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Verfahren zur Herstellung und Gewinnung von aromatischen
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Mononitroverb indungen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Herstellung und Gewinnung von aromatischen Mononitroverbindungen durch Nitrierung
von aromatischen Verbindungen mit Salpetersäure einer Konzentration im Bereich von
70 bis 100 Gew.-%, destillativer Aufarbeitung des Nitriergemisches und Abtrennung
der aromatischen Mononitroverbindungen.
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Es ist bekannt, daß man bestimmte aromatische Mononitroverbindungen
durch Nitrierung aromatischer Verbindungen mit hochkonzentrierter Salpetersäure
erhalten kann. Beispielsweise ist die Herstellung von 1-Nitroanthrachinon aus Anthrachinon
mit 85 bis 100 Gew.-%-iger Salpetersäure. die Herstellung von Mononitrochlorbenzol
aus Chlorbenzol mit Salpetersäure einer Dichte von 1,52 (das entspricht ca. 98 gew.-5'-iger
Salpetersäure) und die Herstellung von Mononitrobenzol aus Benzol mit 65 bis 70.
gew.-%-iger Salpetersäure bekannt. Im allgemeinen wird dabei Salpetersäure im Uberschuß
eingesetzt.
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Da bei der Nitrierung aromatischer Verbindungen auch Nitroverbindungen
mit mehr als einer Nitrogruppe im Molekül erhalten werden können, wird das Nitriergemisch
zur Gewinnung von Mononitroverbindungen üblicherweise mit einer großen Menge
Eis
oder Wasser verdünnt und dann die Mononitroverbindung isoliert. Die Salpetersäure
fällt dabei in sehr verdünnter Form an und kann auf wirtschaftriche Weise nicht
mehr so aufkonzentriert werden, daß sie für Nitrierungen mit hochkonzentrierter
Salpetersäure wieder verwendet werden kann.
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Gemäß einem neueren Verfahren kann ein 1-Nitroanthrachinon enthaltendes
Reaktionsgemisch aus der Nitrierung von Anthrachinon mit hochkonzentrierter Salpetersäure
aufgearbeitet werden, indem man den Molenbruch der Salpetersäure und/oder die Temperatur
erniedrigt. Die Erniedrigung des Molenbruchs kann erreicht werden, indem man beispielsweise
das Reaktionsgemisch einem Verdampfer zuführt und schnell einen Teil der Salpetersäure
abdestilliert (siehe DT-OS 2 301 735). Bei diesem Verfahren ist vorteilhaft, daß
in einer einfachen Apparatur gearbeitet werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß
man praktisch keinen Einfluß auf die Konzentration der abdestillierten Salpetersäure
hat und, daß im Verdampfer eine starke Erniedrigung des Gewichtsverhältnisses von
Salpetersäure zu organischen Stoffen stattfindet. Wenn sich dieses Verhältnis zu
stark erniedrigt, können besondere verfahrenstechnische und sicherheitstechnische
Maßnahmen erforderlich werden.
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Bei einem weiteren neueren Verfahren für die Nitrierung mit Salpetersäure,
insbesondere für die Nitrierung von Anthrachinon, kann so verfahren werden, daß
zunächst die Nitrierung durch Zusatz von verdünnter Salpetersäure beendet wird und
anschließend das Reaktionsgemisch in das Nitrierprodukt und zwei Salpetersäurefraktionen
unterschiedlicher Konzentration aufgetrennt wird (siehe DT-OS 2 220 377). Bei diesem
Verfahren wird zunächst das gesamte Reaktionsgemisch verdünnt und anschließend die
gesamte verdünnte Salpetersäure aufgearbeitet. Nachteilig ist dabei, daß große Volumina
verdünnter Säure destillativ in eine konzentriertere und eine verdünntere Fraktion
aufgearbeitet werden müssen.
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Bezüglich Nitrierungen von anderen aromatischen Verbindungen als Anthrachinon
mit hochkonzentrierter Salpetersäure und der Aufarbeitung solcher Nitriergemische
liegt nur wenig Literatur vor. Solche Verbindungen, beispielsweise Benzol, Toluol,
Naphthalin, Chlorbenzol, Dichlorbenzol und ähnliche werden meist mit Mischsäuren
oder weniger konzentrierter Salpetersäure nitriert. Die Aufarbeitung von Mischsäuren
in eine wieder verwendbare Form ist jedoch schwierig und aufwendig. Gegen die Verwendung
von hochkonzentrierter Salpetersäure für die Nitrierung solcher Verbindungen besteht
zudem ein Vorurteil, weil bekannt geworden ist, daß in einer Anlage zur Nitrierung
von Benzol mit 65 bis 70 %-iger Salpetersäure eine Mischung von Nitrobenzol, Salpetersäure
und Wasser detonierte (siehe Chem.
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Eng. May 9, 1966, S. 163 und Chem. Eng.News Nov. 28, 1960, S.47).
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Es wurde nun ein Verfahren zur Herstellung und Gewinnung von aromatischen
Mononitroverbindungen durch Nitrierung von aromatischen Verbindungen mit Salpetersäure
einer Konzentration im Bereich 70 bis 100 Gew.-5', destillative Aufarbeitung des
Nitriergemisches und Abtrennung der aromatischen Mononitroverbindungen gefunden,
das dadurch gekennzeichnet ist, daß man im Nitriergemisch in Abhängigkeit von der
Konzentration der jeweils vorliegenden Salpetersäure ein Gewichtsverhältnis von
Salpetersäure + Wasser zu organischen Bestandteilen von 3 (beim Vorliegen 70 %-iger
Salpetersäure) bis 8 (beim Vorliegen 100 -iger Salpetersäure) nicht unterschreitet
und das Nitriergemisch in einer Rektifizierkolonne aufarbeitet, in der Rektifizierkolonne
in Abhängigkeit von der Konzentration der jeweils vorliegenden Salpetersäure Gewichtsverhältnisse
von Salpetersäure + Wasser zu organischen Bestandteilen von 3 (beim Vorliegen von
70 -iger Salpetersäure und einkernigen aromatischen Verbindungen bzw.
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beim Vorliegen 78 %-iger Salpetersäure und mehrkernigen aromatischen
Verbindungen) bis 8 (beim Vorliegen von 100 %-iger Salpetersäure und ein- oder mehrkernigen
aromatischen Verbindungen
nicht unterschreitet, in der das Nitriergemisch
in den Rektifizierbereich eingespeist wird, bei der am Kopf konzentriertere Salpetersäure
als die im Nitriergemisch vorhandene abgenommen wird und in deren Sumpf bei der
Aufarbeitung von Nitriergemischen aus der Nitrierung von relativ reaktionsfähigen
aromatischen Verbindungen eine Salpetersäurekonzentration im Bereich von 66 bis
70 Gew.-5' und bei der Aufarbeitung von Nitrergemis chen aus der Nitrierung von
relativ weniger reaktionsfähigen aromatischen Verbindungen eine Salpetersäurekonzentration
im Bereich 66 bis 85 Gew.-%, stets jedoch eine niedrigere Salpetersäurekonzentration
als im Nitriergemisch aufrechter halten wird und aus dem Sumpfablauf der Rektifizierkolonne
die aromatischen Mononitroverbindungen abgetrennt wird Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren wird die Nitrierung mit Salpetersäure einer Konzentration im Bereich 70
bis 100 Gew.-% vorgenommen. Es ist bevorzugt, reaktionsfähige aromatische Nitroverbindungen,
beispielsweise Benzol, Toluol, Naphthalin Chlorbenzol oder Dichlorbenzol, mit Salpetersäure
einer Konzentration im Bereich 70 bis 90 Gew.-%, insbesondere im Bereich 75 bis
88 Gew.-% zu nitrieren. Weniger reaktionsfähige aromatische Verbindungen, beispielsweise
Anthrachinon, werden bevorzugt mit 85 bis 100 gew.-%-iger Salpetersäure, insbesondere
mit 90 bis 99,5 -iger Salpetersäure nitriert.
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Erfindungsgemäß werden für die Nitrierung solche Mengen Salpetersäure
eingesetzt, daß während der Nitrierung in Abhängigkeit von der Konzentration der
jeweils vorliegenden Salpetersäure bestimmte Gewichtsverhältnisse von Salpetersäure
+ Wasser zu organischen Bestandteilen nicht unterschritten werden. Das Gewichtsverhältnis
ist wie folgt definiert: Man addiert das Gewicht der vorhandenen Salpetersäure,
gerechnet als 100 5'-ige Salpetersäure, zu dem Gewicht des vorhandenen Wassers,
das mit der Salpetersäure eingebracht und während der Nitrierung gebildet worden
sein kann und dividiert diese Summe durch das Gesamtgewicht der vorhandenen organischen
Bestandteile. Die organischen Bestandteile
umfassen insbesondere
die eingesetzte oder nicht umgesetzte aromatische Verbindung und die Nitrierprodukte
der aromatischen Verbindung. Im folgenden wird unter dem Ausdruck Gewichtsverhältnis
stets das zuvor definierte Gewichtsverhältnis verstanden.
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Das nicht zu unterschreitende Gewichtsverhältnis beträgt im Nitriergemisch
beim Vorliegen von 70 %-iger Salpetersäure 3 und beim Vorliegen von 100 S/o-iger
Salpetersäure 8. Zwischen diesen beiden Säurekonzentrationen kann in erster Näherung
eine lineare Abhängigkeit des nicht zu unterschreitenden Gewichtsverhältnisses von
der Säurekonzentration angenommen werden. Bei exakter Betrachtung ist diese Abhängigkeit
nicht streng linear, sondern bei höheren Säurekonzentrationen etwas stärker ausgeprägt
als bei niedrigeren Säurekonzentrationen.
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Vorzugsweise arbeitet man nicht direkt so, daß im Nitriergemisch die
genannten Gewichtsverhältnisse,sondern etwas höhere Gewichtsverhältnisse vorliegen.
Beispielsweise kann beim Vorliegen von 70 96-iger Salpetersäure das Gewichtsverhältnis
mindestens 3,5 und beim Vorliegen von 100 96-iger Salpetersäure mindestens 9 betragen
und bei dazwischenliegenden Salpetersäurekonzentrationen bei entsprechenden Zwischenwerten
liegen.
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Deshalb ist eine genaue Kenntnis der kleinen Abweichungen dem nicht
zu unterschreitenden Gewichtsverhältnis und der Säurekonzentration nicht unbedingt
notwendig.
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Die erfindungsgemäße Nitrierung kann bei üblichen Temperaturen, beispielsweise
bei Temperaturen im Bereich von 0 bis 80 0C durchgeführt werden. Vorzugsweise wird
die Nitrierung bei Temperaturen im Bereich 20 bis 70 0C durchgeführt. Die Nitrierung
kann adiabatisch, teiladiabatisch oder isotherm durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Aufarbeitung des Nitriergemisches erfolgt in
einer Rektifizierkolonne. Hierfür kann eine beliebig gestaltete Rektifizierkolonne
verwendet werden.
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Beispielsweise eine BodenRolonne, Füllkörperkolonne oder Rieselfilmkolonne.
insbesondere eignen sich solche Rektifizierkolonnen, wie sie üblicherweise für die
Gewinnung von hochkonzentrierter Salpetersäure aus Salpetersäure einer Konzentration
oberhalb 66 Gew.-% verwendet werden. Die Rektifizierkolonne wird so betrieben, daß
man am Kopf eine höher konzentrierte Salpetersäure als diejenige im eingespeisten
Nitriergemisch abnimmt. Es ist vorteilhaft, am Kopf der Rektifizierkolonne Salpetersäure
einer solchen Konzentration abzunehmen, die für die Nitrierung der jeweiligen aromatischen
Verbindung wieder verwendet werden kann. Es ist also vorteilhaft, die sich während
der Nitrierung durch freiwerdendes Reaktionswasser verdünnende Salpetersäure in
der Rektifizierkolonne wieder soweit aufzukonzentrieren, daß die Konzentration der
am Kopf der Rektifizierkolonne abgenommenen Salpetersäure derjenigen der ursprünglich
in die Nitrierung eingesetzten Salpetersäure entspricht. Man kann jedoch auch Salpetersäure
einer höheren Konzentration am Kopf der Rektifizierkolonne abnehmen. Die am Kopf
der Rektifizierkolonne abgenommene Salpetersäure kann auch Stickoxide, wie N205,
N204, N02 und/oder NO enthalten. Wenn man Nitriergemische aus der Nitrierung von
relativ reaktionsfähigen aromatischen Verbindungen, beispielsweise aus der Nitrierung
von Benzol, Toluol, Naphthalin oder Chlorbenzol, aufarbeitet, wird am Kopf der Rektifizierkolonne
vorzugsweise Salpetersäure einer Konzentration im Bereich 75 bis 88 Gew.-% abgenommen.
Wenn man Nitriergemische aus der Nitrierung von relativ wenig reaktionsfähigen aromatischen
Verbindungen, beispielsweise Anthrachinon, aufarbeitet, wird am Kopf der Kolonne
vorzugsweise Salpetersäure einer Konzentration im Bereich 90 bis 99,5 Gew. -5' abgenommen.
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Die Anzahl der Böden der erfindungsgemäß zu verwendenden Rektifizierkolonne
richtet sich nach der Säurekonzentration des eingespeisten Nitriergemisches und
der gewünschten Konzentration der am Kopf abzunehmenden Salpetersäure. Im allgemeinen
kann man Rektifizierkolonnen verwenden, die 1-20 theoretische Böden besitzen. Vorzugsweise
werden Rektifizierkolonnen mit 2-15 theoretischen Böden verwendet.
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Die Einspeisstelle des Nitriergemisches in die Rektifizierkolonne
richtet sich nach der Konzentration der Salpetersäure im Nitriergemisch und dem
Konzentrationprofil in der Rektifizierkolonne. Wenn die am Kopf der Rektifizierkolonne
abgenommene Salpetersäure-für die gleiche Nitrierung wieder verwendet werden soll,
ist im allgemeinen nur eine geringe Aufkonzentrierung der im Nitriergemisch vorhandenen
Salpetersäure nötig. In diesen Fällen kann das Nitriergemisch auf einen der oberen
Böden der Rektifizierkolonne, beispielsweise auf den obersten oder zweitobersten
Boden der Rektifizierkolonne eingespeist werden. Sofern eine stärkere Aufkonzentrierung
der im NitriergaYLisch vorhandenen Salpetersäure erwünscht wird, erfolgt die Einspeisung
des Nitriergemisches vorteilhafterweise an einer tieferen Stelle in den Rektifizierbereich
der Rektifizierkolonne.
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Die Rektifizierkolonne wird so ausgelegt und betrieben, daß im Sumpf
eine niedriger konzentrierte Salpetersäure als im Nitriergemisch vorliegt, die Konzentration
der Salpetersäure im Sumpf jedoch nicht unter 66 Gew.-5' absinkt. Beim Aufarbeiten
von Nitriergemischen aus der Nitrierung von relativ reaktionsfähigen aromatischen
Verbindungen, beispielsweise aus der Nitrierung von Benzol, Toluol, Chlorbenzol
oder Naphthalin, wird im Sumpf eine Salpetersäurekonzentration im Bereich 66 bis
70 Gew.-96 aufrechterhalten. Bei der Aufarbeitung
von Nitriergemischen
aus der Nitrierung von relativ weniger reaktionsfähigen aromatischen Verbindungen,
beispielsweise aus der Nitrierung von Anthrachinon, wird im Sumpf eine Salpetersäurekonzentration
im Bereich 66 bis 85 Gev.-% aufrecht erhalten, beispielsweise eine Salpetersäurekonzentration
im Bereich 68 bis 83 Gew.-5', vorzugsweise eine Konzentration im Bereich 70 bis
80 Gew.-5'.
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Es ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, daß während
der destillativen Aufarbeitung an allen Stellen der Rektifizierkolonne in Abhängigkeit
von der Konzentratipn der jeweils vorliegenden Salpetersäure Gewichtsverhältnisse
von Salpetersäure + Wasser zu organischen Bestandteilen von 3 (beim Vorliegen 70
5'-iger Salpetersäure und einkernigen artmatischen Verbindungen bzw. beim Vorliegen
78 Gew. -%-iger Salpetersäure und mehrkernigen aromatischen Verbindungen) bis 8
(beim Vorliegen von 100 Gew.-5'-iger Salpetersäure und ein-oder mehrkernigen aromatischen
Verbindungen) nicht unterschreiten werden Sofern Salpetersäure einer Konzentration
unter 78 Gew.-96 uK mehrkernige aromatische Verbindungen oder Salpetersäure einer
Konzentration unter 70 Gew,-46 und einkernige aromatische Verbindungen vorliegen
kann auch ein Gewichtsverhältnis von weniger als 3 eingestellt werden.
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Dem Teil der Rektifizierkolonne, in dem die Aufkonzentrierung der
Salpetersäure erfolgt, das ist der Teil zwischen der Zugabestelle des Nitriergemisches
und dem Kopf der Rektifizierkolonne, muß dabei keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet
werden. In diesem Apparateteil stellen sich zwangsweise höhere Gowichtsverhältnisse
als im Nitriergemisch ein. Unterhalb der Zugabestelle des Nitriergemisches, insbesondere
im Sumpf der Rektifizierkolonne findet eine Anreicherung der organischen Bestandteile
unter gleichzeitiger Abtreibung von Salpetersäure statt. Hier erniedrigt sich also
das Gewichtsverhältnis.
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Wenn im aufzuarbeitenden Nitriergemisch eine relativ verdünnte Salpetersäure,
beispielsweise eine Salpetersäure im Konzentrationsbereich 70 bis 90 Gew. -5' und
ein relativ hohes Gewichtsverhältnis, beispielsweise ein Gewichtsverhältnis über
10 (bei Salpetersäurekonzentrationen im Bereich 70-80 Gew.-«) oder von über 15 (bei
Salpetersäurekonzentrationen im Bereich 80-90 Gew.-5') vorliegt, sind im allgemeinen
keine besonderen Maßnahmen erforderlich, um im unteren Bereich und im Sumpf der
Rektifizierkolonne die zuvor angegebenen Gewichtsverhältnisse nicht zu unterschreiten.
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Sind jedoch andere Nitriergemische aufzuarbeiten, beispielsweise Nitriergemische,
in denen Salpetersäure einer Konzentration im Bereich 70 bis 85 Gew.-5' und ein
relativ niedriges Gewichtsverhältnis, beispielsweise ein Gewichtsverhältnis unter
10 vorliegen, oder Nitriergemische, in denen konzentriertere Salpetersäure, beispielsweise
85 bis 100 5'-ige Salpetersäure und ein Gewichtsverhältnis unter 15 vorliegen, so
ist es im allgemeinen notwendig, besondere Maßnahmen zu ergreifen, damit im unteren
Teil oder im Sumpf der Rektifizierkolonne die zuvor angegebenen Gewichtsverhältnisse
nicht unterschritten werden.
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Man kann in diesen Fällen ein zu starkes Absinken des Gewichtsverhältnisses
vermeiden, indem man unterhalb der Zugabestelle des Nitriergemisches Wasser oder
Salpetersäure einer Konzentration unterhalb derjenigen im Nitriergemisch zugibt.
Dabei ist zu beachten, daß soviel Wasser oder Salpetersäure zugegeben wird, daß
die zuvor angegebenen Gewichtsverhältnisse an keiner Stelle der Rektifizierkolonne
unterschritten werden. Wenn Salpetersäure einer Konzentration oberhalb 66 Gew.-96
zugegeben wird, ist die Menge der zuzugebenden Salpetersäure nach oben nicht beschränkt.
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Wenn Wasser oder Salpetersäure einer Konzentration unter 66 Gew.-96
zugegeben wird, ist darauf zu achten, daß die Summe aller Kolonnenzuläufe eine Mischung
mit einer Salpetersäurekonzentration über 66 Gew.-96 ergibt. Die Zugabe von Wasser
oder Salpetersäure kann an beliebiger Stelle unterhalb der Zugabestelle
des
Nitriergemisches erfolgen, beispielsweise in den Sumpf der Rektifizierkolonne. Wenn
die Zugabe in den Rektifizierbereich der Rektifizierkolonne erfolgen soll, ist es
vorteilhaft, Salpetersäure einer Konzentration zuzugeben, die maximal um + 5 Gew.-5'
von der Konzentration der Salpetersäure abweicht, die ohne Zugabe der Salpetersäure
an'der Zugabestelle in der Rektifizierkolonne vorhanden ist. Auf diese Weise wird
die Rektifikation in der Kolonne nicht allzusehr gestört.
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Die Rektifizierkolonne kann unabhängig davon, ob zusätzlich Wasser
oder Salpetersäure eingespeist wird oder nicht, bei.Normaldurck, vermindertem Druck
oder leicht erhöhtem Druck betrieben werden. Im allgemeinen arbeitet man bei Drucken
im Bereich 50 bis 760 Torr, vorzugsweise bei Drucken im Bereich 50-500 Torr. Die
Temperaturen, bei denen die Rektifizierkolonne betrieben wird, richten sich nach
dem Druck in der Rektfizierkolonne, nach der Konzentration der Salpetersäure im
Nitriergemisch und nach der Konzentration der am Kopf der Rektifizierkolonne abgenommenen
Salpetersäure.
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Das Rücklaufverhältnis (Verhältnis von flüssigem Rücklauf zu Abnahme
der konzentrierten Salpetersäure) der Rektifizierkolonne kann in weiten Grenzen
variiert werden. Beispielsweise kann das Rücklaufverhältnis zwischen 0 und 5 betragen.
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Bevorzugt sind Rücklaufverhältnisse zwischen 0,1 und 1.
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Die Konzentration der gegebenenfalls rücklaufenden Salpetersäure kann
höher oder gleich groß sein wie die Säurekonzentration auf dem Boden, auf den die
rückgeführte Säure zurückläuft.
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Die Abtrennung der aromatischen Mononitroverbindungen erfolgt aus
dem Sumpfablauf der Rektifizierkolonne.
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Wenn die jeweilige aromatische Mononitroverbindung in flüssiger Form
anfällt, kann dabei eine Trennung zwischen einer wäßrigen, Salpetersäure enthaltenden
Phase und einer
organischen, die aromatische Nitroverbindungen
enthaltenden durchgeführt werden. Zur Erzielung einer besseren Trennung der Phasen
kann es vorteilhaft sein, vor der Phasentrennung eine Kühlung, beispielsweise auf
Raumtemperatur, durchzuführen.
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Es kann weiterhin vorteilhaft sein, die organische Phase nach der
Abtrennung der wäßrigen Phase mit Wasser und/oder einer alkalischen wäßrigen Lösung
und/oder einem geeigneten organischen Lösungsmittel zu waschen. Wenn die jeweilige
aromatische Mononfltroverbindung in fester Form anfällt, kann die Abtrennung durch
mechanische Abtrennung, beispielsweise durch Filtration Zentrifugation oder Dekantieren
erfolgen. Zur Erzielung einer höheren Ausbeute an aromatischen Nitroverbindungen
kann vorteilhaft sein, den Sumpfablauf vor der Phasentrennung zu kühlen und/oder
weiter zu verdünnen.
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Die Abtrennung der aromatischen Mononitroverbindungen kann auch durch
weitgehendes oder vollständiges Abdestillieren von Salpetersäure erfolgen, ggf.
in einer Apparatur mit Rektifizierwirkung. FUr eine solche Destillation können Gemische
eingesetzt werden, die Salpetersäure einer Konzentration unter 70 Gew.-96 und einkernige
aromatische Verbindungen oder Salpetersäure einer Konzentration unter 78 Gew.-96
und mehrkernige aromatische Verbindungen enthalten. Sofern aus dem Sumpfablauf der
Rektifizierkolonne Gemische mit höherer Salpetersäurekonzentration entnommen werden,
ist es erforderlich, geeignete Ausgangsgemische für diese Destillation durch Verdünnung
herzustellen.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Herstellung
und Gewinnung von 1-Nitroanthrachinon durch Nitrierung von Anthrachinon mit Salpetersäure
einer Konzentration im Bereich 85 bis 100 Gew-5', destillativer Aufarbeitung des
Nitriergemisches und Abtrennung von 1-Nitroanthrachinon durch mechanische Abtrennung
kann so verfahren werden, daß man
im Nitriergemisch in Abhängigkeit
von der Konzentration der jeweils vorliegenden Salpetersäure ein Gewichtsverhältnis
von Salpetersäure + Wasser zu organischen Bestandtbilen von 5 (beim Vorliegen 85
5'-iger Salpetersäure) bis 8 (beim Vorliegen 100 5'-iger Salpetersäure) nicht unterschreitet
und das Nitriergemisch in einer Rektifizierkolonne aufarbeitet, in der Rektifizierkolonne
in Abhängigkeit von der Konzentration der jeweils vorliegenden Salpetersäure Gewichtsverhältnisse
von 3 (beim Vorliegen 78 5'-iger Salpetersäure) bis 8 (beim Vorliegen -100 5'-iger
Salpetersäure) nicht unterschreitet, in der das Nitriergemisch in den Rektifizierbereich
eingespeist wird, in der am Kopf konzentriertere Salpetersäure als im Nitriergemisch
mit einer Konzentration im Bereich 90 bis 100 Gew.-96 abgenommen wird, in die unterhalb
der Zugabestelle des Nitriergemisches Wasser oder Salpetersäure einer Konzentration
unterhalb derjenigen im Nitriergemisch, höchstens jedoch 90 96-ige Salpetersäure
zugegeben wird, in deren Sumpf eine niedrigere Salpetersäurekonzentration als im
Nitriergemisch im Bereich von 66 bis 85 Gew.-5' aufrechterhalten wird, und aus dem
Sumpfprodukt der Rektifizierkolonne 1 -Nitroanthrachinon abgetrennt wird.
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Bei einer technischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
für die Herstellung und Gewinnung von 1-Nitroanthrachinon wird wie folgt verfahren:
Anthrachinon wird mit 90 bis 99,5 5'-iger Salpetersäure nitriert. Dabei wird soviel
Salpetersäure eingesetzt, daß das Gewichtsverhältnis von Salpetersäure + Wasser
zu Anthrachincn zu Beginn der Nitrierung beim Einsatz 90 96-iger Salpetersäure mindestens
8 und beim Einsatz 99,5 5'-iger Salpetersäure mindestens 11 beträgt. die Nitrierung
wird bei 20 bis 700C durchgeführt. Nachdem 80 bis 98 X des eingesetzten Anthrachinons
nitriert worden sind, wird das Nitriergemisch in die obere Hälfte einer Rektifizierkolonne
eingespeist, die insgesamt 4 bis 10 theoretische Böden enthält. Die Rektifizierkolonne
wird bei einem Druck im Bereich von 80 bis
300 Torr betrieben.
Am Kopf der Kolonne wird Salpetersäure von der gleichen Konzentration abgenommen,
wie sie für die Nitrierung eingesetzt wird, oder Salpetersäure einer höheren Konzentration.
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Das Rücklaufverhältnis am Kopf der Kolonne beträgt zwischen 0,1 und
1. Durch Zugabe von Wasser oder Salpetersäure einer Konzentration unter 80 Gew.-5'
in den Sumpf der Rektifizierkolonne oder Zugabe von Salpetersäure einer Konzentration
im Bereich 70 bis 90 Gew.-96 in den Rektifizierbereich der Kolonne unterhalb der
Zugabestelle des Nitriergemisches wird dafür gesorgt, daß an keiner Stelle der Rektifizierkolonne
(einschließlich des Sumpfes) ein. Gewichtsverhältnis von Salpetersäure + Wasser
zu organischen Bestandteilen von 3 (beim Vorliegen 77 96-iger Salpetersäure) bis
9 (beim Vorliegen von 99,5 96-iger Salpetersäure) unterschritten wird. Die Zugabe
von Wasser oder Salpetersäure und der Betrieb der Rektifizierkolonne wird dabei
so gesteuert, daß sich im Sumpf eine Salpetersäurekonzentration im Bereich 70 bis
85 Gew.-5' einstellt, mindestens jedoch eine um 10 96 absolut niedrigere Salpetersäurekonzentration
als im Nitriergemisch. Der Sumpfablauf der Rektifizierkolonne wird auf 20 bis 400C
gekühlt und durch Filtration oder Zentrifugation 1-Nitroanthrachinon abgetrennt.
Vor oder nach der Kühlung kann mit Wasser oder Salpetersäure, beispielsweise mit
Salpetersäure einer Konzentration zwischen 20 und 70 Gew.-5' verdünnt werden.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
und Gewinnung von Mononitrobenzol, Mononitrotoluol, Mononitrochlorbenzol, Mononitrodichlorbenzol
oder Mononitronaphthalin durch Nitrierung von Benzol, Toluol, Chlorbenzol, Dichlorbenzol
oder Naphthalin kann bevorzugt so gearbeitet werden, daß man die Nitrierung in 70
bis 100 Gew.-5'-iger Salpetersäure vornimmt, in Abhängigkeit von der Konzentration
der Salpetersäure bei der Nitrierung ein Gewichtsverhältnis von Salpetersäure +
Wasser zu organsichen Bestandteilen von 3 (beim Vorliegen 70 96-iger Salpetersäure)
bis 10 (beim Vorliegen
100 5'-iger Salpetersäure) nicht unterschreitet,
das Nitriergemisch in den Rektifizierbereich einer Rektifizierkolonne mit 1 bis
20 theoretischen Böden einspeist, in der man die gleichen Gewichtsverhältnisse von
Salpetersäure + Wasser zu organischen Bestandte len wie bei der Nitrierung nicht
unterschreitet, an deren Kopf konzentriertere Salpetersäure als im Nitriergemisch
abgenommen und in deren Sumpf eine Salpetersäurekonzentration im Bereich von 66
bis 70 Gew.-5', jedoch eine niedrigere Salpetersäurekonzentration als im Nitriergemisch
aufrecht erhalten wird und aus deren Sumpfablauf Mononitrobenzol, Mononitrotoluol,
Mononitrochlorbenzol, Mononitrodichlorbenzol oder Mononitronaphthalin gegebenenfalls
nach Verdünnung und/oder Kühlung durch Phasentrennung gewinnt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile: Besondere verfahrenstechnische
oder sicherheitstechnische Maßnahmen können unterbleiben, obwohl in Gegenwart konzentrierter
Salpetersäure gearbeitet werden kann. Die Aufarbeitung des Nitriergemisches kann
in einer relativ einfachen Rektifizierkolonne erfolgen, in der sowohl die Beendigung
der Nitrierreaktion als auch die Einstellung geeigneter Bedingungen für die Abtrennung
der aromatischen Mononitroverbindungen erreicht wird. Der Energiebedarf ist günstiger
als im Verfahren der DT-OS 2 220 377, da für die Nitrierung geeignete Salpetersäure
direkt aus dem Nitriergemisch ohne vorherige Verdünnung gewonnen werden kann.
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Weiterhin ist vorteilhaft, daß im erfindungsgemäßen Verfahren mit
relativ kleinen Salpetersäurevolumina gearbeitet werden kann.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen aromatischen
Mononitroverbindungen können als Zwischenprodukte, beispielsweise zur Herstellung
von Farbstoffen verwendet werden (siehe beispielsweise Ullmann, Encyclopädie der
Technischen Chemie, 3.Auflage, 12.Band (1960) S. 773, 777 und 798).
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Die folgenden Beispiele erläutern das erfindungsgemäße Verfahren ohne
es zu beschränken.
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Beispiele (Bei nicht anders gekennzeichneten Prozentangaben handelt
es sich um Gewichtsprozente) Beispiel 1 In einem Mischbehälter werden bei 20 bis
25 0C kontinuierlich 123,55 kg/h 95,5 5'-iger Salpetersäure und 11,18 kg/h Anthrachinon
gemischt und gelöst (mittlere Verweilzeit ca. 8 Minuten).
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Im sich anschließenden Rohrreaktor wird bei 25 bis 450C bei adiabatischer
Reaktionsführung die Nitrierung weitergeführt (mittlere Verweilzeit ca. 21 Minuten).
Das aus dem Reaktor austretende Reaktionsgemisch enthält neben Salpetersäure einer
Konzentration von 93,9 % in gelöster Form ein Gemisch aus 74,5 Gew.-5' 1-Nitroanthrachinon,
8,7 Gew. -5' 2-Nitroanthrachinon, 9,5 Gew.-% Dinitroanthrachinonen, und 6,9 Gew.-96
Anthrachinon. Das Reaktionsgemisch wird auf den dritten Boden einer 5-bödigen Rektifizierkolonne
geleitet. Am Kopf der Kolonne werden bei einem Rücklaufverhältnis von 0,35 : 1 83,5
kg/h Salpetersäure einer Konzentration von 99 % abgenommen. In den Sumpf der Rektifizierkolonne
werden 31,69 kg/h 70 46-ige Salpetersäure zugegeben. Damit werden am Sumpf der Kolonne
81,99 kg/h einer Mischung erhalten, die eine Salpetersäurekonzentration von 77,5
% und ein Gewichtsverhältnis von Salpetersäure und Wasser zu organischen Bestandteilen
von 5 aufweist. Die Rektifizierkolonne wird bei 200 Torr Kopfdruck betrieben. Die
Kopftemperatur liegt bei 50°C, die Sumpftemperatur bei 83 0C. Der Sumpfablauf wird
unter gleichzeitigem Abkühlen auf 25 bis 300 c mit 70 5'-iger Salpetersäure oder
Wasser verdünnt.
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Durch Filtration erhält man 1-Nitro-anthrachinon in einer Reinheit
von 90 5'.
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Beispiel 2 20,80 kg/h Anthrachinon werden bei 200C in einem Behälter
mit 572,73 kg/h Salpetersäure einer Konzentration von 88 % vermischt. Die Nitrierungsreaktion
wird in einer 4-stufigen Kesselkaskade (mittlere Verweilzeit insgesamt 3 Stunden)
bei 60 bis 65 CC weitergeführt. Das aus der Kesselkaskade austretende Reaktionsgemisch
enthält Salpetersäure einer Konzentration von 86,5 % und gelöster Form ein Gemisch
beStehend aus 76 Gey.-% 1-Nitroanthrachinon, 10 Gew.-% 2-Nitroanthrachinon, 9 Gew.-%
Dinitroanthrachinonen
und 5 Gew.-5' Anthrachinon. Das Reaktionsgemisch wird in eine Rektifizierkolonne
eingeleitet, die 6 Abtriebsböden und 4 Verstärkungsböden enthält. Am Kopf der Rektifizierkolonne
werden bei einem Rücklaufverhältnis von 1 : 1 305,14 kg/h Salpetersäure einer Konzentration
von 99 % abgenommen. Aus dem Sumpf der Rektifizierkolonne werden 263,04 kg/h Salpetersäure
und in gelöster Form 25,38 kg/h organische Bestandteile abgenommen. Im Sumpf der
Rektifizierkolonne stellt- sich eine Salpetersäurekonzentration von 72 Gew.-5' ein.
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Die Kolonne wird bei 150 Torr Kopfdruck und 420C Kopftemperatur betrieben.
Die Sumpftemperatur liegt bei 86 0C. 1-Nitroanthrachinon in einer Reinheit von 92
% wird durch Abkühlung des Sumpfablaufes auf 20 bis 300C und Filtration erhalten.
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Beispiel 3 20,80 kg/h Anthrachinon werden kontinuierlich in einem
Kammerreaktor bei 25°C mit 205,71 kg/h 98 bis 99 5'-iger Salpetersäure nitriert
(mittlere Verweilzeit 15 Minuten). Das dem Reaktor entnommene Reaktionsgemisch weist
eine Salpetersäurekonzentration von 95,6 % auf und enthält in gelöster Form ein
Gemisch aus 78,8 Gew. -5' 1 1-Nitroanthrachinon, 7,8 Gew. -5' 2-Nitroanthrachinon,
6,3 Gew.-96 Dinitroanthrachinonen und 6,1 Gew.-96 Anthrachinon.
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Das Reaktionsgemisch wird auf den dritten Boden einer 5-bödigen Rektifizierkolonne
geleitet. Am Kopf der Kolonne werden bei einem Rücklaufverhältnis von 0,25 : 1 141,77
kg Salpetersäure einer Konzentration von 99 % abgenommen. In den Sumpf der Kolonne
werden 114,13 kg/h Salpetersäure einer Konzentration von 70 % eingeleitet. Aus dem
Sumpf der Rektifizierkolonne werden 173,67 kg/h Salpetersäure einer Konzentration
von 76 % und in gelöster Form 25,24 kg/h Feststoff abgezogen. Die Kolonne wird bei
den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 betrieben. Durch Kühlung auf 25 bis 30
0C und Filtration wird 1-Nitroanthrachinon einer Reinheit von 93 bis 94 % erhalten.
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Beispiel 4 20,80 kg/h Anthrachinon werden in einem Rohrreaktor mit
196,88 kg/h Salpetersäure einer Konzentration von 96 96 kontinuierlich bei 50°C
nitriert (mittlere Verweilzeit 20 Minuten). Das dem Reaktor entnommene Reaktionsgemisch
enthält Salpetersäure einer Konzentration von 93,4 % und in gelöster Form ein Gemisch
aus 73,6 Gew.-5' 1-Nitroanthrachinon, 9,6 Gew.-5' 1-Nitroanthrachinon, 9,5 Gew.-5'
Dinitroanthrachinonen und 6,3 Gew.-5' Anthrachinon.
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Das Reaktionsgemisch wird auf den vierten Boden einer 7-stufigen Rektifizierkolonne
eingeleitet. Am Kopf der Rektifizierkolonne werden bei einem Rücklaufverhältnis
von 0,3 : 1 128,37 kg/h Salpetersäure einer Konzentration von 99 46 abgenommen.
Auf den untersten Boden der Rektifizierkolonne werden 195,44 kg/h Salpetersäure
einer Konzentration von 70 46 zugegeben. Im Sumpf der Rektifizierkolonne stellt
sich eine Salpetersäurekonzentration von 73 46 ein . Im Sumpf werden 259,42 kg/h
Salpetersäure und zusätzlich in gelöster Form 25,35 kg/h gelöste Produkte entnommen.
Die Rektifizierkolonne wird bei einem Kopfdruck von 150 Torr, bei einer Kopftemperatur
von 420C und einer Sumpftemperatur von 82 0C betrieben. Durch Kühlung auf 25 bis
30 0C und Filtration wird 1-Nitroanthrachinon einer Reinheit von 92 96 erhalten.
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Beispiel 5 11,71 kg/h Anthrachinon werden zusammen mit 132,72 kg/h
94 -iger Salpetersäure in einem Rohrreaktor kontinuierlich bei isothermer Reaktionsführung
bei 45°C nitriert (mittlere Verweilzeit 20 Minuten). Das im Verlauf einer Stunde
dem Reator entnommene Reaktionsgemisch enthält 14,29 kg rohes Nitroanthrachinon
und 130,13 kg 93 96-ige Salpetersäure. Es wird kontinuierlich auf den dritten Boden
einer 5-bödigen Rektifizierkolonne geleitet. Die Kolonne wird bei einem Kopfdruck
von 200 Torr betrieben. Am Kopf der Kolonne werden 86,09 kg/h 98,5 96-ige Salpetersäure
bei einem Rücklaufverhältnis von 0,3:1 entnommen. Die Kopftemperatur beträgt ca.
50°C. In den Sumpf der Kolonne werden 19,43 kg/h 70 5'-ige Salpetersäure eingegeben.
Am Sumpf der Kolonne werden bei 800C 78,5 5'-ige Salpetersäure und
14,29
kg/h organische Bestandteile entnommen. Durch Zugabe von 70 5'-iger Salpetersäure
wird im Sumpfablauf eine Salpetersäurekonzentration von 77 46 eingestelIt. Nach
Abkühlung auf 25 bis 300C und Filtration wird 1-Nitroanthrachinon in einer Reinheit
von 91 % erhalten.
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Beispiel 6 11,73 kg/h Anthrachinon werden mit 186,78 kg/h 98 %-iger
Salpetersäure bei 10 0C und einer mittleren Verweilzeit von 10 Minuten kontinuierlich
nitriert. Das dem Reaktor im Verlauf einer Stunde entnommene Reaktionsgemisch enthält
14,29 kg rohes Nitroanthrachinon und 187,89 kg 97,5 46-ige Salpetersäure und wird
auf den obersten Boden einer 6-bödigen Rektifizierkolonne eingespeist.
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Am Kopf der Kolonne werden 86,29 kg/h 99 96-ige Salpetersäure abgenommen.
In den Sumpf der Kolonne werden 26,05 kg/h Wasser eingegeben. Am Sumpf der Kolonne
werden 75 5'-ige Salpetersäure und 14,29 kg/h organische Bestandteile entnommen.
Die Kopftemperatur in der Kolonne beträgt 35 0C, die Sumpftemperatur 690C und der
Kopfdruck 100 Torr. Durch Abkühlung des Sumpfablaufs auf 25 bis 300C und Filtration
wird 1-Nitroanthrachinon einer Reinheit von 94 96 erhalten.
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Beispiel 7 In einem kontinuierlichen Verfahren werden pro Stunde 78
g Benzol und 785 g 80 96-ige Salpetersäure in einem Rohrreaktor bei Eropfenströmung
bei einer Reaktionstemperatur von 600C und einer Verweilzeit von 10 Minuten umgesetzt.
Das Reaktionsgemisch gelangt in eine kontinuierlich betriebene Rektifizierkolonne
mit einem Verstärkungsboden und 10 Abtriebsböden, die bei 50 Torr und einem Rücklaufverhältnis
von 0,5 betrieben wird.
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Die Sumpftemperatur beträgt 600C, die Kopftemperatur 39°C.
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Am Sumpf der Rektifizierkolonne werden stündlich 497 g einer 68 96-igen
Salpetersäure zusammen mit 137 g organischen Produlçten entnommen. Am Kopf' der
Rektifizierkolonne werden stündlich 375 g einer 85 5'-igen Salpetersäure entnommen,
die in die
Nitrierung zurückgeführt werden. Aus dem Sumpfablauf
wird nach Kühlung auf 300C die Säurephase durch Phasenscheidung abgetrennt und bis
auf einen Teilstrom von 39 g pro Stunde wieder in die Nitrierung zurückgeführt.
Die organische Phase wird einmal mit Wasser und einmal mit ca. 2 5'-iger Sodalösung
gewaschens Nach Trocknung in einem Fallfilmtrockner erhält man 120 g pro Stunde
Nitrobenzol einer Reinheit von 99,8 Gew.-« (97,4 % der Theorie).