Technologiczne podstawy procesu nitrowania. Zasady prowadzenia procesu. Aparatura. Schematy ciągów technologicznych. Kontrola procesu nitrowania.

Jaki parametr determinuje przebieg reakcji ?

reżim temperaturowy jest podstawowym czynnikiem sterowania procesem nitrowania, gwarantującym nie tylko bezpieczeństwo, ale również wysoką wydajność i jakość produktu.

Jaki jest wpływ temperatury na szybkość reakcji ?

Zwykle reakcja nitrowania zachodzi w układzie heterogenicznym i w związku z tym możliwe są dwie graniczne sytuacje:

1) reaktywność substratu organicznego jest na tyle duża, że zdąży przereagować z czynnikiem nitrującym na powierzchni rozdziału faz - wówczas globalna szybkość procesu zdeterminowana jest wielkością powierzchni reakcji i dyfuzją reagentów do tej powierzchni - temperaturowy współczynnik szybkości reakcji jest wówczas bardzo mały (1,1÷1,3) a podstawową rolę odgrywa mieszanie (powierzchnia reakcji);

2) reaktywność substratu jest mała - w poszczególnych fazach i między nimi ustala się równowaga - wpływ mieszania jest niewielki, a współczynnik temperaturowy szybkości reakcji ma wartość typową dla danego układu reakcyjnego.

Sytuacja pośrednia (substraty o średniej reaktywności):

obszar kinetyczny procesu (silna zależność szybkości od temperatury);

niska temperatura → szybkość reakcji mniejsza od szybkości dyfuzji → globalna szybkość procesu limitowana szybkością reakcji na powierzchni rozdziału faz,

obszar dyfuzyjny procesu (słaba zależność szybkości od temperatury);

wysoka temperatura → szybkość reakcji większa od szybkości dyfuzji → globalna szybkość procesu limitowana szybkością dyfuzji.

Technologiczne zasady prowadzenia procesu nitrowania

1) zasada kolejności wprowadzania reagentów,

- wprowadzanie mieszaniny nitrującej do nitrowanego związku, zwane zlewem prostym;

- wprowadzenie substratu do mieszaniny kwasów, zwane zlewem odwrotnym;

- jednoczesne wprowadzenie obydwu reagentów.

2) zasada etapowego charakteru procesu,

- w jednym etapie;

- w dwóch etapach, przez mono - lub dinitrozwiązek;

- w trzech etapach;

- w trzech etapach z rozbiciem ostatniego na kilka faz.

3) zasada obiegu kwasów i przeciwprądu reagentów,

- nie stosowano obiegu kwasów,

- stosowano częściowy obieg kwasów,

- stosowano całkowity obieg kwasów.

4) zasada cyklicznego charakteru procesu.

- periodyczne (z krótkim cyklem),

- ciągłe (z długim cyklem, przerywanym np. w wypadku konieczności remontu).

Aparatura wykorzystywana w procesie nitrowania.

NITRATORY

BILANS CIEPLNY REAKTORA PRACUJĄCEGO W REŻIMIE ADIABATYCZNYM

Q_Te^-E/RT = ωC_v (T - T_P)

SEPARATORY

Konstrukcja separatorów zależy przede wszystkim od stanu skupienia rozdzielanych substancji:

- Ciekłe produkty nitrowania oddziela się przez odstanie wykorzystując proste zbiorniki wyposażone w system przelewów.

- Stałe produkty nitrowania oddziela się na drodze filtracji lub wirowania. Stosuje się przy tym różne techniki filtracji np. filtrację na bębnach, filtrację próżniową, filtrację ciśnieniową itp..

Przykładowe schematy ciągów technologicznych

(instalacja o działaniu ciągłym do nitrowania arenów mieszaniną HNO₃/H₂SO₄)

Do pierwszego nitratora wprowadzany jest nitrowany związek i mieszanina kwasów z separatora 5 (kwas odpadkowy po drugim stopniu nitrowania). Mieszanina reakcyjna kierowana jest przez nitrator 2 ( pracujący w innej temperaturze niż nitrator 1) do separatora 3. Warstwa organiczna przesyłana jest następnie do kolejnego nitratora, a kwasy odpadkowe opuszczają ciąg technologiczny i kierowane są do regeneracji. Mieszaninę kwasów używaną w ostatnim etapie nitrowania podaje się do nitratora 6, a z niego przez separator 7 na drugi stopień nitrowania w nitratorze 4.

Takie podawanie kwasu umożliwia zrealizowanie zasady przeciwprądu reagentów, przy którym najbardziej stężone kwasy stykają się z najwyżej znitrowanym substratem (i odwrotnie). Z ostatniego separatora (7) produkt końcowy trafia do płukania realizowanego w przeciwprądzie na ciągu płuczek rozdzielonych separatorami.

(pionowy ciąg sekcji nitrujących i separujących - przepływ grawitacyjny)

Kontrola procesu nitrowania

- kontrola temperatury;

- kontrola stanu mieszaniny reakcyjnej (charakterystyk półproduktów):

stosowane metody automatycznej kontroli strumienia mieszaniny reakcyjnej:

- spektroskopia IR,

- spektroskopia masowa,

- chromatografia,

- fotometria płomieniowa,

- pH-metria

- automatyzacja sterowania procesem:

-matematyczne modelowanie procesu i scedowanie decyzji na komputer

---