве хладоагента при-
менялась вода. Катализатор (железные ленты) располагали на
полках внутри аппарата. Хлор поступал в нижнюю часть аппара-
та по барботеру или через штуцер. В верхней части аппарата на-
ходился брызгоотделитель для улавливания капель жидкости
из отходящих газов (смесь хлористого водорода с небольшими
количествами углекислого газа, азота, непрореагировавшего
хлора).
В связи с значительным увеличением объема производства
хлорбензола возникла необходимость создания более производи-
тельных хлораторов. Такими аппаратами являются хлораторы
непрерывного действия. В настоящее время для хлорирования
бензола почти повсеместно применяют непрерывнодействующие
хлораторы.
3. Хлораторы
259
Применяемый в промышленности хлоратор непрерывного дей-
143. Он представляет собой стальнукгколон-
ствня показан на рис.
ну с расширенной верхней
частью. Изнутри аппарат’фу-
терован диабазовой плиткой,
в нижней его части располо-
жена чугунная решетка 5, на
которой находится насадка 3
(смесь керамических и сталь-
ных колец размером 25x25
или 50x50 мм). Стальные
кольца служат источни-
ком образования хлорного
железа, являющегося ката-
лизатором процесса хлори-
рования. Под решеткой раз-
мещены штуцеры для ввода
хлора и бензола и шту-
цер 6 для чистки аппа-
рата при ремонте и осмотре.
В описанном аппарате
хлорирование происходит в
потоке жидкости и газа,
поднимающихся по колонне
2 снизу вверх. Проходя че-
рез насадку 3, хлор и бензол
хорошо перемешиваются, од-
нако благодаря высокой ско-
рости материальных потоков
перемешивание в продоль-
ном направлении сводится
к минимуму. Следовательно,
хлораторы такого типа при-
ближаются к аппаратам иде-
ального вытеснения.
Тепло реакции отводится
за счет кипения реакцион-
ной массы и частичного ис-
парения ее. Хлорированная
жидкость выходит из аппа-
рата через боковой штуцер,
расположенный в его верхней
части. Парогазовая смесь,
пары хлорбензола, бензола,
ся через штуцер в крышке
17*
Парогазовая смесь
1
Рис. Ы.З. Хлоратор непрерывного дей-
ствия в производстве хлорбензола:
/— верхняя расширенная часть хлоратора: 2—сталь-
ная колонна; .7—насадка (смесь ксрамнчсских’и
стальных колец); /—гильза для термометра; д—
чугунная решетка; 4—штуцер для чистки аппара-
тов; 7—люк для выгру.'-кн колец; fi—люк для за
грузки колец.
содержащая хлористый водород,
воды и другие примеси, удаляет-
Непрореагировавший бен-
хлоратора.
260 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
зол выделяют из отходящих газов и возвращают в цикл.
В условиях промышленного процесса, проводимого в описан-
ных аппаратах, достигается соотношение количества хлорбензола
к количеству полихлоридов, равное 25—30 1, что не уступает соот-
ветствующим показателям периодического метода хлорирования.
Хлораторы для хлорирования боковой цепи ароматических
соединений
Условия хлорирования боковой цепи ароматических соедине-
ний отличаются от условий хлорирования в ядро тем, что процесс
хлорирования боковой цепи проводится при полном отсутствии
НС1
Рис. 144. Хлоратор перио-
дического действия для хло-
рирования боковой цепи
ароматических углеводоро-
дов.
Рис. 145. Хлоратор непрерывного
действия для хлорирования боко-
вой цепи ароматических углево-
дородов:
/—напорный бачок; 2—дозирующий бачок;
1/—колонный хлоратор; 4— обратный холо-
дильник.
железа, являющегося источником образования хлоридов железа —
катализаторов процесса хлорирования ядра.
Процесс протекает при кипении реакционной массы, поэтому
выделяющееся тепло может быть отведено за счет испарения
3. Хлораторы -61
хлорируемой жидкости и передано хладоагенту не в хлораторе, а
в обратном холодильнике. Материалом для изготовления рас-
сматриваемых хлораторов может служить гомогенно освинцован-
ная сталь (свинец не является катализатором хлорирования ядра),
эмалированный чугун и ряд кислотостойких неметаллических
материалов.
Хлоратор периодического действия
для хлорирования боковой цепи показан на рис. 144. Этот аппарат
представляет собой стальной сварной котел, гомогенно освинцо-
ванный изнутри. Хлоратор снабжен стальной сварной рубашкой,
кольцеобразным барботером (хлор поступает в него по вертикаль-
ной трубе, выведенной через крышку аппарата), трубой для
передавливания и патрубком для загрузки хлорируемой жид-
кости.
Хлоратор непрерывного действия. Непре-
рывное хлорирование боковой цепи ароматических соединений,
как и непрерывное хлорирование ядра, является исключи-
тельно интересным процессом. Хлоратором в данном процессе
может служить колонна, изготовленная из соответствующего ма-
териала (освинцованная сталь, керамика и т. д.) и заполненная
насадкой.
Процесс хлорирования в хлораторе коленного типа (рис. 145)
протекает следующим образом. Хлорируемая жидкость про-
ходит из напорного бачка 1 через обогреваемый дозирующий бачок
2 и, нагретая, поступает в хлоратор 3. В хлораторе она стекает
по насадке вниз противотоком газообразному хлору, вводимому
в нижнюю часть колонны.
Из нижней части колет ы удаляется хлорированная жид-
кость, из верхней—хлористый водород и пары хлорируемой жид-
кости, поступающие в обратный холодильник 4. Здесь из паро-
газовой смеси конденсируются пары жидкости, конденсат стекает
обратно в колонну.
Хлористый водород, освобожденный от паров хлорируемой
жидкости, направляется из верхней части обратного холодильника
на абсорбцию.
Хлораторы для хлорирования твердых веществ
в среде инертных растворителей или разбавителей
Рассматриваемая в этом разделе аппаратура предназначена
для хлорирования полупродуктов и красителей. Процессы хлори-
рования этих веществ проводятся, как правило, с применением
растворителей или разбавителей, из которых чаще всего исполь-
зуют серную кислоту, хлорбензол, полихлориды и т. д.
262 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
Хлорирование происходит в большинстве случаев без ката-
лизаторов при ^температурах
1‘|ы. I '(j. Хлоратор для хлорирова-
ли твердых веществ переде раство-
рителей или разбавителей:
/—чугунный ’ хлоратор! 2—рубашка; г—про-
пеллерная . меглалка; Т—барботер для ввода
\лира
порядка 50—150°, не требует
охлаждения и удовлетворитель-
но протекает при применении
пара низкого давления в каче-
стве теплоносителя.
В общем условия рассмат-
риваемых процессов аналогичны
условиям хлорирования боко
вой цепи жидких ароматиче-
ских углеводородов, отличие
заключается лишь в более вяз-
кой консистенции реакционной
массы.
Температура этой реакции не
должна превышать точки ки-
пения применяемых раство-
рителей. В качестве материа-
лов для изготовления аппара-
туры могут быть использованы
чугун и сталь.
На рис. 146 показан хлора-
тор для хлорирования твердых
веществ, например индантрона
(кубового синего О), в произ-
водстве красителя кубового го-
лубого к.
Чугунный хлоратор 1 снаб-
жен стальной рубашкой 2
для нагревания и охлажде-
ния. пропеллерной мешалкой 3,
барботером 4 для ввода хлора
и трубой для передавливания
(на рисунке не показана).
Хлорирование проводят в
среде 92%-ной серной кислоты.
Необходимость применения
пропеллерной мешалки обусло-
массы и присутствием в ней
влена вязкостью реакционной
суспендированных частиц.
Стенки аппарата для защиты от коррозии покрывают асбо-
винилом (смесь молотого асбеста и лака этиноль).
Вали барботер обмазывают диабазовой замазкой и обматы-
вают стеклотканью.
7. Теплиной баланс с «ораторов
2W
4. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ХЛОРАТОРОВ
Общее уравнение теплового баланса. Тепловой баланс аппара-
та, предназначенного для хлорирования, можно представить
следующим равенством:
Qi + Qi + Qs = Q« + Q& + Q« + Q? (VI,
где Q,—тепло, поступающее в аппарат с хлорируемым сырьем,
ккал;
Q2—тепло, поступающее в аппарат с хлором, ккал;
Q3—тепловой эффект процесса хлорирования, ккал;
Q4—тепло, отводимое из аппарата хлорированной жид-
костью, ккал;
—тепло, отводимое из аппарата отходящими газами,
ккал;
—тепло, отводимое охлаждающим агентом, ккал;
Q7—тепло, теряемое в окружающую среду, ккал.
Поскольку методы вычисления всех величин, входящих в
уравнение (VI, 5), за исключением Q3, хорошо известны и описаны
в технической литературе, остановимся лишь на методе вычисле-
ния теплового эффекта процесса хлорирования.
Тепловой эффект процесса хлорирования складывается из
тепла реакции Qp, тепла растворения хлористого водорода в воде
Q,. и теплоты испарения хлорируемого сырья Q„(ll. (эта величина
отрицательна):
=Qf, ' Qr -'Лк,.. 'VI,6»
Тепло реакции хлорирования вычисляется обычным мето-
дом по закону Гесса:
=::т <Л. — Ч< + «</нш — (V1,7)
где <7р—тепло реакции, ккал/г-мол исходного продукта;
г/п—теплота образования продукта хлорирования
ккал/г-мол;
qc—тепло образования хлорируемою сырья, ккал/г-мол;
7нс’|—тепло образования хлористого водорода (22 ккал/г-мол);
c/ci2—тепло образования молекулярного хлора
(О ккал/г-мол);
п—число атомов водорода, замещенных при хлорировании
атомами хлора.
Подставляя в равенство (VI, 7) числовые значения теплот обра-
зования перечисленных веществ, получим окончательный вид
264 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
формулы для определения тепла реакции хлорирования:
qv = q„ - qc -г 22п'ккал/г-мил (VI, Si
Определив по данной формуле тепло реакций «монохлорирова-
ния» qpl, «дихлорирования» <7р2 и «трихлорирования» с/р3, найдем
суммарное количество тепла, выделяющегося при протекании реак-
ции (в ккал)\
Qv - Н)00 qVi (!\й^ (\ 1,9)
где Сц, G.z, G3- количество моно-, ди- и трихлорпроизводных, кг:
Mv /И,. М3—молекулярные веса хлорпроизводных.
Количество тепла, выделяющегося при растворении хлористого
водорода в воде (в ккал,кг НС1), может быть вычислено по эмпири-
ческой формуле:
q{. 477,5m — 157/»-’ (VI, 1(1)
где tn—количество хлористого водорода, растворяющееся в I кг
воды, кг.
Растворимость хлористого водорода в воде зависит от тем-
пературы и парциального давления хлористого водорода. Эта
зависимость достаточно точно выражается эмпирическим уравне-
нием
/и = (0,304 — 0,0016/Ip0'10 ,'Vl, Hi
где I—температура растворения, (2;
//-- парциальное давление хлористого водорода в газовой
смеси, мм рт. ст.
Пользуясь уравнением (VI, 11). легко подсчитать раствори-
мость хлористого водорода в воде при заданных t и р и затем найти
теплоту растворения qr. Общее количество тепла (в ккал), выделяю-
щееся при поглощении водой хлористого водорода, выразится
следующим уравнением:
Q,. = G1(cK0,01/p (VI, 12)
где GK - вес образующейся соляной кислоты, кг:
<к—концентрация соляной кислоты, %.
Теплота испарения хлорируемого сырья Q„cii.(b ккал) может
быть вычислена обычным методом:
Qhcb. = G^.r (VI, 13)
где 6ИСП,—вес испаряющегося сырья, кг:
г—теплота испарения, ккал/кг.
5. Абсорбция хлористого водорода_ ______
5. АБСОРБЦИЯ ХЛОРИСТОГО ВОДОРОДА
Хлористый водород, выделяющийся при хлорировании, на-
правляют на абсорбцию, которая в разных случаях проводится
для различных целей.
Выбор метода абсорбции определяется почти исключительно
мощностью агрегата для хлорирования. При большой мощности
такого агрегата и, следовательно, при выделении больших коли-
честв хлористого водорода необходимость абсорбции обусловлена
экономическими соображениями. В этом случае целью абсорбции
является исчерпывающее поглощение хлористого водорода и
получение соляной кислоты.
Если мощность хлорирующего агрегата невелика и количество
соляной кислоты, которое может быть получено в результате
абсорбции, незначительно, поглощение хлористого водорода
необходимо для создания безопасных условий процесса. При
этом целью абсорбции является обезвреживание газов, выводи-
мых в атмосферу. Рассмотрим сначала методы абсорбции боль-
ших количеств хлористоводородного газа.
Е5ыделение хлорируемого сырья из хлористоводородного газа
Газ. выходящий из агрегатов для хлорирования, содержит,
кроме хлористого водорода, инертные газы, незначительное коли-
чество непрореагировавшего хлора, а также некоторое количество
исходного хлорируемого сырья и продуктов хлорирования в виде
паров.
При поглощении больших количеств хлористоводородного
газа общее содержание в нем непрореагировавшего хлорируе-
мого сырья весьма значительно. В этом случае процессу абсорб-
ции должно предшествовать выделение паров хлорируемого сырья
из отходящей парогазовой смеси. Эта операция может быть осу-
ществлена конденсационными или сорбционными методами.
Конденсационные методы основаны на охлаждении хлористо-
водородного газа, приводящем к сжижению содержащихся в нем
паров хлорируемого сырья. Сущность сорбционных методов сво-
дится к поглощению паров хлорируемого сырья растворяющими
их жидкостями. Следует отметить, преимущество конденсационного
метода выделения перед сорбционным, заключающееся в том,
что жидкое хлорируемое сырье, выделенное путем конденсации
из хлористоводородных газов, почти без всякой обработки
может быть использовано для повторного хлорирования. В случае
применения сорбционных методов необходимо предусматривать
выделение хлорируемого сырья из поглощающих жидкостей по-
средством дистилляции.
266 Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
Конденсационные методы выделения связаны
с» охлаждением отходящих газов. Для охлаждения применяю!
холодильники типа «труба в трубе» или оросительные холодиль-
ники (см. рис. 154, стр. 272). При использовании стальных холодиль-
ников типа «труба в трубе» в производстве хлорбензола приме-
няют в качестве хладоагента охлажденный хлорбензол, а не воду
Это дает возможность в случае нарушений плотности труб предот-
вратить процесс коррозии аппарата.
Однако целесообразнее выполнять холодильники из антикор-
розионных материалов. На рис. 147 показан холодильник пакет -
!*нс. ’17я Графитовый холодильник пакетного типа,
ного гн па, выполненный из плит, изготовленных путем прессова
ния графитового порошка, пропитанного феноло-формальдегид
ной смолой.
Схема движения материальных потоков в пакетном холодиль
нике аналогична схеме движения потоков в холодильнике типа
«труба в трубе».
Трубы оросительных холодильников (рис. 148) выполняются
из теплопроводного кислотостойкого материала АТМ-1 (стр. 89).
Трубы холодильника соединены между собой фаолитовыми ко
ленами. Места соединений уплотняются кислотоупорной замазкой.
Для охлаждения отходящих газов, как правило, последова-
тельно устанавливают два холодильника. Между ними помещают
сепаратор, в котором сконденсировавшееся жидкое сырье отде-
ляется от газа.
выделение хлорируемой) сырья
Jt-ii
|>И'-'. I 1‘< Х(».Ч ЛДИ.ЧЬЧП'.С II ! "Ы1 ‘ЫТОВЫХ
С. гр б ц и о н н ы е метод ы. По этим методам пары хлори-
руемого жидкого сырья поглощаются из отходящих газов рас-
творителями. Так, для извлечения бензола из отходящих газов
используют хлорбензол
Схема оформления такого-
Отходящие газы, содержа-
щие пары бензола, поступа-
ют в нижнюю часть абсор-
бера /, заполненного насад-
кой из колец, которая оро-
шается хлорбензолом. Пред-
варительно хлорбензол
охлаждается в рассольном
холодильнике <?. куда он
подается центробежным на-
сосом 4.
Хлорбензол, содержащий
поглощенный из газов бен-
.агрегата представлена на рис. 119
Рис. 149. Агрегат для сирбцноннои очи-
стки отходящих газов;
/-абсорбер: 2—гидравлический затвор, J-—рас-
сольный холодильник: /—центробежный насос.
зол, удаляется из абсорбера
через гидравлический за-
твор 2 и далее направляется
на дистилляцию.
368
Гл. VI Аппаратура процессов хлорирования
Аппаратура для абсорбции хлористого водорода
Bonn Ннертнгнг
?нс. 1й0. Установка для по-
глощения .хлористого водорода,
содержащего небольшие коли -
чества хлора:
• брызгоуловитель; 2—аб« । loop.
случаях, когда на поглощение
содержащий значительное
Аппаратурное оформление процесса абсорбции хлористого
водорода в значительной мере определяется масштабами произ-
водства.
Поглощение небольших количеств хлористого водорода , за-
частую значительно разбавленного воздухом, успешно проводится
в абсорберах колонного типа с сильно развитой поверхностью
фазового контакта. На рис. 150 схематически представлена уста-
новка для поглощения небольших количеств хлористого водорода,
содержащего десятые доли процента непрореагировавшего хлора.
Хлористый водород поступает
непосредственно из абсорбера
или из обратного холодильни-
ка, обслуживающего абсорбер, в
брызгоуловитель 1 (стальной фу-
терованный сосуд, снабженный
перегородкой), освобождается там
от капель увлеченного газом
хлорируемого сырья и направ-
ляется в абсорбер 2. Этот аппарат
представляет собой стальную фу-
терованную колонну, заполнен-
ную керамической насадкой. Про-
ходя колонну снизу вверх, хло-
ристоводородный газ соприкасает-
ся с водой, орошающей насадку
и движущейся в аппарате проти-
вотоком газу. Из нижней части
абсорбера вытекает разбавпен на я
соляная кислота, направляемая
в сборники, из верхней части
абсорбера удаляются инертные
газы, освобожденные от .хлорис-
того водорода.
Применение описанной уста -
новки не рекомендуется в тех
поступает хлористоводородный газ ,
количество непрореагировавшего
хлора или других токсичных газов, например SO2. В этих случаях
лучше проводить ступенчатое поглощение газов в абсорберах
колонного типа, изображенных на рис. 151.
Подлежащая очистке газовая смесь поступает в абсорбер 1
(стальная футерованная колонна с насадкой, описанная выше)..
В этом аппарате поглощается водой хлористый водород и незначи-
AiiiiapuTi/pu абсорбции хлористого иоборода
тельные количества других газообразных примесей. Отсюда га-
зовая смесь направляется во второй абсорбер 2, аналогичный по
устройству первому абсорберу. Здесь происходит исчерпывающее
поглощение токсичных газов (С1.2, SO2) щелочным раствором, по-
даваемым на орошение абсорбера 2 центробежным насосом 4.
Поглощающий щелочной раствор вытекает из нижней части аб-
сорбера 2 в сборник 3 и вновь подается на орошение. Таким образом,
щелочной абсорбент замкнуто циркулирует в системе до тех пор.
пока полностью не используется его сорбционная способность,
после чего раствор выводят из системы и сборник заполняют све-
жим раствором абсорбента.
Рис. 151. Установка для поглощения хлористоводород-
ного газа, содержащего большие количества .хлора-,
/—первый абсорбер; 2—второй абсорбер; о -сборник; 4 —центробеж-
ный насос.
В производствах большой мощности хлористый водород по-
глощают в абсорберах непрерывного действия, работающих по
методу Гаспаряна, описанному в курсе «Основные процессы и
аппараты химической технологии».
Интересный метод абсорбции хлористого водорода с одновре-
менным выделением бензола из отходящих газов предложили
М. И. Герчановский, В. Д. Симонов и Г. Н. Нагимов. По этому
методу используется абсорбционная установка системы Гаспаря-
на (рис. 152). состоящая из двух абсорберов / и 2, отстойника 3
для отделения бензола от соляной кислоты, сборника 4, центро-
270
Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
бежного насоса 5 и холодильника 6. Отходящие газы'поступают
в нижнюю часть абсорбера 1, орошаемого водой. Благодаря вы-
делению тепла абсорбции хлористого водорода в нижней части
абсорбера поддерживается температура около 80'. Сниз} из абсор-
бера вытекает 31 %-ная соляная кислота. отводимая через гидрав-
лический затвор в хранилище.
Рис. 132, Ail L ICIT для Ибсорбцни хлсрпстогя
годсрода из отходящих г-пов с ощопремен -
иым видел спи см содерж.-ццег< ся и них бензол г.
/, 2—.-i6copC<ры; >-отсто11И1’к: 4- сборник . — цс-нтрс-
бежный vacac, > — .
Пары бензола вместе с водяным паром поступают из абсорбера
/ в абсорбер 2. орошаемый рассолом. Рассол, содержащий по-
глощенный бензол, стекает в отстойник <3, где благодаря различию
удельных весов происходит расслаивание жидкости. Из нижней
части отстойника рассол перетекает в сборник 4, откуда центро-
бежным насосом 5 подается через холодильник 6 на орошение
абсорбера 2. Бензол отводится из верхней части отстойника в
сборник сырого бензола, откуда направляется на осушку.
Необходимым условием удовлетворительной работы абсорб-
ционной установки по методу Гаспаряна является стабильность
состава и количества отходящих газов. В производстве органи-
ческих полупродуктов такие условия часто не могут быть созданы.
Аппаратура для абсорбции хлористого водорода
271
например, при извлечении хлористого водорода из газов, отходя-
щих из нескольких периодически действующих аппаратов. В этом
случае для получения соляной кислоты используют агрегат, пред-
ставленный на рис. 153. Отходящие газы, содержащие хлористый
водород, подаются гуммированным вентилятором 4 в нижнюю
часть абсорбера 5, представляющего собой стальную колонну,
футерованную в два слоя диабазовой плиткой по подслою из
полиизобутилена. Абсорбер заполнен керамическими кольцами,
загружаемыми на керамическую решетку, которая установлена
на столбиках из диабазовых плиток.
Рис. 153. Установка для абсорбции хлористого водорода из отходящих
газов в производстве, работающем по периодической схеме:
1~оросительный холодильник; 2—центробежный насос; сборник соляной кислоты;
/—гуммированный вентилятор; .—первый абсорбер: нторай абсорбер .
На орошение абсорбера 5 подается центробежным насосом 2
раствор соляной кислоты из сборника ,3. Циркулирующий в систе-
ме раствор для охлаждения пропускается через оросительный
холодильник 1.
Чтобы предотвратить проникание следов хлористого во-
дорода в атмосферу, отходящие из первого абсорбера газы допол-
нительно промываются чистой водой во втором абсорбере 6.
272
Гл. VI. Аппаратура процессов хлорирования
Установленный в описанной системе оросительный холодиль-
ник показан на рис. 154. Холодильник выполнен из ферросилидо-
вых труб 2, закрепленных на каркасе 5. Трубы соединены между
собой ферросилидовыми калачами 3 посредством накидных флан-
цев 4. Орошающая вода подается при помощи оросительного
устройства 1 и отводится в канализацию из поддона 6.
Рис. 154. Оросительный холодильник ич ферросилидоиых
труб:
/ оросительное устройство; 2—ферросилидовые трубы; 3—калачи;
/-накидные фланцы; 5—каркас; 6—похдон.
Следует отметить, что при значительном развитии производств
хлорорганических продуктов возникает проблема использования
отходного хлористого водорода. Соляная кислота, получаемая опи-
санными выше способами, как правило, содержит примеси хлориру-
емого сырья и продуктов хлорирования, что сильно затрудняет < ?
промышленное использование. Перспективным в данном отношении
является метод окислительного хлорирования отходным хлористым
водородом. В этом случае почти весь вводимый в процесс хлор расхо-
дуется на образование хлорпроизводных. В промышленности органи-
ческих полупродуктов осуществлен процесс окислительного хлори-
рования бензола.
ГЛАВА VII
АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
НИТРОСОЕДИНЕНИЙ
I ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССАХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
НИТРОСОЕДИНЕНИИ
В данной главе рассматривается аппаратура процессов восста
новления нитросоеднпении" в амины.
Основными исходными веществами, подвергаемыми восстано-
влению в промышленности органических полупродуктов, являются:
нитробензол, нитротолуол, иитронафталин и т. д.
В качестве восстановительных агентов в техг шке используют
преимущественно чугунную стружку (железо), цинковую пыль
(цинк), сернистые щелочи (сернистый натрий, гидросульфид и по-
лисульфиды натрия) , молекулярный водррод и ряд других ве-
ществ, имеющих второстепенное значение.
Применительно к перечисленным восстанови тельным агентам
разработаны соответствующие методы восстановления.
Восстановление нитросое; динений чугунной стружкой осущест-
вляется в присутствии водных растворов электролитов (FeCl,,^
\Т1,С1 и др.).
Восстановление цинковой пылью обычно проводится в щелоч-
ной среде.
При восста।[оплели и образуются азокси-, азо- и гпдразосоедпнспля. Обыч-
но этот процесс проводят до образования проймущестноано гпдразосоеднненни,
которые в кислой среде изомеризуются в диамины ряда бифенила, являющиеся
ценными полупродуктами для производства а зокрасителен"
Процессы восстзлов юння иитросчю'щнеи! iii цинком в щечочпоп среде ю.
промышленности используются для получения бензидина, днанизпдипа. толи-
дина и т, д.
Восстановление, сернистыми щелочами протекает в присутствии
сернистого натрия, п.дросульфпда и полисульфидов натрия; вос-
становление нитросоединении молекулярным водородом прово-
дится в присутствии катализаторов.
Аппаратура для проведения процессов восстановления но
последнему методу рассматривается в г,'завах XI и XII.
18—2.277
274 Гл. VII. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
Аппаратура процессов восстановления нитросоединений. Про-
ведение этих процессов в технике сопровождается рядом вспомо-
гательных процессов и операций, связанных с предварительной
обработкой сырья и последующей обработкой полученных продук-
тов.
Органические вещества, принимающие участие в процессе
восстановления, как правило, не подвергают предварительной
обработке и используют в том же виде, в каком они получены при
нитровании (если не считать предварительного расплавления,
которое иногда применяется для облегчения транспортировки и
отмеривания).
Минеральное сырье, участвующее в процессах восстановления,
в большинстве случаев подвергается предварительной обработке.
Так, чугунную стружку измельчают и просевают, щелочи раство-
ряют в воде.
Дальнейшая обработка аминов, образующихся в результате
восстановления, сводится к отстаиванию, нейтрализации, филь-
трованию, извлечению аминов из полученных водных растворов
в ряде случаев с их последующей перегонкой или дистилляцией.
Из перечисленных вспомогательных операций для процессов
восстановления специфичны лишь растворение щелочей и дальней-
шая обработка растворов аминосоединений. Аппаратура для
проведения этих процессов наряду с аппаратурой, применяемой
собственно для процесса восстановления, описывается в данной
главе.
2. АППАРАТУРА ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ
Аппаратура для растворения щелочей
Растворы щелочей, используемые в процессах восстановления,
должны иметь концентрацию, строго соответствующую рецептуре,
и не содержать заметных количеств минеральных солей, которые
являются обычными примесями технических щелочей. В большин-
стве случаев для проведения процессов восстановления требуется
раствор едкого натра с минимальным содержанием минеральных
солей. Если этому последнему требованию не удовлетворяют рас-
творы едкого натра товарных сортов, то для приготовления щелоч-
ного раствора используют твердый едкий натр.
Растворение едкого натра производится в специальных аппа-
ратах-растворителях.
На рис. 155 показан такой аппарат для растворения твердого
едкого натра. Он представляет собой стальной цилиндрический
2. Аппаратура для предварительной обработки 27^
котел со сферическим днищем и плоской крышкой, имеющей за-
грузочный люк. Аппарат снабжен ложным днищем 1, ограждением.
2 вала мешалки и паровым барботером 3.
Растворение едкого нат-
ра в описанном аппарате
проводится следующим об-
разом. В котел через люк
загружают на ложное дни-
ще едкий натр, затем нали-
вают рассчитанное количе-
ство воды, включают ме
шалку и размешивают со-
держимое котла до полного
растворения едкого натра.
Далее раствор отстаивает-
ся от примесей и сливает-
ся из аппарата через шту-
цер 4. Осевший на дне ап-
парата шлам размешива-
ют с водой и удаляют из
аппарата через штуцер 5.
Аппарат для растворе-
ния NaOH, снабженный
центробежным циркуля-
ционным насосом (рис.
156), в отличие от описан-
ного выше аппарата не имегт
пропеллерной мешалки.
Рис. 155. Аппарат для растворения твердо-
го едкого натра с пропеллерной мешалкой:
—ложное днище: 2—ограждение ткала мешалки; j—
napoeoii барботер; '/—штуцер для слива раствора-,
.'—штуцер для удаленно шлама.
Процесс растворения едкого
водится так же. как в аппарате
Рис. 156. Аппарат с центробежным
насосом для растворения твердого ед-
кого натра:
/—котел; 2-—насос; 3, 4—краны.
натра в аппарате с насосом произ-
с мешалкой. В котел / загружают
кусковой едкий натр и воду и
включают центробежный насос .2
при открытом кране 3 (кран 4
при этом должен быть закрыт).
Жидкость циркулирует до пол-
ного растворения NaOH, после
чего закрывают кран 3 и, открыв
крап 4. перекачивают раствор
едкого натра в сборники.
Побуждение циркуляции
жидкости при помощи центро-
бежного насоса особенно целесо-
образно в тех случаях, когда
приходится перекачивать полу-
чаемый раствор и, следовательно.
18*
276 Гл. VII. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
когда установка насоса необходима вне зависимости от выбран-
ного типа растворителя.
Растворение твердых веществ происходит тем быстрее, чем вы-
ше температура жидкости. Кроме того, при повышенной темпе-
ратуре получаются более концентрированные растворы. Поэто-
му аппараты для растворения снабжаются устройствами для обо-
грева, в большинстве случаев паровыми барботерами. Иногда
их заменяют змеевиками, так как нагревание острым паром вы-
зывает разбавление получаемого раствора и, следовательно, при-
водит к образованию растворов менее высокой концент-
рации.
Во всех описанных выше аппаратах едкий натр можно
растворят!, также без предварительного дробления его и раз-
бивки тары (барабанов). В этом случае барабаны с твердым
едким натром (без крышки) устанавливают на ложное дншце рас-
творителя, заполняемого далее горячей водой. Затем на 2,5-—3
часа включают мешалку или циркуляционный насос, после чего
готовый раствор едкого натра может быть направлен из раство-
рителя на дальнейшее использование. Выплавление едкого
натра непосредственно из барабанов, без предварительного.
дробления, возможно также в
Рис. 137. Циркуляционный растворитс.'н,
едкого натра с форсункой:
I—корпус аппарата; 2 • -перфорированная перего-
родка; б'—барабан с едким натром4—7—краны,
о—центробежный насос.
р а сс ч и т а н н о е к о л и ч ест во в од ы,
крытых кранах 4 и 7 включают
аппаратах, снабженных паро-
выми форсунками, по при
этом, как указьппаось выше,
не удается получить высоко-
I', о нцент р и р ов ан н ые р аство -
ры щелочь.
Хорошие результаты до-
стигаются при использова-
нии аппарата, схематически
показанного на рис. 157. В
этом аппарате содержимое
одного барабана растворяет-
ся в течение 1,25—1,5 часа
без нагревания.
Аппарат представляет со-
бой стальной цилиндриче-
ский котел с плоской крыш-
кой, коническим днищем
и перфорированной перего-
родкой 2, на которую отвер-
стием вниз устанавливают
барабан 3. Через верхний
патрубок в котел заливают
закрывают краны 5 и 6 и при от-
центробежный насос 8. Во время
Аппаратура для растворения
277
Рнс. 158. Растворитель едкого натра
с паровым элеватором.
работы насоса вода цирку-
лирует в системе, причем
в аппарате вода фонтанирует
через сопло в заливное отвер-
стие барабана, «вымывая» из
него едкий’ натр.
По окончании растворения
жидкость в случае необходимо-
сти отстаивается, после чего
снова включают насос и при
закрытом кране 4 и открытом
кране 5 перекачивают содер-
жимое аппарата на место по-
требления. Отстоявшийся шлам
смывается водой и удаляется
из аппарата через нижний па-
трубок.
Для увеличения производи-
тельности растворитель может
быть рассчитан на единовремен-
ную загрузку нескольких ба-
рабанов с едким натром.
Вместо циркуляционного на-
соса аппараты для растворения
иногда снабжают паровыми
элеваторами. Растворитель та-
кого типа, показанный на рис.
158, представляет собой сталь-
ной или чугунный аппарат с
лопастной мешалкой и паровым
Рис. 159. Люк для установки бараба-
на с едким натром на крышке раство-
рителя.
барботером или змеевиком для нагревания раствора. В сфериче-
ской крышке аппарата имеется люк (рис. 159), на который уста-
278
17/. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
навливают барабан с твердым едким, натром, обращенный откры-
той частью (заливным отверстием) вниз к растворителю. Люк,
служащий для установки барабана, снабжен форсункой.
Как показано на рис. 159, к форсунке подведены вода и пар.
Растворение едкого натра производится струей горячей воды,
подаваемой внутрь барабана.
Примененье чешуйчатого едкого натра (или едкого кали) ис-
ключает необходимость его дробления и значительно упрощает при-
готовление растворов щелочи.
Аппаратура для растворения сернистого натрия
и приготовления полисульфидов
Важнейшими подготовительными операциями в процессах вос-
щелочами являются растворение сернис-
становления сернистыми
Рис. 160. Полисульфпдный ко-
тел.
того натрия и приготовление поли-
сульфида натрия из сернистого нат-
рия и молекулярной серы.
Сернистый натрий, как и едкий
натр, поступает на производство в
твердом виде. Однако восстановле-
ние проводится в растворах серни-
стого натрия, поэтому первым этапом
обработки сернистого натрия являет-
ся растворение его в воде. Этот про-
цесс осуществляется в обыкновенных
стальных котлах с мешалками.
Технический сернистый натрий
содержит значительное количество
примесей, вследствие чего во всех
случаях, когда требуется достаточно
чистый раствор, его фильтруют.
Дисульфид натрия приготовляют
непосредственно перед его применением путем растворения моле-
кулярной серы в водном растворе сернистого натрия:
Na2S (раств.) 4- S ;тв.) = Na2S2 (раств.) д- 0,9 ккал/г-мол
Для получения полисульфида в раствор сернистого натрия
вводят соответственно большее количество серы. Все эти операции
проводят в одном аппарате -так называемом полисульфидном
котле. Подобный котел (рис. 160) представляет собой стальной
аппарат с лопастной мешалкой и змеевиком для обогрева (иногда
змеевик заменяется барботером, укладываемым на дне аппарата).
Особенность конструкции полисульфидного котла заключает-
ся в том, что его цилиндрическая часть состоит из двух царг,
3. Редукторы
279
соединенных между собой на фланцах. Это обусловлено раз-
личным коррозионным воздействием жидкой и паровой фаз
на материал аппарата. Как показывает опыт, жидкая фаза в поли-
сульфидном котле мало разрушает черные металлы, паровая же
фаза оказывает сильное коррозионное действие. Вследствие этого
та часть котла, которая соприкасается с жидкой фазой, может
служить длительное время, а верхняя часть котла и крышка, со-
прикасающиеся с паровой фазой, изнашиваются довольно
быстро (в течение 4—5 лет). Верхнюю часть котла описанной кон-
струкции можно заменить новой царгой, сохраняя нижнюю часть
котла и днище. Вал мешалки целесообразно также делать
разъемным и заменять лишь его верхнюю часть, которая раз-
рушается быстрее нижней части вала.
Дисульфид натрия приготовляют следующим образом. В поли-
сульфидный котел заливают воду, загружают твердый сернистый
натрий и нагревают содержимое котла до температуры кипения.
При этой температуре в раствор сернистого натрия вводят пред-
варительно измельченную серу и размешивают кипящую массу
до полного растворения серы. Образовавшийся раствор дисуль-
фида (или полисульфида) передавливают в аппаратуру, пред-
назначенную для ведения процессов восстановления.
3. РЕДУКТОРЫ
Редукторами называют аппараты, в которых проводят-
ся процессы восстановления нитросоединений. Конструкции ре-
дукторов, определяемые условиями проведения этих процессов,
зависят от выбранных методов восстановления. В соответствии
с этим в технике применяют не менее четырех типов аппаратов:
1) для восстановления чугунной стружкой;
2) для восстановления цинковой пылью;
3) для восстановления сернистыми щелочами;
4) для восстановления молекулярным водородом.
Редукторы для восстановления чугунной стружкой
Агрегатное состояние реагирующих веществ при восстановлении
чугунной стружкой можно уподобить грубой суспензии.
Поэтому для проведения процессов восстановления пригодны
только аппараты с мешалками (рис. 1, стр. 17, типы Ve—!/<?), так
как для взаимодействия ингредиентов необходимо весьма энер-
гичное размешивание. По консистенции реакционная масса пред-
ставляет собой грубую суспензию с тяжелыми взвешенными
частицами, что позволяет применять для ее перемешивания про-
пеллерные или гребковые мешалки. Пропеллерные мешалки обыч-
280 Гл. VII. Аппаратура npotieccon восстановления нитросоединений
но используются при небольшой концентрации суспензии, греб-
ковые мешалки при размешивании концентрированных суспен-
зий. Рассматриваемые процессы восстановления протекают при
температурах порядка 100’ с выше (при кипении) и сопровождаются
выделением значительного количества тепла. Выделяющееся тепло
компенсирует тепловые потери и расходуется на испарение воды,
в среде которой проводится восстановление, благодаря чему про-
цесс может проводиться без искусственного охлаждения .В круп-
ных производствах целесообразно использовать отходящий пар. в
качестве теплоносителя. Наличие водной среды позволяет на-
гревать ингредиенты в начале процесса острым паром , поэтому
отпадает необходимость снабжать рассматриваемые редукторы
элементами поверхности теплообмена.
Свойства веществ, перерабатываемых в редукторе (нитро-
продукт, вода, железо и весьма незначительное количество соля-
ной кислоты), заметно влияют на конструкцию аппарата .
Для изготовления редукторов требуется не только химически
стойкий, но и прочный' материал, так как размешиваемая чугун-
ная стружка легко истирает стенки аппарата . Опытом установле-
но, что в этих условиях удовлетворительно работают стальные
редукторы, футерованные диабазовой плиткой.
В настоящее время в промышленности органических полу-
продуктов для восстановления нитросоединений чугунной струж-
кой применяются редукторы двух типов:
1) для восстановления растворимых в воде нитросоединений,
нелетучих с водяным иаром (в этом случае количество чугун-
ной стружки в суспензии невелико);
2) для восстановления малорастворимых в воде нитросоеди-
нений, летучих с водяным паром (для этого случая характерцы
большое количество чугунной стружки в суспензии и отгонка
из аппарата продуктов восстановления вместе с водяным паром
или экстрагирование их растворителем).
Редуктор, предназначенный для восстановления водорас-
творимых нитропродуктов (рис. 161), представляет собой сталь-
ной котел, футерованный диабазовой плиткой и снабженный
мощной пропеллерной или турбинной мешалкой .
Применение таких мешалок определяется довольно легкими
условиями перемешивания реакционной массы , в которой со-
держится сравнительно небольшое количество чугунной струж-
ки. Мешалка используется и в процессе восстановления ,и по его
окончании -при передавливании реакционной массы из редук-
тора на фильтрпресс, так как во время передавливания железный
шлам должен быть суспендирован в жидкости.
Редуктор для восстановления жидких нерастворимых в воде
нитропродуктов изображен на рис. 162. Этот аппарат выполнен
3. Редукторы
281
в виде стального цилиндрического котла со сферической крышкой
н плоским днищем. Редукторы этого типа снабжены гребковыми
мешалками в виде пары чугунных гребней с зубьями, перемеши-
вающими массу чугунной стружки г. аппарате. Вал мешалки (обыч-
но опирающийся на подпятник, помешенный в днище аппарата)
Рис. 161. Редуктор для восстанов-
ления водорастворимых нитросо-
едилопни:
I—стальной котел; 2—диабазовая плитка:
<? -мешалка.
Рис. 162. Редуктор "для восстановле-
ния жидких нерастворимых в воде
литросоедннений-.
/—крышка; 2—стальной котел; <?—диабазовая
плитка; 4—мешалка; Д- подпятник; Л—дпшцс .
часто делают полым для подводки через него острого греющего
пара. Для защиты от коррозии и истирающего воздействия чугун-
ной стружки аппарат футерован изнутри диабазовой плиткой.
На крышке редуктора расположены загрузочные штуцеры,
люк, лазы и штуцер для установки шлема, через который образую-
щиеся пары отводятся из редуктора в обратный холодильник
или конденсатор. Днище описанного редуктора должно быть
282 Гл. VII. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
снабжено люком для эвакуации железного шлама. Для восста-
новления нерастворимых в воде нитросоединений более пригодны
аппараты с пропеллерным:’ и :урбинными мешалками.
Восстановление нитросоединений чугунной стружкой в воде
проводится и непрерывным способом. Основные факторы, влияю-
щие на выбор материала и конструкцию аппарата (температура,
Водный йнилиновая
Нитробензол раствор вода
Рис. 163. Схема автоматизированного агрегата для непрерывного восстановле-
ния нитробензола чугунной стружкой-.
Г—напорные емкости; 2—измерители расхода; Л—регуляторы расхода; /—сборная камера; ,5, /.5,
16—центробежные насосы; 6—редуктор; 7—бункер; 8—шнековый питатель; 9—паровой барбо-
тер; 10—регулятор расхода пара; //—регулятор подачи анилиновой воды; /2—фотоколоримет-
рический прибор; 13—конденсатор; 14— датчик прибора для измерения магнитных свойств ре-
акционной массы.
реакция среды, консистенция реакционной массы и т. д.), для
редукторов непрерывного действия остаются такими же, как и в
периодическом процессе.
На рис. 163 показана принципиальная схема автоматизиро-
ванного агрегата для непрерывного восстановления.
Жидкий нитробензол, водный раствор электролита (например,
хлористого аммония) и анилиновая вода из напорных емкостей 1
3. Редукторы
283
поступают через измерители расхода 2 в сборную камеру 4, откуда
жидкость непрерывно перекачивается в редуктор 6. Постоянство
расхода исходных веществ достигается при помощи регуляторов 3.
Чугунная стружка непрерывно подается в редуктор шнековым
питателем 8 из бункера 7. Электродвигатели питателя и мешалки
сблокированы. При избыточной загрузке редуктора стружкой
возрастает расход мощности электродвигателя мешалки, в этом
случае автоматически временно прекращается подача стружки
шнековым питателем.
Вследствие неодинаково активного окисления разных партий
чугунной стружки необходим непрерывный контроль интенсивности
образования железного шлама. Такой контроль ведется путем
измерения магнитной проницаемости реакционной массы при
помощи прибора с датчиком 14. Магнитная проницаемость реак-
ционной массы зависит от содержания в ней недоокисленной
стружки и концентрации шлама, поэтому датчик 14 связан с регу-
лятором 11 подачи анилиновой воды.
Поднимающиеся из редуктора пары воды способствуют агло-
мерации стружки на выходе из питателя. Во избежание этого
часть анилиновой воды подается по той же трубе, по которой
загружается чугунная стружка. Основное количество полученного
анилина отгоняется из редуктора вместе с водяным паром, часть
которого образуется вследствие выделения тепла реакции, а часть
подводится через барботер 9. Расход пара стабилизируется регуля-
тором 10. Пары анилина и воды направляются в конденсатор 13,
шламовая жидкость непрерывно удаляется из редуктора через
верхний боковой штуцер.
Полнота реакции восстановления контролируется фотоколоримет-
рическим прибором 12. Продукт, удовлетворяющий техническим
условиям, подается насосом 15 в сборники сырого анилина. При
неполном восстановлении конденсат перекачивается насосом 16 в
промежуточные емкости, откуда анилин, содержащий невосстанов-
ленный нитробензол, возвращается в редуктор.
На рис. 164 приведена принципиальная схема установки для
измерения содержания нитробензола в анилине. Смесь паров ани-
лина и воды, отфильтрованная от шлама на фильтре 1, посту-
пает в конденсатор 2 и затем в разделитель фаз 3. Неконденси-
рующиеся газы удаляются в атмосферу, конденсат через холо-
дильник 4 поступает в сепаратор 5, где анилин отделяется от во-
ды. Уровень анилина в сепараторе автоматически регулируется
прибором 6. Анилиновый слой поступает через подогреватель 7 в
кювету фотоколориметра 13, которая вмонтирована в прибор, со-
стоящий из фотоэлементов 8, линз 11, светофильтров 10, регули-
рующей диафрагмы 9 и осветителя 12. Фотоколориметрический
прибор сигнализирует о повышении содержания невосстановленного
Рис. 161. Принципиальная схема установки для измерения содер-
жания нитробензола в анилине;
/--фильтр; 2—конденсатор; -7—разделитель фаз; -/—холодильник; .5-—сепаратор;
6—регулятор уровня анилина в сепараторе; 7—подогреватель; фотоэлементы;
.0—регулирующая диафрагма; 10—светофильтры; //—линзы; /2—осветитель;
/.7— кииета; /-/—пароводосмеситсль; /5-регулятор температуры.
нитросоединения в жидкости и автоматически переключает направле-
ние потока готового продукта из одного насоса в другой (см. рис.
163).
Тепловой режим конденсатора 2 и подогревателя 7 поддержи-
вается при помощи пароводосмесителя 14 и терморегулятора 15.
3. Редукторы
2S!
Редукторы для восстановления цинковой пылью
В отношении температуры, давления, интенсивности тепло-
обмена режим работы этих редукторов вполне аналогичен режиму
работы редукторов для восстановления чугунной стружкой в
слабокислой среде.
Интенсивность перемешивания, консистенция и химические
свойства реакционной массы в редукторах обоих типов существен-
но различны.
[Поэтому редукторы , в которых проводится восстановление
чугунной стружкой, не. могут быть использованы в процессах
восстановления цинковой пылью.
При восстановлении цинковой пылью не требуется интенсив-
ного перемешивания реакционной массы и мешалки необходимы
главным образом для очистки стенок котла от налипающей" на
них реакционной массы.
Реакционная масса, содержащаяся в редукторе, представляет
собой грубую суспензию цинковой пыли, окиси и гидроокиси цин-
ка в щелочном растворе. Вследствие большого удельного веса мелкие
частицы твердой фазы довольно быстро осаждаются в нижней
части аппарата с образованием корки, присутствие которой может
привести к нежелательным последствиям. Поэтому в таких редук-
торах применяются скребковые или якорные мешалки, которые
при вращении касаются стенок аппарата.
Вследствие невысокой температуры реакции восстановления
(60 90 ) н небольшого, теплового э(|х[текга этого процесса не тре-
буется интенсивного нагревания или охлаждения реакционной"
массы в описываемых редукторах; необходимо лишь регулиро-
вание температуры процесса при помощи хт гадоагентов и тепло-
носителей.
В качестве хладоагента в данном случае используется вода,
в качестве, теплоносителя - пар низкого давления, следовательно,
поверхность теплообмена редуктора могла бы быть конструктив-
но оформле.па любым способом. Однако из-за наличия якорной
или скребковой мешалки поверхность теплообмена приходится
выполнять в видр. пароводяной рубашки, так как змеевики или
трубчатки в данном аппарате установить нельзя. В редукторах
этого типа совершенно недопустимо нагревание реакционной"
массы острым паром, потому что в процессе восстановления цин-
ковой пылью требуется совершенно определенная концентрация
щелочного раствора, которая не может поддерживаться постоян-
ной при нагревании реакционной ;ассы острым паром.
Отличительной особенностью восстановления цинковой пылью
является необходимость очень точного регулирования температуры
и, следовательно, мягкого нагревания и охлаждения (местные пере-
286 Гл. VH. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
гревы реакционной массы могут привести к взрыву). Поэтому
следует обращать особое внимание на то, чтобы температура
теплоносителей и хладоагентов незначительно отличалась от темпе-
ратуры реакционной массы.
Коррозионное воздействие реакционной массы (щелочная среда)'
на аппаратуру для черных металлов невелико. Поэтому описывае-
мые редукторы выполняют в
Рнс. 165. Редуктор для восстанов-
ления цинковой пылью:
/—труба для ввода реакционной массы;
2— штуцер для удаления реакционной
массы.
виде чугунных или стальных
котлов, снабженных якорной
или скребковой мешалкой и
пароводяной рубашкой.
На рис. 165 изображен сталь-
ной редуктор со сферическими
днищем и крышкой, рубашкой
и якорной мешалкой. Процесс
восстановления проводится не-
прерывно в нескольких последо-
вательно установленных аппара-
тах. Реакционная масса поступа-
ет из предыдущего аппарата по
трубе / в нижнюю часть редукто-
ра и удаляется из него через шту-
цер 2, что способствует удли-
нению пути движения пере-
рабатываемых в аппарате ве-
ществ.
Дозирование цинковой пыли.
Для нормального протекания
процесса непрерывного восста-
новления нитросоединений цин-
ковой пылью весьма сущест-
венна точность дозирования
восстановителя. Дозирование
затрудняется при неодинако-
вой сыпучести разных партий
цинковой пыли и комковании
ее в загрузочном отверстии из-
за соприкосновения пыли с
поднимающимися из редуктора
парами. Предпринимались по-
пытки устранить этот недоста-
ток разными способами.
Одно из устройств для дозирования цинковой пыли изображе-
но на рис. 166. Цинковая пыль, предварительно тщательно от-
деленная от механических примесей, загружается в бункер
3. Редукторы
287
откуда по течке 2 поступает в тарельчатый питатель-дозатор 3.
Отсюда цинковая пыль непрерывно поступает в смеситель 4Г
снабженный турбинной мешалкой 5. В
этот же смеситель непрерывно посту-
пает холодная жидкость (или часть ее),
загружаемая в редуктор 6. Подача на-
гретых жидкостей в смеситель нежела-
тельна, так как пары могут конден-
сироваться на внутренних поверхно-
стях дозатора, что приведет к цементи-
рованию цинковой пыли и нарушению
точности дозирования. Содержащаяся
в смесителе 4 суспензия интенсивно пе-
ремешивается и через патрубок самоте-
ком поступает в редуктор.
Питатель (рис. 167) состоит из во-
ронки /, расширителя 2, тарельчатого
питателя 3 и течки 4. Расширитель пред-
ставляет собой металлический стакан
с вырезами, внутри него установлен
цилиндр из стекла или прозрачной
пластмассы. Расширитель имеет съем-
ное днище 5 с центральным отверс-
тием, в которое проходит вертикаль-
ный шнек 6 с прикрепленным к нему
сбрасывателем 7. Шнек работает как
сводорушитель, предотвращающий «за-
висание» цинковой пыли в расширите-
ле 2.
Средняя часть питателя 3 состоит
из внутреннего неподвижного стакана
8 и наружного подвижного стакана
12. Стакан 8 крепится при помощи
фланца 9 к бобышкам 10, расположен-
ным на крышке кожуха 14. Подвиж-
ной стакан 12, регулирующий произ-
Рис. 166. Дозирующее уст-
ройство для загрузки цинко-
вой пыли:
/—бункер; 2—течка; 3—дозатор;.
•/—смеситель; .5— турбинная мешал-
ка; 6 —редуктор.
водительность дозатора, движется вверх
и вниз при вращении гайки 17. Штифт 11, укрепленный на
неподвижном стакане 8, входит в вертикальную прорезь под-
вижного стакана 12, удерживая его от вращения вместе с
гайкой.
В дозаторах большой производительности, имеющих подвиж-
ной стакан диаметром более 150 мм, целесообразно гайку с резь-
бой заменить специальными винтами, при помощи которых может
осуществляться поступательное движение стакана.
288 Гл. VI/. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
Дозируемая цинковая пыль поступает из воронки 1 в расши-
ритель 2 в отсюда в среднюю часть дозатора 3. Благодаря наличию
расширителя 2, снабженного шнеком 6 и сбрасывателем 7, дости-
Рис. [67. Питатель для дозирова-
ния цинковой пыли:
7.воронка; расширитель; — iарсльча-
тьп" питатель; -/—течка; Г?—стх?ми<н\ цни.-
iцс’ 1) -стсржсшь-сиодо]душитель; 1—сора-
сыиатгль; <>—непод|.11я<иый стакан; У— фла-
нец; to.бобышка; Н—-штифт; J2 -наруж-
ный подвижной стакан; /3— тарелка доза-
тора; 1-4—кожу к; —ко нус; //>—мохе,
/7.ганка.
гается равномерное стекание ци н-
ковой ныли по конусу 15 на вра-
щающуюся тарелку 13. На обра-
зующей плоскости конуса /5 рас-
положены три направляющие
гребенки, способствующие рав-
номерному распределению цин-
ковой пыли по вращающейся та-
релке. Цинковая пыль, срезае-
мая ножом 16 с тарелки 13, сбра-
сывается в течку 4. Чем выше
поднят стакан 12, тем большее
количество цинковой пыли сни-
мается с вращающейся тарелки
ножом.
Описанный дозатор проверен
в процессе эксплуатации и может
применяться для дозирования
других сыпучих материалов.
В НИОПИК разработан доза-
тор цинковой пыли, схема кото-
рого представлена на рис. 168.
Цинковая пыль подается пнев-
мотранспортом из бункера 1
в промежуточный бункер 2,
откуда непрерывно стекает че-
рез течку на ленточный транс-
портер 5, установленный на ве-
сах 6.
Бесконечная лента транс-
портера приводится в движение
синх ройным электродвигателем,
с. ленты цинковая пиль ссыпает-
ся в редуктор . Текучесть пыли
достигается благодаря действию
вибропобудителя 7. Количество
ныли, поступающей из бункера
2 на ленту весов, регулируется
изменением сечения течки при
помощи заслонки 3 с пневматическим приводом 4. Привод через
автоматический регулирующий мост 9 связан с индукционным
датчиком 8, соединенным в свою очередь с чашкой весов 6.
.3, Редукторы
289
I’n?. 168. Принципиальная схем;! дозатора цинковой
пыли с циегшатическим инбронобудптелем:
-бункер; .2—промежуточный бункер; <У—заслонка; /—пневматиче-
ский привод заслонки; <5—ленточный транспортер; 6—весы; 7—вибро-
побудитель; 8— индукционный датчик; 9—автоматический регулиру-
ющий индукционный мост.
Редукторы для восстановления сернистыми щелочами
Редукторы этого тина конструктивно значительно отличаются
от описанных выше редукторов. Это обусловлено другой консистен-
цией реакционной массы и требованиями, предъявляемыми к
интенсивности ее перемешивания.
Реакционная масса, образующаяся при восстановлении сер-
нистыми щелочами, представляет собой тонкую эмульсию или
тонкую суспензию, которая может весьма интенсивно перемеши-
ваться. От интенсивности перемешивания в данном случае су-
щественно зависит протекание процесса.
19—2277
290
Гл. VH. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
При восстановлении сернистыми щелочами жидких органи-
ческих нитросоединений в качестве редуктора может служить
чугунный или стальной котел со сферическими днищем и крышкой,
снабженный рубашкой или змеевиками для нагревания паром и
размешивающими устройствами. Интенсивное перемешивание мас-
сы достигается при помощи пропеллерной мешалки, делающей
250 об/мин. Для лучшего перемешивания пропеллер иногда по-
мещается в диффузор. Вместо пропеллерных мешалок могут быть
применены также мешалки турбинного типа.
Восстановление сернистыми щелочами можно проводить как
периодическим, так и непрерывным способом. Г. А. Тимохин и
Б. И. Киссин предложили непрерывный способ получения
а-нафтиламина восстановлением а-нитронафталина сернистыми ще-
лочами в трех последовательно установленных редукторах. Ре-
дукторы представляют собой стальные котлы, снабженные рубаш-
ками для обогрева паром, обратными холодильниками и лопаст-
ными мешалками (350 об/мин.). После каждого редуктора уста-
новлен отстойник для отделения слоя органических веществ от
раствора солей.
В данном агрегате нитропродукт и раствор сернистой щелочи
движутся противотоком. Исходный нитропродукт поступает в
первый редуктор, свежий раствор сернистой щелочи—в третий
редуктор. Полученный амин, отделенный от раствора непрореагиро-
вавшей сернистой щелочи в третьем отстойнике, направляют
на промывку, а раствор сернисто/! щелочи—во второй ре-
дуктор. Из второго отстойника раствор сернистой щелочи пере-
дают в первый редуктор, отделившийся в первом отстойнике отра-
ботанный раствор солей выводят из процесса.
По данным авторов этого предложения, на опытном агрегате
удалось повысить производительность аппарата в 5 раз по сравне-
нию с аппаратами периодического действия. Применение описан-
ного непрерывнодействующего агрегата дает также возможность
механизировать трудоемкие операции, автоматизировать техно-
логический процесс и предотвратить контакт обслуживающего
персонала с токсичными веществами.
Редукторы для восстановления молекулярным водородом
Восстановление нитросоединений молекулярным водородом
проводится в жидкой или в паровой фазе в присутствии твердых
катализаторов. Восстановление в жидкой фазе происходит под
давлением в аппаратах, называемых автоклавами (при периодичес-
ких процессах) или в колоннах (при непрерывных процессах).
Восстановление в паровой фазе проводится в специальных кон-
тактных аппаратах (конверторах). Автоклавы и контактные аппа-
раты рассматриваются в XI и XII главах книги.
4. Тепловой баланс процессов восстановления
291
4 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
НИТРОСОЕДИНЕНИЙ
Общее урагненке теплогого баланса. В наиболее общем виде
тепловой баланс редукторов может быть представлен равен-
ством:
Qi 4 Qi 4- Qg — V, + Q6 -f- Q6
(VII, 1)
где Qj—тепло, поступающее в аппарат с обрабатываемыми ве-
ществами, ккал;
Q2—тепло, поступающее в аппарат с греющим паром, ккал;
Q3—тепловой эффект реакции, ккал;
Qt—тепло продуктов реакции, ккал;
Q3—тепло, расходуемое на нагревание аппарата, ккал;
Q6—тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду, ккал.
Как указывалось, метод вычисления Qv Q2, Q4, Q5 и Q6 являет-
ся общим для всех реакционных аппаратов, здесь будет приведен
только способ) вычисления величины Qn. Тепловой эффект процес-
са восстановления вычисляется различно, в, зависимости от при-
нятого метода восстановления и применяемых (восстановитель-
ных агентов.
Теплоюй эффект процесса госстаногленкя чугунной струж-
кой. В соответствии с уравнением реакции
4RNO2 -У 9Г-'е + 4Н2О 1RNH., + 3Fe3O4
тепловой эффект восстановления нитросоединений чугунной струж-
кой может быть найден (в ккал) из уравнения:
Z-t __ Оп< н • 1000
-я— 100/И,, ‘О’
(VII, 2)
где 67,,—вес восстанавливаемого нитросоединения, кг;
с„—концентрация нитросоединения, %;
М},—молекулярный вес нитросоединения;
"б—выход получаемого продукта восстановления, вес-
дол и;
тепло реакции, ккал/г-мол нитропродукта.
Молекулярная теплота реакции может быть найдена в
соответствии с уравнением реакции восстановления по закону
Гесса:
-- Ф, <7с Г 0,75с/ке3о4 — 2,25(/ре — Щцо
(VII, 3;
19*
292 Гл. VII. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
где q„—тепло образования получаемого амина, ккал/г-мол;
7С—тепло образования исходного нитросоединения
ккал/г-мол;
<7ге...о1—тепло образования ГеяО4 (270,8 ккал/г-мол);
—тепло образования железа (</Fe=0);
<7н,о — тепло образования воды (69 ккал/г-мол).
После подстановки в уравнение (VII. 3) числовых значений
теплот образования получим:
Vp = 7п —7с + 134 (VII, 4)
Тепловой эффект процесса восстановления цинкозой пылью.
Восстановление нитросоединений цинковой пылью протекает с
образованием азоксисоединений (а), азосоединений (б) и гидразо-
соединеннй (о) но реакциям:
2RNO, + 3Zn + ЗН.,О >-R\ ccNR -R 3Zn;OH)2 (a)
I
О
2RNO, 4- 4Zii 4- 4H..0-^RN=NR + 4Zn(OH)2 (6)
2RNO., + 5Zn 4- 6H,0 -4 RNH—NHR + 5Zn(OH)2 (в)
В соответствии с приведенными уравнениями тепловой эффект
процесса восстановления нитросоединений цинковой пылью
(в ккал) может быть определен по формуле:
Q» = ЧйЙй" + + 7₽з7,з) (VI1’5)
где (/р1 --тепло реакции образования азоксисоединения,
ккал > г-мол;
та—выход азоксисоединения, вес. доли;
Vpj—тепло реакции образования азосоединения, ккал/г-мол;
т|2—выход азосоединения, вес. доли;
7pi—тепло реакции образования гидразосоединения,
ккал/г-мол;
Из—выход гидразосоединения, вес. доли.
Тепло реакций г/р1, </р2 и t может быть определено в соот-
ветствии с уравнениями реакций по закону Гесса:
7pi — 7с л- l,57Zn(on)t— 1,57Z1. — 1,5gH2o (VII, 6)
где q„i—тепло образования азоксисоедииения, ккал/г-мол;
I. Тепловой баланс процессов восстановления 293
7zn(oii)2 -тепло образования гидроокиси цинка (84 ккал/г-мол);
qzn—тепло образования цинка G/zn — O);
7н2о—тепло образования воды (69 ккал/г-мол)
После подстановки числовых значений в предыдущее равен-
ство получаем:
7,,, = 0,5ц,,! —-Л + 22,5 (VII, 7)
Тепло реакции образования азосоедпнення t/r.„ (в ккал/г-мол)
определяется аналогично:
7р2 = 0,^7112 — 7 с + 27Zn(oi-i) — 27z,i — 2r/i i,,0 =
= 0,57п2-<А +30 (VII, 8)
где 7n2—тепло образования азосоедпнення, ккал/г-мол.
Тепло реакции образования гидразосоединения </ ;1
(в ккал/г-мол):
7Рз == 0,5<7,|3 — + 2,57zii(oh)2 — 'V/H,2o — 2,57zn =
= 0,57„;i — q, — 3 (VII, 9)
где 7,13 —тепло образования гидразосоединения, ккал/г-мол.
Если образующаяся в процессе восстановления гидроокись
цинка реагирует со щелочью с образованием цинката натрия, то
к вычисленному тепловому эффекту восстановления прибавляют
теплоту реакции образования цинката натрия, равную
15,7 ккал/г-мол гидроокиси.
Тепловой эффект процессов восстановления сернистыми ще-
лочами. Восстановление нитросоедипеиий с у л ь ф и д о м
натри я протекает по реакции
4RNO2 + 6Na2.S + 7Н2О —► 4R\'H.1 + ЗК+ДО, + 6NaOH
Тепловой эффект этой реакции (в ккал) может быть найден
по формуле:
где г; —выход в процессе восстановления, вес. доли;
7Р — тепло реакции восстановления сернистым натрием,
ккал/г-мол.
Величина г/р (в ккал/г-мол) определяется для данного случая
по закону Гесса следующим уравнением:
7(, 711 — 7с + (h75</Na,s,o3 + 1 ^c/Naoii — 1,57^а,^— 1,757н,р
294 Гл. VI/. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
где с/п—тепло образования амина, ккал/г-мол;
'-/Na2s2o3—тепло образования гипосульфита (258 ккал/г-мол);
?NaOH—тепло образования NaOH (112,5 ккал/г-мол);
<7Na2s—тепло образования Na2S (104,3 ккал/г-мол);
7н2о—тепло образования воды (69 ккал/г-мол).
После подстановки в предыдущее равенство соответствующих
числовых значений теплот образования получим:
9р=</„—<?с +85,05 (VII, И)
Восстановление нитросоединений дисульфидом натрия
протекает по реакции:
RNO, 4- Na.,S2 + Н2О RNH2 + Na2S2O3
Тепловой эффект реакции может быть вычислен по аналогии
с предыдущим расчетом Q..:
где г,—выход в процессе восстановления дисульфидом натрия,
вес. доли;
Ур—тепло реакции восстановления дисульфидом натрия,
ккал/г-мол.
Величина цр (в ккал/г-мол) определяется по закону Гесса:
= 7.1 — 7с + <7Na2S20j — ?Na2s2 — 7н3о ~ 7.. — 7с + 83,8 (VII, 131
где 7 xa2sa—теп то образования дисульфида натрия (105,2 ккал/г-мол).
.5. ОБРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ АМИНОВ
При восстановлении нитросоединений, не растворимых в воде
и летучих с водяным паром, образуются амины, в большинстве
случаев растворимые в воде и способные растворять воду. К таким
аминам относятся анилин (наиболее характерный представитель
этой группы аминов), толуидин и другие соединения аромати-
ческого ряда.
Ниже приведены условия фазового равновесия системы ани-
лин—вода при различной температуре:
20° 90° IOCJJ
Растворимость, % вес.:
анилина в воде........................3,49
воды в анилине....................5,07
Содержание анилина, мол. доли:
в воде, насыщенной анилином . . 0,0006975
в анилине, насыщенном водой, . . 0,214
Парциальное давление насыщенных па-
ров анилина, мм рт. ст. ................ —
6,36
9,0
0,013
0,338
29,2
7,18
10,3
0,0148
0,628
45,7
5. Обработка полученных аминов
295
Данные о взаимной растворимости анилина и воды представлены
в табл. 9.
Таблица 9
Взаимная растворимость анилина и воды
Температура СС Концентрация анилина, % вес. Температура °C Концентрация анилина, % вес
в воде, насыщенной анилином в анилине, насыщенном водой в воде, насыщенной анилином в анилине, насыщенном водой
10 3,38 95,18 100 7,18 89,7
20 3,49 94,93 110 7,95 88,05
25 3,5.5 94,77 120 9,15 86,0
зс< 3,63 94,62 130 11,05 83,6
40 3,83 94,29 140 13,6 80,6
30 4,05 93,86 150 17,0 76,4
6(1 4,40 93,4 160 23,9 69,1
70 4,91. 92,75 165 30,6 61,8
80 5,59 91,95 167,5 46,16 46,16
20 6,36 91,0 — — —
В пределах растворимости анилина в воде парциальное давле-
ние его паров подчиняется закону Генри, а парциальное давление
паров воды—закону Рауля.
В пределах растворимости воды в анилине парциальное давле-
ние паров воды подчиняется закону Генри, а парциальное давле-
ние паров анилина—закону Рауля.
На рис. 169 представлена диаграмма зависимости парциального
давления паров анилина и воды от состава смеси этих веществ
при 100'".
В пределах концентрации анилина 0—0,0148 мол. доли парци-
альное давление его паров возрастает прямолинейно (участок
OF), а парциальное давление паров воды снижается по закону
Рауля (участок Л В) и в точке В (при концентрации анилина 0,0148
мол. доли) составляет:
760-(1 —0,0148) мм рт. ст.
В интервале концентраций анилина от 0,0148 до 0,628 мол.
доли анилин и вода ведут себя как две несмешивающиеся жидкости,
парциальное давление паров которых не меняется с изменением
состава (участки FD и BE).
В пределах концентрации анилина от 0,628 до 1 мол. доли
растворимость воды в анилине подчиняется закону Генри, соот-
ветственно этому парциальное давление паров воды прямолинейно
снижается от точки Е до нуля.
296 Г л. VH. Аппаратура процессов восстановления нитросоединений
Парциальное давление паров анилина в этих условиях, в соот-
ветствии с законом Рауля, увеличивается (по кривой DC) от
45,7-0,0148 мм рт. ст. до 45,7 мм рт. ст. Верхняя пунктирная
линия 3 на диаграмме выражает общее давление паров над систе-
мой анилин—вода, равное сумме парциального давления паров
компонентов этой системы.
Вертикальные пунктирные линии, нанесенные на диаграмму,
соответствуют пределам растворимостей. Они делят диаграмму
на три зоны 7, //, III, из которых / и /I1 зоны соответствуют
гомогенным системам, компоненты которых ведут себя подобно
двум смешивающимся жидкостям. В пределах // зоны рассмат-
риваемая система состоит из двух) жидких фаз: раствора ани-
лина в воде и раствора воды
в анилине. В пределах этой
зоны парциальное давление
паров компонентов и общее
давление над системой соот-
ветствуют закону Дальтона
и не зависят от состава
жидкой фазы.
Особенно важно, что рас-
творение анилина в воде
(/ зона) подчиняется зако-
ну Генри и парциальное
давление его паров над рас-
твором возрастает гораздо
быстрее, чем если бы этот
процесс происходи.'! в соот-
ветствии с законом Рауля.
Благодаря этому при испаре-
нии разбавленного раствора
анилина получаются пары,
более богатые анилином, чем
Соде ржание анилина, мол. доли
Рис. 169. Диаграмма зависимости меж-
ду парциальным давлением паров ани-
лина и воды:
!, Ш—зоны гомогенных систем; //—зона гете-
рогенной системы, /—парциальное давление
паров анилина; 2—парциальное давление па-
ров воды; 3—общее давление паров над сис-
темой анилин—вода.
исходная жидкость. Это дает возможность концентрировать раз-
бавленные водные растворы анилина путем дистилляции, хотя
при одинаковой температуре давление паров анилина гораздо
ниже давления паров воды.
Получаемые в результате восстановления амины и их водные
растворы могут быть отделены от воды различными методами,
имеющими свои преимущества и недостатки и дающими различный
экономический эффект. В промышленности применяются следую-
щие методы дальнейшей обработки аминов и их растворов: си-
фонирование, перегонка с водяным паром, перегонка в вакууме,
экстрагирование аминов растворителями или исходными нитро-
соединениями. Хороню растворимые в воде аминосоединения вы-
). Обработка полученных аминов 297
дел я ют упариванием с последующей к р иста л л из а-
цией из концентрированных растворов (фенилендиамины, тол уи-
лендиамины) или же путем осажденияв виде труднораствори-
мых солей (соли аминосульфокислот нафталина, бензола и др.).
Перечисленные процессы проводятся в аппаратах, рассмат-
риваемых в курсе «Основные процессы и аппараты химической
технологии» или описанных в предыдущих главах данной книги
(так, экстракторы были рассмотрены в главе V, стр. 234). По-
этому дополнительное рассмотрение аппаратов, применяемых для
дальнейшей обработки аминов, нецелесообразно.
ГЛАВА VIII
АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ НИТРОЗИРОВАНИЯ,
ДИАЗОТИРОВАНИЯ И АЗОСОЧЕТАНИЯ
1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССАХ НИТРОЗИРОВАНИЯ,
ДИАЗОТИРОВАНИЯ И АЗОСОЧЕТАНИЯ
Н нт р оз н р ов а н ие м называют процесс замещения
атома водорода в ядре ароматических соединений группой NO
(нитрозогруппа). Этот процесс протекает при непосредственной
обработке исходных веществ нитрозирующим агентом. Нитрози-
рованию подвергают преимущественно замещенные ароматичес-
кие амины, фенолы и нафтолы. В качестве нитрозирующего агента
в большинстве случаев применяется нитрит натрия .который в
кислой среде легко выделяет азотистую кислоту, реагирующую
с органическими соединениями в момент выделения.
Считая азотистую кислоту действующим началом реакции
нитрозирования, уравнение этой реакции можно представить
в следующем виде:
RH + HNOS —>RNO + Н.2О (VIII, 1)
Диазотированием называют процесс взаимодействия
солей первичных ароматических аминов (соли минеральных
кислот) с азотистой кислотой, приводящий к образованию диазо-
соединений. Исходными веществами во всех процессах диазоти-
рования служат первичные ароматические амины (анилин,
н-нитроанилин, нафтиламин, аминонафтолсульфокислоты, бензи-
дин, дианизидин и т. д.). Диазотирующим агентом почти всегда
является нитрит натрия, который под действием кислот (серной
или соляной) выделяет азотистую кислоту, взаимодействующую
в момент выделения с аминами.
Процесс диазотирования можно представить следующим урав-
нением:
RNHZHX + NaNO2 + НХ — RN2X + NaX + 2Н2О (VIII, 2)
где НХ—минеральная кислота.
I. Общие понятия о процессах
299
Азосочетанием называется процесс взаимодействия
диазосоединений с аминами или оксисоединениями ароматическо-
го ряда, приводящий к образованию азосоединений, в большин-
стве случаев являющихся красителями.
Уравнение реакции азосочетания:
RN2X +HR'Y-^RN=NR'Y 4-НХ (VIII, 3)
где Y—амино- или оксигруппа.
Азосочетание проводится в кислой или щелочной среде, в
щелочной среде происходит азосочетание с оксисоединениями
(фенолы, нафтолы и их производные), в кислой—с аминами. В ка-
честве кислотных агентов в технике используют преимущественно
серную, соляную и уксусную кислоты; щелочными агентами слу-
жат аммиачная вода, кальцинированная сода, едкий натр, уксус-
нокислый натрий.
Химическая сущность перечисленных процессов нитрозиро-
вания, диазотирования и азосочетания глубоко различна. Однако
нитрозирование и диазотирование протекают при участии одина-
ковых реагентов и проводятся в аналогичных условиях и оди-
наковой аппаратуре. Диазотирование и азосочетание являются
последовательными стадиями технологических производственных
процессов. Эта общность позволяет объединить в данной главе
вопросы аппаратурного оформления процессов нитрозирования,
диазотирования и азосочетания.
Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования и
азосочетания. Проведение этих процессов в промышленности
связано с целым рядом вспомогательных процессов и операций
предварительной обработки сырья и последующей обработки
полученных продуктов.
Принципиальна^ технологическая схема рассматриваемых
процессов приведена на стр. 300.
Предварительная обработка веществ, подвергаемых нитрози-
рованию и диазотированию, а также обработка минерального
сырья (нитрит натрия) заключается в приготовлении водных рас-
творов и суспензий. Этот несложный процесс может быть прове-
ден почти в любых аппаратах с мешалками, специальное рас-
смотрение которых не представляет интереса.
Дальнейшая обработка продуктов нитрозирования и глав-
ным образом азосочетания сводится к отфильтровыванию выпав-
ших осадков. Иногда на гидравлических прессах производится
дополнительный отжим пасты, полученной после фильтрования.
За фильтрованием следует сушка и размол продуктов и установка
красителей «на тип» путем смешения.
300 Гл. VIII. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
Принципиальная технологическая схема процессов нитрозирова-
ния, диазотирования и азосочетания-
Предварительная обработка сырья
(растворение и суспендирование)
ZIIj ................ZZZ
I
Фильтрование
Сушка
Размол I
________J
Для отфильтровывания азосоединений (азокрасителей) ис-
пользуются преимущественно фильтрпрессы.
Сушка азокрасителей производится в сушилках различных
типов. Наиболее распространены вальцовые сушилки, вакуум-
сушилки с мешалками, вакуум-сушильные шкафы и воздушные
рециркуляционные сушилки камерного типа. При размоле высу-
шенных продуктов используют преимущественно дисмембраторы
и дезинтеграторы. Смешение размолотых веществ проводится
в барабанных смесителях.
Все перечисленные аппараты (фильтры, сушилки, мельницы,
барабаны-смесители и т. д.) известны читателю из курса «Основ-
2. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования, азосочетания 301
ные процессы и аппараты химической технологии». Поэтому далее
будет описана только аппаратура для проведения собственно
процессов нитрозирования, диазотирования и азосочетания.
2. АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ НИТРОЗИРОВАНИЯ,
ДИАЗОТИРОВАНИЯ И АЗОСОЧЕТАНИЯ
Вещества, взаимодействующие в процессах нитрозирования,
диазотирования и азосочетания, перерабатываются в виде по-
движных водных растворов или водных суспензий, содержащих
незначительное количество взвешеинъьх твердых частиц. В соот-
ветствии с этим для проведения указанных процессов могут быть
использованы простые аппараты типов IVe и V/з, представленные
на рис. 1 (стр. 17). Поскольку реакционная масса по консистен-
ции является достаточно подвижной жидкостью или легкой сус-
пензией, химический процесс может протекать удовлетворитель-
но и без интенсивного размешивания. Размешивание лопастными
мешалками, делающими 30—60 об/мин., вполне достаточно в про-
цессах нитрозирования, диазотирования и азосочетания.
Эти процессы протекают с выделением большого количества
тепла; повышение температуры сверх определенных пределов
(обычно Од- 20 ) недопустимо. Поэтому совершенно необходимо
интенсивное охлаждение реакционной массы, производимое, вслед-
ствие ее низкой температуры, при помощи охлаждающих рассолов
или льда. Оформление, поверхностей охлаждения, предназначен-
ных для отвода значительных количеств тепла, иногда затруд-
нительно, особенно при выполнении охлаждающих элементов из
кислотостойких материалов. Лед может быть непосредственно
введен в реакционную массу, так как процессы проводятся в вод-
ной среде и, следовательно, возможно разбавление реакционной
массы водой, хотя это и приводит к некоторому увеличению объема
реакционной аппаратуры.
По коррозионному действию вещества, перерабатываемые в
аппаратах для нитрозирования, диазотирования и азосочетания,
соответствуют разбавленным кислотам (за исключением сочета-
ния в щелочной среде), т. е. являются весьма агрессивными среда-
ми по отношению к подавляющему большинству металлов. Раньше
в этих процессах часто применяли деревянную аппаратуру. В на-
стоящее время она почти повсеместно заменена стальной футеро-
ванной аппаратурой, более прочной и надежной в эксплуатации и
обеспечивающей большую герметичность.
Для нитрозирования, диазотирования и азосочетания можно
применять конструктивно несложные аппараты с мешалками—
стальные футерованные чаны и котлы, стальные или чугунные
эмалированные котлы.
Рис. ;170. Стальной футерованный чан:
/--стальной корпус; 2—футеровка: /У—крышка: 4—мешалка; 5—башмак*, 6—на-
прнкшкш’ая втулка; 7—вал мешалки: 6’—привод; 1 S'—клинорсменная передача;
/,'< -электродвигатель; /I—швеллерные балки; Г2—лапы’, 13—двухсекционный
.имеевнк; /-/—днище: /./—паровой барботер: /5—штуцер для присоединения к
гсптпляцмв; 17 —штуцеры для вводя и вывода верхнего и нижнею змеевиков’,
/Л—штуцер для барботера; /.9—штуцеры наполнения; 2/2—дюк; 2/—спускной
штуцер; 22—чаправлшоп'ля пробки; 2.7—пробка*, 2/-в ал с винтовей нарезкой ;
2.;—-маховик.
2. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования, азосочетания 303
На рис. 170 показан чан, футерованный диабазовой плиткой
по подслою полиизобутилена, стенки и днище выполнены из
листовой стали толщиной 10—20 мм, крышка деревянная. Деревянная
лопастная мешалка 4 имеет индивидуальный привод 8 от электро-
двигателя 10. Электродвигатель и привод, соединенные клино-
ременной передачей 9, смонтированы на швеллерных балках 11.
Вал мешалки составной: верхняя стальная часть вала 7 проходит
через направляющую втулку 6 (для предотвращения вибрации),
нижняя часть вала, соприкасающаяся с агрессивной реакционной
средой, выполнена из дерева. Обе части вала сочленены при по-
мощи башмака 5. В чане размещен змеевик 13 из свинцовых труб*
для охлаждения (и нагревания) реакционной массы рассолом
и барботер 15 для подогрева паром.
Змеевик выполнен из двух секций, имеющих самостоятельные
вводы и выводы для улучшения процесса теплообмена. Это
способствует менее интенсивному нагреванию холодильного рас-
сола в период охлаждения и предотвращает заполнение значи-
тельной части змеевика конденсатом в период нагревания (в тех
случаях, когда нельзя пользоваться паровым барботером из-за
нежелательности разбавления реакционной массы). Для большей
жесткости стенки аппарата крепятся при помощи лап 12 к балкам
несуших конструкций. В крышке чана размещены штуцеры
16—19 и люк 20.
В днище чана находится освинцованный штуцер 21 для
слива реакционной массы. Штуцер закрыт пробкой 23, из-
готовленной из стальной гуммированной трубы, перемещающей-
ся (во избежание перекоса) в направляющей 22. Пробка подни-
мается и опускается при вращении маховика 25, насаженного
на вал 24 с ленточной резьбой (подобно приводам задвижек).
При охлаждении реакционной массы льдом змеевик в аппара-
те не устанавливается, в этом случае лед загружают через люк 20.
На рис. 171 изображен стальной аппарат для диазотирования,
футерованный диабазовой или метлахской плиткой и снабженный
фаолитированной мешалкой и текстолитовой трубой для выдавли-
вания реакционной массы. Благодаря глянцевой поверхности
метлахской плитки облегчается отмывка аппарата при переходе
производства от красителя одной марки к красителям других
марок.
Для диазотирования применяют также эмалированную ап-
паратуру, использование которой ограничено малой емкостью
* Змеевики выполняются также из кислотостойкой стали или эмалирован-
ных труб; иногда вместо змеевиков применяют охлаждающие элементы, подоб-
ные элементам, изображенным на рис. 106 (стр. 221). В последнее время
начали применять и трубы из титана.
304 Гл. V[ll. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
таких аппаратов (преимущественно до 3000 л). На рис. 172 пред-
ставлен чугунный эмалированный котел с рубашкой для охлажде-
ния рассолом. Аппарат установлен на лапах и имеет эмалирован-
ную мешалку и гильзу для термометра. Реакционную массу
удаляют из котла через нижний штуцер.
Лед, используемый в каче-
стве хладоагента, поступает в
производственные цехи в виде
чешуек или кусков. Кусковой
лед перед загрузкой в аппарат
подвергают дроблению. Один
Рис. 171. Стальной футерованный
аппарат для диазотирования.
Рис. 172. Чугунный эмалированный ап-
парат для диазотирования:
/—чугунный эмалированный корпус; 2—рубашка;
а—мешалка; -/—гильза для термометра; 5—шту-
цер для слива реакционной массы; 6—лапы.
из Гтипов дробилки для льда показан па рис. 173. Дробилки
устанавливаются на первом этаже здания. Измельченный лед
транспортируется в верхние помещения элеваторами, поступает
в бункеры, перемещаемые по монорельсу, а из них загружает-
ся в аппараты (рис. 174).
Как указывалось выше, пасты азокрасителей отфильтро-
вывают на фильтрпрессах. Наиболее удобны автоматические
фильтрпрессы системы УкрНИИхиммаш (рис. 175).
2. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования, азосочетания 305
Автоматические камерные фильтрпрессы (ФПАК) применяют-
ся для фильтрации суспензий органических полупродуктов и
красителей при содержании твердой фазы 10—400 г/л и темпе-
ратуре от 5 до 6O‘J. Фильтрпрессы для фильтрации агрессивных
жидкостей изготовляются из стали марки 1Х18Н9Т.
Рис. 173. Дробили,) для льда:
/—загрузочный бункер; 2—кожух; <3, 4—вальцы; 5—переда-
точный механизм.
Рис. 174. Схема подачи
льда к аппаратам.
Рис. 175. Общий вид автоматического фильтрпресса.
20-2277
306 Гл. VIII. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
Некоторые характеристики- ФПАК: применяемых фильтрпрессов ФПАК5-25 ФПАК50-30
Габариты, мм'.
длина . . . ........... 2900 3800
ширина................. 2370 3700
высота................. 1500 3700
Фильтрующая поверхность, м3 6 20
Вес, ш .......... 5 25
Производительность автоматических фильтрпрессов в не-
сколько раз выше производительности фильтрпрессов с ручной
выгрузкой осадков. Так, при фильтрации некоторых полупродук-
прогчь/внь>е воды
Рис. 176. Схема автоматического фильтр-
пресса :
/—верхняя крайняя плита; 2—фильтрующие плиты;
•3—натяжные ролики; /—ножи; 5—нижняя крайняя
плита; б—фильтрующая ткань; 7—промываемый учас-
ток ленты.
тов производительность
автоматических фильтр-
прессов составила 3,0—
5,0 кг/’м2-час, считая на
сухой вес (с учетом време-
ни промывки осадков) тор
да как производительность
фильтрпрессов с ручной
выгрузкой не превышает
0,20—0,25 кг/м2 час.
Схема устройства авто-
матического фильтрпресса
представлена на рис. 176.
Фильтрпресс собирается
из ряда горизонтально-
расположенных фильтру-
ющих плит 2, зажатых
между крайними плита-
ми—верхней / и ниж-
ней 5. Фильтрующая
ткань 6 натянута между
плитами при помощи на-
тяжных роликов 3. Филь-
труемая суспензия подает-
ся по верхней линии од-
новременно во все каме-
ры, фильтрат удаляется по нижней линии. Фильтрация про-
водится под давлением до 5 ати. По окончании фильтрации по-
дача суспензии автоматически отключается и в коллектор, по ко-
торому поступала суспензия, подается вода для промывки. Та-
ким же образом после промывки происходит переключение на
продувку осадка сжатым воздухом.
‘2. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования, азосочетания 307
Фильтрат и промывные воды через разделительный клапан
(на рисунке не показан) направляются в разные сборники.
По окончании продувки осадка автоматически включается:
электродвигатель, приводящий в движение ленту 6, поддерживае-
мую роликами <3. Осадок снимается с движущейся ленты ножами 4У
собирается в корыте (сборнике) и далее шнеками выводится из-
аппарата.
Ткань на участке 7 проходит через специальную камеру, где
очищается ножами и промывается водой.
Промытая и отжатая роликами ткань снова направляется в
фильтрационные камеры.
Рис. 177. Разрез автоматического фильтрпресса;
1—плиты; 2—уплотнительные шланги; 3—телеиидное сито; 4—фильтрующая ткань1, 5—наклон -
пые каналы; б—трубопровод для отвода фильтрата и промывных вод; 7—трубопровод для по-
дачи суспензии, промывной воды и воздуха.
На рис. 177 показан поперечный разрез двух плит. Каждая
плита перекрыта щелевидным ситом 3, на которое укладывается
фильтрующая ткань 4. Суспензия поступает на фильтрацию по
трубопроводу 7. Фильтрат стекает по наклонному каналу 5 и вы-
водится из фильтрпресса по трубопроводу 6. Камеры плит в фильтр-
прессе уплотняются при помощи резиновых шлангов 2.
Для уплотнения зазора между плитами в шланги по-
дается вода под давлением 8—10 ати. При этом шланг прини-
мает форму, показанную на верхней части рисунка, и перекрывает
зазоры между плитами, зажимая фильтрующую ткань.
Отфильтрованные пасты выгружаются в стальные бункеры
(рис. 178), которые устанавливают в междуэтажных перекры-
тиях.
В некоторых случаях бункеры для защиты от коррозии
изнутри покрывают полиизобутиленом. В нижней части бункера
имеется затвор, конструкция которого показана на рис. 179.
Крышка 3 прижимается к горловине 2 бункера 1 рычагом 4 при
помощи винтового зажима 5, снабженного штурвалом 6.
20*
.--------—3900
?ис. 178. Бункер для пРиемки пасты из фильтр-
пресса:
/—бункер; 2—затвор; 3—поворотная течка; 4—бочка; 5—аппарат
для приготовления суспензии.
Рис. 179. Затвор бункера:
/—бункер; 2—Горлов»™ бункера; 3—крышка; 4—рычаг;
5—винтоВОИ зажим; 6—штурвал.
308 Гл. VIII. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
2. Аппаратура процессов нитрозирования, диазотирования, азосочетания 309
При неправильной сборке фильтрпресса или дефектах не-
которых рам в бункер попадает небольшое количество жидкости.
Она скапливается в нижней части бункера и через специальный
штуцер снова возвращается в чан.
Пасты транспортируют в сушилку в таре (бочки) или по трубо-
проводу в виде суспензии. Из бункера паста выгружается с по-
мощью поворотной течки 3 (см. рис. 178) в бочки 4 или в аппарат
5 для приготовления суспензии, представляющий собой стальной
котел, футерованный диабазовой плиткой и снабженный ме-
шалкой. В котел в случае необходимости добавляют воду в таком
количестве, чтобы содержание твердой фазы в суспензии не превы-
шало 55—60%. После тщательного размешивания н подогрева
суспензия приобретает подвижность, что позволяет выдавливать
ее по трубопроводу в монтежю—питатели сушилок.
Транспортирование паст в виде суспензий является более со-
вершенным, чем перевозка их в бочках.
Следует отметить, что описанная выше аппаратура для про-
ведения нитрозирования, диазотирования и азосочетания довольно
примитивна и не может быть использована при оформлении не-
прерывных процессов. Непрерывное проведение этих процессов
не может встретить принципиальных затруднений, но при частых
переходах с производства одного малотоннажного продукта к
производству другого непрерывное нитрозирование, диазотиро-
вание и азосочетание малорентабельны. В производстве много-
тоннажных продуктов в условиях стабильного технологического
процесса непрерывные методы проведения указанных процессов,
безусловно, целесообразны.
Для непрерывного нитрозирования и диазотирования, по-
видимому, можно использовать даже несложные аппараты ци-
линдрической формы, снабженные мешалками и змеевиками из
соответствующих кислотостойких материалов (охлаждение произ-
водится холодильными рассолами). Можно было бы также вести
непрерывное диазотирование в нескольких последовательно уста-
новленных аппаратах с промежуточным охлаждением реакцион-
ной массы в выносных холодильниках интенсивного действия,
пропуская реакционную массу с большой скоростью через трубы,
охлаждаемые холодильным рассолом.
Непрерывное диазотирование является не только более произ-
водительным процессом по сравнению с периодическим диазоти-
рованием, но имеет и ряд технологических преимуществ: возмож-
ность удаления из сферы реакции диазосоединений по мере их
образования (что предотвращает сочетание их с диазотируемым
амином), простота и точность регулирования температуры и др.
Благодаря этим преимуществам при непрерывном процессе воз-
можен более высокий выход получаемых продуктов.
ИО Гл. VIII Аппаратура нитрозирования, диазотирования а азосочетания
3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ДИАЗОТИРОВАНИЯ,
АЗОСОЧЕТАНИЯ И НИТРОЗИРОВАНИЯ
Общее уравнение теплового баланса. Тепловой баланс про-
цессов диазотирования, азосочетания и нитрозирования является
основой всех других технологических расчетов. По данным теп-
лового баланса определяется расход льда (и объем воды, вводимой
в реакционную массу прз таянии льда) или количество отводи-
мого тепла, что позволяет определить требуемую поверхность
охлаждения или установить мощность аппаратуры.
Тепловой баланс этих процессов может быть представлен
след уюш и и р авенством:
СА + Q3-Q4 + Q5 (VIII, 4)
где Q,— тепло, поступающее в аппарат с ингредиентами, ккал;
Qi—тепло, поступающее в аппарат из окружающей среды,
ккал;
Q3-тепло, выделяющееся при проведении процесса, ккал;
Q.i—тепло, содержащееся в продуктах реакции, ккал;
<)5—тепло, отводимое охлаждающим агентом, ккал.
Величины Q, и Q4 находят обычным для всех процессов ме-
тодом, поэтому на их вычислении мы не останавливаемся. Более
специфичными для указанных процессов являются методы вы-
числения Q,, Q., и Qv которые целесообразно подробно рассмотреть
в данном разделе.
Во многих случаях эти процессы ведутся в чанах с открытыми
„тюками и неплотно прилегающими крышками при охлаждении
реакционной массы путем внесения в нее льда. Искомыми вели-
чинами при тепловых расчетах являются: расход хладоагентов,
необходимые для его вычисления потери холода в окружающую
среду и тепловой эффект процесса.
Потери холода в окружающую среду, или (что то же самое)
тепло Q.,, поступающее в аппарат из окружающей среды, в основ-
ном зависит от количества водяных паров, содержащихся в воз-
духе, которые при соприкосновении с поверхностью холодной жид-
кости конденсируются в ней и таким образом вносят некоторое
количество тепла.
Потери холода в окружающую среду через внешнюю поверх-
ность аппарата могут быть вычислены обычным методом, но в
технических 'расчетах они обычно не учитываются. Вследствие не-
значительной разности температур и достаточно хорошей тепло-
изоляции стенок аппарата (сталь, футерованная кислотоупорной
плиткой) потери холода через стенки практически приближаются
к нулю.
3. Тепловой баланс процессов
311
Количество водяных паров (в кг), диффундирующих из воздуха
в холодную жидкость, определяется уравнением:
G = KF~ (ри — p j (VIII, 5)
где К—коэффициент пропорциональности, кг/м2-мм рт. ст. час;
F—поверхность (зеркало) жидкости, м2;
-с—время, часы;
ра—парциальное давление паров воды в воздухе, мм рт. ст.;
рж—парциальное давление паров воды над жидкостью,
мм рт. ст.
Коэффициент пропорциональности К может быть найден по
следующей формуле:
К ==0,026 /1 + -Йй -’°'5 (VIII> 6)
где tx—температура охлажденной жидкости, UG;
w—скорость жидкости или воздуха, м/сек (для неподвиж-
ного воздуха или жидкости принимают щ=1).
Зная количество конденсирующихся водяных паров, нетрудно
подсчитать потери холода (в ккал)'.
G^GQ.-tJ (VIII, 7)
где л—теплосодержание пара при температуре воздуха, ккал/кг.
Количество тепла отводимого от реакционной массы хладо-
агентом, находят аналогично для всех процессов—по разности,
после определения остальных элементов теплового баланса:
Qs = Qi + Q2 + Q3 — <2* (VIII, 8)
Определив величину Q5, находят расход охлаждающего аген-
та —льда (в кг) по уравнению:
W =- —- (VIII, 9)
80-Нж
где t'x—конечная (минимальная) температура реагентов, °C.
Определение теплового эффекта реакции Q:| специфично для
каждого из рассматриваемых процессов и потому будет рассмотре-
но отдельно для диазотирования, азосочетания и нитрозирования.
Тепловой эффект процессов диазотиро ания. Вследствие того,
что теплота изменения концентрации веществ, реагирующих в
процессе диазотирования, незначительна, тепловой эффект этого
процесса может быть принят равным теплу реакции диазотирова-
ния. Ее можно вычислить обычным методом по закону Гесса, если
312 Гл. VIII. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
известны теплоты образования всех реагентов, участвующих в
процессе. Однако пока опубликованы данные о теплоте образова-
ния очень немногих продуктов диазотирования.
Как и тепло нейтрализации аминов и фенолов, теплота диазо-
тирования не может быть достаточно точно вычислена по методу
Караша, поскольку ее величина в большой степени зависит от
присутствия различных заместителей в ядре ароматического
углеводорода. Основой тепловых расчетов продолжают оставаться
значения теплот диазотирования, экспериментально найденные
для многих ароматических аминов В. В. Свентославским, который
определил теплоты ряда реакций-элементов (в ккал/г-мол). Сум-
мируя их с учетом тепла разложения нитрита натрия соляной ки-
слотой, можно вывести уравнение теплового эффекта любого
процесса диазотирования.
К таким реакциям-элементам относятся:
нейтрализация ароматических аминов
RNH, +HC1=RNH2-HC14-7„..1.
где тепло нейтрализации амина, ккал/г-мол;
разложение нитрита натрия соляной кислотой
NaNO,L+ //HCI — (n — 1) НС1 4- NaCl 4- HNO2 3 45 ккал/г-мол
диазотирование
RNH, 4- HONO = RN,OH 4- H,0 + q*
где 7Д—тепло реакции диазотирования, ккал/г-мол;
нейтрализация диазогидратов
RN2OH + НС1 = RN,C1 + Н,_О + </„ д .
где Уц.д. -тепло нейтрализации диазогидрата, ккал/г-мол .
Суммируя отдельные реакции-элементы, можно получить сум-
марное уравнение ( VIII, I) процесса диазотирования.
Перепишем приведенные выше реакции-элементы-.
RNH2 - НС1 = RNH2 4- НС1 —
NaNO, + HC1 = NaCl + HNO.t+ 3,45 ккал/г-мол
RNH2 + HONO = RN2OH 4- H2O 4- qn
RN.3OH + HC1 = RN2C1 + H2O 4- <?„ ,л.
Сложив левые и правые части этих уравнений , после сокраще-
ния получим:
Тепловой баланс процессов
313
RNH2 - HCI + NaNO2 + HCI = RN2C1 + NaCl + 2H2O +
+ + <7и.д. — Ci.a. + 3,45 ккал/г-мол
Отсюда теплота реакции диазотирования (в ккал/г-мол) опре-
деляется так:
qv = г/д + у|| д. — <7,,..,. 3,45 ккал/г-мол (VIII, 10)
или
' 1 OOOG.c. л
Фр =----7р ккал (VIII, 11)
где Gl - вес загруженного ароматического амина, кг;
ct -содержание чистого вещества в исходном диазотируе-
мом сырье, вес. доли;
Л4]—молекулярный вес исходного амина;
т,—выход в реакции диазотирования, вес. доли.
При диазотировании с избытком нитрита в количестве й% от
теоретического при разложении NaNO.,_ выделится тепло, равное
(в ккал):
Qp G}ct- [qq gg---3,4э GLct • (VIII, 12)
Таким образом, общее количество тепла, выделяющегося при
диазотировании (в ккал) может быть выражено следующим ра-
венством:
Сз •-= Qp ' (?; =--^- (1000Wp + 34,53) (VIII, 13)
В табл. 10 приведены тепловые эффекты реакций-элементов
для наиболее широко распространенных первичных аромати-
ческих аминов и некоторых ароматических соединений, содержа-
щих первичную аминогруппу.
При отсутствии экспериментальных данных тепло диазотиро-
вания принимают по аналогии с известными величинами теплот
диазотирования.
Тепловой эффект процессов азосочетания. Тепловой эффект
этого процесса определяется как сумма теплот двух параллельных
реакций (а) и (б)
RN,C1 + HRY = RN2RY + HCI (а)
HCI + МеХ = НХ + MeCl (б)
и теплоты растворения продуктов сочетания.
Кроме этих двух реакций, в каждом отдельном случае необ-
ходимо учитывать и другие (побочные) реакции, если они проте-
каю!.
314 Гл. VIII. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
Таблица 10
Тепловой эффект реакций-элементов в процессах диазотирования
Тепловой эффект, ккал/г-мол
Исходные соединения а ’н.д. "д
/г-Толуидин 7,6 13,0 18,29
о-Анизидин 7,5 13,01 18,38
о-Толуидин 7,49 12,06 19,97
Анилин 7,4 11,68 18,52
Дианизидин ('/2 г-мол) 6,7 11,16 18,73
Бензидин (х/2 г-мол) 6,6 11,87 16, 89
п-Броманилин . 6,54 10,4 17,59
а-Нафтиламин 6,44 12,86 18,39
л<-Броманилин 6,41 10,15 16,73
Антраниловая кислота 5,96 10,0 17,46
31-Нитроанилин 5,9 10,0 14,18
р-Нафтиламин 5,3 — —
л-Аминобензойная кислота 5,22 8,61 17,0
Сульфаниловая кислота 3,15 8,5 15,01
Аминоазобензол 1 77 10 28 12,56
п-Нитроанилин I 81 80 13,53
о-Нитроанилин 1 ’,81 8,0 12,47
Тепло реакции (б) определяется просто, так как реагентами
являются неорганические вещества, теплоты образования которых
можно найти в любом справочнике физико-химических величин.
Теплоты реакций азосочетания могут быть определены путем
вычисления теплот образования азосоединений по их структурной
формуле (правило Караша), теплоты образования диазосоставляю-
щих можно найти по известным теплотам реакций диазотирования.
Этот метод недостаточно точен, так как тепловая поправка на
азогруппу меняется для различных соединений в довольно широ-
ких пределах и не является, по-видимому, такой же постоянной,
как тепловые поправки на другие заместители. Несмотря на это,
в расчетах пользуются указанным способом вычисления, един-
ственным в настоящее время.
Для сравнения теоретически вычисленных теплот диазотиро-
вания с некоторыми опытными данными целесообразно с ними
ознакомиться. Упомянутый В. В. Свентославский опубликовал
большое количество опытных данных о теплотах азосочетания
различных диазосоставляющих с 0-нафтолом. Как и для процес-
сов диазотирования, приведены данные о теплотах реакций-эле-
ментов, суммирование которых приводит к общему выражению
для процесса азосочетания и, следовательно, позволяет найти
его тепловой эффект.
,3. Тепловой баланс процессов
315
К таким реакциям-элементам относятся:
нейтрализация диазогидратов
RN2OH + НС1 = RN2C1 + Н2О +
азосочетание
RN2OH 4- HRY =RN2Y 4- H2O 4- 4
где 7И.Д. —тепло нейтрализации диазогидрата, к,кал!г-мол\
qc—тепло реакции азосочетания, ккал/г-мол.
Суммируя реакции-элементы, получаем общие уравнения,
выражающие процесс азосочетания
RN..C1 4- HRY = RN2RY 4- НС1
и его тепловой эффект (в ккал/г-мол):
J/p = Че — Чв.а.
(VIII, 14)
Пользуясь данными табл. И, легко можно вычислить тепло
реакции азосочетания по известным теплотам реакций-элементов.
Из этих данных видно, что теплоты азосочетания различных диазо-
соединений с одной и той же азосоставляющей довольно близки.
Следовательно, в технических расчетах (при полном отсутствии
необходимых термохимических данных) тепло сочетания диазо-
соединенип с оксипроизводными можно принимать по аналогии
с данными табл. 11.
Таблица 11
Тепловой эффект реакций-элементов в процессах азосочетания с (3-нафтолом
Диазотированные амины Тепловой ффе кт, K.K.ajt г-мол
qn. д.
т ’ п-Чолуидип .... 30,65 । 13,0
о-Анизидин . 34,06 13,01
о-Толуидин 30,43 12,06
Анилин 30,94 11,68
Дианизидин (1/2 г-мол) 29,94 11,16
Бензидин (V., г-мол) 30,34 11,87
л-Броманилии , . . . . 33,63 10,4
-Нафтила мин 30,89 12,86
.и-Броманилин 34,96 10,15
Антраниловая кислота 38,41 10,0
леНитроанилин 34,29 10,0
ц-Аминобензойная кислота 40, 71 8,6
Сульфаниловая кислота 34,47 8,5
п-Аминоазобснзол 36,48 10,28
п-Нитроанилин 35,19 8,0
316 Гл. VII!. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
Чтобы выяснить влияние химических свойств азосоставляю-
щей на величину теплоты азссочетания, А. Н. Плановскнй, пользуясь
опытными значениями теплот сгорания некоторых азосоединений
(оксиазобензол, и-аминоазобензол, хризоидин, бензолазоанизол,
бензолазофенетол), вычислил по закону Гесса тепло азосочета-
ния хлористого фенилдиазония с фенолом, анилином, л-фенилен-
диамином, анизолом и фенетолом. Результаты этих вычислений
приведены ниже:
Азосоставляющие Тепло
азосочетания
ккал/г-мол
Фенол.............................. 23,2
Анилин............................. 30,8
Фенилепдпамин .... 34
Анизол............................. 54,2
Фенетол............................ 70,2
Примечание. При вычислениях тепло обра-
зования хлористого фенилдиазония было принято
равным 45,4 ккал/г-мол.
При рассмотрении приведенных данных можно установить
следующие основные положения. Тепло сочетания диазосоедине-
ний в большой степени зависит от химических свойств азосостав-
ляющей. По величине тепла азосочетания азосоставляющие, по-
видимому, могут быть разделены на четыре группы: оксисоедине-
ния, амины, алкилированные оксисоединения и алкилированные
амины. В пределах каждой из этих групп теплоты сочетания из-
меняются в сравнительно узких пределах. Например, тепло соче-
тания хлористого фенилдиазония с ^-нафтолом весьма незначи-
тельно отличается от теплоты сочетания его с фенолом, теплоты со-
четания одного и того же диазония с анилином и лг-фенилен-
диамином также мало отличаются. Поэтому в расчетах при от-
сутствии опытных данных теплоты сочетания могут быть приняты
постоянными.
Теплоты сочетания диазосоединений с аминами превышают
теплоты азосочетания их с оксисоединениями примерно на
10 ккал (теплоты сочетания с оксисоединениями колеблются в
пределах 20—25 ккал/г-мол, теплоты сочетания с аминами опре-
деляются величиной 30—35 ккал/г-мол).
При сочетании с алкилированными фенолами и аминами вы-
деляется большее количество тепла, чем при сочетании с неалкили-
рованными соединениями. Однако дать числовую характеристику
увеличения теплоты сочетания алкилированных соединений по
сравнению с неалкилированными не представляется возможным
вследствие явной недостаточности имеющихся опытных данных.
Тепловой эффект процессов нитрозирования. Тепло реакции
нитрозирования в большинстве случаев не может быть вычислено
3. Тепловой баланс процессов
317
по методу Караша, так как тепловая поправка на нитрозогруппу
NO колеблется в весьма широких пределах в зависимости от за-
местителей, имеющихся в ядре ароматического углеводорода.
Кроме того, часто представляется затруднительным определить
строение продуктов нитрозирования в момент их образования. Как
известно, этим продуктам приписываются формы нитрозосоедине-
ний и оксимов. Поэтому при определении теплового эффекта про-
цесса нитрозирования следует пользоваться опытными данными,
опубликованными для наиболее распространенных нитрозируе-
мых веществ. Судя по этим данным, можно считать, что теплоты
реакций нитрозирования, приводящих к образованию идентич-
ных по строению нитрозопродуктов, примерно одинаковы и,
следовательно, метод Караша применим в каких-то узких
пределах. Так, теплоты реакций нитрозирования Р-нафтола
и диметиланилина почти одинаковы:
р-С10Н7ОН (тв.) + HONO (раств.) ==
= CJ0H0(NO) (ОН) (тв.) -К Н2О + 32,49 ккал/г-мол
CcH5N(CH3)2 (жидк.) -f- HONO (раств.) =
— C(iH4(NO)N(CH3)., (тв.) + Н,_О 4- 33,65 ккал/г-мол
Следует отметить, что теплоты нитрозирования вообще близки
к теплотам сочетания и зависимость их от различных факторов
подчиняется примерно тем же закономерностям, которые были
отмечены при рассмотрении теплот азосочетания.
Ниже приведены экспериментально найденные теплоты сгора-
ния наиболее распространенных нитрозосоединений:
Нитрозососдиноиня
п-Нитрозофенол..........
а-Нитрозо-а-нафтол......
р-Нитрозо-а-нафтол ....
а-Нитрозо-р-нафтол ....
Дифепилкетокспм.........
/г-Нитрозодифенпламип . . .
Д1Шптрозс1резор((ин (твердый)
Пользуясь этими данными, легко вычислить тепло образова-
ния нитрозосоединеиий и, следовательно, определить обычным
методом тепло реакции нитрозирования.
На практике иногда приходится вычислять теплоты реакций
образования нитрозаминов, образующихся при нитрозировании
вторичных ароматических или жирноароматических аминов или же
при перегруппировке диазосоедипений. В этих случаях теплоту
Теплоты
сгорания
ккал/г-мол
713.5
1163,5
1167,4
1166,7
1626,8
1526,9
528.5
318 Гл. VIII. Аппаратура нитрозирования, диазотирования и азосочетания
реакции рекомендуется брать только по опытным данным или
определять по экспериментально найденным значениям теплоты
сгорания, хотя и здесь, по-видимому, могут быть установлены
некоторые закономерности. Например, теплоты нитрозирования
большинства жирноароматических вторичных аминов одинаковы,
как и теплоты нитрозирования вторичных ароматических аминов
(по данным В. В. Свентославского):
C6H5NHC2H5 (жидк.) + HONO (раств.) =
этиланилин
= CeHbN(NO)C2H5 + Н2О + 17,69 ккал/г-мол
₽-C1(lH7NHC2Ha (жидк.) + HONO (раств.) =
этил-0-нафтиламин
= |3-C10H7N(NO)C2H5 -|-Н.,0 -Ь 17,85 ккал1г-м.ол
C6H6NHC3Ha (тв.) + HONO (раств.) —
дифениламин
= C6H,.N(NO)CeHs (тв.) + Н2О + 13,99 ккал/г-мол
ГЛАВА IX
АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ ЩЕЛОЧНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
И ЗАПЕКАНИЯ
1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССАХ ЩЕЛОЧНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
И ЗАПЕКАНИЯ
Рассмотрение процессов щелочного плавления и запекания
(сульфидирования, или осернения), различных по - химической
сущности, мы сочли возможным объединить вследствие некоторой
общности условий их проведения и аналогичности конструкций
применяемых аппаратов.
Щелочное плавлен и е—процесс взаимодействия ме-
таллических солей ароматических сульфокислот со щелочами,
приводящий к замещению сульфогруппы SO3H гидроксильной
группой ОН. Исходным органическим сырьем в процессах щелоч-
ного плавления являются металлические (главным образом нат-
риевые) соли сульфокислот (бензолсульфонат натрия, нафталин-
сульфонат натрия, натриевые соли нафтиламинсульфокислот,
антрахинонсульфокислот и т. д.), применяемые в виде растворов,
паст и сухих веществ. Неорганическим сырьем, участвующим в
этих процессах, являются щелочи (едкий натр, едкое кали, окись
кальция и др.), применяемые в виде растворов или расплавов.
Обозначив металлические соли сульфокислот символом
RSO.Me, а продукты щелочного плавления символом ROMe,
суммарное уравнение процесса щелочного плавления можно пред-
ставить в следующем виде:
R(SO3Me)x + 2хМеОН = R(OMe) х + xMe2SO3 + хН2О (IX, 1)
где х—число сульфогрупп, замещаемых в процессе плавления
гидроксильными группами.
Сульфидированием, или запеканием, назы-
вается процесс взаимодействия замещенных ароматических угле-
водородов (главным образом аминов и оксисоединений) с серой или
сернистыми неорганическими веществами, приводящий к образо-
ванию серосодержащих органических соединений. Строение
320 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
продуктов сульфидирования до настоящего времени достаточно
точно не установлено, поэтому не представляется возможным
написать стехиометрическое уравнение процесса и вывести его
основные материальные и термические соотношения.
К числу органических полупродуктов, подвергаемых сульфиди-
рованию, относятся динитрохлорбензол, нитронафталины, бен-
зидин, толуидин, п-аминофенол, нафтиламин, нитрозофенол и
т. д. В процессах сульфидирования все эти вещества превращаются
в сернистые красители, и процесс сульфидирования считается
одним из важнейших методов получения красителей.
Сульфидирующими агентами в подавляющем большинстве
случаев служат молекулярная сера, сернистый натрий и поли-
сульфиды натрия.
Аппаратура процессов щелочного плавления и сульфидирова-
ния. Наиболее важными процессами и операциями, с которыми
связано проведение щелочного плавления и сульфидирования в
технике, являются: приготовление растворов щелочей, сернистого
натрия и полисульфидов натрия, растворение, или гашение,
полученных плавов, осаждение сернистых красителей, их филь-
трование, сушка, размол и установка «на тип». Кроме того, в про-
изводствах, связанных с сульфидированием, проводится поглоще-
ние сероводорода, выделяющегося при этом процессе.
В технике щелочного плавления и сульфидирования при-
меняется следующая аппаратура: аппараты для растворения
сернистого натрия и щелочей, реакционная аппаратура для
процессов плавления и запекания, аппараты для гашения и рас-
творения плава (гасители и растворители), аппаратура для под-
кисления продуктов плавления, фильтры (преимущественно фильтр-
прессы), сушилки, размольные машины (преимущественно дисмем-
браторы и дезинтеграторы), смесительная аппаратура (смеси-
тельные барабаны) и аппаратура для абсорбции сероводорода.
Для растворения щелочей и сернистого натрия применяются
аппараты, описанные в главе VII (стр. 274); устройство фильтров,
сушилок, размольных машин и смесительных барабанов известно
читателю из курса «Основные процессы и аппараты химической
технологии». Поэтому в данной главе рассматривается лишь ап-
паратура, предназначенная для проведения собственно процес-
сов щелочного плавления и запекания, а также, для гашения и
растворения плавов.
2 АППАРАТЫ ДЛЯ ЩЕЛОЧНОГО ПЛАВЛЕНИЯ И ЗАПЕКАНИЯ
В технике применяются следующие методы щелочного плавле-
ния и сульфидирования: 1) плавление в открытых аппаратах при
атмосферном давлении, 2) плавление в аппаратах с обратными
холодильниками, 3) плавление под давлением, 4) запекание
2. Аппараты для щелочного плавления и запекания
321
твердых порошкообразных ингредиентов. В зависимости от ме-
тода в процессах щелочного плавления и запекания перерабатыва-
ются жидкие или твердые (сыпучие) вещества.
Применение первых трех методов связано с переработкой
жидкостей; по четвертому методу перерабатываются твердые сы-
пучие материалы, вследствие чего для плавления и запекания
пригодны аппараты типов Ve—VdnVIa—Viz (рос. 1, стр. 17).
Консистенция реакционной массы в этих процессах различ-
на, в зависимости от характера обрабатываемых веществ и усло-
вий процессов. В процессах щелочного плавления при атмосферном
давлении реакционная масса может представлять собой жидкость
и.тн суспензию различной консистенции—достаточно подвижную
или вязкую, или тестообразную массу, в зависимости от свойств
сплавляемых веществ. Так, при плавлении бензолсульфоната
натрия образуется жидкая подвижная реакционная масса, ко-
торую можно размешивать мешалкой любого типа. В процессе
плавления Р-нафталинсульфоната натрия получается довольно
вязкая жидкая реакционная масса, размешивание которой воз-
можно лишь мощными лопастными или якорными мешалками.
Плавление большинства натриевых солей нафтиламинсульфокислот
приводит к образованию тестообразной реакционной массы, пере-
мешивание которой обеспечивается только якорными мешалками
с узкими лопастями. Во всех процессах плавления, проводимых
под давлением, получается жидкая, подвижная реакционная мас-
са, перемешиваемая мешалками любого типа.
В процессе сплавления с сульфидирующими агентами (рас-
творы сернистого натрия или полисульфидов натрия) реакцион-
ная масса имеет консистенцию достаточно подвижной жидкости
или суспензии, с небольшим содержанием твердых частиц; в этих
случаях для размешивания пригодны мешалки любого типа. Про-
цессы сульфидирования, проводимые под давлением, также при-
водят к образованию достаточно подвижной реакционной массы.
При сульфидировании методом запекания, которое проводится
с участием молекулярной серы, как и в процессах щелочного
плавления, проводимого методом запекания, получаются твер-
дые продукты реакции или жидкие, но настолько вязкие, что раз-
мешивание реакционной массы иногда становится невозможным.
Следует отметить, что в процессах щелочного плавления и
запекания не требуется интенсивное перемешивание, так как в
данном случае оно не является фактором, способствующим взаимо-
действию ингредиентов. Перемешивание используется в этих
процессах для некоторого улучшения условий их проведения—для
очистки стенок аппарата от налипающей на них массы и суспен-
дирования незначительного количества твердых взвешенных ча-
стиц—и позволяет предотвратить местные перегревы и пригора-
21—2277
322 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
ние реакционной массы. Поэтому реакционную аппаратуру в ряде
случаев снабжают мешалками, обеспечивающими неэнергичное
перемешивание массы.
Температура процессов щелочного плавления и запекания
колеблется в пределах 150—450° и в реакционной массе часто
присутствует значительное количество воды. Это обуслов-
ливает возможность проведения указанных процессов различ-
ными методами. В процессе, проводимом при атмосферном давле-
нии, из реакционной массы испаряется значительное количество
воды; следовательно, требуемая температура в аппарате может
быть достигнута лишь после окончания испарения, т. е. в резуль-
тате подвода больших количеств тепла. Если же процесс проводит-
ся под давлением, требуемая температура достигается гораздо
быстрее и с меньшей затратой тепла.
Запекание, протекающее при участии безводных веществ, по
скорости нагрева и расходу тепла приближается к процессам,
проводимым под давлением.
Необходимо подчеркнуть, что методы щелочного плавления и
сульфидирования под давлением имеют ряд существенных до-
стоинств. Щелочное плавление малоконцентрированных растворов,
под давлением протекает более гладко вследствие большей под-
вижности реакционной массы и с большим выходом, по-
скольку в закрытых аппаратах продукты плавления не окис-
ляются на поверхности реакционной массы, соприкасающей-
ся с воздухом. Сульфидирование под давлением протекает быстрее,
при этом получаются менее загрязненные и’более концентрирован-
ные красители и снижается расход полисульфида, так как он не
затрачивается на окислительные процессы, возникающие при со-
прикосновении реакционной массы с воздухом. В соответствии с
температурными интервалами процессов плавления и запекания
(150—450°) рекомендуются следующие источники тепла и тепло-
носители: пар высокого давления, топочные газы, перегретая
вода, пары высококипящих жидкостей, электрический ток.
Процессы щелочного плавления и запекания протекают с вы-
делением довольно большого количества тепла, однако если они
проводятся при атмосферном давлении, необходимо не охлажде-
ние, а нагревание реакционной массы для испарения воды, тре-
бующего большого расхода тепла.
Рассматриваемые процессы при достаточно высокой темпера-
туре протекают с очень большой скоростью. Время, необходимое
для завершения процесса, практически зависит от скорости подвода
к реакционной массе тепла, которое расходуется на испарение воды
и нагревание ингредиентов до требуемой температуры. Поэтому
аппаратура должна иметь развитую поверхность нагрева и конст-
руировать эти аппараты следует с учетом возможности максималь-
.2. Аппараты Аля щелочного плавленая и запекания 323
ной интенсификации теплообмена. С этой точки зрения процессы иод
давлением и метод запекания (переработка безводных ингредиен-
тов) имеют большие преимущества по сравнению с прочими
методами щелочного плавления, потому что при щелочном плавле-
нии под давлением и при запекании не происходит испарения
воды и, следовательно, расход тепла при проведении процесса
минимален.
Реакционная масса, перерабатываемая в аппаратах для ще-
лочного плавления, имеет щелочной .характер. 1< воздействию
щелочных сред устойчивы сталь и чугун, особенно легирован-
ные. Вследствие высокой температуры процессов щелочного плав-
ления износ чугунных и стальных аппаратов увеличивается.
Присадка хрома повышает жаростойкость и прочность чугунных
отливок, присадка никеля увеличивает их щелочеустойчивость.
Реакционная масса, образующаяся в процессах сульфидиро-
вания, по химическим свойствам соответствует растворам щелочи,
сернистого натрия или полисульфпдов натрия. Органические
соединения, содержащиеся в реакционной массе, при выборе ма-
териала аппаратуры можно не принимать во внимание, так как
воздействие их на металлические детали аппаратов весьма не-
значительно. Как показывает опыт действующих заводов, ап-
параты из черных металлов в большинстве случаев достаточно
стойки к действию растворов щелочей, сульфидов и полисульфи-
дов натрия и могут служить в течение 2—7 лет при условии более
частой замены некоторых быстроизнашивающихся деталей.
Более сильному коррозионному воздействию подвергаются час-
ти аппаратов, непосредственно соприкасающиеся с газовой фазой.
Газовая фаза над реакционной массой очень часто содержит NH3 и H2S.
По химическому действию сероводород в присутствии влаги может
быть приравнен к кислотам; поэтому детали аппаратов, которые
непосредственно соприкасаются с газообразным H2S, изнашивают-
ся быстрее, чем детали, соприкасающиеся главным образом с реак-
ционной массой. Особенно заметно усиливается коррозионное дей-
ствие сероводорода при высокой температуре. В этих условиях наи-
более быстро разрушаются те части аппаратуры, которые также
соприкасаются с газовой фазой.
Резюмируя изложенное, можно сделать вывод, что для процес-
сов щелочного плавления и запекания наиболее пригодны реакци-
онные аппараты следующих типов:
1) аппараты, работающие при атмосферном давлении, в виде
котлов с мешалками соответствующей конструкции (эти аппараты
называются в технике плавильными и варочными котлами);
2) аппараты, работающие при атмосферном давлении и при-
меняемые при обработке твердых ингредиентов;
3) аппараты, работающие под давлением.
21
324 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
Здесь будут рассмотрены лишь два первых типа аппаратов.
Аппараты третьего типа (работающие под давлением) неспецифич-
ны для процессов щелочного плавления и сульфидирования и
описываются отдельно в главе XI.
Плавильные и варочные котлы
В производстве многотоннажных полупродуктов едкий натр
плавят в отдельных котлах, полученный плав передают в котлы
для щелочного плавления солей ароматических сульфокислот.
Такое разделение операций позволяет интенсифицировать работу
плавильных котлов.
Котел для плавки едкого натра (рис. 180), смонтированный
I - I
Рис. 180. Котел для плавления сухого едкого натра:
/ —кладка печи; 2—погружной центробежный насос; 3—штуяер для аагруз-
км; /—течка: 5—вагонотка; б-—подъемник.
Плавильные и варочные котлы
325
в кладке печи и обогреваемый топочными газами, имеет сфери-
ческие днище и крышку.
В крышке установлен погружной центробежный насос для
перекачивания расплава. Для удлинения срока службы погруж-
ных насосов их иногда подвешивают на специальных тельферах
и опускают в выпарной котел только на время перекачивания
расплава.
Предварительно раздробленный или чешуйчатый едкий натр
загружается в аппарат по течке 4 через штуцер 3 при помощи
скипового подъемника 6. В некоторых крупнотоннажных про-
изводствах с суточным расходом едкого натра , достигающим
нескольких десятков тонн, для механизации загрузочных опера-
ций применяется 42%-ный раствор едкого натра, который пред
ва,рительно упаривают в обычной вакуум-выпарной установке
до концентрации 65—70% NaOH. Дальнейшее, упаривание ведут
в чугунных выпарных котлах. Однако выпаренный раствор ще-
лочи, температура которого достигает 270° (и выше) .вызывает
усиленную точечную и интеркристаллитную коррозию металла ,
в результате которой чугун приобретает хрупкость.
Срок службы плавильных и выпарных котлов существенно
зависит от равномерности их обогрева, поэтому но избежание
местных перегревов предусматривается тщательное перемеши-
вание топочных газов. Продолжительность срока службы кот-
лов, изготовленных из низколегированного чугуна, удается уве-
личить до 2—3 лет.
Плавильные котлы, применяемые для процессов щелочного
плавления, имеют различную конструкцию в зависимости от
консистенции реакционной массы. Если образуется достаточно
подвижный плав, как, например, в производстве фенола и 2-наф-
тола, устанавливают чугунные котлы емкостью 5000—7000 л.
Лучше применять легированный чугун с присадкой никеля и
хрома. Срок службы плавильных котлов существенно зависит
также от организации загрузки, при которой должна быть ис-
ключена возможность попадания едкого натра непосредственно
на стенки котла. Для этого расплавленный едкий натр перека-
чивают в котсл, содержащий остаток плава от предыдущей опе-
рации. Чтобы предотвратить осаждение продуктов реакции на
стенках котла, которое приводит к ухудшению теплопередачи и
преждевременному износу стенок аппарата, плавильные котлы
снабжают чугунными яко рными мешалками, прилегающими к
дну п стенкам котла. Такие мешалки делают 60—80 об/мин.
Плавильные котлы снабжают герметизированными крышка-
МП, Затрудняющими доступ воздуха внутрь аппарата .чтобы
предотвратить окислительное действие, кислорода воздуха па.
плав.
326 Гл, IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
кои и днищем, снабженный
Рис. 181. Плавильный котел
для вязкой массы.
В крышке котла монтируются: люк для установки венти-
ляционной трубы (через нее отсасываются пары воды, вно-
симой в аппарат с сырьем и выделяющейся в ходе реак-
ции), штуцеры для загрузки сырья, для установки гильзы тер-
мометра и для патрубка, через который загружают жидкий
едкий натр. В данном случае консистенция реакционной
массы такова, что возможно эвакуировать плав из котла
через нижний штуцер. Котел обогревается топочными га-
зами, получаемыми при сжигании мазута или генераторного
газа.
Более интенсивный теплообмен достигается при применении
паров ВОТ.
Для плавления солей нафтиламиисульфокислот и других
веществ, образующих в данном процессе массу тестообразной
консистенции, применяются плавильные котлы, сходные по кон-
струкции с аппаратом, изображенным на рис. 181.
Он представляет собой чугунный котел со сферическими крыш-
якорной мешалкой, которая при вра-
щении почти касается стенок кот-
ла, что предотвращает налипание
на них реакционной массы.
При щелочном плавлении нат-
риевой соли щ-дисульфокислоты
бензола в производстве резорци-
на увеличение его выхода может
быть достигнуто в случае замены
водного раствора NaOH сухим
едким натром. Этот процесс изве-
стен под названием процесса
сухого плавления. Осо-
бая трудность его аппаратур-
ного оформления заключается в
том, что в ходе процесса несколь-
ко раз меняется консистенция
реакционной массы. Загружаемая
в аппарат смесь представляет
собой порошкообразное вещество,
при 210—220° образуется тягучая
пластичная масса, разжижаю-
щаяся при температуре выше
220°, при 2903 она загустевает в
тестообразную массу, которая по-
степенно превращается в порошкообразный продукт, при 310°
сноваJобразуется тестообразная масса и при 340° получается
порошкообразное вещество. Такие изменения обусловлены про-
Плавильные и варочные котлы
327
теканием процесса плавления в несколько стадий: вначале одна
сульфогруппа замещается гидроксильной группой и из реак-
ционной массы отгоняется выделившаяся вода, затем гидрокси-
лом замещается вторая
сульфогруппа и из ре-
акционной массы снова
отгоняется выделившая-
ся вода.
На рис. 182 пока-
зан аппарат для прове-
дения процесса сухого
плавления. Он пред-
ставляет собой выпол-
ненный из стального
литья котел 1, снаб-
женный электрообогре-
вом 3 и термоизоля-
цией 6. Мешалка 2,
укрепленная в подпят-
нике 4, вращается со
скоростью 20 об/мин.
Аппарат снабжен мощ-
ным приводом (мощ-
ность электродвигателя
64 кет), что обуслов-
лено трудностью разме-
шивания реакционной
массы в процессе сухо-
го плавления. Вес ис-
ходных веществ, за-
гружаемых в плавиль-
ный аппарат, составля-
ет 1850 кг. В нижней
части аппарата распо-
ложено выгрузочное ус-
тройство 5.
Перспективно при-
менение непрерывного
метода щелочного плав-
Рис. 182. Котел для сухого плавления:
/—котел из стального литья; 2—мешалка; <?—электро-
обогрев; 4—подпятник; .5-—внгрузо чное устройство; 6—
термоизоляция.
леиия. Разработка этого метода связана с трудностями, вы-
зываемыми высокой вязкостью реакционной массы и необхо-
димостью ведения процесса при высокой температуре. Б. Е. Берк-
маном с сотрудниками были испытаны две конструкции непрерыв-
нодействующих опытных аппаратов для щелочного плавления:
аппарат шнекового типа и аппарат емкостного типа. Первый пред-
328 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
ставляет собой горизонтальный цилиндр, внутри которого вра-
щается шнек. Обогрев аппарата производился парами ВОТ, по-
даваемыми в рубашку цилиндра и в полый вал шнека. Второй
аппарат (емкостного типа) был вы-
Рис. 183. Котел для плавки в
производстве сернистых краси-
телей.
полнен в виде двух цилиндрических
сосудов, соединенных между собой
перетоком. Сосуды снабжены рубаш-
ками для обогрева реакционной мас-
сы расплавом солей (смесь нитрита
натрия и нитратов натрия и калия).
Размешивание плава в аппаратах
осуществлялось пропеллерными ме-
шалками. В аппараты непрерывно
загружалась сухая размолотая смесь
едкого натра и натриевой соли бен-
золсульфокислоты, поверхность пла-
ва была защищена от действия воз-
духа азотной или паровой подуш-
кой. Испытания дали положитель-
ные результаты и показали воз-
можность увеличения производи-
тельности аппаратов в 2—4 раза при
переходе на непрерывный’метод ще-
лочного плавления.
В производстве сернистых кра-
сителей на стадии осернения в ка-
честве варочных котлов устанавли-
вают типовые стальные котлы с про-
пеллерной мешалкой и паровым
змеевиком. Если реакционная масса
становится в этой стадии вязкой,
варочные котлы снабжают рубаш-
ками и якорными мешалками, так
как другие способы оформления
поверхности теплообмена и другие размешивающие устройства
здесь непригодны. Примером варочного котла такого типа может
служить аппарат, показанный на рис. 183.
Аппараты для запекания
В настоящее время метод запекания используется в промышлен-
ности главным образом при сульфидировании. Для проведения
этого процесса обычно применяют аппараты, обогреваемые пере-
гретой водой.
Аппарат для запекания, изображенный на рис. 184, представ-
ляет собой котел из легированного чугуна с плоским днищем и
Аппараты для запекания
329
сферической крышкой. В стенки котла залиты'стальные цельно-
тянутые трубы, рассчитанные на давление около 400 am, в которых
циркулирует перегретая вода (теплоноситель). Котел снабжен
мощной мешалкой 1 с несколькими сошниками 2, мешалка вра-
щается со скоростью 6—12 об/мин.
Рис.
184. Аппарат для запекания сернистых красителей:
/—мешалка; 2—сошники; 3—отверстие для выгрузки плава.
Подъем и опускание мешалки производятся при помощи спе-
циального механизма.
В аппараты для запекания обычно загружают еще жидкую
реакционную массу, полученную в плавильном котле, и' на-
гревают при размешивании до более высокой температуры.’ По
мере нагревания и удаления воды плав загустевает и размешива-
330 Г.1. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
ние его становится затруднительным. С момента сильного загусте-
вания запекание проводится без перемешивания'с поднятой мешал-
кой. По окончании процесса запекания твердую реакционную
массу «распахивают», приводя мешалку во вращение и медленно
перемещая ее вниз. Разрыхленный таким способом плав эвакуи-
руется из аппарата при работающей мёшалке через отверстие 3,
имеющееся в днище.
3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ЩЕЛОЧНОГО ПЛАВЛЕНИЯ
Общее уравнение теплозого баланса. В настоящем разделе
будет рассмотрен лишь тепловой баланс процессов щелочного
плавления (тепловой баланс плавильных котлов). Из-за отсутствия
данных о тепловом эффекте процессов сульфидирования составле-
ние теплового баланса этого процесса не представляется возмож-
ным.
По характеру тепловых процессов работа плавильных котлов
может быть разделена на две самостоятельные стадии: расплавление
твердого едкого натра (или упаривание его растворов) и собствен-
но щелочное плавление. Уравнение теплового баланса стадии рас-
плавления или упаривания раствора едкого натра можно напи-
сать следующим образом (по аналогии с уравнениями тепловых
балансов всех реакционных аппаратов):
Qi + Qz — Qa -- (2i + Qs + Qe, (IX, 2)
где Qj—тепло, подводимое теплоносителем, ккал;
Q.2—тепло, поступающее с реагентами, ккал;
Qa—тепло, расходуемое на расплавление или упаривание
раствора едкого натра, ккал;
Q4—тепло, содержащееся в реакционной массе, ккал;
Q5—тепло, расходуемое на нагревание аппарата, ккал;
Qu—тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду, ккал.
Тепловой эффект процессов щелочного плавления. Рассмотрим
методы вычисления величины Q3, т. е. тепла, расходуемого на
расплавление или упаривание раствора едкого натра. Методы
определения остальных величин, входящих в уравнение (IX, 2),
являются общими для всех реакционных аппаратов.
Если в процессе щелочного плавления применяется твердый
едкий натр, то первой стадией процесса является его расплавление.
В данном случае величина Q3 определяется обычным уравнением:
= 6?<711Л.
где G—вес расплавляемого едкого натра, кг;
<7ПЛ.—теплота плавления едкого натра (40 ккал!кг).
3. Тепловой баланс процессов
331
Если же щелочное плавление проводится в открытых котлах
с применением раствора едкого натра, который подвергается пред-
варительному упариванию, определение Q3 сводится к
вычислению теплоты испарения воды из щелочного раствора.
Эго вычисление может быть сделано по методу, описанному в
Рис. 185. Диаграмма для определения теплоты упаривания
растворов NaOH.
специальной диаграммой (рис. 185). На оси ординат этой диаграм-
мы показано количество тепла, необходимое для обезвоживания
раствора едкого натра данной концентрации; на оси абсцисс—
концентрация едкого натра.
Расход тепла (в ккал), требуемого для упаривания раствора
NaOH, имеющего концентрацию q, до концентрации е2 опре-
деляется ио формуле::
Q.= (IX, 3)
где G—вес обезвоживаемого едкого натра, кг 100%-ного
NaOH;
и <?.,—тепло, затраченное на обезвоживание раствора NaOH
до концентрации соответственно с, и с.г, ккал)кг NaOH
(находят по диаграмме).
В тех случаях, когда расплавление твердого едкого натра
сопровождается смещением его с небольшим количеством воды,
учитывают также теплоту смешения едкого натра с водой по ме-
тоду, описанному ниже.
Для процесса собственно щелочного плавления справедливо
уравнение (IX, 2), однако величина Q3 (тепловой эффект реакции)
имеет в нем положительное значение:
Qi + Qi + Q-з = Qi 4- Q& + Qe
332 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
Величина Q3 (в ккал), входящая в это уравнение, слагается
из тепла реакции Qp и тепла изменения концентрации щелочного
агента <2ш, минус тепло QH испарения воды в процессе, проводимом
в открытых котлах:
Q3 = QP + <2uk-QH (IX, 4)
Тепло реакции цр, отнесенное к 1 молю исходных реагентов,
может быть вычислено по закону Гесса в соответствии с уравне-
нием (IX, 1 ):
</р ~ 7 и 7 с + ХС/№25О;1 4- Х<7нгО — 2x</NaOH (IX, 5)
где q„—тепло образования фенолята (нафтолята и др.),
ккал/г-мол-,
qt—тепло образования натриевой соли органической
сульфокислоты, ккал/г-мол',
<7Naasoa—тепло образования сульфита натрия (262 ккал/г-мол);
7н2о—тепло образования воды (69 ккал/г-мол)-,
7иаон—тепло образования 100%-ного твердого едкого натра
(102,7 ккал/г-мол)-,
х—число сульфогрупп в молекуле органического соеди-
нения, замещенных гидроксильными группами в про-
цессе щелочного плавления.
Подставляя числовые значения теплот образования в уравне-
ние (IX, 5), получим окончательный вид формулы для определе-
ния <7р:
7Р = 7и—7с+125,6х (IX, 6)
Теплоты образования фенолятов, нафтолятов и других окси-
производных, атом водорода которых замещен атомом натрия
или калия, приходится вычислять, пользуясь данными, приве-
денными в табл. 12. Определение теплот образования солей арома-
тических сульфокислот описано в главе IV (стр. 194 и сл.).
Гидроксильная группа в ядре ароматического углеводорода
по химическим свойствам соответствует свойствам слабой кислоты,
теплота нейтрализации которой в значительной степени зависит
от наличия других заместителей в молекуле данного соединения.
К заместителям, увеличивающим кислотные свойства гидроксиль-
ной группы, относятся С1 и NO.,, находящиеся в орто- и пара-
положении. Заместители, находящиеся в мета-положении к гидр-
оксильной группе, в большинстве случаев не оказывают влияния
на ее кислотные свойства.
К заместителям, понижающим кислотные свойства гидроксиль-
ной группы и уменьшающим теплоту нейтрализации окси-
'I. Тепловой баланс процессов
333
Таблица 12
Теплоты реакций нейтрализации фенолов и нафтолов
едким натром
Теплота реакции, ккал/г-мол
Г идроксисоединения реагенты и продукты ре- акции в рас- творе продукты реакции твердые реагенты и продукты ре акции твер- дые
Фенол С0Н5ОН .......................
Фенол С0НсОН (взаимодействие с КОН)
Хлорфенолы С1С0Н4ОН
орто- . ... . . .
пара- .......... ...............
мета- ....................
Нитрофеполы NO2N6H4OH
орто- .................. . ... .
пара-...........................
мета-...........................
Тринитрофенол C,;H2(NO2)3OH (взаимо-
действие с КОН)......................
Резорцин С6Н4(ОН)2..................
Пи|югаллол С,;Н3(ОН)3 ...........
Крезолы CH3CGH4OH . ................
орто-...........................
пара- ..........................
Нафтолы С10Н,ОН (крист.)
а- . . ... . . .
(1-................ ............
8,0 8,2 — 1,3 1, 1 7,3 12,4
9,3 12,6
8,9 — —
7,8 — —
9,3 11,1 16,0
8,9 6,2 12.7
8,4 6,3 11,3
13,7 23,7 29,0
8,2 —0,6 6,8
6,4 — 9,4
7,6
7,8 — —
2,8
2,3 — —
производных, относится большинство групп, ориентирующих
новые заместители в орто- и пара-положение (например, группы
ОН, СН,,).
Эти заместители оказывают заметное влияние, если на-
ходятся в орто- и пара-положении к гидроксилу, и почти не
оказывают влияния, находясь в мета-положении к гидроксиль-
ной группе.
Наиболее сильное влияние на теплоту нейтрализации гидр-
оксильной группы оказывают конденсированные ароматические
ядра, например ядро нафталина (см. табл. 12).
Пользуясь данными о теплотах взаимодействия ароматических
оксипроизводных со щелочами, можно найти тепло образова-
ния фенолятов, нафтолятов и др.
Напишем уравнение взаимодействия оксипроизводных со ще-
лочью:
ROH + МеОН = ROMe + Н2О
334 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
Для дальнейших расчетов введем следующие обозначения:
<?г—тепло образования оксипроизводного из элементов,
ккал1г-мол\
^7ме—тепло образования металлической соли оксипроизводного
из элементов, ккал/г-мол',
дп—тепло образования основания из элементов, ккал!г-мол,
qB—тепло образования воды из элементов, ккал/г-мол',
qH—тепло реакции нейтрализации, ккал!г-мол.
Теплота образования оксипроизводного (в ккал!г-мол), в
котором атом водорода оксигруппы замещен металлом, может
быть найдена по закону Гесса
7Ме = Яг + Яо + Ян ~~ Ян
если известны теплоты образования исходного оксисоедине-
ния, основания и воды и теплота реакции взаимодействия
оксисоединения с основанием (по табл. 12). Теплоты нейтрализа-
ции других оксипроизводных, не приведенных в табл. 12,
находят по аналогии, в соответствии с изложенными выше основ-
ными положениями и с учетом факторов, которые могут влиять
на величины теплот нейтрализации.
Приравниваемая к теплоте разбавления реакционной водой
теплота изменения концентрации щелочного агента, непрореаги-
ровавшего при щелочном плавлении едкого натра, может быть
вычислена при помощи диаграммы, представленной на рис. 186.
S !вО
90 ЮО
Рис. 186. Диаграмма для определения теплоты растворе-
ния щелочей в воде:
/—теплота растворения NaOH (тв.); 2—теплота растворения КОН (тв,)..
Тепловой баланс процессов
335
На оси ординат этой диаграммы нанесены теплоты растворения
в воде твердого едкого натра и едкого кали, на оси абсцисс—содер-
жание щелочей в растворе. Чтобы уяснить принцип пользования
диаграммой для определения теплот разбавления, рассмотрим
процесс щелочного плавления с точки зрения термохимии и закона
Гесса. Предположим, что в этом процессе принимает участие
только безводный едкий натр!это учитывается формулой (IX, 6)],
полученный из водного раствора. Для получения из раствора
безводной щелочи требуется затратить следующее количество
тепла (в ккал):
с/ = G\l/n
где —вес загруженного едкого натра, считая на 100%-ный
NaOH, кг;
<7n—теплота разбавления 100%-ного едкого натра до обра-
зования исходного раствора, ккал1кг NaOH.
По окончании процесса щелочного плавления непрореагировав-
ший едкий натр в количестве GK кг будет растворяться в воде,
образуя раствор концентрацией ск. Растворение едкого натра
сопровождается выделением тепла, количество которого (в ккал)
определяется выражением:
q" = G//K
где qK—теплота образования едкого натра в растворе концен-
трацией ск, ккал!кг NaOH.
Изменение концентрации ще. очного агента происходит с вы-
делением тепла:
= GKqK — Gn </n (IX, 8)
Тепло испарения'воды (в ккал) определяется обычным методом:
Qa = Wr
где W—количество воды, испаряющейся в процессе щелочного
плавления, кг;
г—тепло испарения воды, ккал/кг.
Тепловой эффект процесса щелочного плавления всего коли-
чества загруженных в аппарат веществ составит (в ккал):
Qa = Gc qP + GKqK -G^qx-Wr (IX, 9)
где Gc—вес загруженной натриевой соли сульфокислоты, кг;
М—молекулярный вес соли;
т]—выход на стадии щелочного плавления, вес. доли.
336 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
Тепловой баланс процессов щелочного плавления, проводи-
мых под давлением, отличается от теплового баланса плавильных
котлов отсутствием расхода тепла на испарение воды.
4 АППАРАТУРА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПРОДУКТОВ ЩЕЛОЧНОГО
ПЛАВЛЕНИЯ И ЗАПЕКАНИЯ
Дальнейшая обработка продуктов щелочного плавления и
запекания сводится к весьма несложным операциям. Плав, полу-
ченный в результате щелочного плавления, подвергают гашению
и подкислению, продукты
сульфидирования только под-
кисляют или подвергают
совместному подкислению
( кислотой и окислению (кис
лсродом воздуха) . Эти one?
рации легко могут быть про-
ведены в простейшей аппа-
ратуре.
Гашение плава обычно
производится в стальных
котлах (рис. 187), снабжен-
ных мешал к я ц а иногда
и охлаждающими змеевиками.
В котлы загружают рассчи-
танное количество воды, в
которую вьлвают плав Раз -
бавленный плав в ря де с пучаев
содержит осадок сульфита на-
трия. Его обычно отфильтро-
вывают на полуавтоматических
Рис. 187. Гаситель щелочного плава. или автоматических горизон-
тальных центрифугах, полу-
чая таким способом ценный товарный продукт. При этом сокра-
щается также расход кислот или сернистого газа на подкисление плава
и резко уменьшается содержание минеральных солей в отбросных
фильтратах. Подкисление разбавленного плава производится при
размешивании в стальных аппаратах-подкислителях, изнутри футе-
рованных диабазовыми плитками. Подкислители снабжаются свин-
цовыми змеевиками для охлаждения водой и фаолитированными
рамными мешалками, делающими 35—40 об/мин. Для подкисления
применяют сернистый газ, который поступает со специальной
станции для получения сернистого газа или непосредственно из
нейтрализаторов. Газ, вводимый в аппараты-подкислители через
фаолитовые барботеры, поглощается нейтрализуемым щелочным
4. Аппаратура для обработки продуктов плавления и запекания
решеток, а также внутренние
I
раствором. Процесс подкисления проводят как периодическим,
так и непрерывным методом.
Для охлаждения влажного сернистого газа используют свин-
цовые холодильники, лучше применять холодильники с трубами
нз графитовых материалов.
Конструкция графитового холодильника, имеющего поверх-
ность теплообмена 30 м2, представлена на рис. 188. Кожух хо-
лодильника стальной, трубные решетки также выполняются из
стали. В решетках просверливают отверстия, диаметр которых на
1 мм больше диаметра труб, зазор заполняют арзамитовой замаз-
кой. Наружные стороны трубных
поверхности днища и крышки
покры чают слоем арзамитовой
замазки толщиной 20 мм. Опи-
санный холодильник в два раза
легче свинцового (2 m вместо
1 mj. Продолжительность службы
холодильников с трубами из гра-
фитовых материалов в два раза
превышает срок службы свинцо-
вых холодильников в одинаковых
условиях эксплуатации.
Несложные "по конструкции,
аппараты для растворения и под-
кисления плавов, полученных в
Результатесульфидирован им, и
аппараты для. осаждения серни-
стых красителей более подробно
рассматривать нецелесообразно.
-)ти аппараты обычно выпол-
няются в виде стальных, или чу-
гунных вертикальных цилиндри-
ческих котлов, снабженных ме-
шалками соответствующего типа,
змеевиками или рубашками и
барботерами для ввода пара или
воздуха.
Процессы сульфидирования и
дальнейшая обработка продук-
тов сульфидирования сопровождаются выделением сероводорода,
который необходимо направлять на абсорбцию, чтобы предотвра-
тить загрязнение воздуха в производственных помещениях и
вблизи от них.
Отходящие из аппаратов сероводородные газы значительно
разбавлены воздухом, содержание сероводорода в отходящих
*.0/1 С//'Г)
Рис. 188. Холодильник с труба-
ми из .ЛТМ для влажного сер-
нистого газа:
/—верхняя крышка; 2, 6—трубные ре-
шетки; 3—кожух; 4— грубы; .5—ниж-
няя крышка.
22-2277
338 Гл. IX. Аппаратура процессов щелочного плавления и запекания
газах колеблется в широких пределах: от 2,5 до 270 мг!л (в
среднем 40 мг/л).
Вполне удовлетворительная очистка газов достигается путем
поглощения сероводорода растворами щелочи. При абсорбции
сероводорода водой не удается очистить газы в такой степени,
чтобы возможно было удаление их в атмосферу.
В процессе абсорбции H2S раствором едкого натра получается
раствор сернистого натрия, используемый далее для процессов
сульфидирования. Поэтому желательно, чтобы поглотительный рас-
твор имел такую концентрацию NaOH, при которой мог бы обра-
зоваться раствор сернистого натрия требуемой концентрации.
Теоретически процесс абсорбции сероводорода протекает ьт-
следующей схеме:
H,S 4- 2NaOH = Na2S Д- 2Н2О
34 2-40 78 2-18
При этих условиях абсорбции концентрация едкого натра,
требуемая для образования раствора Na,S заданной концентрации,
может быть вычислена по формуле, соответствующей материаль-
ному балансу процесса абсорбции:
с =--------------- (IX, 10*
с,.
0,975 -0,425- -~-
где с—требуемая концентрация едкого натра, %;
сс—заданная концентрация образующегося раствора сер-
нистого натрия, %.
В практических условиях процесса абсорбции H2S наблюдают-
ся незначительные отклонения от формулы (IX, 10), обусловлен-
ные тем, что поглощаемые газы содержат пары воды и что при
абсорбции образуется не только Na2S, но и небольшое количество
гидросульфида натрия. Поэтому концентрация едкого натра в
поглотительном растворе должна быть на 2—3% больше расчет-
ной концентрации.
В результате абсорбции сероводородных газов щелочными
растворами часто образуется раствор сульфида натрия, сильно за-
грязненный другими минеральными солями и потому непригод-
ный для последующего использования в процессах сульфидиро-
вания. В данном случае абсорбция H2S проводится не по экономи-
ческим соображениям, а исходя из условий техники безопасности.
Для поглощения сероводорода могут быть использованы раз
личные типы абсорберов: насадочные, распиливающие, механи-
4. Аппаратура для обработки продуктов плавления и запекания
339
ческие. Последние весьма эффективны ее процессах поглощения
сероводорода раствором едкого натра.
Механический абсорбер представляет собой горизонтально
расположенный цилиндрический аппарат, по оси которого про-
ходит вал, приводимый во вращение при помощи электродви-
гателя. Процесс абсорбции в этом аппарате протекает следую-
щим образом. Через цилиндр, периодически заливаемый щелоч-
ным раствором на высоту ’/з—'Л диаметра, пропускают серо-
водородные газы. Они проходят в абсорбере над жидкостью и
соприкасаются при этом с мельчайшими брызгами раствора, ко-
торые образуются в результате вращения сетчатых дисков, на-
саженных на вал. Содержащийся в газе сероводород абсорби-
руется щелочным раствором, залитым в абсорбер, газы, осво-
божденные от H2S, удаляются из аппарата при помощи центро-
бежного вентилятора.
Отработанный щелочной раствор периодически сливают из
абсорбера п заменяют свежим раствором. Газы поступают на
абсорбцию обычно непосредственно из аппаратов, в которых они
выделяются.
Недостатком механических абсорберов является относитель-
ная сложность их устройства и повышенный расход электроэнер-
гии.
Абсорберы различных типов подробно описаны в курсе «Ос-
зовные процессы и аппараты химической технологии» и допол-
нительно рассматриваться здесь не будут.
ГЛАВА X
АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ
1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЦЕССАХ КОНДЕНСАЦИИ
В промышленности органических полупродуктов и красите-
лей конденсацией называют химические процессы, в результат!
которых образуются соединения с новыми внутримолекулярным»-
связями между атомами углерода, непосредственно не связанным»
между собой в исходных соединениях. Таким образом, пр»
конденсации обязательно происходит усложнение углеродного
скелета исходных веществ (а в некоторых случаях образование
гетероциклических соединений!.
Новые, связи между углерощыми атомами в большинстве слу
чаев возникают вследствие отщепления отдельных атомов ил»
групп (элементов простых соединений) от молекул исходных реа
тентов. Поэтому процессы конденсации могут быть классифици
рованы по характеру и числу отщепляющихся атомов или групп
Большинство процессов конденсации протекает с отщепление?
таких простых соединений, как вода, хлористый водород, угле
кислый газ, аммиак, или с отщеплением водорода, кислорода
азота, галоидов, атомов серы н металлов.
Процессы конденсации могут протекать с образованием новы
циклов в молекулах продуктов реакции и без образования новы:
циклов. По этому признаку реакции конденсации можно разде
лить на две большие группы. Каждая из этих групп в свою очеред
может быть разделена на подгруппы, для которых характер»»
отщепление определенных групп или соединении, наприме
процессы конденсации с отщеплением воды или водорода, ил»
кислорода и т. д.
Основными исходными соединениями в процессах конденсаци»
являются углеводороды и их заме»ценные, а также неорганически
вещества, которые поглощают продукты отщепления или способст
вуют их отщеплению. К таким неорганическим реагентам, прини
мающим участие в процессах конденсации и называемым конден
сирующими агентами, относятся щелочи, кислоты, окислы »
хлориды металлов, окиси и хлорокиси неметаллов и пекоторы
други»? неорганические соединения.
I. Общие понятия и процессах, конденсации
341
Применяемые конденсирующие агенты в большинстве случаев
не могут являться характеристикой для процессов конденсации,
так как один и тот же конденсирующий агент может быть исполь-
зован при проведении весьма различных по химической сущности
процессов. Например, концентрированная щелочь может приме-
няться в процессах конденсации, протекающих с выделением
воды, водорода и хлористого водорода. Однако характер конден-
сирующего агента является важнейшим фактором, определяющим
конструкцию аппаратуры, применяемой в процессах конденса-
ции, и компоновку аппаратурных агрегатов. В большинстве слу-
чаев аппаратурно-технологическое оформление процессов кон-
дснсяции определяется споиствзми применяемого конденсирующего
агента и условиями проведения процесса. В соответствии с этим
наиболее важные и технически разработанные процессы конден-
сации можно классифицировать, исходя из свойств применяемых
конденсирующих агентов, следующим образом:
I) процессы конденсации, протекающие в присутствии хло-
ристого алюминия и сопровождающиеся отщеплением хлористого
водорода;
2) процессы конденсации, протекающие в присутствии хло-
ристого цинка; в большинстве случаев сюда относятся процессы ,
дротекающие с выделением воды;
3) процессы конденсации, протекающие в присутствии концен-
трированной серной кислоты и сопровождающиеся отщеплением
воды;
4) процессы конденсации, протекающие в присутствии концен-
трированных щелочей, сопровождающиеся отщеплением воды,
юдорода, хлористого водорода и т. д.;
5) процессы конденсации, в которых одним из реагентов яв-
тяется спирт, фенол, амин, альдегид или кетон;
6) процессы конденсации, при которых конденсирующее дей-
твие оказывает высокая температура.
Принятая классификация процессов конденсации ке является
/ниверсальной и совершенной, однако она дает возможность
жстематизировать рассмотрение процессов конденсации с точки
фения их технологического и аппаратурного оформления.
Общее представление об аппаратуре процессов конденсации,
1о устройству аппаратура процессов конденсации весьма разно-
)бразна, что объясняется различными условиями проведения
»тих процессов и различием требований, котордяе предъявляются
; применяемой аппаратуре.
В процессах конденсации., как и во многих других химических,
фоцессах, приходится проводить технологические операции, свя-
данные с предварительной подготовкой сырья и последующей обра-
боткой полученных продуктов. Эти операции и требуемая для их
342
Гл. X. Аппаратура процессов конденсации
проведения аппаратура весьма многообразны, поскольку термин
«конденсация» объединяет целую группу процессов, совершенно
различных по химической сущности и аппаратурно-технологи-
ческому оформлению.
В настоящей главе будет описана только аппаратура для про-
ведения собственно процессов конденсации, так как рассмотрение
аппаратуры для вспомогательных операций выходит за рамки
данного учебного руководства.
2. АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИХ
В ПРИСУТСТВИИ ХЛОРИСТОГО АЛЮМИНИЯ
Процессы конденсации, основанные на применении хлористого
алюминия, в промышленности органических полупродуктов н
красителей приобрели существенное значение. В настоящее время
в присутствии хлористого алюминия (по реакции Фриделя—
Крафтса) получают в крупных масштабах кетоны и кетокислоты,
дегидратация которых приводит к образованию производных антра-
хинонового ряда.
В качестве исходного органического сырья в этих процессах
конденсации используются главным образом замещенные и неза-
мещенные ароматические углеводороды (бензол, толуол, хлор-
бензол и т. д.), а также ангидриды и хлорангидриды карбоновых
кислот жирного и ароматического ряда. Конденсирующим реа-
гентом в этих процессах служит безводный хлористый алюминий,
по возможности не содержащий примесей.
Суммарное уравнение процесса конденсации в присутствии
хлористого алюминия не может быть выражено в общей для всех
случаев форме. Поэтому необходимо привести основные реакции,
имеющие практическое значение. К ним относятся прежде всего
процессы конденсации фталевого ангидрида с бензолом, толу
олом или хлорбензолом, приводящие к образованию бензоил
бензойной, толуилбензойной, п-хлор-о-бензоилбензойной кислот
из которых легко получаются антрахинон, Р-метилантрахинон г
Р - х л о р а нт р а х и н о н.
Образование кетокнелот из фталевого ангидрида и ароматю
ческих углеводородов протекает по реакции:
+- 2А1С13 = • AIC1, + НС 1
xcooaici2
В данном случае процесс конденсации протекает с выделении^
хлористого водорода и приводит к образованию комплексногс
Аппаратура процессов конденсации
343
соединения, в котором водород карбоксильной группы кето-
кислоты замещен «остатком» (А1С12) молекулы хлористого алю-
миния.
К второй группе реакций конденсации органических соедине-
ний в присутствии хлористого алюминия относится взаимодей-
ствие углеводородов с хлорангидридами кислот:
RH г R'COCl + «А1С1, - RCOR' • AlCLt + < n - 1: A1C1.„ 4- HC1
Реакции этой группы имеют меньшее практическое значение
и применяются при получении ароматических и жирноаромати-
ческих кетонов.
Третья группа реакций конденсации включает процессы взаи-
модействия незамещенных углеводородов с галоидопроизводными,
приводящие, к образованию конденсированных продуктов и га-
лоидоводорода:
R'H 4- R"X + А1С13 = R'—R" 4- ИХ + А1С13
Реакции третьей группы практически используются сравни-
тельно редко.
Успешное проведение реакций Фриделя— Крафтса зависит от
целого ряда факторов, влияющих на выбор конструкции реак-
ционных аппаратов. К таким факторам относятся: химические
свойства органических соединений, подвергаемых конденсации,
количество и качество хлористого алюминия, температура и
вязкость реакционной среды, наличие растворителя и его свой-
ства.
Если процесс требуется вести при высокой температуре и
образуется вязкая реакционная среда, применяют сплав треххло-
ристого алюминия с хлористым натрием. Это способствует
снижению температуры плавления треххлористого алюминия
(с 194 до 15GJ при содержании 34% NaCl). При высокой темпе-
ратуре (порядка 190°) треххлористый алюминий легко возгоняет-
ся, а применение сплава предотвращает его сублимацию.
К качеству хлористого алюминия, применяемому в процессах
конденсации, предъявляются довольно жесткие требования.
Хлористый алюминий должен быть, по возможности, свободным
от примесей. Большое значение в процессах конденсации имеет
также степень измельчения хлористого алюминия. Процессы
конденсации протекают тем лучше, чем меньше размер частиц
AlCiy, загружаемого в аппарат. Рекомендуется применять хло-
ристый алюминий с размером частиц ие более 4 мм.
Необходимым условием успешного проведения процессов кон-
денсации является, кроме того, подвижная консистенция реакци-
344
1л X. Аппаратура процессов конденсации
онной массы. Наиболее гладко процесс конденсации протекает в
растворе ^гомогенная среда).
Рис. 189. Аппарат для конденса-
ции и присутствии хлористого
алюминия.
парат ы типа котлов с мешалками
При конденсации в
действующие вещества
Однако полное растворение ингре-
диентов практически трудно
достижимо, поэтому стремятся
к образованию реакционной
массы такой консистенции, ко-
торая соответствует тонкой су-
спензии со сравнительно не-
большой концентрацией твер-
дой фазы. Это связано с необ-
ходимостью применения инерт-
ных растворителей или разба-
вителей, в качестве которых
используются преимущественно
жидкие реагенты, вводимые в
реакцию с большим избытком
по сравнению с теоретическим
количеством. Благодаря этому
большая часть жидкости яв-
ляется разбавителем при прове-
дении процесса и по окончании
его отделяется от реакционной
массы.
Реакции Фриделя— Крафтса
могут быть проведены и в отсут-
ствие разбавителей, однако для
этого требуется аппаратура, в
которой возможно эффективное
измельчение ингредиентов. При
наличии эффективных измель-
чающих и смешивающих уст-
ройств кетокислоты могут быть
получены непрерывным мето-
дом, позволяющим упростить
и р и мен я ем у ю а п п а р ату р у.
По агрегатному состоянию
и консистенции реакционная
масса в процессах конденса-
ции с участием хлористого
алюминия представляет собой
суспензию. В таких случаях
могут быть использованы ап-
(типы И? и Кд, см. рис. 1, стр. 17).
.0-
которую.
присутствии хлористого алюминия взаим
образуют гетерогенную систему,
Аппаратура процессов конденсации
345
необходимо интенсивно перемешивать. При образовании концен-
трированных суспензий нельзя пользоваться пропеллерными
мешалками, поэтому реакторы обычно снабжают лопастными или
якорными мешалками.
Процессы конденсации в присутствии хлористого алюминия
обычно проводятся при 40—80° без применения давления и без
выделения особенно большого количества тепла. Таким образом,
в отношении температурных условий, давления и интенсивности
теплообмена к аппаратуре не предъявляется особых требований,
конструкция аппаратов определяется лишь агрегатным состоянием
перерабатываемых материалов и требуемой интенсивностью пере-
мешивания.
Реагенты н продукты конденсации (кроме хлористого водоро-
да) не оказывают сильного коррозионного действия на мате-
риал аппаратуры. Хлористый водород, выделяющийся при реак-
ции конденсации, благодаря отсутствию влаги и низкой темпера-
туре процесса, в данном случае также не является высокоагрес-
сивным агентом. Вследствие этого процессы конденсации в при-
сутствии А1С13 можно проводить в реакторах, изготовленных из
чугуна, стали и легированных чугунов и сталей, целесообразно
также использование эмалированных аппаратов.
На рис. 189 показан аппарат для конденсации, выполненный
в виде котла, снабженного рубашкой (для нагревания или охлаж-
дения), якорной мешалкой и обычной гарнитурой. Но устройству
этот аппарат не отличается от стандартных реакционных котлов.
3. АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИХ
В ПРИСУТСТВИИ ХЛОРИСТОГО ЦИНКА
Процессы конденсации в присутствии хлористого цинка как
конденсирующего агента применяются для получения таких про-
дуктов, как аурамин. фенолфталеин и др. Конденсирующее дей-
ствие хлористого цинка способствует отщеплению и воды, и хло-
ристого водорода. Однако в качестве агента, способствующего
отщеплению хлористого водорода, ZnCl., применяют редко; для
этого чаще всего используют хлористый алюминий. На практике
хлористый цинк применяют преимущественно в качестве сильного
дегидратирующего средства в тех случаях, когда менее активные
дегидратирующие агенты (кислоты, щелочи) мало пригодны для
выделения воды из соединений, подвергаемых процессу конден-
сации.
Степень измельчения хлористого цинка имеет большое значе-
ние в процессах конденсации, чем она выше, тем активнее дей-
ствие ZnCl2.
346
Гл. X. Аппаратура процессов конденсации
Условия процессов конденсации в присутствии хлористого
цинка различны, но агрегатное состояние образующейся реак-
ционной массы всегда одинаково. В результате конденсации полу-
чается, как правило, твердый плав, выгрузка которого из аппара-
та возможна лишь после предварительного измельчения. Поэтому
в описываемых процессах приходится применять аппараты со
специальными мощными размешивающими приспособлениями для
разрыхления плава. Для обогрева используется перегретая вода
или пар высокого давления, циркулирующие в змеевиках, зали-
тых в корпус реактора. Это обусловлено высокой температурой
процессов конденсации (170—200°) и физическими свойствами ре-
акционной массы, так как в этих условиях размещение змеевиков
или трубчаток во внутреннем объеме аппарата невозможно.
Подобные аппараты описаны в главе IX. поэтому здесь будет
изложена только последовательность технологических ста-
дий процесса конденсации в присутствии хлористого цинка.
Исходные твердые вещества измельчают перед загрузкой в реак-
ционный аппарат, наиболее целесообразно применять гранулиро-
ванный хлористый цинк. Расплавление и тщательное перемешива-
ние сырья проводится непосредственно в реакционном аппарате.
Полученный в результате конденсации плав охлаждается, подвер-
гается разрыхлению и выгружается из аппарата через нижнее
отверстие.
4. АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИХ
В ПРИСУТСТВИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Процессы конденсации, протекающие в присутствии серной
кислоты как конденсирующего агента, применяются в промышлен-
ности органических полупродуктов и красителей главным образом
при получении арилметановых красителей, p-производных антра-
хинона и др. Исходным органическим сырьем в этих процессах
служат различные соединения: кетокислоты (при получении произ-
водных антрахинона), альдегиды и амины (при получении арил-
метановых красителей ) и т. д.
Для получения производных антрахинона необходима более вы-
сокая концентрация дегидратирующего агента, поэтому конден-
сация проводится в присутствии 5 %-кого олеума. В процессах
конденсации, применяемых в производстве арилметаиовых краси-
телей, вполне достаточна концентрация купоросного масла или
моногидрата серной кислоты.
Условия процессов дегидратации под действием серной кисло-
ты весьма близки к условиям процессов сульфирования, в связи
с этим аппаратура для сульфирования и дальнейшей обработки
продуктов сульфирования вполне пригодна для проведения про-
цессов конденсации в присутствии H2SO4.
Аппаратура процессов конденсации
347
Реагенты, участвующие в рассматриваемых процессах кон-
денсации, образуют систему несмешивающихся жидкостей (серная
кислота и вещества, подвергаемые конденсации) или суспензию
твердого измельченного исходного вещества в жидком конденси-
рующем агенте. При периодических процессах для взаимодей-
ствия веществ в таких системах требуется аппаратура типа обыч-
ных реакционных котлов (см. рис. I, стр. 17, типы IVe и Ив).
Консистенция реакционной массы обычно вязкая, густая (часто
смолоподобная), поэтому в качестве размешивающих приспособле-
ний можно применять только якорные мешалки, тем более, что
при конденсации в присутствии серной кислоты не требуется
интенсивного перемешивания.
Температура в описываемых реакторах колеблется в преде-
лах 30—150°, причем собственно процесс конденсации проводится
при температуре примерно 120°, а предварительная обработка
реагирующих веществ (например, приготовление сернокислых
солей аминов) и последующее охлаждение реакционной массы—
при температуре, не превышающей 30—40°. Поэтому в качестве
теплоносителя используется водяной насыщенный пар, а в ка-
честве хладоагента—вода. Поверхность теплообмена реакторов
в этих условиях можно было бы оформлять любым способом, но
вследствие высокой вязкости и малой подвижности реакционной
массы применимы только рубашки, змеевики, залитые в стенки
котла, змеевики, приваренные к внешней поверхности аппа-
рата.
Давление в процессе конденсации обычно не превышает 2 ати
и практически не оказывает влияния на конструкцию аппаратуры.
Аппараты, применяемые для конденсации в присутствии серной
кислоты, рассчитывают лишь на давление 2—3ати, создаваемое
в них при эвакуации реакционной массы сжатым воздухом. По
коррозионному воздействию ингредиенты, участвующие в про-
цессе конденсации, соответствуют концентрированной серной
кислоте, слабо действующей на черные металлы, которые и при-
меняются для изготовления реакторов рассматриваемого типа.
Интенсивность теплообмена как фактор, влияющий на конст-
рукцию аппаратов, не имеет в данном случае решающего значе-
ния, так как для описываемых процессов конденсации не требу-
ется ни интенсивного нагревания, ни интенсивного охлаждения.
Таким образом, аппаратами для проведения конденсации в
присутствии серной кислоты могут служить стальные или чугун-
ные котлы, снабженные стальной рубашкой и якорной мешалкой,
или же чугунные котлы со змеевиками, залитыми в стенки, т. е.
аппараты, аналогичные сульфураторам для периодического суль-
фирования жидких и твердых веществ жидким сульфирующим
агентом (стр. 171 и сл.).
348 Г л. X. Аппаратура процессов конденсации
5. АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИХ
В ПРИСУТСТВИИ ЩЕЛОЧЕЙ
Рис. 1‘Ю. Аппарат для конденсации
и ирису гстпи и щелочей.
Процессы конденсации, протекающие в присутствии щелочей,
в настоящее время приобретают большое практическое значение,
как основные технологические процессы в производстве кубовых
красителей. Щелочными конденсирующими агентами в этих про-
цессах являются преиму-
щественно едкий натр, ед-
кое кали и их смеси. Кро-
ме щелочных агентов, в
процессах конденсации
принимают участие и дру-
гие соединения: ацетат
натрия, ронгалит,селитра
и т. д.
Несмотря на то, что
химическая сущность про-
цессов конденсации в при-
сутствии щелочей различ-
на, условия проведения
их в общем сходны. По
агрегатному состоянию пе-
рерабатываемые вещества
и консистенция реакцион-
ной массы соответствуют
расплавам щелочей , в ко-
торых суспендированы или
растворены органические
и неорганические вещест-
ву участвующие в про-
цессе. Для проведения
рассматриваемых процес-
сов конденсации требует-
ся интенсивное перемеши-
вание реагентов пропеллерными, турбинными или другими ме-
шалками, но из-за большой вязкости реакционной массы они не_-
пригодны и обычно приходится устанавливать лопастные или
якорные мешалки.
Процессы конденсации в присутствии щелочен в большинстве
случаев протекают при высокой температуре и атмосферном дав-
лении. Высокая температура реакции и необходимость ее точного
регулирования обусловливают необходимость нагревания элект-
рическим током или (что гораздо хуже) топочными газами .
Аппаратура процессов конденсации
349
При проведении рассматриваемых процессов конденсации не
требуется интенсивного подвода и отвода тепла, только в этом
и состоит их отличие от процессов щелочного плавления. В
остальном, включая характер коррозионного действия реакцион-
ной массы, процессы обоих типов аналогичны. Поэтому для про-
ведения процессов конденсации в присутствии щелочей применя-
ют аппараты, аналогичные плавильным котлам, описанным в гла-
ве IX (стр. 324 и сл.).
Как следует из сказанного, реакционные аппараты, применяе-
мые для процессов конденсации, несложны и не имеют специфич-
ного устройства. Примером аппаратов этого типа может служить
плавильный котел, изображенный на рис. 190. Котел выполнен
из обычного или легированного чугуна (например, никелистого;,
снабжен якорной мешалкой и обычной гарнитурой. Аппарат обо-
гревается электрическим током и помещен в кожух электрической
печи омического сопротивления.
Для проведения процесса конденсации в производстве индиго
и некоторых других красителей применяются более оригинальные
аппараты. Реактором может служить стальной котел (рис. 191)
с якорной мешалкой, снабженный бункером со шнековым пита-
телем и обычной гарнитурой, включающей предохранительные
клапаны. Аппарат обогревается паром высокого давления, ко-
торый вводится в рубашку с «вмятинами» (описана в главе II.
стр. 104, 105).
Процесс конденсации при получении индиго в 'таком ап-
парате проводится следующим образом. В реактор по трубопро-
воду загружают расплав щелочи (смесь едкого натра и едкого
кали), предварительно обезвоженной путем упаривания в обыч-
ных выпарных котлах. К щелочи приливают расплавленный
амид натрия, получаемый в отдельном аппарате при обработ-
ке расплавленного металлического натрия газообразным амми-
аком.
После загрузки щелочей и натрийамида внутренний объем
реактора герметизируется и в аппарат вводится газообразный
аммиак до создания требуемого давления. Затем подача аммиака
прекращается и в аппарат начинают загружать из бункера /
при помощи шнекового питателя 2 сухую соль фенилглицина.
Бункер п шнек герметизированы и для выравнивания давления
соединены с аппаратом специальными трубами. По окончании
загрузки соли фенилглицина аппарат разобщают с бункером и
питателем, закрывая соответствующую задвижку, нагревают реак-
ционную массу до заданной температуры и некоторое время раз-
мешивают содержимое аппарата После размешивания реак-
ционную массу передавливают из аппарата на дальнейшую обра-
ботку.
350
Гл. X. Аппаратура процессов конденсации
Рис. 191. Аппарат для
конденсации / приме-
няемый в производст-
ве индиго,-
/—бункер: 2—шнековый
питатель; 3—реактор; 4-
мешалка; Л—рубашка.
Аппаратура процессов карбоксилирования 351
6 АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КОНДЕНСАЦИИ С ГЛИЦЕРИНОМ
Процессы конденсации замещенных и незамещенных углево-
дородов ароматического ряда с глицерином имеют практическое
применение при получении некоторых полупродуктов. Исходными
веществами в этих процессах конденсации являются глицерин и
серная кислота (обязательные инг редиенты) и обрабатываемые
ароматические, углеводороды или их производные.
Результатом конденсации ароматических углеводородов с
глицерином является образование новых циклов(или гетероцик-
лов, вследствие этого данные процессы конденсации следует счи-
тать важнейшими методами синтеза.
Примером процессов конденсации первичных ароматических
аминов с глицерином в присутствии серной кислоты^и[окислите-
лей может служить получение антрахинонового красителя—али-
заринового синего из 3-аминоализарина.
Серная кислота во всех этих процессах конденсации играет
роль дегидратирующего агента. Под действием серной кислоты
глицерин теряет воду, что приводит к образованию акролеина,
вступающего во взаимодействие с ароматическим соединением.
Выделяющаяся реакционная вода связывается серной кислотой.
Условия проведения этих процессов мало отличаются от усло-
вий конденсации в присутствии серной кислоты. Поэтому в про-
цессах конденсации с глицерином успешно используются
аппараты, аналогичные сульфураторам периодического действия,
предназначенным для сульфирования при невысокой температуре.
7. АППАРАТУРА ПРОЦЕССОВ КАРБОКСИЛИРОВАНИЯ
Значительный интерес в отношении аппаратурно-технологи-
ческого оформления представляют процессы карбоксилирования.
Эти процессы используются в технике при получении оксикарбо-
новых кислот (салициловой, оксинафтойной). В качестве исход-
ных органических веществ при карбоксилировании служат исклю-
чительно оксисоединения, в которых водород гидроксильной груп-
пы замещен натрием г.ш калием (феноляты, нафтоляты и т. п.).
Неорганическим реагентом в процессах карбоксилирования’являет-
ся двуокись углерода.
Суммарное уравнение процесса образования оксикарбоновых
кислот из оксисоединений и двуокиси углерода может быть пред-
ставлено в следующем виде:
/СООН
RONa -+- СО, - R<
\ONa
352
Г л. X. Аппаратура процессов конденсации
В производственных условиях карбоксилирование фенолята и
нафтолята проводится так. Раствор фенолята или нафтолята на-
трия подвергается упариванию и обезвоживанию в вакууме. Высу-
шенный и тонко измельчен-
ный продукт обрабатывают
под давлением 6—8 ати
углекислым газом при
температуре порядка 200е.
Рис. 192. Аппарат для пронес-
сор, карбоксилирования и про-
изводстве сачицилозон кисло-
ты:
/—лопасти мешалки; 2—режущие при-
способления; 3—рубашка.
lJnc. 193. Аппарат для процессов карб-
оксилирования в производстве р-оксипаф-
тойной кислоты:
/—лопасти мешалки; 2—режущие приспособления;
.У—рубанка; /—горелки.
Упаривание раствора фенолята или нафтолята, обезвоживание
и карбоксилирование целесообразнее проводить в одном ап-
парате, пригодном для процессов взаимодействия твердых и газо-
образных веществ. Подобный аппарат (рис. 192) представляет
собой стальной котел с паровой рубашкой 3, рассчитанной на
давление пара 30 ат. Рубашка выполняется с «вмятинами», края
которых приварены к стенкам аппарата (стр. 104).
Аппаратура процессов карбоксилирования 353
Аппарат также рассчитан на работу под давлением и снабжен
обычной гарнитурой и оригинальным размешивающим устрой-
ством. Мешалка, вращающаяся со скоростью 6—10 об/мин., имеет
несколько лопастей 1, к стенкам аппарата крепятся режущие
приспособления 2. Между режущими приспособлениями и ло-
пастями делается небольшой зазор, благодаря чему лопасти и
режущие приспособления образуют подобие ножниц, что позволяет
одновременно размешивать реакционную массу и измельчать
продукты реакции даже при упаривании раствора до образования
твердого вещества.
Необходимый для карбоксилирования углекислый газ посту-
пает в реакционное пространство аппарата через боковой штуцер.
Для получения 0-оксинафтойной кислоты применяют аппарат
аналогичного типа (рис. 193), но с обогревом при помощи газо-
вых горелок. В аппарате также имеется мешалка с нескольки-
ми лопастями и режущие приспособления, при крепленные к стен-
кам аппарата; скорость вращения мешалки 10—12 об/мин.
Для более мягкого и равномерного обогрева аппарат снаб-
жен рубашкой, в которую через воронку заливают расплав, со-
держащий 88% свинца и 12% сурьмы. При этом воздух удаляется
из рубашки через патрубок. Температура реакционной массы из-
меряется термопарой. По окончании процесса карбоксилиро-
вания реакционную массу разбавляют в этом же аппарате водой
и выдавливают по трубе, которую вставляют в аппарат в период
эвакуации раствора.
23—2277
ЛАВА XI
АППАРАТУРА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ, ПРОВОДИМЫХ
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
1. общие представления о химических процессах, проводимых
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Применение высоких давлений позволяет увеличивать скорость
реакций, сдвигать химическое равновесие в желательном направле-
нии, уменьшить объем перерабатываемых веществ (в случае
взаимодействия газов) и проводить процессы взаимодействия жид-
ких веществ при температуре, значительно превышающей их
температуру кипения.
Благодаря этим важным и значительным достоинствам метод
высоких давлений широко применяется почти во всех областях
химической технологии.
В промышленности органических полупродуктов и красителей
высокие давления используются для проведения ряда основ-
ных процессов, в первую очередь процессов щелочного плав-
ления. щелочного гидролиза, аминирования и алкилирования.
Для перечисленных процессов, различных по химической сущ-
ности, общим является взаимодействие жидких веществ при тем-
пературе, превышающей температуру их кипения (при атмосфер-
ном давлении), и сходство аппаратурно-техно логического оформле-
ния. Аппаратура этой довольно специфичной группы процессов
будет рассмотрена в настоящей главе.
Процессы щелочного гидролиза, аминирования и алкилирова-
ния. Не касаясь процессов щелочного плавления и сульфидиро-
вания. которые, как было отмечено в главе IX, могут проводиться
под давлением, остановимся лишь на процессах щелочного гид-
ролиза, аминирования и алкилирования.
Г г д р о л и з о м в технологии органических полупродук-
тов и красителей называют процесс обмена заместителей, находя-
щихся в ядре или боковой цепи ароматических углеводородов,
главным образом на гидроксильную группу. Гидролизу подвер-
гают преимущественно хлорпронзводные и амины (например,
/. Общие представления о процессах под давлением 355
хлорбензол. 2-нафтиламин). В качестве агентов, способствующих
гидролизу, применяются водные растворы щелочей, кислот и
некоторых минеральных солей.
Принимая действующим началом всех процессов гидролиза
воду, суммарное уравнение этого процесса можно представить
в следующем виде;
Г<Х + н2о -> кон -Ь НХ
где X—-заместитель, обмениваемый на гидроксильную группу.
А м и н и р о в а н и е м называю! процессы обмена различ-
ных заместителей, находящихся в ядре или боковой цепи аромати-
ческих соединений, па аминогруппу. Из органических соедине-
ний, подвергаемых аминированию, следует назвать в первую оче-
редь хлорпроизводные (хлорбензол, хлорантрахиион и т. д.),
затем оксипроизводные (0-нафтол, нафтолсульфокислоты и др.)
и, наконец, сульфокислоты (например, натриевые соли сульфоки-
слот нафталина и антрахинона). Аминирующими агентами и этих
процессах служат водные растворы аммиака, сульфита аммония,
хлористый аммоний, углекислый аммоний и некоторые другие
аммонийные соли. Суммарное уравнение процессов аминирова-
ния можно представить так:
R.\ A- 2NH., - - RNH2 -t- NH4X
где X—заместитель, обмениваемый на аминогруппу (Oil, Cl,
SO..Н, NO, и др.).
Алк и л и р о в а н и е м называются процессы замещения
алкильными радикалами атомов водорода в молекулах органичес-
ких соединений. В промышленности органических полупродуктов
алкилируемыми веществами почти всегда являются первичные
ароматические амины (N-a.r:i<ii.тированпс) п оксипроизводные, аро-
матических углеводородов (О-а.1Килнрование), в которых атомы
водорода амино- или оксигрупп замещаются алкильным1.1, радика-
лами.
В качестве алкилирующих агентов в технике используются
спирты (этиловый, метиловый п др.), галоидалкилы (хлористый
метил, хлористый этил), хлоруксусная кислота, эфиры (на-
пример, диметилсульфат) и ряд других веществ.
Алкилирование проводится преимущественно в присутствии
кислот пли щелочей, причем кислоты (главным образом соляная
и серная) применяются при алкилировании аминов, а щелочи
(в большинстве случаев едкий натр!--при алкилировании окси-
производных.
23*
356
Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Суммарные уравнения процессов алкилирования аминов
RNH2 и оксипроизводных ROH можно написать следующим
образом.
а) замещение одного атома водорода аминогруппы алкильным
радикалом:
RNH2 + XAlk = RNHAlk 4- НХ
б) замещение двух атомов водорода аминогруппы алкильными
радикалами:
RNH2 4 2XAlk = RN(Alk)2 + 2HX
в) замещение атома водорода гидроксильной группы алкиль-
ным радикалом:
ROH 4- XAlk = ROAlk 4- НХ
где Aik—алкильный радикал;
X—кислотный остаток.
Аппаратура процессо , проводимых под давлением. Последо-
вательность вспомогательных технологических процессов и опе-
раций. с которыми связано проведение рассматриваемых процес-
сов, можно представить в виде следующей схемы:
Предварительная обработки
исходных веществ
(растворение, смешение и т. и.)
_______________!_____________
Проведение процессов под
давлением
_______ л ____________________________________
Снижение давления, отгонка пепрореатировавших
веществ
J+
Регенерация летучих веществ I Дальнейшая обработка основных
(конденсация и абсорбция) j продуктов реакции
Предварительная обработка веществ, участвующих в процессе,
проводимом под давлением, чрезвычайно несложна; она сводит-
ся к приготовлению растворов ингредиентов, их предваритель-
ному смешению и т.д. Благодаря простоте подготовительных one-
2. Реакторы, применяемые в процессах под давлением
357
раций для проведения их применяют весьма простую аппаратуру,
аналогичную по устройству рассмотренным ранее аппаратам для
растворения, смесителям и т. п.
Дальнейшая обработка основных продуктов реакций заклю-
чается в нейтрализации, подкислении, перегонке и других, также
несложных операциях; поэтому аппаратурно-технологическое
оформление этих процессов довольно просто. В последующих
разделах данной главы рассматриваются лишь аппараты, пред-
назначенные, для проведения процессов под давлением, и специфи-
ческое вспомогательное оборудование, необходимое для создания
давления, дросселирования сжатых жидкостей и паров и регене-
рации летучих веществ, отгоняющихся из реакционных аппаратов
п ри^снижепии давлен и я.
2 РЕАКТОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОЦЕССАХ, ПРОВОДИМЫХ
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Для проведения рассматриваемых процессов в технике ис-
пользуются специальные аппараты, конструкции которых опре-
деляются следующими основными условиями.
Все перечисленные процессы проводятся в жидкой фазе;
следовательно, для их оформления пригодны аппараты типов
IVa, IVe, Д/г, представленные на рис. 1 (стр. 17).
Образующаяся в этих процессах реакционная масса по кон-
систенции соответствует достаточно подвижным жидкостям,
смешивающимся или несмешивающимся. Реакции между смеши-
вающимися жидкими ингредиентами могут удовлетворительно
протекать без размешивания. При переработке несмешивающихся
жидкостей требуется весьма интенсивное перемешивание и соот-
ветствующая специальная аппаратура.
Для проведения рассматриваемых процессов необходима вы-
сокая температура, поэтому проведение процессов в жидкой фазе
связано с необходимостью применять аппаратуру, работающую
под давлением. Величина давления практически соответствует
упругости насыщенных паров легколетучих ингредиентов реак-
ционной массы. На рис. 194, 195, 196 и 197 приведены кривые
парциального давления паров важнейших веществ, применяемых
в процессах щелочного плавления, гидролиза, аминирования и
алкилирования. По этим* графикам можно составить представле-
ние о величине давлений, которые создаются в рассматриваемой
реакционной аппаратуре при температуре проводимых процес-
сов (150—350°).
Тепловой эффект большинства перечисленных процессов по-
ложителен, но вследствие высокой температуры реакции почти
никогда не приходится охлаждать реакционную массу в ходе
358
Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
процесса. Можно считать за небольшими исключениями, что в
процессах под давлением не требуется интенсивного теплообмена.
Правда, интенсивный отвод тепла весьма желателен для быстрей-
шего охлаждения продуктов реакции. Однако это легко осущест-
вляется благодаря испарению непрореагировавших летучих ин-
гредиентов при снижении давления но окончании процесса. Поэто-
Рис. 191. Давление паров над иодны-
ми растворами NaOl I.
Рис. 195. Давление ларов над вод-
ными растворами
Температура
Рис. 196. Давление паров метилоне-
ГО II этилового спиртов,
Рис. 197. Давление паров хлористого
метила и хлористого этила.
му рассматриваемые аппараты, как правило, не имеют сильно
развитых поверхностен теплообмена.
Вследствие различных химических свойств веществ, перера-
батываемых в процессах под давлением, дл я изготовления аппа-
ратуры применяются самые разнообразные материалы.
Автоклавы
359
Вообще условия проведения перечисленных процессов под
давлением не совсем одинаковы: различны консистенция реак-
ционной массы и режимы ее размешивания, требуются различ-
ные температуры и разные теплоносители н т. д. Однако все эти
процессы проводятся при высоком давлении и в жидкой фазе,
что является общим и в то же время специфичным для перечислен-
ных процессов и позволяет объединить аппаратуру для проведе-
ния гидролиза, аминирования, алкилирования и щелочного плав-
ления в одну группу. В промышленности органических полупро-
дуктов и красителей для проведения этих процессов применяют
различные конструкции сосудов, работающих под давлением',
аппараты змеевикового типа (трубчатки), аппараты тина котлов
и специальные реакторы, рассчитанные на работу под давлением .
Автоклавы
Из реакционных аппаратов, работающих иод давлением, в
производстве органических полупродуктов н красителей широко
применяются аппараты, известные под
названием автоклавов. К ним относят-
ся различные реакционные аппараты,
работающие под давлением свыше 6 сип.
Они представляют собой стальные, чаще ату_
всего вертикальные котлы, со сфериче- I, у
скпмп днищами и крышками (рис. 198). I 1 |
По условиям механической прочности ф
желательно следующее соотношение гео- ;
метрических размеров этих аппаратов: ; ;
- А’ц == А>к
где Аф—радиус кривизны днища:
Ни—радиус цилиндрической части: U
Rv—радиус кривизны крышки. хх Jc
Однако по конструктивным соображе,- 1
НИям в подавляющем большинстве слу- Рис. 198. Автоклав,
чаев радиус кривизны крышки аппарата
невозможно сделать равным радиусу цилиндрической части, по-
этому па практике берут следующие соотношения основных раз-
меров автоклава:
Высота цилиндрической части автоклава, как правило, равна
диаметру цилиндрической части, что позволяет весьма легко и
просто определить основные размеры аппарата , зная его полную
360 Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
емкость. Радиус цилиндрической части аппарата (в мм) может
быть вычислен по формуле:
з
/?ц = 575 |/ V
где V—полный объем автоклава, м3.
Для изготовления автоклавов используется преимущественно
стальное литье. Если процессы проводятся при низких давлениях,
к механической прочности аппаратов не предъявляется очень
жестких требований, ее этих условиях могут быть использованы
сварные автоклавы из листовой стали. Чугун вследствие недоста-
точно высоких механических свойств непригоден для изготовления
автоклавов.
В тех случаях, когда вещества, перерабатываемые в автокла-
вах, оказывают коррозионное действие на стальное литье, при-
меняют эмалированные автоклавы, автоклавы из легированной
стали или стальные автоклавы с вкладышами, защищающими
стенки аппарата от воздействия реакционной массы.
Вкладыши. Вкладыш представляет собой металлический
сосуд, форма которого
Рис. 199. Вкладыш авто-
клава:
/, 2—приливы.
ются также вкладыши,
рованных сталей.
вполне соответствует форме автоклава, в
который его вставляют. Чаще всего вкла-
дыши изготовляют из стали или чугуна'и
покрывают изнутри защитным слоем ус-
тойчивого металла или эмали. В боль-
шинстве случаев применяются вкладыши,
внутренняя поверхност13 которых по-
крыта эмалью, стойкой к действию
кислот или щелочей.
Довольно часто устанавливают чу-
гунные или стальные вкладыши без
всяких зэецитных покрытий. Такие
вкладыши предохраняют стенки авто-
клавов от разрушения при сла-
бом коррозионном воздействии реакцион-
ной среды. Это позволяет увеличить
срок службы аппаратов и создать более
безопасные условия работы. Применя-
изготовленпые из кислотостойких леги-
На рис. 199 изображен вкладыш автоклава с приливами, спо-
собствующими правильной установке вкладыша в автоклав.
Назначение внутренних приливов—более удобный захват вклады-
ша при удалении его из автоклава и установке в аппарат.
Автоклавы
361
Автоклав со вставленным в него вкладышем показан на рис. 200.
Наличие приливов на внешней поверхности вкладыша способ-
ствует точному совмещению оси вкладыша с осью автоклава.
Между стенками вкладыша и авто-
клава при этом образуется зазор
шириной 15—25 мм, который для
улучшения условий теплопередачи
заполняют сплавом легкоплавких
металлов (РР. Sb, Snj или высококи-
п ЯП I,им ми нсря./i ьн ым мзслом.
Корпус автоклава и вкладыша
перед установкой подвергают тща-
тельному осмотру. Для эмалирован-
ного вкладыша проводят испытания
целостности покрытия.
На рис. 201 приведена схема
испытания целостности эмалевого
покрытия электролитическим спосо-
бом. В эмалированный вкладыш 1
заливают 1 %-ный раствор поварен-
ной соли с добавкой фенолфталеина.
Источником тока служит электри-
Рис. 200. Автоклав с вклады-
шем.
Рис. 201. Схема испытания це-
лостности эмалевого покрытия
вкладыша для антокляиа:
1 —эмалированный вкладыш; 2—сталь-
ной лист; У—электрическая батарея:
4—миллиамперметр.
ческая батарея 3 (напряжение 100—140 в). Одним из электродов'
служит стальной лист 2, вторым—корпус вкладыша; цепь замы-
кается через миллиамперметр 4. Целостность эмалевого покры-
тия считается удовлетворительной, если в течение 5 мин. с мо-
мента замыкания цепи стрелка миллиамперметра не показывает
отклонений и не происходит окрашивание раствора.
Остановка (заливка) эмалированного вкладыша в автоклав
производится следующим образом. Вкладыш устанавливают в
362
Г.i. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением.
сонала (в случае выброса масла
Т <i б л ни а 13
Температура плавления сплавов
свинца и сурьмы
• - — - — - - —
Содержание компонентов, % | Гемпсратура
1 плавления
свинец j сурьма 1 °C
— — — । । -
95 5 296
9(1 10 260
83 12 255
80 20 i 280
60 40 395
20 80 570
температура плавления такого
же сплавы свинца и сурьмы,
автоклаве при помощи тали. Кольцевое пространство между стен-
ками вкладыша и автоклава вначале заполняют маслом в коли-
честве 100—130 л (обычно минеральное масло марки «Вапор Т»).
Чтобы вкладыш не всплывал при последующей заливке тяжелого
расплава металлов, в междустениое пространство поверх устано-
вленного вкладыша укладывают две двутавровые балки, которые
крепят болтами к фланцам автоклава.
Для защиты внутренней поверхности вкладыша от случайных
повреждений п предотвращения ожогов обслуживающего пер-
при нагревании) аппарат накры-
вают кожухом из кровельного
железа. В кожухе имеется не-
сколько отверстий для установ-
ки термометров и воронки.
Масло, залитое в простран-
ство между стенками вкладыша
[I автоклава, нагревают до тем-
пературы, несколько превыша-
ющей температуру плавления
сплава. Затем в это простран-
ство, заполненное маслом, зали-
вают через стальную воронку
сплав олова (2—4%), свинца
(82—88%) и сурьмы (10—14%);
сплава 250°. Применяют так-
гемпературы их плавления при-
ведены в табл. 13.
Предварительно металлический сплав расплавляют в котле,
установленном в непосредственной близости от автоклава.
Котел для плавления металлов и воронку, вставленную в
зазор между вкладышем и автоклавом, соединяют наклонным
стальным желобом. По заполнении сплавом пространства между
стенками вкладыша и автоклава масло вытесняется во вкладыш.
После окончания заливки автоклав медленно охлаждают, вычер-
пывают масло из вкладыша, на аппарат устанавливают крышку
и подготовляют автоклав к работе.
Стальные и чугунные вкладыши устанавливают без пред-
варительного заполнения горячим маслом пространства между
вкладышем и автоклавом. В этом случае не требуется столь
равномерного прогрева вкладыша.
Удаление (или выплавка) вкладышей из автоклавов произво-
дится следующим образом. С охлажденного автоклава снимают
крышку и укладывают на кромку вкладыша два деревянных
бруса, на которые ставят домкрат, упирающийся в какую-нибудь
конструкцию здания, мостового крана и т. п. Сплав, находящий-
Автоклавы
363
ся в междустенном пространстве, переводят в жидкое состояние,
нагревая автоклав, и по мере расплавления металла постепенно
отпускают домкрат, благодаря чему вкладыш медленно всплывает
в жидком сплаве. Всплывший вкладыш вынимают из автоклава
при помощи тали; оставшийся в автоклаве сплав вычерпывают
пли выливают. Удаление и установка вкладышей являются
весьма ответственными и трудоемкими операциями, для вы-
полнения которых, необходим большой практический опыт.
Заливку вкладыша в автоклав, обогреваемый топочными га-
зами или электрическим током, производят непосредственно на
месте установки аппарата. Если же для обогрева автоклава ис-
пользуются источники тепла, при помош.и которых невозможно
разогреть аппарат до температуры плавления металлического
сплава, то при выплавке и заливке вкладыша автоклав помещают
в специальную печь, обогреваемую топочными газами.
В настоящее время заводы химического машиностроения изго-
говляюттакже стальные эмалированные автоклавы, при эксплуа-
тации которых отпадает необходимость трудоемкого монтажа
защитных вкладышей. Однако в случае значительного повреж-
дения эмали неизбежна полная замена покрытия.
Но устройству автоклавы незна-
чительно отличаются от реакцион-
ных котлов, описанных в главе II
(стр. 101 и сп.), здесь будут рассмо-
трены лишь специфические детали
автоклавов—сальники, ([шанцевыесо-
единения и фланцевые уплотнения .
Сальники. Сальниками снабжают-
ся автоклавы, в которых установле-
ны размешивающие устройства, необ-
ходимые при проведении процессов
щелочного плавления, процессов
гидролиза, аминирования и др.,
г. е. автоклавы, в которых проводят
большинство практически важных
процессов под давлением. Сальники
относятся к наиболее ответственным
и «капризным» деталям автоклавов.
Поэтому попятно стремление вести
процессы в автоклавах без мешалок
(если это допустимо) и, следователь-
но, без сальников (например, в про-
цессах алкилирования).
Автоклавы с размешивающими
жны быть снабжены сальниками, о
Рис. 2(12. Автоклав, снаб-
женный размешивающим
приспособлением.
устройствами (рис. 202) дол-
тличающимися по конструк-
364
Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
ции от сальников в реакционных котлах обычного типа. Обычно
для автоклавов применяются два типа сальников: одинарные
(простые) сальники, предназначенные для работы под давлением
10—15 ати и мало отличающиеся от сальников обычных реак-
ционных котлов, и двойные сальники, эксплуатация которых
возможна при более высоких давлениях. Сальники первого типа,
как правило, рассчитаны для работы без охлаждения, саль-
ники второго типа в большинстве случаев имеют охлаждение.
На рис. 203 изображен одинарный неохлаждаемый сальник.
О назначении деталей сальника было указано в главе 11 (стр.
118). Здесь мы остановимся лишь на специфических особенно-
стях описываемых сальников.
В одинарных сальниках автоклавов высота пространства,
заполняемого набивкой, гораздо больше, чем в сальниках
обычных реакционных котлов. Если в сальниках обычных
котлов высота пространства, заполненного уплотняющей массой,
саставляет примерно 1.5диаметра вала мешалки, то в одинарных
сальниках автоклавов она достигает величины 2—3 диаметров
мешалки. Сальниковая коробка
।
Рис. 203. Одинарный н'.-
охлаждаемый сальник:
/--вал мешалки; 2—сальник;
3—стягивающие болты; 4—
сальниковая коробка; 5—грунд-
букса; 6—направляющий шу-
руп; 7—пространство, запол-
няемое уплотняющей массой;
й—крышка автоклава.
может составлять единое целое
с крышкой автоклава (как показа-
но на рис. 203) или изготовляется
отдельно и приваривается к кры-
шке автоклава (рис. 204).
Рис. 204. Одинарный не-
охлаждаемый сальник.
При использовании двойных сальников достигается значитель-
но более надежное уплотнение, поэтому они и применяются в
автоклавах, работающих под давлением более 10—15 ати.
Автоклавы
365
По принципу устройства двойные сальники могут рассматри-
ваться как два последовательно соединенных простых сальника.
На рис. 205 представлен разрез двойного охлаждаемого сальни-
кового уплотнения, состоящего из сальниковой коробки 5 с
охлаждающей рубашкой 6, нижнего сальника 4, верхнего саль-
ника <3, гайки 2 и грундбуксы 7.
Сальниковая коробка крепится к крышке автоклава при по-
мощи шпилек, нижний сальник также соединен с сальниковой
коробкой шпильками, при помощи которых производится затяги-
вание нижнего сальника. Верхний сальник крепится к нижнему
при помощи гайки 2 и затягивается ею. Кольцевые зазоры между
валом и сальниками 3 и 4, как и во всех сальниках, заполняются
уплотняющей набивкой 9 и 10, которая спрессовывается при за-
тягивании сальников болтами, что предотвращает возможность
проникания газов и паров из аппарата через сальник. Газы или
пары, прошедшие через набивку нижнего сальника, задерживают-
ся набивкой верхнего сальника, поэтому такое уплотнение более
сальник.
Как одинарные, так и двойные саль-
ники разделяются на заглубленные и
незаглубленные. Сальниковая коробка
заглубленных сальников помещается
под крышкой аппарата, т. е. находит-
ся внутри него. Коробка незаглублен-
ных сальников расположена над кры-
шкой аппарата. Охлаждение заглу-
бленных сальников гораздо труднее,
поэтому охлаждаемые сальники лучше
делать незаглубленными. На рис. 206
показан одинарный охлаждаемый саль-
надежно, чем одинарный
Рис. 205. Двойной ох-
лаждаемый сальник:
/—вал мешалки; 2—гайка; 3—
верхний сальник; 4—-нижниг
сальник; 5—сальниковая ко-
робка: 5—рубашка для охлаж-
дения; 7—грундбукся; 8—
крышка автоклава; 9—набивка
нижнего сальника; /0—набивка
верхнего сальника.
Рис. 206. Одинарный охлаж-
даемый сальник:
/—рубашка для охлаждения.
366
Гл. X/. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
ник, наиболее простой по конструкции. Рубашка 1 предназначена
для охлаждения сальниковой коробки водой, протекающей в
направлении, указанном стрелками.
Заглубленный охлажденный сальник показан на рис. 207.
Он отличается от описанных выше одинарных сальников устрой-
ством сальниковой коробки. В сальниковой коробке 1 имеется
кольцевая щель 2, закрываемая сверху кольцом 3, которое при-
креплено к сальниковой коробке шпильками (сальниковая ко-
робка крепится к крышке автоклава также при помощи шпилек).
В щели 2 протекает охлаждающая вода в направлении, указан-
ном стрелками. Таким образом, конструкция заглубленного
охлаждаемого сальника сложнее конструкций незаггубленных,
охлаждаемых сальников.
Уплотняющим материалом для сальников автоклавов могут
служить мягкая набивка (пенька, хлопчатобумажные материалы,
асбест и т. д.), кожа, фторопласт-4, металлические кольца и др.
Металлические кольца, фторопласт-4 и кожа весьма эффектив-
ны как манжетное уплотнение при соответствующем охлажде-
нии сальниковой коробки.
Рис. 208. Сальниковое
уплотнение с металличе-
скими кольцами:
/j 2—разрезанные кольца.
/ — сальниковая коробка: 2—кольцевая
щель; 3—кольцо.
Рис. 2G7. Заглубленный охлаж«
дасмый сальник:
Сальниковое уплотнение с металлическими кольцами схемати-
чески представлено на рис. 208. Как видно из рисунка, сальник
имеет обычное устройство, но вместо мягкой набивки уплотняю
щим материалом служат металлические кольца (из сплава свинца,
Автоклавы
367
сурьмы и олова) треугольного сечения. Каждое кольцо разрезано
на дне части 1 и 2. При нажиме сальника части 1 таких
разрезанных колец прижимаются к сальниковой коробке (в
соответствии с направлением усилий), а части .2—к валу мешал-
ки, что обеспечивает хорошую плотность.
На рис. 209 показан сальник с кожаным манжетным уплотне-
нием. В сальниковой коробке между кожаными манжетами поме-
щены металлические прокладки.
Высокой износоустойчивостью от-
личаются набивки из фторопласта-4,
применяемые в случае работы с хи
мически агрессивными веществами и
растворителями при давлении до
100 ат и температурах^от —195 до
4-250.
Рис. 210. Сальник эмалирован-
ного автоклава:
/—эмалированное коническое кольцо;
2—тефлоновое уплотнение; 3—асбесто-
вая набивка: «, 6—бронзовые 'кониче-
ские кольца; 5—рубашка для охлаж-
дения.
Рис. 209. Сальниковое
уплотнение с кожаными
манжетами:
/—кожаные манжеты.
На рис. 210 изображен сальник эмалированного автоклава.
Сальник состоит из эмалированного конического кольца 1, тефло-
нового уплотнения 2, асбестового кольца 3 и бронзовых кониче-
ских колец 4 и 6, предназначенных для отвода тепла от вала1'ме-
шалки к корпусу сальника, для охлаждения которого служит
рубашка 5. В корпусе сальника имеется канал для отвода смазки
(глицерин, водные растворы спиртов, различные масла).
Фланцевые соединения. Наряду с сальниками самое серьезное
внимание должно быть уделено фланцевым соединениям корпуса
автоклава с крышкой и способам уплотнения таких соединений
(фланцевые уплотнения).
368 Гл. XL Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Рис. 211. Детали флан-
цевого .соединения:
/—бортики; 2—уплотни-
тельная канавка; J—уплот-
нительный выступ;
Т- образный болт.
Крепление корпуса и крышки автоклавов, работающих при
давлении до 10—15 ати, ничем не отличается от обычного крепле-
ния корпуса и крышки реакционных котлов на болтах (см. гла-
ву II, стр. 109).
В автоклавах, работающих при более высоком давлении,
крепление фланцев производится Т-образными болтами (рис. 211).
Во фланцах таких автоклавов свер-
лят не круглые отверстия, а отвер-
стия такой же формы, как для откид-
ных болтов. Это позволяет легко и
быстро снимать и надевать болты,
кроме того, уменьшается вылет флан-
ца, который может быть весьма
значительным при большом диаметре
болтов.
Верхняя часть фланца крышки
и нижняя часть фланца котла обычно
снабжаются невысокими бортика-
ми 1, придерживающими болты во
время затягивания. Плотность флан-
цевого соединения достигается бла-
годаря наличию уплотнительной ка-
навки 2 шириной 10—30 мм (на
кромке котла) и уплотнитель-
ного выступа 3 (на крышке аппа-
рата).
В уплотнительную канавку коль-
цевой формы помещается уплотня-
ющий материал, вырезанный точно
по форме канавки из меди, свинца
или алюминия, а при низком рабо-
чем давлении—из паронита.
Толщина слоя уплотняющего ма-
териала в канавке обычно состав-
ляет 1—6 мм, чаще всего 5л<лг. Эту
прокладку помещают в уплотни-
устанавливают на аппарат крышку и
тельную канавку, затем
затягивают болты. При затягивании их необходимо прилагать
значительное усилие, чтобы давление на прокладку, помещен-
ную в канавку, было выше предела текучести уплотняющего
материала.
Затягивание болтов на крышке аппарата производится сле-
дующим образом. Вначале поочередно слабо затягивают диамет-
рально противоположные болты, затем в том же порядке затя-
гивают их до отказа.
Автоклавы
369
Материал уплотняющей прокладки выбирают в соответствии
с химическими свойствами газов и паров, находящихся в авто-
клаве. В качестве уплотняющего материала прокладки нельзя
использовать металлы, подвергающиеся сильной коррозии при
действии на них агрессивных газов и паров. Наилучшим уплотня-
ющим материалом является медь, непригодная, однако, при рабо-
те с аммиаком. В качестве прокладочных материалов используют
сплавы с достаточной твердостью
также различные алюминиевые
и соответствующими коэффици-
ентами температурного расши-
рения. Свинец легко выжимается
из уплотняющей канавки при
затягивании болтов.
Для автоклавов, работаю-
щих при высоком давлении,
могут быть использованы и дру-
гие способы крепления крышки
к корпусу аппарата. На рис.
212 показан один из способов
крепления без фланцев и бол-
тов. Крышка 1 автоклава снаб-
жается приливами 6 в форме
четырехгранных призм, распо-
ложенных по окружности на
внешней стороне цилиндриче-
ской части крышки. На внут-
ренней стороне цилиндра 7 ав-
токлава располагаются таким
же образом (по окружности)
приливы 5, по размерам при-
мерно равные приливам 6.
Крышку вставляют в ци-
линдр автоклава так, чтобы
приливы 6 попали в промежут-
ки между приливами 5. Затем
крышку повертывают на не-
сколько градусов относительно
Рис. 212. Летали соединения крыш
ки и корпуса автоклава:
/—крышка автоклава; 2— металлическая коль
цевая прокладка: /(—нажимное кольцо: <
8—шпильки; 5, 6—приливы; 7—цилиндр авто-
клава.
вертикальной оси аппарата, при этом приливы 6 заходят под
приливы 5, т. е. занимают положение, показанное на рисунке.
В таком положении крышка удерживается приливами и под
действием давления, создающегося в автоклаве, может быть
сорвана лишь в том случае, если будет срезано большинство
приливов 5 и 6.
Такое соединение крышки и корпуса автоклава уплотняется
следующим образом: в кольцевой канал между крышкой и ци-
24—2277
370 /',/ 37. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
линдрической частью автоклава укладывается металлическая
кольцевая прокладка 2, прижимаемая при помощи кольца 3.
Нажимное кольцо 3 прикрепляется к корпусу автоклава шпиль-
ками 4, при затягивании которых прокладка 2 «раздавливается»
и таким путем создается хорошее уплотнение. Шпильки 8 служат
для крепления обогревающей рубашки к корпусу автоклава.
Описанный оригинальный способ крепления на практике иногда
не обеспечивает надежного уплотнения. По-видимому, для повы-
шения надежности уплотнения следует особо тщательно выбирать
материал уплотняющей прокладки, который должен обладать
высокой твердостью и определенным коэффициентом температур-
ного расширения.
Арматура и гарнитура. Арматура и гарнитура автоклавов в
общем мало отличаются от арматуры и гарнитуры обычных реак-
ционных аппаратов.
Загрузочные1 люки и лазы автоклавов выполняются так же,
как в обычных реакционных котлах (см. главу II, стр. ИЗ). Весьма
желательно отсутствие в автоклавах люков и лазов, так как меха-
ническая прочность крышки, снабженной люками и лазами, сни-
жается, вследствие чего приходится делать крышку усп. еннсй кон-
струкции. В автоклавах, предназначенных для обработки жидко-
стей при высоких давлениях, люков и лазов, как правило, не делают.
Штуцеры автоклавов, работающих при невысоких давлениях,
аналогичны штуцерам обычных реакционных котлов. При высо-
ких рабочих давлениях в автоклавах штуцеры выполняются не-
сколько иначе (рис. 213). Такой шту-
цер имеет широкий прилив, в котором
высверлены отверстия для шпилек;
фланцы в подобных аппаратах отсут-
ствуют. При помоши шпилек к аппа-
рату прикрепляется патрубок,соединен-
ный с трубопроводом обычным крепле-
нием па фланцах.
Как и все реакционные аппараты,
автоклавы снабжают гильзами для тер-
мометров. При наличии описанных шту-
церов гильзы прикрепляют к крышке
аппарата посредством шпилек.
Совершенно необходимой принадле-
жностью каждого автоклава являются
манометры и предохранительный кла-
пан. В некоторых случаях для большей надежности устанав-
ливают два предохранительных клапана.
Ход процесса в автоклаве контролируют главным образом по
показаниям манометра. Устанавливают не менее двух манометров
Рис.” 213. Штуцер авто-
клава высокого давления.
Автоклавы 37!
(один рабочий, другой контрольный). Для наблюдения за измене-
ниями давления и температуры в автоклаве обязательно примене-
ние самопишущих манометров и термометров.
На крышке автоклава размещают также штуцеры для труб
наполнения и передавливания, „тля подвода сжатого воздуха и
для соединения с атмосферой (воздушники).
Подготовка ноешгх автоклавов к эксплуатации. Автоклавы
принадлежат к реакционным аппаратам, эксплуатация которых
даже при незначительных конструктивных дефектах может при-
вести к весьма нежелательным последствиям и даже к аварии.
Поэтому перед началом эксплуатации автоклава необходима самая
пцател!>ная проверка всех его деталей. Та.ка.я проверка сводится
в первую очередь к сопоставлению изготовленного аппарата е его
рабочими чертежами и спецификацией па запасные детали, арма-
туру и т. д. После проверки основных размеров аппарат подвергают
внутреннему п наружному осмотру. При осмотре проверяется
следующее:
1) отсутствие раковин, трещин и др yr.ж дефектов в корпусе,
автоклава и его крышке',
2) соответствие обработки фланцев техническим условиям
на их изготовление ц возможность свободного входа уплотняющего
выступа крышки в уплотняющую канавку автоклава;
3) соответствие точности обработки деталей рэзмеширлющих
устройств условиям, указанным на чертеже;
-1) отсутствие стука при работе мешалок и нагревания '.'од-
шип ников п сальников.
При положительных результатах осмотра аппарата приступают
к его гидравлическому испытанию. После- сборки в автоклав,
оборудованный необходимыми устройствами и арматурой, насо-
сом нагнетают холодную воду до создания в аппарате требуемого
давления (табл. 14).
Т а б И И ;) I j
Условия гидравлических испытаний сосудов, работающих под давлением
Сосуды Рабочее давле- IIpofjiioc давление
НИС :НП!1 на заводе-изготовителе |при периодических. испытаниях
Все, к|юме Нм ж - 5 ! ,5 I1, по не менее 2 until । 1 ,5 , по не мелел 2. или
ЛИТЫХ
То же 3 и выше 1,23 Р, но не мене - 3апш 1,2.5/', но не мелел.3 ниш
Литые 1,5 Р, ио не менее 3 ати [ 1,25 /’, по не.менее.2 ати
(iie.itiBHCHMO от рабочего гаваеипя)
Эма пиронж 1- i Давление, укэзчпчос в
НЬЮ. ! паспорте, по не менее ра-
_ _ 1 бочего давления
2 4*
372
Г.i. XL Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Автоклав может быть сдан в эксплуатацию только после про-
верки его в условиях пробной эксплуатации, в крайнем случае
после выдержки его в течение определенного времени (предусмот-
ренного соответствующей инструкцией) при рабочем давлении,
создаваемым в аппарате водяным паром. Во время эксплуатации
аппарат должен находиться иод
непрерывным наблюдением и об-
служиваться квалифицированным
персоналом.
Рис. 21 I. Автоклав для а.тки-
лпронация.
Рис. 213. Автоклав для щслоч-
кого плавления.
В соответствии с «Правилами устройства и безопасной эксплуа-
тации сосудов, работающих под давлением» автоклавы подвер-
гаются гидравлическим испытаниям не только до сдачи в эксплуа-
тацию, ио и периодически в процессе эксплуатации и после ремон-
тов. Указанные правила распространяются на все сосуды, рабо-
тающие под давлением, за исключением сосудов емкостью до 25 л,
для которых произведение емкости (в л) на рабочее давление
(в atn) составляет не более 200.
Конструкции автоклавов В заключение остановимся (без
подробного описания) на конструкциях автоклавов, применяемых
в рассматриваемых процессах.
Автоклавы без размешивающих приспособлений, люков и
лазов, показанные на рис. 200 (стр. 361) и па рис. 214, применя-
ются главным образом в процессах алкилирования. При щелоч-
Автоклавы
373
ном плавлении используются автоклавы, подобные аппарату,
представленному на рис. 215. В процессах аминирования чаще
всего применяют автоклавы, изображенные на рис. 216.
Рис. 216. Автоклавы для аминирования.
На рис. 217 приведен автоклав без вкладыша, используемый
при переработке вязких щелочных жидкостей. Аппарат снаб-
жен рубашкой для обогрева и ленточной мешалкой, при вращении
которой стенки котла очищаются от налипающей на них реакцион-
ной массы.
На рис. 218 представлен эмалированный автоклав для пере-
работки агрессивных веществ. Мешалку выполняют из
эмалированной или кислотостойкой стали. Скорость вращения
мешалки обычно не превышает 65 об/мин., при большей скорости
перемешивания реакционной массы ускоряется износ эмалевого
покрытия. Емкость эмалированных автоклавов до И 500 л\ они
рассчитаны на давление не выше 20 ат и температуру до 250°.
2'1 /V Аппаратура процессов, проводимых под давлением
К наиболее ответственным деталям автоклавов, как известно,
относятся сальники, однако тщательное уплотнение таких саль-
ников иногда сопряжено с большими трудностями. При высокой
температуре набивка сальников может обуглиться, а повышение
рабочей температуры в автоклаве, как правило, связано с возраста-
нием давления и необходимостью более надежного уплотнения.
Переработка в автоклаве веществ, растворяющих сальниковую
набивку, также отрицательно влияет на герметичность уплотнения
В связи с этими недостатками саль-
ников возникла необходимость
создания конструкций бессальни-
Рис. 218. Стальной эмалированный
автоклав:
/—стальной котел; 2—крышка; а—мешалка;
/—рубашка; ,5—редуктор; б—электродвига-
тель.
ковых автоклавов.
Рис. 217. Автоклав для пере-
работки? вязких щелочных
^жидкостей.
На рис. 219 представлена принципиальная схема автоклава
с 'электродвигателем, помещенным внутри аппарата; рабочее
давление в автоклаве подобной конструкции достигает 1500 ат.
Большой интерес представляет бессальниковый автоклав,
изображенный на рис. 220. Верхняя часть автоклава, внутри
Автоклавы
которой размещен ротор электро-
двигателя. выполняется из не-
магнитного материала (хромони-
келевый сплав). С наружной сто-
роны крышки расположен статор:
выходящий из него магнитный
поток вращает ротор, насажен-
ный на вал мешалки. | _
Бессальниковые автоклавы с
мешалками являются весьма^пер-
спективными аппаратами.
Рис. 220. Схема автоклава
с приводом без сальника (ро-
тор электродвигателя распо-
ложен внутри автоклава,
статор снаружи).
Рис. 219. Схема автоклава’с
приводом без сальника
(электродвигатель располо-
жен в зоне высокого давле-
ния).
376
Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Аппараты змеевикового типа
Для проведения непрерывного гидролиза, аминирования, ще-
лочного плавления, алкилирования и других процессов целесо-
образно применение трубчатых аппаратов, легко выдерживающих
высокие давления. Кроме того, в подобных аппаратах можно про-
водить процессы без специальных размешивающих приспособле-
ний, поскольку в трубах небольшого сечения создается турбулент-
ный поток.
Это обеспечивает интенсивное перемешивание протекающих
жидкостей.
Рис. 221. Принципиальная схема проведения процессов
под давлением в трубчатых аппаратах:
/—напорный бачок; 2—измеритель расхода; 3—насос; 4—змеевиковый
подогреватель; .г—трубчатый реакционный аппарат; 6—дроссельные
вентили.
Принципиальная схема проведения процессов под давлением'
в трубчатых аппаратах представлена на рис. 221. Смесь взаимо-
действующих жидкостей из напорного бачка 1 через измеритель
расхода 2 поступает в поршневой насос 3, нагнетающий жидкость
в змеевиковый подогреватель 4 и далее в трубчатый реакционный
аппарат 5.
Требуемое давление в трубчатых аппаратах создается при
помощи дроссельных вентилей 6. Для поддержания определенной
температуры реакции трубчатый аппарат 5 можно нагревать пли
охлаждать.
Для предварительного подогрева жидкости в аппарате 4 це-
лесообразно использовать тепло продуктов реакции, выходящих
из реакционного аппарата. В этом случае подогреватель следует
выполнять по типу теплообменников «труба в трубе» и греющая
жидкость (продукты реакции) должна поступать в него до дрос-
селирования.
Аппараты змеевикового типа
377
Устройство подогревателей и змеевиковых реакторов весьма
несложно. Эти аппараты (рис. 222) выполняются из стальных
цельнотянутых труб 1, смонтированных на металлической кон-
струкции и соединенных друг с другом ретурбендами 2 при по-
мощи фланцев и болтов с линзовым уплотнением соединений.
Г’ис. 222. Реактор змеевикового типа:
/—цельнотянутые трубы; 2— ретурбенды.
Линзовое уплотнение схематично изображено на рис. 223.
Как видно из рисунка, концы соединяемых труб снабжены нарез-
кой, на которую навертываются фланцы так, чтобы небольшие от-
резки труб (края) выходили из фланцев. Торцевые поверхности
соединяемых труб обтачивают по форме стальных линз 1, которые
помещают на стыке. При затягивании болтов трубы плотно при-
жимаются к линзе, благодаря чему создается надежное уплотне-
ние.
Гарантией такого уплотнения в данном случае является
тщательнейшая шлифовка и подготовка поверхностей соприкос-
новения линз и соединительных труб.
378 Гл. X/. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Более простое и достаточно надежное соединение труб пока-
зано на рис. 224. На трубы надевают свободно скользящие флан-
цы /, к концам труб приваривают буртики 2. Между концами
соединенных труб помещают кольца 3 из мягкого металла. При
затягивании болтов трубы сильно прижимаются к металлическим
кольцам, что обеспечивает достаточную плотность соединения.
Рис. 223. Линзовое уплотненно:
1—стальная линза.
Рис. 221. Соединение труб при
помощи скользящих фланцев:
/—фланцы; 2—буртики; .S'—кольцо.
Описанные способы соединения труб используются лишь
при необходимости создания в аппаратах высокого давления
(100—400 ат), при низких давлениях соединения труб могут
быть выполнены обычными способами.
3 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОЦЕССОВ ГИДРОЛИЗА,
АМИНИРОВАНИЯ И АЛКИЛИРОВАНИЯ
Независимо от способа проведения рассматриваемых процес-
сов (периодический или непрерывный способ) тепловые соотноше-
ния, возникающие при их протекании, целесообразно определять
раздельно для стадии химического взаимодействия и для стадии
отгонки непрореагировавших веществ при снижении давления.
Общее уравнение теплового баланса для стадии химического
взаимодействия;
Ф, - Q24-Q3 = Q4 + <25 + <2« (XI, 1)
где Q,—тепло, вносимое в аппарат реагентами, ккал;
Q.2—тепло, передаваемое реагентам теплоносителем, ккал;
Q3—тепловой эффект процесса, ккал;
Q,i—тепло продуктов реакции в конце процесса, ккал;
Qr>—тепло, расходуемое на нагревание деталей аппарата, ккал;
Qa—тепло, теряемое аппаратом в окружающую среду, ккал.
,'J. Тепловой баланс гидролиза, аминирования и алкилирования 379
Кроме теплового эффекта Q.., остальные величины, входящие
и общее уравнение теплового баланса, не специфичны для пере-
численных выше процессов. Поэтому в настоящем разделе мы огра-
ничимся рассмотрением способов вычисления тепловых эф-
фектов.
Тепловые эффекты данных процессов могут быть определены
различными способами, в зависимости от химической сущности
процессов и свойств реагирующих веществ.
Тепловой эффект процессов гидролиза. Для наиболее рас-
пространенного случая гидролиза хлорпроизводных, проводимого
в присутствии разбавленных растворов едкого натра, тепловой
эффект процесса можно принять равным сумме тепла реакции и
теплоты разбавления едкого натра водой, выделяющейся в ре-
зультате гидролиза. В соответствии с уравнением реакции
RC1 + 2NaOH = RONa + NaCl + Н.2О
тепло реакции с/р находят по закону Гесса (в ккал/г-мол):
</,, : Ч» — Чс + ^NaCl 4 Чщо — 24/NaoiI (XI, 2)
где с/,,—тепло образования продукта гидролиза, к,кал/г-мол\
£/<.—тепло образования исходного органического соедине-
ния, ккал/г-мол;
Vn.ici—тепло образования хлористого натрия в растворе
(96,6 ккал/г-мол)-,
Щцо—тепло образования воды (69 ккал/г-мол)-,
<7маон~ тепло образования 100%-ного едкого натра
(102,7 ккал/г-мол).
Подставляя в уравнение (XI, 2) числовые значения теплот
образования, получим окончательную формулу для вычисления
теплоты реакции (в ккал/г-мол):
<7р = <7п-</с-39,8 (XI, 3)
Теплоту разбавления щелочи водой, выделяющейся в резуль-
тате реакции, в данном случае находят как тепло изменения кон-
центрации щелочного агента в процессах щелочного плавления
(см. главу IX, стр. 334).
Тепловой эффект процессов аминирования складывается из
тепла реакции и теплоты изменения концентрации аминирующего
агента, которым будем считать водный раствор аммиака. В соот-
ветствии с законом Гесса и уравнением реакции
RC1 + 2NH3 = RNH2 4- NHjCl
380 Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
тепло реакции аминирования 1 г-мол исходного хлорпроизводного
может быть найдено (в ккал/г-мол) по следующей формуле:
7Р = qu - 7с + <7NH1Ci - 2<7nh3 (Х1-4)
где <7П—тепло образования аминопродукта, ккал/г-мол;
qc—тепло образования аминируемого соединения,
ккал/г-мол;
7nh4ci—тепло образования хлористого аммония
(71 ккал/г-мол);
7nh3—тепло образования газообразного аммиака (И)
ккал/г-мол).
Подставляя числовые значения теплот образования в уравне-
ние (XI, 4), получим:
7Р = 7п — 7с + 49 ккал/г-мол (XI, 5)
Тепло реакции аминирования оксипроизводных, протекаю-
щей по уравнению
ROH + NH3 = RNH3 + Н2О
может быть вычислено по аналогии с предыдущими расчетами
(в ккал/г-мол):
7р 7» 7с 7н2о 7,\ц;1 7п 7с Т (XI, 6)
Для аминирования сульфонатов по реакции
RSO3Na + 2NH3 = RNH2 + Na(NH4)SO3
тепло реакции составит (в ккал/г-мол):
7р ~' 7п 7c + 7NaNH4so3 27nh3 = 7п 7с + 208 (XI, 71
где с/п—тепло образования аминопродукта, ккал/г-мол;
</е—тепло образования соединения, подвергаемого ами-
нированию, ккал/г-мол;
7n;inh4so3—тепло образования смешанной соли сернистой
кислоты (230 ккал,г-мол);
7nh3—тепло образования газообразного аммиака
(11 ккал/г-мол).
Теплота изменения концентрации аминирующего агента в
процессах аминирования может быть вычислена по аналогии с
расчетом теплоты изменения концентрации щелочей в процессах
щелочного плавления (стр. 334). Необходимо учитывать, что в
уравнения (XI, 5)—(XI, 7) входит (/хн3—тепло образования газо-
образного аммиака, поэтому протекание процесса аминирования
3. Тепловой баланс гидролиза, аминирования и алкилирования 381
следует представлять таким образом. Вначале из раствора десор-
бируется весь растворенный аммиак, при этом расходуется qr ккал
тепла на 1 кг воды. Образовавшийся газообразный аммиак реа-
гирует с аминируемыми веществами, а непрореагировавшая часть
его снова растворяется, растворение сопровождается выделением
q., ккал тепла на 1 кг воды.
Следовательно, тепловой эффект q„ изменения концентрации
аминирующего агента определяется разностью:
~ q2— qr ккал'на 1 кг воды (XI, 8)
Соответственно тепло изменения концентрации всего коли-
чества загруженного в аппарат аммиачного раствора может быть
вычислено (в ккал) по формуле:
= Ga(l — 0,01с) q„ (XI, 9)
где Ga—количество аммиачного раствора, кг;
с—начальная концентрация раствора, %.
Уравнение (XI, 9) справедливо лишь для процессов аминиро-
вания, протекающих без выделения воды. Образование воды
и смешение ее с раствором аммиака сопровождается выделением
тепла, количество которого (на 1 кг воды, содержащейся в рас-
творе, загруженном в аппарат) может быть найдено также по
закону Гесса. С учетом образования реакционной воды теплота
изменения концентрации аммиачного раствора может быть най-
дена так (в ккал1кг воды):
</„ = (1 + У) <?2 —(XI, 10)
где х—количество реакционной воды на I кг воды, загруженной
в аппарат.
Необходимые для расчетов величины q, и q., могут быть взяты
из табл. 15.
Очевидно, с/, соответствует начальной концентрации аммиач-
ного раствора, a q„—конечной.
Тепловой эффект процессов алкилирования. Тепловой эффект
этих процессов по существу является теплом реакции, так как
тепло изменения концентрации алкилирующих агентов в данном
случае незначительно и его можно не учитывать в расчетах, за
исключением расчетов процессов алкилирования фенолов в щелоч-
ной среде.
Тепло реакции алкилирования определяется различно, в за-
висимости от применяемого алкилирующего агента.
382 Г.1. XL Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Таблица I; >
Тепло растворения газообразного аммиака в воде при различной
концентрации образующегося раствора и различной температуре
Концен- трация % Тепло растворения, кк/л'/кг воды Концен- трация Тепло растворения, ккал/кг воды
при 0й при 20" при -10° при G(P при 1003 при 0° при 20° при d0° при 60° при 100-
38,66 292 279 270 18 107 103 100 99 109
36 268 253 246 — — 16 93 90 87 86 (>2.
34 248 233 229 — — 14 80 78 75 74 75
32 229 215 210 — — 12 68 65 63 62 61
30 211 196 192 — —. 9,5 53,6 51 50 48 4 Г
28,84 200 186 183 175 198 8 43 42 41 39 38
2(, 172 1 6 i 158 154 176 ('• 30 30 29 29 22
J <)□ И Ь 1 тЗ J HI 1 г> 1 i. / 1 зп.а 24, .1 23,7 Z •) 21 „ t
22 19, 16 138 ! I 6 131 1 12 12 л 1(14 is 142 ’ 22 1.92 I п, 2 9.8 9,5 9,2 8 ,Г
Ниже рассмотрены
способы он ределеп и я теплот ал ки.а ирова-
н этиловым спиртом в кислой среде:
ния аминов метиловым
RNH2-1 '11.,( )I I. - 13ХИ- Н, ! !('.! pl 1,0
RN11,Т 1( 1 + < Н,()Н I? X i! С, Н а 11 Cl 11 j )
II теплот реакции алкилирования oKciinpoii:iBo;ii.i>i\ хлористым,
метилом в шелочiioil сре д''.
RONa6-(Tl.,( J = RO(TI., -f- NaCl
Теплота реакции алкилирования аминов метиловым спиртом
в кислой среде может быть найдена в соответствии с законом Тесса
(в ккал/г-мол);
7р — ‘/и 7с г </[-i2o 7Сц:,он (XI, 11)
где qB—тепло образования моноалкилпроизводного амина,
ккал/г-мол;
ас—теплота образования солянокислой соли амина,
ккал/г-мол;
7н2о—теплота образования воды (69 ккал/г-мол);
7сн3он—теплота образования метанола (61,7 ккал/г-мол).
Подставляя в уравнение (XI, 11) числовые значения теплот
образования, получим:
7Р = — 7с + 7,3 ккал/г-мол (XI, 12)
3. Тепловой баланс гидролиза, аминирования и алкилирования
383
Тепло реакции образования диалкилпроизводных аминов (в
ккал/г-мол) определится соответственно таким образом:
Чр Чп 7с -Н 2</j]qQ ^снзон 7п 7 с 4-14,6 (XI, 13)
Тепло алкилирования аминов этиловым спиртом в кислой
среде в соответствии с уравнением реакции находят (в ккал/г-
мол) по формуле*:
^7р (/п Чс~Н Чcj।три’ Чи Чс 0,9 (XI, 14'
где г/еднон--теппо образования этанола (69,9 ккал/г-мол).
Для диалкилпроизводных аминов тепло реакции равно
(в ккал/г-мол):
Чр Чч '/*- Т‘ -7н„о ~c/C'jb,oii Ч" Чс 1>8 (XI, 1о)
Тепловой эффект процесса алкилирования фенолов хлористым
метилом в щелочной среде складывается из теплоты реакции и
теплоты изменения концентрации щелючиого раствора и находит-
ся (в ккал/г-мол) по формуле:
Ч\> == Чп — <;, + ‘/кка — Vcu-jci 1X1, 16)
где ср,— теплота образования алкнлпроизводного фенола,
ккал/г-молл,
ср — теплота образования фенолята, ккал/г-мол:
Ч«1.с--теплота образования NaCl (96,9 ккал/г-мол):
7сп.)С1 ~ теплота образования жидкого хлористого метила
(33,9 ккал/г-мол).
После подстановки в уравнение (XI, 16) числовых значений
получим:
Чр^Ч.-Чс -1-62,7 (XI, 17)
Алкилирование аминов хлористым метилом в щелочной среде
протекает по реакции
RNII.. + СН3С1 + NaOH = RNH( 11:1 Na(.I + 11,0
Формула для определения теплового эффекта этой реакции
(в ккал/г-мол):
Чр — <7п 7с + 7N1CJ + Vn .Q '/('J |. с 1 ^NaOIl (XI, 18)
384
Г.л. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
Подставляя в уравнение (XI, 18) известные числовые значения,
получим:
q;. р,. — Чс +9,2 ккал/г-мол (XI, 19)
где
qn—тепло образования
ккал/г-мол;
7,.—тепло образования
i/NaOH—тепло образования
(112,5 ккал/г-мол).
моноалкилпроизводного амина,
исходного амина, ккал/г-мол;
водного раствора едкого натра
Тепло изменения концентрации щелочного агента может быть
подсчитано по формулам и данным, приведенным в главе IX
(стр. 334).
Теплоты образования солей аминов (исходя из теплот ней-
трализации, приведенных в табл. 10, стр. 314, и теплот образова-
ния исходных аминов) могут быть вычислены (в ккал/г-мол) по
формуле:
Я.-.я = 7а + 7к + 7„.а. (XI, 20)
где 9с.а.—тепло образования соли амина, ккал/г-мол;
7а—тепло образования исходного амина, ккал/г-мол;
qK—тепло образования кислоты, ккал/г-мол;
7н.а.—тепло нейтрализации амина кислотой, ккал1г-мол.
Для вычисления тепла реакций по уравнениям (XI, 12) и (XI, 14)
можно пользоваться теплотами образования не солей аминов, а
собственно аминов, так как теплоты нейтрализации алкилирован-
ных и неалкилированных аминов почти одинаковы.
Тепловой баланс стадии отгонки непрореагировавших веществ.
Для процессов гидролиза, аминирования и алкилирования тепло-
вой баланс стадии отгонки непрореагировавших летучих веществ
(при снижении давления) может быть представлен следующим ра-
венством:
= (GL — G,,)c2(2 + G2a + Qu (XI, 21)
где Gj—вес реакционной массы перед снижением давления, кг;
с,—теплоемкость реакционной массы перед снижением давле-
ния, ккал/кг.' град;
G—температура реакционной массы перед снижением давле-
ния, °C;
G2—вес испарившихся веществ, кг;
с2—теплоемкость продуктов, оставшихся после отгонки
легколетучих веществ, ккал/кг-град;
t2—температура оставшихся продуктов, °C;
>.—теплосодержание образующихся паров, ккал/кг;
Qn—тепло, теряемое в окружающую среду, ккал.
Тепловой мошне гидролина, и минировано я и алкилирования
Задаются температурой t, и находят из равенства (XI, 21)
вес G., испаряющихся веществ, либо задаются величиной Ci., и
находят температуру t,.
Зная вес реакционной массы, теплоемкость и теплосодержание
паров, легко произвести все расчеты по уравнению (XI, 21).
В случае отгонки смеси летучих компонентов (например, аммиака
и паров воды) для определения ее теплосодержания необходимо
предварительно вычислить состав образующейся парогазовой
смеси.
Состав паров, образующихся при испарении жидкости, можно
вычислить по уравнению простой дистилляции:
2,31g/
d.t
(XI, 221
летучих компонентов в реакцион-
компонентов в жидкости;
компонентов в парах, находящих
где G' -начальный вес смеси
ной массе, кг\
х—содержание летучих
//—содержание летучих
ся в равновесии с жидкостью.
В общем случае решение этого уравнения возможно только
путем графического интегрирования. Для этого на основании
экспериментальных данных строят интегральную кривую в коор-
динатах х, —--Площадь, заключенная между этой кривой и
у -Л
ординатами в пределах от лд до х.,, соответствует величине под-
интегрального выражения.
Для системы аммиак—вода зависимость y—f(x) приведена в
табл. 16, а интегральная кривая—на рис. 225.
Зная величины G” и G*, можно вычислить значение 2,3 1g-у
и построить в соответствующем масштабе подинтегральную пло-
щадь на графике х, Таким образом определится положение
точки т. е. конечная концентрация NH., в жидкости. По из-
вестным величинам х, и х.,, G' и G, можно определить состав паров,
используя простейшие уравнения материальных соотношений
процесса перегонки.
Для вычисления теплосодержания смеси паров воды и аммиа-
ка иногда находят теплоту испарения этой смеси как сумму теплот
испарения воды и выделения аммиака из водного раствора. Тепло
выделения NH.. из раствора может быть принято по данным табл.
15 (стр. 382).
25-2277
386
Гл XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
РШ
Г-не. 225. Интегральная кривая х,- для системы аммиак - вода.
4. Аппаратура вспомогательных процессов
387
Таблиц а 16
Зависимость между х — содержанием NH3 в водных растворах
аммиака и у — содержанием NH3 в парах над растворами
Содержав е NH8 в парах и,% У~ X 1 _ у—X Содержание NHg 1 //— V . 1 _
F ЖИДКОСТИ х,% в жидкости х,% в парах у,%
0, 1 i 1 0,9 1,100 7,77 55 47,23 0,0212
0,2 2 1,8 0,550 8,76 60 51,24 0,0195
0,55 г’ 4,45 0,225 9,72 65 56,28 0,0178
1,2 10 8,8 0,1135 10,75 70 59, 25 0, 0)69
1,81 15 13, 19 0,076 '11,8 /;> 63,2 0,0158
2,5 20 17,5 0,0571 12,89 80 67,11 0,0149
3,2 25 21,8 0,0469 II 15 85 70,0 0,0143
4,0 30 26 0 0 QP85 I1 20 .90 7Q1J" Q0143
4,7 35 3! ,3 . 0 ,0314 , 28 2 93 64 8 0 Q154
5,46 40 34,54 0,029 I 41 95 54,0 0,0185
6.2 45 38,8 0,0258 60 97 37,0 0,027
7.0 , .50 1 43 0 0 0233и ' . 80 .!)<) ! 9,0 । 0,0526
4. АППАРАТУРА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
Проведение процессов под давлением в технике связано с ря-
дом побочных операций исследуй шей обработки полученных
продуктов. К таким операциям относятся: отгонка из автоклава
непрореагировавших летучих веществ, конденсация их паров,
нейтрализация реакционной массы кислотой (в процессах л елоч-
ного плавления) или щелочью (в процессах алкилирования),
фильтрование и кристаллизация полученных продуктов и регене-
рация аммиака (в процессах аминирования).
Процессы конденсации паров, нейтрализации, фильтрования
и кристаллизации в рассматриваемых производствах весьма не-
сложны и проводятся в простой аппаратуре, которая должна быть
известна читателю; поэтому перечисленные процессы в дальней-
шем изложении не рассматриваются. Способы же регенерации
аммиака представляют большой интерес как в отношении их ап-
паратурного оформления, таг, и в смысле влияния на экономич-
ность процессов аминирования. Поэтому вопросы, связанные с
регенерацией аммиака, будут изложены здесь более подробно.
Аппаратура для абсорбции и регенерации аммиака
Поглощение и регенерация аммиака, не прореагировавшего
в процессе аминирования, относятся к наиболее существенным
операциям этого процесса. В; бор способов поглощения и регене-
рации аммиака в большой степени определяет себестоимость по-
25"
38S Г.1. Xl. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
лучаемых аминов. В связи с тем, что при аминировании приме-
няется большой избыток аммиачных растворов, необходимо
тщательно рассчитать установку для pare шрации и рационально
организовать ее работу. В процессе регенерации должно быть
обеспечено возможно более п о а ное поглощение непрореагировав-
шего амииака с образованием аммиачных растворов, концентра-
ция которых соответствует концентрации, необходимой для про-
ведения процессов аминирования.
Способ поглощения, .зависящий главным'образом от характера
получаемых аминов, в общем случае сводится к конденсации
аммиачных паров и последующей абсорбции несконденсировав-
шегося газообразного аммиака. Однако конденсация применима
не во всех процессах аминирования. Так, аммиачные пары, от-
гоняемые из автоклавов, при получении n-нитроанилина п.<
п-нитрохлорбензола не могут быть подвергнуты конденсации из-за
присутствия в них пепрореагировавшего п-нитрохлорбензола,
который легко застывает в трубах конденсаторов, нарушая нор
мальный ход процесса. В этом случае непрореагировавший аммиак
следует поглощать путем абсорбции. Если же отгоняемый из авто-
клавов аммиак не содержит паров органических веществ или если
эти вещества, отгоняемые вместе е аммиаком, имеют низкую тем
пературу застывания, целесообразно применить и конденсацию,
и абсорбцию.
Принципиальная схема установки для поглощения аммиака,
отгоняемого из’автоклавов, представлена на рис. 226.
Из автоклава /, в котором давление; по окончании аминиро-
вания составляет 60 ат, начинают отгонять аммиак, открывая
редукционные вентили а и б. При прохождении через эти венти-
ли давление паров снижается до 3,5 ат. Далее пары аммиака и
воды поступают в трубчатый аппарат 2, где из паровой фазы
конденсируется почти вся вода. Образующийся при этом кон-
центрированный водный раствор аммиака вместе с нерастворин-
шимся в воде аммиаком направляется в сборник 3. В сборнике,
представляющем собой стальной котел со сферическими крышкой
и днищем и нижним спускным штуцером, жидкая фза отделяется
от газовой.
Газ через редукционный вентиль в (в котором давление пони-
жается с 3,5 до 0,35 ати} поступает в абсорбер 4. Этот аппарат
выполнен в виде стального котла, снабженного сферическими
крышкой и днищем, а также охлаждающим змеевиком и перфори-
рованной трубкой, через отверстия которой аммиак барботирует
через жидкость, заполняющую абсорбер. Здесь аммиак частично
поглощается жидкостью и затем последовательно проходит аб-
сорберы 5 и б, по устройству и принципу действия не отличаю-
щиеся от абсорбера 4.
Аппаратура для абсорбции и peceHcyjayiiii
38П
Окончи гель ное поглощение аммиака происходит в абсорбцион-
ной колонне 7, заполненной насадкой и орошаемой водой, которая
подается из сборника 8 центробежным насосом 9.
В абсорбере 4 к моменту снижения давления в автоклаве на-
ходится аммиачный раствор концентрацией q, в абсорбере б
Рис. 226. Принципиальная схема установки для иоглотенпя аммиака, отгоняе-
мого из автоклана:
/ — апгоклак: -.кондгнс<пор; J—сборник концентригоь-шгого родного рислрора аммиака; < ,
<- абсорберы; “ абсорбционная колонна; А— сборник годуй: цеп рпбсжныГ! насос; /о .7/—
монтежи; а, о' <>- редукционные венги. ш.
аммиачный раствор концентрацией в абсорбере 6—аммиачный
раствор концентрацией с.Л и в сборнике 8—чистая вода. В абсор-
берах 4, 5, 6 и сборнике 8 находятся равные количества воды, а
концентрация аммиачного раствора в абсорберах последовательно
уменьшается: <•,>с2>с...
При снижении давления в автоклаве и отгонке аммиака на-
сос 9 приводится в действие и вода из сборника 8 начинает
циркулировать в системе колонна -сборник—насос до тех
иор, пока не закончится отгонка. В процессе отгонки концентра-
ция аммиачного раствора в результате абсорбции постепенно
390 1.1. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
повышается: в абсорбере 4—до с0 (с0>с1), в абсорбере 5 —до с},
в абсорбере 6'—до с2, в сборнике 8 вода насыщается аммиаком с
образованием раствора концентрацией с3.
По окончании отгонки аммиака и абсорбции аммиачные рас-
творы из сборника 3 и абсорбера 4 передаются в монтежю /0 и И.
где смешиваются в таких соотношениях, чтобы концентрация
NH3 в полученном растворе соответствовала концентрации ам-
миака, необходимой для процессов аминирования.
Затем в освободившийся абсорбер 4 самотеком сливают ам-
миачный раствор из абсорбера 5, в абсорбер 5 — раствор из абсор-
бера 6, в абсорбер 6 перекачивают аммиачный раствор из сбор-
ника 8, который снова заполняют водой. После этого абсорбцион-
ная система считается подготовлена >й для следующей операции
поглощения.
Количество устанавливаемых абсорберов зависит вообще о:
заданной концентрации получаемых аммиачных растворов и сте-
пени поглощения аммиака. На большинстве действующих уста-
новок имеется три абсорбера, такие установки работают вполне
удовлетворительно. При этом ^регенерируется 90% (и более) ам-
миака, не вступившего в реакцию.
Концентрация получаемых аммиачных растворов зависит от
давления газообразного аммиака в паровой фазе и температуры.
По табл. 17, 18, 19 можно легко определить концентрацию рас-
творов аммиака, получаемых “в абсорберах, и получить таким об-
разом данные, необходимые для расчета аппаратуры.
Т а бл и ц а 17
Растворимость аммиака в воде х (г!ЧН:1/г воды)
при различной температуре
(лавлепие 760 м.м рт. ст.)
•ч; 0 0,875 10 0,554 I 36 1 0,343
2 0,833 20 0,526 38 ' 0,324
4 0,792 22 0,499 40 ! 0,307
6 0,751 24 0,474 42 1 0,290
8 0,713 26 0,449 44 | 0,275
10 0,679 28 0,426 46 \ 0,259
12 0,645 30 0,403 48 0,244
[4 0,612 32 0,382 50 ! 0,229
,6 0,582 34 0,312 52 , 0,214
В производствах малой мощности абсорбционные системы вклю-
чают лишь один абсорбер, который выполняет функции трех
\nnantn ура для абсорбции и регенерации
391
Таблица 18
Растворимость аммиака в воде (х) при различном парциальном
давлении его в газовой смеси (Ркн3) и различной температуре
рт. СТ. X, с NHg/a воды <’NH3 AtW РТ. СТ. х, г 1ЧНз/г воды
0° 20е ' 40° ° 20° 40Р
700 1 0,497 ' 1300 1,388 0,745
800 0,544 0,329 1400 1 1,488 0,781 0,472
900 0,997 0,588 — 1500 1,588 0,815 —
1000 1,094 0,629 0,386 1600 1,686 0,847 0,508
1100 1, 192 0,669 — 1700 1,778 0,877 —
1200 1,288 0,707 ! 0,435 1800 ; 1,847 0.906 0,543
Таблица 19
Растворимость аммиака в воде (X) при различной
температуре и различном общем давлении газовой
смеси Р над раствором
(Р=Рын3^ Рн2о)
р ММ рт. С1 । л, г NHg/г воды
i при 10J при 20" при 30е
300 0,414 0,294 0,212
500 0,541 0,412 0,308
700 0,658 0,508 0,387
900 0,763 0,591 0,455
1100 0,870 0,669 0,518
1300 J 0,978 0,742 0,577
1500 ! 1,085 0,814 0,631
описанных выше абсорберов. Такой аммиачный абсорбер (рис. 227/
представляет собой стальную колонну, состоящую из трех царг
/, //, III, отделенных друг от друга сплошными перегородками.
Каждая из этих царг выполняет роль самостоятельного барботаж-
ного абсорбера.
Процесс абсорбции происходит аналогично описанному выше
процессу (стр. 388). Перед началом отгонки аммиака все три царги
колонны заполняют (до определенного уровня) растворами ам-
миака. Концентрация его в верхней царге составляете.,, в сред-
ней-~с2, в нижней -с1 (c3<e2<Cj).
Отгоняемые из автоклава пары воды и аммиака поступают в
колонну снизу через перфорированную трубку 1, погруженную в
жидкость, заполняющую нижнюю царгу. Здесь поглощается при-
мерно 50% аммиака, поступающего в абсорбер. Непоглощенный
а лмиак направляется по боковой трубе в среднюю царгу II и бар-
392
Г.i. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
вотирует в ней через слой жидкости. В этой царге поглощается
35—40% аммиака от общего его количества, поступающего в аб-
сорбер. Остальной аммиак (10—15%) поступает в верхнюю царгу
/, где полностью поглощается. По окончании абсорбции концен-
трация аммиачного раствора в нижней царге составляет с0, в сред-
ней—с,, в верхней с.,. Из нижней царги раствор аммиака направ-
ляется в сборник, после чего в царгу через патрубок 3 самотеком
Вода
аммиака
Рис. 227. Аммиа чный абсорбер:
/, //, Hi—царги; /—перфорированная
трубки; 2—охлаждающие змеевики;
, '/ -переливные патрубки.
Рис. 22*. Установка для поглощения ам-
миака:
/—автоклав', 2, и—абсорберы, / — сборник; /.— на-
сос; 6— монтежю.
сливается аммиачный раствор из средней царги, которая далее
в свою очередь заполняется раствором аммиака, самотеком по-
ступающим в нее через переливной патрубок 4 из верхней царги.
Освободившуюся верхнюю царгу заполняют слабой аммиачной
водой или чистой водой. После этого установка подготовлена к
следующей операции поглощения аммиака. Все царги описан-
ного абсорбера снабжены змеевиками, в которых циркулирует
охлаждающая вода, и процесс абсорбции протекает при охлажде-
нии. Поверхность теплообмена змеевиков должна быть рассчита-
Аппаратура clan абсорбции а регенерации
на на отвод всего количества тепла, выделяющегося при растворе-
нии аммиака и конденсации отгоняемой с ним воды.
Установка с абсорбером описанного типа схематически пред-
ставлена на рис. 228. Подобная установка используется для
поглощения аммиака в тех случаях, когда предварительная кон-
денсация паров аммиака и воды, отгоняемых из автоклава, свя-
зана с технологическими затруднениями (например, в производ-
стве n-нитроанилина, см. стр. 388).
Смесь паров аммиака и воды, отгоняемая из автоклава / при
снижении давления, направляется непосредственно в абсорбер 2,
где поглощается основное количество аммиака. Непоглощен-
ный аммиак направляется далее в абсорбер 3, который представ-
ляет собой стальную колонну, заполненную насадкой. Колон-
на орошается водой, циркулирующей в системе абсорбер 3—сбор-
ник 4—насос 5. Количество воды равно количеству раствора в
верхней царге абсорбера 2. По окончании абсорбции орошающая
вода собирается в сборник 4 и затем перекачивается в освободив-
шуюся верхнюю царгу абсорбера 2. Концентрированный аммиачный
раствор сливается из нижнеи
царги абсорбера 2 в монтежю 6,
из которого при последующей
операции аминирования подает-
ся в автоклав /.
Представляет интерес схе-
ма абсорбции и регенерации
аммиака, показанная на рис.
229.
Пары аммиака и воды вво-
дятся в нижнюю часть колон
ны 1, по устройству аналогич-
ной конденсаторам смешения.
Сюда же через разбрызгиваю-
щие устройства поступает из
конденсатора 2 горячая вода
(85 -95"), в которой аммиак не
растворяется, но зато освобож-
дается от примесей органических
соединений (например, п-нит-
рохлорбензола), небольшие ко-
личества которых отгоняются
из автоклава при снижении в
Рис. 229. Схема агрегата для аб-
сорбции и регенерации аммиака:
/—колонна: 2—конденсатор; 3—газодувка;
4—сепаратор.
нем давления.
Горячая вода, содержащая примеси органических соединений ,
удаляется из нижней части колонны. Пары аммиака и воды на-
правляются из верхней части колонны в конденсатор 2. Здесь
394 Гл. XI. Аппаратура процессов, проводимых под давлением
пары конденсируются, нагревая воду, которая циркулирует в
межтрубном пространстве аппарата. Нагретая вода поступает
в колонну I.
Жидкость и несконденсироваыниеся пары переходят из кон-
денсатора 2 в сепаратор 4, где разделяются. Конденсат (водный
раствор аммиака) удаляется из нижней части аппарата в сбор-
ники, пары возвращаются газодувкой 4 в колонну 1.
ГЛАВА XII
АППАРАТУРА КОНТАКТНО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Г ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О КОНТАКТНО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССАХ
Каталитическими процессами называю! про-
цессы химического превращения, протекающие в присутствии
катализаторов—веществ, которые не принимают видимого участия
в процессе, но в действительности оказывают на него значительное
влияние. Каталитическое действие сводится к ускорению или
замедлению химического процесса. Некоторые химические про-
цессы в отсутствие катализаторов протекают со скоростью, при-
ближающейся к нулю; катализаторы таких процессов фактически
являются их побудителями.
Каталитические процессы можно разделить на две большие
группы. К первой группе относятся химические превращения, при
протекании которых взаимодействующие вещества и катализатор
образуют однофазную, или гомогенную, систему; в этом случае
происходит гомогенный каталитический процесс (г о м о г е п-
н ы й катализ ). Вторую группу составляют химичес-
кие превращения, в ходе которых реагенты и катализатор
образуют многофазную, или гетерогенную, систему, т. е. находятся
а различных агрегатных состояниях; в этом случае протекают гете-
рогенно-каталитические, или контактно-каталитические, процессы
(гетерогенный катализ).
В дальнейшем процессы второй группы мы будем называть
(контакт но- каталитически ми, причем рассматри-
ваться будут только системы, образуемые твердым катализатором
и газообразными или парообразными реагентами.
В промышленности органических полупродуктов и красителей
контактно-каталитические процессы приобретают все большее зна-
чение. В настоящее время они находят применение в процессах
хлорирования (окислительное хлорирование бензола в хлорбен-
зол), восстановления нитросоединений (получение анилина и
других ароматических аминов), гидролиза хлорзамещенных (полу-
396 !'.i. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
чение фенола парофазным гидролизом хлорбензола), алкилирова-
ния (получение монометнланилина и других алкилзамещенных),
окисления углеводородов (нафталина —во фталевый ангидрид,
бензола —в мапепновый ангидрид, антрацена—в антрахинон!,
декарбоксилирования (получение бензойной кислоты из фталевого
ангидрида), получения дифениламина из анилина и получения
нитрилов (фталонитрила из фталевого ангидрида и аммиака).
Переход к осуществлению химических процессов контактно-
каталитическими методами обусловлен значительными преиму-
ществами их перед «обычными» (некаталитическими) методами.
К основным преимуществам контактно-каталитических процес-
сов относятся:
1) большая скорость процессов, благодаря чему даже в произ-
водствах большой мощности можно применять относительно мало-
габаритные реакционные агрегаты;
2) возможность ведения процессов по непрерывному методу;
3) возможность проведения процессов при атмосферном давле-
нии. тогда как при «обычных» методах во многих случаях требуют-
ся высокое давление и применение тяжелой и громоздкой аппара-
туры;
4) возможность автоматизации дистанционного контроля и пол-
ной механизации наиболее трудоемких работ с минимальным при-
менением ручного труда на остальных операциях. Это позволяет
снизить себестоимость готовой продукции и улучшить условия
труда.
J 1оследовательность проведения контактно-каталитически \
процессов может быть представлена в общем виде следующей схе-
мой.
I Подготовка сырья п
! приготовление исходной
| парогазовой смеси
' ..... “I '
J Контактирование |
t
Конденсация и улавли- 1 i
______ вание продуктов |_________
! (тактирования j
1................' !
V t
Дальнейшая черепа- I I _ i
; ботка продуктов ! 1 Очпетка входящих
j контактирования ! газов
Аппаратура для предварительной обработки Зф
Для проведения этих процессов и операций требуются самые
разнообразные аппараты в большинстве оригинальные по устрой-
ству и специфичные для процессов контактирования.
2 АППАРАТУРА ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
КОНТАКТИРУЕМЫХ ВЕЩЕСТВ
Аппаратура для расплавления твердых реагентов
Получению парогазовой смеси контактируемых веществ обыч-
но предшествует их расплавление, если при комнатной темпе-
ратуре эти исходные вещества находятся в твердом состоянии.
Расплавление является
весьма несложной опера-
цией, которая может быть
проведена в самых разно-
образны;х и простых по
устройству аппаратах. Эти
аппараты зачастую выпол-
няются в виде котлов,
обогреваемых теплоноси-
телями Поверхность теп-
лообмена оформляется лю-
бым способом: в виде зме-
евиков, рубашек и т. д.
В смысле легкости очист-
ки аппарата наиболее
удобны рубашки и змее-
вики, приваренные к
стенкам аппарата с на-
ружной стороны.
Для плавления нафта-
Рие. 230. Р;>сл ;jивите л, пчфги
/ -стальной сварной когсл: --змее вики: >—опори
(4 шт.); 4-труба для персда1Р1ивзппя: крышка:
6 —гильза для термометра'. < патрубок для потами
пара. X—штуцер для вывода конденсата.
лина, подвергаемого оки-
слению в производстве
фталевого ангидрида, при-
меняют стальные сварные
котлы (рис. 230) с паровы-
ми змеевиками, приваренными снаружи к стенкам и днищу аппа-
рата.
Нафталин загружается в аппарат через верхний'люк в крышке,
расплав эвакуируется передавливанием по трубе 4 или пере-
качивается погружным центробежным насосом.
В производстве бензойной кислоты и фталодинитрила исход-
ным веществом является фталевый ангидрид, который расплав-
ляют в аналогичном аппарате.
398
Гл. XI/. Аппаратура контактно-каталитических процессов
На внутренней поверхности крышки расплавителя может кон-
денсироваться фталевый ангидрид.
Во избежание коррозии снаружи к крышке приваривают змее-
вики, обогреваемые паром.
Необходимость применения расплавител'. й отпадает при поступ-
лении в цехи расплавленных нафталина и фталевого ангидрида в
обогреваемых цистернах. При этом уменьшаются механические
потери продуктов при перегрузках и потери при хранении
(с сублимацией).
Рпс. 231. Висциновый фильтр:
/—стенки коробки; 2—насадка.
и едким натром). Висциновые
Оборудование для очистки газообразных реагентов
Атмосферный воздух, используемый в качестве окислителя в
контактно-каталитических процессах, должен быть подвергнут
очистке перед поступлением в контактный аппарат и компрессор,
так как пыль, содержащаяся
в воздухе, может отравлять
катализатор при прохожде-
нии воздуха через контакт-
ные трубки аппаратов.
Для очистки воздуха от
твердых примесей приме-
няют висциновые фильтры
\в (рис. 231), которые монти-
руются на всасывающем пат-
рубке воздуходувки. Фильт-
ры изготовляют в виде стан-
дартных коробок сечением
520 X 520 мм и глубиной
75 мм.
Боковые стенки коро-
бок затянуты металличе-
скими сетками,а пространст-
во между ними заполнено
кольцами, смоченными вис-
циновым маслом (смесь ма-
шинного масла с глицерином
фильтры отличаются простотой
конструкции, высокой производительностью, малым гидравличе-
ским сопротивлением, удобством в эксплуатации. Степень очи-
стки газа от твердых примесей в таких фильтрах достигает 99%.
допустимая часовая нагрузка на 1 м2 фильтра—до 8000 м3 воз-
духа, гидравлическое сопротивление запыленного фильтра со-
ставляет при этом 20 мм вод. ст.
Аппаратура Аля испарения^
Рис. 232. Маслоотделитель.
По мере засорения фильтра коробку сменяют, кольца промы-
вают керосином, сушат, снова смачивают маслом и ставят короб-
ку на место.
Воздух, сжатый поршневыми и ротационными компрессорами
некоторых типов, содержит капельки масла. Если такой воздух
направить в контактный аппарат, масло окислится и будет загряз*
пять получаемые продукты. Этим
объясняется необходимость очи-
стки сжатого воздуха по выходе
из компрессора.
В производстве фталевого ан-
гидрида иногда применяют весьма
простые маслоотделители. Такой
маслоотделитель (рис. 232) пред-
ставляет собой стальной сварной
цилиндрический сосуд с плоски-
ми крышкой и днищем и па-
раллельно установленными вну-
три перегородками из рифленой
стали.
Воздух, содержащий капель-
ки масла, проходит через масло-
отделитель между перегородками
по зигзагообразному пути.
Благодаря изменениям напра-
вления движущегося воздуха и его скорости частицы масла
оседают на рифленых листах;и постепенно стекают в нижнюю
часть аппарата, откуда масло периодически удаляется через
нижний спускной штуцер.
Более целесообразно сжатие в турбокомпрессорах, при ис-
пользовании которых предотвращается загрязнение воздуха мас-
лом.
Аппаратура для испарения жидких реагентов и получения
парогазовой смеси
В процессах контактирования, специфичных для промышлен-
ности органических полупродуктов, обычно принимают участие
два реагента (не считая катализатора), один из которых—жидкость,
а другой—газ (например, нитробензол и водород, расплавленный
нафталин и воздух).
Перед контактированием жидкие реагенты испаряют и смеши-
вают с газообразными для получения парогазовой смеси опреде-
ленного состава. Эти процессы могут быть проведены различными
способами в разной по устройству аппаратуре.
I'.i. А//. Аппаратура контактно-каталитических процессов
Из применяемых в технике принципиально различных спосо-
бов испарения следует отметить испарение при температуре кипе-
ния и испарение при температуре ниже температуры кипения. По
первому способу допускается возможность предварительного
испарения с последующим смешением паров и газа. По второму
способу предусматривается одновременное испарение жидкости
и смешение ее паров с газом.
Испарение жидких веществ по физической сущности мало
отличается от процессов выпаривания и потому может проводить-
ся в различных выпарных аппаратах, в которых происходит
равномерное испарение жидкости.
Нары
PC-I ПаР
Парогазовая
смесь
1’пг. 23-1. Скоростной испари-
тель жидкости:
Рис. 233. Испаритель
жидкости при темпе-
ратуре кгшегшя:
I — -подогреватель; 2 -брыз-
го уловите ль; ./--штуцер
для опорожнения ап па пата
НО Пр<‘ЛГ4 ‘П!Г I KIJ.
I -сталыюйТцилиндоичсский резер-
вуар: 3 -рубашка/ J—решет.ха/ 4
насадка .
Аппаратура для испарения при температур; кипения. Один из
характерных аппаратов для испарения жидкости при температуре
кипения представлен на рис. 233. Аппарат выполнен в виде сталь-
ного цилиндрического сосуда, в нижней части которого располо-
жен трубчатый подогреватель /, обогреваемый паром. Испаряемая
жидкость поступает через боковой штуцер в нижнюю часть испа-
рителя, образующиеся пары уходят через брызгоуловитель 2.
Штуцер 3 предназначен для полного удаления жидкости в пе-
Аппаратура f)n:i испарения 401
риод чистки аппарата. Испаренное в аппарате вещество далее
дозируют перед смешением с газообразным ингредиентом.
Иногда предпочитают дозировать органические вещества не в
парообразном состоянии, а в виде жидкости. В этом случае приме-
няют аппараты, в которых испарение протекает мгновенно, вслед-
ствие чего расход жидкого реагента может определяться коли-
чеством жидкости, подаваемой на испарение.
Подобный испаритель показан на рис. 234. Он представляет
собой стальной цилиндрический резервуар с паровой рубашкой
и решеткой, на которой уложена насадка.
При достаточной поверхности нагрева и большой разнице ме-
жду температурой кипения жидкости и температурой теплоноси-
теля, вводимая в аппарат жидкость испаряется со скоростью ее
подачи и смешивается с поступающим газом. Парогазовая смесь
удаляется из аппарата через верхний штуцер. Насадка, заполняю-
щая верхнюю часть аппарата, способствует более равномерному
смешению пара с газом и, кроме того, выполняет функции брызго-
уловителя.
Применение испарителей подобного типа обеспечивает равно-
мерность подачи парогазовой смеси, но из-за небольшой произ-
водительности такие аппараты могут использоваться только в
производствах малой мощности. Кроме того, в состав парогазовой
смеси, получаемой в описанных испарителях, переходят смолистые
вещества, содержащиеся в исходном сырье или образующиеся в
процессе его испарения. В некоторых случаях попадание смоли-
стых веществ на катализатор приводит к его отравлению, что
ограничивает область применения указанных испарителей.
Аппаратура для испарения при температуре ниже температуры
кипения. В испарителях этого типа газы насыщаются парами
жидкости при температуре ниже температуры ее кипения. Состав
образующейся парогазовой смеси зависит главным образом от
температуры жидкости и в соответствии с законом Дальтона может
быть определен по формуле:
с = слН^м, -ХИ.П
где G—вес испарившейся жидкости, кг;
Gr—вес прошедшего через испаритель газа, кг:
<р—степень насыщения газа парами жидкости;
р—парциальное давление паров жидкости при температуре
испарения, мм рт. ст.;
М—молекулярный вес жидкости;
Р—общее давление в системе, ми рт. ст.;
Л4,.—молекулярный вес газа.
26—2277
402
Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
Скорость испарения жидкости g (в кг1м2 час), зависящая в
данном случае не только от скорости подвода тепла, но и от вели-
чины зеркала испарения, линейной скорости газа, коэффициента
диффузии и других факторов, может быть ориентировочно опре-
делена по формуле:
g=l,17a3r/VP% ~ (XII,2)
Величина а определяется из равенства:
„„ Р -Р1 1g(I — ₽) _ / 1 iVg(1— !i> ft— /?1
' " lg₽ / IgP ’ 1 P
Кроме указанных ранее величин, в формулу (XII, 2) входят:
Рис. 2j5. График для нахождения
а но величине р.
о—коэффициент диффузии па-
ров в газовую фазу при нор-
мальных условиях, см2,'сек;
-[—удельный вес испаряемой жид-
кости, г/сл?;
р,- среднее парциальное давле-
ние паров в > парогазовой
смеси, мм рт. ст,;
w— скорость движения газа отно-
сительно жидкости, см! сек;
'Л-температура испарения, °К.
Величина а как функция ве-
личины Сможет быть найдена по
графику (рис. 235).
При отсутствии опытных дан-
ных коэффициент диффузии можно
вычислить по формуле Сазерлен-
да (в см"-1 сек):
I’1 р (рО-33) ,ХП,3.
где Р—давление, аша;
И и Vr—молярные объемы жидкости и газа в сжиженном
СОСТОЯНИИ, л 1кг-мол.
Если числовые значения V и К,, отсутствуют в справочниках,
их можно определять по правилу Коппа, выражаемому равенст-
вом :
1/ = 11С + 10,2 0'+ 7,80" + 5,5 Н +22,8 Cl Р 37,5 Вг ' 22,638
Аппаратура для испарения
403
где С—число атомов углерода в молекуле соединения, не
содержащего этиленовых связей;
О'—число атомов кислорода образующих карбоксильные
группы в молекуле соединения;
О”—число других атомов кислорода в молекуле соедине-
ния;
Н—число атомов водорода:
С1—число атомов хлора;
Вг—число атомов брома;
S—число атомов серы.
Рис. 236. Испаритель барботажного типа
/—рубашка! 2—барботер; брызгоуловитель.
Испарители, работающие при температуре ниже температуры
кипения, в свою очередь делятся на аппараты с постоянным объ-
емом жидкости и аппа-
раты исчерпывающего
испарения.
В аппаратах перво-
го типа расход орга-
нического вещества оп-
ределяется температу-
рой жидкости и газа,
количеством газа, рас-
ходуемого в единицу
времени, и 'поверх-
ностью зеркала испаре-
ния. В аппаратах вто-
рого типа расход орга-
нического сырья регу-
лируется дозированием
жидкости, так как в
единицу времени испа-
ряется жидкости столь-
ко, сколько вводится ее
в испаритель. Как пра-
вило, аппараты, рабо-
тающие по принципу'исчерпывающего испарения, более произ-
водительны, чем аппараты с постоянным объемом жидкости.
На рис. 236 показан аппарат барботажного типа, относящийся
к аппаратам с п о с т о я и н ы м объемом жидкости.
Он выполнен в виде котла, снабженного паровой рубашкой, бар-
ботером и брызгоуловителем. Испаряемая жидкость вводится в
аппарат периодически или непрерывно через верхний штуцер
(на рисунке нс показан). Газ, непрерывно поступающий в аппарат
через барботер 2, насыщается парами жидкости и удаляется через
брызгоуловитель 3.
404
Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
Рис. 237. Аппарат барботажного ти-
па для испарения фталевого ангид
рида:
/—патрубок наполнения; 2—труба для ввода
перегретого водяного пара; 3, 5—i ильзы для
термопар; 4—штуцер для отвода смеси паров
фтапевого ангидрида и воды; 6. /я—трубы
для ввода греющего папа; 7, /2—секции па-
рового змеевика; Я—термоизоляция; |Р, //—
трубы для отвода конденсата.
К аппаратам аналогичного типа относится вертикальный ци-
линдрический испаритель фталевого ангидрида (рис. 237).
Расплавленный фталевый ангидрид подается в аппарат через
патрубок 1. По трубе 2, заканчивающейся внизу колоколом, в
испаритель вводится перегре-
тый водяной пар (в производ-
стве бензойной кислоты в кон-
верторы подают смесь паров
фталевого ангидрида и воды).
Испаритель снабжен змее-
виками, приваренными снару-
жи к стенкам и днищу аппа-
рата. При большой длине зме-
евика его последние витки за-
полняются конденсатом и пото-
му работают неэффективно. Ко-
эффициент теплоотдачи от кон-
денсата ж стенке ниже коэф-
фициента теплоотдачи к ней от
конденсирующегося пара. Поэ-
тому при необходимости мон-
тировать длинный змеевик его
выполняют из отдельных сек-
ций.
В испарителе, показанном
на рис. 237, имеется двухсек-
ционный змеевик, одна секция 7
служит для обогрева стенок
испарителя, вторая секция 12—
для обогрева днища. Каждая
секция снабжена самостоятель-
ными вводами пара (трубы 6
и 10) и отдельными выводами
конденсата (трубы 9 и 11).
Аппарат изготовлен из кис-
лотостойкой стали 1Х18Н9Т и
покрыт слоем термоизоляции. Смесь паров фталевого ангидрида и
водяного пара отводится из испарителя через штуцер 4. Измерение
температуры производится при помощи термопар, снабженных
гильзами 3 и 5, одна из термопар находится в паровой, другая
в жидкой фазе.
В производстве фталевого ангидрида малой мощности приме-
няют испаритель нафталина с постоянным объемом
жидкости (рис. 238). Этот аппарат конструктивно оформлен
в виде горизонтального цилиндра, снабженного трубой 1 для
Аппаратура для испарения 405
ввода газа, паровым змеевиком 2, патрубком 5 для ввода испаряе-
мой жидкости.
Этот патрубок автоматически закрывается клапаном 4. кото-
рый связан рычагом 6 с поплавком 7.
Жидкость вводится в аппарат непрерывно, причем клапан и
поплавок регулируют приток ее через патрубок 5 так, чтобы
уровень жидкости в аппарате и соответственно зеркало испарения
оставались постоянными. Газ, проходящий по трубе 1, помещен-
ной в нагретую жидкость, подогревается и по выходе из трубы
движется над поверхностью жидкости.
Рис. 238 Испаритель поверхностного типа с постоянным зеркалом
испарения:
I—груба для ввода газа; 2- паровой змеевик; 3—смотровое окно; клапан;
5—-патрубок для ввода жидкости; б'—рычаг; 7—поплавок; в—гильза для термо-
метра; .9—штуцер для отвода парогазовой смеси.
Парогазовая смесь, насыщенная парами жидкости, удаляется
из аппарата через штуцер 9.
К аппаратам исчерпывающего испарения от-
носятся испарители, представленные на рис. 239 и 240.
На рис. 239 изображен поверхностно-пленочный испаритель
непрерывного действия. Он выполнен в виде насадочной колонны,
в нижнюю часть которой вводится горячий газ, а в среднюю часть
(через разбрызгивающее устройство/;—нагретая жидкость. Сте-
кая вниз, жидкость орошает нижнюю часть насадки и испаряется
на ее поверхности. Пары жидкости насыщают движущийся вверх
газ.
Верхняя часть насадки служит брызгоуловителем, освобож-
дающим парогазовую смесь от капелек жидкости.
Ленточный испаритель нафталина (рис. 240) также представляет
собой аппарат колонного типа, снабженный паровой рубашкой.
406
Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
В центре аппарата расположена труба /, вокруг которой спираль-
но навита лента 2, состоящая из большого числа ступеней (напо-
добие винтовой лестницы).
Края ленты снабжены бортами. Расплав нафталина поступает
через штуцер на верхнюю часть ленты и стекает по ней вниз, по-
степенно испаряясь в токе горячего воздуха (температура воздуха
Рис. 239. Поверхно-
стно-пленочный нспл-
рптел !/
/—разбрызгиватель; 2—на-
садка.
Рис. 240. Ленточный испаритель-
/—груба; 2—спирально навитая лента; -3—кор-
зина с алюминиевыми кольцами: ^—рубашка.
около 150"), который также движется вниз прямотоком с нафтали-
ном. Образующаяся парогазовая смесь поднимается по централь-
ной трубе / в верхнюю часть испарителя, проходит через корзину
3, заполненную алюминиевыми кольцами и служащую брызго-
Аппаратура для испарения^
407
уловителем, и удаляется из аппарата через верхний боковой шту-
цер. В случае перемещения алюминиевых колец насадки в токе
нафталино-воздушной смеси и ударе их друг о друга не образуется
искр.
При наличии описанного испарителя возможно применять наф-
талин пониженного качества. Смолообразные вещества, содержа-
щиеся в таком нафталине или образующиеся при его испарении
в токе горячего воздуха, стекают по ленте в нижнюю часть аппа-
рата. Направление движения нафталино-воздушной смеси на входе
в центральную трубу изменяется
на 180’, что также способствует
отделению фызг смолистых при-
месей. Эти примеси скапливаются
в нижней части аппарата и перио-
дически удаляются через нижний
штуцер.
Для предотвращения теплопо-
терь в окружающую среду и под-
вода тепла, необходимого для ис-
парения нафталина, аппарат снаб-
жен рубашкой, обогреваемой па-
ром давлением 12 ати.
Высота испарителя 5800 мм
диаметр 765 мм, производитель-
ность таких аппаратов достигает
125—200 кг нафталина в час.
На рис. 241 приведена схема
автоматического контроля и ре-
гулирования работы описанного
испарителя нафталина. Постоян-
ство температуры расплавленного
нафталина в расходной емкости
2 поддерживается при помощи ре-
гулятора /, связанного с клапа-
ном, который регулирует давле-
ние пара в рубашке аппарата.
Расплавленный нафталин подается
центробежным насосом 3. Постоянство расхода нафталина под-
держивается регулятором 4, постоянство температуры нафталино-
воздушной смеси, выходящей из испарителя 6,—регулятором 5
(регулирует давление пара в рубашке испарителя). В качестве
приборов автоматического контроля и регулирования указанных
параметров в данной системе применяются регуляторы пневмати-
ческой агрегатной унифицированной системы (АУС). Показания
приборов непрерывно фиксируются на диаграммах.
Нафталина--
Пар
241.
Горячий
'^возвут
Пар
^__воз8дшная смеси
Смола
3
_/ Расплавленный
нафталин
Конденса/п
Рис.
контроля
ленточного испарителя нафталина:
регулирующий клапан; 2—расходная
емкость; 3—погружной центробежный на-
сое, 4—регулятор расхода; -5—регулятор
давления пара; 6—испаритель.
Схема автоматического
и регулирования работы
в
ь 6 пог
408
Г л. XI!. Аппаратура контактно-каталитичесиих процессов
По литературным данным, при применении контактных ап-
паратов с кипящим слоем катализатора можно не устанавливать
специальных испарителей. В этом случае жидкий реагент, на-
пример расплавленный нафталин, вводят непосредственно в зону
кипящего слоя, где жидкость испаряется за счет тепл а реакции.
3. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ КОНТАКТНО-КАТАЛИТИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
Условия, в которых проводятся процессы контактирования,
чрезвычайно многообразны и специфичны. Это определяет большое
разнообразие конструкций аппаратов, применяемых для прове-
дения таких процессов. При протекании рассматриваемых кон-
тактных процессов происходит взаимодействие между газами и
парами в присутствии твердых катализаторов. Следовательно,
агрегатное состояние реагирующих веществ соответствует в дан-
ном случае системе газ—твердое вещество.
Для проведения контактных процессов в принципе пригодны
почти все аппараты, предназначенные для совместной обработки
твердых и газообразных веществ (см. рис. 1, стр. 16). Мало-
пригодны или вообще непригодны аппараты, снабженные разме-
шивающими устройствами, так как размешивание катализатора
при помощи мешалок может привести к его дроблению и ухудше-
нию каталитического действия.
Контактные процессы обычно протекают при высокой темпе-
ратуре (250—600°), для достижения которой необходимы соответ-
ствующие источники тепла—топочные газы, жидкостные теплоно-
сители, электрический ток и др.
Давление в процессах контактирования имеет весьма сущест-
венное значение. Оно сдвигает химическое равновесие в желае-
мом направлении, влияет на скорость процессов и на производи-
тельность аппаратуры. Однако в промышленности органических
полупродуктов контактные процессы проводятся большей частью
при давлении, близком к атмосферному (1,2—1,5 ата), поэтому
в рассматриваемых процессах давление не является решающим
фактором.
Высокая температура реакций и низкое давление обусловли-
вают необходимость применения газообразных реагентов. В этих
условиях контактные процессы возможно проводить только путем
пропускания над поверхностью тонко раздробленного катализа-
тора, нагретого до температуры реакции, предварительно подогре-
той смеси газообразных и парообразных реагентов.
Продолжительность пребывания этой парогазовой смеси в зоне
высокой температуры над катализатором невелика, но вполне
достаточна для достижения требуемой степени контактирования.
Аппарат для контактирования должен иметь реакционный объем.
3. Условия контактно-каталитических процессов _409
заполненный катализатором, через который при заданной темпера-
туре проходит смесь парообразных или газообразных реагирую-
щих веществ.
Особенно большое значение в контактных процессах имеет
теплообмен и регулирование температуры реакций. Контактные
процессы протекают с большой скоростью и часто сопровождают-
ся выделением или поглощением значительного количества
тепла. При высокой скорости процесса необходима большая ско-
рость отвода или подвода тепла, вследствие этого производитель-
ность контактных аппаратов определяется их теплотехническими
характеристиками.
Химические превращения почти но всех рассматриваемых про-
цессах протекают ступенчато с образованием различных продук-
тов реакции. Состав продуктов реакции непосредственно зависит
от температуры процесса. Следовательно, чистота и выход полу-
чаемого продукта определяются температурой. Отсюда понятна
необходимость поддержания постоянной температуры реакции
и создания возможность ее легкого регулирования.
Как известно, сначала в химической промышленности были
разработаны и освоены контактно-каталитические процессы с
применением стационарного слоя катализатора. В последние де-
сятилетия в химических производствах, в том числе и в промыш-
ленности органических полупродуктов, все более широкое при-
менение находят контактные аппараты с кипящим слоем катали-
затора, обладающие целым рядом преимуществ по сравнению с
аппаратами, в которых катализатор находится в стационарном
состоянии. Ниже будут кратко рассмотрены основные свойства
стационарного и кипящего слоя катализатора в условиях кон-
тактно-каталитических процессов.
Основные свойства стационарного слоя катализатора
Кинетические и термические соотношения, на основе которых
был бы возможен вывод закономерностей, позволяющих опреде-
лить размеры реакционных элементов контактных аппаратов,
чрезвычайно сложны. Поэтому до настоящего времени не удалось
создать общую теорию контактных аппаратов и разработать об-
щие методы их расчета. В большинстве случаев к гетерогенно-
каталитическим процессам неприменимы общеизвестные уравне-
ния химической кинетики, так как в этих условиях протекание
химических реакций значительно осложняется различными физи-
ческими процессами, в первую очередь диффузией.
Ниже рассматриваются некоторые положения, позволяющие
качественно проанализировать кинетические и термические соот-
ношения для контактно-каталитических процессов и наметить
основные принципы расчета и конструирования конверторов.
410 Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
Термические соотношения в контактных аппаратах. Химические
реакции в контактных аппаратах могут протекать как при
постоянной, так и при изменяющейся температуре, независимо
от того, сопровождается процесс выделением или поглощением
тепла и независимо от характера изменения температуры тепло-
носителя или хладоагента. Постоянная температура процессов
контактирования является условием наиболее гладкого проте-
кания их, однако постоянство температуры может быть достигнуто
далеко не всегда. Как известно, степень превращения реагирую-
щего вещества изменяется по длине реакционного объема непро-
порционально его длине. Исключением являются реакции нулевого
порядка, для которых характерна прямолинейная зависимость
между степенью превращения и длиной реакционного объема.
Определенному ходу изменения степени превращения реаген-
тов соответствуют определенные законы тепловыделения. По
длине реакционной трубки, заполненной катализатором, тепло
выделяется неравномерно. На входе парогазовой смеси выделя-
ется наибольшее количество тепла, ближе к выходу из трубки тепло-
выделение уменьшается до минимума (во всех случаях за исклю-
чением реакций нулевого порядка).
Наряду с законами выделения тепла необходимо рассмотреть
законы теплопередачи (отвода тепла). Это позволит определить
изменение температуры контактирования и находить оптимальные
размеры реакционных элементов. В результате такого анализа
можно установить следующие основные положения:
1. Постоянная температура контактных процессов может быть
достигнута в случае использования хладоагента, имеющего по-
стоянную температуру (кипящая жидкость), при условии, если
реакция имеет нулевой порядок или если концентрация катализа-
тора изменяется по длине реакционных элементов. В этом случае
тепло выделяется по длине трубки равномерно и вследствие по-
стоянной разности температур отводится также равномерно.
Равномерность выделения тепла обусловливается либо характе-
ром реакции (нулевой порядок), либо соответствующим (неравно-
мерным) разбавлением катализатора инертным веществом.
Степень превращения исходных реагентов зависит от концен-
трации катализатора, поэтому можно изменять ее так, чтобы в
начале реакционного элемента концентрация катализатора была
минимальной, а к концу его возрастала до возможного максимума.
Вместо изменения концентрации катализатора можно размещать
его в виде отдельных слоев, утолщающихся от начала к концу реак-
ционного элемента (по ходу движения газа). Естественно, что
характер изменения концентрации катализатора должен находить-
ся в соответствии с законом выделения тепла и уравнениями ки-
нетики.
Свойства стационарного слоя катализатора 411
2. Постоянная, вернее, практически постоянная температура
контактирования может быть достигнута при использовании
хладоагента, имеющего переменную температуру и движущегося
параллельно реагирующим газам. В этом случае в начале реак-
ционного элемента выделяется большое количество тепла, компен-
сируемое его интенсивным отводом, обусловленным наиболь-
шей разностью температур на этом участке реакционного эле-
мента.
3. Во всех остальных случаях температура процесса контак-
тирования меняется по длине реакционных элементов, причем
это изменение (перепад температуры) тем больше, чем выше по-
рядок реакций и больше их тепловой эффект.
Таким образом, определение оптимальных размеров реакцион-
ных элементов, которые зависят от термических соотношений в
слое катализатора, должно основываться на совместном решении
уравнений кинетики и теплопередачи.
Температура в зоне катализатора. Ряд важнейших контактно-
каталитических процессов протекает со значительным тепловым
эффектом. Так, при окислении нафталина во фталевый ангидрид
выделяется примерно 5000 ккал/кг нафталина. Температура tK в
зоне катализаторного пространства (в '"С) может быть определена
по уравнению:
ХИ. ।
1 or
где /„—начальная температура исходной парогазовой смеси , С ,
Q -тепловой эффект процесса контактирования. к.кал'час,
q—количество тепла, отведенного из зоны катализаторного
пространства, ккал, 'час;
G—вес продуктов, кг!час.
с—средняя теплоемкость продуктов, ккал 'кг-град.
q^K&tF |Х11,5>
где К.—коэффициен т теплопередачи, ккал. м2час-град;
А)—средняя логарифмическая разность температур между
зоной катализаторного пространства и окружающей
средой, ЧТ,
Г—поверхность теплопередачи, м-.
Из уравнений (XII, 4) и (XII, 5) следует, что с ухудшением
отвода тепла резко возрастает (или уменьшается) температура
в реакционной зоне. Известно также, что оптимальные показа-
тели процесса в большинстве случаев достигаются в узком ин-
тервале температур реакции. Таким образом, основной пробле-
мой при конструировании контактных аппаратов является макси-
412 Г.i. ХИ Аппаратура контактно-каталитических процессов
мяльная интенсификация отвода тепла из зоны катализаторного
пространства и обеспечение изотермических условий в слое ка-
тализатора.
Как видно из уравнений (XII, 4) и (XII, 5), интенсивный тепло-
обмен может быть достигнут различными способами: увеличением:
поверхности теплопередачи, увеличением разности температур,
увеличением коэффициента теплопередачи между зоной катали-
заторного пространства и окружающей средой, увеличением тепло-
емкости газов, уменьшением тепловыделения на единицу веса-
парогазовой смеси. Для максимальной интенсификации работы
контактных аппаратов (конверторов) в практике их конструиро-
вания и при эксплуатации используют все перечисленные способы.
Возможности интенсификации конверторов будут дополнитель-
но освещаться при рассмотрении конструкций отдельных аппара-
тов.
Как указывалось, методы расчета конверторов со стационар-
ным слоем катализатора еще недостаточно разработаны, и приве-
денные здесь положения могут иллюстрировать лишь один из
методов решения этой задачи.
Для условий работы конверторов и их производительности
особенно большое значение имеют условия теплообмена и гидрав-
лическое сопротивление слоя катализатора. Эти вопросы освеща-
ются в курсе «Основные процессы и аппараты химической техно-
логии». Здесь мы отметим, что в конверторах со стационарным
слоем катализатора условия теплообмена и гидравлическое со
противление слоя катализатора аналогичны наблюдаемым в ап-
паратах емкостного типа или в трубах, заполненных насадкой,
через которую движется газовый поток.
Основные свойства кипящего слоя катализатора
Кипящий слой образуется при пропускании восходящего по-
тока газа через слой измельченного твердого вещества. В опре-
деленном интервале скоростей газового потока состояние системы
газ -твердое вещество напоминает слой кипящей жидкости. Ча-
стицы твердого вещества перемещаются в газовом потоке весьма
интенсивно, что обеспечивает высокую текучесть кипящего слоя.
Перепад давления в кипящем слое может быть определен по
уравнению:
= —•;,.)( 1—=J (XII, 6)
где \Р -перепад давления в кипящем слое, ке/ти2;
Н—высота слоя, м\
у.,—удельный вес твердого вещества, /сг/эи3;
Тг—удельный вес газа, кг/м3;
е—доля свободного объема кипящего слоя.
Сиойсгва кипящего слоя катализатора ИЗ
Для систем газ—измельченное гвердое тело уравнение (ХИ, 6)
справедливо только в определенном интервале скоростей газового
потока. Так, если продувать газ через слой твердого измельчен-
ного вещества, помещенного на пористую перегородку (рис. 242),
то в определенном интервале скоростей газового потока зависи-
мость перепада давлений ДР от скорости потока w будет выражатн-
ся^кривой. изображенной на рис. 243.
Рис. 242. Схема измере-
ния перепада давления в
кипящем слое:
/—пористая перегородка:
2—твердое измельченное вс-
щест ио.
Рис. 243. Кривая зависим*т
стиДР отопри продувании
газа через слон твердого из-
мельченного вещества
Вначале при малых значениях w перепад давления ДР увели-
чивается (участок АВ). При определенной скорости потока проис-
ходит некоторое уменьшение ДР (участок ВС), после чего в опре-
деленном интервале скоростей газового потока значение ДР ста-
новится постоянным и может быть определено по уравнению
(XII, 6). В этих условиях система газ —твердое измельченное ве-
щество соответствует состоянию кипящего слоя.
Ряд специфических особенностей кипящего слоя обусловлива-
ет высокую эффективность его применения в процессах гетероген-
ного катализа. Как уже было отмечено, для кипящего слоя харак-
терна очень высокая скорость перемещения твердых частиц, что
существенно сказывается на усреднении дисперсионного состава
системы и выравнивании температуры кипящего слоя. Выделение
или поглощение тепла при протекании контактно-каталитических
процессов происходит, как известно, на поверхности твердой
фазы. Поэтому усреднение состава твердой фазы приводит к быс.т
рому выравниванию температуры в катализаторном пространстве .
По этой же причине для кипящего слоя характерен высокий коэф-
фициент теплопроводности.
414
Гл. Х/Г Аппаратура контактно-каталитических процессов
Перепад температур между любыми двумя точками катализа-
торного пространства в кипящем слое не превышает 2—3’.
Для некоторых контактно-каталитических процессов, применяе-
мых в промышленности органических полупродуктов (например,
в производстве фталевого ангидрида), зависимость выхода основ-
ного продукта от температуры процесса характеризуется кривой,
изображенной на рис. 244. Эта кривая имеет максимум О, причем
оптимальный интервал температур соответствует весьма неболь-
шому участку АВ. В кипящем слое катализатора свойства системы
быстро усредняются, что дает возможность вести процесс в задан-
Температдра
Рис. 244. Зависимость выхода
продукта от температуры кон-
тактирования для процессов ти-
па окисления нафталина во
фталевый ангидрид.
Эффективное усреднение
ном узком интервале температур.
Благодаря высокой текучести ки-
пящий слой, как и жидкость, при-
нимает форму сосуда, в котором он
находится. Это облегчает возмож-
ность транспортирования катализа-
тора из одного аппарата в другой.
Ведение процесса в кипящем слое
позволяет осуществлять непрерывное
перемещение твердой фазы из кон-
тактного аппарата в регенератор и
обратно. В связи с этим облегчается
также возможность создания агрега-
тов непрерывного действия для кон-
тактно-каталитических процессов,
проводимых в присутствии катали-
заторов, которые б ыстро отравляют-
ся и требуют регенерации,
состава твердой фазы можно объяс-
нить следующим механизмом процесса перевешивания в кипящем
слое, предложенным проф. С. Н. Обрядчиковым и Б. К- Маруш-
киным. Представим себе, что в идеальных условиях (рис. 245, а)
пористая перегородка 2, установленная в трубе 1, по которой
проходит газ, имеет абсолютно правильные и одинаковые отвер-
стия, частицы 3 твердой диспергированной фазы представляют
собой совершенно одинаковые по форме и весу шарики, струи
газа 4 также одинаковы по направлению и энергии и т. д. В этом
случае при скорости газового потока, равной скорости витания
твердых частиц, они должны повиснуть в восходящем потоке газа.
В реальном кипящем слое такие условия отсутствуют. Напри-
мер, скорость газа возле стенок трубы 1 меньше, чем в центре,
поэтому эпюра скоростей газового потока в трубе характеризует-
ся кривой АВ (рис. 245, б). Для практически применяемых порошко-
образных материалов, получаемых в результате дробления более
крупных зерен, геометрические формы частиц, даже близких
Свойства кипящего слоя катализатора __________ _41ь
по линейным размерам, весьма разнообразны. Предположим, что
на твердую частицу 3, имеющую форму, показанную на рис. 245, б,
действуют силы двух газовых струй 4 и 5, движущихся с разной
скоростью. При этом возникает момент сил, под влиянием которого
частица 3 будет перемещаться в сторону стенки трубы 1. В реаль-
ном кипящем слое влиянию момента сил подвергается большое
количество твердых частиц, находящихся в таких же условиях,
что и частица 3 (рис. 245, б), что приводит к увеличению интен-
сивности перемешивания твердой диспергированной фазы. Таким
образом, неравномерность
скоростей потока газа,
различие, энергии отдель-
ных газовых струй, раз-
нообразие размеров и
форм твердых частиц и
некоторые другие факто-
ры, определяющие нерав-
номерность системы, спо-
со бет в у ют у л у ч ш е 11 и ю
условий перемешивания в
кипящем слое.
В некоторых процес-
Рис. 245. Схема движения твердой час-
тицы в кипящем слое:
сах, проводимых в кипя-
щем слое катализатора,
увеличение полидиспер-
сности кипящего слоя
приводит к улучшению
показателей процесса, что
и — и иде-ajibBbjv условиях', б —в ргачьшьх услови-
ях; !—труба; 2—пористая перегородка; о—части'
цы твердой фаны; 4, 5—струи газа.
находится в полном соответствии с приведенным выше объясне
нием. Возле стенок реакционного сосуда скорость движения твер-
дой фазы всегда снижается, что в ряде случаев вызывает изме-
нение направлений твердых частиц. Вблизи стенок сосуда они
движутся вниз, а в середине — вверх. Отсюда понятно влияние
этого фактора на характер движения в кипящем слое. В лабора-
торных установках оно настолько значительно, что показатели
процесса, проведенного в узких трубках, зачастую невоспроиз-
водимы в производственных аппаратах.
С уменьшением размеров зерен катализатора'увеличивается
его удельная поверхность (поверхность единицы объема катализа-
тора) и степень использования внутренней поверхности пористых
зерен. Во многих случаях уменьшение величины зерен катализа-
тора позволяет интенсифицировать контактно-каталитические про-
цессы. Проведение процесса в неподвижном слое катализатора,
зерна которого меньше 2—3 мм, крайне затруднительно. При
этом нарушается равномерность движения газа через слой ката-
416
l.i. ХП. Аппаратура контактно-каталитических процессов
лизатора и значительно возрастает гидравлическое сопротивление
слоя. В процессах с кипящим слоем катализатора частицы его
могут иметь размеры 20—300 р.
Чрезвычайно большое положительное значение имеет высокий
коэффициент теплопередачи от кипящего слоя катализатора к
теплоносителю или Ахладоагенту. При прочих равных условиях
коэффициент теплопередачи от кипящего слоя в 10—15 раз больше,
чем от неподвижного слоя, что особенно важно для контактно-
каталитических процессов, протекающих с значительным выде-
лением или поглощением тепла.
Благодаря интенсивному перемешиванию в зоне кипящего слоя
возможен ввод реагентов в этот слой при температуре гораздо бо-
лее низкой, чем температура контактирования, тогда как в аппа-
ратах с неподвижным слоем катализатора это недопустимо. Почти
во всех таких аппаратах некоторая часть неподвижного слоя ка-
тализатора всегда является зоной подогрева исходных веществ и
не используется как катализаторное пространство. Вследствие
интенсивного перемешивания в ряде случаев возможен также раз-
дельный ввод реагентов в кипящий слой. Это исключает необхо-
димость установки перед конверторами специальных смеси-
телей.
Отрицательное влияние на ход процесса имеет продольное
перемешивание газовой фазы в кипящем слое, которое может при-
водить к значительному снижению концентрации исходных ве-
ществ на входе в аппарат и, следовательно, к снижению скорости
реакции. Вредное влияние продольного перемешивания уменьшает-
ся при разделении зоны контактирования на несколько последова-
тельно расположенных секций.
Истирание катализаторов в кипящем слое в большинстве слу-
чаев невелико. Потери катализатора от истирания практически не
превышают 2% в месяц. Как показывает практический опыт эк-
сплуатации и специальные исследования систем с кипящим слоем,
эрозия материала конверторов при скорости частиц, в зоне
кипящего слоя (до 1 м/сек) не имеет существенного значе-
ния. Значительная эрозия наблюдается при скоростях порядка
3 -5 м/сек и более, так как интенсивность эрозии увеличивается
пропорционально третьей степени скорости движения частиц.
4 КОНВЕРТОРЫ
В промышленности органических полупродуктов используются
конверторы различных типов, которые могут быть разделены на
две группы: 1) конверторы с неподвижным слоем катализатора
2) конверторы с кипящим слоем катализатора.
4. конверторы
417
Конверторы с неподвижным слоем катализатора
Конверторы этого типа нашли широкое применение в промыш-
ленности органических полупродуктов. Они выполняются в виде
трубчаток (вертикальных или горизонтальных) или в виде ци-
линдрических аппаратов, заполненных гранулированным ката-
лизатором (см. рис. 1, типы II 1а и ///б, стр. 16).
Для окисления нафталина во фталевый ангидрид применяется
конвертор с горизонтальными трубками (рис. 246). Он представ-
1'Jh'. Jili. i'\. ОН । 4i >г< Н/]) I. ДИГГЗ/! I.’J 11'o ТГ11Г. .
I — сварная ;;.)()□ ли-кн-к—груртика’ -ркпос т,' о, гг явная кам-'ра' .4 Гор-
ная кам. ра; ••—нс । с о ) )дки; о — г[для г.нода ii;.i р t алино-ио oiylunoii смеси;
7 — штуцер.л для удаления н'роцуд (О|1 олис м чи>г , <*> -ннуидр ддя удаления рас-
iLiaijjiiHiHOi’o сииоди.
ляет.собой сварную коробку-кожух Л в которой помещается за-
полненная катализатором трубчатка 2, состоящая из 129 стальных
труб (диаметр 22/19 мм, длина 2,5 м), Один, конец каждой трубки
ввальцован в распределительную камеру 3 овального сечения, дру-
гой—в сборную прямоугольную камеру, 4 . Вся контактная систе-
ма (трубчатка, распределительная и сборная камеры) омывается
расплавлениям свинцом, который находится в коробке-кожухе.
Система удерживается от всплывания перегородками 5 .В случае
надобности расплавленный свинец может быть удален из кожуха
через штуцер 8.
Нафталино-воздушная смесь поступает в конвертор по трубе 6
также погруженной в свинцовую баню ,п направляется в распре-
делительную камеру 3. Здесь газовый поток распределяется по
всем контактным трубкам и движется по направлению к сборной
27 -2277
418 Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
камере 4. Отсюда продукты окисления через штуцеры 7 удаляются:
из конвертора.
При прохождении по трубе, погруженной в свинцовую баню,
нафталино-воздушная смесь подогревается за счет избыточного
тепла реакции, которое, должно быть отведено от контактной
трубчатки.
Перед пуском аппарата свинцовая баня должна быть разо-
грета до температуры реакции, поэтому коробка-кожух поме-
щается в кладке печи, обогреваемой топочными газами. При
установившемся процессе, избыточнее. тепло реакции отводится
холодным воздухом, который засасывается в дымоходы печи.
Списанный конвертор имеет малую производительность и
отличается небольшим съемом готовой продукции с единицы
объема аппарата. Вследствие низкого коэффициента теплопере-
дачи от стенок труб к расплавленному свинцу часть тепла реак-
ции расходуется на нагревание контактных газов, поэтому
iivpcna I. температуры по длине контактных трубок достигает
7(Л. Ьолее нагретые слои расплавленного свинца поднима-
ются кверху, в результате чего в верхних трубках устанав-
ливается более высокая температура. Соприкасаясь с кислородом
воздуха, горячий свинец образует окись свинца, обладающую
плохо!1! теплопроводностью. Хотя зеркало свинцовой бани изоли-
руют слоем порошкообразного графита от соприкосновения с
воздухом, свинец приходится все же периодически сливать из
бани, освобождать от окиси свинца и восполнять убыль новыми
порциями расплава. Вследствие отмеченных недостатков описан-
ные конверторы больше не устанавливают на вновь строящихся
заводах.
На рис. 247 представлен вертикальный трубчатый конвертор,
применяемый в процессе декарбоксилирования фталевого ангидри-
да в бензойную кислоту. Процесс заключается в пропускании сме-
си паров фталевого ангидрида и воды через слой гранулирован-
ного катализатора. Образование бензойной кислоты протекает по
реакции
^vc0\
2UQo/° + H’° ~ 2V +2C0’
Конвертор представляет собой вертикальный стальной труб-
чатый теплообменник, в котором установлены цельнотянутые сталь-
ные трубы 1 (диаметр 50/57 мм, длина 2500 мм), заполненные ка-
тализатором. Межтрубное пространство залито расплавом свинца
(95%) и сурьмы (5%). Процесс контактирования проводится при
температуре бани 400°. Аппарат обогревается электрическим
током, электроподогреватель выполнен из нихромовой проволоки,
Конверторы с неподвижным слоем катализатора
419
натянутой на фарфоровые ролики, которые установлены в спе-
циальном кожухе (на рисунке не показано). Снаружи корпус
конвертора покрыт слоем термоизоляции. Катализаторные трубы
1 крепят к нижней и верхней трубным решеткам 3 и -/ путем
развальцовки концов труб с после-
дующим привариванием i'ikkob. Ниж-
няя решетка 3 привалена к корпусу
конвертора, верхняя решетка 4 под-
вижна (для компенсации температур-
ного расширения груб н корпуса).
i.WCb чпроИ
I
HflO/fC/KCnt,
Рис. 247. Копгертор для декар-
бо кем л н рока 11 и я фтал ено го ан-
гидрида:
Рис. 248. Конвертор с отводом тепла реак*
дни циркулирующим расплавом солей-.
!—трубы; 2—охлаждающие элементы; «'/ — груба; 4—
мешалка; '—крышка; 6—-электродвигатель; 7—гильза
для гермопары; N—рубашка; 9- сборная камера.
/—цельнотянутые трубы; 1’--гильзы
дли термопар; о, 4—трубные решетки;
5—перфорированный сферический кол-
пак; 4—воронка; 7—труба для сли-
ва снинцово-сурьмяного расплава.
Исходная смесь паров поступает в контактный аппарат через верх-
ний штуцер, продукты контактирования удаляются через ниж-
ний штуцер. Для равномерного распределения газового потока
по сечению конвертора иод верхним штуцером установлен пер-
форированный сферический колпаке 5. Температура в аппарате
измеряется при помощи термопар, помещенных в гильзы 2.
420
.Y/I. Аппаратура
контактно-каталитических процессов
Более удачна конструкция трубчатого конвертора с отводом
тепла реакции расплавом солей (рис. 248). Конвертор представляет
собой вертикальный аппарат, в котором имеется 2946 труб (внут-
ренний диаметр каждой трубы 25 мм, длина 3000 мм), заполнен-
ных катализатором. В сферической крышке 5 имеется штуцер для
ввода нафталино-воздушной смеси. Межтрубное пространство
аппарата заполнено расплавом солей (нитрит-нитратная смесь).
Для интенсификации отвода тепла и выравнивания температуры
расплава он размешивается пропеллерной мешалкой 4, установлен-
ной в верхней центральной части аппарата. Мешалка приводился
во вращение электродвигателем 6 с индивидуальным приводом,
размещенным на крышке аппарата. В центре аппарата расположена
труба 3, перемешиваемый расплав циркулирует между централь-
ной трубой и периферийными участками межтрубного простран-
ства конвертора.
Для отвода тепла от расплава солей в центральной трубе раз-
мещены охлаждающие элементы 2, по конструкции аналогичные
охлаждающим элементам, показанным на рис. 106 (стр. 221). Во
внутренние трубки охлаждающих элементов снизу поступает воз-
дух, а выходящий из наружных трубок нагретый воздух выводится
из конвертора через камеру 9. Охлаждающий воздух подается так-
же в рубашку 8. Температура н зоне катализатора измеряется
термопарами, установленными в гильзах 7. Перед началом
процесса контактирования контактный аппарат разогревают, про-
дувая катализатор горячим воздухом. Исходная нафталино-
воздушная смесь, поступающая в конвертор, проходит через
трубки, заполненные катализатором, контактные газы, содержа-
щие пары фталевого ангидрида, удаляются из аппарата через
нижний боковой штуцер.
В некоторых системах циркуляция расплава солей достигается
не перемешиванием, а путем прокачивания расплава через
межтрубное пространство насосом. При этом горячий расплав мож-
но направлять в котпы-утилнзаторы и использовать тепло, отво-
димое из конвертора, для получения водяного пара.
К нзс!’|..р такой конструкции показан на рнс. 249. Он состо-
ит из обечайки /, внутри которой расположены трубы 2, запол-
ненные катализатором. Верхние и нижние концы труб развальцова-
ны в трубных решетках 11. Аппарат закрыт сверху крышкой 9,
имеющей штуцер для ввода исходной парогазовой смеси. Рагшо-
мернсе распределение ее по сечению конвертора достигается при
помощи перфорированной тарелки 5, расположенной под входным
штуцером. Измерение температуры в контактном аппарате произ-
водится термопарами, установленными на разной глубине в гиль-
зах 8. которые выведены наружу через штуцеры 6. Герметичность
достигается установкой в штуцерах сальников 7.
Конверторы с неподвижным слоем катализатора 421
Через межтр\'бное пространство конвертора прокачивается
расплав солен (нитрит-нитратная смесь), входящий через штуцер
Юн удаляемый через шту-
цер 13. В нижней части
конвертора имеется каме-
ра 15 для осаждения ны-
ли катализатора, которую
удаляют во время ремонта
через люк 16. ' ь.юдукты
контактирования отводят-
ся через мижний боковой
штуцер.
Чтобы предотвратить
окисление нигрита, содер-
жащегося в расплаве, воз-
дух удаляют из межгруб-
ного пространства аппара-
та через штуцер 7 п за-
кол ня ют освободи ши и нс я
объем водяным паром или
азотом.
Исчерпывающий слив
расплава производится че-
рез штуцер 12.
При эксплуатации опи-
санных конверторов в ус-
ловиях контактировании
при 430' наблюдаются
рушения плотности соеди-
нений смачных груб с
трубными решетками, щ-
смотря па наличпч. т мпера-
туриых компенсаторов (щ;..
р>-с. 249). Вследствие этого
расплав может соприка-
саться с парами органи-
ческих веществ. Резуль-
татом являются так назы-
ваемые хлопки, иногда
приводящие к выходу кон-
вертора из строя. Нор-
мальная эксплуатация та-
ких конверторов возмож-
на при температур-• до
400“ и плавном нагрева-
Рид . ‘21*1 с птвоцом tpjt.i;i иеик-
П.И.Ч ph’.it.i солон", прокачиваем мм через
\!е?ктрубиос пространс пш:
/—обечайка; 2—трубы, заполненные катализатором;
температурные компенсаторы*, /—штуцер для вво-
да водяного пара или азота: перфорированная та-
релка; б..штуцер; 7-—.альннк; Я—гильзы для термо-
пар; Р—крышка аппарата; 10— штуцер д.-я ввода
расплава солей; //—трубные решетки; /2—штуцер
для слива расплава солей (при чистке и ремонте ап-
парата): 13—штуцер для вывода расплава солей;
14—лапы; 15— камера для осаждення пыли катализа-
тора; 16—люк для удаления пыли катализатора.
422 Гл. XI/. Аппаратура контактно-каталитических процессов
нии и охлаждении и при относительно небольшом тепловыде-
лении внутри катализаторных труб.
На рис. 250 представлена конструкция конвертора с попереч-
ным током газа. Конверторы этого типа применяются в процессах
с переменным температурным режимом контактирования.
Конвертор представляет собой цилиндр, в котором размещены
трубы двух типов. Трубы 5
трубы б—Закрыты сверху
катализатор загружается в
Рис. 25'). Конвертор с /юлерет-
ным током газа:
/—колокол: 2—штуцеры для установки
термопар: .7, //—крышки; ‘/--фланцы;
.'—•трубы, открытыс сверху; 6—труб им,
открыты.' снизу; 7 -катализатор’, 8—
конус; //--лапы; /Г—труба.
открыты сверху, но закрыты снизу,
и открыты снизу. Гранулированный
межтрубное пространство конвертора.
Конусообразная крышка 3 крепится
на фланцах 4, выполненных по типу
«впадина—выступ». В крышке, ниж-
нем конусе 8 и в корпусе аппарата
имеются штуцеры 2 для установки
термопар. В верхней части крышки
имеется колокол 1 и штуцер для
ввода газа. Нижний конус приварен
к корпусу конвертора и заканчи-
вается трубой >10 со штуцером для
вывода газа.
Исходная парогазовая смесь по-
ступает через верхний боковой шту-
цер в колокол 1,меняет направление
и движется далее сверху вниз по
трубкам 5. Благодаря перемене на-
правления потока газа предотвра-
щается возможность гидравлическо-
го удара и перегрузки газом цент-
ральных трубок, расположенных не-
посредственно под колоколом. В
трубках обоих типов имеется боль-
шое количество отверстии, по кото-
рым газ поступает в катализатор и
проходит из трубок 5 в трубки 6,
а затем поступает в нижний конус 8.
Большая часть пыли катализа-
тора, увлекаемой реакционными га-
зами, оседает в трубе 10, где газ ме-
няет направление и выходит из аппарата через нижний боковой
штуцер. Периодически (при остановке аппарата) открывают ниж-
нюю крышку 11 и очищают трубу 10 от пыли.
В конверторе, показанном на рис. 250, газ, проходя через от-
носительно тонкий слой катализатора, практически равномерно
распределяется по сечению аппарата. В некоторых контактно-ка-
талитических процессах органического синтеза на поверхности
Конверторы с непоовижным слоем каталимтора
423
Пиры
Рис. ‘2~)1 . Реак-
ционный .эле-
мент конверто-
ра для метили-
рования ами-
нов:
/—трубы; 2 —ката-
ли iarop .
катализатора отлагаются углеродсодержащие вещества, отрав-
ляющие катализатор (например, при крекинге нефтепродуктов).
Для восстановления активности катализатора необходимо выжечь
углеродистые вещества, отложившиеся па его поверхности. Прак-
тически эго осуществляется продувкой горячего воздуха через
слой катализатора. Вследствие выделения тепла при сгорании уг-
леродистых отложений температура продуваемого воздуха повы-
шается и при отсутствии теплообмена с внешней средой будет
возрастать по длине слоя катализатора, что может вызвать его
сплавление. В тонком слое катализатора при от-
носительно больтгпу растод-с воздуха можно пред-
отвратить сильный перегрев регенерируемого ка-
тализатора. В конверторах с поперечным током
газа он проходит короткий путь в зоне катали-
затора. Наиболее полное использование катали-
за горного пространства достигается при высокой
ту рб ул епт н ост и потока.
Для получения диметиланилина путем алки-
лирования анилина метиловым эфиром применя-
ют конвертор, реакционный элемент которого
представлен на рис. 251. Исходная смесь паров
проходит через полые трубы 1, пронизывающие
слой катализатора 2. Движущиеся ио трубам на-
ры нагреваются, отводя реакционное тепло, вы-
деляющееся в слое катализатора. Из-за относи-
тельно неблагоприятных условий теплообмена
между газовыми потоками в подобных конверто-
рах область их применения ограничена.
Значительный интерес представляют конвер-
торы с. кипящим, хладоагептом. В таких аппара-
тах отвод тепла удается интенсифицировать бла-
годаря повышению коэффициента теплоотдачи от
стенки конвертора к кипящему хладоагенту. Кроме того, если
потенциальные возможности теплоотдачи превышают подвод
тепла, выделяющегося в ходе реакции, создаются благоприятные
условия для автоматического регулирования температуры в кон-
тактном слое. Эго достигается вследствие, увеличения количества
испаряющейся жидкости при возрастании количества выделяю-
щегося тепла. Для заполнения кипящей бани на практике ис-
пользуют расплавленный нафталин, дифенильную смесь и др.
На рис. 252 изображен конвертор для окисления нафталина во
фталевый ангидрид; производительность конвертора 800—1000 кг
продукта в сутки. Аппарат состоит из следующих основных ча-
стей: камеры 1 для ввода и распределения-нафталино-воздушной
смеси, контактной трубчатки 3, погруженной в баню, заполнен-
424
/’.•<. XU. Аппаратура контактно-каталитических. процессов
для вывода продуктов реакции
паров кнпяииго хладоагента из
iiую хладоагентом, и камеры 4, в которой собираются газообраз-
ные продукты реакции, удаляемые из аппарата. Конвертор снаб-
жен четырьмя штуцерами 2 для инода газовой смеси, штуцером
и штуцерами 5 /i/’.я вывода
ко рнуса к о 11 верто ра.
13 цилиндрическую камеру
/ введены трубы, но которым
в аппарат bxojiiit иафталнно-
воздушная смесь. Эти трубы
имеют Д1е11йкус1пааваити™д/п.!.гр-
ЧТГ\Ю) РСД'вр' НОСТ! ,, ЧТО СПО
собствует разномерному рас-
пределению реакционной смеси
ио контактным трубкам.
Если контактные трубки
окажутся засорен-мам и или за-
битыми отложениями, в рас-
пределительной камере 1 мо-
жет повыситься давление, для
снижения которого конвертор
снабжен пр од о х р а н ите л ь н ым
клапаном 6. Перед пуском кон-
вертора его разогревают при
помощи электрического нагре-
вателя. В период пуска тем-
пературу бани повышают до
требуемого предела, после, чего
и од л еж ап I а я ко н т а ктир о в а н и ю
нафталино-воздушная смесь на-
чинает поступать в распреде-
лительную камеру / и далее в
трубчатку .7, заполненную?
катализатором. Реакционная
смесь движется в трубах свер-
ху вниз, парообразные продук-
ты окисления поступают из
трубчатки в сборную камеру 4
и удаляются из аппарата через
Рис. 2'>‘.: 1<<CI1UTIT<IP Д.1|я окисления
нафталина во фта.певый аигнлрил:
/-—камера для р.вода и распрвдслгняя нафта-
ЛИНО-ВО ЗДУ'ЛПОЙ CMlC.lI*, ?—ни уш ры для и во-
да газовой см< < и; б'- трубчатка*. ‘/ -камера
для сбора газообразных продуктов реакции;
5—штуцеры для выгода паров хладоагента;
б- прсдохранилельяыо клапан,
нижний штуцер.
Конверторы с неподвижным слоем катализатора часто выпол-
няются в виде цилиндров, заполненных гранулированным ката-
лизатором. Так, для парофазного каталитического окисления
антрацена в антрахинон применяется цилиндрический конвертор,
схематически показанный на рис. 253. В аппарате высотой
6000 мм и диаметром 2600 мм имеется 9 полок, на которые загруже-
Коннерторь, с кипящим слоем катализатора
425
но 1440 .1 катализатора. 14а каждой полке уложены змеевики, в
которые подается перегретая вода для отвода тепла реакции.
Интересный по конструкции конвертор применяется при полу-
чении ксилидина каталитическим восстановлением нитроксилола
водородом. Конвертор (рис. 254) представляет собой колонну,
разделенную на 10 секций, имеющих самостоятельные вводы для
подачи смеси нитроксилола и воды. Каждая секция снабжена
тарелкой колпачкового типа, над которой расположен слон ката-
Хп.чтаНтн;
'"л/
1
Нитровсилол
7/ вода
Рис. 254. Конвертор для
песета новления нитро-
ксилола водородом:
/—катализатор; 2—тарелка
колпачкового типа.
flag
Перегретая
Зада.
Перегретая
' вода.
Исходная
парогазовая снес а
Рис. 253. Коп пертор для
окисления антрацен.'! н ан-
трахинон
лизатора. В первую секцию подается водород, нагретый до тем-
пературы, значительно превышающей температуру реакции. На
первой тарелке происходит испарение нитроксилола, который
восстанавливается в зоне катализатора; этот процесс сопровождает-
ся выделением значительного количества тепла. При этом полу-
чается перегретая парогазовая смесь продуктов реакции, которая
поступает на вторую тарелку, вызывая испарение нитроксилола
и воды, поступающих на эту тарелку. Таким путем в зоне ката-
лизатора регулируется температура и отводится избыточное реак-
ционное тепло.
Конверторы с кипящим слоем катализатора
Существуют двухаипаратные и одноаппаратные контактно
каталитические системы с кипящим слоем катализатора. Двух-
аппаратные системы применяются при необходимости регенерации
426
Гл. X!!. Аппаратура контактно-каталитических процессов
катализатора, одноаппаратные—при использовании катализатора,
не требующего регенерации.
11а рис. 255 представлена двухаппаратная система, состоящая
из конвертора 1 и регенератора 2.
Исходная парогазовая смесь подается в нижнюю часть конвер-
тора через газораспределительное устройство 6 под слой высоко-
дисперсного катализатора 5.
Парогазовая
спесь
Рис. 255. Конвертор с кннящим слоем катали зап.
ра (двухаппаратная система):
/—конвертор; 2—регенератор; II—циклопы; 4—труба
для возврата катализатора в кипящий слой; .5—ка-
тализатор; б, У—газораспределительные устройства; 7—стояк;
Я—транспортирующий трубопровод; 10—теплообменник.
Продукты ’реакции отделяются от пыли катализатора в цикло-
не <3 и выводятся через верхний штуцер. Уловленная пыль по трубе
4 возвращается в кипящий слой. Уровень кипящего слоя опре-
деляется высотой стояка 7, по которому избыток катализатора
постоянно стекает в транспортирующий трубопровод 8, где под-
хватывается током воздуха и через газораспределительное устрой-
ство 9 поступает в регенератор. Здесь в токе воздуха происходит
выжигание углеродистого остатка, отложившегося на поверхности
катализатора, благодаря чему восстанавливается его активность.
Отходящие газы отделяются от катализатора в циклоне И и уда-
ляются из регенератора через верхний штуцер. Органические ве-
щества, адсорбируемые катализатором в реакторе, отделяются
путем продувки катализатора водяным паром в стояке 7.
Конверторы с кипящим слоем катализатора 427
Для отвода тепла, выделяющегося в процессе регенерации,
часть катализатора циркулирует через трубчатый теплообменник
10, в межтрубное пространство которого подают хладоагент.
В описанной системе осуществляется непрерывный про-
цесс, что дает возможность применять быстро отравляющиеся
катализаторы, употребляемые, например, в процессах каталити-
ческого крекинга
Контактные аппараты с кипящим слоем катализатора, приме-
няемые на установках каталитического крекинга, имеют диаметр
до 15 м и высоту до 70 м.
В промышленности органических полупродуктов подобные
системы могут найти применение в процессах, при которых тре-
буется регенерация катализатора (например, восстановление нит-
росоединений в паровой фазе, окислительное хлорирование и т. д.).
Конструкция контактного агрегата значительно упрощается,
если не требуется регенерации катализатора. В этом случае мож-
но ограничиться одним конвертором.
Для систем с кипящим слоем катализатора контактные аппа-
раты, работающие при температуре до 400°. выполняются обычно
из стали марки Ст. 3.
При более высоких температурах процесса корпус аппарата
футеруют изнутри термоизоляционным слоем специального кир-
пича или диабазовой плитки. Вредное действие эрозии прак-
тически сказывается только при относительно больших скоростях
потока, особенно в транспортирующих трубопроводах, где ско-
рость достигает 5—6 м/сек. В таких системах применяют жаропроч-
ные легированные стали с повышенным сопротивлением эрозии.
В качестве газораспределительных устройств устанавли-
вают «пауки» из, труб, решетки различной конструкции и т. д.
Для отделения контактных газов от пыли катализатора при-
меняют циклоны, фильтры из стеклоткани, фильтры из пористой
керамики, металлокерамические фильтры.
В циклонах как правило, не достигается полного улавлива-
ния частиц катализатора и возврата их в зону кипящего слоя,
особенно при отклонении скорости газового потока от расчетной
величины.
Поэтому циклоны непригодны для улавливания дорого-
стоящих катализаторов, в этом случае применяют фильтры. Кера-
мические фипьтры надежны в течение нескольких лет эксплуатации
и обеспечивают почти полное улавливание катализаторной пыли.
Менее прочны фильтры из стеклоткани. Для создания наиболее
компактных и прочных фильтров перспективно применение ме-
таллокер амячески х материалов.
Один из типов одноаппаратных агрегатов с кипящим слоем
катализатора, применяемый в производстве фталевого ангидрида,
-128 Гл. XII. Annapariii/pa KOHintJKiiiHO-Kaiiiujiuniii'iecitux процессов
схематично изображен на рис.
256. Конвертор представляет
собой колонну, внутри которой
поме, цена г азо р ас и рс.чс.чнтель-
ная решетка 4. Над решеткой
находится реакционная зона <3,
заполненная кипящим слоем
катализатора, а выше—зона
Рис. ?57. Фильтр из стекло
ткани-.
1—фильтрующий элемент; />—разрез
фильтрующего эле.мента; /f—схсма об-
мотки; 1—псрфорнросанная труба; 2—
слон стекловолокна; ^—стеклянная ва-
та; 4—стеклянная тесьма-, 5—металли-
ческие бандажи; 6— стеклянный шнур;
7 —крышка.
Рис. 2.>6. Конвертор с кипя'
щи .1 слоем катализатора (одно-
аinnip.rniая система):
/ — фильтры; 2—зона сепарации; 3 — г<-
акцр-Озная зона: 4 -гаюрагпррцели -
тельная реше ска; -труба, по кото-
рой циркулирует катализатор; 6—па-
рогенератор.
Конверторы с кипящим, слоем, катализатора 429
сепарации 2, где парогазовая смесь продуктов контактирования
частично освобождается от пыли катализатора. В верхней части
конвертора находятся фильтры 1 из стеклоткани, предназначен-
ные для отделения пыли катализатора от реакционной смеси, ко-
торая выводится из конвертора через верхнюю трубу.
Фильтры разделены на несколько секций, периодически про-
дуваемых обратным током воздуха. Воздух, необходимый для
окисления нафталина, подается под решетку 4. Расплавленный
нафталин поступает по трубе непосредственно в зону кипящего
слоя катализатора. Тепло реакции отводится в парогенераторе 6,
через который циркулирует катализатор, поступающий из реак-
ционной зоны по трубе 5. Для обеспечения циркуляции катализа-
тора в парогенератор снизу подается воздух.
Фильтр из стеклоткани, в котором продукты контактирования
отделяются от пыли катализатора, показан на рис. 257. Такой
фильтр состоит из набора элементов А. Каждый такой элемент
представляет собой перфорированную металлическую трубу с
обмоткой. Схема обмотки показана на рис. 257, В. Она состоит
из нескольких слоев стекловолокна 2, чередующихся со слоями
стеклянной ваты <?, и крепится к каркасу (труба /) стеклянной
тесьмой 4. В верхне.й и нижней части фильтрующего элемента об-
мотка дополнительно крепится к трубе стеклянными шнурами 6
и металлическими бандажами 5. Снизу труба закрыта крышкой 7.
Сопротивление таких фильтров составляет 1400—2100 мм вод. ст.,
фильтры могут работать при температуре до 600°, но плохо выдер-
живают резкие перемены давления при продувке фильтров. Вслед-
ствие знакопеременных деформаций стеклянное волокно ломает-
ся, что приводит к нарушению целостности фильтров.
На рис. 258 представлен конвертор, одштаппаратш й системы,
также применяемой для окисления нафталина во фталевый ан-
гидрид в кипящем слое катализатора. На рисунке показаны при-
боры автоматического контроля и регулирования работы кон-
вертора.
Нафталино-воздушная смесь поступает в нижний конус кон-
вертора, ее температура в конусе измеряется термопарой 1, кото-
рая связана со звуковым сигнализатором повышения температуры.
Кипящий слой катализатора находится иа.ц газораспределитель-
ной решеткой 2. В зоне кипящего слоя помещен теплообменник
6, в трубы которого подается вода, отводящая тепло реакции.
Температура в кипят,ем слое измеряется термопарой 5, связан-
ной через регулятор с клапаном 4, автоматически регулирую-
щим поступление воды в трубы теплообменника.
Дублирующий замер температуры в зоне кипящего слоя произ-
водится термопарой //У. подключенной к потенциометру с звуко-
вой сигнализацией предельного значения температуры. В верх-
430
Г л. X// Аппаратура контактно-каталатаческах процессов
ней части конвертора смонтирован воздушный теплообменник 7
для охлаждения контактных газов. Подогретый в теплообменнике
воздух поступает на контактирование. Постоянство расхода воз-
духа поддерживается регулятором, связанным с клапаном 8.
Выше теплообменника 7 расположен секционный фильтр 9 из
пористой керамики, поочередная продувка секций которого осу-
ществляется при помощи сжатого воздуха, поступающего через
непрерывно работающий отдувочный многоходовой кран 11.
Воздух
_ Парогазовая
смесь
(продукты
контактирования)
Воздух
воздушная
смесь
Рис. 258. Конвертор с кипящим'слоем катализато-
ра (одноаппаратная система) и схема его автома-
тического регулирования:
/, э, /3—термопары; 2—газораспределительная решетка;
^/—клапан, регулирующий расход воды; /?, 7—теплообменни-
£ ки; 6—клапан регулирующий расход воздуха; 9—фильтр;
10—сигнализирующий прибор; //—отдувочный крап; /2—тер-
мометр сопротивления.
В случае нарушения целостности фильтра прибор /«‘‘сигна-
лизирует об уносе катализатора из конвертора. Этт сигнализи-
рующий прибор представляет собой автомобильную свечу с метал-
лическим кольцом, приваренным к ее центрально?.^ электроду.
Заряд, наведенный на электрод частицами катали.заторной пыли,
измеряется специальным прибором, связанным с электродом экра-
нированным кабелем (через усилитель). Температура в различ-
ных точках конвертора измеряется термопарами 3.
Показания приборов непрерывно автоматически записываются.
Конверторы с кипящим слоем катализатора
431
Ниже приведена характеристика конверторов с кипящим слоем
катализатора, применяемых в производстве фталевого ангидрида:
Часовая производительность,
кг нафталина.................. 181 153 680 1000
Размеры, м
высота........................ 9,1 6,1 9,1 7,3
диаметр ................... 1,5 1,25 1,5 .3,2
На рис. 259 представлен конвертор с кипящим слоем ката-
лизатора, применяемый для восстановления нитробензола в ани-
лин. Конвертор представляет собой цилиндрический реактор в
нижней части которого находится га-
зораспределительная решетка /. Над
решеткой в зоне кипящего слоя ката-
лизатора 2 размещаются трубы тепло-
обменника 3. Вверху конвертора рас-
положены фильтры 4 для улавливания
катализаторпой пыли, увлекаемой из
кипящего слоя потоком продуктов кон-
тактирования. Пары нитробензола и
водород поступают в нижнюю часть
конвертора, под решетку. Парогазовая
смесь (продукты контактирования!,
пройдя фильтры, выходит из конвер-
тора через верхний штуцер.
Отличительной особенностью опи-
санного конвертора является конструк-
ция теплообменника, предназначенного
для отвода тепла реакции. Как извест-
но, процесс восстановления нитробен-
зола в анилин протекает с выделением
большого количества тепла. Кипящий
Пр0д1'К:Сл
Водород
Рис. 259. Конвертор с 11-об-
разным теплообменником в
кипящем слое' катализатора:
/—газораспределительная ’ решет-
ка; 2— кипящий слой катализа-
тора; 3—тр>оы теплообменника;
4—фильтры; о —трубная решетка;
ь—верхняя камера; 7—нижняя
каме ра.
слой катализатора характеризуется
высоким коэффициентом теплопередачи
от катализаторного пространства хла-
доагенту, благодаря чему достаточна
минимальная поверхность теплообмена.
Это в свою очередь позволяет значи-
тельно облегчить и упростить конст-
рукцию теплообменника и конвертора.
Теплообменник, показанный на рис. 259, выполнен в виде
горизонтальных U-образных труб 3, концы которых закреплены
в трубной решетке 5, размещенной вне конвертора. Хладоагент
поступает в нижнюю камеру 7 и, пройдя по трубам теплообмен-
ника, выходит через верхнюю камеру 6. Благодаря U-образному
432 Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
расположению труб теплообменника достигается хорошая ком-
пенсация термического расширения его элементов при эксплу-
атации конвертора и особенно вовремя пускай остановки аппарата.
Кроме того, размещение концов труб вне зоны реакции зна-
Рис. 16(1. Конве'пор с
кипящим слоим ката-
л изатора, разделен-
ный на секции:
га юрасирсд(М!(гсл1,ные
Реше ; ки; пире гонте
Трубы. «—КИПЯ ,1,11,1 слой
на гализа гора.
чительно уменьшает возможность проника-
ния хладоагента в кипящий слой катализато-
ра в случае нарушений целостности соедине-
ний труб с трубной решеткой. Облегчается
также демонтаж элементов теплообменника
и возможность быстрой замены их в случае
необ ходимости.
Как отмечалось, отрицательное влияние
на процессы гетерогенного катализа в ки-
пящем слое оказывает продольное переме-
шивание в нем газовой фазы (стр. 416).
Применяя конверторы с секционированием
зоны кипящего слоя, можно ослабить это
вредное влияние продольного перемешива-
ния. Не, рис 260 представлен кснвертор сек-
ционного типа. В нем имеется несколько
секций, разделенных газораспределительны-
ми решетками /, которые соединены пере-
точными трубами 2. Уровень кипящего слоя
катализатора 3 на каждой газораспредели-
тельной решетке определяется высотой рас-
положения верхнего края переточной тру-
бы. В каждой секции конвертора подобной
конструкции можно поддерживать соответ-
ствующий наиболее благоприятный темпера-
турный режим. Изменяя диаметр секции по
высоте конвертора, можно также установить
в разных секциях различный гидродинами-
ческий режим.
Размещение катализатора в конверторах.
В промышленности органических полупродуктов твердые
катализаторы применяют в виде частиц (кусочков) разнообразной
формы, в виде таблеток или порошков. Катализаторы могут со-
стоять только из одного активного вещества, применяются так-
же катализаторы на носителе. Частицы катализатора получают
дроблением кусковых материалов с последующим рассевом или
путем формования исходных паст.
В качестве катализатора окисления нафталина во фталевый
ангидрид применяют пятиокись ванадия в виде кусочков. Этот
1,сг.::.:ещение китилимпори « конверторах 433
катализатор орт отопляют следующим образом. Свежую или
отработанную пятиокись ванадия расплавляют в графитовых
тиглях и выливают расплавленную массу па стальные противни,
где она застывает тонким слоем. Толщину слоя выбирают в за-
висимости от требуемых линейных размеров частиц катализатора.
Топкий слой застывшей массы измельчают до размеров частиц
5—7 мм. Образовавшиеся частицы просевают через два сита с
близкими по размеру отверстиями (отверстия первого сита боль-
ше отверстий второго сита).
Остаток на первом сите и фракцию, просеявшуюся через
второе сито, собирают отдельно и подвергают вторичной пере-
плавке и измельчению. Частицы, не прошедшие через второе
сито, имеют достаточно близкие линейные размеры и могут
непосредственно применяться для .заполнения контактных
труб.
Катализаторы, не поддающиеся расплавлению, получают иног-
да в виде паст. Пасты высушивают, полученные куски дробят и
рассевают на двух ситах, как описано выше. В некоторых слу-
чаях паегы формуют на специальных машинах, получая катализа-
тор, например, в виде цилиндриков, которые далее высушивают и
перед загрузкой в конверторы отделяют от мелочи и пыли. Порош-
кообразный катализатор таблетируют и загружают в конвер-
торы в виде таблеток.
Заполнение контактных трубок конвертора неподвижным
слоем катализатора следует производить с особой тщательностью,
так как от равномерного распределения частиц катализатора в
трубках (по сечению и по длине) зависит успешное проведение
процесса. При неравномерном заполнении трубок реагенты будут
проходить через слой катализатора с. различной скоростью, что
приведет к нарушению нормального хода процесса. Весьма важно
также созвать одинаковое гидравлическое сопротивление га-
зовому потоку во всех контактных трубках, так как в про-
тивном случае через трубки будут протекать различные коли-
чества газа с разными скоростями. Поэтому перед пуском конвер-
тора проводят гидравлическое испытание контактных трубок пу-
тем продувки черсз них воздуха для измерения и регулирования
их сопротивлений.
«Закрепление» катализатора, загруженного в контактную
трубку, осуществляется различными способами. Чаще, всего ис-
пользуется способ, схематически показанный на рис. 2(51.
На рисунке изображены нижние участки двух контактных
трубок. В них вставлены пружинки, нижние витки которых
плотно прижимаются к стенкам трубок, препятствуя «стеканию»
катализатора вниз.
2S- 2° 77
434
Г л. ХИ. Аппаратура контактно-каталитических процессов
В контактных системах с кипящим слоем применяют порошко-
образные катализаторы, размеры частиц которых колеблются
в широких пределах. Такие ката-
лизаторы получают дроблением
исходной массы с последующим
отсевом крупных частиц или коа-
гуляцией исходных коллоидных
систем в специальных условиях.
Путем коагуляций получают
катализаторы микросферической
формы.
Загрузку пылевидного катали-
затора в конверторы с кипящим
слоем производят при помощи
сжатого воздуха.
Рис. 261. Схема закрепления
катализатора в контактных
трубках пружинами:
/—контактные трубки; 2—пружин-
ки.
Автоматическое регулирование температуры в конверторах
Выше отмечалась важность точного регулирования темпе-
ратуры в зоне катализатора. Конструктивное оформление про-
цессов теплообмена, обеспечивающее требуемую интенсивность
теплопередачи, было рассмотрено при описании конверторов.
Здесь будут описаны способы автоматического регулирова-
ния температуры в зоне катализатора, позволяющие создать
наиболее стабильные и оптимальные условия контактного про-
цесса.
В контактно-каталитических процессах, применяемых в про-
мышленности органических полупродуктов, автоматическое ре-
гулирование температуры в зоне катализатора осуществляют
при помощи кипящей бани или автоматических регуляторов, соот-
ветственно изменяющих поступление хладоагентов в теплообмен-
ные устройства конверторов.
Автоматическое регулирование температуры контактирования
без применения обычных терморегуляторов основано на исполь-
зовании высококипящих жидкостей в качестве среды, в которую
погружена контактная трубчатка. Жидкости кипят при тем-
пературе реакций; следовательно, сохраняется постоянная тем-
пература процесса и при этом отводится избыточное тепло реак-
ции. Для этих целей пригодны ртуть и некоторые высококипящие
Автоматическое регулирование температуры в конверторах
435
Рис. 262. Установка с
автоматическим тер-
морегулированием
температуры в кон-
верторах:
1—конвертор; 2—труба для
отвода паров хладоагента;
<3—труба для стока хладо-
агента; 4—холодильник
(теплообменник); 5—соеди-
нительный трубопровод.
органические соединения (дифенил, дифенилоксид, смесь дифе-
нила и дифенилоксида, нафталин, антрацен и др.).
При использовании кипящей бани для автоматического тер-
морегулирования режима контактно-каталитических процес-
сов конверторы обычно снабжают индукционными электро-
нагревателями и трубчатыми холодильниками (рис. 262). При
этом контактные трубки конвертора делают более удлиненными
и заполняют катализатором примерно наполовину. Межтрубное
пространство конвертора заливается хладо-
агентом в таком количестве, чтобы его уро-
вень лишь незначительно превышал высоту
слоя катализатора в контактных трубках
Таким образом, верхняя часть контактных
трубок, не заполненная катализатором, омы-
вается конденсирующимися парами хладо
агента и служит только для нагревания
газообразных реагентов, поступающих на
контактирование, т. е. является в данном
случае обычным теплообменником.
Насыщенные пары нагревают газы, по-
ступающие на контактирование, н при этом
частично конденсируются. Поскольку для
нагревания газообразных реагентов обычно
не требуется больших затрат тепла, а ко-
личество выделяющегося реакционного теп-
ла весьма значительно, часть паров хладо-
агента остается в несконденсировавшемся
состоянии и удаляется из кожуха конвер-
тора / в холодильник по трубе 2. В холо-
дильнике пары хладоагента конденсируются,
конденсат стекает при температуре кипения
в кожух конвертора по трубе 3. Вследствие
этого в кожухе конвертора все время поддер-
живается постоянная температура и из реак-
ционного пространства отводится все избы-
точное тепло. Теплообменник 4 может быть
выполнен в виде котла-утилизатора, в этом случае тепло реак-
ции будет использоваться для получения водяного пара.
Обычно описанная система должна работать под небольшим
давлением, необходимым для кипения хладоагента при требуе-
мой температуре бани.
Давление создается путем соединения обратного холодильника
4 трубопроводом 5 с ресивером, в котором находится азот или
другой инертный газ под давлением, необходимым для кипения
хладоагента при заданной температуре.
28*
.'136 XI! Лепира п/ра нош-актно-катилитнческих процессов
На некоторых зарубежных завтах в качестве хладоагента при-
меняют ртуть, но это связано с возможностью проникания ртут-
ных паров в рабочее помещение и может приводить к отрав-
лению обслуживающего персонала. Более, рационально приме-
нение таких высококип ящи х хладоагентов, как дифенил, дифе-
нил! ксид. нафталин, смесь дифенила с дифенилоксидом и т. д.
5. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОНВЕРТОРОВ
Общее уравнение теплового баланса. Принципы составления
материальных балансов для всех случаев процессов контактиро-
вания не могут быть изложены в общей форме. Поэтому здесь
будут кратко рассмотрены лишь специфические вопросы, свя-
занные с теплотехническими расчетами, которые для многих
процессов контактирования возможно представить в общем виде.
I ведем следующие обозначения:
Q, — количество тепла, поступающего в конвертор с исходными
веществ а, икал! ч ас;
количество тепла, уходящего из. конвертора с продуктами
реакции, ккал/час,
ф;| —количество тепла, теряемого конвертором в окружающую
среду, ккал/час,
ф4 -тепловой эффект процесса, ккал (час,
Q<t— гепло. отводимое хладоагентом для поддержания требуемой
температуры реакции, кка.гчас.
Q, = SG,,^/,, (XII, 7)
Q, = y.(pcJK (XII, 8)
Q., = VFH/,,.. - G. (XII, 9)
где (?„, с,, и/„—количество, теплоемкость и температура исход-
ных в?, ц сств;
G . с,, и количество, теплоемкость и температура продук-
тов реакции;
F —площадь охлаждаю цчхея участков наружной по-
верхности копвергора;
б — коэффициент теп ноэг щчи;
[ г.—температура стенки;
/,, — тем иер ат у р а воздуха.
Тепловой баланс процесса может быть выражен следующим
равенством:
Gi ( Qi ~ G-г. ~Ь CG -Ь Q:-> (XII, 101
Величины Qp Q,, Q., и Qrj определяются методами, обычными
для тепловых расчетов реакционных аппаратов. Поэтому в дан-
.7. Тепловой баланс конверторов 137
ном разделе будут рассмотрены только способы вычисления <Л—
теплового эффекта процесса контактирования.
Как отмечалось, в главе 1, тепловой эффект химического, про-
цесса, протекающего между газообразными п парообразными
веществами, в больпк й степени зависит от температуры. Следо-
вательно, при определении тепла реакции контактирования не-
обходимо вычислить температурную поправку к тепловому эф-
фекту, находимому обычным путем в соответствии с законом Гесса:
7р ~' "-Ik —1Г
(XU, li)
Тепло реакции г/р (в ккал^-мол',, вычисленное указанным
способом, будет соответствовать температуре 20—25", для ко-
торой в справочниках физико-химических величин указываются
значения тсплот сбразсвания.
Вычисление топленого эффекта при высоких температурах
контактирсгания. Чтобы найти тепловой аффект при температуре
реакции, которую мы обозначим Т\, (в К), необходимо восполь-
зоваться законом Кирхгофа, математическая интерпретация ко-
торого приводит к уравнение:
(XII, 12i
где Де—разность суммарных теплоемкостей исходных ветреть
и полученных продукте-в, ккая -г-мол.
Теплоемкости мин х газообразных веществ могут Сыть найде-
ны в справочной литературе. Теплоемкости лскстсрых продуктов,
участвующих в процессах контактирования, можно вычислит),
по следующим формулам (в мбг-шф
Для N.„ О., CG: < ,,= С.76Д 0,( С( ( 067-i ПД б< ( (;(>'|зтз
Для СО,: = .6,319 -| 0,0114 7- 0.0(4 < 0.‘ .47 •'
Для водяною пара: Н,‘?2-| G,( G() 1 / 7’--| 0,00006347'-
Для бензеля; . 6,.'-| О,О.г27'
Для тел уела: <;,=•- 7,.Н-| O.CC-i Т
Для пафтглпна: ;/ ,г-,7-| 0,0787
Для антрапспа: г;,=. Г-] 0,17’
Для ,= !), У] О',070' 7'
Величины теплоемкости большинства газообразных и паро-
образных органических веществ в справочниках г тсутствугот,
их приходится вычислять по формулам , вполне справедливым
лишь для идеальных гамов. Перегретые пары органических соеди-
нений, как правило, незначительно отклоняются от законов идеаль-
ных газов, поэтому вычисление их теплоемкостей в соответствии
с газовыми законами вполне допустимо для технических расчетов
438 Г.1 XI/. Аппаратура контактно -каталитических процессов
Теплоемкости газов могут быть определены по их молекуляр-
ному составу при помощи приведенных ниже формул.
Теплоемкость при постоянном объеме (в кал/г-мол):
с.. — Rn * -г R ~ 2п И 1
Теплоемкость при постоянном давлении (в кал/г-мол):
ср -- Rn Ь — R =; 2п -4- 3
где R—универсальная газовая постоянная (1,987кал/град-г-мол);
/г —число атомов в молекуле.
Кроме того, имеется целый ряд эмпирических формул для
определения теплоемкости паров органических соединений раз-
личных классов. Так, теплоемкость парообразных парафинов
(в кил/г-иол) может быть вычислена по формуле:
с,, 4.4 - у 4,4п + '0,012 0,006/г1 Т
или
с„ = 40 ‘ 4 а 4- 0,012/гТ
Формула дтя теплоемкости спиртов (в кал/г-мол)'.
Ср = (1,9 4- 3/г) 4- (0,0314 4- 0,012п) Т
где и —число атомов углерода в молекуле.
Зависимость теплоемкости от температуры выражается общей
формулой:
Ср = а 4- ЬТ -ь сТ- (- dT3 (XII, 13)
где а, Ь, с. (/—эмпирические константы;
Г —температура, °К,.
Для величины Ас;, формула аналогична уравнению (XII,13):
ДС/, = 4- byT р С1Т2 I- dj3 (XII, 14)
где a,, by, . т/, -коэффициенты, численно равные разности соот-
ветствующих коэффициентов {а, в, с, d) в фор-
мулах теплоемкостей исходных веществ и конеч-
ных продуктов.
Соответственно этому уравнена?, выражающее закон Кирхго-
фа, может быть представлено так:
= а, ! bj + СуТ- 4 dj3
6. Аппаратура для выделения и улавливания продуктов
439
Следовательно
q = J (at + Ь,Т + сгТ- +d,T3...)dT (XII, 15)
Интегрирование равенства (XII, 15) дает следующую зависи-
мость между теплом реакции и температурой:
q = aJ + + cJT3 4- d\T* H---hC (XII, 16)
где C—постоянная интегрирования.
Обозначим тепло реакции при 20° через q0 [величина q0
определяется по уравнению(XI1, 11)]. Определив q0, можно легко
вычислить постоянную интегрирования С из равенства (XII,16)
С qn- (aj + Ь\Т2 +с;Т8 + ^'Т4) (XII, 17)
где Т—температура, которой соответствуют величины теплот
образования соединений (т. е. 2734-20).
Зная постоянную С, легко подсчитать при помощи равенства
(XII, 14) тепловой эффект реакции для любой температуры.
При вычислении теплового эффекта реакции целесообразно выражать все
значения теплот реакций и теплоемкостей в малых калориях, так как в форму-
лах теплоемкостей они имеют эту же размерность. Тепловой эффект в малых
калориях легче пересчитать в большие калории, чем предварительно пере-
считывать числовые значения коэффициентов в уравнениях теплоемкостей
для ведения последующих расчетов в больших калориях.
Определив тепло реакции q0, нетрудно найти тепловой эффект
процесса (в ккал/час):
Q4 = (XII, 18)
где Q—вес исходного вещества, принимающего участие в кон-
тактировании, кг/час\
М—его молекулярный вес.
Из уравнения теплового баланса можно определить коли-
чество тепла Q5, отводимого хладоагентом.
6. АППАРАТУРА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ И УЛАВЛИВАНИЯ
ПРОДУКТОВ КОНТАКТИРОВАНИЯ
Процессы выделения и улавливания продуктов контактиро-
вания сводятся в. основном к охлаждению парогазовой смеси,
выходящей из конверторов, и выделению из нее определенных
(товарных) продуктов. В зависимости от агрегатного состояния
продуктов контактирования процессы выделения и улавливания,
440
Гл. X//. Аппаратура контактно-каталитических процессов
применяемые в промышленности органических полупродуктов,
можно разделить на две группы:
1) конденсация и выделение продуктов, жидких при комнат-
ной температуре;
2) конденсация (или десублимация) и выделение продуктов,
твердых при комнатной температуре.
Ниже рассматриваются конструкции конденсаторов, предназ-
наченных для выделения и улавливания продуктов контактиро-
вания, которые при комнатной температуре находятся в,жидком
или твердом состоянии.
Конденсаторы для выделения жидких продуктов
Конденсацию и выделение продуктов, жидких при комнатной
температуре, проводят, как правило, в поверхностных конденса-
Рис. 2(>ю. Конден-
сатор снабжен ный
сепаратором для
отделения ЖИДКОС-
ТИ от пексшдепси-
рук):!,1,ихся газон:
I—трубчатый теплооб-
менник; 2—сепаратор.
торах.
В качестве поверхностных конденсаторов
применяются трубчатые теплообменники
(рис. 263), охлаждаемые каким-либо хладо-
агентом, чаще всею водой. Образующаяся
при конденсации смесь жидких веществ и
песконденсировавшихся газов поступает в
сепаратор, где жидкость отделяется от
газов. Жидкие вещества поступаю! в прием-
ники или в тару пли, в случае необходимо-
сти, направляются на дальнейшую очистку.
Газы, содержащие пары жидких веществ в.
количестве, соответствующем парциальному
давлению пара над жидкостью при темпе-
ратуре конденсации, поступают на санитар-
ную очистку перед удалением пх в атмосфе-
ру, либо подаются па дополнительную очи-
стку перед повторным возвращением газов
в производственный процесс.
Для процессов такого типа змеевиковые
аппараты применимы только в системах ма-
лой мощности. Д. я продвижения большой мас-
сы газов черезтрубку, имеющую относительно
малое живое сечение, требуется значи-
тельное давление, что приводит к необ-
ходимости устанавливать газодувки, рас-
считанные на большой напор, и, следо-
вательно, вызывает увеличение расхода электроэнергии.
В ряде случаев используют тепло перегретых продуктов кон-
тактирования для частичного разделения их методом парциальной
Конденсаторы для выделения жидких продуктов
441
конденсации. На рис. 264 представлена схема одной из таких
установок, состоящей из абсорбера /, трубчатого конденсатора 2,
холодильника 3 для высококипящего компонента смеси, сбор-
ника жидкости 4 и центробежного насоса 5.
Абсорбер представляет собой колонну, в нижней части кото-
рой имеется штуцер для ввода парогазовой смеси (продукты кон-
|’1!С. . Агрегат для парциальной конденсации-.
/— абсорбер; 2—конденсатор; «У—холодильник; /— iборннк;
центробежный насос; решетка; 7—насадка; 8—сепарационный
объем; вентиль.
тактирования) и штуцер для отвода жидкости. На решетке. 6
располагается насадка 7. Через верхний боковой штуцер в кон-
денсатор отводятся пары легкокипящих компонентов и нескои-
денсировавшихся газов, в верхней части абсорбера имеется также,
штуцер для ввода орошающей жидкости. Конденсатор выполнен
в виде трубчатого теплообменника, охлаждаемого соответствую-
щим хладоагентом (вода или рассол), поступающим через нижний
боковой штуцер. В сепарационном объеме 8 этого теплообмен-
ника сконденсировавшаяся жидкость отделяется от неконден-
сируютихся газов и стекает через нижний штуцер. Часть кон-
4 42 г л. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
денсата направляется на орошение абсорбера, неконденсирующие-
ся газы выводятся из сепарационного объема. Плотность орошения
абсорбера регулируется путем отбора из системы большего или
меныпего количества конденсата.
Если парогазовая смесь продуктов контактирования содер-
жит кислые вещества, все аппараты выполняются из кислотостой-
ких материалов.
В промышленности органических полупродуктов аналогич-
ные установки применяются в процессах окислительного хлори-
рования бензола и парофазного гидролиза хлорбензола.
Конденсаторы для выделения твердых продуктов
Продукты, твердые при комнатной температуре, приходится
выделять из контактных газов в производстве фталевого ангид-
рида, бензойной кислоты, антрахинона. Аппаратурное оформле-
ние этих процессов должно удовлетворять следующим условиям:
1) охлаждение парогазовой смеси до возможно более низких
температур;
2) выделение твердого продукта из смеси газ—твердое веще-
ство;
3) удаление твердых продуктов из конденсаторов;
4) непрерывность процесса;
5) высокая производительность оборудования;
6) хорошие условия труда.
Наиболее простыми аппаратами для выделения и улавливания
фталевого ангидрида являются конденсаторы объемного типа.
Такие конденсаторы представляют собой круглые или овальные
полые ящики (рис. 265) из стали толщиной 3 мм, верхняя крышка
крепится на болтах. В конденсаторах происходит два процесса:
охлаждение контактных газов до температуры ниже точки росы
и осаждение кристаллов фталевого ангидрида, выделившихся в
процессе десублимации. Выпавшие кристаллы выгружают через
нижний люк аппарата. Для охлаждения контактных газов до воз-
можно более низкой температуры конденсационные агрегаты
монтируют из нескольких последовательно установленных ап-
паратов.
Охлаждение контактных газов происходит благодаря тепло-
обмену через стенки конденсаторов между газами и окружающим
воздухом и частично вследствие смешения их с холодным возду-
хом, проникающим в конденсаторы через неплотности нижних
люков. В системах старого типа (рис. 266) тяга осуществляет-
ся за счет естественного подсоса (с установкой вытяжной трубы)
и регулируется при помощи шибера.
Конденсаторы для выделения твердых продуктов
443
Рис. 265. Конденсаторы ящичного типа для фталевого ангидрида:
Л—круглого сечения; Л—овального сечения.
Рис. 266. Схема установки круглых конденсато-
ров ящичного типа:
/—конденсаторы; 2—люки для выгрузки; 3—шибер.
444
Гл. XII. Аппаратура контактно-ка/алитических процессов
Рис. ‘267. Схема установки овальных конденсаторов ящичного
тн г;а:
/ — кондешаторьг, 2—ль кв для выгрузки; днклон; /—скруббер
В более современных системах (рис. 267) тяга создается
вытяжным вентилятором (на рисунке не показан), который
устанавливается за скруббером 4, предназначенным для санитар-
ной очистки отходящих (хвостовых) газов. Перед скруббером
Конденсаторы для выделения твердых продуктов 445
установлен циклон 3, в котором дополнительно улавливается не-
которое количество фталевого ангидрида, а также нафтохи-
нона—побочного продукта реакции окисления нафталина.
В процессе конденсации на внутренних стенках аппаратов
оседает часть кристаллов фталевого ангидрида, что ухудшает
условия теплообмена. Поэтому
конденсаторы периодически
простукивают деревянными мо-
лотками или чистят скребками
изнутри. Часовая производи-
тельность таких конденсаторов
составляет примерно 0,32 к.г
фталевого ангидрида с 1 лт3
аппарата.
Для интенсификации процес-
са теплообмена первые конден-
Б
’ис. 2<>8. Конденсатор из ребристых
труб:
t об дий вид; /;—пили; /;—поперечны:'! раз -
1>ез ( в услонш ,1х масштабах).
'—корпус кондеи -а го р;г конус для входа
1|у > дук । о и кои г.чк гцр1н;11|ця; .7 -конус для вы-
хода гакж 4—ребристые трубы; 5—проходы
между трубами; ^—штуцер для ввода масла;
7—.игудсры д.ы вдирд масла.,
саторы (по ходу продуктов контактирования) снабжаются рубаш-
ками, охлаждаемыми водой. В этом случае удается повысить
среднюю производительность аппарата до 1 кг/м'л час.
Более производительны конденсаторы в виде емкостей, за-
полненных ребристыми трубами (рис. 268). По обеим сторонам
корпуса аппарата расположены конусы 2 и через которые про-
446 Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
дукты контактирования поступают в конденсатор и выходят
из него. Между ребристыми трубами 4 имеются проходы 5.
Конденсатор работает следующим образом. Контактные газы
при температуре около 180° входят в аппарат через конус 2 и
движутся между ребристыми трубами 4, в которые для охлажде-
ния газов подают масло, имеющее температуру примерно 40°. При
этом из охлаждающегося газа выделяются кристаллы фталевого
ангидрида, оседающие на поверхности ребристых труб 4. По мере
зарастания межтрубного пространства кристаллами основной
поток газа устремляется в широкие проходы 5 между трубами,
совершая удлиненный зигзагообразный путь. При движении газов
по направлению к конусу 3 (к выходу) концентрация фталевого
ангидрида в них уменьшается, соответственно уменьшается шири-
на проходов между трубами, в последних рядах труб расширен-
ные проходы между ними отсутствуют.
Газы выходят из конденсатора при температуре около 45и.
Когда на поверхности труб отложится большое количество
кристаллов продукта, поток контактных газов переключают в
параллельно установленный конденсатор, а в трубы подают масло,
нагретое до 180°. Расплавляющийся при этом продукт стекает в
нижнюю часть аппарата, откуда затем его перекачивают на ди-
стилляцию. Благодаря использованию высокотемпературного
теплоносителя при низком давлении конденсаторы можно монти-
ровать из наборов стандартных ребргстых труб.
Описанные конденсаторы гораздо более производительны, чем
объемные, и требуют для обслуживания значительно меньших
затрат ручного труда. Недостатками этих аппаратов являются:
периодичность работы, отложение на поверхности теплообмена
трудноочищаемых смолистых веществ, невозможность получения
фталевого ангидрида, не загрязненного хиноном, пожароопас-
ность систем вследствие отложения на горячих стенках смоло-
образных продуктов.
Для предотвращения возможности взрыва парогазовой смеси
в аппаратах каждый конденсатор снабжается двумя взрывными
мембранами.
Перспективным методом выделения фталевого ангидрида
из горячих контактных газов является конденсация его в
смесительных камерах путем смешения продуктов контакти-
рования с газообразным хладоагентом. Выделившийся фталевый
ангидрид отфильтровывают на механизированных фильтрах спе-
циальной конструкции.
На рис. 269 представлен механизированный конденсатор и
схема его автоматического контроля и регулирования.
Горячие контактные газы поступают в камеры смешения 2,
где смешиваются с поступающим сюда же холодным воздухом,
Конденсаторы для выделения твердых продуктов
447
постоянство расхода которого поддерживается пневматическим
регулирующим клапаном 1. Основное количество выделившегося
из газов фталевого ангидрида оседает в первой камере механизи-
рованного конденсатора 4 и непрерывно удаляется шнеком 8 через
люк 9.
Далее газы фильтруются через два последовательно уста-
новленных фильтра 5 и 6, разделяющих конденсатор на три ка-
меры, после чего направляются на санитарную очистку. Фталевый
ангидрид, уловленный на втором фильтре (несортный продукт),
выгружают через люки 10
и направляют на дистил-
ляцию. По мере улавлива-
ния фталевого ангидрида
гидравлическое сопротив-
ление фильтров увеличи-
вается. Когда перепад дав-
ления на фильтрах, изме-
ряемый приборами //и 12,
превысит допустимую ве-
личину, автоматически
включаются электродвига-
тели 3 и 7, приводящие
во вращение валы, на ко-
торых укреплены приспо-
собления для очистки
фильтров. Во избежание
проскока улавливаемого
продукта в отходящие га-
зы очистка фильтров про-
изводится разновременно.
В описанном агрегате
механизированы все тру-
доемкие процессы и обес-
печена герметичность обо-
рудования. Производи-
тельность аппарата вомно-
Рис. 269. Механизированный конденсатор
для выделения фталевого ангидрида, обору-
дованный приборами автоматического конт-
роля и регулирования:
/—регулирующий клапан; 2—камера смешения; 3, 7,
ЛЗ—электродвигатели; /—механизированный конден-
сатор; .5, 6—фильтры; 8—шнек; 9, для вы-
грузки фталевого ангидрида; //, /2— измерители пере-
пада давления.
го раз выше производительности объемных конденсаторов.
В производстве бензойной кислоты применяют конденсатор,
показанный на рис. 270.
Конденсатор представляет собой полую колонну 1 из нержа-
веющей стали высотой 6000 и диаметром 1275 мм. Внутри колон-
ны имеется винтообразная мешалка 2 со скребками, приводимая
во вращение электродвигателем. Привод 3 установлен на крышке
конденсатора. Аппарат снабжен водяной охлаждающей рубашкой
4. Контактные газы, имеющие температуру 220—240°, поступают
448
Гл. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
в верхнюю часть конденсатора, где соприкасаются с водой, пода-
ваемой на орошение. В результате охлаждения газов пары воды
и бензойной кислоты конденсируются. Бензойная кислота
малсрастворима в воде (0,21 "о при 17,5е). Большая часть
ее оседает на дно, часть отлагается на
стенках конденсатора. Лопасти вращаю-
щейся мешалки очищают стенки кон-
денсатора от выделившегося на них
продукта, что способствует улучшению
условий теплообмена. Кристаллическая
бензойная кислота в виде водной взвеси
удаляется из аппарата через штуцер 5,
нескоиденсировавшиеся газы отсасы-
ваются вентилятором через штуцер 6.
Для улавливания фталевого ангид-
рида можно применять также скруб-
беры, орошаемые водой. При этом
ангидрид гидролизуется, образуя фта-
левую кислоту, растворимость которой
при 20° составляет 0,7 а в 100 мл воды.
Фталевую кислоту далее отфильтровы-
вают и дегидратируют при высокой
температуре. Недостатками этого спо-
соба являются образование сильно аг-
рессивной среды и необходимость деги-
дратации больших количеств фталевой
кислоты.
Кроме описанных методов выделения
и улавливания фталевого ангидрида,
существуют другие методы, описан-
ные в патентной литературе.
Рис. 270. Конденсатор паров бензойной кис-
лоты:
/—колонна: 2—мешалка; <7—привод; 4—рубашка; .'.--шту-
цер для вывода воды вместо с кристаллами бензойной
кислоты; А—штуцер для удаления бсскондс нсиропапших-
ся газов.
7. АППАРАТУРА ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
После выделения и улавливания основных продуктов контакт-
но-каталитических процессов во многих случаях остается большое
количество газов. Они содержат избыточные непрореагпровавшие
исходные вещества и продукты процесса контактирования как
основные, так п побочные.
7 Аппаратура для очистки отхооящих газов
449
газов производства
1ле-
х
Орошение
Га.т
атмосфер/
Если отходящие газы подлежат возвращению в производствен-
ный цикл, продукты реакции стараются выделить из них возможно
полнее. Газы, отводимые в атмосферу, подлежат санитарной
очистке.
При этом попутно могут быть извлечены ценные примеси. В не-
которых способах производства фталевого ангидрида на 1 m го-
тового продукта приходится до 35 m отходящих газов, отводимых
в атмосферу.
В качестве основных аппаратов для очистки отходящих газов
применяют скрубберы различных типов.
Конструкции аппаратов. На рис. 271 изображен скруббер,
применяемый для очистки отходя!
вого ангидрида. Аппарат пред-
ставляет собой стальную насадоч-
ную колонну, выполненную из
отдельных царг, которые изнутри
футерованы полиизобутиленом.
В качестве насадки используются
керамические кольца размером
50x50 мм. Орошение производит-
ся водой или циркулирующим
в системе раствором фталевой и
малеиновой кислот.
В отходящих газах содержат-
ся примеси паров фталевого ан-
гидрида, малеинового ангидрида
и нафтохинопа. Малеиновый ан-
гидрид образует с водой малеи-
новую кислоту, хорошо раство-
римую в воде; фталевый ангид-
рид образует фталевую кислоту,
плохо растворимую в холодной
воде; нафтохинон также мало
растворим в воде. При ороше-
нии скруббера циркулирующим в
системе раствором в нем накапливаются фталевая кислота и нафто-
хинон, забивающие насадку скруббера. Поэтому для орошения
приходится применять чистую воду или ненасыщенный циркуля-
ционный раствор, но при этом образуется большое количество
сточных вод, представляющих собой растворы малеиновой и фта-
левой кислот и нафтохинона. Вследствие низкой концентрации
этих веществ исключается возможность их извлечения и утили-
зации. Кислые и токсичные сточные воды, содержащие малеиновую
и фталевую кислоты и нафтохинон, перед сбросом в водоемы
необходимо нейтрализовать и обезвредить.
Читаемые
Жидкость
Рис. 271. Скруббер с насадкой для
очистки отходящих газов.
29—2277
450
Г л. XII. Аппаратура контактно-каталитических процессов
Рис. 272. Полый скруб-
бер для очистки отходя-
щих газов:
/—форсунки; 2—насадка.
Для санитарной очистки отходящих газов применяют также
полые скрубберы (рис. 272). Такой скруббер представляет собой
колонну высотой 8 м и диаметром 1,2 м, выполненную из стали
1 Х18Н9Т или из углеродистой стали, футерованной изнутри двумя
слоями диабазовой плитки по подслою из полиизобутилена.
Скруббер из нержавеющей стали легче и требует меньшего ре-
монта, так как сталь марки 1Х18Н9Т в
условиях процесса очистки газа (при низ-
кой температуре) является достаточно
стойкой. Длительность срока службы та-
ких скрубберов весьма существенно за-
висит от качества выполнения сварных
швов.
Через форсунки 1, расположенные на
различном уровне по всей высоте колон-
ны, в скруббер подают орошающий рас-
твор, циркулирующий в системе. В верх-
ней части скруббера расположен слой
насадки, выполняющей функцию брызго-
уловителя, в котором газы отделяются
от брызг орошающего раствора.
Достоинством описанного скруббера
является отсутствие в большей части
его объема насадки, которая может за-
биваться смесью фталевой кислоты и наф
тохинона, как в насадочном скруббере.
В полом скруббере в процессе цирку-
ляции орошающей жидкости можно полу-
чить раствор малеиновой" кислоты, из ко
торого при последующей переработке
выделяют малеиновый ангидрид. К недо-
статкам этого скруббера относятся низ-
кая производительность, обусловленная
недостаточно эффективным контактом жид-
кой и газовой фаз и необходимость тща-
тельной очистки циркулирующего раство-
ра во избежание забивки форсунок части-
цами фталевой кислоты и нафтохинона.
Целесообразно использование для
санитарной очистки отходящих (хвос-
товых) газов аппарата типа пенного
скруббера. Такой скруббер представ-
ляет собой полую колонну, внутри ко-
торой имеется решетка, орошаемая циркулирующим раствором.
Чтобы предотвратить забивку прорезей решетки смесью фталевой
к
Га. I
ITadhocmti
7. Аппаратура для очистки отходящих газов
451
кислоты и нафтохинона, решетку снабжают ножами для механи-
ческой прочистки прорезей. При определенной скорости газа и
определенной плотности орошающей жидкости на решетке создает-
ся газожидкостная смесь, благодаря чему достигается высоко-
эффективный контакт фаз. Производительность такого скруббера
примерно в 3 раза больше производительности полого скруббера.
Пенный скруббер для санитарной очистки отходящих газов и
схема автоматического контроля и регулирования процесса изобра-
жены на рис. 273.
Газы поступают в нижнюю часть скруббера пенного типа, оро-
шаемого циркулирующим в системе раствором. Температура га-
зов измеряется термомет-
ром сопротивления 1. Оро-
шающая жидкость стекает
через боковой штуцер гид-
равлического затвора 5 в
промежуточный сборник 9.
Часть нафтохинона и фта-
левой кислоты, образую-
щейся при гидролизе па-
ров фталевого ангидрида,
оседает в сборнике 6, от-
куда передается на филь-
трацию. Фильтрат возвра-
щается в промежуточный
сборник 9, а паста фтале-
вой кислоты поступает на
выделение нафтохинона
или на дегидратацию. Для
восполнения убыли воды,
испаряющейся с отходя-
щими газами, в верхнюю
часть скруббера подается
Очищенные
газы
фталевой кислоты
Рис. 273. Агрегат для санитарной очистки
.хвостовых газов и схема автоматического
контроля н регулирования:
/—термометр сопротивления; 2—скруббер пенного ти-
па; З—регулирующий клапан*. 4—дифманометр; 5—
гидравлический затвор; 6—сборник фталевой кисло-
ты; 7—насос; 8—измеритель уровня; 9—сборник оро-
шающей жидкости.
свежая вода, расход кото-
рой регулируется пневма-
тическим клапаном 3. Ре-
гулирующий клапан полу-
чает импульс от измерите-
ля уровня#, контролирую-
щего уровень жидкости в
промежуточном сборнике 9.
В описанном агрегате
достигается высокая степень очистки
отходящих газов и полное улавливание фталевого и малеинового
ангидрида и нафтохинона, содержащихся в газах, с последующим
выделением этих продуктов.
29*
452 Г.i. ХИ. Аппаратура контактно-каталитических процессов
Продолжительный опыт эксплуатации установок для производ-
ства фталевого ангидрида показал, что путем промывки отходя-
щих газов водой невозможно полное удаление из них органических
примесей. При замене промывной воды раствором соды, извест-
ковым молоком, метанолом, изопропиловым спиртом, бутанолом
также не удалось достигнуть полной очистки отходящих газов.
Наиболее затруднительно удаление из газов веществ типа лакри-
маторов, обнаруженных в отходящих газах некоторых произ-
водств. Такие примеси не удалось полностью выделить из газов
даже при охлаждении их до —60е.
Рис. 274. Схема печи для сжигания примесей, содер-
жащихся в отходящих газах производства фталевого
ангидрида:
i—вентилятор; 2—теплообменник; 3—форсунка; 4—топочное про-
странство печи; 5—катализа гор; б—вентилятор.
Эффективная очистка отходящих газов возможна при сжигании
содержащихся в них органических примесей. Сжигание прово-
дится в специальных печах в присутствии катализатора (при
415 -430°) или без катализатора (при 760°).
Схема печи для очистки отходящих газов производства фтале-
вого ангидрида представлена на рис. 274. Вентилятор 1 подает
газы в трубы теплообменника 2, где они нагреваются топочными
газами и затем поступают в топочное пространство печи 4. Здесь
газы нагреваются до 415—430° за счет тепла сгорания жидкого
или газообразного топлива, вводимого в печь через форсунки 3.
Нагретые газы, проходя далее через слон платинового катализа-
тора 5, дополнительно подогреваются. В зависимости от содер-
жания органических примесей температура газов может повысить-
Т. Аппаратура для очистки отходящих газов
453
ея на 65°. Далее горячие газы направляются в межтрубное про-
странство теплообменника 2, где отдают значительную часть тепла
отходящим газам, поступающим в печь. Охлажденные газы венти-
лятором 6 выводятся в атмосферу.
При наличии теплообменника экономичность установки значи-
тельно повышается. В печи сгорает 90 -95% примесей, содержа-
щихся в газах. Степень очистки газов зависит от содержания
в них примесей и активности катализатора, так как происходит его
отравление в ходе процесса вследствие оседания на поверхности
катализатора частиц углерода и окалины железа, уносимой га-
зами из аппаратов и коммуникаций, установленных до печи. Для
восстановления активности катализатор периодически регене-
рируют путем выжигания углерода с его поверхности. Через более
продолжительные промежутки времени катализатор промывают
кислотой, растворяющей осевшие на нем окислы железа.
Количество и состав очищаемых отходящих газов могут не-
сколько изменяться во времени, вследствие чего изменяется и
температура газов в зоне катализатора. Чтобы уменьшить эти
колебания до минимума, предусмотрено автоматическое регули-
рование расхода топлива в зависимости от температуры газов в
зоне катализатора. В зависимости от количества газов, подавае-
мых в печь, автоматически регулируется также тяга, создаваемая
вентилятором 6. Кроме того, предусмотрен автоматический конт-
троль и регулирование других параметров процесса сжигания
в печи.
Описанную установку монтируют в непосредственной близости
к производственным агрегатам, так как важно уменьшить длину
газоходов, в которых могут выпадать примеси, содержащиеся
в отходящих газах. Обогрев газоходов препятствует отложению
осадков на их внутренних стенках.
ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ
К главе I
Пример 1. Определить необходимое, время пребывания перерабатываемых
веществ в реакционной зоне непрерывнодействующего аппарата идеального
вытеснения. Проводимый в аппарате химический процесс протекает согласно
сравнению мономолекулярной реакции, начальная концентрация исходного
вещества а=_1 мол. доля, конечная концентрация получаемого продукта (сте-
пень превращения) хк — .0,96 мол. доли, коэффициент скорости реакции k--.
.--0,0(12 сек-1.
Решение. Время пребывания перерабатываемых веществ в реакцион-
ной зоне аппарата вычисляем по уравнению (I, 166):
= "T'2'3,ga^xT( 0,002 '2,31g Г~0,96 ' 1600 с<‘к'
Пример 2. Для условий предыдущего примера определить необходимое
время пребывания перерабатываемых веществ в реакционной зоне непрерывно-
действующего аппарата идеального смешения.
Р е ш е н и е. Время пребывания перерабатываемых веществ в реакцион-
ной зоне аппарата вычисляем по уравнению (I, 62):
хк 0,96
Т.. хх: Г — Ц ППО/1 О ПС\ 12 000 сек.
‘ k {а — хк) 0,002(1 —0,96)
Пример 3. Для условий примера 1 определить необходимое время пребыва-
ния перерабатываемых веществ в реакционной эоне четырехсекционного не-
прерывнодействующего аппарата с полным смешением в каждой секции.
Решение. Вычисляем коэффициент полезного действия четырех-
секционного аппарата по уравнению (I, 111):
тп
7,4 - 30 + (т—1)"ге
где 29
1 ’ll
п—число секций;
. -р—к. п. д. односекционного аппарата.
По данным примеров I и 2 определим к. п. д. односекционного аппарата:
т„ 1600
Т — —5--------------0 13
г" — г,. ~ 12 000 ’ 10
()тсюда
0,13
т Г— о, 13 =4>3
Примеры расчетов
455
4,3-4
== 30 + (4,3 — 1)-4 ~ 14
Необходимое время пребывания перерабатываемых веществ в четырех'
секционном аппарате i:c4 находим из равенства
U = ~
Пример 4. Определить состав хлорированной жидкости, образующейся
при хлорировании бензола в непрерывнодействующих аппаратах идеального
вытеснения и идеального смешения. Хлорированная жидкость содержит 40%
мол. непрореагировавшего бензола, соотношение констант скоростей реакций
образования хлорбензола и полихлоридов /(==(),Г.8.
Решени е. Для процесса хлорирования бензола в аппар ате идеаль
ного вытеснения содержание полихлоридов вычисляем по уравнению (1, 88):
„ (а — хк)к — (а - х„)
ч — Л|( —--------:---г:------
'де а—содержание бензола в исходном продукте (1 мол. доля);
.г,.—суммарное содержание хлорбензола и полихлоридов г хлорирован-
ной жидкости (1 --(1,4-0,6 мол. доли).
(1 — 0,6)
</. = 0,6—-----.---...с.------ tO,035 моп. доли
1 — U, I L о
Содержание хлорбензола в хлорированной жидкости составит:
0,6—0,035—0,565 мол. доли
Для процесса хлорирования бензола в аппарате идеального смешения
содержание полихлоридов вычисляем по уравнению (1,92):
. !/<> (д ~~ + Z<*k(*k — *о)
! ' (а— хк) + /<(хк — х„)
гДе 1/а—содержание полихлоридов в исходном продукте (0);
а= I мол. доля;
хк=-0,6 мол. доли;
х(| = содержание хлорбензола и полихлоридов в исходном продукте (0).
Согласно исходным данным содержание полихлоридов в хлорированной
жидкости составит:
0(1 —0,6) 4- 0,118-0,6 (0,6—0)
у = ______________------------~ 0>09 М()Л_ д0.,и
Содержание хлорбензола в хлорированной жидкости будет равно:
0,6 — 0,09 = 0,51 мол. дели
456
Примеры расчетов
Пример 5. Определить количество реакционных аппаратов емкостного
типа (например, котлов), необходимое для переработки реакционной массы в
непрерывно работающем производстве. Суточный объем перерабатываемой
массы Vr==62 ООО л, продолжительность т пребывания реакционной массы в ап-
парате 0,5 часа.
I' е ш е н и е. Принимаем: степень заполнения аппарата ? =0,75, запас
производительности аппарата _’=(),15 (15%), объем аппарата 1% -1000 л.
Требуемое количество аппаратов составит [см. уравнение (I. 146)]-.
Ус(1+ф 52 000(1 0,15)-0,5
л== 241%у = 24-1000-0,75 -1-98
Принимаем к установке 2 аппарата.
Пример 6. Определить количество и емкость нитраторов непрерывного
действия. Суточный объем нитромассы составляет 10 000 л, время нитрования
равно 15 мии.
Решение. Принимаем: количество устанавливаемых аппаратов п--1.
степень заполнения аппарата у =0,8, запас производительности г -1.0%.
По уравнению (I. 147) находим емкость нитраторов:
„ !'.(!+г)т 10 000(1+ 0,1).0,25
Vi~ 24nc 24-1-0,. =143//
Следует установить один нитратор емкостью 150 л.
Пример 7. Общий случай расчета емкостных аппаратов, для которых опре-
деляющими факторами являются длительность пребывания перерабатываемой
массы в реакционной зоне и характер потока перерабатываемой массы
(критерий Рейнольдса Re). Такие аппараты применяются, например, при
переработке жидкостей, склонных к расслаиванию . Практически в этих
случаях аппараты оформляются в виде змеевиковых аппаратов типа / г (см.
рис. 1, стр. 16).
Требуется определить диаметр трубы змеевикового аппарата.
Решение. Критерий Рейнольдса Re может быть найден по формуле:
где д1—скорость потока, м1сеи\
г,—гидравлический радиус аппарата, м (rr=_L\.
s ’ ’
j—площадь поперечного сечения, м--,
s—периметр поперечного сечения аппарата, м;
7 —удельный вес реакционной массы, г/см3-,
Р—вязкость реакционной массы, сантипуазы.
Подставляя в эту формулу значение w из уравнения f== К--, получаем-.
W
Re = . 10°
/Р-
или
41/сек 7
Re-p.
10й
Примеры расчетов
457
Для аппаратов круглого сечения
я' nd2 /
f=~c г.
Следовательно
(П, 1)
Зная диаметр трубы и секундный объем перерабатываемых веществ, легко
4Исек
наити скорость их движения и длину реакционной зоны ап-
т-.а1
парата 1р=ип (т—время протекания процесса).
Число аппаратов и их объем определяется так же, как и предыдущих при-
мерах.
Аппараты некруглого сечения рассчитывают аналогичным образом, пред-
варительно определив соответствующий г,..
Пример 8. Определить длину и диаметр труб реакционного трубчатого ап-
парата, предназначенного для проведения процесса аминирования л-нитро-
хлорбензола водным раствором аммиака. Суточный объем перерабатываемой
эмульсии Ус- К) м3, продолжительность процесса т-20 мин. Характер движе-
ния жидкости в трубах должен быть турбулентным. Удельный вес эмульсии
у=1 г! см?, вязкость и.=1 сантипуаз.
Решение. Секундный объем перерабатываемых материалов:
10
Vcck. == о о гь 0,000116 ,и3/сек
Согласно условию характер движения жидкости в трубах должен быть
турбулентным, т. е. величина Re>2300, принимаем Ре ЗООО. Диаметр реак-
ционной трубчатки может быть найден по уравнению (П, I):
, 4ИсекЛ inf_ 4-0,000116-1-10"
11 ~ r.Re-iJ. 3,14-3000-1
0,05 м, или 50 мм
Скорость протекания эмульсии в трубах:
4Усек.
7-J2 ’
4-0,000116
3 14-0”05а’ = °-059 м/'сек
Длина реакционной трубчатки;
L = ил = 0,059-20-60 = 70,8 м
Пример 9. Определить количество и объем основных реакционных аппа-
ратов емкостного типа (например, реакционных котлов), которые надо устано-
вить для переработки реакционной массы в производстве, работающем по пе-
риодической схеме. Суточный объем перерабатываемой массы Vc=18 000 л,
продолжительность одной операции Дт:-8 час.
Решение. Выбираем для установки аппараты емкостью 3000 л. При-
нимаем: запас производительности аппарата 2=0,15 (15%), степень заполне-
ния аппарата у=0,8.
458
Примеры расчетов
Требуемое количество аппаратов будет равно [см. уравнение (I, 146)|:
Vc(1+z)At 18 000(1+0,15). 8
п = 24Уа<р “ 24-3000-0,8 - 2,9
Устанавливаем 3 аппарата.
Пример 10. Определить количество и объем аппаратов, требуемых для
дальнейшей переработки реакционной массы, которая получена в результате
операций, проведенных по условиям примера 9 при постоянном числе опера-
ций в сутки. Суточный объем перерабатываемой реакционной массы Vc=35 000z,
продолжительность одной операции в данном процессе Дт=5 час.
Решение. Число операций за сутки в предыдущей основной стадии
(пример 9) по уравнению (I, 142) равно:
Vc Vc 18 000
“ = V'-. = V..+ =; 300+ 0,8 = 7,5
I' -и , t -
С учетом запаса производительности равного 10% (или 0,1), необходимое
количество аппаратов составит:
а(1+г)Лт 7,5(1 +0,1)5
п- 24 - ’ 24 - -1.73
Ппинимая степень заполнения аппарата у =0.75. определим его объем:
1Л 35 000
Иа = — = = 6250 л
л а<с /,5-0,75
Нормалями предусмотрены аппарат!?, объемом 6000 и 7000 я. Принимаем
к установке два аппарата емкостью по 7000 .1 каждый.
Пример 11. Определить количество сульфураторов, необходимое для суль-
фирования n-нитрохлорбензола, и аппаратов для высаливания сульфомассы
в производстве натриевой соли w-нитрохлорбензол-о-сульфокислоты. Коли-
чество сульфомассы V'c =5000 л/сутпи. продолжительность сульфирования
Дт' = 1:1 час., количество жидкости, перерабатываемой в аппарате для высали-
вания. V с—20 000 л!сутки, продолжительность высаливания Дт"=17 ча'с.
Решение. Принимаем: полную емкость сульфуратора 1/а=2000 л,
степень заполнения 0.7 .. запас производительности аппарата г'-=15%
(0,15).
Необходимое количество аппаратов равно [см. уравнение 11, 146)]:
, V'(1+z')At' 5 000(1+ 0,15)-12
24К'¥' ’ 24.2000-0,75 = 1>92
Принимаем к установке 2 аппарата.
Определяем необходимое число операции сульфирования в сутки [см. урав-
нение (I, 142)|:
Vc 5 000
= I'p = = 2000-0 J5 = 3 •33
Примеры расчетов
459
Определим необходимое количество аппаратов для высаливания, приняв
запас производительности z"==15%:
a(l + z)AV 3,33(1 +0,15). 17 Л „
П - 24 - 24 —2,/
Принимаем к установке 3 аппарата.
Объем аппаратов для высаливания при степени
<1.8, составит:
заполнения аппарата
=_22“2_ = 7500 л
а a<f" 33,3-0,8
В соответствии с нормалями на аппаратуру принимаем к установке ближай-
шие по объему аппараты емкостью 8000 л.
Пример 12. Вычислить теплоемкость твердого н-нитрохлорбензола.
Ответ: 0,26 ккал/кг.
Пример 13. Вычислить теплоемкость перегретых паров бензола при по-
стоянном давлении.
Ответ: 0,346 ккал/кг.
Пример 14. Вычислить тепло реакции
Na2SOs -k H2SO4 = Na2SO4 + Н2О + SO2
протекающей в водной среде.
Теплоты образования (в ккал)г-мол):
Водной серной кислоты . . . . 210,1 Газообразного SO2................. 69,3
Раствора сульфата натрия . . 328,5 Раствора сульфита натрия . 263,9
Воды......................... 69.0
Ответ: 7,2 ккал'г-мол.
Пример 15. Вычислить тепло образования нафталина, теплота сгорания
составляет 1231,8 ккал/г-мол.
Ответ: 24,48 ккал/г-мол:
Пример 16. Вычислить теплоту испарения (по Трутону) и теплоту плавле-
ния бензола.
Ответ: 95,0 ккал/кг; 33,9 ккал/кг.
Пример 17. Вычислить теплоту образования твердого, жидкого и паро-
образного бензола.
Реше н и е. Теплота сгорания жидкого бензола рс-^776.9 ккал/г-мол,
теплота плавления бензола рПл.=2.3 ккал/г-мол, теплота испарения жидкого
бензола рисп-7,25 ккал/г-мол.
По формуле (1. 155) вычисляем теплоту образования жидкого бензола:
q*='£,nq3—q,_ ккал/г-мол
где —число атомов углерода в молекуле (и1=6);
Pai~атомная теплота сгорания углерода (q^—94,38);
п2—число атомов водорода в молекуле (га2—6);
?аа—атомная теплота сгорания водорода (ра,=34,19);
Рс—теплота сгорания жидкого бензола (рс=776,9).
460
Примеры расчетов
После подстановки получаем:
= 6 94,38 + 6• 34,19 — 776,9 = — 5,48 ккал/г-моль
Для определения теплот образования твердого и парообразного бензола
вводим поправки (в ккал!г-мол} на теплоту плавления дпл. и теплоту испарения
Чиса. •
7о ;= Чо ^|к| =: — '"’.48 4- 2,3 — — 3,18 (для твердого бензола)
q" — р* = — 5,4»' — 7,25 = - 12,73 (для парообразного бензола)
Пример 18. Вычислить по методу Караша (стр. 66 и сл.) теплоты сгорания
бензолсульфокислоты, нитробензола, хлорбензола, анилина, нафталина,антра-
цена, антрахинона, карбазола и фенантрена (в расчете для сравнения в скобках
приведены экспериментально найденные теплоты сгорания).
Решение. 1) Вычисление теплоты сгорания бензол сульфокислоты
Cen6SO3II.
Число перемещающихся электронов • 1 I -3 ; ; 2Я.
Число тепловых поправок Г 1.
Величина тепловой поправки на сульфогруппу Д =—23,4 ккал
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
qc = 26,05 л + А • £ = 26,05 + (— 23,4). 1 = 706 ккал/л-мол
2) Вычисление теплоты сгорания нитробензола Cr>Il5NO2.
Число перемещающихся электронов п --5• 4 --1 • 34-5- 1 =28.
Число тепловых поправок 4= 1.
Величина тепловой поправки на нитрогруппу 4=--13 ккал.
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
qc = 26,05л + А-С = 26,05-28 + 13-1 = 742,4 (740,4)
3) Вычисление теплоты сгорания хлорбензола С6Н6С1.
Число перемещающихся электронов п -5-44-1 3+ '> 1=28.
Число тепловых поправок С=1.
Величина тепловой поправки на атом хлора Д =—6,5 ккал.
Теплота сгорания (в ккал! г-мол):
qc = 26,05л + Д-С = 26,05-28 + (-- 6,5) -1= 722,9 (735,8)
4) Вычисление теплоты сгорания анилина CoH6NH.,.
Число перемещающихся электронов л = 6-4Н_7-1=31.
Число тепловых поправок С= 1.
Величина тепловой поправки на аминогруппу А =.+ 6,5 ккал.
Теплота сгорания (в ккал!г-мол):
qc = 26,05л + Д+= 26,05-31 +6,5-1 =814,05 (811,9)
3) Вычисление теплоты сгорания нафталина С](,На.
Число перемещающихся электронов л=10-4 + 8-1=48.
Число тепловых поправок С=2.
Величина тепловой поправки на связь между ароматическими радикалами
А = —6,5 ккал.
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
рс = 26,05л + А-С = 26,05-48 + (-6,5)-2 = 1237,4 (1231,8)
Примеры расчетов
461
6) Вычисление теплоты сгорания антрацена С14Н]0.
антрацен
Число перемещающихся электронов « =14-4+ 10-1 ---66.
Величина тепловой поправки на связь между алифатическим и аромати-
ческим радикалом 4 - <—3.5 ккал.
Число тепловых поправок + ---4.
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
дс = 26,05/1 + 4 •+= 26,05-66 + (—3,5)-4 = 1705,3 (1700,4)
7) Вычисление теплоты сгорания антрахинона СМН8О2.
О
II
С
С
о
антрахинон
Число перемещающихся электронов » —12-4+2-2+8-1 =60.
Величина тепловой поправки на связь алифатического радикмй г арОмглу.-
ческим +——3,5 ккал.
Число тепловых поправок на связь алифатического радикала с аромати-
ческим Ct=4.
Величина тепловой поправки на кетогруниу Д,—6.5 ккал.
Число тепловых, поправок на кетогруппу с?--2.
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
ус =26,05» + 44 = 26,05-60+ (— 3,5)-4 + 6,5-2 = 1562 (1544)
8) Вычисление теп.чсты сгорания карбазола C)SH«N
NH
карбазол
Число перемещающихся электронов л = 12-4+9-1 = 57.
Величина тепловой поправки на связь между ароматическим радикалом
и азотом аминогруппы: Д, -—3,5 ккал.
Число тепловых попрзвок на связь между ароматическим радикалом
и азотом аминогруппы + -2.
Величина тепловой поправки на вторичную аминогруппу в ароматическом
ядре Д2—13 ккал.
Число тепловых поправок на вторичную аминогруппу С2=1.
Величина тепловой поправки на связь между ароматическими радикалами
43 = —6,5 ккал.
462
Примеры расчетов
Число тепловых поправок на связь между ароматическими радикалами
’3=1
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
Ус = 26,05n + + + -|- Д3'^2 + + ' -,з =
= 26,05-57+ (—3,5).2 + 13-1 + (— 6,5)-1 = 1484,35
9| Вычисление теплоты сгорания фенантрена C14Hi0
фенантрен
Число перемещающихся электронов п~-14-4+10-1 -66.
Величина тепловой поправки на связь между ароматическими р адикалами
3 — —6,5 ккал.
Число тепловых поправок на связь между ароматическими радикалами
:=4.
Теплота сгорания (в ккал/г-мол):
ус = 26,05п г Д-; = 26,05-66 + (—6,5).4 = 1693,3 (1692,5)
Пример 19. Химический процесс, проводимый в аппарате периодического
действия, протекает согласно уравнению мономолекулярной реакции. Началь-
ная концентрация исходного продукта равна единице, конечная степень превра-
щения 0,96, константа скорости реакции /<„=0,000895 сек.-1, общее количество
выделяющегося тепла (при 96%-ном превращении) составляет 10 000 ккал.
Вычислить данные для построения графика тепловыделения и графика
расхода охлаждающей воды, если известно, что процесс проводится при постоян-
ной температуре.
Решение. Продолжительность процесса, протекающего по уравнению
мономолекулярной реакции, может быть найдена по формуле (I, 166):
1 а 1 1
Тп Ка2'3 1§ а — х = 0,000895 ’2,31g 1 -0,96 ~ 3600 сек” или 1 час‘
Соответственно закону тепловыделения, выражающемуся формулой
(1, 170). находим значение
1_е-Кох
QPT=<3₽' I
где <2р=10 000 ккал—общее количество выделившегося тепла;
е=2,718—основание натуральных логарифмов;
К„=0,000895—константа скорости реакции;
тГ1=3600 сек.—общая продолжительность процесса;
г—время с начала реакции.
Для отрезков времени, соответствующих 10, 20, 30, 40 и 50 мин. с момента
начала реакции, <2рт составляет (в ккал):
1 — 2,718"°’000995вии 1—0,582
Qp10 = 10 000» । _g 7|§-о.ooolfle звон — 10 000- j q q-j « 4350
[__о 7 [8" г2ш| ।___q 342
^p-2o ~ Ю000- । 2,718'0,ооозвб-звоо =- 10 000- । 73^ ~ 6 850
Примеры расчетов
462.
।___2 718~0’000ав6180° 1___0 2
^Рзп = Ю ООО - 217|8"°’и008“87зв00 * I®®®®' 1____0,04 3 $ 330
1___2 718•oouaos-24°° [___0 116
Qp1() = 10 000- -j-_ 7jg-o,uoosoT3euo := 10 000- j___0,04 ~ 200
I __ 2 718*“°011905-3000 1—0,068
ФрГ11| 10000--j-—9*7"[g-o,ooii55F3eOT* ~ 10000- । ..о,О-', ~ 9 700
Обшиб расход охлаждающей виды определяется по уравнению (I, 171):
<?р 10000
== == -1Т(2О' — 12) 1~50 Хй
где *к = 20а—конечная температура воды;
ф-[2°—начальная температура воды.
Расход охлаждающей воды г, каждый данный момент времени определяет-
ся по формуле (I, 174г
] _. ..-Л-'от
IV’ IV’---------.
1 _
Соответственно можно найти значения IV. (в ха) для 10, 20, 30, 40 и 50 мин.
с момента начала реакции:
1— 0,542 „
'Л к> = 1250- j _о,О4 w 544
1—0,342
^2о 12,50- р_q , qj « 857
1 -0,2
IVно = 1250-у =т~ 1040
1—0,116
^ 4о — 1250- । о,()ф ~-ПоО
1—0,068
Ч :(1 1250* , q 1214
На основании полученных данных можно построить графики тепловыделе-
ния и расхода охлаждаю цей поды.
К главе III
Пример 1. Общий случай расчет, емкостных апнаратон-хранилиш.
Требуется определить число и емкость хранилищ. Заданы: Рс, ф и г'—за-
пас сырья, кратный суточному расходу и принятый к хшнению.
Р е ш е н и е. Выбираем для установки хранилища объемом Ра.
Требуемое число хранилищ:
V..z’
(П,2)
464
Примеры расчетов
Пример 2. Выбрать типы хранилищ для купоросного масла и определить
их количество и емкость, если суточный расход кислоты 1/с==7000 л, а ее запас
должен соответствовать двухсуточному расходу. Из хранилища кислота эва
куируется передавливанием.
Решение. Соответственно условиям эвакуации жидкости выбираем
хранилища типа стальных монтежю.
Принимаем полную емкость монтежю Ра=8000 л и коэффициент его запол-
нения у=0,9.
Необходимое количество монтежю для хранения двухсуточного запаса
купоросного масла (/=2) равняется [см. уравнение (П , 2)]-.
Vcz' 7000-2
”= V,,'f =: 8000 0,9 ~ 1,95
Устанавливаем 2 монтежю емкостью по 8000 л.
Пример 3. Выбрать емкость и количество цеховых хранилищ для'нитрую-
щей смеси, если суточный расход нитросмеси Vc==5300 л, а на территории за-
вода имеется склад для хранения кислот.
Р е ш е н и е. Учитывая, что па территории завода имеется склад для хра -
нения кислот, запас емкости цеховых хранилищ г' принимаем равным 1,5-су-
точному расходу, чтобы заполнять их приходилось не более одного раза в сут-
ки (в утрегнюю смену).
Степень заполнения хранилищ у —0 85 Выбираем к уста новке горизонталь-
ные монтежю-хранилища емкостью по 5000 л.
Требуемое количество хранилищ [см. уравнение (П, 2)] равно-.
_ _ ,6300: ‘>5
'!==1/ау = 5000-0,85 =)
Принимаем для установки 2 стальных горизонтальных монтежю по 5000 л.
Пример 4. Выбрать емкость и количество хранилищ для анилина, если
суточный расход его Vt составляет 2000 л. Анилин подается к цеху в железно-
дорожных цистернах емкостью по 25.и’ каждая. На заводе не имеется специаль-
ного склада для хранения анилина.
Решение. Учитывая отсутствие общезаводского склада и относительную
удаленность завода-производителя анилина, принимаем норму запаса г' не
менее 10-суточного расхода. Степень заполнения хранилища ?=0.85.
Необходимый объем хранилища будет равен [см. уравнение (П , 2)]:
Принимаем к установке 2 монтежю-хранилища емкостью по 25 .С, при этом
объем каждого хранилища будет не меньше объема железнодорожной цистер-
ны. Одно хранилище должно служить расходной емкостью, другое всегда будет
готово к приему анилина в объеме одной железнодорожной цист ф ны.
Пример 5. Выбрать емкость и количество цеховых хранилищ для бензола,
если суточный расход его Ис=7000 л и на территории завода имеется склад для
хранения бензола.
Решение. Учитывая огнеопасность бензола, температура вспышки
которого находится в пределах —14-4—[-12°, принимаем для установки при
цехе-хранилище бензола п виде горизонтального статного монтежю емкостью'
Примеры расчетов
ЗООО/.-л При степени заполнения хранилища e=0,S> эго обеспечит следующий
запас емкости г' [см. уравнение (П, 2)j:
нУау-24 1-3000-0,85-24
2' = I/ 7000 ,Н Ч7С''
Принимаем к установке 1 хранилище-монтежю емкостью 3000 л; запол-
нять такое хранилище придется один раз в смену.
Пример 6. Определить количество и объем мерников, необходимых для
загрузки ынтросмеси в нитраторы периодического действия, если число нитра-
торов п.= 4, число операций нитрования в сутки а~-10, продолжительность
процесса нитрования 6 час., продолжительность заполнения мерника и загруз
ки нитросмеси в нитратор т=2 часа. Расход нитросмеси на одну операцию
1'р=365 л.
Решение. Степень заполнения мерника запас мощности ап-
парата z принимаем равным 10% (0,1).
Необходимое количество мел и и ков составит:
«(1+2)т 10(1 + 0,1)-2
п 94 — 24 ~ '
Требуемый объем мерника:
365
о = 46,6 Л
Учитывая невысокую стоимость мерников, для более удобного обслужива-
ния четырех нитраторов устанавливаем два стальных плоскодонных мерника
емкостью по 500 л каждый.
Пример 7. Определить диаметр отверстия диафрагмы для измерения рас-
хода жидкости (дозирующее устройство изображено на рис. 74, стр. 145). Расход
жидкости 1,0 мЛ/час.
Р е ш е и и е. Секундный расход жидкости составляет:
ПС1-к.:= 3600 г 0’^0028 м'-'/сск
Высоту столба жидкости Л принимаем 0,5 .и.
Диаметр отверстия d диафрагмы по формуле (III, 1) равен:
Г V' / 0,00028
1000-1 / ------„ -Ю00 1 - ----- ------ • -
1/ д-0,78Ж|. 2ЧА I, 0 62 0 .785.)-.2 9 £1 0 ,5
К главе IV
Пример 1. Определить расход 26%-ного олеума для моносульфирования
1000 кг исходного вещества (число сульфогру пн, вступающих в молекулу
органического соединения. ,r= 1), молекулярный пес сульфируемого веществ;
М =208, л сульфирования равно 0,8.
Р е ш е н п е. Содержание серного ангидрида в 26%-ном олеуме:
80
>.= 0,26 + 0,74.-50- 0,864
NO
30—2277
466
Примеры расчетов
Расход олеума на сульфирование [см. уравнение (IV, 3)]:
80х(1 — z) 80.1(1—0,8)
<3a-Gc — i000‘208(0,864— 0,8) ~ 1200 кг
Пример 2. Во сколько раз увеличится расход сульфирующего агента,
если в условиях предыдущего примера вместо 26%-кого олеума будет приме
иен 20%-ный?
Ответ: в 1,21 раза.
Пример 3. Определить расход 98%-ной серной кислоты и 60%-ной серной
кислоты на получение 500 кг 80%-ной кислоты.
Решение. Расход 98%-ной серной кислоты [см. уравнение (IV, 6)1:
G(m — 80 — 60
G, = —1-------= 500.-ой-----йГ « 263 кг
1 гп, — шг 98 — 60
где G—вес получаемой 80%-ной кислоты (500 ка);
/п=80%—концентрация получаемой кислоты;
v2s=98%—содержание H2SO4 в более концентрированной кислоте;
яг2=60%—содержание H2SO4 в менее концентрированной кислоте.
Расход 60%-ной кислоты [см. уравнение (IV, 7)]:
G2 = G
ш — тх
т2 —
80 — 98
go —98 ~ 237 кг
Пример 4. Определить расход 65%-ного олеума и 92%-ной серной кислоты
на образование 1000 кг 60%-ного олеума.
Решение. Расход 65%-ного олеума [см. уравнение (IV, 10)]:
т— 4,44(т2 — 100) 60 — 4,44(92— 100)
" G ~тг - 4,44(т2 - 100)" = Ю00' 65 - 4,44(92 — 100) ~ 950 кг
где G—количество получаемого 60%-ного олеума (1000 иг);
щ=60% - концентрация получаемого олеума, % избыточного SO-.;;
«6=65%—концентрация исходного олеума, % избыточного SO3;
zn2=92%—концентрация серной кислоты, % Н2ЭЭ4.
Расход 92%-ной серной кислоты [см. уравнение (IV, II)]:
т— тх 60 — 65
G'2 =G 4,44(m2 — 100)— /щ = 1000'4,44(92 — 100) —65 ~ '‘‘° кг
Пример 5. Определить расход 25%-ного олеума и 96%-ной серной кислоты
на получение 1000 кг 100%-ной серной кислоты.
Р е ш е н и е. Расход 25%-ного олеума [см. уравнение (IV, 12)]:
т — т2 100 — 96
G1 =G 100 +0,225^6 —m2 = 1000‘ 100 + 0,225.25 — 96 ' 415 кг
где G—вес получаемого моногидрата (1000 кг);
т=100% — концентрация получаемой кислоты;
/n1==25%—концентрация исходного олеума, % избыточного SO3;
>л,--.96% — концентрация исходной кислоты, % H^SOj.
Примеры расчетов
467
Расход 96%-ной серной кислоты [см. уравнение (IV, 13)1:
т — 100 — 0,225/». , п 100- 100 - 0,225.25
01 —а'- тг— 100— ’0,225/»! “ 1000’ 96 — 100 — 0,225-25 ~ 585 к?'
Пример 6. Вычислить количество тепла, выделякщегося при смешении
500 кг 98%-нсй серией кислоты и 1С00 кг СО%-ной серной кислоты.
Решение. Определяем ксличестео иелучгсмс п кислоты и ее концен-
трацию по уравнениям (IV, 4) и (IV, 5):
G = G, + б2 = 500 4- 1000 = 1500 кг
+ О2т2 500 -98+1000.60
т= G = 1500 - 72,5%
где Gi==500 кг—вес более концентрированной кислоты (500 кг);
//i1=98%—концентрация этой кислоты;
Ог=ЮОО кг—вес менее концентрированной кислоты;
/п,= €0%—концентрация этой кислоты.
Количество выделяющегося тепла (в ккал) вычисляем по уравнению
'IV, 19):
<?р — 0,0l(Cmq — — б'^Ы/г)
где (/—теплота, выделякшаяся при образовании из моногидрата и воды ки-
слоты к( нпенгр; ггей, равней кеппентраиии п< лучаемой кислоты,
ккал/кг 11,50,,;
—теплота, выделяющаяся при образовании более концентрированной ки-
слоты из моногидрата и воды, ккал-кг H,SO4;
</2—теплота, выделяющаяся при образовании менее концентрированной
кислоты из моногидрата и воды, ккал/кг H2SO4.
Вычисление величин q, qA и q, производится по формуле (IV, 17):
272п
q = п + 49
где п—процентное содержание воды в кислоте после разбавления.
Для данного случая qv и q.j будут иметь следующие значения:
272-27,5
q = 27~5~2|. 49 —97,7 ккал/кг H2SO4
272-2
yi = 2~49 а; 10,6 ккал/кг H2SO4
272-40
</2 = 40 .4. jg ~ 122,2 ккал/кг H2SO4
После подстановки полученных значения в уравнение (IV, 19) определим
теплоту смешения:
+р'= 0,01(1501). 72,5-97,7 — 500-98- 10,6 - 1000-60- 122,2) st 27 700 ккал
Пример 7. Вычислить количество' тепла, выделяющегося при смешении
1000 кг 65%-ного олеума и 3000 кг 20%-ного олеума.
Решение. Определяем количество получаемою олеума и его концен-
трацию:
С = б) + G2 = 1000 + 3000 = 4000 кг
46Я
Примеры расчетов
G,m. + Gm .. 1 000 • 65 + 3000 20
G 4000 = 31’Х’5/°
де G - общий нес получаемого олеума. кг;
m —концентрация получаемого олеума, % избыточного SO3;
Gj—вес более концентрированного олеума (1000 кг);
пг^= 65% —концентрация более концентрированного олеума',
<?2—вес менее концентрированного олеума (3000 кг);
/л2=20% —концентрация менее, концентрированного олеума, % избыгоч -
кого SO3.
Находим общее содержание воды в смешиваемых кислотах и в получен -
рой смеси (по формуле, приведенной па стр. 168)
п = 0, 1846(100 - и) =0. 1846(100 - 31,25) = 12,7 %
п, = 0,1846(100 — mJ = 0, 1846(100 - 65) = 6,45%
п., =0, 1846(100-mJ =0,1846(100 — 20) = 14,75%
Находим по номограмме (рис. 81, стр. 168) теплоты смещения серного ан -
гидрида с яодоУ» при обрлзозаши пехотных ки"аот и иоч.мчаемого олеума- .
q = 1310 ккал!кг воды
q{ ;= 1490 ккал/кг воды
(/.2 = 1260 ккал/кг воды
Количество теп иа , вытеляющегося при смешении, вычисляем по формул е
(IV, 20):
Ур= 0 ,0l(Gnq — GiMjpj — Gj/iip.j) =
0,01(4000.12, 7-1310 — 1000-6,45-1490 - 3000-14,75-1260) 13000 ккал
Пример 8. Определить тепловой эффект сульфирования 500 кг нафталина
на р сульфокислоту. Сульфирование ведется 93%-ной серной кислотой прц16'3",
расход кислоты составляет 600 кг, концентрация отработанной кислоты -т — 0,,1?.
Решен и е. Тепловой эффггсг процесса су’лфирования (в ккаи опре-
деляем по формуле (IV, 25):
1000
Qa — г/р G(1 s)q„
где Gc—количество нафталина, подвергаемого сульфированию (500 кг);
Mq= 128 -молекулярный вес нафталина;
q., -теплота реакции сульфирования, ккал/г-мол;
G—расход сульфирующей 93%-иой серной кислоты (600 кг);
s==0,759—содержание серного ангидрида в сульфирующем агенте;
q„—теплота выделения серного ангидрида из сульфирующего а гейта .
ккал.
Тепло реакции сульфирования (в ккал/г-мол) по уравнению (IV, 24) равно:
Ю3,2 .= 121,7--( -20,1)- 103,2 = 38,6
где qa—тепло образования сульфокислоты нафталина (121,7 ккал/г-мол);
q,. —тепло образования расплавленного нафталина ( -20 ,1 ккал/г-мол).
Величины и q,: вычислены по формулам (J п (,1 4'7.)
Тепло выделения SOn из сулфирующего агента равно (см .формулу
на стр. 167).
У в = У. — = 1280 — 560 = 720 ккал/кг воды
Примеры расчетов
460
Величины qs и q_ взяты по номограмме (см. рис. 81, стр. 168, для 165е).
Тепловой эффект процесса сульфирования (в ккал)'.
Qs = 500 ~ .38,6- 600( 1 — 0,759) - 720 4 6 560
Пример 9. Вычислит,, тепло нейтрализации бензолсульфокислоты иодным
раствором сульфита натрия.
Отве т: — 4 кки.Сг-м<>:1.
К главе V
Пример 1. Определит расход 20%-нсго олеума и 56%-ной азотной ки-
слоты на нитрование 1000 кг хлорбензола, концентрация р отработанной серной
кислоты должна быть равна 0,75. азотную кислоту берут с. избытком 2%
от теоретического (с = 2).
Решение. Концентрация азотной кислоты в нитрующей смеси [урав-
нение (V, 23)].
_ b(lh - le) - (lbmc - lcmb) 75(50-0)-(50-104,5-0-0)
' (mb — те) — k(lb — lc) ~ (0—104,5)+ 0,54(50 — 0) ~IJ'°
ле lb— концентрация HI\O3 в исходной азотной кислоте (50 % J;
lc—концентрация HNO:) в исходном олеуме (0%);
mb—концентрация 11,SO4 в исходной азотной кислоте (0%);
тс— концентрация H2SO4 в исходном олетме (104,5%);
й= ЮОр- 100-0,75= 75.
[1 — 35(1 +-0,01у)]с |1 -3,5(1 +0.01 2)]. 0,75
‘ 3,5(1 +0,0l-.-i 3 . 1 0 ,nl 2) ' ’
Концентрация серной кислоты в нитрующей смеси (уравнение (V, 21))
ть — тс
т = ' 1Ь - 1С
lbmc-lcmb 0—104,5 50.104,5 — 0-0
= “50— " ,|9 Jr 50~"о
Содержание воды в нитрующей смеси:
и — 100 — т — / — 16,2 %
Количество нитрующей смеси, расходуемой на нитрование [уравнение
(V, 11)]:
100 63л- 100 63-1
6'= -rG„^-(! +0.01+ = Ту -1000-112^(1 4 0,01-2) «3000 кг
, де бв— количество нитруемого хлорбензола (1000 кг);
Л4Х—молекулярный вес хлорбензола (112,5);
х—количество вступающих нитрогруии (,.v—1).
Расход азотной кислоты на нитрование:
I 19
Ci, == G -ц- = ЗООО.-эд = 1 140 кг
Расход олеума:
т 64,8
Ge =-G^T = 3000'ТОТ- ='
470
Примеры расчетов
Пример 2. Как из чан и гея с. затаи ни грую цей смеси в у слав ня х предыдуще г о
примера, если исходными компонентами будут меланж (85% НЫО3, 10%
FI,SC%, 5% Н2О) и 97%-ная серная кислота.
Ответ: 45,5% НМО3, 50,5% H-.SO,, 4% Н.аО.
Пример 3. Определить расход меланжа (85% НМО;), 10% HaSO4 и
5% НаО), купоросного масла (98% H2SO4 и 4% НаО) и отработанной ки -
слоты (70% H2SO4 и 30% И.,О) на получение 1000 кг нитрующей смеси следую -
щего состава: 30% НМО3, 60% HaS94 и 10% Н2О.
Решение. Согласно условиям примера:
G = 1000 кг, / = 30%, т=60%, п = 10%
/„ = 85%, т„=10%, п„ = 5%
/й=0, mb = 96% , пд=4%
1С = 0, те = 70 %, пс = 30 %
На основании уравнений смешения (V, 18), (V, 19) и (V, 20) находим рас-
ход составляющих компонентов.
Расход меланжа:
G = г Цс - I) (тс ~~ тЬ) — Це — !ь) (тс — т) =
а Ца %) (та ' тс) (la (flu ~ mb)
„ (0 - 30) (70 — 96) — (0 — 0) (70 — 60)
= 1000 (85 - 0) (10 - 70) - (85 - 0) (10 — 96) ~ 3э0 кг
Расход купоросного масла:
г _ г <!с ~ И ("А, ~ те) - (/„ — 1С) (тс — т) _
h ° (I д — //>) (та — тс) — (/„ — 1С) (та — ть) ~~
,Р,1П (0 - 30) ПО - 70) - (85 - 0) (70 - 60)
- Ю00 [_ 85 60| + (85.86J ~ 430 кг
Расход отработанной кислоты:
q = q (1“ ("Ч> ~ — (!ь - 4,) (та — т) _
,пп„ (83 - 30) (96 - 10) - (0 - 85) (10 - 60) _
= 1000---------------------gj.. ~ 220 кг
Пример 4. Определить тепловой эффект смешения 1000 кг 20%-ного олеума
и 500 кг 50%-иой азотной кислоты.
Р е ш е н и е. Находим состав смешиваемых компонентов:
(H2SO4 1000-0,8 = 800 кг
Олеум
I. SO;, 1000-0,2 = 200 кг
Азотная ( HNO3 500-0,5 = 250 кг
кислота | Вода 500-0,5 .= 250 кг
Состав полученной смеси:
98 1045-100
серная кислота 800 200-g(y = 1045 кг, т = —х 69,6%
Примеры расчетов
471
250 100
азотная кислота 250 кг, I --= —1500— ~ *6,7%
18 205-100 , л,
вода 250 — 200- дд = 205 кг, п = —[500 ~ 13,7%
Определяем теплоту гидратации серного ангидрида:
(),. = = 255-200 = 51 000 ккал
где —тепло гидратации серного ангидрида (255 ккал/кг);
Gj—вес серного ангидрида (200 кг).
Теплота исчерпывающего разбавления 100%-ной серной кислоты (по но-
мограмме рис. 104, стр. 217):
qlt = 183 ккал/кг
Теплота исчерпывающего разбавления 50%-ной азотной кислоты (по номо-
грамме рис. 104):
qb = 17 ккал/кг
Находим величину л для полученной смеси
m 69,6 А апг_
х = 69,6-4- 16,7 ~ °’805
по номограмме (см. рис. 104) определяем теплоту исчерпывающего разбав -
пения для л= 13,79,,:
q = 102,5 ккал/кг исходной смеси
Тепловой эффект смешения:
<2р = ПаЦа + GbQb + Qr — Gq ~
= 800-183 + 250.17 + 51 000— 1500-102,5 = 47 900 ккал
Пример 5. Вычислить тепловой эффект нитрования 500 кг бензола нитрую-
щей смесью, полученной из меланжа (85% 1INO3, 10% 11,SO4, 5% I-L,О) и купо-
росного масла (96% H2SO.,). Расход азотной кислоты составляет 101% от теоре-
тического, (<р=1), концентрация H2SO4 в отработанной кислоте '=-0,7%.
Решение. По условию имеем:
/„ = 85% та = 10%
/й=0 от* = 96%
г = 1 % Р ~ 0,7%
а а = 5%
пь =4%
С,, = 500 кг, = 78
Концентрация азотной кислоты в нитрующей смеси [уравнение (V, 23)1
. _ b(la — lb) — (lamb — lbma) _ 70(85-0)-(85-96 -0-10)
mn — mb~k(!a~lb) - 10 —96 —[—0,5 (85—0)] ~ 8
где b = ЮОр = 100-0,7 = 70;
(1 —3,5(1 + 0,01<р)]р (1 -3,5-1,01).0,7
k = З+СП-0,01с) = З.зГГ.б! ' ~°’5
т
Примеры расчетов
Концентрация серной кислоты в нитрующей смеси (уравнение (V,
Пд — mi> lgmh --
1а—1Ь '
m
10 --96 85-96 —О-10
85—0 '50,? + 85^0 =44.1)",,
Концентрация поды в нитрующей смеси-.
п = 100 — I — tn = 100 - 50 ,8 - 44 ,6 - 1 ,6%
Количество нитрующей смеси, расходуемой на нитрование (уравнеиие
(V, 11)]: '
100 63х 100 63-1
G = — G„ (1 + 0.01 -1) = 5g-g-.5OO.-7g -. 1,01 803 кг
Количество отработанной кислоты [уравнение (V, 13)|:
GOrp. - G ]00fj - 803. ю0 £ у - 512 кг
Теплота реакции нитрования [уравнение (V, 40j|-.
<j-p = qn — q,. 27,4 = 5,1 — (— 4, 1) + 27.4 -.= 36.6 ккал/.г-мол
где —теплота образования нитробензола (5,1 ккал/г-мол);
;с—теплота образования бензола (—4,1 ккал/г-мол).
Теплоту д исчерпывающего разбавления нитрующей смеси находим н <
, 44,6
номограмме (ем. рис. 104, стр. 217) для и=4,6 н л - уд 64-50~ig =0.47. Для -них
условий </==118 ккал!кг.
Теплота </01-р. исчерпывающего разбавления отработанной кислоты онре
деляется по той же номограмме (рис. 104) для х~ 1 и /<= 30.
<7отр- = 1,1 ккал/кг
Тепловой эффект процесса нитрования [уравнение (V. 16)(.
1000G,,
Qs ~ И, 7' ^отр -*701]!• =
1000-500
—=х-----(36,6 — 7) ф 803- 118 - 512-61 -254 300 ккал
К главе VI
Пример 1. Определить расход хлора на хлорирование 1000 кг бензола при
получении хлорированной жидкости с максимальным содержанием хлорбензола.
Решение. Максимальное содержание хлорбензола в хлорированной
жидкости составляет 75%, при этом содержание полихлоридов (принимаемых
за дихлориды) составляет 3%, содержание непрореагировавшего бензола
12%.
По составу хлорированной жидкости вычисляем выход хлорбензола и
полихлоридов.
Выход хлорбензо пл:
78
7l' 112,5
'и = 78 78 = 0.733
75 112,5 *3• 1^7 + 12
Примеры расчетов
Выход полихлоридов:
78
- 78 - .V >
' - Ь13-147412
где 78 - молекулярный все бензола;
1 12,5—молекулярный вес хлорбензола;
147—молекулярный нес дихлорпдов.
Зная выход хлорбензола и полихлоридов, можно определить расход хлора
(в кг):
71 71
й = Gs (г, + 21),) - 1 000• (0 ,733 + 2-0,0975) г 845
где Gx вес хлорируемого бензола (1000 кг);
Пх -молекулярный вес бензола (78).
Пример 2. Определить количество тепла, выделяющегося при хлорирова-
нии в условиях предыдущего примера.
Реше и и е. Находим количество образовавшихся хлорбензола идпхлор-
Лр11Э/‘,по /yi
/И, 112,5
0’1 -- о\ TF-T.t = 1000.—=—.0,733 =1 1060
/И х lO
ЛЬ. 147
G7 =-- G\ ду Ge ЮОО-ууО ,0975 i. 184
где .VI, - молекулярный вес хлорбензола (J 12,5);
Л4, молекулярный вес дпхлорбензола (147).
Теплота реакции монохлорпровапия бензола (в кюы/г-ло,гi определяется
по формуле (VI, 8):
7pi — Фп — </,. + 22п = 14,33 - (- 5,18) 22 I — 41,81 ккал!г-мол
где pm теплота образования хлорбензола (14,33 ккал!г-мол);
qe - теплота образования бензола (—5,48 ккал/г-мол)',
п число атомов хлора, вступающих в молекулу бензола (п=1).
Теплота реакции дпхлорирования бензола (в ккал/г-мол) вычисляется ио
формуле:
<?,.» = - 7с + 22п = 12,67 -- (- 5,48) + 22-2 = 62,15
где ун, -теплота образования дпхлорбензола (12,67 ккал/г-мол)-,
п — число атомов хлора, вступающих в молекулу бензола (п_‘2).
Количество тепла, выделяющееся в процессе хлорирования (в ккал),
определяем по уравнению (VI, 9):
/ <?1 «Л \ „ n I Ю60 184 \
Ур = 1°00 ( 7рг + <?р-2 ) = Ю00 -41 ,81 ф Г4-7-62,151 - 471 800
474
Примеры расчетов
К главе VII
Пример 1. Вычислить тепло реакции восстановления нитробензола чугун-
ной стружкой.
Реше н и е. Тепло этой реакции вычисляем но формуле (VII, 4):
qp = 9|| — ч, + 134 = — 8,5 + 5,2 + 134 = 130,7 ккал/г-мол
г де у,,--тепло образования анилина ( -8,5 ккал/г-мол);
qc- -тепло образования нитробензола (5,2 ккал/г-мол).
Величины (у,, n'qc определены по формулам (I, 155) и (I, 157).
Пример 2. Вычислить тепло реакции восстановления нитроанизола сер-
нистым натрием и дисульфидом натрия.
Р е ш е н и е. Тепло реакции восстановления нитроанизола сернистым
натрием вычисляем по формуле (VII, II):
q,, = ql{ — q, + 85,05 = 56,7 — 33,9 + 85,05 = 107,85 ккал/г-мол
где </„--тепло образования анизидина (56,7 ккал/г-мол);
qc -тепло образования нитроанизола (33,9 ккал/г-мол).
Тепло реакции восстановления нитроанизола дисульфидом натрия вычи-
сляем но формуле (VII, 13):
qp = qh — qk. + 83,8 == 56,7 — 33,9 + 83,8 = 106,6 ккал/г-мол
Величины (/„ и </с определены ио формулам (I, 1551 nj(l, 157).
Пример 3. Вычислить тепло реакции восстановления нитробензола до
азоксибензола, азобензола и гидразобензола; восстановитель -цинк в щелочной
среде.
Решение. Тепло реакции восстановления нитробензола до азокси
бензола определяем по формуле (VII, 7):
i/pi — 0,5</п1 — </,- + 22,5 = 0,5(— 57,8) — 5,1 + 22,5 = — 11,5 ккал/г-мол
где (/|Г1 -тепло образования азоксибензола (—57,8 ккал/г-мол);
q,—тепло образования нитробензола (5,1 ккал/г-мол).
Учитываем тепло взаимодействия щелочи и образующейся гидроокиси цин-
ка (1,5 моля на 1 моль нитробензола). Тепловой эффект этой реакции, протекаю-
щей с образованием цинката натрия, составляет 15,7 ккал на 1 г-мол Zn(OH).,.
С учетом этого тепла величина </(п составит:
r/pj = — 11,5 + 1,5-15,7 = 12,05 ккал/г-мол
Тепло реакции восстановления нитробензола до азобензола рассчитываем
по формуле (VII, 8):
</р2 — 5(/,,2 — qc + 30 = 0,5(— 84,3) — 5, 1 + 30 — — 17,25 ккал/г-мол
где (/„а-тепло образования азобензола (-84,3 ккал/г-молi.
С учетом тепла взаимодействия образующихся 2 г-мол гидроокиси цинка
со щелочью тепло реакции восстановления составит:
<Zp2 = — 17,25 + 2-15,7 = 14,15 ккал/г-мол
Тепло реакции восстановления нитробензола до гидразобензола по фор-
муле (VII, 9) составляет:
<7р:: = 0,5</|,з — <?с + 3 = 0,5(— 56,2) — 5,1 + 3 = — 30,2 ккал/г-мол
•де </„л -теплота образования гидразобензола i 56,2 ккал/г-мол).
Примеры расчетов
475
Учитывая тепло взаимодействия образующихся 2,5 г-мол гидроокиси пинка
со щелочью, получим тепло реакции восстановления:
'/p:i = — 30,2 + 2,5-15,7 == 9,05 ккал/г-мол
К главе VIII
Пример 1. Определить тепловой эффект диазотирования солянокислого
анилина раствором нитрита натрия.
Решение. Тепловой эффект реакции диазотирования (в ккал'г-мол i
вычисляем по уравнению (VIII, 10):
<7р = Ял + <7п.д. + 3,45 — = [8,52 + 11,68 + 3,45 — 7,4 — 26,25
где <7Д -тепло диазотирования (18,52 ккал/г-мол);
Яп.л. тепло нейтрализации диазогидрата (11,68 г,кал(г-иалу.
<7ч.а. -тепло нейтрализации анилина (7.4 ккал/г-мол).
Приведенные теплоты реакций взяты по табл. 10 (стр. 314).
Пример 2. Определить тепловой эффект сочетания хлористого фенилдиазо-
ния с 7-нафтиламином.
Решение. Тепловой эффект реакции сочетания вычисляем ио урав-
нению (\'1П, 14):
</р : Яс 911.1-
где щ. -тепло азосочетания;
</н.д.—тепло нейтрализации диазогидрата.
Из-за отсутствия экспериментальных данных о теплотах реакций-элементов
для процесса азосочетания фенилдиазоння с ?-на фгиламином принимаем дти
расчета данные о теплотах сочетания феннадизчония с ^-нафтолом по табл. 11
(стр. 315):
щ. = 30,94 ккал/г-мол', с/и.л - 11,68 ккал/г-мол
Подставляя эти данные в уравнение (\Т11, 14), получаем:
:/р = 30,94 — 11 ,68 — 19,26 ккал/г-мол
К главе IX
Пример 1. Определит!, тепловой эффект процесса сплавления 1680 кг
натриевой соли нафтиламинтрисульфокислоты (в виде 55%-ной пасты) с 780 кг
100%-ного едкого натра. Начальная концентрация NaOH составляет .33,7%,
конечная 27%, количество отработанного едкого натра (в пересчете на
100%-ный NaOH) 587 Кг.
Реше и и е. Теплота реакции сплавления (по уравнению (IX. 6)|:
Яр = Чп — Чс + 125,6л:
где фс-тепло образования Аш-кпслоты в виде Na-солн (319,8 ккал/г-мол);
Яс -тепло образования Na-солн нафтиламинтрисульфокислоты
(416 ккал/г-мол);
V -число сульфогруии, замещаемых и процессе щелочного плавления
г li.
Величины </„ и г/с вычислены по формулам (I, 155) и (1, 157).
После подстановки найденных величин в уравнение (IX, 6) получаем.’
Яр — 319,8 — 416 + 125.6 • 1 — 29,4 ккал/г-мол
Примеры расчетов
Определяем теплоту изменения концентрации щелочного агента по. форму; с
(IX, S-:
Фщ- 0*к</к — ^n'/n " 587-275 — 780-235 t — 37 500 ккал
|де Ci,. - количество пепрореагиронавшего едкого натра;
-теплота растворения едкого натра при образовании 27%-ного раствора
NaOH (по диаграмме на рис. 186, етр. 334, ^к=275 ккал,1 кг);
6^ -вес загруженного (100%-ного) едкого натра;
•-теплота растворения едкого натра при образовании 33,7%-кого рас-
твора NaOH (по той же диаграмме <7=255 ккал/кг).
Данный процесс щелочного плавления проводится в автоклаве; слетов i -
гельно, теплота испарения воды равна пулю.
Тепловой э<[)фект процесса щелочного ппаваения по фопмупе (IX .ОТ,,
1000«в 1000-29,4
ф„ -- 6%,—р фщ । 680-0 ,;>5 ----— — 37 500 t 22900
К главе XI
Пример I. Определить основные размеры автоклава емкостью 3000 .;.
Отве т. Диаметр автоклава 1600 мм, радиус днища 830 мм, высота ни
лиидрическо'й части 1660 .я.и, полная высота автоклава 2®0 мм.
Пример 2. Определить толщину стенок днища и цилиндрической части
автоклава, имеющего емкость 2000 л и работающего иод давлением 30 апш.
Отв ст. Толщина стенки цилиндрической части твтоктавт 6 см ,толщи
на днища 7 см.
Пример 3. Определить тепло процесса алкилирования анилина мети новым
спиртом при нолучегпи диметплапилипа.
Р е ш о н и е. Тепло реакции алкилирования анилина но уравнению
(XI, 13):
qn - : рн — qc -k 14,6 = — 21 ,5 — (— 8,5) 14 ,6 = 1 ,(> ккал/г-яол
где </,, тепло образования днметпланилина ( -21,5 ккал/г-мол);
qc- тепло образования анилина (—8,5 ккал/г-мол).
Величины ip, 11 ус здесь и в примере 4 вычислены но формулам (I, 15й)
(I, 157)
Пример 4. Определить тепловой эффект процесса аминирования 150 кг
л-нитрохлор бензола аммиачным раствором. Количество аммиачного раствора
374 кг. начальная концентрация раствора 26%,, конечная - 22 б1",,, температур;,
процесса 170°.
Рете и и е. Тепло реакции аминирования по уравнению (XI ,4)-.
--- Я" — Яг + - — 5 ,5 — 19 ,5 + 49 - ‘14 ккал/г-мол
где </п -тепло образования /г-пнтроаиилина ( 5,5 ккал/г-мол);
<7С—тепло образования л-иитрохлорбензола (19,5 ккал/г-uoj).
Тепло изменения концентрации аминирующего агента но уравнениям
(XI, 8) и (XI, 9):
<?н - 6',-|(1 — 0,01с) (</., — щ) ккал
Примеры рисчеч
\Ti
где 6',,- вес 26%-ного аммиачного раствора (37! кг);
с начальная концентрация аммиачного раствора (26'|„,1,-
теплота растворения аммиака с образованием исходного раствора
(ио табл. 16, стр. 382, gj - 176 ккал!кг воды);
</„- теп.юта растворения непрореагировавшего аммиака (но той же
таблице </2 -- I 18 ккал/кг воды).
Тепло десорбции и растворения аммиака принимаем за отсутствием эгс-
периментальных данных для температуры 170°, как для 100°
Подставляя числовые значения в уравнение дня Qlt, получаем:
-=- 374(1 — 0, 01 -26)-(148 — 176) - — 7750 ккал/час
Тепловой эффект процесса составляет:
1000 (7С
,14? + *2"
1000-150
•24 — 7750 s 15 150 ккал
где Сс -количество л.-нитрохлорбензола, подвергаемого аминированию 1150 к,>к
/И. - -молекулярный вес л-нитрохлорбензола (157,5).
К главе XII
Пример I. Определить скорость испарения нафталина и процессе образо-
вания нафталино-воздушной смеси. На I кг нафталина расходуется 20кг воздуха,
испарение происходит при 120° и давлении 1140 ж/и рт. ст., воздух движете,,
лад нафталином со скоростью К) м/сек.
Решен нс. Скорость испарения нафталина (в кг1 и-• час\ опреде/ .тяем
по формуле (XII. 2):
» = р |- -7 кг/м-- чае
где
J ,1 'g(‘ - °-27)
0,27 “‘Г 1g 0,27
i 0,65:
!>t 12,8
7 ' 47“ 5
0, 27.
1 X lg(l- £)
Т " I
п коэффициент диффузии паров в газовую (разу при нормальных условиях
(0,0513 см’/сскУ
7 -удедьиып нес жидкого нафталина (0,98 г/сл’);
/И- молекулярный вес нафталина (128);
/>, парциальное давление паров нафталина в насыщенной смеси с воздухом
(12,8 мм рт. ст., см. ниже);
Р общее давление в системе (1140 мм рт. ст.);
w скорость движения воздуха вад нафталином (1000 см/секу,
Т абсолютная температура испарения (273 (-120 = 393°К);
р—парциальное давление паров нафталина при температуре его испарения
(47,5 'мм рг. ст).
Для определения парциального давления наррв нафталина р} определим
.его содержание в нафталино-воздушной смеси, равное
4,8
1 128
-jj- • 100= 1.8 "с,, или j-g-95 2~ =-~ 0,01 I 2 мо к доли
Т28 7 ~7?7
478
Примеры расчетов
Отсюда
/у = 1140-0,0112 = 12,8 мм рт. ст.
После подстановки всех величин в формулу (XII, 2; получаем:
g ---- 1,17 0,65-0,0513-0,982-1282-—1/1999 а 11,1 кг/м3-час
114U г з9з
Пример 2. Рассчитать конвертор для окисления нафталина во фталевый
ангидрид в кипящем слое катализатора.
Исходные дани ы е:
Производительность конвертора, кг нафталина в час . . . 500
Выход фталевого ангидрида, % от теоретического .... 85
Количество нафталина, превращающегося при окислении в
побочные продукты, %
в малеиновый ангидрид ............................. 2
в нафтохиноп........................................ 3
в СО„ и Н2О ........................................ 10
Соотношение воздуха и нафталина в исходной нафталино-
воздушной смеси......................................... 15:1
Температура, °C
исходной нафталино-воздушной смеси................ 150
контактных газов в зоне кипящего слоя............. 400
Давление контактных газов в зоне кипящего слоя, ата . . 1,2
К а т а л и з а т о р:
Фракционный состав
размеры частиц, у. . . . 600- 400 400 -300 300-200 200-100 100- 40
содержание, % ... . 45 25 15 10 5
Удельный вес ут, кг/м3 ............................................ 5500
Насыпной вес тк, кг/м3 ............................................. 700
Коэффициент расширения слоя катализатора при переходе в состояние
кипящего слоя -L ................................................. 1,25
Удельная нагрузка, кг нафталина на 1 кг катализатора в час . « , , 0,1
Материальный расчет. Реакция образования фталевого ангидрида
|.з нафталина н кислорода воздуха соответствует следующему стехиометрическому
уравнению
О + 2СО, + 2Н2О
СО
(1)
СО
128,2 4’/,-32 148,1 2-44 2-18
При выходе фталевого ангидрида в количестве 85% от теоретического расход
нафталина составит:
128,2
°00’ 148,1-0,85" ,'°'1 кг/‘‘ае
Примеры расчетов
479
Реакция образования малеинового ангидрида из нафталина и кислорода воз
духа соответствует следующему стехиометрическому уравнению:
НС-С=О
I \) + 6СО2 4- ЗН,О (2)
НС-С==О
98,1 6-44 3-18
При превращении 2% нафталина в малеиновый ангидрид образуется следую-
щее количество малеинового ангидрида из 509 кг нафталина:
509-0,02-98,1
------, 9Й- 9- ==7,8 кг/час
Реакция образования нафтохинона из нафталина и кислорода воздуха соответ-
ствует следующему стехиометрическому уравнению:
При превращении 3% нафталина в нафтохпнои из 509 кг нафталина образу
ется следующее количество нафтохинона:
509-0,03-158,2
------, 9о" 9--= 18,8 кг/час
Полное сгорание нафталина в СО2 и НгО протекает по следующему стехио-
метрическому уравнению:
Определяем количество двуокиси углерода, образовавшейся из 509 кг нафта-
лина по уравнениям (I), (2) и (4):
509-44
Д28-2 (2-0,85 + 6-0,02+ 10-0,1) = 491 кг/час
Определяем количество па|»в воды, образовавшихся по уравнениям (1) — (4):
509-18
-fog-Q (2-0,85 + 3.0,02 I 1-0,03 + 4-0,1) = 157,4 кг/час
При протекании реакций по уравнениям (1) — (4) будет израсходовано сле-
дующее количество кислорода:
0,85-4,5 + 0,29-9 + 0,03-1,5 ) 0,1-12 = 666 кг/час
48D
Примеры расчетов
Количество непрореагнровавшего кислорода в контактных газах составит
509- 15-0,231 — 666 = 1094,0 ке/час
где 0,231—весовое содержание кислорода в воздухе1", вес. доли.
Количество азота и инертных газов в контактных газах будет равно:
509-15-0,769 = 5870 кг/час
где 0,769 — весовое содержание азоги (вместе с инертными газами) в воздухе*,
вес. доли.
Результаты материального расчета сведены в таблицу.
Материальный баланс
Вещества Содержание; % вес. | Вес кг/час Удельный вес кг/мЪ (при нормальных условиях) Объем нл&/ча(
П р и х о д 1
Нафталин (пары) 100,0 509 5,74 88,7
Воздух 100,0 7630 1,293 5901.1
в том числе:
кислород ... 23,1 1760 1 ,43
азот и инертные газы . . . 76,9 5870 1,25
Итого 8139 5989,8
Р а с X с д
Фталевый ангидрид 6,2 500 6,62 75,7
Малеиновый ангидрид | 0,1 7,8 4,37 1 ,8
Нафтохннон ! 0,2 18,8 7,07 2,7
Двуокись углерода i 6. 1 491,0 1,97 249,0
Водяной нар 1 ,9 157,4 0,80 197,0
Кислород 13,5 1094,0 1,43 766,0
Азот и инертные газы 72,0 5870,0 1 ,25 4700 ,0
Итого парогазовой смеси (продукты
контактирования) 100,0 8139,0 1,37 5992,2
Г) |> и м с ч а и и е. I Удельные веса воздуха, двуокиси углерода, кислорода и азота см.
С. С. Кутателадзе, В. М. Б о р и ш а и с к и й, Справочник по теплопередаче, Гос-
энергонздат, 1959.
2. Удельные веса паров нафталина, фталевого ангидрида, малеинового ангидрида и нафго-
хинона при нормальных условиях определены по расчету из уравнений состояния пара или газа.
Расчет о с и о иных размеров реакционного объема кон-
вертора. Вычисляем площадь поперечного сечения конвертора (в л2):
* В. И. Перельман, Краткий справочник химика, Госхимиадат. 1956,
стр. 271).
Примеры расчетов
481
где V'p—рабочий объем газов, м3/сек,
а>р—рабочая скорость газов, м/сек.
С учетом температуры и давления и зоне кипящего слоя рабочий объем газов
составит:
_ 273 + t
v'p = К, - 273р
где V'o—объем газов (в нм3/сек), определяемый по данным материального расчета
как величина, средняя между объемом газов, входящих в кипящий слой,
и объемом газов, уходящих из кипящего слоя;
t—температура в зоне кипящего слоя катализатора ('практически ее можно
считать одинаковой во всем объеме кипящего слоя).
Находим объем газов:
5989,8 + 5992,2
=-’ ---241606-----= ‘’67 нмЛ1с^
Отсюда рабочий объем ( азов V'p составит:
273 + 400
V'p =1,67 273 । о = 3,43 м3/сек
Далее определяем рабочую скорость газа шп. По данным П. Г. Мартюшина,
максимальное значение коэффициента теплоотдачи от гипящесо стоя глтчлпзатора
к поверхности охлаждающего элемента достигается при следующем оотиошеиии*:
Юр = 0,38 |/ у1 d3 м/сек (61
где у,—удельный вес катализатора (1100 кг/м3)',
у,-—удельный вес контактных газов в условиях процесса, кг/:и";
d3—средний эквивалентный диаметр частиц катализатора, .и.
Из-за отсутствия эксперимеит-кльных д-шнпх удельный не,с гонт ггк ы -. газов
уг при температуре н давлении в кипящем слое катализатора определяем по фор-
муле:
1,37-273-1.2
7г-= “273 + =0,67 кг/м3
где 1,37 кг/м3—удельный пес контактных газов при нормальных условиях, кг/м3
(см. таблицу материального баланса).
Средний эквивалентный диаметр зерен катализатора вычисляем по формуле*:
I 1
di== '•а г *7 ’
d^ d,, d, d± (/-,
где /Vj, A',2, Na, N4, Дф—содержание различных фракций в кипящем слое катали-
затора, вес. доли;
tZj, d2, d<t, dt, d-,—средние диаметры частиц катализатора а различных
фракциях, м.
Согласно исходным данным, средние диаметры частиц во фракциях катализа-
тора составляют (в мм)'
0,6 4-0,4
dL =-----2---= 0 , а
* А. Д. Домашней, Конструирование и расчет химических апиаратог,
Машгиз, 1961, стр. 593
31—22/7
Примеры расчетов
0,4 J-0,3
-------- =0 35
0,2 +0,1
( )| С1ОД.1
: (Об ,О ДЪ ОО" ОТ !>)Г > ° '° Т0028 и.
(О' <05 + 0+5 1 ~ оТГЗ + 0/)7
Подставляя найденные значения '<г и в ураппеине (6) .получим
+> = 0,38 у (+67-0.00028 -О) ,58 v/m
Зиня величины, входящие п формулу (5), вычисляем площадь поперечного се?
чеиия 1.011вертора:
З.-пем онре.'.е пяем диаметр конвертора:
Вес ката. iii.TTiop i, загпужаемого в конвертор, составит'-
509
Л - и . -=--5090 кг
где 0,1 —удельная нагрузка катализатора но иафтааину.
Высота слоя катализатора в стационарном состоянии
L 5090
/,с "Ун/’ = 700-5,9" = 1,23 Л‘
где Ть~ насыннон вес ката.'-шзатора.
Высота кипящего слоя катализатора:
Лк == /,сф == 1 . 1 ,25 ] ,54 и
где '+--1-:о+>ф||цпепт । асшнренпя слоя катализатора при переходе в состояние кн,
нищего слоя
1лкпм обраиог:, основные размеры реакционного объема, занимаемого кипящим
с доем катализатора, составляют: диаметр ‘2,75 м, высота 1,54 л.
Определение поверхности теплообмена. Тепловой баланс про
песен может быть представлен следующих.! уравнением:
Qi + Qi = <2з + Qi + <2= + 2
Off; dn ‘lifol ‘mXtnojdaiieaoj ‘ahutfadau
-oi.'iio.l du 'iiiiihiwi'dir) ‘и n m э >! i; in и d o <1 W 'Я ‘э с V и г a j. i? J. Л )] □ -j :S
- not r.i\ ‘ r.iiidtni n; оlotidL'i.'K) 'in111ni (.,-,/>) niiiiudo.io .loi.’UOX iniiiihiiitofj imliMnail
AdA.i.ndoiiivoj. i?n ii'iii nd non noiahX a waBiraVodiio iniTiMisni гшюффе ainiioi’iiaj.
f>l‘() = r?- 6()‘0=r'?-
5.'0'0 = 'Jg'o=;li
l.lOlBI.’llliJ.OO.) '1'lllllbnitOH ‘ IXI'111111.1 ItinutОХОИ О11ЭПГ.1СГ)
nitotf oau ‘ojaln
-on.do.io oi irooniioii n noniix(ji(])i;n ‘tiidtfnnun iiiquounai'iiiM ‘Viidt'iiJili:
iii'Kioi.i.ti.f]) ii.i <)нпая.|..и.о11лх>о Bonja'iuoinooiiiio ‘1?>ппл?хф1?л oii.i.oabii>tox-—‘*A ‘‘i ,1r.
•.rar-f/imi 'i'iiiiitn.i(jn:ii Biinndo.io nioi.'noi—, "6
•.гои--a; raw ' ноиихо1ф|‘11 и I'lidl'iuni? >miionn.ii-
-i.t< “iriidVn.iiin 11iniioiлл1.ф in i.>inn.'t?.i(|)i?n nnnoit.oioio iinlinnod . i i.oi-no,. •".' ll'd ‘Ф/>
‘(i~‘8dl) nuHi/iM.i|>ini оои ni'iinlHiobioii’ore—'ф/ of.:
(f) ('"/? + i-o Х||Л + ''"/? 4- ’ЬФЛ) <ХНII “/Л
000Гн7
:01И11ЭпшФл
<>u iwKi'oiininn {ли, i-иху н) ttiiiii -вд|им 1011:01.01010 i.oooliodi) лмэффв nouaruaj,
”">.1'1^1 000 OOP = 091 • (Z6?> ‘0-609 + СТ-б'О-ОШ) = V)
iKOnndoo ипхп.Ь
= 0001-
IV
4«Z0‘() + Z0‘9
:ai.’A 1\0оф он "л AiiiiiiiiitOH iwiiaMiuiiooiy
I ,001) noooo noiiiii/ftf.on-oibir. i.j.(j)f,ii |-.<]А1к<1Э|тЭ|1.—
:нц||п’н1фвп 'i.LooninaouTOj.—
: гу'пцу f?}-<;‘0) .01'1 ndn вхЛИгоя чхоохнаогоэх—"л
‘.эиь/гу '(Biahond
оjonni.'i.’iido.Li’ii iM'iininV on) iiiiiiitniilinii и uxiCtfcoa uoati оппэяююпюоо—"7 11 “7 of.;
‘'•’Д'Уф + !|он7) = lb
.oiiiiiaiijiiiK ou BOioBitoiraduo Y> uuпыпгад
‘iwxi.iioji.’ol/iu.'x ш1сш)эял(»1 an aoiviiVonio 'oi-nai—»£>
‘..ii'h/i-nyyi ‘AVodo О1ЛПюп!жЛ<Ь|о я imoihiIbiiiin aoiWBdax ‘oituoi—
•.:>nh‘vmn ‘iniTiMuad нкшяХНЫи iido.i.(Ionno>i vn oiwiooiiZ ‘oiruai—f()
‘.лт/vvyv ‘iinTran
-od indAj.i.oI011 irai. 01/ iioioiAtodii xhiiVox.oh uadjofou nu ooiwAtfoxond ‘оь-nai—
.ji’b/irrfyy ‘i:niii;-i:.i.(J)i;n пн и loij’oi ню i.’ooaiiodu лмэффе иоиои-иэ!—5ф
•.jobiimyy ‘oihoobo нои11|Л>Асоя-онн1п;1фг11 doidaanroi 11 ooiviioohh ‘mruai—
f:8P
»oiat,y?jd vidawnd[]
484
Примеры расчетов
новом ангидрида и нафтохнноиа, отнесенные к стандартной температуре 20°
(2934 л, равны*:
;,сг.
ккал/г-мел
Нафталин ...............1232,5
Фталевый ангидрид............ 783,4
Малеиновый ангидрид.......... 339,9
Нафтохиноп .............. 1100,8
Если уравнение (XII, 15), приведенное на стр. 439, проинтегрировать в пре-
делах от 203 (293СК) до температуры реакции 400° (673°К), получится следующее
уравнение ।
'.73
<7 ~ j" + Ь,Т + C]Tl + d,7'-’ . . .) dT + qltu
2 УЗ
гДе 7г,,3—теплота реакции при 20°.
Эю последнее уравнение может быть представлено в следующем виде'.
673
7 = <72ол 4- — dT
293
где -Л%ф—сумма молекулярных теплоемкостей исходных веществ',
—сумма молекулярных теплоемкостей полученных веществ',
::—число молей каждого вещества, участвующего в реакции.
Отсюда
673
<7ф с?293 + " dT кал/г-мол (9)
293
</293 = <7^ — (/фГ’ ~ 1 '’ОО — 783 400 = 449 100 кал/г-мол
: де фп' a l;^r'—соответственно теплоты сгорания п(фталина и фтчаеного ангид-
рида.
Из за отсутствия соответствующих экспериментальных данных принимаем
теплоемкость фталевого ангидрида равной теплоемкости нафталина. Теплоемкость
остальных веществ, участвующих в реакции (в кал/г-мол), определяем последую-
щим формулам (см. стр- 437)'-
теплоемкость нафталина
ср, = 5,7 -г 0,0787’
теп тоемкость кислорода и 'вот-т
с/)5 =0,76 4-0,0006067’ 4- 0,00000013т2
теплоемкость двуокиси углерод?.
С/,3 = 6,3694-0,01017’ — 0,00000347’2
Handbook of Chemistry and Physics, Clevelend, Ohio, USA , 1955—1976 .
Примеры расчетов
485
теплоемкость водяного пара
ср1 = 8,22 + О, ООО 157+ 0,0000013472
Sic}; = <?р1 + 4,5c/j2 = (5,7 + 0,0787’) + 4,5 (6,76 + 0,0006067 +
+ 0,0000001ЗТ'2) = 36,2 + 0,08077 + 0,000000585Т2
Snc" = с/Л + 2срЛ + 2cpi = (5,7 + 0,0787) + 2 (6,369 J-0,01017 -
— 0,000003472) + 2(8,22 + 0,000157+ 0.0000013472) =
= 34,88 + 0,09857 + 0.0000094872
Подставляя найденные данные в уравнение (9), получим:
7ф= 449 100 +
679
-У [(36,2 + 0,08077’ + 0,0е58572) — (34,88 + 0,09857 - - 0,0594872)] <77 =
газ
0,0178
= 449 100 + 1,32 (673 — 293) — — (6732 — 2932) —
0,00000889
—--------о-----(67о3 — 293») = 445 520 кал/г -мол
Теплота реакции окисления нафталина в малеиновый ангидрид:
= дсиг- — = 1 232 500 — 339 900 = 892 600 кал/г-мол
где д^'—теплота сгорания нафталина, кал/г-мол',
д’;//'—теплота сгорания малеинового ангидрида, кал/г-моя.
По условию в малеиновый ангидрид превращается только 2% нафталина и в
нафтохинон—3% нафталина, поэтому температурную поправку для теплового эф-
фекта этих побочных реакций в расчете не учитываем.
Теплота реакции окисления нафталина в нафтохинон
дт = д^- — д^- = 1 232 500 — 1 100 800 =131 700 кал/г-мол
где —теплота сгорания нафтохинона, кал/г-мол'.
Теплота сгорания нафталина при 400сС:
G73
7? = «Ун^з -т- j fac" — ilT кал/г-мол (10)
293
Определяем величину температурной поправки дщ реакции полного сгорания
нафталина:
= ср1 + 12<+, = (5,7 + 0,0787) + 12 (6,76 + 0,0006067 +
+ 0,0000001372) = 86,9 + 0,08537 + 0,00000156172
2/ic" = 10с;,3 - 4ср4 = 10 (6,369 + 0.01017 — 0,000003472) +
+ 4 (8,22 + 0,000157 4- 0,0000013472) =о 6,75 + 0,10167 — 0,000028672
-186 _ Иримеры расчетов
Подстапляя найденные значения в унавиение (10), получим:
</<-,- =.-= 1 232 300
673
С [(86,9 3- 0,08537’+ <>,0,15617'-) — (96,75 + 0,10107' — 0,042867’-)| dT =
2'.а
0,0163 0,0,302
= 1 232 500 — 9,85(673—293) — —(673- --293-) +-------------*•-- (673- — 293> ) =
1 227 600 кал/г-мол
1J одета вл ян пап денные, величины в у равнение (8), вычисляем Q.,'
509-1000
Q2 '= "128"‘Мбб(Г (44S 520'° 185 ~'Г 892 600 ° ’°2 + 131 700‘° ’03
+ 1 227 600 • 0,1) == 2 070 000 ккал/час
Тепло, расходуемое на нагревание исходной нафталино-воздушной смеси до
температуры реакции, определяем пак разность теплосодержаний нафталино-воз-
душной смеси при 400 и 1 '.0 .
Qa = L„ i 4)0-400 - 4Л. 1501 + /.„ ( ^.400-^.150)
где +, и соответственно веса воздуха и нафталина в исходной ii;n|)T;i.riиио-
воздушной смеси (по данным мате риального расчета), кг/час:
с40С> 11 теплоемкость воздуха при 400 п 150'-, ккал/кг-град;
с400 11 С1И—теплоемкость нафталина при 400 н 150°, ккал/кг-град',
с“00 = 0,255 ккал/кг град', с\У1 = 0,243 ккал/иг град*
Теплоемкость нафталина вычисляем по формуле'
5,7 + 0,078'Г
<'---------l2v;, -юо.)
Отсюда
5,7 + 0,078 <27.3 + 400)
с4<ю =-----------9--------------Ю00 ,453 ккал/кг-град
5,7 л- 0,078 (27.3 + 150)
c’jrjj =--------р~2-------------Ю00 ' ° 297 ккМкг.граО
Следовательно:
Q, = 7630 (0,255- 400 — 0,2 13 -150) + 509,0 (0,453 • 400 —
— 0,297• 150) = 587 800 ккал/час
Тепло, уносимое из конвертора продуктами реакции, определяем по формуле:
Ci (/-„с” + + L&c"p + Т.кСр + TaCpj
где L,-,, l-i, L„, LK, —соответственно веса органических продуктов реакции, дву-
окиси углерода, водяных паров, кислорода, азота н инерт-
ных газов (по данным материального расчета), кг/час',
* С. С. Кутателадзе, В. ;Ч. Г> о р и ш а и с.к и й, Справочник по тепло-
передаче, Гоеэнергонздат, 1959, стр. 339.
/7римеры расчетов
487
I ',;, Ср, < —соответственно теплоемкости двуокиси угле|юда, водяных
парой, кислорода, азота при 400", ккал,кг-град',
-температура реакции (400").
Геи. лоемкосги ис|icn.ic.ieiнiwx газов и нароз (в ккал :'цг-град) при 400" состав-
.жиот"'.'
<•' . . .0,265 е" . . . 0,245
<" . . . 0,495 <" . . . 0,258
в и
1з-за отсутствия ,к:т1ерил1е11т;1.'п,иы\ данных теплоемкость органических пе-
ни, гв присутствующих в контактных i азах при 400", принимаем равной
, еп. ioe икостн на фта;п и la в этих условиях, и определяем по уравнению:
5.07 + 0.078Т
Г.2Х.
-1000 =
", ,07 щ 0,078 (273 к 400)
.1000 =0 ,451 ккал ',тм. • ip ад
Подставляя найденные, значения в уравнение для Q,., получим:
Г)Л = (526,6 0,451 -I- 191 -О ,265 157 ,5-0 ,495 - Г- 1094-0 ,Ш +
5870-0,258)-400 = 898 000 юим/час
Количество тепла, теряемого аппаратом и окружающую среду,, р’1гсчптыв')ем
ко уравнению:
/ .4 7.-.) (11)
и де /•'"Наружная поьерхнисп. аппарата, охлаждаемая окружающим воздухом, м-'.
j..коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата окружающему воздуху,
(12 ккил.'м--час- град)'. '
5,—температура наружного слоя изоляции (50", принимается с. учетом требо-
ваний техники безопасности);
-температура атмос.ферпого воздуха (30 , принимается по наихудшим успе-
ниям летнего периода).
I h 'Верююеть аппарата, охлаждаемая воздухом, равна’.
/ ,= -1)11 = 3,1 1.3,05-1 ,51 =.-. 11 ,8 п-
де //—диаметр аппарата с учетом теплоизоляции (."1,05 .и);
(/ — высота кипящего слоя катализатора. (I ,54 я).
1[одета ваяя найденные не,aiihiiпы и уравнение (I 1) .получим.’
ф- =. I I ,8.12 (50 — 30) --=-'1560 екал/час
Исходя из уравнения теплового багишеа. можно найти количсеттю тсл.га
-югорое должно быть отведено в теплообменнике конвертора'.
Q„ =" Qi + <7. - Q,,. - Qt Q-, = 300 000 + 2 070 000 —
- o87 800 -- 898 000 — 3560 -= 880 610 ккал/час
Кутателадзе, В. M. 15 о р н ш а и с к н ii, Справочник по тепло-
1 сред inc, Госэнергошдат , 1959, стр. 333,338,346.
4<S8
Примеры расчетов
Необходимая поверхность теплообмена (в м'г) составит:
где К—коэффициент теплопередачи, ккал/м'1-час-г рад',
<сл.—температура в зоне кипящего слоя катализатора (400°);
te—температура кипящей воды (при 3 ати tu 142,9°).
Коэффициент теплопередачи К для рассматриваемого случая теплообмена
определяется по уравнению:
1 1
К = 'д-------1----— = —j--------j-----б~005 = 251 ккал/м2-час• г рад
^7 ~ + V 2000 + 300 + 16“
где 3—толщина стенки трубы теплообменника (0,005 л);
1—коэффициент теплопроводности стали (40 ккал/м-час-град)',
—коэффициент теплоотдачи от кипящей воды стенке теплообменника
(2000 ккал/м2-час-граду,
а4—коэффициент теплоотдачи от кипящего слоя катализатора стейке тепло-
обменника (300 ккал/м"2-час-град).
Подставляя найденные значения в уравнение (12), вычисляем поверхность
теплообмена:
880 640
F = 254 (400 — 142,0) .= 13 -5 -»2
Округляем эту величину до 15 лЛ
ЛИТЕРАТУРА
Н. II. Ворожцов, Основы синтеза промежуточных продуктов и красите-
лей, Госхимиздат, 1955.
A. 11. П л а н о в с к и й, П. И. Николаев, Процессы и аппараты хими-
ческой и нефтехимической промышленности, Гостоптехиздат. 1960.
А. Г. К а с а т к и н, A. II. П л а и о в с к и й, Процессы и аппараты про-
мышленности органического синтеза, ГОНТИ, 1939.
П. Г. Удым а, Реакционные аппараты анилипокрасочной промышленности,
Машгиз, 1959.
И. И. Воронцов, Полупродукты анилинокрасочной промышленности,
Госхимиздат, 1955.
Б. Е. Б е р к м а п, IO. Н. Г е р у л а й т п с, Автоматизация аннлинокрасоч-
ной промышленности, сб. «Автоматизация химических и коксохими-
ческого производств», Металлургиздат, 1958, стр. 203.
Р. ll.Grogi ns, United Processes in Organic Synthesis, N. Y., 1958.
G. [[.Frank, P. V о g e 1, Die llerstellung von Zwischenprodukiten und
Farbstoffen, Halle, 1955.
А. Д. Домашнее, Конструирование и расчет химических аппаратов, Машгиз,
1961.
Оборудование заводов химической промышленности. Каталог-справочник,
Госхимиздат. 1958.
Емкостная сварная аппаратура, Каталог, НИИХИММАШ, 1958.
Эмалированная аппаратура, Каталог, НИИХИММЛШ, 1958.
И В. Соловьев, П. И. Ермилов, И. А. С т р е л ь ч у к, (Реновы
техники безопасности и противопожарной техники в химической про -
мышленностп, Госхимиздат, 1960.
М. X. К а р а п ет я и ц, Химическая термодинамика, Госхимиздат, 1953.
Краткий справочник физико-химических величин, Госхимиздат, 1959.
С. Д. Веско в. Техно-химические расчеты, Госхимиздат, 1953.
М. S. К h а г a s с h, J. Res. Nat. Bur. Stand., 2, 359 (1929); А. Г. К a с a t-
к и и, A II. П л ановский, Вычисление теплот химических реак -
ций как основной расчет для проектирования химических аппаратов,
ПОХ, № 5, 346 (1938).
Handbook of Chemistry and Physics, Clevelend, Ohio, USA, 1955—1956
Техническая энциклопедия, Справочник физических, химических и техноаоги-
ческих величин, т. VII, 1931.
Справочник по машиностроительным материалам: т. I, Сталь, т. 11., Цветные
металлы и их сплавы, т. Ill, Чугун, Машгиз, 1959; т. IV, Неметалличе-
ские материалы, Машгиз, 1960.
П. Г. У д ы м а, Борьба с коррозией оборудования в производстве полупродук-
тов и красителей, Госхимиздат, 1957.
В. П, Баранин к, Краткий справочник по коррозии, Госхимиздат, 1953.
Коррозионная и химическая стойкость материалов, Справочник под ред.
И. А. Долежала, Магпгпз. 1954.
39—2277
490
Литература
И. Я К л и II о и, Коррозия химической аппаратуры и коррозиснностойкие
матепиалы, Машгиз, 1960.
II. А. Баклан о в, Г. 3. Ваши и, Химическое оборудование из вини-
пласта, Гослитиздат, 1956.
И. И К о р н и лов, Коррозионностойкие титан и его сплавы, Хим. наука
и пром., № 6, 803 (1958).
А. В. II о с о и, Об изготовлении химической аппаратуры из титана, Химиче-
ское машиностроение. № 5. 35 (1959).
С. Я- К а г а и о в и ч, Внедрение циркония в химическое машиностроение
США, Хим. пром.. № 3, 275 (1959).
Л. И. Г е р ч а н о в с к и й. Зашита оборудования от коррозии в производстве
фенола методом сульфирования бензола, Хим. пром., W 6 429 (1961)
В. К. С м и р н о в, Е. С. В о в in и и, Пропитанный графит и его применение
в промышленности, Гослитиздат, 1959.
Г. В. С а г а л а е в, Антегмит и его применение, Гослитиздат, 1959.
А. Л. Л а б у т и н, Применение синтетпicvkhx кау-туков в антикоррозионной
технике, Хим. наука и пром., №3, 359 (1957).
М. И Ворохов, А С Ганшин, Волокнистые и комбинированные саль-
никовые набивки, Машгиз, 1959.
И. В. С и г о в, Редукторы для вертикальных перемешивающих устройств,
Химическое машиностроение, № 1, 15 (197.9).
Редукторы цилиндрические, i II1I1ХИММА1П, 1959.
А. И. Бом штейн, Механизация и аиилипокрасочной промышленности,
Механизация и автоматизация, № 8, 19 (1959).
М. А. Гур ф и н к е л ь, Механизация погрузочно-разгрузочных работ,
Гослитиздат, 1951.
Тара для химических продуктов, 11ИИТЭХИМ, 1960.
Вагоны широкой колен железных дорог СССР, Трансжелдориздат, 1955,
Б. Е. Б е р к м а п, Сульфирование и щелочное плавление в промышленности
органического синтеза, Гослитиздат, 1960.
II. ,1. К. 1 a s s е и, J. М. II и m р h г у s, Производство нитроглицерина по
непрерывному методу Биаццц, Chem. Eng. Progr., № 12, 641 (1953).
Е. Ю. Орлова, Химия и технология бризантных взрывчатых веществ, Оборон-
гиз, 1960.
Б. Е. Б е р к м и и, Промышленный синтез хлорбензола, Гослитиздат, 19(57.
В. В. С в е н т о с л а в с к u ii, Диазосоединения. Термохимические исследо-
вания, 1917.
А. Ф. С о р о ч е и ко, М.Я.Мешенгиссер, Автоматический фильтр-
пресс с оптимальными параметрами фильтрации, Химическое машино-
строение, А» I, 7 (1959).
В. А. Ж ужиков, Фильтрование., Гослитиздат, 1961.
Г. А. Г и м о х и и, Б. И. Кисс п н, Непрерывный способ получения альфа-
нафтпламипа восстановлением ннтронафталина дисульфидом натрия.
Хим. пром., № ,3, 79 (1960).
Б. А. К о р н д о р ф, Техника высоких давлений в химии, Госхимиздат, 1952.
В. В. Ж о гол е в, Эмалированная аппаратура, Вестник технической и эко-
номической информации III 4ИТЭХИМ, № 3, 69 (1959).
Правила устройства и б е;о lacnoi” i эксплуатации сосудов, работающих под
давлением, Углетехиздат, 1957.
Технические инструкции по ремонту основного оборудования химической
промышленности, Вин. 8, Автоклавы, Гослитиздат, 1.954
Н. И. С ы р о м я т и и к о в, В. Ф. В о л к о в , Процессы в кипящем слое.
Метал л у р гиздат, 1959.
П. Р <: б у, Кипящий слой (перев. с франц.), Циинцветмет, 1959.
Б. И. Б о н д арен к о , Установки каталитического крекинга, Госгоптехиз-
дат, 1958.
Литература 491
Г. К. Б о р е с к о и. Катализ в производстве серной кислоты, Госхимиздат,
19,54.
II. Обряди и к о и, Б. К. Марушк а н, Исследование процесса с
подвижным катализатором, Иефииое хозяйство, А» 11, 36 (1946).
Л. 11. П л а п о в с к н ч , ’J „И .О р о ч к о , И .14 .Л у к к. я и о в, Процессы
в кипящем слое, ВИНИТИ, 1959, стр. 29 (о получении фталевого ангид-
рида).
II. М. Б о г у с л а и с к и й, I. X. Мел и к-Л х н а з а р о в, Псевдоожиже-
ние в химической технологии, ГОСИНТИ, 196(1, стр. 42 (о получении фта-
левого ангидрида).
7. R о ко ssi) w s k 1, Впечатления о практике па советских заводах фтале-
вого ангидрида, Cheinil:. 9, .№ 7-8, 199 (1936).
А. П. Ш с с т о в, Д. Л. Г у рев и ч, И. (1. В л а д и м и р о в, Л. С, Сел 1-
ц е, Г. А. М о с. к а л е в а, Авт. спид. СССР (об аппаратуре для произ-
водства фталевого ангидрида), 106221, 106578 (1957).
Bril. ChciTi. Ling., Производство фталевого .ангидрида но методу кипящего слоя,
2, 8 (1957).
М. И. Литвиненко, Модернизация аппаратуры и интенсификация технологи-
ческих процессов производства фталевого ангидрида, Жури. ВХО им.
Д. И. Менделеева, 6, № 1, 81 (1961).
Д. И. Оро ч к о, Т. X. М ели к-Л х и а з а ров, А. II. 3 и и о в ь е в а.
Реакторные устройства для химических процессов в кипящем слое, Хим. наука
и пром., № 6, 694 (1958).
II. Л. К о л о с о в с к и й, Химическая термодинамика, Госхимиздат, 1932.
К. W. 1- и g I е г, Очистка хвостовых газов в производстве фталевого ангид-
рида, Clienii'lry in Canada, №‘2,28 (I960).
32*
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсорберы 15. 16. 211, 242, 268, 271,
338, 339, 441
г. аммиачные 387, 389, 391, 392
Абсорбция
аммиака 387 и сл.
бензола 267
влаги из хлора 252
окислов азота 240 и сл.
серного ангидрида 196, 197
,J сероводорода 337 и сл.
хлористого водорода 265 и сл.
.Автоклавы 359 и сл.
арматура .370, 371
без мешалок 361, .372
бессальниковые .371, 375
вкладыши, см. Вкладыши авто-
клавов
гарнитура .370, 371
испытания 371
конструкции 372 и сл.
крепление крышек 367 и сл.
расчет размеров 359, 360, 476
сальниковые уплотнения 363 и сл .,
374
с мешалками 363, 372, 37.3, 371
электроприводы 375
эмалированные .373, 374
Автоматизация
в производстве анилина 282
выделения фталевого ангидрида из
газов 417
испарителей нафталина 407
конверторов 429, 430, 434 и сл.
очистки газов 451
процесса восстановления 283
— нитрования 226
— фильтрования 304 и сл.
.Адсорбция влаги из углеводородов
254 и сл.
Азокрасители, получение 299
Азосоставляющие 314, 315, 316
Азосочетапие 299
тепловой баланс 310 и сл.
тепловой эффект ,313, 475
Азота окисли, абсорбция 240 и са.
Азотная кислота
расход при нитровании 199, 2(Ю
теплота выделения из нитросмеси
227
Алкилирование
аминов 355, 382, 383, 423
аппаратура 373
тепловой эффект .381 и сл., 476
фенолов 38.3
Алкилирующие агенты 355
Альдегиды, тепловая поправка 68
Алюминии 86
применение 99, 100
хлористый при конденсации 341
II сл.
.Амиды, тепловая поправка 70
Аминирование 355
аппаратура 372
тепловой эффект 379 и сл., 176
Аминирующие агенты 355
Амины
алкилирование 355, 382, '383, -123
выделение из растворов 296
гидролиз 354
диазотирование 298
диазотированные, теплоты азосо-
четания 315, 316
нейтрализация 312
нитрозирование 298
перегруппировка солен 183, 184
получение 355
сульфидирование 319 и сл.
сульфирование запеканием 187
тепловые поправки 70
теплота диазотирования ,311 наг
— образования 291, 293
Аммиак
абсорбция .387 и сл.
давление паров 358
равновесная концентрация 387
растворимость 390, .391
регенерация 393
теплота растворения 382
Предметный указатель
493
Ангидриды карбоновых кислот, теп-
ловая поправка 69
Анилин
автоматизация производства 282
алкилирование 423
— тепловой эффект 476
давление паров 295, 296
получение 282 и ел., 431
растворимость 295
геплота диазотирования -1717
— сгорания 460
Антегмит 89
Антихлор 85
Антрахин он
получение 424, 423
теплота сгорания 461
Антрацен
окисление 1'24 4'2'3
теплота сгорчния 161
Арзамит 94
Арматура автоклавов 370. >7!
Асбовинпл .97
Бакелитов иг лаки 98.
баланс
материальный 25, 59 и ел.
идеального смешения 32
нитрования бензола 60 и сл.
смешения кислот 133 и сл.,
206 и сл.
— серной кислоты при нитро-
вании 201
тепловой 26 , 63 и ел .
азосочетапия 313 и сл.
восстановленпя 29; в сл.
диазотирования ,3'10 п сл.
дистилляции 781. и сп. .
концерте,рев 436 и сл., 482
и сл.
нейтрализации 194 и сл.
нитраторов 226 и сл.
нитрозировития .3’10 н сл.
процессор., провсримых под дав-
лением 378
емешения кислот 166 и сл.,
209 и сл .
еульфураторов 183 и сл.
хлораторов 263 и сл.
щелочного плавления 33(1 и сл.
Ьел.т ОНЫ
газовые 154 и сл.
для испарения хлора ‘4.-), 250
барабаны
для запекания '.83
для перевозок 147
барботажные аппараты 15, 16, 17, 19
Бензойная кислота, конденсация па-
ров 447, 448
Бензол
абсорбция из газов 267
материальный баланс нитрования
60 и сл.
осушка 256, 257
сульфирование 176 и сл.
теплоемкость 459
теплота нитровали,я 3,1
— образования 439. 160
— хлорирования 473
хлорирование 247, 258 и сл., 455,
472
Бен зол сул ьфо к 11 сл от а
теплота нейтрализации 469
— сгорания 4И;
Бессемеровская сталь 8(1
Бетон ктсл.''Toyпор’ нип 89
Биметаллы 85’
Бочки сталинце 127
Бункер приемный для паст 307, 308
Бункерные склады 148
Бцреона уравнение и гишетанта 217
Варочные котлы 324, 328
Вертикальные котлы 11)1 и сл.
Весы дозировочные 653
Винипласт 90, 96
Висциновый фильтр 3,98
Вкладыши автоклавов 36(1
выплавка 362
залпг.ка 362, 363
испытания 361
эмалированные 361
Внутризаводский транспорт 149 и сл.
Вада перегретая 108
Водоотнятпя число 200
Водород хлористый, абсорбция 265
и сл.
Воздух, очистка 398
Ворожцова метод хлорирования бен-
зола 247'
Восстановительные агенты 273, 2 7.1,
285 . 289 , 29(1
Восстановление нитросоеди нений
273 и сл.. 29|>. 425, 431
аппаратура 279 п сл.
тепловой баланс 291 в сл.
— эффект 291, 47-1
Время пребывания реагентов в аппа-
рате 33 и сл.
Вулканизация 95, 96
Вымывания эффект 32. 36, 38, 39,
42, 15.
494
Предметный указатель
высаливание сульфокислот 189, 192
Высоколегированные стали и сплавы
применение 99, 100
сорта и марки 84
Высокопрочный чугун 83
Вытеснение идеальное 30, 35, 48. 55,
454, 455
Газгольдеры 156, 157
Газоочистка, см. Очистка газов
. Газы
Д измерение расхода 157, 158
транспортировка и хранение 153
и с л., 157
Галоиды, тепловые поправки 71
Гарнитура
автоклавов 370. 371
котлов 24, 109 и сл.
Гаситель щелочного плава 336
Гаспаряна метод абсорбции НО
269 и сл.
Генри закон 295, 296
Гесса закон 186, 191, 196, 214, 263,
291 н ел., 332, 331. 379,
381, 382, 437
Гетерогенный катализ 39,5
Гидразосоединення 273
Гидролиз 354
тепловой эффект 379
Гидролизующие агенты 355
t Гидромеханические процессы 11
• Гидроциклоны 230
Гильзы
для термометров (17, 118
охлаждающие ‘221 . 245
Глицерин в пиоцессах конденсации
351
I * Гомогенный катализ 395
'••‘Гранулирование нитропродуктов 239
Графики состава нитрующих смесей
209 ч сл.
Графитовые материалы 89
Графитовые холодильники 266. 267,
337
Гуммирование 95
Давление
в химических процессах 21. 172,
321, 322, 317, 354, 357, 408
паров летучих веществ 358
Дальтона закон 296, 101
Движущая сила процессов 26, 36 и сл.,
55
Дегидратирующие агенты 341, 346,
351
Декарбоксилирование 118, 419
Деннтраторы 231 и сл.
Денитрация
иитромассы 231
отработанных кислот 242 и сл.
Десуйпимлция 440
,г1жиг>:'>га треугольник 209
.Диабаз 94
применение 99, 100
Диазогпдраты, нейтрализация 312
Дназосоедпнепия, сочетание с ами-
нами 299
Диазотирование 298
аппаратура 301 и сл., 309
непрерывное 309
тепловой баланс 310 и сл.
эффект тепловой 31 1, 315, 4 7.5
Диамины 273
Диафрагмы
газгольдеров 157
измернтепей расхода 146, 117
расчет 465
Диметпланнлин
нитрозирова ни е 317
получение 423
Дистилляция
тепловой баланс 384 и сл.
уравнение 385
Дисульфид натрия, приготовление
278, 279
Дифениламин, нитрозирование 318
Дифенильная смесь 108
Диффузия паров, уравнение 31 I
Диффузоры 220, 224
Дп хлорбензолы 247
Дозаторы 153, 286 и сл.
Дозирование
газов 157, 158
жидкостей 138 и сл.
твердых материалов 153, 286 и сл.
Дробилка льда 305
Едкий натр .
абсорбция сероводорода 338 "Ч
в процессах алкилирования 355
- — конденсации 341, 348
- -- щелочного плавления 32Ь',
319
давление паров над растворами
358
нейтрализация (фенолов и нафтолов
333
плавление 276, 324 и сл.
теплота растворения 331
- - упаривания 331
Гадкое кали, теплота растворения 334
Емкостные аппараты 29
Предметный указатель
495
Жаропрочная сталь 84
Железные катализаторы 258, 259
Жидкости
дозирование 138 и сл.
транспортировка 126 и сл., 131
и сл.
хранение 128 и сл., 136
Закон
Генри 295, 296
Гесса 186, 194, 196, 214, 263 291
и сл., 3.32, 334, 379, 381,
382, 437
Дальтона 296, 401
Кирхгофа 437, 438
Рауля 295, 296
«Закрепление^ катализаторов в труб-
ках 433, 434
Замазка кислотостойкая 94
Запас производительности 58
Запекание 319, 320
аппаратура 17, 184, 321 и сл., 328
при сульфировании амнион 183
Затвор бункера 308
Защитные покрытия 91 и сл.
Змеевики 105
Змеевиковые реакторы 14, (6, 376,
377
Идеального вытеснения аппараты 30,
35, 48, 55. 454, 455
Идеального смешения аппараты
30 и сл., 36, 37, 49 и сл.,
454, 455
Идеальное смешение, схема 41 и сл.
Измерители
расхода газон 157, 158
— жидкостей 146, 147
уровня 140 и сл.
Изонитрилы, тепловая поправка 71
Интенсивность
перемешивания 20
теплообмена 23
Интенсификация химических процес-
сов 39 219, 412, 415
Испарение
жидкостей 399 и сл.
исчерпывающее 405
нафталина 405, 406, 407, 477
Испарения теплота 73
Испарители 219 и сл., 400 и сл.
Испытания
автоклавов 371
вкладышей автоклавов 361
1 Исчерпывающее испарение 405
( Исчерпывающее разбавление 213 и сл .
Кальций хлористый 254
Камеры реакционные 14. 16
Караша формула 66, 460
Карбазол, теплота сгорания 461
Карбоксилирование 351, 352
Катализаторы
железные 258, 259
«закрепление.) в трубках 433, 434
кипящий слой 412 и сл.
окисления нафталина 432
отделение от контактных ['азов
427 и сл.
приготовление 432, -133
размещение в конверторах '132
регенерация 423, 426, 427
стационарный слон 409 и сл., 417
и сл., 433
хлорирования 258, 259, 260
Каталитические процессы 397 и сл.
Качественная углеродистая сталь 81
Керамические материалы 88
применение 99, 100
Кето-группы, тепловые поправки 68
Кетокпслоты, получение 342
Кинетические уравнения реакций 41,
44 и сл., 76
Кипящая сталь 80
Кипящий слой 16, 18, 412 и сл.
Кирхгофа закон 437, 438
Кислотостойкие материалы 83 и сл.,
91 и сл., 99, 100
Классификация процессов 11, 12
конденсации 341
контактных 416
смешения кислот 1G9
сульфирования 170
хлорирования 258
щелочного плавления 320
Ковкий чугун 83
Колонны
абсорбционные см. Абсорберы
для нагревания кислоты 245
для хлорирования 259, 260, 261
для обезвоживания 255, 256 -д
промывные 237 •»
Конверторы
автоматизация 429, 430, 434
горизонтальные 417
двухаппаратные 425, 426
для алкилирования -W
для восстановления 425, 431
для декарбоксилирования 418, 419
для окисления 424, 425, 429, 430
интенсификация 412, 4(5
одноаппаратные 427, 429, 430
размещение катализатора 432
496
Предметный указатель
Конверторы
расчет 478 и сл.
секционные 425, 432
с кипящим слоем катализатора 408
и сл., 425 и сл.
— — хладоагентом 423
с неподвижным слоем катализато-
ра 417 и сл.
с поперечным током газа 422
с циркуляцией расплава солей
419, 420
с U образным теплообменником 431
температурный режим 410 и сл.
тепловой баланс 436 н сл., 482
и сл.
Конденсаторы
механизированные 447
поверхностные 440
с мешалкой 448
трубчатые 266, 440, 441
— ребристые 445, 446
ящичные 442 и сл.
Конденсация 340 и сл.
в присутствии серной кислоты 341,
346 и сл.
— — хлористого алюминия 341,
342 и сл.
— - — цинка 341, 345
— •- щелочей 341, 348 и сл.
паров 265 и сл., 440 и сл.
с глицерином 341, 351
фталевого ангидрида 442 и сл.
Конденсирующие агенты 340, .341, 342,
345, 346, 348
Коновалова формула 66
Константа Буреона 247
Конта к тио-ката литические (контакт-
ные) процессы 12, 395 и сл.,
408 и сл.
аппаратура 416 и сл.
тепловой эффект 411, 437, 439, 483
и сл.
Контактные аппараты см. Конвер-
торы
Контейнеры 127, 133 и сл., 148 и сл.
Контроль автоматический
выделения фталевого ангидрида
из газов 447
конверторов 429, 430, 434
очис 'ки газов 451
процесса восстановления 283
-- испарения 407
работы мешалок 225
Концентрирование отработанных кис-
лот 242 и сл.
Коппа правило 402
Коррозия 1/
при конденсации 345, 347 v
при нитровании 219
при нитрозировании, диазотиро-
вании и азосочетании 301
при смешении кислот 205
при сульфировании 173, 176
при щелочном плавлении 323
Котлы реакционные 24
варочные 324, 328
вертикальные 101 и сл.
гарнитура 24, 109 и сл.
для запекания 184. 328
плавильные 324 и сл/, 348, 319,
372
полисульфидные 278
стальные 101, 328
типы 16 и сл.
чугунные 102, 324
эмалированные 304
Коэффициент
запаса производительности 58
заполнения 59
полезного действия аппаратов 38,
43, 44, 48 и сл., 454
скорости процесса 26
теплопередачи в кипящем слое 416
Краски масляные 98
Кристаллизация \ / \ /
аминов 297 \| V
питропродуктов 240
Критерий Рейнольдса 456, 457
Критическая концентрация серной
кислоты (г. сульфирования)
160
Ксилидин, получение 425
Лазы 112, 114, 370
Лакокрасочные покрытия 98
Лактоны, тепловая поправка 69
Легированная сталь 83
Лед
дробление 304, 305 ]
хладоагёнт 301 I .
Линзовое уплотнение 377, 378 U
Литье стальное 82
Ловушки серного ангидрида 198
Люки 112, 370
с паровой форсункой 277
Мартеновская сталь 80, 81
Маслоотделитель 399
Массообменные процессы 11 ]
Массообменные аппараты 29 J
.Материальный баланс процессов, см.
Баланс материальный
Предметный указатель
497
Материальный расчет 59 и сл.
конвертора с кипящим слоем
478 и сл.
Мельница шаровая 16, 18
Мерники 138 и сл.
расчет 465
Мерные стекла 140, 141
Металлы
редкие 87
цветные 86
черные 80 и сл.
Метил хлористый, давление паров 358
j Метиловый спирт, давление паров 358
Механизация
внутризаводского транспорта
133 и сл., 149 и сл., 157
конденсации фталевого ангидрида
447
Механические абсорберы 338, 339
Механические процессы 11
Мешалки 18 и сл., 21, 117
аппаратов для конденсации 346,
347, 348, 448
контроль работы 225
нитраторов 2 I 8
плавильных котлов 521
растворителей щелочи 275
реакторов для питрозирования,
диазотирования, азосочета-
ния 30.1
редукторов 280, 281, 285, 290
смесителей кислот 170, 265
сульфураторов 171, 172, 173, 183,
184
Монтежю 133. 137
Набивка сальников 109, 365 и сл.
Нагревание, способы 107 и сл.
Насосы 132
Нафталин
испарение 405, 406, 407, 477
окисление 417, 423 и сл., 429
плавление 397
теплота сгорания 460
— сульфирования 468
а-Нафтиламин 290
теплота азосочетания 4 75
Нафтолы
нейтрализация щелочью 333
нитрозирование 317
теплота азосочетания 315
Нафтоляты, карбоксилирование 352
Нейтрализаторы
непрерывного действия 190
периодического действия 189
Нейтрализация
аминов 312
диазогидратов 312
нитропродуктов 235 и сл.
сульфомассы 189 и сл.
тепловой эффект 194, 195, 333,
469
Непрерывного действия аппараты
29 и ел., 55 и сл., 78
для восстановления 282, 286, 290
для нитрозирования и диазотиро-
вания 309
для хлорирования 259 и сл.
змеевиковые 376 н сл.
испарительные 405, 406
контактные 417 и сл., 425 и сл.
нейтрализационные 190
нитрационные 221 и сл.
плавильные 327, 328
промывные 2.37 и сл.
сепарационные 229 и сл.
смесительные 206
сульфурационные 177, 178. 180
и сл.
экстракционные 234
Непрерывные процессы
побочные реакции 44 и сл.
характеристика 26 и сл.
Никель 86
Нитраторы 218 и сл.
Биацци 222
интенсификация 219
непрерывного действия 221 и сл.
периодического действия 220
расчет 456
со снимающимся корпусом 223
тепловой баланс 226 и сл.
Нитрилы, тепловые поправки 70, 71
Нитрит натрия 298, 312
Нитрит-нитратная смесь 109, 328, 420
Нитроонизол, теплота восстановле-
ния 474
Нитробензол
восстановление 282 н сл., 4,31
материальный баланс получения
60 и сл.
теплота восстановления 474
— сгорания 460
Нитрование 12, 199 и сл.
автоматизация процесса 226
аппаратура см. Нитраторы
материальный бтлонс 60 р. со .
непрерывное 221 и сл.
периодическое 220
тепловой эффект 227. 471 н сл.
498
Предметный указатель
Нитрогруппа, тепловая поправка 71
Патронирование 298
аппаратура 301 и сл.
диметиланилина 317
дифениламина 318
3-нафтола 317
непрерывное 309
тепловой баланс 310 и сл.
Ннтрозосоединения, теплота сгорания
317
Нитроксилол, восстановление 425
х-Ннтронафталии, восстановление 290
Нитропродукты
—' гранулирование
J кристаллизация 210
отстаивание 229 и сл., 232 и сл.
промывка и нейтрализация 235
и сл.
сепарация 229
экстрагирование 234
Ни тросоединения
аминирование 476
восстановление 273 и сл., 290,
425, 431
получение 199. 218 и сл.
Нитрующие смеси 199
баланс материальный смешения
206 и сл.
приготовление 203 и сл.
расчет состава 209 и сл., 469 и сл.
I [омограмма
теплот исчерпывающего разбав-
ления кислот 217
— разбавления серного ангид-
рида 168
Обечайка 101
(Облицовочные материалы 94
Окалин (стойкая сталь 84
Окисление
антрацена 424, 425
нафталина 117, 423 и сл., 429
Окислы азота, абсорбция 240 и сл.
Окна смотровые 141, 142
Окраска аппаратов 98, 99
Оксикиелоты, тепловая поправка 69
Окспсоединення
азосочетание 299
аминирование 380
карбоксилирование 351
нитрозирование 298
Олеум, разбавление серной кислотой
164, 165
Освинцовывание 91
Осернение см. Запекание
Осушка
углеводородов 254 и сл.
хлора 252 .
Отстаивание нитропродуктов 229 и сл., J
232 и сл. .
Отстойники 229 и сл. "*
Охлаждение аппаратов 107, 109
при восстановлении 285
при конденсации 265, 266, 347
при контактировании 410, 411, 420,
, 421, 423, 425, 431, 434, 435
при нитровании 218 и сл., 224
при нитро.чировании, диазотиро-
вании и азисочетании 391
при смешении кислот 163, 204, 205
при сульфировании 172
при хлорировании 259
Очистка газов
автоматизация 451
от аммиака 388 и сл.
от влаги 252
от масла 399
от окислов азота 240 и сл.
от органических примесей 448 и сл.
от пыли 398 j
от серного ангидрида 196 и сл.
от сероводорода 337 и сл.
от хлористого водорода 265 и сл.
Парциальная конденсация 441
Пенный абсорбер J6
Пенный скруббер 450, 451
Перегруппировка солей аминов 18'3>,
1,84
Перемешивание 14, 15, 18, 19, см.
также Мешалки
в кипящем слое 414 и сл. -J
интенсивность 20
Перепад давления в кипящем слое ,,/
412, 413
Период процесса 28
Периодические процессы, характери-
стика 26
Периодического действия аппараты
расчет размеров 57 и сл., 457, 458
тепловой расчет 74 и сл., 462
Перхлорвипиловые лаки и эмали 98
Печь для сжигания органических при-
месей 452
Питатели дозирующие 153, 286 и сл.
Плавильные котлы 324 и сл., 348,
349, 372
Плавление
едкого натра 276, 324 и сл.
нафталина 397
щелочное см. Щелочное плавление
Предметный указатель
449
Плакирование 85
Планонского формула 216
Планонского и Хайлсна уравнение 248
Пластические массы
применение 99, 100
свойства 88
-^•Пленочные аппараты 15, 1b, 406
j Пневмотранспорт 152
Побочные реакции в непрерывных
процессах 44 и сл.
t Поверхность теплообмена
определение. 74 и сл.
оформление 103 и сл.
4 Погружные насосы 132
Подкислители плава 336
Покрытия защитные 91 и сл.
Полиизобутилен 96
Полисульфнд натрия, приготовление
278
Полисульфпдиый котел 278
Политетрафторэтилен (Тефлон) 90
Полиэтилен 97
Поплавковые измерители уровня 142
Портера уравнение 166
Правило
Караша 314
Коппа 102
Трутона 73
Приводы
автоклавов 375
гидравлические 220
электрические 120 и сл.
Продолжительность процесса 28
Производительность аппаратов 10, 56
коэффициент запаса 58
Прокладочные материалы 109, .365,
366 и сл.
Промывка пи гропродук го в 235 и сл.
Процессы
контактно-каталитические см. Кон-
тактно-каталитические процес-
сы
непрерывные 26 и сл., 44 и сл.
периодические 26 и сл.
под давлением 12, 322, 354 и сл.
к сульфирования (критическая концен-
трация) 16!>
Разбавление
исчерпывающее 213 и сл.
катализатора ПО
нптромассы 223
серной кислоты 162, 164
сульфэмассы 193
Расплавители 324, .397
Расслаивание нитромассы 229
Растворение
едкого натра 274 и сл.
сернистого натрия 278
тепловой эффект 264, 334
Растворимость
аммиака .390, 391
анилина 295
хлористого водорода 264
Растворители
с мешалкой 275, 337
с насосом 275, 276
с паровым элеватором 277
с форсункой 276
Растворители 1н разбавители) при кон-
денсации 344
Расход теплоносителей 76, 77
Расчет
автоклава 359, 360, 476
времени пребывания реагентов в
аппарате 454, 455
диафрагмы расходомера 465
конвертора 478 и сл
концентрации хлоридов 248
материальный 59 и сл., 478 и сл.
мерников 465
поверхности теплообмена 74, 482
расхода кислот 465 и сл., 470
— теплоносителей 76, 77
— хладоагентов 462, 463
— хлора 472
реакторов 25 и сл., 55 и сл.,
4.56 и сл , 478 и сл.
скорости испарения нафталина 477
состава хлорированной жидкости
4 55
тепловой 62 п сл., '182 и сл.
теплоемкости 6'3, 64, 437, 138,
459, 484 и сл.
хранилищ 463 и сл.
Расчеты теплового эффекта
азосочетанля 475
ал к 11 л и ров а ни я 4 7f
аминирования 476
восстановления 474
диазотирования 475
нитрования 471
образования бензола 459, 460
окисления нафталина 483 и сл.
разбавления нитросмеси 216
— серного ангидрида 169
сгорания ароматических соедине-
ний 460 п сл.
смешения кислот 467 и сл., 470
сульфирования 185 и сл.
хлорирования бензола 47?)
щелочного плавления 475
500
П редметный указатель
Рауля закон 295, 296
Реакторы
высокого давления см. Автоклавы
для алкилирования 372
для аминирования 373
для декарбоксилирования 418
для запекания 17, 184, 321 и сл.,
328
для карбоксилирования 352
для конденсации 341 и сл.
для нитрования см. Нитраторы
для питрозирования, диазотиро-
вания, азосочетания 301 и
сл., 309
для сульфирования см. Сульфура-
торы
для хлорирования см. Хлораторы
для щелочного плавления 320 и
сл., 372
змеевиковые 14, 16, 376, 377
идеального смешения и вытесне-
ния 30 и сл., 48 и сл., 55,
454, 455
классификация 29
конструкции 13 и сл.
контактных процессов см. Конвер-
торы
непрерывного действия см. Не-
прерывного действия аппа-
раты
периодического действия см. Пе-
риодического действия ап-
параты
расчет 25 и сл., 55 и сл., 359, 360,
456 и сл., 476, 4 78 и сл.
типы 14 и сл., 24
трубчатые 107, 376
форма 22
Реакции Фриделя—Крафтса 342, 344
Реакции-элементы 312 и сл.
Редукторы для восстановления нитро-
соединений
водородом 291
сернистыми щелочами 289 н си.
цинковой пылью 285 и сл.
чугунной стружкой 279 ц сл.
Редукторы приводов 121 и сл.
Регенерация
аммиака 393
катализатора 423, 426, 427
Регулирование автоматическое см.
Автоматизация
Регуляторы напора 144
Резервуары
прямоугольные 138
цилиндрические 128 и сл . 155
Резина 95
применение 99, 100
Рейнольдса критерий 456, 457
Реторты 244
Рубашки реакторов 104
Сазерленда формула 402
Сальники
автоклавов 363 и сл., 374
двойные 364, 365
заглубленные 365, 366
незагублениые 365
неохлаждаемые 364
одинарные 364, 365, 366
охлаждаемые 365
реакторов 117 и сл.
уплотнение 119 и сл., 366, 367, 374
эмалированных аппаратов 367
Сварка
винипласта 90
полиизобутилена 97
Сварные швы 101
Сверхцентрифуги 233
Свинец 91
применение 92, 99, 100
Свинцовая баня 418, 419
Свинцово-сурьмяпые сплавы 353,
362
Связи химические, тепловые попран
кп 67 и сл.
Сгорания теплота 65, 66, 31 7, 460 и сл .,
479 и сл.
Секционирование
аппаратов непрерывного дейдвия
36 и сл., 49 и сл.
слоя катализатора 425, 432
Секционные конверторы 425, 432
Сепарация
бензола из сульфомассы 179 и сл.
пптропродуктов из кислоты 229
Серная кислота
абсорбция серного ангидрида 197
баланс при нитровании 201
в нитрующих смесях 199 ,20‘С,‘ЯГт
при осушке хлора 252
смешение 162 и сл.
разбавление 164
т. сульфирования (критическая is.ui-
центрш шя) 1 60
Сернистые тетлчп 273 278>
Серный ангидрид
абсорбция 196 и сл.
сульфирование жидких веществ,
179
теплота выделения 187
Сероводород,абсорбция 337 и cj.
Предметный указатель
501
Серый чугун 82
Системы взаимодействующих реаген-
тов 14 и сл.
Склады, устройство 1 17 и сл.
Скрубберы
насадочный 44 9
пенного типа 451
полый 450
Смесители кислот 169, 170, 201 и сл.
тепловой баланс 213 и сл.
Смешение
идеальное 30 и сл., 36, 37, 41 и сл.,
454, 455
кислот
материальный баланс 163
при нитровании 203 и сл.
при сульфировании 162 и сл.
тепловой баланс 166 и сл.,
212 и сл.
— эффекг 1&j, 21.3 и сл.,
467 и сл., 470
Спирты метиловый и этиловый, дав-
ление паров .358
Сплавы
высоколегированные 81
свинцово-сурьмяные 353, 362
титана 88
циркония 88
Сталь
кипящая 80
применение 99, 100
сорта и марки 80 и сл., 84
спокойная 80
Стальные котлы 101, 328
Стеклотекстолит 90
Степень
непрерывности 28
превращения 39 и сл.
Сульфидирование см. 3 акег.чнпе
Сульфирование 159 и гл.
аппаратура см. Сульфураторы
жидкими сульфирующими агента-
ми 171 и сл.
«запеканием» 183 п сл.
комбинированное 18I
непрерывное 177
иарофазное 174 п ел.. 177
периодическое 171'
при низкой температуре 173
серным ангидридом 178
тепловой эффекг 185, 468
«экстракционное» 179 и сл.
Сульфирующие агенты 159
расход 165 и сл.
смешение 162 и сл.
тепло изменения концентрации 186
Сульфогрупиа, тепловая поправка 71
Сульфокислоты
выделение из сульфомассы 189,
192, 193
щелочное плавление солей 319,
325, 326
Сульфомасса 189
нейтрализация 189 и сл.
разбавление водой 19.3
Сульфонаты
аминирование 380
выделение 192
образование 192
Сульфураторы
непрерывного действия 177, 178,
180
периодического действия 173 и сл.,
180
расчет 458
тепловой баланс 185 и сл.
«экстракционные» 179 и сл.
Суспензии
размешивание 21
транспортировка 153
Сухое плавление щелочи 326
Тантал 87
Тара оборотная 147 и сл.
Текстолит 90
Температура процессов
влияние на скорость реакции 21
восстановления 280, 285
денитрации 231, 242
запекани! 183
конденсации .343, 345 и сл., .352
контактирования 408, 421
нитрования 218
иитрозировани/ я диазотирование
азосочетания 301
сульфирования 171
хлорирования 262
щелочного плавления ,322, 326
Тепловой баланс см. Баланс тепловой
Тепловой эффект процессов 1.3,
6,5 и сл.
азосочетания <313, 31.5, 475
алкилирования 381 и сл., 476
аминирования 379 и сл., 476
восстановления 291 и сл., 474
гидролиза 379
диазотирования 311, 314, 47.5, 476
контактирования 411, 437 пел.
48'3 и с.т.
нитрования 227, 471
нитрозирования 317
502
Предметный указатель
Тепловой зффект процессов
смешения кислот 166 и сл., 213
и сл., 467 и сл., 470
сульфирования 185, 468
хлорирования 263 и сл., 473
щелочного плавления 330, 475
Тепловые аппараты 29
Тепловые поправки 66 и сл., 460, 461
Тепловые процессы 11
Теплоемкость, расчеты 63, 64, 437,
438, 459, 484 и сл.
Теплоносители 22, 107, 108
при восстановлении 285
при конденсации 346, 347
при' контактировании 408
при сульфировании 172
при щелочном плавлении 322
расход 76. 77, 463
Теплообмен
интенсивность 23
оформление поверхности 2(1. 22,
23, 103 н сл.
при конденсации 347
при контактировании 409 и сл.
при нитровании 218 и сл.
при нитрозироваиин, диазотирова-
нии и азосочетании 301
при сульфировании 172, 173
при щелочном плавлении 322
расчет поверхности 74, 482 и сл.
Теплообменники см. Холодильники
Теплопередачи уравнение 74
Теплота
выделения IINO-; 227
испарения 73
нейтрализации 194, 195, 333, 469
образования 65, 332
растворения 264, 334
сгорания 65, 66, 317, 460 и сл.
упаривания 331
Термические соотношения в конвер-
торах 410
Термические характеристики соеди-
нений 66
Терморегулирование контактных про-
цессов 431
Тефлон (Политетрафторэтилен) 90
Титан 87
Томсена формулы 166, 216
Топочные газы 108
Транспортировка
газов 153 и сл., 157
жидкостей 126 и сл., 131 и сл.
суспензий 153
твердых материалов 148 и сл.
Треугольник Джиббса 209
Трубопроводы
для газов 153, 154
— жидкостей 132
Трубчатки 14, 16 и сл., 107, 376
и сл.
Трубы наполнения и передавливания
I 15
Трупюна правило 73
Углеводороды ароматические
выделение из газов 265 и сл.
конденсация с фталевым ангидри-
дом 342
-- с хлорпроизводными 343
нитрование 199 и сл.
осушка 254 и сл.
сульфирование 159 и сл.
хлорирование 246 и сл.
Углеродистая сталь, марки 80 и сл..
Указатели уровня 141, 142
Упаривание растворов
аминов 297
щелочи 331
Уплотнение
линзовое 377, 378
люков 113
сальников 119 и сл., 366, 367.
374
фланцев 109 и сл., 268, 369, 377.
378
Уплотняющие набивки 109, 365 и сл.
Уравнение(я)
Буреона 247
дистилляции 385
диффузии паров 311
реакций, кинетические 41, 44 и сл.,
76
материального баланса смешения,
кислот 163, 207
Плановского и Хайлова 248
Портера 166
растворимости ПС1 264
смешения кислот 208
состава нитрующей смеси 20!
— парогазовой смеси 401
теплового баланса
автоклавов 378, 384
диазотирования, азосочетания и-
нитрозирования 311
конверторов 436, 482
нитраторов 226
плавильных котлов 330
редукторов 291
сульфураторов 185
хлораторов 263
теплопередачи 74
Предметный указатель
503
Фазовое равновесие систем
аммиак—вода 387
анилин—вода 294
Фаолит 89
Фенантрен, тепло сгорания 462
Фенилдиазоний хлористый, теплота
азосочетания с диаминами
316
Фенолы
алкилирование 383
нейтрализация 333
нитрозирование 298
теплота сгорания 72
Феноляты, карбоксилирование 352
Ферросилид 84
применение 99, 10(1
Фильтрование 193, 304 и сл.
Фильтры
автоматические 305 и сл.
впециновып 398
керамические 127
из стеклоткани 428, 429
Фланцы 101
автоклавов 367 и сл
скользящие 378
уплотнение 109 и сл., 368, 369,
377, 378
Формула(ы)
Караша 66, 460
Коновалова 66
Нлановского 216
Сазерленда 402
теплоемкости 437 и сл.
Томсена 166, 216
Фотоколорнметрический контроль
процесса восстановления
нитробензола 283
Фриделя— Крафтса реакции 342, 344
Фталевый ангидрид
в процессах конденсации 342
выделение из газов 442 и сл.
декарбоксилирование 418
испарение 404
получение 117, 424, 429
Футеровка 94
Химическая стойкость металлов 83
и сл., 91
Хладоагенты 22, 10.9
при контактировании 410,418 и сл.,
423, 425, 434 и сл.
при нитрозиронании, диазотиро-
ванини азос.очетании 301, 304
при сульфировании 172
расчет расхода 76, 77, 462, 463
Хлор
испарение 249 и сл.
осушка 252
Хлораторы
конструкции 258 и сл.
тепловой баланс 263 и сл.
Хлорбензол
получение 258 л сл.
теплота сгорания 460
Хлорирование ароматических угле-
водородов 246 и сл.
боковой цепи 260
в среде растворителей 261
в ядро 258
Хлорирование
бензола 247, 258 и сл., 455, 472,
473
твердых веществ 262
тепловой эффект 263 и сл., 473
Хлорирующие агенты 246 249
Хлористый алюминий 341 и сл.
Хлористый водород, абсорбция \265
и сл.
Хлористый кальций при о бввожива-
нии 254
Хлористый метил (и этил), давление
паров 358
Хлористый цинк 341,345
Хлорсульфоновая кислота 159
Холодильни ки
графитовые 266, 26.7, 336, 337
кислотные 245
оросительные 272
пакетные. 266
с U-образными трубками 431
Хранилища жидкостей 128 и ел.,
138
расчет 463 н сл.
Хромоникелевая сталь, применение
99, 100
Циклические соединения
образс'папие при конденсации 340,
351
тепловые поправки 67, 69
Цинк хлористый 341, 345
Цинковая пыль
восстановление ннтросоединеннй
285
дозирование 286 и сл.
Цирколай 88
Цирконий 87, 88
Цистерны для перевозки
жидкостей' 12f, 127
обогреваемые 127, 134, 135
сжиженных газов 153, 154
504
Предметный указатель
Чаны реакционные 24, 103, 302, 303
Число водоотнятия 200
Чугун
применение 99, 100
сорта и марки 82, 83, 83
Чугунная стружка 273, 279 и сл.
Чугунные котлы 102, 324
Шаровая мельница 16, 18
Шнековые аппараты 16, 18
Штуцеры НО и сл., 116, 370, 371
Щелочестойкий чугун 85, 100
Щелочи см. также Едкий натр и Ед-
кое кали
в процессах восстановления 273,
278
— -- конденсации 341, 348
— - щелочного плавления
319 и сл.
как осушители 255
при алкилировании 355
расплавление 276 и сл,
растворение 274 и сл.
— тепловой эффект 334
сернистые 273, 278, 320
Щелочное плавление 319 и сл.
аппаратура 320 и сл., 372
непрерывное 327
под давлением 322
тепловой баланс 330 и сл.
— эффект 330, 475
Эбонит 95
Экстракторы 181, 182, 234
«Экстракционное» сульфирование
179 и сл.
Электрообогрев реакторов 108, 408
Электроприводы 120 и сл.
Эмали 98, 99, 100
Эмалирование 92
Эмалированные аппараты 304, 373,
374
Эпоксидные лаки и эмали 98
Этил хлористый, давление паров 358
Этиловый спирт, давление паров 358
Этинолевые лаки 98
Эфиры, тепловые поправки 68, 70
Эффект
вымывания 32, 36, 38, 39, 42, 45
тепловой см. Тепловой эффект
процессов
ОПЕЧАТКИ
к * Стр. Строка ] Напечатано 1 Должна иытъ
к 47 Формула (1,9+ • Л+/А \gpr~Y~ ёЛ-?/ д
4 292 Формула G„c„-1000 Сцен -1 (л iij
(VII, 5) lOOOAf,, 10<Ж,
333 Табл 12, 11 сверху И итрофенолы N 0.2 N 0! 1 (О И И итрофенолы М' >.л,5НТ >11
439 12 снизу где Q вес исходного вещест- где G—вес нсх>гещест-
ва, ва,
Y . .. £ 181 Экспликация к формуле. (6) где Ут—удельны!'! вес катали- затора (1100 кг/лР); где Ут—удельный вес и^али- затора (5500
5 483 16 и 17 сверху 5,07+0, 0787' —Т- 1000 = " М 5, 7 J 0д? . н и
5,07+0,078(273 у-159) 5,7 + 0,078,77'4
;,1 128,2 123,2 ‘ *' 1 ’
<>' 485 1 снизу = 0:6,75 + = 9О„75
рх 9 487 11 н 12 сверху „ а, 07+0,078 Г /' - —-1000 = 128,2 5,07+0,078(273 3-400) 128,2 „ 5,7+0,0787 ” 128,2 5,7+0,078(27.^-400)
• . ।
А. 11 , Планов-.знй., Д . А Гургннч. 3i + >777,
J
1