МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОЦЕССА НИТРОВАНИЯ ТОЛУОЛА И КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ ПУТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

Билецкий Е.Ю. Ошовский В.В. Доклад на V международной научной конференции студентов и аспирантов "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", состоявшейся 12 апреля 2006г. в г.Донецке, ДонНТУ

Основную массу тринитротолуола в промышленности получают титрованием толуола. Процесс проводят в каскаде реакторов объемного типа с перемешиванием (механическим или пневматическим). Этот процесс является пожароопасным и взрывоопасным (толуол – легковоспламеняющаяся жидкость, динитротолуол и тринитротолуол – бризантные взрывчатые вещества).

В настоящее время в промышленности для обеспечения безопасности производства каждый реактор оборудуется датчиком температуры. При достижении некоторой критической температуры, которая может привести к воспламенению или взрыву, содержимое реактора сливается в предохранительную емкость, где разбавляется большим количеством холодной воды. Применение автоматического регулирования процесса нитрования теоретически может позволить избежать аварийных случаев перегрева и сброса смеси и предотвратить потерю сырья. Идея автоматического управления заключается в непрерывном измерении температуры и на основании результатов измерений регулирование скорости протекающей реакции.

На качество получаемого тротила в большой степени влияет содержание несимметричных тринитротолуолов, которые образуются главным образом из мета-нитротолуола. Образование мета-нитротолуола сильно зависит от температуры, при которой протекает первая стадия нитрования – при 25 ⁰С образуется 2,5-3% мета-нитротолуола, при 50 ⁰С – 4,5-5,0%, выше 80 ⁰С – больше 6% мета-нитротолуола. Значит, понижение температуры проведения первой стадии реакции будет способствовать повышению качества  производимого тротила.

Для исследования возможности управления процессом нитрования была построена математическая модель процесса. Модель предназначена для расчета изменения состава и температуры реакционной смеси с течением времени. Модель включала дифференциальные уравнения, описывающие само химическое превращение и тепловые эффекты реакции. Так как процесс нитрования гетерогенный, то в модель были введены уравнения диффузионного переноса. В общем виде система дифференциальных уравнений, описывающих процесс, имеет вид:

где  – изменение концентрации i-го компонента смеси;

w_i – скорость химической реакции;

K – коэффициент диффузии;

F – поверхность раздела фаз;

 – равновесная концентрация i-го компонента;

ΔH_i – тепловой эффект i-ой стадии реакции;

C_p – общая теплоемкость смеси.

В результате программной реализации математической модели были получены графики распределения концентраций каждого компонента реакционной смеси и график зависимости температуры смеси от времени:

Как видно, основной разогрев смеси происходит во время протекания первой стадии реакции (нитрование толуола до мононитротолуола). Эта же стадия является самой быстрой. Остальные стадии протекают намного медленнее, и разогрев смеси вследствие их протекания не такой быстрый. Поэтому для выравнивания времени протекания стадий нитрования целесообразно проводить нитрование на первой стадии при низкой температуре, а вторую и третью стадию – при повышенной температуре.