CZ20013995A3 - Způsob kontinuální isotermní výroby mononitrotoluenů - Google Patents

Description

Způsob kontinuální isotermní výroby mononitrotoluenů

Oblast techniky

Vynález se týká kontinuálního isotermního způsobu výroby mononitrotoluenů za zkoncentrování při tom vznikající odpadní kyseliny sírové a zpětného vedení zkoncentrované odpadní kyseliny sírové do postupu.

Dosavadní stav techniky

Mononitrotolueny jsou cenné meziprodukty pro výrobu optických zjasňovačů, prostředlů pro ochranu rostlin a farmaceutických produktů. V technickém měřítku se vyrábějí například isotermní nitrací toluenu. Při tom se nechá reagovat toluen se směsí kyseliny sírové a kyseliny dusičné (směsná kyselina, nitrační kyselina)(viz například Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology Vol. 17,

Ed i tii on 1996, Nitration und Nitrobenzenes and Nitrotoluene).

Při reakci vzniká značný podíl odpadní kyseliny sírové, znečištěné organickými sloučeninami, jako je například dinitrotoluen nebo nitrované kresoly, která se musí zpracovávat provozně a cenově nákladnými způsoby. Aby se snížil výskyt odpadní kyseliny, byl vypracován způsob, který zahrnuje zkoncentrování kyseliny sírové, při kterém je kyselina sírová zbavena vody a organických sloučenin a potom se může v procesu recyklace vracet zpět do nitrační reakce.

• · • · ·

V DE 195 39 205 A jsou popisovány provozní parametry pro monitorování aromátů, při kterém je směs kyselin přizpůsobena na vlastnosti nitrovaných aromátů tak, aby vznikala asi 70% odpadní kyselina sírová. Dále je popsané použití částečně koncentrovaných odpadních kyselin s koncentrací kyseliny sírové v rozmezí 85 % až 92 %.

V US 4 772 757 je popsán způsob výroby nitrobenzenu, při kterém se vznikající odpadní kyselina zkoncentruje na % až 92 % a opět se recykluje do procesu nitrace. Vzhledem k tomu, že je toluen vzhledem k methylové skupině podstatně citlivější k oxidaci a při nitraci má sklon ke tvorbě vedlejších produktů, je třeba při přenesení reakčních podmínek pro nitraci benzenu na nitraci toluenu počítat se zvýšením množství nežádoucích vedlejších produktů.

Na základě rozpustnosti organických sloučenin v kyselině sírové, obohacují se ve zkoncentrované odpadní kyselině, která se zavádí zpět do nitrační reakce, organické vedlejší produkty, jako je kyselina šťavelová nebo kyselina benzoová. Dále může docházet k obohacování kyseliny nitrosylsírové. Rozklad těchto vedlejších organických produktů a při tom se uvolňující reakční teplo vede k nežádoucímu rozkladu reakčního produktu nitrotoluenu. Kromě toho je způsobováno ovlivnění výtěžku za jednotku času na jednotku prostoru, neboť organické vedlejší produkty mohou reagovat s použitou kyselinou dusičnou v oxidačních odbourávacích reakcích a tímjiž není k disposici část kyseliny dusičné pro vlastní nitraci.

Aby se zabránilo obohacování organických vedlejších produktů ve zkoncentrované odpadní kyselině, může se tato vysoce zkoncentrovat, to znamená zkoncentrovat na 96 % . Za

• · těchto podmínek zkoncentrování je způsobeno zničení organických vedlejších produktů. Kyselina nitrosylsírová se může probubláním oxidem siřičitým ze zkoncentrované odpadní kyseliny sírové odstranit.

Nevýhodné na zkoncentrování odpadní kyseliny sírové na 96 % je to, že se toto musí provádět při teplotě asi 250 °C, což vede v provozně technickém měřítku ke zvýšeným energetickým nákladům. Dále se musí na 96 % zkoncentrovaná odpadní kyselina sírová před recyklováním do nitrační reakce v dodareěném reakčním kroku zředit, přičemž ředění se většinou provádí smísením s nezkoncentrovanou odpadní kyselinou sírovou. Vybublání kyseliny nitrosylsírové se musí provádět nevýhodným způsobem v přídavném pracovním kroku.

Je proto potřebný kontinuální isotermní způsob výroby mononitrotoluenu, který by dovoloval cenově výhodné zkoncentrování odpadní kyseliny sírové s následujícím zpětným zaváděním do nitrační reakce ve smyslu procesu recyklace, bez toho, že by se ve zkoncentrované kyselině sírové obohacovaly organické vedlejší produkty.

Podstata vynálezu

Nyní byl překvapivě nalezen kontinuální způsob výroby mononitrotoluenů reakcí toluenu s kyselinou dusičnou a kyselinou sírovou za isotermních reakčních podmínek, při kterém se

a) do reaktoru nadávkuje 75% až 93% kyselina sírová, 60% až 70% kyselina dusičná a toluen, • · • tttt • · · · · • · · tt · tt

b) na výstupu z reaktoru se provádí dělení surového nitrotoluenu od odpadní kyseliny sírové,

c) odpadní kyselina sírová se v jednostupňovém procesu zkoncentrovávání zkoncentruje na 75 % až 93 % a

d) zkoncentrovaná odpadní kyselina sírová se recyklací opět zavádí zpět do nitrační reakce.

Zkoncentrovaná odpadní kyselina sírová, vyskytující se podle předloženého vynálezu, nevykazuje také po několikanásobném recyklování žádné obohacování organickými vedlej šími produkty, jako je kyselina šťavelová nebo kyselina benzoová, nebo anorganickými sloučeninami, jako je kyselina nitrosylsírová. Kromě toho se při způsobu podle předloženého vynálezu výhodně používá zředěná kyselina dusičná, čímž je možno způsob provozovat obzvláště cenově výhodně. Přes poměrně vysoká množství vody, která jsou způsobená použitím zředěné kyseliny dusičné, probíhá reakce za vysokých reakčních rychlostí.

Recyklováním odpadní kyseliny sírové, zkoncentrované podle předloženého vynálezu, je překvapivě dodatečně pozorován reakci urychlující efekt.

Při způsobu podle předloženého vynálezu se výhodně používá 75% až 93% kyselina sírová, obzvláště výhodně 84% až 89% kyselina sírová. Použitá kyselina dusičná je výhodně 60% až 70% kyselina dusičná, obzvláště výhodně se používá 65% až 68% kyselina dusičná. Podíl kyseliny dusičné ve směsi kyseliny sírové a kyseliny dusičné vyplývá z koncentrace použité kyseliny sírové a kyseliny dusičné, jakož i z koncentrace zkoncentrované kyseliny sírové a činí výhodně

asi 15 % až 25 % , při obzvláště výhodné formě provedeni asi 17 % až 20 % .

Při způsobu podle předloženého vynálezu se používá výhodně 0,98 až 1,1 ekvivalentu toluenu, vztaženo na ekvivalent kyseliny dusičné, obzvláště výhodně se používá 1,01 až 1,05 ekvivalentu toluenu, vztaženo na ekvivalent kyseliny dusičné. Také při přebytku toluenu, vztaženo na kyselinu dusičnou, nedochází při způsobu podle předloženého vynálezu překvapivě k žádnému černému zbarvení recyklované odpadní kyseliny sírové, pozorovanému jinak za těchto podmínek (Black-Spent-Acid).

Při způsobu podle předloženého vynálezu použité edukty kyselina dusičná, kyselina sírová a toluen se výhodně intensivně míchají pomocí mísících orgánů, známých ze stavu techniky. Jako mísící orgány se mohou použít například statické mísiče, čerpadla, trysky, míchadla nebo kombinace uvedených mísících orgánů.

Způsob podle předloženého vynálezu se provádí kontinuálně za isotermních podmínek v reaktoru. Jako reaktory se výhodně používají komerčně dostupné reaktory, jako jsou například trubkové reaktory, reaktory s oběhovým prouděním, míchané kotle nebo také kombinace reaktorů s oběhovým prouděním a míchaných kotlů.

V další výhodné formě provedení se způsob podle předloženého vynálezu provádí ve vícestupňových reaktorových kaskádách.

Způsob podle předloženého vynálezu se provádí za isotermních podmínek, přičemž reakční teplota je výhodně • 4 4 · · 4

944 94 49

4 4 9 4 4 9

4 4 9 4 4 4

9 4 4 4 4

99 999 444

v rozmezí 20 °C až 80 °C , obzvláště v rozmezí 30 °C až 70 °C a obzvláště výhodně v rozmezí 40 °C až 65 °C .

Na výstupu z reaktoru činí koncentrace kyseliny sírové v odpadní kyselině sírové výhodně 60 % až 80 % , obzvláště 65 % až 75 % a zcela obzvláště výhodně 69 % až 73 % . Odpadní kyselina sírová je prakticky prostá kyseliny dusičné a obsahuje vedle kyseliny sírové vodu, organické sloučeniny, jako jsou například dinitrotolueny nebo nitrované kresoly a popřípadě kyselinu dusitou.

Oddělování surového nitrotoluenu od odpadní kyseliny sírové se výhodně provádí pomocí statického odlučovaše nebo separátoru.

Koncentrováním odpadní kyseliny sírové, prováděném při způsobu podle předloženého vynálezu, se tato prakticky zbaví vody a organických sloučenin, přičemž organické sloučeniny se buď z odpadní kyseliny sírové odstraní nebo se tak rozloží, že vzniknou lehce těkavé sloučeniny, jako je například oxid uhličitý, které z odpadní kyseliny sírové vytékají.

Jednostupňové zkoncentrování se výhodně provádí v odparce. Aby se dosáhlo koncentrace podle předloženého vynálezu 75 % až 93 % , výhodně 84 % až 89 % , provozuje se odparka výhodně za tlaku 5 až 30 kPa, obzvláště 6 až 20 kPa a obzvláště výhodně 8 až 15 kPa. Teplota odpadní kyseliny sírové na výstupu odparky při tom činí výhodně 100 °C až 200 °C , obzvláště 150 °C až 190 °C a obzvláště výhodně 160 °C až 180 °C . Teplota odváděné zkoncentrované odpadní kyseliny sírové se výhodně využívá k tomu, aby se ve vhodném protiproudém tepelném výměníku zahřála odpadní kyselina sírová, proudící do odparky. Při tom se do odparky proudící

odpadní kyselina sírová vedením v protiroudu výhodně tak dalece zahřeje, že je za tlaku v odparce přehřátá a tím se odpaří část vody a nepatrné části kyseliny bez přívodu tepla (mžikové odpařování, flash).

Pro jednostupňové zkoncentrování při způsobu podle předloženého vynálezu se používá výhodně komerčně dostupná jednostupňová kaskádová odparka se svazkem tantalových trubek, u které počínaje od vstupu se s každou kaskádou zvyšuje koncentrace kyseliny, takže se v prvních kaskádách vyskytuje relativně nízko koncentrovaná kyselina. Výhoda nízké koncentrace v první kaskádě je jednak to, že teplota varu je ještě nízká a tedy existuje vysoká provozovaná teplotní diference pro přestup tepla (menší odparka) a na druhé straně je při nízké koncentraci kyseliny kyselina nitrosylsírová, eventuelně přítomná v odpadní kyselině sírové, z reakce dobře odstranitelná. Proto se použitím jednostupňové kaskádové odparky při způsobu podle předloženého vynálezu odstraní vybublávání kyseliny nitrosylsírové oxidem siřičitým a tedy dodatečný pracovní krok.

Výhodně se použije odháněcí část, aby se dosáhlo obzvláště dobré redukce obsahu organických sloučenin a/nebo obsahu kyseliny nitrosylsírové. Jako odháněcí část se označuje úsek destilační kolony, opatřený destilačními vestavbami, na který se shora zavádí za tlaku odparky kapalná nebo poněkud přehřátá odpadní kyselina sírová a který je provozován v protiproudu sdola s parou, stoupající z odparky. Jako destilační vestavby přicházejí v odháněcí části v úvahu pro odborníky známé kolonové vestavby, jako jsou například dna, výplně a náplňová tělíska. Při výhodné formě provedení se používají destilačníé vestavby s malou tlakovou ztrátou, jako jsou uspořádané výplně nebo náplňová tělíska.

Doba prodlení v odháněcí části při současně nepatrné koncentraci kyseliny vede společně s látkovou výměnou, intensivisovanou destilačnimi vestavbami, výhodně k rychlému rozkladu a oddělení organických a anorganických sloučenin.

urový nitrotoluen, získaný při způsobu podle předloženého vynálezu, obsahuje zpravidla méně než 0,5 % dinitrovaných sloučenin a méně než 0,8 % dinitrokresolů.

Příklady provedení vynálezu

P ř i k lad 1

V zařízení miniplant se do kaskády míchaných kotlů přivádí za hodinu 0,80 kg 87,7% kyseliny sírové, 0,31 kg kyseliny dusičné a 0,32 kg toluenu. Teplota v míchaných kotlích činí asi 40 °C . Po ukončení reakce se surový nitrotoluen oddělí od odpadní kyseliny sírové pomocí statického odlučovače. Odpadní kyselina sírová se se přivádí přes předehřívač do odparky a zkoncentruje se při 10 kPa a teplotě 168 °C na 87,7 % , přičemž organické sloučeniny oddestilují nebo se rozloží. Odpadní kyselina sírová se znovu přivádí do nitrační reakce.

Získaný surový nitrotoluen má následující složení :

3,27 % toluen , 57,58 % o-nitrotoluen , 4,13 % m-nitrotoluen , 34,68 % p-nitrotoluen , 0,08 % dinitrotoluen a 0,38 % dinřtrokresol.

• · · · 9 9 · ·

999 99 94 499 «999 9 9 949

99 999 999 99 999

P ř ί k lad 2

Do kaskády z více reaktorů s oběhovým prouděním se za hodinu přivádí 300 1 asi 97% toluenu, který obsahuje nepatrné množství nitrovaného toluenu a kresolu, 3700 1 87% kyseliny sírové a 1800 1 67% až 68% kyseliny dusičné. reakce se provádí při teplotě v rozmezí 43 °C až 47 °C . Po ukončení reakce se surový nitrotoluen oddělí od odpadní kyseliny sirové pomocí separátoru. Odpadní kyselina sírová se při teplotě asi 170 °C a tlaku 10 kPa opět zkoncentruje na výchozí hodnotu 87 % a zavádí se zpět do nitrační reakce.

Získaný surový nitrotoluen má následující složení :

4,13 % toluen , 57,12 % o-nitrotoluen , 4,18 % m-nitrotoluen , 34,17 % ρ-nitrotoluen , 0,12 % dinitrotoluen a 0,71 % kresoly.

P ř í k lad A (srovnávací)

Do trubkového reaktoru se za hodinu kontinuálně přivádí 188 kg 70% kyseliny sírové, 8,1 kg 67% kyseliny dusičné a 8,6 kg toluenu. Reakce se provádí za adiabatických podmínek. Po oddělení surového nitrotoluenu se odpadní kyselina sírová zkoncentruje v odparce při teplotě 90 °C a tlaku 6 kPa opět navýchozí koncentraci 70 % . Zkoncentrovaná odpadní kyselina sírová se znovu přivádí do nitrační reakce.

Ve srovnání s příklady podle předloženého vynálezu je po několika hodinách pozorováno výrazné obohacování organických sloučenin (jako hlavní komponenta kyselina šťavelová) v recyklované kyselině.

• ftft • · · · · « ft« • · ftftft ····· · ft · · ft · ftftftft · · ftftft ftft ftft ftftft ftftft ftft ftftft

Příklad B (srovnávací)

Do kontinuálně pracující kaskády reaktorů se za hodinu přivádí 2940 1 asi 72% až 73% upotřebené kyseliny sírové, 1830 1 98% kyseliny dusičné a 4700 1 toluenu, který obsahuje asi 3 0 nitrovaných toluenů a kresolů. Reakce se provádí při teplotě 44 °C až 54 °C . Po oddělení surového nitrotoluenu se část odpadní kyseliny sírové znovu přivádí do nitrační reakce, zbytek se podrobí dvoustupňovému zkoncentrování na 96% kyselinu sírovou a rovněž se opět přivádí do nitrační reakce.

Získaný surový nitrotoluen má následující složení :

4,48 % toluen , 56,38 % o-nitrotoluen , 4,28 % m-nitrotoluen , 34,20 % p-nitrotoluen , 0,58 % dinitrotoluen a 0,73 % kresoly.

Ve srovnání s příklady podle předloženého vynálezu se v získaném surovém nitrotoluenu nachází podstatně vyšší množství nežádoucího dinitrotoluenu.

Claims (10)

1. NÁROKY

   1. Způsob kontinuální výroby mononitrotoluenů reakcí toluenu s kyselinou dusičnou a kyselinou sírovou za isotermních reakčních podmínek, při kterém se

   a) do reaktoru nadávkuje 75% až 93% kyselina sírová, 60% až 70% kyselina dusičná a toluen,

   b) na výstupu z reaktoru se provádí dělení surového nitrotoluenu od odpadní kyseliny sírové,

   c) odpadní kyselina sírová se v jednostupňovém procesu zkoncentrovávání zkoncentruje na 75 % až 93 % a

   d) zkoncentrovaná odpadní kyselina sírová se recyklací opět zavádí zpět do nitrační reakce.
2. 2. Způsob podle nároku 1 , vyznačující se tím, že se použije 84% až 89% kyselina sírová.
3. 3. Způsb podle jednoho nebo více 1 a 2 ' , vyznačuj ící se 65% až 68% kyselina dusičná.

   z předcházejících nároků t í m , že se použije
4. 4. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 1 až 3,vyznačuj ící se tím, že se použije 0,98 až 1,1 ekvivalentu toluenu, vztaženo na jeden ekvivalent kyseliny dusičné.

   • · · • · · » » • · ·

   1 · · ·· ··
5. 5. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 1 až 3,vyznačuj ící se tím, že se použije 1,01 až 1,05 ekvivalentu toluenu, vztaženo na jeden ekvivalent kyseliny dusičné.
6. 6. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 1 až 5,vyznačuj ící se tím, že koncentrace kyseliny sírové na výstupu reaktoru činí 60 % až 80 %.
7. 7. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 1 až 6,vyznačuj ící se tím, že se zkoncentrování provádí v odparce za tlaku 6 až 20 kPa a při teplotě v rozmezí 100 °C až 200 °C .
8. 8. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 1 až 7,vyznačuj ící se tím, že se zkoncentrování provádí v kaskádové odparce.
9. 9. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 7a8,vyznačuj ící se tím, že odparka je provozována s odháněcí částí.
10. 10. Způsb podle jednoho nebo více z předcházejících nároků 1 až 9,vyznačuj ící se tím, že reakční teplota je v rozmezí 20 °C až 80 °C .