DE1442976C - Verfahren zur Herstellung von Ammoniumamidosulfonat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniumamidosulfonat durch Ammonolyse von Ammoniumimidodisulfonat, Ammoniumnitridotrisulfonat bzw. von Reaktionsprodukten aus Schwefeltrioxyd und Ammoniak, die hauptsächlich diese Verbindungen enthalten, in Abwesenheit von Wasser.

Nach einem bereits bekannten Verfahren (deutsche Auslegeschrift 1 107 203) wird die Ammonolyse des Ammoniumimidodisulfonats, gegebenenfalls in Mischung mit anderen Schwefelstickstoffverbindungen, in konzentriertem wäßrigem Ammoniak bei erhöhter Temperatur und unter Anwendung von Druck durchgeführt. Bei diesem Verfahren konkurriert jedoch wegen der Gegenwart von Wasser die Hydrolyse mit der Ammonolyse, besonders bei niedrigem Ammoniakdruck, wie aus ilen folgenden Reaktionsgleichungen ersichtlich ist:

(NH,SO.,),NH -h Η.,Ο -I- NH₁ -> NFf₁SO-NH.,

+ (NH₁)Zo₁ NH.,SO_:1NH I- FI₂O -> (NH₁J₂SO.,

Bei einer Arbeitstemperatur von 170 bis 190¹C wird die Ausbeute an Ammoniumamidosulfonat durch den niedrigeren Ammoniakdruck beträchtlich vermindert, es sei denn, der Druck wird auf mehr als 40 Atmosphären gehalten.

Aber auch bei Erhöhung des Dampfdruckes kann die Hydrolyse nicht vollständig verhindert werden, wodurch die Ausbeute an Ammoniumamidosulfonat, verglichen mit dcv der wasserfreien Reaktion, um 10 bis 20% und mehr verringert wird.

Ein anderer Nachteil des vorgenannten Verfahrens besteht darin, daß die Reaktionsprodukte zur Isolierung des erzeugten Ammoniumaniidosulfonates weiteren Verdampfungsbehandlungen unterworfen werden müssen, da es sich um wäßrige ammoniakaiische Lösungen handelt.

Nach anderen bekantnen Verfahren (Y. I t ο und E. Kobayashi,Chem.Zentr., 134, S. 13698, 1963) läßt sich die Ammonolyse von Ammoniumimidodisulfonat und Ammoniumnitridotrisulfonat bzw. von Reaktionsprodukten aus Schwefeltrioxyd und Ammoniak, die hauptsächlich diese Verbindung enthalten, unter wasserfreien Bedingungen durchführen. Hierbei wird Ammoniumamidosulfonat ausgehend von Ammoniumnitridotrisulfonat durch Erhitzen mit Ammoniak unter einem Druck von 30 Atmosphären auf 210 bis 250''C in etwa 80%igcr Ausbeute' hergestellt. Ferner ergibt sich aus dieser Literaturstelle, daß die Bildung einer kleinen Menge von Ammoniumimidodisulfonat bei 150' C erfolgt. Weiter wird in dieser Literaturstclle noch ausgeführt, daß sich oberhalb einer Temperatur von 210C aus Ammoniak und Ammoniumimidodisulfonat die Verbindung Ammoniumamidosulfonat bildet. Hierbei ist zu unterstellen, daß sich die beiden letztgenannten Umwandlungen ebenfalls unter Druck vollziehen.

Aus dieser Literaturstelle ist also zu entnehmen, daß die Reaktion als Festkörperreaktion mit gasförmigem Ammoniak durchgeführt wird, da der Schmelzpunkt von . Ammoniumnitridotrisulfonat ebenso wie derjenige von Ammoniumimidodisulfonat oberhalb des angegebenen Temperaturbereiches liegt.

Dies bedeutet aber, daß bei der unter Ammoniakdruck ablaufenden Reaktion die Reaktionspartner, sei es nun reines Ammoniumnilridotrisulfonat bzw. reines Animoniumimidodisulfonat oder ein Gemisch dieser beiden Verbindungen, in festem Zustand in das Reaktionsgefäß eingebracht werden müssen, wo dann die Reaktion nach Aufbau des Druckes abläuft. Selbst wenn man berücksichtigt, daß Ammoniumimidodisulfonat, welches an Luft unter partieller Zersetzung bei etwa 325°C schmilzt, beim Erhitzen unter ammoniakalischer Atmosphäre bereits eine teilweise Ammonolyse erleidet und dadurch der Schmelzpunkt auf etwa 280" C abgesenkt wird, so ist es dennoch nicht möglieh, bei dem angegebenen Temperaturbereich der Literaturstelle ein geschmolzenes Ausgangsprodukt zu erhalten, welches in flüssiger Form, z. B. durch Pumpen, in das unter Druck stehende Reaktionsgefäß eingeführt werden könnte. Zwar ergibt sich nach Um-Wandlung des größten Teiles der Ausgangsprodukte zu Ammoniumamidosulfonat ein bei den angegebenen Temperaturen flüssiges Reaktionsgemisch, welches als solches aus dem Reaktionsgefäß abgeführt werden könnte, jedoch ist es vor einer neuen Beladung des Reaktionsgefäßes jedesmal erforderlich, normale Temperatur- und Druckbedingungen herbeizuführen. Eine solche Arbeitsweise ist jedoch im Vergleich zu einem kontinuierlich durchgeführten Verfahren hinsichtlich der Wärmeausnutzung, des Zeitaufwandes und der erforderlichen zusätzlichen Einrichtungen für Kühlung und Druckreduzierung äußerst unvorteilhaft.

Demgegenüber ermöglicht es das Verfahrender vorliegenden Erfindung, das Ausgangsprodukt in flüssiger Form in das Reaktionsgefäß einzuführen. Da.wie bereits ausgeführt, das Endpordukt sowieso in flüssiger Form vorliegt, ist es also ohne weiteres möglich, das Verfahren in äußerst wirtschaftlicher Weise kontinuierlich durchzuführen.

Es wurde nun gefunden, daß ein angemessenerGehalt an Ammoniumamidosulfonat im wasserfreien Ausgangsmaterial dessen Schmelzpunkt herabsetzt und es dadurch möglich wird, das Ausgangsmaterial, das der Ammonolyse unterworfen werden soll, in geschmolzenem Zustand oder als Suspension in geschmolzenem Salz in einen Druckbehälter einzuführen. Die Erhitzung wird dabei entweder in ammoniakalischer Atmosphäre oder an der Luft durchgeführt, wie weiter unten noch erläutert werden wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist demzufolge dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze der Ausgangsstoffe unter Zusatz von Ammoniumamidosulfanot herstellt oder die Ausgangsstoffe in geschmolzenem Salz suspendiert, in dieser Form in ein Druckreaktionsgefäß einführt und sie dort unter einem Ammoniakdruck von 30 bis 50 Atmosphären und bei einer Temperatur von 220 bis 25O⁰C umsetzt.

Es ist bereits bekannt, daß Ammoniumamidosulfonat bei etwa 13()'^JC schmilzt und sich bei weiterem Erhitzen entsprechend der folgenden Gleichung (i) in Ammoniumimidodisulfonat und Ammoniak zersetzt; die Geschwindigkeit dieser Reaktion steigt oberhalb 160"C an und erreicht bei etwa 200⁰C ein Maximum.

2NH₁SOiNH₈ -» (NH₄SOJ₂NH + NFI₃ (i)

Es wurde nun gefunden, daß bei der Wärmebehandlung von Ammoniumimidodisulfonat und/oder Ammoniumnitridotrisulfonat mit Ammoniak die folgenden Reaktionen ablaufen, und zwar unter normalem Druck:

(NH₁SC₁)ONFI I NFI₃ -> 2NFI₄SO₁NH.,

(NH₁SOa)₃N -I- NH₃ (H) -.* (NH.SOJoNH -I- NH₄SO₁NH., (iii)

- Die Gleichgewichtsbeziehung'der Reaktionen (i) und (ii) wurde in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen (Fig. 1, E. C.) und außerdem das Schmelzdiagramm NH₄SO₃NH₂/(NH₄SO_:1)₂NH ermittelt (F i g.l). Erst auf Grund dieser Beobachtungen ist es möglich geworden, das. crfindungsgemäße Verfahren zu entwickeln und im wasserfreien Reaktionsprozeß technisch anzuwenden..

In Fig. 1 zeigen die Symbole α und b die Schmelzpunkte von NH.,SO_;,NH_a (132°C) bzw. (NH₁SO₃)ONH (325°C) an, während c ein eutektischer Punkt ist. Da sich NH₁SO₃NH., im Bereich oberhalb 160°C zersetzt, erfolgte die Messung der Kurve b-c in einer ammoniakalischen Atmosphäre.

Wie sich aus den obigen Gleichgewichtswerten ergibt, die durch die Kurve E. C. in F i g. 1 definiert werden, läßt sich NH₁SO_nNH₂ leicht schmelzen, ohne daß eine Zersetzung eintritt, wenn man eine ammoniakalische Atmosphäre verwendet.. Nach der Figur liegt der eutektische Punkt bei 124,5° C, entsprechend 12% (NH,SO_;,)₂NH: Mieraus wird keine Verbindung oder feste Lösung erzeugt werden. Der Schmelzpunkt des Ausgangsmaterials kaimdurchWahldes Mischungsverhältnisses zwischen Ammoniumimidodisulfonat und Ammoniumamidosulfonat frei innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen etwa 125 und 325°C eingestellt werden, je nach dem Mischungsverhältnis zwischen Ammoniumimidodisulfonat und Ammoniumamidosulfonat.

Im Feld I oberhalb der Kurve a-c-b des Zustandsdiagramms bildet das System eine gleichförmige Flüssigkeit, während im Feld II (bee) flüssiges und festes (NH,Sq,),NH und im Feld III (unterhalb d-c-e) festes (NH₁SOa)UNH und festes NH₁SO₃NH, vorliegt.

Aus diesen Werten ist also ersichtlich, daß die Ausgangsstoffe durch Zusatz von Ammoniumamidosulfonat in den geschmolzenen Salzen suspendiert werden können.

Bevorzugt wird daher die Ammoniumamidosulfonat enthaltende Ausgangsmischling in Luft bei Temperaturen zwischen 125 und 160⁰C oder in einer ammoniakalischen Atmosphäre bei Temperaturen oberhalb 160°C geschmolzen oder in eine Suspension in geschmolzenenSalzenüberführt. Hierdurch ist es möglich, die Ausgangsprodukte immer in flüssiger Form in das Reaktionsgefäß einzuführen, so daß, da die Endprodukte sowieso in flüssiger Form unter den Reaktionsbedingungen vorliegen, eine kontinuierliche Arbeitsweise unter Druck aufrechterhalten werden kann.

Besonders zweckmäßig ist es, die Ausgangsstoffe statt mit reinem Ammoniumamidosulfonat mit dem erfindungsgemäßen Reaktionsprodukt zu vermischen und in die Umsetzungsapparatur einzuführen. Auf diese Weise wird die Verwendung von kostspieligem, reinem Ammoniumamidosulfonat vermieden, und ein Teil des angefallenen Reaktionsproduktes wird lediglich als Träger für das neu einzusetzende Äusgangsmaterial wieder in das Verfahren zurückgeführt.

Ferner ist es vorteilhaft, die Ausgangsstoffe durch Erhitzung in ammonikalischer Atmosphäre unter Normaldruck zwischen 230 und 320°C vor dem Einführen in das Reaktionsgefäß in eine Schmelze bzw. eine Suspension in einer Schmelze zu überführen. Hierdurch ist es möglich, daß die Reaktionsgleichgewichte zunächst entgegen der gewünschten Gleichgewichtseinstellung verschoben werden, wodurch jedoch eine Schmelze bzw. eine in einer Schmelze dispergierte Suspension erhalten wird, so daß das Äusgangsmaterial wiederum in das unter Druck stehende Reaktionsgefäß kontinuierlich eingeführt werden kann, was bei einer festen Ausgangsmischung nicht ohne weiteres möglich wäre. ■.·..·..

Beispielsweise wird eine Mischung aus gleichen Teilen (NH,SO₃)jNH und NH₄SO₃NH₂ auf 160°C erwärmt; diese Zusammensetzung ist durch den Punkt 1 in F i g. I angegeben. Das Gewichtsverhältnis des zu suspendierenden festen (NH₄SO_:!)₂NH und. der geschmolzenen Salze beläuft sich auf /;;/:///. Bei Erhöhung der Temperatur in ammoniakalischer Atmosphäre kann eine vollkommene Lösung bei 127°C erreicht werden (Punkt O). Wenn Ammoniumimidodisulfonat in ammoniakalischer Atmosphäre auf eine Tem-

t5 peratur zwischen 240 und 320°C erwärmt wird, geht es, wie bereits gesagt, zum Teil in Ammoniumamidosulfonat über, so daß sein Schmelzpunkt eingestellt werden kann, wie es durch Zusatz von Ammoniumamidosulfonat möglich ist. Die Ammonolysedes Ammoniumimidodisulfonats in ammoniakalischer Atmosphäre zeigt bei normalem Druck eine relativ geringe Reaktionsgeschwindigkeit. Man kann diese Reaktionsgeschwindigkeit jedoch erhöhen, wenn man bei etwa 240°C beginnt, und ein ammoniumamidosulfonithaltiges· Pro- dukt (40 bis 50%) in einem Temperaturbereich zwischen 250 und 360° C erzeugen.

Bei Ammoniumnitridotrisulfonat ist das Diagramm der Erstarrungspunkte des Systems ,

NH₄SO₃NH₂-(NH₄SOa)₃N

oberhalb 70% NH₄SO₃NH₂ (Erstarrungspunkt unter 160°C) ganz ähnlich wie das der Fig. 1, jedoch wird es leicht variiert gemäß

(NH₄SOj)₃N-I-NH₃ -> (NH₄SO,),NH ' . -f NH₄SO₃NH₂

durch Wärmebehandlung bei 200°C in animoniakalischer Atmosphäre unter gewöhnlichem Druck. Dabei werden Ammoniumimidodisulfonat und Ammoniumamidosulfonat erzeugt, was dann in der obigen Weise behandelt wird. . ' ' ?';

Ferner können die Reaktionsprodukte zwischen Schwefeltrioxyd und Ammoniak außer dem Atnmo-.niumimidotrisulfonat eine wesentliche Menge Ammoniumamidosulfonat (etwa 40%) enthalten, wenn die Reaktion unter Verwendung von luftfreiem' Schwefeltrioxyd bei einer geeigneten Reaktioiistemperatur durchgeführt wird. . . "''!'.-'..'..".'.''.'.

Wenn dagegen Converter-Gas (5 bis 10 % SO₃) aus der Kontakt-Schwefelsäureanlage verwandt wird, kaiin ein Ammoniumamidosulfonat von wenigstens 5 bis 15% erzielt werden. .

Wenn die Reaktion bei einer Temperatur über 160°C durchgeführt wird, wird das Ammt>niumimidodisulfonat zum Hauptprodukt, jedoch muß das Ammoniumnitridotrisulfonat zum Hauptprodukt werden, . wenn das SO₃: NH₃-Molverhältnis von 1:1,5 und eine Temperatur unter 160°C eingehalten wird..:. ,

Diese Produkte können ebenfalls in der oben be-^ schriebenen Weise behandelt werden.

Es läßt sich in der Tat ein Produkt, das mehr als · 90% Ammoniumamidosulfonat enthält, in einer Reaktionszeit von etwa 20 Minuten erzielen.

Die Reaktion ist innerhalb 2 bis 3 Minuten beendet, wenn für einen guten Kontakt zwischen dem geschmolzenen Salz und dem gasförmigen NH₃ gesorgt ist. Er-

findungsgemäß kann der Prozeß kontinuierlich in einem röhrenförmigen Druckreaktionsgefäß durchgeführt werden.

Das rohe Ammoniumamidosulfonat läßt sich als Unkrautvernichtungsmittel, Flammschutzmittel usw. verwenden, ohne daß es noch gereinigt werden muß.

Ein gereinigtes Ammoniumamidosulfonat ist jedoch herstellbar durch Behandlung des Produktes mit flüssigem Ammoniak, konzentrierter wäßriger Ammoniaklösung oder ammoniakalischer Methanollösung, wodurch nur Ammoniumamidosulfonat extrahiert wird.

Der technische Fortschritt und die überraschende Wirkung des vorliegenden Verfahrens liegen also darin, daß einmal durch den Gehalt von Ammoniumamidosulfonat in der Ausgangsmischung diese Ausgangsmischung in flüssiger Form in die Reaktion eingeführt werden kann und daß trotz der auf den ersten Blick ungünstig erscheinenden Beeinflussung der Gleichgewichtsreaktion:

(NH₄SOg)₂NH + NH₃ === 2NH₄SO₃NH₂

(NH₄SO₃)₃N + NH₃ ^ (NH₄SO₃)₂NH

+NH₄SO₃NH₂

dennoch ein technisch eleganter und wirtschaftlicher durchzuführendes Verfahren gegeben ist.

Beispiell

Eine Mischung aus 8,0 kg Ammoniumimidodisulfonat und 12,0 kg Ammoniumamidosulfonat wurde geschmolzen, indem sie in einer ammoniakalischen Atmosphäre auf 20O⁰C erwärmt wurde. Die geschmolzenen Salze wurden dann in ein Druckreaktionsgefäß gegeben, auf das bei einer Temperatur zwischen 220 und 250⁰C 50 Atmosphären Ammoniak aufgepreßt wurden, wobei das Ammoniak absorbiert wurde.

Das Ammoniak wurde dabei kontinuierlich in das Druckreaktionsgefäß eingeführt, und die Reaktionsmischung wurde gerührt, um die Absorption des Ammoniakgases zu fördern. Es wurde ein Produkt mit 92% Ammoniumamidosulfonat erhalten.

B ei'sp iel 2

10,0 kg Ammoniumnitridotrisulfonat wurden durch Erwärmung auf 26O°C in einer ammoniakalischen Atmosphäre geschmolzen, und das geschmolzene Salz wurde in das Druckreaktionsgefäß eingebracht. Durch Anwendung einer ähnlichen Behandlung wie im Beispiel 1 wurde in diesem Fall ein Produkt mit 85 % Ammoniumamidosulfonat erzeugt.

B e i s ρ i e I 3

Eine Mischungaus 10 kgdesReaktionsproduktesvon • Ammoniak und Converter-Gas aus einer Kontakt-Schwefelsäureanlage, bestehend aus 85 % Ammoniumimidodisulfonat, 10% Ammoniumamidosulfonat und 5% Schwefelstickstoffverbindungen, wurde in einer ammoniakalischen Atmosphäre bei 280° C geschmolzen und in ein .Druckrekationsgefäß eingebracht, das auf einen Ammoniakdruck von 30 Atmosphären gehalten wurde.

Eine ähnliche Behandlung wie im Beispiel 1 wurde durchgeführt. Man erhielt 10,7 kg eines Produktes, das 85% Ammoniumamidosulfonat enthielt.

B e i s ρ i e 1 4

Eine Mischung aus 5,0 kg des Produktes des vorhergehenden Beispiels und 5,0 kg des Reaktionsproduktes zwischen Schwefeltrioxyd und Ammoniak, wie es im Beispiel 3 verwendet wurde, wurde derart auf eine Temperatur zwischen 130 und 160⁰C erwärmt, daß das Ammoniumimidodisulfonat in dem geschmolzenen Salz suspendiert wurde. Das Ganze wurde dann in das Druckreaktionsgefäß eingebracht. Der Druck dieses Gefäßes wurde auf mehr als 30 Atmosphären Ammoniak und seine Temperatur auf 230⁰C gehalten.- Bei Einführung der genannten Mischung i.n das Druckreaktionsgefäß bei 230⁰C trat eine Absorption des Ammoniaks durch das geschmolzene Salz ein.

Die Reaktionsprodukte wurden abgezogen, sobald

keine weitere Absorption mehr stattzufinden schien.

Auf diese Weise wurden 5,3 kg eines»Produktes mit 88% Ammoniumamidosulfonat erhalten, und die restliche Menge des geschmolzenen Produktes wurde von neuem dem Verfahren unterworfen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Ammoniumamidosulfonat durch Ammonolyse von Ammoniumimidodisulfonat, Ammoniumnitridotrisulfonat bzw. von Reaktionsprodukten aus Schwefeltrioxyd und Ammoniak, die hauptsächlich diese Verbindungen enthalten, in Abwesenheit von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze der Ausgangsstoffe unter Zusatz von Ammoniumamidosulfonat herstellt oder die Ausgangsstoffe in geschmolzenem Salz suspendiert, in dieser Form in ein Druckreaktionsgefäß einführt und sie dort unter einem Ammoniakdruck von 30 bis 50 Atmosphären und bei einer Temperatur von 220 bis 250° C umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ammoniumamidosulfonat enthaltende Ausgangsmischung in Luft bei Temperaturen zwischen 125 und 160⁰C oder in einer ammoniakalischen Atmosphäre bei Temperaturen oberhalb 160⁰C geschmolzen oder in eine Suspension in geschmolzenen Salzen überführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausgangsstoffe statt mit reinem Ammoniumamidosulfonat mit dem erfindungsgemäßen Reaktionsprodukt vermischt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausgangsstoffe durch Erhitzen in ammoniakalischer Atmosphäre unter Normaldruck bei einer Temperatur zwischen 230 und .320⁰C vor dem Einführen in das Reaktionsgefäß in eine Schmelze bzw. eine Suspension in ' einer Schmelze überführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen