Производство тринитротолуола. Часть 1. Технологические расчеты оборудования производства моно- и динитротолуолов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации  

Федеральное государственное бюджетное  

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 

А. В. Князев, Р. З. Гильманов  

 
 
 
 
 

ПРОИЗВОДСТВО  

ТРИНИТРОТОЛУОЛА 

 

Часть I 

 

Технологические расчеты оборудования  
производства моно- и динитротолуолов 

 
 

Учебное пособие 

 
 
 
 

 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2021 

УДК 662.2(075) 
ББК 35.63я7

К54

 

 Печатается по решению редакционно-издательского совета  

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты: 

д-р техн. наук Н. С. Латфуллин 

д-р техн. наук Е. Л. Матухин 

 
 
 
 
 
К54 

Князев А. В. 
Производство тринитротолуола: в 2 ч. Ч. I. Технологические расчеты 
оборудования производства моно- и динитротолуолов: учебное пособие / А. В. Князев, Р. З. Гильманов; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2021. – 
172 с. 
 
ISBN 978-5-7882-2975-1  
ISBN 978-5-7882-2976-8 (ч. 1)

 
Кратко изложены технология получения и принципы работы ос
новного технологического оборудования производства моно- и динитротолуолов. Рассмотрено аппаратурное оформление и приведены примеры технологических расчетов оборудования для данного производства, необходимых при выполнении курсовых и дипломных проектов. 

Предназначено для обучающихся направлений подготовки 

18.03.01, 18.05.01, 18.04.01.  

Подготовлено на кафедре химии и технологии органических соеди
нений азота. 

 
ISBN 978-5-7882-2976-8 (ч. 1)
© Князев А. В., Гильманов Р. З., 2021

ISBN 978-5-7882-2975-1 
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2021

 
 

УДК 662.2(075) 
ББК 35.63я7

ВВЕДЕНИЕ 

 
Химическая индустрия является важнейшей частью хозяйства 

России. Развитие химической отрасли промышленности в нашей стране 
идет очень быстро: активно разрабатываются новые высокоэффективные технологии, вводится автоматизированное оборудование с применением катализаторов и нанотехнологий. Внедрение новейших технологий позволит упростить производственный процесс и наладить выпуск перспективных видов продукции с улучшенными свойствами и 
высочайшего качества. 

Одним из наиболее массовых химических производств является 

промышленное производство тринитротолуола, который и в настоящее 
время продолжает оставаться одним из важнейших взрывчатых веществ. Его широко используют для производства промышленных 
взрывчатых веществ, потребление которых достигает сотен тысяч тонн 
в год. Кроме того, тринитротолуол является промежуточным продуктом для получения ценных реагентов органического синтеза.  

Таким образом, изучение студентами технологии получения три
нитротолуола является актуально и необходимо при освоении образовательной программы подготовки бакалавров направления 18.03.01, 
магистров направления 18.04.01 и специалистов направления 18.05.01. 
Кроме этого, при выполнении курсового и дипломного проектирования 
данное пособие окажет методологическую помощь студентам при 
написании разделов, включающих выбор и расчет основного и вспомогательного технологического оборудования.  

Принимая во внимание то, что студенты испытывают трудность 

при выполнении инженерных расчетов, в пособии рассмотрены принципы выбора и расчета оборудования непрерывного действия. На примере процесса получения тринитротолуола в первой части пособия 
кратко изложены его технология и материальные балансы I и II стадий 
производства тринитротолуола, приведены расчеты нитраторов I и 
II фазы нитрования толуола, а также аппарата-разбавителя, сепараторов 
и отстойных баков, хранилищ, напорных баков, дозеров, дозаторов и 
т. д. Рассчитаны определяющие параметры аппаратов и их геометрические размеры (объем, площадь поверхности, высота, диаметр) и потребное количество.  
 
 

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ  

ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ  

 

1.1. Классификация оборудования химических производств 

 
Классификация оборудования – это научно обоснованное распре
деление машин и аппаратов по отдельным группам на основе определенных признаков, важнейшими из которых для химических производств являются: производственное назначение, проводимый в машинах или аппаратах процесс, функциональное назначение, принцип организации технологического процесса, степень автоматизации и т. д. 

Оборудование химического производства в зависимости от его 

производственного назначения подразделяют:  

– на технологическое;  
– энергетическое;  
– транспортное;  
– ремонтное;  
– грузоподъемное;  
– вспомогательное.  
Технологическое оборудование предназначено для реализации 

различных технологических процессов производства. Технологическое 
оборудование, в свою очередь, по характеру протекающих в нем процессов подразделяется на следующие классы:  

– для механических процессов;  
– гидромеханических процессов;  
– тепловых процессов;  
– массообменных процессов;  
– химических процессов. 
Внутри каждого класса оборудование по функциональному назна
чению также подразделяется на группы. 

Оборудование для механических процессов по функциональному 

назначению подразделяется на грохоты, классификаторы, дробилки, 
мельницы, смесители, питатели, дозаторы. 

К оборудованию для гидромеханических процессов относятся от
стойники, центрифуги, сепараторы, гидроциклоны, циклоны, скрубберы, фильтры, электрофильтры, аппараты для механического и циркуляционного перемешивания жидких сред и т. д. 

Оборудование для тепловых процессов включает в себя рекупе
ративные, регенеративные и контактные теплообменники, тепловые 

трубы, тепловые печи, плазматроны, а также выпарные и кристаллизационные аппараты. 

К оборудованию для массообменных процессов относятся абсорб
ционные и ректификационные колонны, экстракционные аппараты, адсорберы, ионообменные аппараты, сушилки, аппараты для баромембранных и диффузионных процессов, а также для растворения, выщелачивания и др. 

Оборудование для проведения химических процессов – это хими
ческие реакторы, печи для осуществления химических процессов и др. 

Кроме того, каждая группа оборудования подразделяется еще на 

типы, а типы – на типоразмеры. 

Вспомогательное оборудование предназначено для реализации 

в нем вспомогательных процессов производства, в частности для хранения и транспортировки жидкостей, сжиженных газов, паров и газов, 
сыпучих материалов в требуемом для технологического процесса 
направлении. 

К вспомогательному оборудованию химических производств от
носятся: насосы и компрессоры, резервуары для хранения жидкостей и 
сжиженных газов, газгольдеры, бункеры и силосы для сыпучих материалов и др. 

В зависимости от специфики применения и проведения техноло
гического процесса оборудование химических производств делится на 
универсальное, специализированное и специальное. 

К универсальному относится оборудование общего назначения, 

или общезаводское. Оно может применяться без каких-либо изменений 
в различных химических производствах: насосы, компрессоры, вентиляторы, калориферы, центрифуги, сушилки, экстракторы сепараторы и 
транспортные средства. 

К специализированному относится оборудование для использова
ния одного процесса различных модификаций: теплообменники, ректификационные колонны, абсорберы и др. Например, теплообменные аппараты предназначены для нагрева или охлаждения. 

К специальному относится оборудование, предназначенное 

только для проведения одного процесса: нитраторы, грануляторы, хлораторы, сублиматоры и др. Например, проведение нитрования в реакторах, в которых отсутствуют теплообменные устройства, механизмы 
аварийного сброса и прочие, категорически запрещено. Процесс нитрования проводится только на специальном оборудовании – нитраторах.  

По характеру воздействия на продукт технологическое оборудо
вание делится на машины и аппараты. 

Машина – механическое устройство, состоящее из согласованно 

работающих частей и осуществляющее определенные целесообразные 
движения для преобразования энергии, материала или информации. 
В соответствии с данным определением различают три класса машин: 
технологические, вычислительные и машины-двигатели. 

Машины-двигатели преобразуют один вид энергии в другой (элек
тродвигатели, генераторы, двигатели внутреннего сгорания и т. д.).  

Вычислительные машины служат для преобразования информации.  
Технологические машины предназначены для выполнения техно
логического процесса в соответствии с заданной программой. Отличительной особенностью технологической машины является наличие движущихся рабочих органов, непосредственно воздействующих на продукт. При этом под воздействием рабочих органов машины изменяются 
физические свойства, форма и положение обрабатываемого материала, 
т. е. он претерпевает механическое воздействие. Следует отметить, что 
в машинах химических и смежных производств (производство строительных материалов, фармацевтических и косметических продуктов, 
нефтегазопеработка и т. д.) технологический процесс помимо механического воздействия на обрабатываемый материал может сопровождаться одним или совокупностью типовых процессов химической технологии, таких как химическое превращение, межфазный массообмен, 
нагрев, изменение агрегатного (фазового) состояния веществ (грануляция, прессование, чешуирование и др). Кроме того, в машинах химических производств возможно протекание технологических процессов 
при высоких (низких) температурах и давлениях. Данное обстоятельство накладывает дополнительные требования к разработке правил безопасной эксплуатации оборудования. 

Машины химических производств являются сложным техническим 

объектом, состоящим из большого числа взаимодействующих элементов. Как правило, такая машина состоит из следующих функциональных 
систем: корпуса, устройства для подачи и отвода основных и вспомогательных материалов, исполнительных механизмов, привода, системы 
обогрева или охлаждения рабочих зон, системы контроля технологических параметров и управления машиной, смазочных устройств. В отдельных случаях некоторые из перечисленных систем могут отсутствовать, 
например система обогрева. 

К технологическому оборудованию, кроме технологических ма
шин, относятся аппараты, для которых характерно наличие реакционного пространства, или рабочей камеры. Аппаратом называют инженерное 
сооружение, несущее в себе реакционное пространство (рабочий объем) 
и снабженное энергетическими, контрольно-измерительными средствами ведения и управления технологическим процессом. Реакционное 
пространство (рабочий объем) – пространство, в котором протекает технологический процесс.  

В аппаратах осуществляются тепловые, электрические, физико-хи
мические и другие воздействия. При этом происходит изменение физических или химических свойств или агрегатного состояния обрабатываемого продукта. В случае, если проведение технологического процесса 
сопровождается вводом в рабочий объем механической энергии за счет 
рабочих органов оборудования, такой аппарат называется машиной. 

Машины и аппараты по принципу организации технологического 

процесса подразделяются на оборудование непрерывного и периодического действия. 

Машины и аппараты непрерывного действия характеризуются 

тем, что основные стадии (операции) технологического процесса осуществляются в разных рабочих объемах оборудования, но в одно и то 
же время. Как правило, машины и аппараты непрерывного действия менее металло- и энергоемки, отличаются простотой конструкции и высокой удельной производительностью. 

В машинах и аппаратах периодического действия основные ста
дии (операции) технологического процесса осуществляются в одном и 
том же рабочем объеме, но в разное время. Основное достоинство оборудования периодического действия – большая технологическая гибкость, т. е. возможность быстрого перехода с одного вида продукции на 
другой без снижения ее качества и с минимальными затратами времени.  

По степени автоматизации технологические машины можно раз
делить на следующие группы: 

– простые – машины, с помощью которых человек-оператор со
вершает заданные технологические операции по регламенту, инструкции или программе, которые «держит в голове»; 

– полуавтоматические (автоматизированные) – машины, которые 

выполняют основные технологические операции согласно заложенной 
в них программе без непосредственного участия оператора, в функции 
которого входят лишь загрузка, разгрузка, контроль и регулирование 
машины; 

– автоматические – машины, выполняющие после загрузки и вы
ключения все рабочие операции по заданной программе без участия 
оператора (машина-автомат); если такая машина обладает способностью производить логические операции, вырабатывать и осуществлять в 
соответствии со своим целевым назначением программу действия с 
учетом переменных условий протекания технологического процесса, то 
она называется самонастраивающейся. 

Химическую продукцию обычно получают на ряде установок, свя
занных между собой единым технологическим процессом. При этом 
физическое состояние или химический состав перерабатываемого в 
каждой из этих установок продукта будут изменяться, соответственно, 
аппараты и машины, входящие в состав каждой установки, будут работать в различных рабочих условиях. Поэтому аппарат по своей конструкции – форме, размерам и внутреннему устройству – должен соответствовать свойствам обрабатываемых веществ, условиям и требова-
ниям проводимого в нем процесса 

Итак, важнейшими факторами, определяющими тип аппарата, яв
ляются агрегатное состояние веществ, участвующих в процессе, их химические свойства, температура, давление и тепловой эффект. 

Технологическое оборудование классифицируется в соответствии 

с Общероссийским классификатором продукции ОК 034-2014 (КПЕС 
2008). 

При создании современного химического оборудования общими 

направлениями в химическом машиностроении являются: 1) унификация; 2) интенсификация; 3) повышение надежности; 4) эргономика; 
5) укрупнение; 6) повышение качества продукции. 

 

1.2. Технологический расчет аппаратов непрерывного действия 

 
При выполнении технологических расчетов оборудования химиче
ских процессов необходимо рассчитать определяющие параметры проектируемого оборудования, связанные с его производительностью. 
Например, для емкостных аппаратов таким параметром является объем 
аппарата, для фильтровальных установок – площать поверхности фильтра, для теплообменных устройств – площадь поверхности теплообмена 
и т. д. На основе расчетных данных далее решаются задачи по выбору 
конструкции аппаратов, определяются его геометрические размеры, а 
также количество аппаратов в соответствии с заданной производительностью, принятым режимом работы, нормами производительности и 

времени на ремонт. При выборе конструкции оборудования следует ориентироваться на стандартные и типовые машины и аппараты, изготовляемые в Российской Федерации. 

Для химических реакторов смешения или вытеснения основным 

определяющим параметром, характеризующим производственную мощность реактора, является его объем. Объем реактора V определяется из 
произведения 

V = vоб · τ, 

где vоб – объемная производительность реактора, м3/с; τ – время пребывания реакционной массы в аппарате, ч, мин, с. 

Другие геометрические размеры реактора, например площадь по
перечного сечения S, можно определить, используя соотношение 

 

где S – площадь поперечного сечения реактора, м2; w – линейная скорость движения реакционной смеси в реакторе, м/с. 

Внутренний диаметр реактора D вычисляют по формуле 

 

Длина рабочей зоны реактора l определяется из соотношения 

 

Аппараты непрерывного действия могут работать в режимах сме
шения, вытеснения или комбинированного типа. 

Для реактора идеального смешения уравнение баланса по массе 

имеет следующий вид: 

v об · СА – V× (СА + dCА) – rА · V = 0, 

где СА – концентрация основного компонента; rА – скорость химической реакции по основному компоненту.  

Для реактора идеального смешения принимают rА = const: 

 

где XА – степень превращения основного реагента; CА0 – начальная концентрация основного компонента. 

Для реактора идеального вытеснения уравнение материального 

баланса для реактора идеального смешения: 

v об·СА – V × (СА + dCА) – rА · V = 0. 

 

,

об
w
v
S =

.
4
p
S
D =

.
S
V
w
l
=
×
=
t

,
1

A

A
A0

A

A
A0

A

A
об

A0

A
r

X
C

r

C
C
dC
r
v
V
C

C

=
=
=
=
ò
t

После его интегрирования получают 

 

Аналогичный подход применяется и при расчете реакторов ком
бинированного типа. 

Как видно из приведенных уравнений, объем реактора V прямо 

пропорционален времени проведения процесса τ, которое, в свою очередь, зависит от скорости протекания процесса rА. 

Время протекания химического процесса в аппарате является ре
зультатом изучения кинетики реакции. Иногда химические процессы 
изучены достаточно хорошо, поэтому в литературе или в регламенте 
технологического процесса приводится вид кинетического уравнения 
скорости реакции. В этом случае несложно рассчитать продолжительность реакции τ, решая интегральные уравнения.  

Пример. Определить время протекания реакции первого порядка 

τ, если начальная концентрация продукта А СА0 = 5 моль/л, константа 
скорости реакции K = 0,00076 с–1, степень конверсии XА = 0,98. 

Решение 

r А = KCA. 

 

 

В реальности при расчете скорости процесса, протекающего в реак
торе, приходится вычислять интегралы, подынтегральная функция которых может быть доволно сложной. Поэтому в подобных случаях прибегают к численному интегрированию. Наиболее популярной для таких целей является формула Симпсона, которая имеет следующий вид: 

 

Здесь a и b – пределы интегрирования; n – четное число интервалов разбиения отрезков интегрирования. 

Формула Симпсона легко программируется, и достаточно точ
ными являются две простые формулы: 

– пятиточечная: 

 

.

A0

A

A0

A
A

A

A

A

об
ò
ò
=
=
=

C

C

C

C
r
dX

r
dC

v
V
t

ò
ò
ò
ò
=


×
=

×

=

×

=
=

A
A
A
A

0
A

A

A0

A0

0
A0

A

A0

0
A

A

A0

0
A

A

A0

)
1(
)
98
,0
1(

X
X
X
X

X

dX

C
K

C

C
K

dX
C

C
K
dX
C

r
dX
C
t

.ч 
43
,1
 с 
5147
)
98
,0
1
ln(
00076
,0

1
)
1
ln(
1

A
=
=
=
=
X
K

.
)
(
2
)
(
4
)
(
)
(
3
)
(

1n

1
i

2
n

2
i

i
i
n
0
úû
ù

êë
é
+
+
+
=
=
å
å
ò

=
=
x
y
x
y
x
y
x
y
n
a
b
dx
x
y
I

b

a

[
],)
(
7
)
(
32
)
(
12
)
(
32
)
(
7
90

4
3
2
1
0
x
y
x
y
x
y
x
y
x
y
a
b
I
+
+
+
+
=