VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON NITROBENZOL METHOD AND DEVICE FOR THE PRODUCTION OF NITROBENZENE
Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich betriebenes Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol umfassend die Schritte: a) Nitrieren von Benzol unter adiabatischen Bedingungen mit Schwefelsäure und Salpetersäure unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure, stöchiometrischen Überschusses an Benzol in mehreren parallel betriebenen Reaktoren; b) zunächst Vereinigen der rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung aus den parallel betriebenen Reaktoren zu einem Mischstrom in einer eigens zu diesem Zweck vorgesehenen Vorrichtung, gefolgt von Trennung des Mischstroms in eine Schwefelsäurephase und eine Nitrobenzolphase in einem stromabwärts angeordneten Phasentrennapparat; c) Aufarbeiten der Nitrobenzolphase unter Gewinnung von Nitrobenzol. The invention relates to a continuously operated process for the production of nitrobenzene comprising the steps: a) nitration of benzene under adiabatic conditions with sulfuric acid and nitric acid using a, based on nitric acid, stoichiometric excess of benzene in several reactors operated in parallel; b) first of all combining the crude process products of the nitration from the reactors operated in parallel to form a mixed flow in a device specially provided for this purpose, followed by separation of the mixed flow into a sulfuric acid phase and a nitrobenzene phase in a downstream phase separation apparatus; c) Working up the nitrobenzene phase to obtain nitrobenzene.
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Produktionsanlage. The invention also relates to a production plant suitable for carrying out the method according to the invention.
Die Nitrierung von Benzol mit Salpetersäure in Gegenwart von Schwefelsäure zu Nitrobenzol und Wasser war bereits Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen und Patentanmeldungen. Dabei werden zwei grundsätzliche Verfahrenstypen unterschieden, die „isotherme“ und die „adiabatische“ Fahrweise: The nitration of benzene with nitric acid in the presence of sulfuric acid to form nitrobenzene and water has already been the subject of numerous publications and patent applications. A distinction is made between two basic types of process, the "isothermal" and the "adiabatic" mode of operation:
Bei der isothermen Fahrweise wird die (beträchtliche) Reaktionswärme der Nitrierung durch indirekte Kühlung mittels eines Wärmeträgermediums weitest möglich abgeführt. In the isothermal mode of operation, the (considerable) heat of reaction of the nitration is dissipated as far as possible by indirect cooling using a heat transfer medium.
Ein isothermes Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol, bei dem eine Reaktions^c/i/an/fe zum Einsatz kommt, ist in US 3,092,671 Bl beschrieben. In diesem Verfahren werden - siehe FIG. 1 und die erläuternden Textpassagen - Benzol und ein Gemisch aus Schwefel- und Salpetersäure mittels einer Kreiselpumpe (1) durch einen Nitrierreaktor (4) gepumpt und zur Reaktion gebracht. Der Nitrierreaktor (4) ist als Wärmeaustauscher ausgebildet, in dem die Reaktionstemperatur durch Thermostatisierung zwischen 120 °F (48,9 °C) und 150 °C (65,6 °C) gehalten wird (vgl. die Beispiele und Patentanspruch 4). Das erhaltene Reaktionsprodukt (umfassend neben Nitrobenzol auch eine Säurephase) wird teilweise - ohne Abtrennung der Säurephase - in die Reaktion zurückgeführt. Der verbleibende Teil des flüssigen Produktgemisches wird in einen Phasentrennapparat (in FIG. 1 nicht gezeigt) geleitet, in welchem eine Phasentrennung in Rohnitrobenzol und Säurephase stattfindet. An isothermal process for the production of nitrobenzene, in which a reaction ^ c / i / an / fe is used, is described in US Pat. No. 3,092,671 B1. In this process - see FIG. 1 and the explanatory text passages - benzene and a mixture of sulfuric and nitric acid are pumped through a nitration reactor (4) using a centrifugal pump (1) and reacted. The nitration reactor (4) is designed as a heat exchanger in which the reaction temperature is kept between 120 ° F (48.9 ° C) and 150 ° C (65.6 ° C) by thermostatting (cf. the examples and claim 4). The reaction product obtained (comprising not only nitrobenzene but also an acid phase) is partially returned to the reaction without separating off the acid phase. The remaining part of the liquid product mixture is passed into a phase separation apparatus (not shown in FIG. 1) in which a phase separation into crude nitrobenzene and acid phase takes place.
Bei der - heute gebräuchlicheren und auch in der vorliegenden Erfindung angewandten - adiabatischen Fahrweise unterbleibt eine Kühlung des Nitrierreaktors, sodass sich die Exothermie der Reaktion, sieht man von unvermeidbaren Wärmeverlusten einmal ab, quantitativ in der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur bei Eintritt in den Nitrierreaktor und der Temperatur
des vollständig umgesetzten Produktgemisches widerspiegelt (sog. adiabatischer Temperatursprung). Damit dieser Temperaturanstieg nicht zu groß wird, wird in adiabatisch betriebenen Verfahren üblicherweise ein sehr großer Schwefelsäureüberschuss eingesetzt. Ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol durch eine adiabatisch betriebene Nitrierung von Benzol unter Einsatz eines Gemisches von Schwefel- und Salpetersäure (sog. Mischsäure) wurde erstmals 1941 in US 2,256,999 beansprucht, wo eine Anordnung aus vier parallel angeordneten Rührkesseln beschrieben ist, die sukzessive mit den Reaktanden beschickt werden. Eine Kreislaufführung wie in US 3,092,671 Bl beschrieben, ist bei einer solchen adiabatischen Fahrweise nicht möglich, ohne die wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens zumindest teilweise aufzugeben, da hier infolge des adiabatischen Temperatursprungs das Reaktionsprodukt eine Temperatur aufweist, die deutlich über der Temperatur der vermischten Reaktanden vor Einsetzen der Reaktion liegt. Die vergleichsweise hohe Temperatur des Reaktionsproduktes wird (nach dessen Trennung in eine Säurephase und eine Nitrobenzolphase) zur Entspannungsverdampfung von in der Säurephase enthaltenem Wasser benötigt. Ein Zurückführen eines Teils des Reaktionsproduktes vor der Phasentrennung, wie in US 3,092,671 Bl beschrieben, würde eine Kühlung des zurückgeführten Anteils erforderlich machen, was die Energiebilanz des Verfahrens und damit dessen Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen würde. In the adiabatic mode of operation, which is more common today and is also used in the present invention, there is no cooling of the nitration reactor, so that the exothermicity of the reaction, apart from unavoidable heat losses, is quantified in the temperature difference between the temperature at the entry into the nitration reactor and the temperature of the completely converted product mixture (so-called adiabatic temperature jump). So that this temperature rise does not become too great, a very large excess of sulfuric acid is usually used in adiabatically operated processes. A continuous process for the production of nitrobenzene by an adiabatically operated nitration of benzene using a mixture of sulfuric and nitric acid (so-called mixed acid) was first claimed in 1941 in US 2,256,999, where an arrangement of four stirred tanks arranged in parallel is described, successively with the reactants are charged. A cycle as described in US Pat. No. 3,092,671 B1 is not possible with such an adiabatic procedure without at least partially giving up the economic advantages of this process, since here, due to the adiabatic temperature jump, the reaction product has a temperature which is well above the temperature of the mixed reactants before use the reaction lies. The comparatively high temperature of the reaction product is required (after it has been separated into an acid phase and a nitrobenzene phase) for the flash evaporation of water contained in the acid phase. Recirculating part of the reaction product before the phase separation, as described in US Pat. No. 3,092,671 B1, would make it necessary to cool the recirculated portion, which would impair the energy balance of the process and thus its economic viability.
Die Reaktionsführung bei adiabatischer Betriebsweise erfolgt im Allgemeinen so, dass die Salpetersäure und Schwefelsäure zur sogenannten Nitriersäure (auch Mischsäure genannt) vereint werden. Benzol wird in diese Nitriersäure hinein dosiert. Auch im erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt diese Vorgehensweise angewandt. Die Reaktionsprodukte sind im Wesentlichen Wasser und Nitrobenzol. In der Nitrierreaktion wird Benzol bezogen auf die molare Salpetersäuremenge mindestens in stöchiometrischer Menge, aber bevorzugt in 2%igem bis 10%igem Überschuss eingesetzt, sodass das in der Nitrierung anfallende Verfahrensprodukt im Wesentlichen Salpetersäure-frei ist. Dieses Verfahrensprodukt wird einem Phasentrennapparat zugeführt, in dem sich zwei flüssige Phasen bilden, eine organische und eine wässrige. Die organische Phase wird als Roh-Nitrobenzol bezeichnet und besteht im Wesentlichen aus Nitrobenzol, Benzol und einer gewissen im Nitrobenzol gelösten Menge an Schwefelsäure und Wasser. Die wässrige Phase wird als Absäure bezeichnet und besteht im Wesentlichen aus Wasser, Schwefelsäure und in der Schwefelsäure gelöstem Nitrobenzol. Neben diesen flüssigen Bestandteilen sind in dem Verfahrensprodukt der Nitrierung noch gasförmige Komponenten enthalten, und zwar einerseits organische Komponenten wie verdampftes Benzol und niedrig siedende, nicht- aromatische Nebenkomponenten (üblicherweise als Leichtsieder bezeichnet) und andererseits anorganische Komponenten wie insbesondere nitrose Gase (NOx), entstanden durch Nebenreaktionen der eingesetzten Salpetersäure. Nach dem Stand der Technik trennen sich diese gasförmigen Komponenten im Phasentrennapparat von den beiden flüssigen Phasen und werden über einen separaten Auslass als Abgasstrom ausgetragen. Dieser Abgasstrom aus dem Phasentrennapparat kann mit den diversen Abgasströmen aus anderen Anlagenteilen
zusammengeführt und aufgearbeitet werden, wobei wie in der Patentanmeldung EP 2 719 682 Al beschrieben, Benzol zurückgewonnen und die nitrosen Gase zu salpetriger Säure umgesetzt werden können. Auf diese Weise können das zurückgewonnene Benzol und die salpetrige Säure rezykliert und der Nitrierung wieder zur Verfügung gestellt werden. In the adiabatic mode of operation, the reaction is generally carried out in such a way that the nitric acid and sulfuric acid are combined to form what is known as the nitrating acid (also called mixed acid). Benzene is dosed into this nitrating acid. This procedure is also preferably used in the process according to the invention. The reaction products are essentially water and nitrobenzene. In the nitration reaction, benzene is used in at least a stoichiometric amount based on the molar amount of nitric acid, but preferably in a 2% to 10% excess, so that the process product obtained in the nitration is essentially nitric acid-free. This process product is fed to a phase separator in which two liquid phases are formed, one organic and one aqueous. The organic phase is called crude nitrobenzene and consists essentially of nitrobenzene, benzene and a certain amount of sulfuric acid and water dissolved in the nitrobenzene. The aqueous phase is referred to as waste acid and consists essentially of water, sulfuric acid and nitrobenzene dissolved in the sulfuric acid. In addition to these liquid components, the nitration process product also contains gaseous components, on the one hand organic components such as evaporated benzene and low-boiling, non-aromatic secondary components (usually referred to as low boilers) and on the other hand inorganic components such as nitrous gases (NO x ) in particular, caused by side reactions of the nitric acid used. According to the state of the art, these gaseous components separate from the two liquid phases in the phase separator and are discharged as an exhaust gas stream via a separate outlet. This exhaust gas flow from the phase separator can be combined with the various exhaust gas flows from other parts of the system are brought together and worked up, whereby, as described in patent application EP 2 719 682 A1, benzene can be recovered and the nitrous gases can be converted to nitrous acid. In this way, the recovered benzene and nitrous acid can be recycled and made available again for nitration.
Das in den Reaktionsapparaten gebildete und im Phasentrennapparat von der Säurephase abgetrennte Roh-Nitrobenzol wird gemäß dem Stand der Technik einer Wäsche und einer destillativen Aufarbeitung unterzogen. Charakteristisch für diese Aufarbeitung ist, dass nicht umgesetztes überschüssiges Benzol nach der Wäsche von Nitrobenzol in einer abschließenden Destillation als Rückbenzol abgetrennt wird. Dieses Rückbenzol, das - neben der im Phasentrennapparat ausgeschleusten Gasphase - auch einen Teil der niedrig siedenden, nicht aromatischen organischen Verbindungen (Leichtsieder) enthält, wird wieder in der Nitrierreaktion eingesetzt. The crude nitrobenzene formed in the reaction apparatus and separated from the acid phase in the phase separation apparatus is subjected to washing and working up by distillation according to the prior art. It is characteristic of this work-up that unreacted excess benzene is separated off as return benzene in a final distillation after washing from the nitrobenzene. This return benzene, which - in addition to the gas phase discharged in the phase separator - also contains some of the low-boiling, non-aromatic organic compounds (low boilers), is used again in the nitration reaction.
Die internationale Patentanmeldung WO 2015/197521 Al betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Nitrobenzol durch Nitrierung von Benzol mit einem Gemisch aus Salpetersäure und Schwefelsäure, bei dem während eines Produktionsstillstandes nicht die ganze Produktionsanlage abgefahren wird, sondern die Produktionsanlage ganz oder zumindest teilweise „im Kreis“ gefahren wird. Des Weiteren betrifft diese Patentanmeldung eine Anlage zur Herstellung von Nitrobenzol und ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Herstellung von Nitrobenzol. Die Anlage zur Herstellung von Nitrobenzol kann mehrere parallel oder in Reihe geschaltete Nitrierreaktoren aufweisen. The international patent application WO 2015/197521 A1 relates to a method for the continuous production of nitrobenzene by nitrating benzene with a mixture of nitric acid and sulfuric acid, in which the entire production plant is not shut down during a production standstill, but the production plant completely or at least partially "in a circle “Is driven. This patent application also relates to a plant for the production of nitrobenzene and a method for operating a plant for the production of nitrobenzene. The plant for the production of nitrobenzene can have several nitration reactors connected in parallel or in series.
Die Patentanmeldung US 2017/152210 Al (auch veröffentlicht als WO 2015/197522 Al) betrifft Verfahren zur Herstellung von chemischen Produkten, bei denen der oder die Einsatzstoff(e) zu einem chemischen Produkt oder einer chemischen Zusammensetzung umgesetzt werden sowie Anlagen zur Durchführung solcher Verfahren. Die Verfahren und die Anlagen zeichnen sich dadurch aus, dass während einer Unterbrechung der Produktion kein Eintrag von mindestens einem Einsatzstoff in die Reaktion stattfindet und die nicht von einer Revisions-, Wartungs-, Reparatur oder Reinigungsmaßnahme betroffenen Anlagenteile in sogenannter Kreislauffahrweise weiter betrieben werden. Die beschriebenen Anlagen können parallel oder in Reihe geschaltete Reaktoren aufweisen. Als ein Beispiel für Verfahren und Anlagen, auf welche die beschriebene Erfindung Anwendung finden kann, wird die Nitrobenzolherstellung genannt. The patent application US 2017/152210 A1 (also published as WO 2015/197522 A1) relates to processes for the production of chemical products in which the input material (s) are converted into a chemical product or a chemical composition, as well as systems for carrying out such processes . The processes and systems are characterized by the fact that during an interruption in production there is no entry of at least one input material into the reaction and the system parts not affected by an overhaul, maintenance, repair or cleaning measure continue to be operated in a so-called cycle mode. The plants described can have reactors connected in parallel or in series. Nitrobenzene production is mentioned as an example of processes and systems to which the described invention can be applied.
Die Patentanmeldung EP 0 696 574 Al befasst sich mit einem Verfahren zur Hydrierung von Nitroaromaten zu aromatischen Aminen in der Gasphase an ortsfesten Katalysatoren, worin dem Katalysator von außen weder Wärme zugeführt noch Wärme entzogen wird, das heißt, dass das Verfahren adiabatisch betrieben wird. FIG. 2 zeigt eine Produktionsanlage mit drei parallel geschalteten Reaktoren (II, III und IV). Die Reaktionsprodukte (6, 7, 8) der drei Reaktoren werden in einer gemeinsamen Leitung vereint und nach Abkühlung in einem Wärmeaustauscher (V) zur
Dampferzeugung in eine Destillationskolonne (VIII) geführt. Am Kopf der Destillationskolonne (VIII) wird ein Wasser/ Anilin-Dampfgemisch (12) erhalten, welches in einem Kondensator (IX) kondensiert wird. Ein erster Teil des Kondensats (13) wird als Rücklauf wieder auf die Destillationskolonne (VIII) gegeben, während ein zweiter Teil in ein Trenngefäß (X) geführt wird. In diesem Trenngefäß wird Wasser-haltiges Anilin (14) von Anilin-haltigem Wasser (16) getrennt. Das Wasser-haltige Anilin (14) wird mit dem Sumpfstrom (11) der Destillationskolonne (VIII), der ebenfalls Wasser-haltiges Anilin enthält, vereint und der weiteren Aufarbeitung zugeführt. Die ortsfesten Katalysatoren werden in Form von Katalysatorschüttungen auf oder zwischen gasdurchlässigen Wandungen angebracht. Der Einsatz von Wabenkörpern oder gewellten Schichten, die durch das Aufbringen geeigneter Metallverbindungen katalytisch aktiv gemacht wurden, anstelle von Katalysatoischüttungen ist ebenfalls möglich. Solche für Gasphasemeaktionen mit ortsfesten Katalysatoren ausgelegte Reaktoren eignen sich nicht für die Nitrierung von Benzol mit Salpetersäure in Gegenwart von Schwefelsäure, wobei die Schwefelsäure - genau wie die anderen Reaktanden auch - den Reaktor durchströmt und neben ihrer Wirkung als Katalysator noch der Aufnahme der Reaktionswärme dient. Patent application EP 0 696 574 A1 deals with a process for the hydrogenation of nitroaromatics to aromatic amines in the gas phase over stationary catalysts, in which neither heat is supplied to the catalyst from the outside nor heat is withdrawn, that is, the process is operated adiabatically. FIG. 2 shows a production plant with three reactors connected in parallel (II, III and IV). The reaction products (6, 7, 8) of the three reactors are combined in a common line and after cooling in a heat exchanger (V) for Steam generation passed into a distillation column (VIII). At the top of the distillation column (VIII), a water / aniline vapor mixture (12) is obtained which is condensed in a condenser (IX). A first part of the condensate (13) is returned to the distillation column (VIII) as reflux, while a second part is fed into a separation vessel (X). In this separation vessel, water-containing aniline (14) is separated from aniline-containing water (16). The water-containing aniline (14) is combined with the bottom stream (11) of the distillation column (VIII), which likewise contains water-containing aniline, and fed to further work-up. The stationary catalysts are attached in the form of catalyst beds on or between gas-permeable walls. The use of honeycombs or corrugated layers, which have been made catalytically active by applying suitable metal compounds, instead of catalyst beds is also possible. Such reactors designed for gas phase reactions with stationary catalysts are not suitable for the nitration of benzene with nitric acid in the presence of sulfuric acid, the sulfuric acid - just like the other reactants - flowing through the reactor and, in addition to its effect as a catalyst, also serves to absorb the heat of reaction.
Die chinesische Patentanmeldung CN 1789235 A befasst sich mit dem Einsatz eines Rohrreaktors in Nitrierreaktionen. The Chinese patent application CN 1789235 A deals with the use of a tubular reactor in nitration reactions.
Die Patentanmeldung DE 10 2009 005324 Al befasst sich mit Problemen, die der hohe Leichtsiederanteil des Rückbenzols mit sich bringen kann und beschreibt in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol durch adiabatische Nitrierung von Benzol, bei dem das bei der Reinigung des Nitrobenzols gewonnene Benzol/Leichtsieder-Gemisch zur Nitrierung rezykliert wird und die Abtrennung des Rohnitrobenzols von der Schwefelsäure nach der Reaktion unter Druck erfolgt. The patent application DE 10 2009 005324 A1 deals with problems that the high low boiler content of the backbenzene can bring with it and describes in this context a process for the production of nitrobenzene by adiabatic nitration of benzene, in which the benzene obtained in the purification of the nitrobenzene / Low boiler mixture is recycled for nitration and the separation of the crude nitrobenzene from the sulfuric acid is carried out under pressure after the reaction.
Die Behandlung des Abgases aus der adiabatisch durchgeführten Nitrierreaktion im Hinblick auf nitrose Gase wird in EP 0 976 718 A2 beschrieben. Das Abgas aus dem Säurekreislauf und dem Rohnitrobenzol wird abgezogen, vereint und über einen NOx-Absorber geschickt, um verdünnte Salpetersäure zurückzugewinnen, die in die Reaktion zurückgefahren wird. Die im Kreis geführte Schwefelsäure wird in einem Blitzverdampfer aufkonzentriert und weitestgehend von Organika befreit. Es verbleiben hochsiedende Organika wie z. B. Nitrobenzol, Dinitrobenzol und Nitrophenole in Spuren in der Kreislaufsäure und werden somit auch zur Reaktion zurückgefahren. The treatment of the exhaust gas from the adiabatically carried out nitration reaction with regard to nitrous gases is described in EP 0 976 718 A2. The exhaust gas from the acid cycle and the crude nitrobenzene are drawn off, combined and sent through an NO x absorber in order to recover dilute nitric acid, which is returned to the reaction. The circulating sulfuric acid is concentrated in a flash evaporator and largely freed from organic substances. There remain high-boiling organic substances such. B. nitrobenzene, dinitrobenzene and nitrophenols in traces in the circulatory acid and are thus also reduced to the reaction.
In der Patentanmeldung WO 2014/016292 Al wird beschrieben, wie der Nitrobenzolprozess besser angefahren werden kann, indem man den Gehalt an aliphatischen organischen Verbindungen im Einsatzbenzol während der Anfahrzeit niedrig (Massenanteil kleiner als 1,5 %) hält. Dies wird erreicht, indem während der Anfahrzeit das Verhältnis von Frischbenzol zu Rückbenzol in Abhängigkeit insbesondere der Reinheit des Rückbenzols so eingestellt wird, dass der geforderte Höchstgehalt an aliphatischen organischen Verbindungen im Einsatzbenzol nicht überschritten
wird. Dabei kann der Anteil an Rückbenzol während der Anfahrzeit auch null betragen; dann wird dem Nitrierreaktor während der Anfahrzeit nur Frischbenzol ausreichender Reinheit zugeführt. In der Patentanmeldung WO 2014/016289 Al wird beschrieben, wie die kontinuierliche Nitrierung von Benzol zu Nitrobenzol im Regelbetrieb verbessert werden kann, indem der Gehalt an aliphatischen organischen Verbindungen im Einsatzbenzol auf einen Massenanteil von kleiner 1,5 % beschränkt wird. Dies wird in einer Ausführungsform über Ausschleusung von Leichtsiedern mit der Gasphase des Phasentrennapparats erreicht. Beide Patentanmeldungen beziehen sich insbesondere auf eine verbesserte Produktqualität und eine optimierte Wäsche des Rohnitrobenzols; der Einfluss von Leichtsiedern im Phasentrennapparat wird jedoch nicht aufgegriffen. The patent application WO 2014/016292 A1 describes how the nitrobenzene process can be started up better by keeping the content of aliphatic organic compounds in the starting benzene low (mass fraction less than 1.5%) during the start-up time. This is achieved by adjusting the ratio of fresh benzene to reverse benzene during the start-up time, depending in particular on the purity of the reverse benzene, so that the required maximum content of aliphatic organic compounds in the feed benzene is not exceeded becomes. The proportion of reverse benzene can also be zero during the start-up time; then only fresh benzene of sufficient purity is fed to the nitration reactor during the start-up period. Patent application WO 2014/016289 A1 describes how the continuous nitration of benzene to nitrobenzene can be improved in regular operation by limiting the content of aliphatic organic compounds in the feed benzene to a mass fraction of less than 1.5%. In one embodiment, this is achieved by discharging low boilers with the gas phase of the phase separation apparatus. Both patent applications relate in particular to improved product quality and optimized washing of the crude nitrobenzene; however, the influence of low boilers in the phase separator is not taken up.
Der Phasentrennapparat (auch Dekanter genannt) hat nicht nur die wichtige Aufgabe, das Verfahrensprodukt der Nitrierung in eine wässrige saure Phase und eine organische Phase enthaltend Roh-Nitrobenzol aufzutrennen. Zusätzlich wird, wie bereits erwähnt, im Phasentrennapparat auch eine Benzol, Leichtsieder und nitrose Gase enthaltende Gasphase abgezogen. Es gilt also, im Phasentrennapparat eine genügend hohe Verweilzeit bereitzustellen, so dass sich diese physikalischen Vorgänge (Trennung des rohen Verfahrensproduktes der Nitrierung in zwei Flüssigphasen und eine Gasphase) durchführen lassen, ohne dass die Produktionskapazität der Anlage negativ beeinflusst wird. Durch das Vorliegen der Gasphase im Apparat muss der Trennapparat deutlich größer ausgelegt werden, als es bei einer reinen Llüssig-flüssig-Trennung der Pall wäre. The phase separator (also called decanter) not only has the important task of separating the nitration process product into an aqueous acidic phase and an organic phase containing crude nitrobenzene. In addition, as already mentioned, a gas phase containing benzene, low boilers and nitrous gases is also drawn off in the phase separator. It is therefore important to provide a sufficiently long residence time in the phase separation apparatus so that these physical processes (separation of the crude process product of nitration into two liquid phases and one gas phase) can be carried out without adversely affecting the production capacity of the plant. Due to the presence of the gas phase in the apparatus, the separation apparatus must be designed to be significantly larger than would be the case with a pure liquid-liquid separation.
Die Effizienz von Gas-flüssig- oder Flüssig-flüssig-Phasentrennapparaten kann nach dem Stand der Technik durch besondere Einbauten oder eine besondere Ausführung des Eintritts in den Apparat erhöht werden. Dies gilt auch für die Phasentrennungen im Nitrobenzolverfahren (Phasentrennung nach der Reaktion und Phasentrennungen im Rahmen der Wäschen). Einbauten wie Platteneinbauten, Gestricke, Lamellen und Füllkörper können die Strömung vergleichmäßigen und beruhigen und die Oberfläche vergrößern, sodass Phänomene wie Koaleszenz und die Abscheidung von Tropfen und Blasen schneller ablaufen. Der Eintritt in den Phasentrennapparat kann über Prall oder Umlenkbleche erfolgen, die die Strömung beruhigen oder an die Apparatewand lenken, mit dem Ziel, die Verweilzeit im Apparat zu vergrößern und so die Trenneffizienz zu steigern. Gängige Varianten sind beispielsweise beschrieben in Gulf Equipment Guides, Gas-Liquid and Liquid- Liquid Separators, Kapitel 3.5 ( Vessel Internais) auf den Seiten 84 bis 89, Jahrgang 2009, von Maurice Stewart und Ken Arnold sowie in Fundamentals of Natural Gas Processing, Kapitel 5, Seiten 105 bis 117, Jahrgang 2011, von Arthur J Kidnay, William R. Parrish und Daniel G. McCartney. Die in der genannten Literatur beschriebenen Varianten werden teilweise am Beispiel von Gas-flüssig-Phasentrennungen erläutert, sind jedoch, was die grundlegenden Prinzipien angeht, auch für Flüssig-flüssig- oder dreiphasige Gas-flüssig-flüssig-Trennungen einsetzbar. Nachteilig an den Verfahren des Standes der Technik ist, dass es durch die Strömungsberuhigung und
Beschaffenheit der Einbauten zu Ablagerungen und Fouling kommen kann. Beispielsweise setzen sich Gestricke und Lamellen mit der Zeit zu, auf den Platten kommt es zu Ablagerungen. Bei Druckstößen oder zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es zu Beschädigungen der Einbauten kommen. Aufgrund der korrosiven Medien werden die Phasentrennapparate üblicherweise innen aus Email gefertigt. Durch die Einbauten können die Apparate beschädigt werden und die Wartung oder Instandhaltung der Apparate wird aufwändiger. According to the state of the art, the efficiency of gas-liquid or liquid-liquid phase separation apparatus can be increased by means of special internals or a special design of the inlet into the apparatus. This also applies to the phase separations in the nitrobenzene process (phase separation after the reaction and phase separations during the washes). Fixtures such as built-in panels, knitted fabrics, lamellas and fillers can even out and calm the flow and increase the surface area so that phenomena such as coalescence and the separation of droplets and bubbles take place more quickly. Entry into the phase separation apparatus can take place via baffles or baffles, which calm the flow or direct it to the apparatus wall, with the aim of increasing the residence time in the apparatus and thus increasing the separation efficiency. Common variants are described, for example, in Gulf Equipment Guides, Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators, Chapter 3.5 (Vessel Internais) on pages 84 to 89, year 2009, by Maurice Stewart and Ken Arnold and in Fundamentals of Natural Gas Processing, Chapter 5, pages 105 to 117, year 2011, by Arthur J Kidnay, William R. Parrish and Daniel G. McCartney. The variants described in the literature mentioned are partially explained using the example of gas-liquid phase separations, but, as far as the basic principles are concerned, they can also be used for liquid-liquid or three-phase gas-liquid-liquid separations. The disadvantage of the prior art method is that the flow calming and The condition of the fixtures, deposits and fouling can occur. For example, knitted fabrics and lamellas clog over time, and deposits form on the panels. In the event of pressure surges or excessive flow velocities, the built-in components can be damaged. Due to the corrosive media, the phase separators are usually made of enamel inside. The equipment can be damaged by the built-in components and the maintenance or repair of the equipment becomes more complex.
Die betriebliche Praxis hat gezeigt, dass es in der Phasentrennung des rohen Verfahrensprodukts der Nitrierung immer wieder einmal zu Problemen kommen kann. Diese äußern sich beispielweise in einer unzureichenden Phasentrennung (z. B. Mitriss von Organika in die Säurephase oder Bildung schwarzer Niederschläge). Diese Probleme treten dann noch in verstärktem Maße auf, wenn die rohen Verfahrensprodukte mehrerer parallel betriebener, insbesondere unabhängig voneinander regelbarer, Nitrierreaktoren, d. h. bei Durchführung der Reaktion in mehreren parallel betriebenen Reaktionsstraßen (auch als Reaktionsstränge bezeichnet), in einen gemeinsamen Phasentrennapparat geführt werden. Diese Vorgehens weise ist in der Praxis nicht unüblich. Eine mehrstraßige Reaktion in Verbindung mit einer einstraßigen Aufarbeitung hat sich oft als bester Kompromiss zwischen den Anforderungen der Minimierung der Investitionskosten auf der einen Seite und größtmöglicher Flexibilität in der Produktion auf der anderen Seite erwiesen. Operational practice has shown that problems can arise again and again in the phase separation of the crude process product of the nitration. This manifests itself, for example, in insufficient phase separation (e.g. entrainment of organic substances in the acid phase or formation of black precipitates). These problems occur to an even greater extent when the crude process products of several nitration reactors operated in parallel, in particular independently controllable, ie. H. when carrying out the reaction in several reaction lines operated in parallel (also referred to as reaction lines), are fed into a common phase separation apparatus. This approach is not uncommon in practice. A multi-line reaction in connection with a single line processing has often proven to be the best compromise between the requirements of minimizing investment costs on the one hand and the greatest possible flexibility in production on the other.
Es bestand daher ein Bedarf an weiterer Verbesserung der Herstellung von Nitrobenzol in mehreren parallel betriebenen Reaktionsstraßen, insbesondere was die Effizienz der Trennung des Reaktionsprodukts der Nitrierung in zwei flüssige Phasen und eine gasförmige Phase angeht. Insbesondere wäre es wünschenswert, das Abführen des gasförmigen Anteils und die Trennung der beiden flüssigen Phasen voneinander möglichst optimal zu gestalten, sowohl was die Güte der Trennung als auch die verfahrenstechnische und apparative Ausgestaltung angeht. Auch sollten unterschiedliche Lasten und Reaktionsbedingungen auf den einzelnen Reaktionsstraßen die Trenneffizienz nicht verschlechtern. Diesem Bedarf trägt die vorliegende Erfindung sowohl in verfahrenstechnischer als auch in vorrichtungstechnischer Hinsicht Rechnung. There was therefore a need to further improve the production of nitrobenzene in several reaction lines operated in parallel, in particular with regard to the efficiency of the separation of the nitration reaction product into two liquid phases and a gaseous phase. In particular, it would be desirable to design the removal of the gaseous fraction and the separation of the two liquid phases from one another as optimally as possible, both in terms of the quality of the separation and the design of the process and equipment. Also, different loads and reaction conditions on the individual reaction lines should not worsen the separation efficiency. The present invention takes this need into account both in terms of process engineering and in terms of device engineering.
Überraschend wurde gefunden, dass immer wieder einmal beobachtete Probleme in der Flüssig- flüssig-Phasentrennung in Zusammenhang mit dem Zusammenführen der Verfahrensprodukte der einzelnen Reaktionsstraßen in einen gemeinsamen Phasentrennapparat (also der Durchführung der Vermischung und Phasentrennung in ein und demselben Apparat ) stehen und dass diese Probleme gelöst oder zumindest spürbar vermindert werden können, wenn die Vermischung separat von der Phasentrennung erfolgt. Mit schwankender Nachfrage nach dem Produkt Nitrobenzol werden z. B. die Durchsätze in den einzelnen Reaktionsstraßen variiert, so dass aus den einzelnen Straßen unterschiedliche Mengen in den Phasentrennapparat gelangen, was zu einer verminderten Trenneffizienz führen kann. Da die einzelnen Straßen üblicherweise an verschiedenen Stellen in den Trennapparat einlaufen, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Mengen zu
unterschiedlichen lokalen Geschwindigkeiten, und unerwünschten Quer- und Rückströmungen, die die Trenneffizienz negativ beeinflussen, bei zu hoher Last einer Reaktionsstraße auch zu hohen Turbulenzen und weiteren Effizienzverlusten. Auch unterschiedliche Reaktionsbedingungen wie Drücke, Temperaturen und Konzentrationen führen zu Vermischungs- und Ausgleichsvorgängen im Apparat, die parallel ablaufen müssen und die Entmischung der flüssigen Phasen verlangsamt. Zusätzlich können Probleme durch das gleichzeitige Abführen der Gasphase entstehen. Je nach Anteil der gasförmigen Phase kann deren Vorhandensein zu deutlich höheren Geschwindigkeiten und Turbulenzen in den flüssigen Phasen im Phasentrennapparat führen, was die Trennung der beiden flüssigen Phasen erschwert. Bei schwankenden Anteilen oder Zunahme der Gasphase kann es daher zu einer unzureichenden Trennung der flüssigen Phasen kommen, so dass sogar größere Anteile von Organika in die wässrige saure Phase gelangen können. Folgende Schlussfolgerungen wurden gezogen: Das Vorliegen der Gasphase im Abscheider führt allgemein zu hohen Geschwindigkeiten (auch zu höheren Geschwindigkeiten der Flüssigphasen), da sich die Gasphase aufgrund niedrigerer Dichte im Vergleich zur Flüssigkeit mit deutlich höheren Geschwindigkeiten bewegt. Des Weiteren beeinträchtigt das Vorliegen der Gasphase und die daraus resultierende dreiphasige Gas-flüssig-flüssig Trennung auch die Trenneffizienz der beiden flüssigen Phasen. Aufsteigende Gasblasen erschweren eine Entmischung der flüssigen Phasen, da an der Flüssig- flüssig-Phasengrenze ständig wieder eine Vermischung stattfindet und die Flüssigphase mit der höheren Dichte zusammen mit den Gasblasen in die Flüssigphase mit der geringeren Dichte mitgerissen werden kann. Surprisingly, it was found that repeatedly observed problems in the liquid-liquid phase separation in connection with the merging of the process products of the individual reaction lines in a common phase separation apparatus (i.e. the implementation of the mixing and phase separation in one and the same apparatus) and that these problems can be dissolved or at least noticeably reduced if the mixing takes place separately from the phase separation. With fluctuating demand for the product nitrobenzene z. B. the throughputs in the individual reaction lines varied, so that different amounts from the individual lines get into the phase separation apparatus, which can lead to a reduced separation efficiency. Since the individual roads usually enter the separator at different points, the different amounts cause it different local velocities, and undesired cross and backflows which have a negative effect on the separation efficiency, if the load on a reaction line is too high, there is also high turbulence and further losses in efficiency. Different reaction conditions such as pressures, temperatures and concentrations also lead to mixing and equalization processes in the apparatus, which must run in parallel and slow down the separation of the liquid phases. In addition, problems can arise from the simultaneous removal of the gas phase. Depending on the proportion of the gaseous phase, its presence can lead to significantly higher speeds and turbulence in the liquid phases in the phase separator, which makes the separation of the two liquid phases more difficult. In the case of fluctuating proportions or an increase in the gas phase, the liquid phases can therefore be inadequately separated, so that even larger proportions of organic substances can get into the aqueous acidic phase. The following conclusions were drawn: The presence of the gas phase in the separator generally leads to high speeds (also to higher speeds of the liquid phases), since the gas phase moves at significantly higher speeds due to its lower density compared to the liquid. Furthermore, the presence of the gas phase and the resulting three-phase gas-liquid-liquid separation also impair the separation efficiency of the two liquid phases. Rising gas bubbles make it more difficult for the liquid phases to separate, since mixing takes place constantly at the liquid-liquid phase boundary and the liquid phase with the higher density can be carried along with the gas bubbles into the liquid phase with the lower density.
Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur kontinuierlichenA first object of the present invention is therefore a process for continuous
Herstellung von Nitrobenzol, umfassend die Schritte a) Nitrieren von Benzol unter adiabatischen Bedingungen mit Schwefelsäure und Salpetersäure unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure, stöchiometrischen Überschusses an Benzol in re parallel geschalteten Reaktoren, wobei re eine natürliche Zahl im Bereich von 2 bis 5 ist, sodass re Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukte (fortan auch als rohe Verfahrensprodukte der Nitrierung bezeichnet) erhalten werden; b) (i) Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte zu einem Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Mischstrom, optional zusätzlich umfassend eine Abreicherung gasförmiger Bestandteile (a) nach, (ß) vor oder (g) während des Vorgangs des Vereinigens, Production of nitrobenzene, comprising the steps a) nitrating benzene under adiabatic conditions with sulfuric acid and nitric acid using a stoichiometric excess of benzene, based on nitric acid, in reactors connected in re parallel, re being a natural number in the range from 2 to 5, so that process products containing re nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (henceforth also referred to as crude process products of nitration) are obtained; b) (i) Combining the process products containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid to form a mixed stream containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, optionally additionally comprising a depletion of gaseous constituents (a) after, (β) before or (g) during the combining process ,
(ii) Einleiten des, gegebenenfalls an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Mischstroms (entweder in seiner unveränderten Gesamtheit oder aufgeteilt auf mehrere, insbesondere re, bevorzugt 2 bis 3, Teilströme) in einen Phasentrennapparat, in welchem
der Mischstrom in eine flüssige wässrige Schwefelsäurephase und eine flüssige organische Nitrobenzolphase getrennt wird; c) Aufarbeiten der Nitrobenzolphase aus Schritt b) unter Gewinnung von Nitrobenzol; und optional d) Verdampfen von Wasser aus der in Schritt b) erhaltenen Schwefelsäurephase unter Erhalt einer aufkonzentrierten Schwefelsäurephase und Verwenden von aufkonzentrierter Schwefelsäurephase als Bestandteil der in Schritt a) eingesetzten Schwefelsäure. (ii) Introducing the mixed stream, optionally depleted in gaseous constituents (either in its unchanged totality or divided into several, in particular re, preferably 2 to 3, partial streams) into a phase separator in which the mixed stream is separated into a liquid aqueous sulfuric acid phase and a liquid organic nitrobenzene phase; c) working up the nitrobenzene phase from step b) to obtain nitrobenzene; and optionally d) evaporation of water from the sulfuric acid phase obtained in step b) while obtaining a concentrated sulfuric acid phase and using concentrated sulfuric acid phase as a component of the sulfuric acid used in step a).
Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Produktionsanlage zurA second object of the present invention is a production plant for
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung vonImplementation of the process according to the invention for the continuous production of
Nitrobenzol, wobei die Produktionsanlage die folgenden Vorrichtungen umfasst: a) n parallel geschaltete Reaktoren zur adiabatischen Nitrierung von Benzol mit Schwefelsäure und Salpetersäure unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure, stöchiometrischen Überschusses an Benzol, wobei n eine natürliche Zahl im Bereich von 2 bis 5 ist, unter Erhalt von n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukten; b) (i) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, eine Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte zu einem Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Mischstrom, Nitrobenzene, the production plant comprising the following devices: a) n reactors connected in parallel for the adiabatic nitration of benzene with sulfuric acid and nitric acid using a stoichiometric excess of benzene based on nitric acid, where n is a natural number in the range from 2 to 5 , to obtain process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid; b) (i) arranged downstream of the reactors from a), a device for combining the process products containing n-nitrobenzene, benzene and sulfuric acid to form a mixed stream containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid,
(ii) stromabwärts zur Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte angeordnet, einen Phasentrennapparat zum Trennen des erhaltenen Mischstroms in eine flüssige wässrige Schwefelsäurephase und eine flüssige organische Nitrobenzolphase; c) eine Vorrichtung zur Aufarbeitung der flüssigen organischen Nitrobenzolphase aus b)(ii) zu Nitrobenzol, wobei diese Vorrichtung insbesondere die folgenden Einrichtungen umfasst: (ii) arranged downstream of the device for combining the process products containing n-nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, a phase separation apparatus for separating the mixed stream obtained into a liquid aqueous sulfuric acid phase and a liquid organic nitrobenzene phase; c) a device for processing the liquid organic nitrobenzene phase from b) (ii) to nitrobenzene, this device comprising in particular the following devices:
(i) Einrichtungen zum Waschen der flüssigen organischen Nitrobenzolphase und Einrichtungen zum Abtrennen nicht umgesetzten Benzols; (i) means for washing the liquid organic nitrobenzene phase and means for separating unreacted benzene;
(ii) Einrichtungen zur Rückführung von abgetrenntem Benzol aus c)(i) in die Reaktor aus a) als Bestandteil des dort eingesetzten Benzols;
d) optional, Einrichtungen zum Aufkonzentrieren der Schwefelsäurephase aus b)(ii) durch Verdampfen von Wasser und Einrichtungen zur Rückführung von dabei erhaltener aufkonzentrierter Schwefelsäurephase in die n Reaktoren aus a). (ii) Devices for recycling benzene separated off from c) (i) into the reactor from a) as part of the benzene used there; d) optionally, devices for concentrating the sulfuric acid phase from b) (ii) by evaporation of water and devices for recycling the concentrated sulfuric acid phase obtained thereby into the n reactors from a).
In der Terminologie der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „gasförmige Nebenkomponenten“ mindestens die weiter oben bereits erwähnten Leichtsieder, wobei unter Leichtsiedern alle nicht-aromatischen, organischen Nebenkomponenten des Verfahrensprodukts der Nitrierung (= Schritt a)) verstanden werden, deren Siedepunkte bei Normaldruck (1013 mbar) unterhalb dem von Nitrobenzol liegen. Typische Leichtsieder sind n-Heptan, Dimethylcyclopentan, 3-Ethylpentan, Cyclohexan, die isomeren Dimethylpentane, n-Hexan, Cy clopentan, n-Pentan, Trimethylcyclopentan, Methylcyclohexan, Ethylcyclopentan und Octan. Daneben können auch anorganische Nebenkomponenten enthalten sein wie insbesondere die bereits erwähnten nitrosen Gase. In the terminology of the present invention, the term “gaseous secondary components” encompasses at least the low boilers already mentioned above, with low boilers being understood to mean all non-aromatic, organic secondary components of the nitration process product (= step a)) whose boiling points at atmospheric pressure (1013 mbar) are below that of nitrobenzene. Typical low boilers are n-heptane, dimethylcyclopentane, 3-ethylpentane, cyclohexane, the isomeric dimethylpentanes, n-hexane, cyclopentane, n-pentane, trimethylcyclopentane, methylcyclohexane, ethylcyclopentane and octane. In addition, inorganic secondary components can also be included, such as in particular the nitrous gases already mentioned.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der in Schritt b)(i) erhaltene Mischstrom der Phasentrennung aus Schritt b)(ii) zugeführt, und zwar ohne Rückführung eines Teils dieses Mischstroms in die Umsetzung aus Schritt a). Das gleiche gilt für die n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte vor deren Zusammenführen zu einem Mischstrom; auch diese werden nicht in Schritt a) zurückgeführt. Eine Reaktionsschlaufe, wie im Stand der Technik für isotherme Verfahren beschrieben, ist nicht Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Gleiche gilt selbstredend für die erfindungsgemäße Produktionsanlage; diese verfügt nicht über Einrichtungen zur Rückführung der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte oder des in der Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte [b)(i)J erhaltenen Mischstroms, in einen, mehrere oder sämtliche der n Reaktoren [a)]. In the process according to the invention, the mixed stream obtained in step b) (i) is fed to the phase separation from step b) (ii), specifically without recirculating part of this mixed stream into the reaction from step a). The same applies to the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid before they are combined to form a mixed stream; these are also not returned to step a). A reaction loop, as described in the prior art for isothermal processes, is not the subject of the process according to the invention. The same applies, of course, to the production plant according to the invention; This does not have facilities for recycling the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid or the mixed stream obtained in the device for combining the process products [b) (i) J containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, into one, several or all of the n Reactors [a)].
In den beigefügten Zeichnungen zeigen: In the attached drawings show:
FIG. 1 zwei mögliche Ausgestaltungen (FIG. la und FIG. lb) der Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte; FIG. 1 shows two possible configurations (FIG. La and FIG. Lb) of the device for combining the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid;
FIG. 2 einen vertikal angeordneten Gasabscheider mit seitlicher Zufuhr des Eingangsstroms (b.l) und Abfuhr der Gasphase (b.3) oben sowie Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten; FIG. 2 a vertically arranged gas separator with a lateral supply of the inlet stream (b.l) and discharge of the gas phase (b.3) above and discharge of the liquid phase (b.2) below;
FIG. 3 einen vertikal angeordneten Gasabscheider mit Zufuhr des Eingangsstroms (b.l) unten und Abfuhr der Gasphase (b.3) oben sowie Abfuhr der Flüssigphase (b.2) seitlich;
FIG. 4 einen vertikal angeordneten Gasabscheider mit Zufuhr des Eing angs Stroms (b.l) oben und Abfuhr der Gasphase (b.3) seitlich sowie Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten; FIG. 3 a vertically arranged gas separator with supply of the inlet stream (bl) below and discharge of the gas phase (b.3) above and discharge of the liquid phase (b.2) on the side; FIG. 4 a vertically arranged gas separator with supply of the input stream (bl) above and discharge of the gas phase (b.3) on the side and discharge of the liquid phase (b.2) below;
FIG. 5 eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage für den Fall n = 2; FIG. 5 shows a possible embodiment of a production plant according to the invention for the case n = 2;
FIG. 6 eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage für den Fall re = 2 in Verbindung mit einer zusätzlichen Gas-flüssig-Trennung; FIG. 6 shows a possible embodiment of a production plant according to the invention for the case re = 2 in connection with an additional gas-liquid separation;
FIG. 7 das für die Computational Fluid Dynamics (CFD)-Berechnungen der Beispiele angewandte Gitter; FIG. 7 shows the grid used for the Computational Fluid Dynamics (CFD) calculations of the examples;
FIG. 8 die Volumenanteile der drei Phasen (oben: wässrige Phase, Mitte: organische Phase, unten: Gasphase) in der CFD-Simulation von Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel; ohne Vereinigung (= Homogenisierung) der rohen Verfahrensprodukte und ohne Entgasung vor Eintritt in den Phasentrennapparat); FIG. 8 the volume fractions of the three phases (top: aqueous phase, middle: organic phase, bottom: gas phase) in the CFD simulation of Example 1 (comparative example; without combining (= homogenization) of the crude process products and without degassing before entering the phase separation apparatus) ;
FIG. 9 die Volumenanteile der drei Phasen (oben: wässrige Phase, Mitte: organische Phase, unten: Gasphase) in der CFD-Simulation von Beispiel 2 (erfindungsgemäßes Beispiel; mit Vereinigung (= Homogenisierung) der rohen Verfahrensprodukte und ohne Entgasung vor Eintritt in den Phasentrennapparat); FIG. 9 the volume fractions of the three phases (top: aqueous phase, middle: organic phase, bottom: gas phase) in the CFD simulation of example 2 (inventive example; with combination (= homogenization) of the crude process products and without degassing before entering the phase separation apparatus );
FIG. 10 die Volumenanteile der drei Phasen (oben: wässrige Phase, Mitte: organische Phase, unten: Gasphase) in der CFD-Simulation von Beispiel 3 (erfindungsgemäßes Beispiel; mit Vereinigung (= Homogenisierung) der rohen Verfahrensprodukte und mit Entgasung vor Eintritt in den Phasentrennapparat). FIG. 10 the volume fractions of the three phases (top: aqueous phase, middle: organic phase, bottom: gas phase) in the CFD simulation of example 3 (inventive example; with combination (= homogenization) of the crude process products and with degassing before entering the phase separation apparatus ).
Es folgt zunächst eine Kurzzusammenfassung verschiedener möglicher Ausführungsformen. A brief summary of various possible embodiments follows.
In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Aufarbeiten der Nitrobenzolphase in Schritt c) Folgendes: In a first embodiment of the process according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the working up of the nitrobenzene phase in step c) comprises the following:
(i) Waschen der Nitrobenzolphase und Abtrennen nicht umgesetzten Benzols, (i) washing the nitrobenzene phase and separating off unreacted benzene,
(ii) Verwenden von abgetrenntem Benzol als Bestandteil des in Schritt a) eingesetzten Benzols. (ii) Using separated benzene as part of the benzene used in step a).
In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird in Schritt a) Benzol in einem auf Salpetersäue bezogenen stöchiometrischen Überschuss im Bereich von 2,0 % bis 40 %, bevorzugt 3,0 % bis 30 %, besonders bevorzugt 4,0 % bis 25 % der Theorie eingesetzt.
In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird die Temperatur in jedem der n Reaktoren aus Schritt a) im Bereich von 98 °C bis 140 °C gehalten. In a second embodiment of the process according to the invention, which can be combined with all other embodiments, in step a) benzene is added in a stoichiometric excess based on nitric acid in the range from 2.0% to 40%, preferably 3.0% to 30%, particularly preferably 4.0% to 25% of theory are used. In a third embodiment of the process according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the temperature in each of the n reactors from step a) is kept in the range from 98.degree. C. to 140.degree.
In einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst das Verfahren Folgendes: In a fourth embodiment of the method according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the method comprises the following:
(a) Nach dem Vereinigen von Schritt b)(i), Einleiten des Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Mischstroms in einen Gasabscheider, in welchem eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase abgetrennt und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase verbleibt, die dem Schritt b)(ii) zugeführt wird; oder (a) After combining step b) (i), introducing the mixed stream containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid into a gas separator in which a gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components is separated off and a phase which is depleted in gaseous constituents comprises nitrobenzene and sulfuric acid liquid phase remains, which is fed to step b) (ii); or
(ß) nach Schritt a) und vor dem Vereinigen von Schritt b)(i), Einleiten der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte in n Gasabscheider, in welchen n gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phasen abgetrennt werden und n an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phasen verbleiben, die anschließend dem Schritt b(i) zugeführt werden; oder (ß) after step a) and before combining step b) (i), introducing the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid into n gas separators, in which n gaseous phases comprising benzene and gaseous secondary components are separated off and n gaseous ones Ingredients depleted, nitrobenzene and sulfuric acid comprising liquid phases remain, which are then fed to step b (i); or
(g) zur Durchführung des Vereinigens von Schritt b)(i), Einleiten der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte aus Schritt a) in einen gemeinsamen Gas ab scheider, in welchem eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase abgetrennt und der Mischstrom als an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase verbleibt, welche dem Schritt b)(ii) zugeführt wird. (G) to carry out the combining of step b) (i), introducing the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid from step a) into a common gas separator in which a gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components is separated off and the Mixed stream remains as a liquid phase which is depleted in gaseous constituents and comprises nitrobenzene and sulfuric acid and is fed to step b) (ii).
In einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der vierten Ausführungsform ist, werden zur Abtrennung der gasförmigen, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassenden Phase(n), Schwerkraftabscheider oder Fliehkraftabscheider verwendet. In a fifth embodiment of the method according to the invention, which is a particular embodiment of the fourth embodiment, gravity separators or centrifugal separators are used to separate the gaseous phase (s) comprising benzene and gaseous secondary components.
In einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der fünften Ausführungsform ist, werden Schwerkraftabscheider verwendet. In a sixth embodiment of the method according to the invention, which is a special embodiment of the fifth embodiment, gravity separators are used.
In einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der sechsten Ausführungsform ist, werden horizontal oder vertikal angeordnete Schwerkraftabscheider verwendet, welchen die Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure
enthaltenden Verfahrensprodukte bzw. der Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Mischstrom jeweils seitlich oder von unten zugeführt werden, wobei die gasförmige Phase dem Schwerkraftabscheider als Kopfstrom und die flüssige Phase dem Schwerkraftabscheider als Sumpfstrom unten oder seitlich entnommen werden oder von oben zugeführt werden, wobei die gasförmige Phase dem Schwerkraftabscheider seitlich und die flüssige Phase dem Schwerkraftabscheider unten entnommen werden. In a seventh embodiment of the method according to the invention, which is a special embodiment of the sixth embodiment, horizontally or vertically arranged gravity separators are used, which are nitrobenzene, benzene and sulfuric acid containing process products or the nitrobenzene, benzene and sulfuric acid-containing mixed stream are fed in from the side or from below, the gaseous phase being taken from the gravity separator as a top stream and the liquid phase from the gravity separator as a bottom stream below or from the side or being supplied from above, with the gaseous phase Phase can be taken from the gravity separator on the side and the liquid phase from the gravity separator below.
In einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine weitere besondere Ausgestaltung der fünften Ausführungsform ist, werden Fliehkraftabscheider verwendet. In an eighth embodiment of the method according to the invention, which is a further special embodiment of the fifth embodiment, centrifugal separators are used.
In einer neunten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der achten Ausführungsform ist, werden als Fliehkraftabscheider vertikal angeordnete, zylindrische, konische oder zylindrisch-konische Zyklonen eingesetzt, durch welche das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt bzw. der Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure Mischstrom jeweils unter Drallerzeugung hindurchgeführt wird, wobei die gasförmige Phase nach oben und die flüssige Phase nach unten abgeführt wird. In a ninth embodiment of the method according to the invention, which is a special embodiment of the eighth embodiment, vertically arranged, cylindrical, conical or cylindrical-conical cyclones are used as centrifugal separators, through which the nitrobenzene, benzene and sulfuric acid-containing process product or the nitrobenzene, benzene and Sulfuric acid mixed stream is passed through each with a swirl generation, the gaseous phase being discharged upwards and the liquid phase downwards.
In einer zehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen, sofern diese nicht eine Aufteilung des in Schritt b)(i) erhaltenen Mischstroms vorsehen, kombiniert werden kann, wird der gesamte in Schritt b)(i) erhaltene Mischstrom dem Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) an einer Stelle zugeführt. In a tenth embodiment of the method according to the invention, which can be combined with all other embodiments, provided they do not provide for a division of the mixed flow obtained in step b) (i), the entire mixed flow obtained in step b) (i) is removed from the phase separation apparatus Step b) (ii) fed at one point.
In einer elften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen, sofern diese nicht die Zufuhr der unveränderten Gesamtheit des in Schritt b)(i) erhaltenen Mischstroms in den Phasentrennapparat an einer einzigen Stelle vorsehen, kombiniert werden kann, wird der in Schritt b)(i) erhaltene Mischstrom in mehrere (insbesondere in 2 bis re, bevorzugt in 2 bis 3) Teilströme aufgeteilt, und diese Teilströme werden dem Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) an verschiedenen Stellen zugeführt. In an eleventh embodiment of the method according to the invention, which can be combined with all other embodiments, provided that these do not provide for the supply of the unchanged totality of the mixed flow obtained in step b) (i) to the phase separation apparatus at a single point, the in step b ) (i) the mixed stream obtained is divided into several (in particular into 2 to re, preferably into 2 to 3) substreams, and these substreams are fed to the phase separation apparatus from step b) (ii) at different points.
In einer zwölften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind die re Reaktoren in Schritt a) unabhängig voneinander regelbar. In a twelfth embodiment of the process according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the re reactors in step a) can be regulated independently of one another.
In einer dreizehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, werden als Reaktoren in Schritt a) Rohrreaktoren eingesetzt, die bevorzugt vertikal angeordnet sind und jeweils mehrere (jeweils bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 4 bis 12 unter Ausschluss der für die initiale Vermischung von Benzol mit Salpeter- und Schwefelsäure eingesetzten Mischeinrichtung) Dispergierelemente aufweisen, wobei
die Rohrreaktoren besonders bevorzugt von unten nach oben durchströmt werden (d. h. die Ausgangsmaterialien Benzolhaltiger Strom, Schwefelsäure und Salpetersäure werden den vertikal angeordneten Rohrreaktoren jeweils unten zugeführt, und das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt werden den Rohrreaktoren jeweils oben entnommen). In a thirteenth embodiment of the process according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the reactors used in step a) are tubular reactors, which are preferably arranged vertically and each have a plurality (each preferably 2 to 15, particularly preferably 4 to 12, excluding the mixing device used for the initial mixing of benzene with nitric and sulfuric acid) having dispersing elements, wherein the tubular reactors are particularly preferably flowed through from bottom to top (ie the starting materials benzene-containing stream, sulfuric acid and nitric acid are fed to the vertically arranged tubular reactors at the bottom, and the process product containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid are removed from the tubular reactors at the top).
In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, weist diese Folgendes auf: In a first embodiment of the production plant according to the invention, which can be combined with all other embodiments, it has the following:
In einer Variante (a), b) stromabwärts zu der Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte und stromaufwärts zum Phasentrennapparat angeordnet, einen Gasabscheider zur Trennung des Mischstromes aus b)(i) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase und einen an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure umfassenden Mischstrom, oder, in einer Variante (ß), b) stromabwärts zu den n Reaktoren aus a) und stromaufwärts zu der Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte angeordnet, n parallel betriebene Gasabscheider zur Trennung der Verfahrensprodukte der n Reaktoren aus a) in n gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phasen und n an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure umfassende Verfahrensprodukte, oder, in einer Variante (g), b) stromabwärts zu den n Reaktoren aus a) angeordnet, eine solche Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte, die auch als ein Gasabscheider zur Trennung der Verfahrensprodukte der n Reaktoren aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase und einen an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure umfassenden Mischstrom fungiert. In a variant (a), b) arranged downstream of the device for combining the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid and upstream of the phase separator, a gas separator for separating the mixed flow of b) (i) into a gaseous, benzene and gaseous secondary component comprehensive phase and a mixed stream depleted in gaseous constituents, nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, or, in a variant (β), b) downstream to the n reactors from a) and upstream to the device for combining the n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid containing process products arranged, n gas separators operated in parallel for separating the process products of the n reactors from a) into n gaseous phases comprising benzene and gaseous secondary components and n process products containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, depleted in gaseous constituents, or, in a variant (g ), b) downstream z u the n reactors from a) arranged such a device for combining the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, which also acts as a gas separator for separating the process products of the n reactors from a) into a gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components and a mixed flow comprising nitrobenzene, benzene and sulfuric acid depleted in gaseous constituents acts.
In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind die n Reaktoren aus a) unabhängig voneinander regelbar. In a second embodiment of the production plant according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the n reactors from a) can be regulated independently of one another.
In einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage, die mit allen anderen Ausführungsformen, sofern diese nicht eine Aufteilung des Mischstroms aus b)(i)
vorsehen, kombiniert werden kann, weist der Phasentrennapparat über einen einzigen Einlaufstutzen zum Einleiten des gesamten Mischstroms auf. In a third embodiment of the production plant according to the invention, which is compatible with all other embodiments, provided that these do not involve a division of the mixed flow from b) (i) provide, can be combined, the phase separator has a single inlet port for introducing the entire mixed flow.
In einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage, die mit allen anderen Ausführungsformen, sofern diese nicht die Zufuhr der unveränderten Gesamtheit des Mischstroms aus b)(i) in den Phasentrennapparat an einer einzigen Stelle vorsehen, kombiniert werden kann, ist zwischen der Vorrichtung zum Vereinigen der re Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte und dem Phasentrennapparat ein Verteilersystem zum Verteilen des Mischstroms auf mehrere (insbesondere 2 bis re, bevorzugt in 2 bis 3) an dem Phasentrennapparat angebrachte Einlaufstutzen angeordnet. In a fourth embodiment of the production plant according to the invention, which can be combined with all other embodiments, provided that these do not provide for the supply of the unchanged totality of the mixed flow from b) (i) to the phase separation apparatus at a single point, the device for combining the re nitrobenzene, benzene and sulfuric acid-containing process products and the phase separation apparatus, a distributor system for distributing the mixed flow to several (in particular 2 to re, preferably in 2 to 3) inlet nozzles attached to the phase separation apparatus.
In einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, sind die Reaktoren aus a) Rohrreaktoren, die bevorzugt vertikal angeordnet sind und jeweils mehrere (jeweils bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 4 bis 12 unter Ausschluss der für die initiale Vermischung von Benzol mit Salpeter- und Schwefelsäure eingesetzten Mischeinrichtung) Dispergierelemente aufweisen, wobei die Rohrreaktoren besonders bevorzugt von unten nach oben durchströmt werden (d. h. die Ausgangsmaterialien Benzolhaltiger Strom, Schwefelsäure und Salpetersäure werden den vertikal angeordneten Rohrreaktoren jeweils unten zugeführt, und das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt wird den Rohrreaktoren jeweils oben entnommen). In a fifth embodiment of the production plant according to the invention, which can be combined with all other embodiments, the reactors are from a) tubular reactors, which are preferably arranged vertically and each have several (each preferably 2 to 15, particularly preferably 4 to 12, excluding those for the initial mixing of benzene with nitric and sulfuric acid used mixing device) have dispersing elements, whereby the tubular reactors are particularly preferably flowed through from bottom to top (i.e. the starting materials benzene-containing stream, sulfuric acid and nitric acid are fed to the vertically arranged tubular reactors at the bottom, and the nitrobenzene, benzene and sulfuric acid-containing process product is taken from the top of each tubular reactor).
Die zuvor kurz geschilderten Ausführungsformen und weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Dabei können die zuvor genannten Ausführungsformen und weiteren möglichen Ausgestaltungen beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt. The embodiments briefly described above and further possible configurations of the invention are explained in more detail below. The aforementioned embodiments and other possible configurations can be combined with one another as desired, unless the context indicates otherwise.
Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Nitrierung eines Benzol-haltigen Stroms (fortan auch a.l) in re Reaktoren mit Schwefelsäure (fortan auch a.2) und Salpetersäure (fortan auch a.3) unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure (fortan auch a.3), stöchiometrischen Überschusses an Benzol, kann grundsätzlich nach allen aus dem Stand der Technik bekannten adiabatisch betriebenen Nitrierverfahren durchgeführt werden. Erfindungsgemäß werden in zwei bis fünf Reaktoren, bevorzugt zwei bis drei Reaktoren parallel betrieben. Step a) of the process according to the invention, the nitration of a benzene-containing stream (henceforth also al) in re reactors with sulfuric acid (henceforth also a.2) and nitric acid (henceforth also a.3) using a, based on nitric acid (henceforth also a.3), stoichiometric excess of benzene, can in principle be carried out by all adiabatically operated nitration processes known from the prior art. According to the invention, two to five reactors, preferably two to three reactors, are operated in parallel.
Bevorzugt ist es, zuerst die Salpetersäure (a.3) und anschließend den Benzol-haltigen Strom (a.l) in die Schwefelsäure (a.2) einzudosieren. Die Vor Vermischung von Salpetersäure (a.3) und Schwefelsäure (a.2) ergibt die sog. Mischsäure, in welche dann in dieser Ausführungsform der Benzol-haltige Strom (a.l) eindosiert wird. Dabei enthält die eingesetzte Mischsäure, bezogen auf
die Gesamtmasse der Mischsäure, vorzugsweise mindestens 2,0 Massen-% Salpetersäure und mindestens 66,0 Massen-% Schwefelsäure, besonders bevorzugt 2,0 Massen-% bis 4,0 Massen-% Salpetersäure und 66,0 Massen-% bis 75,0 Massen-% Schwefelsäure. It is preferred to first meter the nitric acid (a.3) and then the benzene-containing stream (a1) into the sulfuric acid (a.2). The prior mixing of nitric acid (a.3) and sulfuric acid (a.2) gives the so-called mixed acid, into which the benzene-containing stream (a1) is then metered in in this embodiment. The mixed acid used contains, based on the total mass of the mixed acid, preferably at least 2.0 mass% nitric acid and at least 66.0 mass% sulfuric acid, particularly preferably 2.0 mass% to 4.0 mass% nitric acid and 66.0 mass% up to 75, 0 mass% sulfuric acid.
Der auf Salpetersäure (a.3) bezogene stöchiometrische Überschuss von Benzol wird bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 2,0 % bis 40 %, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 % bis 30 %, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 4,0 % bis 25 % der Theorie eingestellt. Theoretisch reagiert 1 Mol HNO3 mit 1 Mol Benzol. Ein Benzolüberschuss von x % gegenüber HNO3 The stoichiometric excess of benzene based on nitric acid (a.3) is preferably in the range from 2.0% to 40%, particularly preferably in the range from 3.0% to 30%, very particularly preferably in the range from 4, 0% to 25% of theory set. Theoretically, 1 mole of HNO3 reacts with 1 mole of benzene. A benzene excess of x% compared to HNO3
1 +— entspricht daher einem molaren Verhältnis «(Benzol )/re(HNO ) (re = Stoffmenge) von— j122, also 1 + - therefore corresponds to a molar ratio «(benzene) / re (HNO) (re = amount of substance) of - j 122 , ie
1 +— 1 +— beispielsweise— 1,02 bei 2%igem Benzolüberschuss oder beispielsweise— 1,40 bei 1 + - 1 + - for example - 1.02 with 2% benzene excess or for example - 1.40 with
40%igem Benzolüberschuss. 40% excess benzene.
Es ist bevorzugt, überschüssiges Benzol zurückzugewinnen und teilweise oder vollständig als Bestandteil des Benzol-haltigen Stroms (a.l) zu verwenden. Die Wiedergewinnung des überschüssigen Benzols erfolgt dabei vor oder nach, insbesondere nach, einer ein- oder mehrstufigen Wäsche des Roh-Nitrobenzols; für weitere Details sei auf die Diskussion von Schritt e) weiter unten verwiesen. Der Benzol-haltige Strom (a.l) ist also vorzugsweise eine Mischung aus der Reaktion frisch zugeführtem Benzol (sog. Frischbenzol) und rezykliertem Benzol (sog. Rückbenzol). In jedem Fall werden die Reaktionsbedingungen insbesondere so gewählt, dass der Massenanteil an Benzol im Benzol-haltigen Strom (a.l), bezogen auf die Gesamtmasse des Benzol-haltigen Stroms (a.l), mindestens 90,0 %, bevorzugt mindestens 95,0 %, besonders bevorzugt mindestens 98,5 %, beträgt. It is preferred to recover excess benzene and use part or all of it as part of the benzene-containing stream (a.l). The excess benzene is recovered before or after, in particular after, a single or multi-stage washing of the crude nitrobenzene; for further details, reference is made to the discussion of step e) below. The benzene-containing stream (a.l) is therefore preferably a mixture of benzene freshly added to the reaction (so-called fresh benzene) and recycled benzene (so-called reverse benzene). In any case, the reaction conditions are selected in particular so that the mass fraction of benzene in the benzene-containing stream (a1), based on the total mass of the benzene-containing stream (a1), is at least 90.0%, preferably at least 95.0%, particularly preferably at least 98.5%.
Erfindungsgemäß wird Schritt a) unter adiabatischen Bedingungen durchgeführt. Bei adiabatischer Reaktionsführung wird der in Schritt a) eingesetzte Reaktor weder beheizt noch gekühlt; die Reaktionstemperatur resultiert aus der Temperatur der eingesetzten Reaktanden und deren Mischungsverhältnis zueinander. Vorzugsweise sind die re Reaktoren gut isoliert, um Wärmeverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Im Falle einer adiabatischen Durchführung der Nitrierung steigt die Reaktionstemperatur des in jedem der re Reaktoren reagierenden Gemisches daher von der„Starttemperatur“ unmittelbar nach der ersten Vermischung der Reaktanden bis zur „Endtemperatur“ nach maximalem Umsatz an und wird dabei bevorzugt stets auf Werte im Bereich von 98 °C bis 140 °C gehalten. Die Starttemperatur ergibt sich aus den Temperaturen der Einsatzstoffe Benzol, Schwefel- und Salpetersäure, den Konzentrationen der eingesetzten Säuren, deren Mengenverhältnis zueinander und dem volumetrischen Verhältnis von organischer Phase (Benzol) zu wässriger Phase (Schwefel- und Salpetersäure), dem sogenannten Phasenverhältnis. Das Phasenverhältnis ist auch maßgeblich für die Endtemperatur: Je kleiner das Phasenverhältnis ist (je mehr Schwefelsäure also vorhanden ist), desto geringer ist die Endtemperatur. Bei der bevorzugten Verwendung eines Rohrreaktors (siehe unten) steigt die Temperatur infolge
zunehmenden Umsatzes entlang der Längsachse des Reaktors an. Am Eintritt in den Reaktor liegt die Temperatur im unteren Bereich der genannten Temperaturspanne von 98 °C bis 140 °C, am Austritt des Reaktors liegt die Temperatur im oberen Bereich der genannten Temperaturspanne. According to the invention, step a) is carried out under adiabatic conditions. When the reaction is carried out adiabatically, the reactor used in step a) is neither heated nor cooled; the reaction temperature results from the temperature of the reactants used and their mixing ratio to one another. The re reactors are preferably well insulated in order to reduce heat losses to a minimum. If the nitration is carried out adiabatically, the reaction temperature of the mixture reacting in each of the reactors therefore rises from the “start temperature” immediately after the first mixing of the reactants to the “end temperature” after maximum conversion and is preferably always in the range of Maintained 98 ° C to 140 ° C. The starting temperature results from the temperatures of the starting materials benzene, sulfuric and nitric acid, the concentrations of the acids used, their relative proportions and the volumetric ratio of organic phase (benzene) to aqueous phase (sulfuric and nitric acid), the so-called phase ratio. The phase ratio is also decisive for the final temperature: the smaller the phase ratio (i.e. the more sulfuric acid is present), the lower the final temperature. In the preferred use of a tubular reactor (see below), the temperature rises as a result increasing conversion along the longitudinal axis of the reactor. At the entry into the reactor, the temperature is in the lower range of the stated temperature range of 98 ° C. to 140 ° C., and at the exit of the reactor the temperature is in the upper range of the stated temperature range.
Bevorzugt wird Schritt a) in einer Verfahrensführung ausgeführt, wie sie in DE 10 2008 048 713 Al, insbesondere Absatz [0024], beschrieben ist. Step a) is preferably carried out in a process as described in DE 10 2008 048 713 A1, in particular paragraph [0024].
Als Reaktoren für Schritt a) eignen sich grundsätzlich alle im Stand der Technik für adiabatische Nitrierungen bekannte Reaktoren wie Rührkessel (insbesondere Rührkesselkaskaden) und Rohrreaktoren. Rohrreaktoren sind bevorzugt. Besonders bevorzugt ist dabei ein Rohrreaktor, in dem mehrere Dispergierelemente über die Länge des Rohrreaktors verteilt angeordnet sind, wodurch eine intensive Durchmischung von Benzol, Salpetersäure und Schwefelsäure gewährleistet ist. Besonders bevorzugt wird ein vertikal angeordneter Rohrreaktor eingesetzt, in dem mehrere (bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 4 bis 12 unter Ausschluss der für die initiale Vermischung von Benzol mit Salpeter- und Schwefelsäure eingesetzten Mischeinrichtung) Dispergierelemente über die Länge des Rohrreaktors verteilt angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt wird ein solcher Rohrreaktor von unten nach oben durchströmt. Ein solcher Reaktor, sowie die Form einsetzbarer Dispergierelemente, ist beispielsweise in EP 1 291 078 A2 (siehe dort FIG 1) beschrieben. Suitable reactors for step a) are in principle all reactors known in the prior art for adiabatic nitrations, such as stirred kettles (in particular stirred kettle cascades) and tubular reactors. Tubular reactors are preferred. Particularly preferred is a tubular reactor in which several dispersing elements are arranged distributed over the length of the tubular reactor, which ensures intensive mixing of benzene, nitric acid and sulfuric acid. A vertically arranged tubular reactor is particularly preferably used in which several (preferably 2 to 15, particularly preferably 4 to 12, excluding the mixing device used for the initial mixing of benzene with nitric and sulfuric acid) dispersing elements are arranged distributed over the length of the tubular reactor. Such a tubular reactor is very particularly preferably flowed through from bottom to top. Such a reactor, as well as the form of dispersing elements which can be used, is described, for example, in EP 1 291 078 A2 (see FIG. 1 there).
Es ist besonders bevorzugt, Schritt a) so auszugestalten, dass die n Reaktoren unabhängig voneinander regelbar sind, also unabhängig voneinander betrieben werden können. Dies erlaubt es, bei verminderter Nachfrage nach dem Produkt Nitrobenzol, die Produktionsleistung durch Außerbetriebnahme einzelner Reaktoren zu ermöglichen. It is particularly preferred to design step a) so that the n reactors can be regulated independently of one another, that is to say can be operated independently of one another. This makes it possible, with reduced demand for the product nitrobenzene, to enable production output by shutting down individual reactors.
In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure (sowie Nebenkomponenten, die als Gasphase oder gelöst vorliegen können) enthaltenden Verfahrensprodukte (fortan auch a.4.1, a.4.2, ...
des Schrittes a) zunächst in einen Schritt b)(i) zu einem Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Mischstrom (fortan auch b.l) vereinigt. Dies erfolgt in einer Vorrichtung zum Zusammenführen der in den n Reaktoren erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ... a.4.n). Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise ein Behälter, der über Leitungen mit den Austrittsöffnungen für die rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung der Reaktoren verbunden ist (in FIG. la am Beispiel n = 2 gezeigt). In diesem Behälter werden die n rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung zusammengeführt. Die Vereinigung kann auch in einer Rohrleitung erfolgen, in die die n Ströme (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) gemeinsam einlaufen und deren Mischstrom (b.l) Schritt c) zugeführt wird (in FIG. lb am Beispiel n = 2 gezeigt). Es ist auch möglich, die angestrebte Durchmischung (= Homogenisierung) der n rohen Verfahrensprodukte
durch Verwendung vermischungsfördernder statischer Einbauten oder eines Rührers in der Vorrichtung zum Zusammenführen der n rohen Verfahrensprodukte zu unterstützen. In step b) of the process according to the invention, the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (as well as secondary components which can be present as a gas phase or in solution) (henceforth also a.4.1, a.4.2, ... of step a) initially combined in a step b) (i) to form a mixed stream containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (henceforth also bl). This takes place in a device for combining the process products containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (a.4.1, a.4.2, ... a.4.n) obtained in the n reactors. Such a device is, for example, a container which is connected via lines to the outlet openings for the crude process products of the nitration of the reactors (shown in FIG. 1a using the example n = 2). The n crude process products of the nitration are brought together in this container. The combination can also take place in a pipeline into which the n streams (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) run together and their mixed stream (bl) is fed to step c) (in FIG. Lb shown using the example n = 2). It is also possible to achieve the desired mixing (= homogenization) of the n crude process products by using static internals that promote mixing or a stirrer in the device for bringing together the n crude process products.
In einer bevorzugten Ausführungsform findet vor der Phasentrennung in Schritt b)(ii) eine Gas- flüssig-Phasentrennung zur Abreicherung von gasförmigen Bestandteilen statt. Diese Gas-flüssig- Phasentrennung erfolgt in einem Gasabscheider. Als Gasabscheider können grundsätzlich alle dem Fachmann bekannten Abscheider eingesetzt werden, welche eine Gas-Flüssig-Trennung ermöglichen. Apparative Möglichkeiten zur Trennung von gasförmigen und flüssigen Strömen sind dem Fachmann allgemein bekannt. Details zu den verschiedenen Verfahren und zum Equipment zur Trennung von gasförmigen und flüssigen Strömen finden sich in der Fachliteratur wie zum Beispiel in Oilfield Processing, Crude Oil, Vol. 2, Kapitel 6, Seite 79 bis 112, Jahrgang 1995, von Manning, Francis S. und Thompson, Richard E. oder in Gulf Equipment Guides, Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators, Kapitel 3.3 bis 3.5auf den Seiten 72 bis 103, Jahrgang 2009, von Maurice Stewart und Ken Arnold. Die in der genannten Fiteratur beschriebenen Varianten werden teilweise am Beispiel von dreiphasigen Gas-flüssig-flüssig Trennungen erläutert, sind jedoch was die grundlegenden Prinzipien angeht auch für Gas-flüssig Phasentrennungen einsetzbar. Diese bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich durch die Trennung der Schritte (i) Abtrennung ( zumindest des größten Teils ) der Gasphase von den beiden flüssigen Phasen und (ii) Trennung der beiden flüssigen Phasen voneinander aus. Daher erfolgen diese Schritte in dieser Ausführungsform in zwei Apparaten, dem Gasabscheider und dem Phasentrennapparat. Hinsichtlich der apparativen Ausgestaltung können jedoch durchaus Gemeinsamkeiten zwischen dem Gasabscheider und dem Phasentrennapparat bestehen. In a preferred embodiment, before the phase separation in step b) (ii), a gas-liquid phase separation takes place to reduce the concentration of gaseous constituents. This gas-liquid phase separation takes place in a gas separator. In principle, all separators known to the person skilled in the art that enable gas-liquid separation can be used as gas separators. Apparatus possibilities for separating gaseous and liquid streams are generally known to the person skilled in the art. Details of the various processes and equipment for separating gaseous and liquid streams can be found in the specialist literature, for example in Oilfield Processing, Crude Oil, Vol. 2, Chapter 6, pages 79 to 112, 1995 year, by Manning, Francis S. . and Thompson, Richard E. or in Gulf Equipment Guides, Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators, Chapters 3.3 to 3.5 on pages 72 to 103, year 2009, by Maurice Stewart and Ken Arnold. The variants described in the cited literature are partially explained using the example of three-phase gas-liquid-liquid separations, but with regard to the basic principles can also be used for gas-liquid phase separations. This preferred embodiment is distinguished by the separation of the steps (i) separation (at least most of) the gas phase from the two liquid phases and (ii) separation of the two liquid phases from one another. In this embodiment, these steps are therefore carried out in two apparatuses, the gas separator and the phase separator. With regard to the design of the apparatus, however, there may well be commonalities between the gas separator and the phase separation apparatus.
Der Gasabscheider ist vorzugsweise nicht temperiert, wodurch sich die Temperaturen im Gasabscheider aus der Temperatur des zulaufenden Reaktionsgemisches ergeben. Der Gasabscheider wird vorzugsweise bei gegenüber Umgebungsdruck leicht erhöhtem Druck („Überdruck“) betrieben, wobei der Druck im Gasraum des Gasabscheiders 50 mbar bis 100 mbar, z. B. 80 mbar, über Umgebungsdruck liegt. The gas separator is preferably not temperature-controlled, as a result of which the temperatures in the gas separator result from the temperature of the incoming reaction mixture. The gas separator is preferably operated at a pressure that is slightly higher than ambient pressure (“overpressure”), the pressure in the gas space of the gas separator being 50 mbar to 100 mbar, e.g. B. 80 mbar, above ambient pressure.
Vorzugsweise werden Schwerkraftabscheider oder Fliehkraftabscheider als Gasabscheider eingesetzt. Gravity separators or centrifugal separators are preferably used as gas separators.
Die Gas-flüssig-Phasentrennung kann in verschiedener Weise realisiert werden. The gas-liquid phase separation can be implemented in various ways.
In einer Variante (a) erfolgt die Gas-flüssig-Phasentrennung nach dem oben beschriebenen Vereinigen der n rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung von Schritt b)(i). Dabei wird der Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Mischstrom (b.l) in einen Gasabscheider eingeleitet, in welchem eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (fortan auch b.3) abgetrennt und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (fortan auch b.2) verbleibt, die als in
eine Schwefelsäurephase und eine Nitrobenzolphase zu trennender Mischstrom dem Schritt b)(ii) zugeführt wird. In a variant (a), the gas-liquid phase separation takes place after the above-described combining of the n crude process products of the nitration from step b) (i). The mixed stream (bl) containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid is introduced into a gas separator in which a gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components (henceforth also b.3) is separated off and a liquid phase which is depleted in gaseous components and comprises nitrobenzene and sulfuric acid (henceforth also b.2), which as in a sulfuric acid phase and a nitrobenzene phase to be separated mixed stream is fed to step b) (ii).
In einer Variante (ß) erfolgt die Gas-flüssig-Phasentrennung nach Schritt a) (und vor dem Vereinigen der n rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung von Schritt b)(i)). Dabei werden die re Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) in re Gasabscheider geleitet, in welchen re gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phasen (fortan auch b.3.1, b.3.2, ... b.3.re) abgetrennt werden und re an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phasen (fortan auch b.2.1, b.2.2, ... b.2.re) verbleiben, die anschließend dem Vereinigen der re rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung von Schritt b(i) zugeführt werden. In a variant (β), the gas-liquid phase separation takes place after step a) (and before combining the n crude process products of the nitration from step b) (i)). The process products containing re nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) are passed into re gas separators, in which re gaseous phases, benzene and gaseous secondary components (henceforth also b. 3.1, b.3.2, ... b.3.re) are separated and re liquid phases containing nitrobenzene and sulfuric acid, which are depleted in gaseous components (henceforth also b.2.1, b.2.2, ... b.2.re) remain, which are then fed to the combining of the re crude process products of the nitration of step b (i).
In einer Variante (g) erfolgen die Gas-flüssig-Phasentrennung und die Vereinigung der re rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung in einem gemeinsamen Apparat, d. h. die Gas-flüssig- Phasentrennung ist eine besondere Ausgestaltung des Vereinigens der re rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung von Schritt b)(i). Dabei werden die re Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) aus Schritt a) in einen gemeinsamen Gasabscheider geleitet, in welchem eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase abgetrennt und der Mischstrom als an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase verbleibt, welche dem Schritt b)(ii) zugeführt wird. Bei dieser Variante kann es unter Umständen zu einer Spontanverdampfung kommen, wenn sich die einzelnen flüssigen Anteile der Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) mischen und deutlich unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Temperaturen haben. Eine solche Spontanverdampfung könnte sowohl die Homogenisierung als auch die Gas-flüssig- Phasentrennung stören. In a variant (g) the gas-liquid phase separation and the combination of the raw process products of the nitration take place in a common apparatus, i.e. H. the gas-liquid phase separation is a special embodiment of the combination of the re crude process products of the nitration from step b) (i). The process products containing re nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) from step a) are passed into a common gas separator in which a gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components separated off and the mixed stream remains as a liquid phase depleted in gaseous constituents, comprising nitrobenzene and sulfuric acid, which is fed to step b) (ii). With this variant, spontaneous evaporation may occur if the individual liquid components of the process products (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) mix and have significantly different compositions and / or temperatures. Such spontaneous evaporation could disrupt both the homogenization and the gas-liquid phase separation.
Bevorzugt sind daher die Varianten (a) und (ß). Die Homogenisierung der nitrierten Reaktionslösungen aus den einzelnen Reaktionsstraßen vor der Flüssig-flüssig-Phasentrennung führt zu einer Verringerung oder Vermeidung von Turbulenzen bei Eintritt in den Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii). Unerwünschte Strömungen im Apparat wie Quer- und Rückströmungen sowie Wirbelausbildung, die sich aufgrund unterschiedlicher Anteile der drei Phasen (wässrig, organisch, Gas) in den eintretenden Reaktionslösungen ausbilden, können verringert oder beseitigt werden. Entsprechendes gilt auch für den Gasabscheider. Eine Zusammenführung vor der Gas-flüssig-Phasentrennung ist apparativ am einfachsten; daher ist die Variante (a) besonders bevorzugt. Variants (a) and (β) are therefore preferred. The homogenization of the nitrated reaction solutions from the individual reaction lines before the liquid-liquid phase separation leads to a reduction or avoidance of turbulence on entry into the phase separation apparatus from step b) (ii). Undesired currents in the apparatus such as cross and back currents as well as the formation of eddies, which form due to different proportions of the three phases (aqueous, organic, gas) in the incoming reaction solutions, can be reduced or eliminated. The same applies to the gas separator. A combination before the gas-liquid phase separation is simplest in terms of apparatus; variant (a) is therefore particularly preferred.
Unabhängig von der gewählten Variante können in einer Ausführungsform der Erfindung als Gasabscheider horizontal oder vertikal angeordnete Schwerkraftabscheider eingesetzt werden, welchen die Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4.1,
a.4.2, ... a.4.re) bzw. der Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Mischstrom (b.l) jeweils seitlich oder von unten zugeführt werden, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase dem Schwerkraftabscheider als Kopfstrom und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase dem Schwerkraftabscheider als Sumpfstrom unten oder seitlich entnommen werden oder von oben zugeführt werden, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase dem Schwerkraftabscheider seitlich und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase dem Schwerkraftabscheider unten entnommen werden. Regardless of the variant selected, in one embodiment of the invention horizontally or vertically arranged gravity separators can be used as gas separators, which process products containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (a.4.1, a.4.2, ... a.4.re) or the mixed stream containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid (bl) are each fed in from the side or from below, the gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components being the top stream and the The liquid phase depleted in gaseous components, nitrobenzene and sulfuric acid, can be taken from the gravity separator as a bottom stream below or from the side or fed from above, the gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components to the side of the gravity separator and the phase depleted in gaseous components comprising nitrobenzene and sulfuric acid liquid phase can be taken from the gravity separator below.
Der Ausdruck„horizontal oder vertikal angeordnet“ bezieht sich dabei auf die Längsachse des im Wesentlichen zylindrischen Apparats. FIG. 2 bis FIG. 4 zeigen vertikal angeordnete Schwerkraftabscheider, die im Schritt der Gas-flüssig-Trennung eingesetzt werden können. Der Einfachheit halber sind die Ströme in den Zeichnungen wie für die Variante (a) bezeichnet (Zulaufstrom = b.l; gasförmige Phase = b.3, verbleibende flüssige Phase = b.2): The expression “arranged horizontally or vertically” refers to the longitudinal axis of the essentially cylindrical apparatus. FIG. 2 to FIG. 4 show vertically arranged gravity separators which can be used in the gas-liquid separation step. For the sake of simplicity, the flows in the drawings are designated as for variant (a) (feed flow = b.l; gaseous phase = b.3, remaining liquid phase = b.2):
Im Gasabscheider gemäß FIG. 2 erfolgt die Zufuhr des Verfahrensproduktes (b.l) seitlich, die Abfuhr der Gasphase (b.3) oben und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten. In the gas separator according to FIG. 2, the process product (b.l) is fed in from the side, the gas phase (b.3) is discharged at the top and the liquid phase (b.2) is discharged at the bottom.
Im Gasabscheider gemäß FIG. 3 erfolgt die Zufuhr des Verfahrensproduktes (b.l) unten, die Abfuhr der Gasphase (b.3) oben und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) seitlich. In the gas separator according to FIG. 3, the process product (b.l) is fed in at the bottom, the gas phase (b.3) is discharged at the top and the liquid phase (b.2) is discharged laterally.
Im Gasabscheider gemäß FIG. 4 erfolgt die Zufuhr des Verfahrensproduktes (b.l) oben, die Abfuhr der Gasphase (b.3) seitlich und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten. In the gas separator according to FIG. 4, the process product (b.l) is fed in at the top, the gas phase (b.3) is discharged to the side and the liquid phase (b.2) is discharged below.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung gemäß FIG. 2. An embodiment according to FIG. 2.
Es kann aber auch ein Fliehkraftabscheider eingesetzt werden. Bevorzugt ist dabei ein vertikal angeordneter, zylindrischer, konischer oder zylindrisch-konischer Zyklon, durch den das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt unter Drallerzeugung hindurchgeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase nach oben und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase nach unten abgeführt wird. Der Begriff „vertikal angeordnet“ bezieht sich dabei wiederum auf die Fängsachse des Apparats. Der Drall kann entweder durch einen tangential angeordneten Eintrittsstutzen oder ein Umlenkblech erzeugt
werden (siehe Abb. 3.20 in Gulf Equipment Guides: Gas-liquid and liquid-liquid Separators, Stewart & Arnold, 2009, Gulf Professional Publishing). However, a centrifugal separator can also be used. Preference is given to a vertically arranged, cylindrical, conical or cylindrical-conical cyclone through which the process product containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid is passed with swirl generation, the gaseous phase comprising benzene and gaseous secondary components at the top and the phase depleted in gaseous constituents, Nitrobenzene and sulfuric acid comprising liquid phase is discharged downwards. The term “vertically arranged” again refers to the catch axis of the apparatus. The twist can either be generated by a tangentially arranged inlet nozzle or a baffle plate (see Fig.3.20 in Gulf Equipment Guides: Gas-liquid and liquid-liquid Separators, Stewart & Arnold, 2009, Gulf Professional Publishing).
In Schritt b)(ii) wird der in Schritt b)(i) erhaltene Mischstrom in einen Phasentrennapparat geleitet. Dies kann in der einfachsten Ausgestaltung dieses Schrittes geschehen, indem der Mischstrom dem Phasentrennapparat über einen einzigen Einlauf stutzen zugeführt wird (d. h. der gesamte in Schritt b)(i) erhaltene Mischstrom wird dem Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) an einer Stelle zugeführt, wie in FIG. 5 und FIG. 6 dargestellt). In diesem Fall ist es zu empfehlen, den Einlaufstutzen ausreichend groß zu dimensionieren, um den einen einzigen (im Vergleich zu den Einzelströmen bei Fahrweise ohne Vereinigung) größeren Mischstrom dem Phasentrennapparat zuführen zu können, ohne dass es zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten und Verwirbelungen im Phasentrennapparat kommt. In step b) (ii) the mixed stream obtained in step b) (i) is passed into a phase separation apparatus. This can be done in the simplest embodiment of this step, in that the mixed flow is fed to the phase separation apparatus via a single inlet port (i.e. the entire mixed flow obtained in step b) (i) is fed to the phase separation apparatus from step b) (ii) at one point, as in FIG. 5 and FIG. 6). In this case, it is advisable to dimension the inlet connection sufficiently large in order to be able to feed the single larger mixed flow (compared to the individual flows when operating without a combination) to the phase separation apparatus without high flow velocities and turbulence in the phase separation apparatus.
Soll die erfindungsgemäße Vorgehensweise nachträglich in eine bereits bestehende Produktionsanlage mit re parallel geschalteten Reaktoren und demzufolge auch mit re an verschiedenen räumlichen Stellen des Phasentrennapparats angeordneten Einlaufstutzen für die re rohen Verfahrensprodukte eingeführt werden, ist es bevorzugt, die ohnehin vorhandenen re Einlaufstutzen des Phasentrennapparats und die dazugehörigen Rohrleitungen weiterzuverwenden, indem man die erfindungsgemäß einzusetzende Vorrichtung zum Zusammenführen der re rohen Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ... a.4.n) zwischen die re Reaktoraustritte und die re Eintritte in den Phasentrennapparat schaltet. In diesem Fall kann der die Vorrichtung zum Zusammenführen der re rohen Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ... a.4.n) verlassende Mischstrom (b.l) entweder erneut in re Teilströme aufgeteilt werden, oder die Vorrichtung zum Zusammenführen der re Verfahrensprodukte wird, abweichend von FIG. 1, mit re Austrittstutzen versehen (in welchem Fall darauf zu achten ist, dass die re rohen Verfahrensprodukte bei Erreichen der Austrittstutzen hinreichend durchmischt (= homogenisiert) sind, etwa durch ausreichend große Dimensionierung des Apparats, um ausreichend Verweilzeit zur Verfügung zu stellen, und/oder durch Einsatz vermischungsfördernder statischer Einbauten oder eines Rührers). Wird nämlich die erfindungsgemäße Vereinigung im Sinne des Schrittes b)(i) durchgeführt, so liegt am Ende dieses Schrittes nur noch ein einziges, vereinheitlichtes Verfahrensprodukt gegebener Temperatur und chemischer Zusammensetzung vor (der Mischstrom). Durch erneute Aufteilung dieses vereinheitlichten Verfahrensprodukts in Teilströme werden Temperatur und Zusammensetzung der einzelnen Teilströme gegenüber dem einzigen vereinheitlichten Verfahrensprodukt nicht mehr verändert, sodass diese Vorgehens weise dem Erfindungsgedanken nicht abträglich ist. Daher liegen auch bei dieser Vorgehensweise die dem Phasentrennapparat zugeführten Teilströme bezüglich ihrer Geschwindigkeiten, Temperaturen und
chemischen Zusammensetzungen an den Eintritten des Phasentrennapparats in homogenisierter Form vor. If the procedure according to the invention is to be introduced retrospectively into an already existing production plant with reactors connected in parallel and consequently also with inlet nozzles for the raw process products arranged in different spatial locations of the phase separator, it is preferred to use the existing inlet nozzles of the phase separator and the associated ones Pipelines can be used further by switching the device to be used according to the invention for bringing together the re crude process products (a.4.1, a.4.2, ... a.4.n) between the right reactor outlets and the right inlets into the phase separation apparatus. In this case, the mixed flow (bl) leaving the device for merging the re raw process products (a.4.1, a.4.2, ... a.4.n) can either be divided again into right partial flows, or the device for merging the re process products, unlike FIG. 1, provided with right outlet nozzle (in which case it must be ensured that the right raw process products are sufficiently mixed (= homogenized) when they reach the outlet nozzle, e.g. by dimensioning the apparatus sufficiently to provide sufficient residence time, and / or by using static built-in components that promote mixing or a stirrer). If the combination according to the invention is carried out in the sense of step b) (i), at the end of this step there is only a single, standardized process product of a given temperature and chemical composition (the mixed flow). By again dividing this standardized process product into substreams, the temperature and composition of the individual substreams are no longer changed compared to the single standardized process product, so that this procedure is not detrimental to the concept of the invention. Therefore, with this procedure, too, the partial flows fed to the phase separation apparatus lie with regard to their speeds, temperatures and chemical compositions at the inlets of the phase separator in homogenized form.
Die Vorgehens weise mit mehreren Einlaufstutzen in den Phasentrennapparat hat ferner den Vorteil, dass die Geschwindigkeiten an den einzelnen Einlauf stutzen (bei gleichem Durchmesser) sowie generell Einlauf- und Vermischungsvorgänge deutlich reduziert sind und die Phasentrennung schneller beginnen kann. Daher kann es auch bei Planung einer neuen Produktionsanlage sinnvoll sein, den in Schritt b)(i) erhaltenen Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Mischstrom auf mehrere, insbesondere 2 bis re, bevorzugt 2 bis 3, Teilströme aufzuteilen (in der gleichen Art wie zuvor beschrieben) und diese dem Phasentrennapparat an räumlich getrennten Stellen zuzuführen. The procedure with several inlet nozzles in the phase separation apparatus also has the advantage that the speeds at the individual inlet nozzles (with the same diameter) and generally inlet and mixing processes are significantly reduced and the phase separation can begin more quickly. Therefore, even when planning a new production plant, it can be useful to divide the mixed stream containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid obtained in step b) (i) into several, in particular 2 to 3, preferably 2 to 3, substreams (in the same way as before described) and feed them to the phase separator at spatially separate locations.
Unabhängig davon, ob der Mischstrom dem Phasentrennapparat in seiner unveränderten Gesamtheit an einer Stelle oder verteilt auf mehrere Teilströme an mehreren verschiedenen Stellen zugeführt wird, kann die Flüssig-flüssig-Phasentrennung in Schritt b)(ii) nach aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren in einem dem Fachmann grundsätzlich bekannten Phasentrennapparat erfolgen. Die wässrige Schwefelsäurephase (fortan auch b.5) enthält im Wesentlichen (infolge der Bildung von Reaktionswasser und durch das Einschleppen von Wasser in die Reaktion aus der eingesetzten Salpetersäure) verdünnte Schwefelsäure neben anorganischen Verunreinigungen. Die organische Nitrobenzolphase (fortan auch b.4) enthält im Wesentlichen Nitrobenzol neben überschüssigem Benzol und organischen Verunreinigungen. Der Phasentrennapparat ist vorzugsweise mit einem Gasauslass versehen, über den gegebenenfalls vorhandene gasförmige Bestandteile abgeführt werden können (insoweit nicht bereits zuvor in der bevorzugten Gas-flüssig-Trennung abgetrennt). Der Gasauslas des gegebenenfalls vorhandenen Gasabscheiders und der Gasauslass des Phasentrennapparats aus Schritt b)(ii) münden vorzugsweise in eine gemeinsame Abgasaufarbeitungsvorrichtung. Der Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) wird vorzugsweise nicht temperiert und wird bevorzugt bei leichtem Überdruck betrieben (vorzugsweise 50 mbar bis 100 mbar, z. B. 80 mbar, über Umgebungsdruck, gemessen im Gasraum). Regardless of whether the mixed flow is fed to the phase separation apparatus in its unchanged entirety at one point or distributed over several substreams at several different points, the liquid-liquid phase separation in step b) (ii) can be carried out according to the prior art Process take place in a phase separation apparatus known in principle to the person skilled in the art. The aqueous sulfuric acid phase (henceforth also b.5) essentially contains (as a result of the formation of reaction water and the entrainment of water in the reaction from the nitric acid used) dilute sulfuric acid in addition to inorganic impurities. The organic nitrobenzene phase (henceforth also b.4) essentially contains nitrobenzene in addition to excess benzene and organic impurities. The phase separation apparatus is preferably provided with a gas outlet, via which any gaseous constituents that may be present can be discharged (if not previously separated in the preferred gas-liquid separation). The gas outlet of the gas separator, if present, and the gas outlet of the phase separation apparatus from step b) (ii) preferably open into a common exhaust gas processing device. The phase separation apparatus from step b) (ii) is preferably not temperature-controlled and is preferably operated at a slight excess pressure (preferably 50 mbar to 100 mbar, for example 80 mbar, above ambient pressure, measured in the gas space).
Unabhängig von der genauen Fahrweise und der genauen Ausgestaltung des Reaktors in Schritt a) und der Vorrichtung zum Vereinigen der re Verfahrensprodukte, des gegebenenfalls vorhandenen Gasabscheiders sowie des Phasentrennapparats aus Schritt b) ist es bevorzugt, die in Schritt b) erhaltene flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (fortan auch b.5) durch Verdampfung von Wasser zu einer flüssigen wässrigen, im Vergleich zur Phase (b.5) Schwefelsäure in höherer Konzentration umfassende Phase (fortan auch d.l) aufzukonzentrieren, in Schritt a) zurückzuführen und teilweise oder vollständig als Bestandteil der dort eingesetzten Schwefelsäure (a.2) zu verwenden. In diesem Fall enthält also die in Schritt a) eingesetzte Schwefelsäure (a.2) rezyklierte Schwefelsäure (d.l) und kann in bestimmten Ausführungsformen sogar aus dieser bestehen. Diese
bevorzugte Verfahrensführung wird in der Terminologie der vorliegenden Erfindung als Schritt d) bezeichnet und weiter unten noch genauer erläutert. Regardless of the exact mode of operation and the exact design of the reactor in step a) and the device for combining the re process products, the gas separator, if present, and the phase separator from step b), it is preferred to include the liquid aqueous sulfuric acid obtained in step b) Phase (henceforth also b.5) by evaporation of water to a liquid aqueous phase (henceforth also dl) comprising sulfuric acid in a higher concentration compared to phase (b.5), to be returned in step a) and partly or completely as a component the sulfuric acid (a.2) used there. In this case, the sulfuric acid (a.2) used in step a) contains recycled sulfuric acid (dl) and can even consist of this in certain embodiments. This preferred process management is referred to in the terminology of the present invention as step d) and is explained in more detail below.
In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Schritt b)(ii) erhaltene Flüssigphase (fortan auch b.4) (das Roh-Nitrobenzol) unter Gewinnung von Nitrobenzol ( fortan auch c.l) auf gearbeitet. Diese Aufarbeitung kann grundsätzlich erfolgen wie aus dem Stand der Technik bekannt. Eine bevorzugte Verfahrensweise wird nachstehend geschildert: In step c) of the process according to the invention, the liquid phase obtained in step b) (ii) (henceforth also b.4) (the crude nitrobenzene) is worked up to obtain nitrobenzene (henceforth also c.l). This work-up can in principle be carried out as known from the prior art. A preferred procedure is outlined below:
Zunächst wird die organische Phase (b.4) ein- oder mehrstufig gewaschen (Schritt c)(i)). In einem ersten Teilschritt dieser Wäsche wird die organische Phase (b.4), die üblicherweise noch Spuren an Säure enthält, ein- oder mehrstufig mit einer wässrigen Waschflüssigkeit gewaschen und dann von der erhaltenen sauren wässrigen Phase durch Phasentrennung getrennt; bei mehreren Waschstufen nach jeder einzelnen Waschstufe. Bei diesem Vorgang werden die im rohen Nitrobenzol (b.4) enthaltenen Säurereste ausgewaschen; daher wird dieser Verfahrensschritt auch als saure Wäsche bezeichnet. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und wird daher hier nur kurz umrissen. Bevorzugt werden zur Durchführung dieser sauren Wäsche im Betrieb anfallende wässrige Ströme rezykliert. First, the organic phase (b.4) is washed in one or more stages (step c) (i)). In a first partial step of this wash, the organic phase (b.4), which usually still contains traces of acid, is washed in one or more stages with an aqueous washing liquid and then separated from the acidic aqueous phase obtained by phase separation; with several washing stages after each individual washing stage. During this process, the acid residues contained in the crude nitrobenzene (b.4) are washed out; therefore this process step is also referred to as acid washing. This step is well known from the prior art and is therefore only outlined briefly here. In order to carry out this acidic wash, it is preferred to recycle any aqueous streams that occur during operation.
Die so erhaltene organische Phase wird anschließend in einem zweiten Teilschritt in einer alkalischen Wäsche mit einer wässrigen Lösung einer Base, bevorzugt ausgewählt aus Natriumhydroxid, Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat, ein- oder mehrstufig gewaschen und anschließend von dem alkalischen Waschwasser durch Phasentrennung getrennt; bei mehreren Waschstufen nach jeder einzelnen Waschstufe. Besonders bevorzugt wird als wässrige Baselösung Natronlauge eingesetzt. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und wird daher hier nur kurz umrissen. Der pH-Wert der eingesetzten Natronlauge und ihr Massenverhältnis zur organischen Phase werden so eingestellt, dass saure Verunreinigungen (z. B. als Nebenprodukte gebildete Nitrophenole und im ersten Teilschritt nicht vollständig entfernte Säurereste) in der alkalischen Wäsche neutralisiert werden. Die anschließende Aufarbeitung des alkalischen Abwassers kann nach den Verfahren des Standes der Technik, z. B. gemäß der Lehre von EP 1 593 654 Al und EP 1 132 347 A2, erfolgen. The organic phase obtained in this way is then washed in a second partial step in an alkaline wash with an aqueous solution of a base, preferably selected from sodium hydroxide, sodium carbonate or sodium hydrogen carbonate, in one or more stages and then separated from the alkaline wash water by phase separation; with several washing stages after each individual washing stage. Sodium hydroxide solution is particularly preferably used as the aqueous base solution. This step is well known from the prior art and is therefore only outlined briefly here. The pH value of the sodium hydroxide solution used and its mass ratio to the organic phase are set so that acidic impurities (e.g. nitrophenols formed as by-products and acid residues that were not completely removed in the first step) are neutralized in the alkaline wash. The subsequent work-up of the alkaline waste water can be carried out according to the methods of the prior art, e.g. B. in accordance with the teaching of EP 1 593 654 A1 and EP 1 132 347 A2.
Die so erhaltene organische Phase wird schließlich in einem dritten Teilschritt in einer neutralen Wäsche ein- oder mehrstufig mit Wasser gewaschen und anschließend von der wässrigen Phase durch Phasentrennung getrennt; bei mehreren Waschstufen nach jeder einzelnen Waschstufe. Dies kann grundsätzlich nach allen im Stand der Technik üblichen Verfahren geschehen. Als Waschwasser wird dabei bevorzugt vollentsalztes Wasser (VE-Wasser), besonders bevorzugt eine Mischung aus VE-Wasser und Dampfkondensat (d. i. ein Kondensat von Wasserdampf, welcher durch Wärmeaustausch von Wasser mit beliebigen exothermen Verfahrensschritten erhalten
wurde) und ganz besonders bevorzugt Dampfkondensat eingesetzt. Bevorzugt ist eine Verfahrensweise, bei der in der letzten neutralen Stufe der neutralen Wäsche eine Elektrophorese eingesetzt wird (siehe WO 2012/013678 A2). The organic phase thus obtained is finally washed in a third sub-step in a neutral wash in one or more stages with water and then separated from the aqueous phase by phase separation; with several washing stages after each individual washing stage. In principle, this can be done by any of the methods customary in the prior art. The wash water is preferably fully demineralized water (deionized water), particularly preferably a mixture of deionized water and steam condensate (ie a condensate of water vapor obtained by heat exchange of water with any exothermic process steps was) and very particularly preferably steam condensate used. A procedure is preferred in which electrophoresis is used in the last neutral stage of the neutral wash (see WO 2012/013678 A2).
Das auf diese Weise gewaschene Nitrobenzol wird schließlich von gelöstem Wasser, nicht umgesetztem Benzol und ggf. organischen Verunreinigungen durch weitere Aufarbeitung befreit (Schritt c)(ii)). Diese Aufarbeitung erfolgt bevorzugt durch Destillation, wobei über Kopf die Brüden Wasser und Benzol und ggf. organische Verunreinigungen ausgetrieben werden. Die Brüden werden gekühlt und in einen Trennbehälter gefahren. In der unteren Phase setzt sich Wasser ab, das abgetrennt wird. In der oberen Phase befinden sich Benzol und Leichtsieder, die als Rückbenzol (c.2) wieder der Reaktion zugeführt werden. Erforderlichenfalls kann ein Teil dieser oberen Phase ausgeschleust (also nicht zurückgeführt) werden, um eine zu starke Anreicherung von Leichtsiedern zu vermeiden. Es ist auch möglich, Leichtsieder von dieser oberen Phase abzutrennen und ein an Leichtsiedern abgereichertes Rückbenzol der Reaktion zuzuführen. Bevorzugt wird als Destillationsapparat eine Rektifizierkolonne eingesetzt. Das Sumpfprodukt der Destillation wird, ggf. nach einer weiteren Destillation, in welcher Nitrobenzol als Destillat (also als Kopf- oder Seitenstromprodukt) erhalten wird, als (Rein-)Nitrobenzol (c.l) weiteren Anwendungen (wie insbesondere der Hydrierung zu Anilin) zugeführt. The nitrobenzene washed in this way is finally freed from dissolved water, unreacted benzene and possibly organic impurities by further work-up (step c) (ii)). This work-up is preferably carried out by distillation, the vapors water and benzene and possibly organic impurities being driven off overhead. The vapors are cooled and fed into a separation tank. In the lower phase, water settles out and is separated off. The upper phase contains benzene and low boilers, which are returned to the reaction as return benzene (c.2). If necessary, part of this upper phase can be discharged (that is, not returned) in order to avoid excessive accumulation of low boilers. It is also possible to separate low boilers from this upper phase and to feed a low boilers-depleted return benzene to the reaction. A rectifying column is preferably used as the distillation apparatus. The bottom product of the distillation is, if necessary after a further distillation, in which nitrobenzene is obtained as a distillate (i.e. as top or side stream product), as (pure) nitrobenzene (c.l) for further applications (such as in particular hydrogenation to aniline).
Alternativ zu hier vorgestellten Vorgehensweise ist es auch denkbar, überschüssiges Benzol vor der Wäsche abzutrennen. As an alternative to the procedure presented here, it is also conceivable to separate off excess benzene before washing.
Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, in einem Schritt d) die in Schritt b)(ii) erhaltene flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.5) durch Verdampfung von Wasser zu einer flüssigen wässrigen, im Vergleich zur Phase (b.5) Schwefelsäure in höherer Konzentration umfassende Phase (fortan auch d.l) aufzukonzentrieren, teilweise oder vollständig in Schritt a) zurückzuführen und als Bestandteil der dort eingesetzten Schwefelsäure (a.2) zu verwenden. Diese Aufkonzentrierung der wässrigen Schwefelsäurephase (b.5) kann grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt erfolgen. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, in welcher die Schwefelsäure in der wässrigen Phase (b.5) in einem Entspannungsverdampfer (auch als Blitzverdampfer bezeichnet) aufkonzentriert wird, indem Wasser in einen Bereich reduzierten Druckes hinein verdampft wird. Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen adiabatischen Fahrweise ist es bei richtiger Wahl der Reaktionsbedingungen möglich, in Schritt a) mit der Reaktionswärme der exothermen Reaktion eine so starke Erhitzung der Schwefelsäure enthaltenden wässrigen Phase (b.5) zu erzielen, dass im Entspannungsverdampfer gleichzeitig wieder die Konzentration und Temperatur der Schwefelsäure enthaltenden wässrigen Phase eingestellt werden kann, die diese vor der Reaktion mit Benzol und Salpetersäure bei Eintritt in den Reaktorraum hatte, d. h.,
(d.l) entspricht hinsichtlich Temperatur und Konzentration (a.2). Dies ist beschrieben in EP 2 354 117 Al, insbesondere Absatz [0045]. As already mentioned, it is preferred in a step d) to convert the liquid aqueous phase (b.5) comprising sulfuric acid obtained in step b) (ii) by evaporation of water into a liquid aqueous phase compared to phase (b.5 ) Concentrate phase (henceforth also dl) comprising sulfuric acid in a higher concentration, recirculate it partially or completely in step a) and use it as a component of the sulfuric acid (a.2) used there. This concentration of the aqueous sulfuric acid phase (b.5) can in principle take place as is known from the prior art. An embodiment is preferred in which the sulfuric acid in the aqueous phase (b.5) is concentrated in a flash evaporator (also referred to as a flash evaporator) by evaporating water into an area of reduced pressure. In the case of the adiabatic mode of operation provided according to the invention, with the correct choice of reaction conditions, it is possible in step a) to use the heat of reaction of the exothermic reaction to heat the aqueous phase (b.5) containing sulfuric acid to such an extent that the concentration and again simultaneously in the flash evaporator The temperature of the aqueous phase containing sulfuric acid can be set which it had before the reaction with benzene and nitric acid on entry into the reactor space, ie (dl) corresponds to (a.2) in terms of temperature and concentration. This is described in EP 2 354 117 A1, in particular paragraph [0045].
Wie bereits erwähnt, ist ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Produktionsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Nitrobenzol. Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten in entsprechender Weise ebenso für die erfindungsgemäße Produktionsanlage. Beispielsweise umfasst die erfindungsgemäße Produktionsanlage vorzugsweise Rohrreaktoren als Reaktoren. As already mentioned, a second subject of the present invention is a production plant for carrying out the process according to the invention for the continuous production of nitrobenzene. Preferred embodiments and configurations of the method according to the invention also apply in a corresponding manner to the production plant according to the invention. For example, the production plant according to the invention preferably comprises tubular reactors as reactors.
Die beigefügte Zeichnung FIG. 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage am Beispiel n = 2. Es bedeuten: The accompanying drawing FIG. 5 shows a possible embodiment of the production plant according to the invention using the example n = 2.
1001, 1002: Reaktoren 1001, 1002: reactors
2100: Vorrichtung zum Zusammenführen der in den Reaktoren erhaltenen 2100: device for merging the obtained in the reactors
V erf ahr ensprodukte Process products
2200 Phasentrennapparat 2200 phase separator
3000 Einrichtung zur Schwefelsäureaufkonzentrierung (Verdampfer) 3000 facility for sulfuric acid concentration (evaporator)
4000 Schwefelsäuretank 4000 sulfuric acid tank
5000 Roh-Nitrobenzoltank 5000 raw nitrobenzene tank
6000 Einrichtungen zur ein- oder mehrstufigen Wäsche des Roh-Nitrobenzols 6000 devices for single or multi-stage washing of the crude nitrobenzene
7000 Einrichtung zur Abtrennung nicht umgesetzten Benzols (insbesondere 7000 facility for the separation of unreacted benzene (in particular
Rektifizierkolonne) Rectifying column)
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Produktionsanlage zusätzlich einen oder mehrere Gasabscheider. In diesem Fall gibt es, wie zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits beschrieben, mehrere Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung der Produktionsanlage: In a particular embodiment, the production plant according to the invention additionally comprises one or more gas separators. In this case, as already described above in connection with the method according to the invention, there are several options for further designing the production plant:
(a) Die Produktionsanlage kann über einen stromabwärts zu der Vorrichtung zum Zusammenführen der in den n Reaktoren erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und(a) The production plant can have a downstream to the device for combining the nitrobenzene, benzene and obtained in the n reactors
Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (und stromaufwärts zum Phasentrennapparat) angeordneten Gasabscheider verfügen. Process products containing sulfuric acid (and upstream of the phase separation apparatus) have gas separators.
(ß) Es ist aber auch möglich, den n parallel betriebenen Reaktoren n parallel betriebene Gasabscheider nachzuschalten, deren Flüssigkeitsaustritte in die Vorrichtung zum Zusammenführen der in den n Reaktoren erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und(ß) But it is also possible to follow the n reactors operated in parallel n gas separators operated in parallel, the liquid outlets of which into the device for merging the nitrobenzene, benzene and obtained in the n reactors
Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte münden. Process products containing sulfuric acid open.
(g) Schließlich kann die Vorrichtung zum Zusammenführen der in den n Reaktoren erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte so ausgestaltet
werden, dass sie die Funktionen des Vereinigens der re rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung und der Abreicherung gasförmiger Bestandteile gemeinsam erfüllt. (g) Finally, the device for bringing together the process products obtained in the n reactors and containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid can be designed in this way that it fulfills the functions of combining the re crude process products of nitration and the depletion of gaseous components together.
In der Ausführungsform mit zusätzlicher Gas-flüssig-Trennung umfasst die erfindungsgemäße Produktionsanlage also vorzugsweise in einer Variante (a), b) stromabwärts zu der Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte und stromaufwärts zum Phasentrennapparat angeordnet, einen Gasabscheider zur Trennung des Mischstromes aus b)(i) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.3) und einen an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure umfassenden (flüssigen) Mischstrom (b.2), oder, in einer Variante (ß), b) stromabwärts zu den n Reaktoren aus a ) und stromaufwärts zu der Vorrichtung zum Vereinigen der n Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte angeordnet, n parallel betriebene Gasabscheider zur Trennung der Verfahrensprodukte der n Reaktoren aus a) in n gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phasen (b.3.1, b.3.2, ... b.3. re) und re an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure umfassende (flüssige) Verfahrensprodukte (b.2.1, b.2.2, ... b.2. re), oder, in einer Variante (g), b) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, eine solche Vorrichtung zum Vereinigen der re Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte, die auch als ein (allen re Reaktoren gemeinsamer) Gasabscheider zur Trennung der Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2, ..., a.4.re) der re Reaktoren aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.3) und einen an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure umfassenden (flüssigen) Mischstrom (b.2) fungiert. In the embodiment with additional gas-liquid separation, the production plant according to the invention thus preferably comprises, in a variant (a), b) downstream of the device for combining the process products containing n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid and arranged upstream of the phase separation apparatus, a gas separator for separation of the mixed stream from b) (i) into a gaseous phase (b.3) comprising benzene and gaseous secondary components and a (liquid) mixed stream (b.2) which is depleted in gaseous components and comprises nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, or, in one Variant (β), b) arranged downstream of the n reactors from a) and upstream of the device for combining the n nitrobenzene, benzene and sulfuric acid-containing process products, n gas separators operated in parallel to separate the process products of the n reactors from a) into n gaseous ones , Phases comprising benzene and gaseous secondary components (b.3.1, b.3.2, ... b.3. re) and re (liquid) process products (b.2.1, b.2.2, ... b.2. re), or, in a variant (g), b) downstream, containing nitrobenzene, benzene and sulfuric acid and depleted in gaseous components Arranged to the reactors from a), such a device for combining the process products containing re nitrobenzene, benzene and sulfuric acid, which can also be used as a gas separator (common to all re reactors) for separating the process products (a.4.1, a.4.2, ... , a.4.re) the re reactors from a) into a gaseous phase (b.3) comprising benzene and gaseous secondary components and a (liquid) mixed stream (b.2) depleted in gaseous components and comprising nitrobenzene, benzene and sulfuric acid acts.
Variante (a) ist besonders bevorzugt (siehe hierzu die entsprechenden Ausführungen weiter oben im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens) und in FIG. 6 am Beispiel von zwei Reaktoren 1001 und 1002 dargestellt. Regelventile und dgl. sind aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung nicht dargestellt. Durch die Vereinigung der einzelnen Verfahrensprodukte (a.4.1, a.4.2) in einem Behälter (2100) vor dem Gasabscheider (2110) und
damit auch vor dem Phasentrennapparat (2200) wird die Konstruktion des Phasentrennapparats vereinfacht (nur eine statt mindestens zwei Öffnungen für die Zudosierung der flüssigen Phase). Ferner wird die Phasentrennung erleichtert, da unerwünschte Strömungen im Apparat wie Quer- und Rückströmungen sowie Wirbelausbildung, die sich aufgrund unterschiedlicher Anteile der drei Phasen (wässrig, organisch, Gas) in den eintretenden Reaktionslösungen ausbilden, verringert oder beseitigt werden. Darüber hinaus führen variierende Durchsätze und Reaktionsbedingungen in den einzelnen Straßen bei mehreren Eintrittsöffnungen zu variierenden und stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten an den Eintritten und damit zu unbekannten Strömungsbedingungen im Phasentrennapparat. Durch eine vorangehende Homogenisierung mit gemeinsamer Zudosierung an einer Stelle lassen sich diese Einflüsse besser beherrschen. Variant (a) is particularly preferred (see the corresponding statements above in connection with the description of the method according to the invention) and in FIG. 6 using the example of two reactors 1001 and 1002. Control valves and the like are not shown for reasons of simplicity of the drawing. By combining the individual process products (a.4.1, a.4.2) in a container (2100) in front of the gas separator (2110) and thus also upstream of the phase separation apparatus (2200), the construction of the phase separation apparatus is simplified (only one instead of at least two openings for metering in the liquid phase). Furthermore, the phase separation is facilitated, since undesired flows in the apparatus such as cross and back flows as well as vortex formation, which form due to different proportions of the three phases (aqueous, organic, gas) in the incoming reaction solutions, are reduced or eliminated. In addition, varying throughputs and reaction conditions in the individual streets with several inlet openings lead to varying and very different speeds at the inlets and thus to unknown flow conditions in the phase separation apparatus. These influences can be better controlled by prior homogenization with joint metering at one point.
Wird auf die Abreicherung gasförmiger Bestandteile gemäß einer der Varianten (a), (ß) oder (g) verzichtet, so erfolgt in bevorzugter Ausgestaltung eine Abtrennung gasförmiger Bestandteile in gewissem Umfang in der Phasentrennung von Schritt b)(ii) dadurch, dass der Phasentrennapparat mit einem Gasauslass versehen ist, über den gasförmige Bestandteile abgeführt werden. Dies ist in FIG. 5 durch den Pfeil„b.3“ am oberen Ende des Phasentrennapparats (2200) angedeutet. Der Gasauslas des Phasentrennapparats aus Schritt b)(ii) mündet vorzugsweise in eine Abgasaufarbeitungsvorrichtung. If the depletion of gaseous constituents according to one of the variants (a), (β) or (g) is dispensed with, in a preferred embodiment gaseous constituents are separated to a certain extent in the phase separation of step b) (ii) by the phase separation apparatus is provided with a gas outlet through which gaseous components are discharged. This is shown in FIG. 5 indicated by the arrow “b.3” at the upper end of the phase separation apparatus (2200). The gas outlet of the phase separation apparatus from step b) (ii) preferably opens into an exhaust gas processing device.
In allen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Produktions anlage ist es besonders bevorzugt, die Produktionsanlage so auszugestalten, dass die n Reaktoren unabhängig voneinander regelbar sind, also unabhängig voneinander betrieben werden können. Dies erlaubt es, bei verminderter Nachfrage nach dem Produkt Nitrobenzol, die Produktionsleistung durch Außerbetriebnahme einzelner Reaktoren zu ermöglichen. Die hierzu erforderlichen Einrichtungen (insbesondere Regelventile und deren entsprechende Steuerungen) sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. In all embodiments of the production plant according to the invention, it is particularly preferred to design the production plant in such a way that the n reactors can be regulated independently of one another, that is, can be operated independently of one another. This makes it possible, with reduced demand for the product nitrobenzene, to enable production output by shutting down individual reactors. The equipment required for this (in particular control valves and their corresponding controls) are sufficiently known to the person skilled in the art.
In der einfachsten Ausgestaltung des Einleitens des Mischstroms in den Phasentrennapparat verfügt der Phasentrennapparat über einen einzigen Einlaufstutzen für den Mischstrom. In the simplest embodiment of the introduction of the mixed flow into the phase separation apparatus, the phase separation apparatus has a single inlet connection for the mixed flow.
Soll der in der Vorrichtung zum Zusammenführen der in den Reaktoren erhaltenen Verfahrensprodukte (2100) erhaltene Mischstrom, wie im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens als mögliche Ausführungsform geschildert, abweichend von den Darstellungen in FIG. 5 und FIG. 6 in mehrere (insbesondere 2 bis re, bevorzugt 2 bis 3) Teilströme aufgeteilt und dem Phasentrennapparat (2200) an verschiedenen Stellen zugeführt werden, so verfügt die erfindungsgemäße Produktionsanlage stromabwärts zur Vorrichtung zum Zusammenführen der in den Reaktoren erhaltenen Verfahrensprodukte (2100) über ein Verteilersystem mit einer der Anzahl der Teilströme entsprechenden Auslässen, und der Phasentrennapparat (2200) verfügt über mehrere Einlaufstutzen, die mit den Auslässen der Verteilersystem verbunden sind und deren Anzahl der Anzahl der Teilströme entspricht. Ein solches Verteilersystem ist auf einfache Weise dadurch zu verwirklichen, dass die Leitung zum
Abführen des Mischstroms aus der Vorrichtung zum Zusammenführen der in den Reaktoren erhaltenen Verfahrensprodukte (2100) in mehrere Leitungen mündet, deren Anzahl der Anzahl der gewünschten Teilströme entspricht, oder dadurch, dass die Vorrichtung zum Zusammenführen der in den Reaktoren erhaltenen Verfahrensprodukte (2100) über eine der Anzahl der Teilströme entsprechende Zahl an Austrittstutzen verfügt, welche über Leitungen mit den Einlaufstutzen des Phasentrennapparats verbunden sind. If the mixed stream obtained in the device for combining the process products (2100) obtained in the reactors, as described in connection with the description of the process according to the invention as a possible embodiment, deviating from the representations in FIG. 5 and FIG. 6 are divided into several (in particular 2 to right, preferably 2 to 3) substreams and fed to the phase separation apparatus (2200) at different points, the production plant according to the invention has a distribution system downstream of the device for combining the process products (2100) obtained in the reactors with one of the outlets corresponding to the number of partial flows, and the phase separator (2200) has several inlet nozzles which are connected to the outlets of the distribution system and the number of which corresponds to the number of partial flows. Such a distribution system can be realized in a simple manner that the line to Removal of the mixed flow from the device for merging the process products (2100) obtained in the reactors opens into several lines, the number of which corresponds to the number of the desired partial flows, or by the fact that the device for merging the process products (2100) obtained in the reactors via a the number of outlet nozzles corresponding to the number of partial flows, which are connected via lines to the inlet nozzle of the phase separation apparatus.
Durch die erfindungsgemäßen Vorgehensweise ergeben sich mindestens die folgenden Vorteile: i) Durch das Zusammenführen der einzelnen Reaktionsprodukte der n Straßen vor dem Phasentrennapparat und die damit verbundene Homogenisierung lassen sich unerwünschte Strömungen und Turbulenzen im Phasentrennapparat minimieren. The procedure according to the invention results in at least the following advantages: i) By bringing together the individual reaction products of the n streets in front of the phase separation apparatus and the associated homogenization, undesired flows and turbulence in the phase separation apparatus can be minimized.
ii) Die n Reaktoren können unabhängig voneinander bei unterschiedlichen Prozess bedingungen (Durchsatz, Druck, Temperatur) betrieben werden, ohne dass sich dies negativ auf die Trennleistung des Phasentrennapparats auswirkt. ii) The n reactors can be operated independently of one another under different process conditions (throughput, pressure, temperature) without this having a negative effect on the separation performance of the phase separation apparatus.
iii) Durch die in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgenommene Entgasung der Reaktionslösungen vor dem Phasentrennapparat werden Geschwindigkeiten und Turbulenzen im Eintrittsbereich desselben reduziert, wodurch die Trenneffizienz deutlich gesteigert werden kann. iii) The degassing of the reaction solutions upstream of the phase separation apparatus, which is carried out in a preferred embodiment of the invention, reduces velocities and turbulence in the inlet area of the same, whereby the separation efficiency can be increased significantly.
iv) Die Phasentrennzeiten im Phasentrennapparat werden minimiert, wodurch der Investitionsaufwand für diesen Apparat geringer wird bzw. in einer existierenden Anlage eine Produktionserweiterung erleichtert wird. iv) The phase separation times in the phase separation apparatus are minimized, as a result of which the investment outlay for this apparatus is lower and a production expansion in an existing plant is facilitated.
v) Durch die verbesserte Phasentrennung wird der Mitriss von Organika in den Verdampfer der Schwefelsäureaufkonzentrierung reduziert, was den Energieverbrauch verringert und die Probleme, die sonst durch diese Organika verursacht werden, vermindert. v) The improved phase separation reduces the entrainment of organic substances in the evaporator of the sulfuric acid concentration, which reduces energy consumption and the problems that are otherwise caused by these organic substances.
vi) Durch die verbesserte Phasentrennung wird der Mitriss von Schwefelsäure im Roh- Nitrobenzol, das zur Aufarbeitung geführt wird, verringert. Dadurch kommt es zur Einsparung von Einsatzstoffen, weil die Schwefelsäureverluste in der Aufarbeitung geringer ausfallen. vi) Due to the improved phase separation, the entrainment of sulfuric acid in the crude nitrobenzene, which is sent to work-up, is reduced. This saves input materials because the sulfuric acid losses in the work-up are lower.
vii) Die Abwasserbelastung wird reduziert, da weniger Schwefelsäure in das Abwasser von Schritt c) gelangt. vii) The wastewater pollution is reduced since less sulfuric acid gets into the wastewater from step c).
viii) Strömungsberuhigende Einbauten im Phasentrennapparat, die anfällig für störende Verschmutzungen und Anbackungen sind, sind im Allgemeinen verzichtbar. viii) Flow-calming internals in the phase separation apparatus, which are susceptible to disruptive contamination and caking, can generally be dispensed with.
Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung durch Beispiele verdeutlicht werden.
Beispiele: The present invention is illustrated below by means of examples. Examples:
In den folgenden beiden Beispielen soll der positive Einfluss einer Homogenisierung der eintretenden Ströme auf die Phasentrennung deutlich gemacht werden. Es wurden dazu Computational Fluid Dynamics-S i m u I at innen des dreiphasigen Strömungsverhaltens im Phasentrennapparat (Apparat 2200 in FIG. 5) durchgeführt. In den diskutierten Beispielen werden drei Reaktoren parallel betrieben, deren austretende Ströme an drei verschiedenen Stellen in den Phasentrennapparat einlaufen. Für die Simulation wurde angenommen, dass die drei Reaktionsprodukte (a.4.1, a.4.2, a.4.3) in unterschiedlichen Mengen anfallen, da die drei Reaktoren mit unterschiedlicher Produktionskapazität betrieben werden. Während das Reaktionsprodukt des ersten Reaktors 300 t/h wässrige Phase (Schwefelsäure-Phase), 17 t/h organische Phase (Nitrobenzol-Phase) und 0,18 t/h Gasphase (vor allem Benzol) enthält, treten aus den anderen beiden Reaktoren jeweils 225 t/h wässrige Phase (Schwefelsäure-Phase), 13 t/h organische Phase (Nitrobenzol-Phase) und 0,13 t/h Gasphase aus der Reaktion aus. Der Phasentrennapparat wird bei einem absoluten Druck (in der Gasphase) von ca. 1,1 bar betrieben, und die eintretenden Ströme haben eine Temperatur von 130°C. In the following two examples, the positive influence of a homogenization of the incoming streams on the phase separation should be made clear. To this end, computational fluid dynamics simulations were carried out inside the three-phase flow behavior in the phase separation apparatus (apparatus 2200 in FIG. 5). In the examples discussed, three reactors are operated in parallel, the exiting streams of which enter the phase separation apparatus at three different points. For the simulation it was assumed that the three reaction products (a.4.1, a.4.2, a.4.3) occur in different amounts, since the three reactors are operated with different production capacities. While the reaction product of the first reactor contains 300 t / h aqueous phase (sulfuric acid phase), 17 t / h organic phase (nitrobenzene phase) and 0.18 t / h gas phase (especially benzene), the other two reactors emerge 225 t / h aqueous phase (sulfuric acid phase), 13 t / h organic phase (nitrobenzene phase) and 0.13 t / h gas phase from the reaction. The phase separator is operated at an absolute pressure (in the gas phase) of approx. 1.1 bar, and the incoming streams have a temperature of 130 ° C.
Das verwendete 3D-Gitter des Phasentrennapparats mit 800.000 Rechenzellen ist in FIG. 7 dargestellt. Es bedeuten: The 3D grid used by the phase separation apparatus with 800,000 computing cells is shown in FIG. 7 shown. It means:
100: Einlauf stutzen (3x; der dritte liegt hinter der Betrachtungsebene und ist in der 100: Inlet connection (3x; the third is behind the viewing plane and is in the
Zeichnung nicht sichtbar) Drawing not visible)
200: Austritt Gasphase 200: exit gas phase
300: Ablauf organische Phase 300: Organic phase drain
400: Ablauf wässrige Phase 400: Aqueous phase drain
Der Einfachheit halber wurde der Phasentrennapparat als Zylinder abgebildet, ohne Rundungen der seitlichen Deckel zu berücksichtigen. Aufgrund der Achsensymmetrie muss nur die Hälfte des Phasentrennapparats modelliert werden. Die Verfahrensprodukte der drei Reaktoren (a.4) laufen über Einlaufstutzen auf der linken Seite zu. Der Ablauf der organischen Phase (b.4) befindet sich mittig auf der rechten Seite. Der Ablauf der wässrigen Phase (b.5) befindet sich am unteren Ende. Die Gasphase (b.3) kann oben abgezogen werden. Die Dreiphasenströmung wurde mit einem Euler-Euler-Ansatz simuliert, wobei die wässrige Phase als kontinuierliche Phase und die organische Phase und die Gasphase als disperse Phase beschrieben wurden. Im Rahmen der Simulation wurden die Kontinuitäts- und Impulserhaltungsgleichungen für alle Phasen gelöst. Als Turbulenzmodell kam ein k-epsilon Modell zum Einsatz. Die Gleichungen wurden instationär gelöst, wobei die Zeitschritte zwischen 0,1 s und 0,001 s variiert wurden. For the sake of simplicity, the phase separator was depicted as a cylinder without taking into account the rounding of the side covers. Due to the axis symmetry, only half of the phase separation apparatus has to be modeled. The process products of the three reactors (a.4) flow in via inlet connections on the left side. The flow of the organic phase (b.4) is in the middle on the right-hand side. The drainage of the aqueous phase (b.5) is at the lower end. The gas phase (b.3) can be withdrawn at the top. The three-phase flow was simulated with an Euler-Euler approach, the aqueous phase being described as the continuous phase and the organic phase and the gas phase as the disperse phase. The continuity and conservation of momentum equations for all phases were solved in the simulation. A k-epsilon model was used as the turbulence model. The equations were solved unsteadily, the time steps being varied between 0.1 s and 0.001 s.
Da die genauen Tropfen- bzw. Blasengrößen am Eintritt in den Phasentrennapparat bzw. auch im Phasentrennapparat selbst unbekannt sind, wurde für beide Phasen ein konstanter Tropfen- bzw. Blasendurchmesser von 1 mm angenommen. Da Tropfen und Blasen in der Realität einer gewissen
Größenverteilung folgen und es im Apparat zu Zerfalls- und Koaleszenzvorgängen kommt, können die tatsächlichen Partikelgrößen und die daraus resultierenden Phasenanteile im Apparat abweichen. Ziel der CFD-Simulation ist es, den Einfluss einer Gasphase auf die Strömungsverhältnisse und schließlich der Trenneffizienz des Phasentrennapparats qualitativ zu beschreiben. Since the exact droplet or bubble sizes at the entry into the phase separator or in the phase separator itself are unknown, a constant droplet or bubble diameter of 1 mm was assumed for both phases. Because drops and bubbles in reality of a certain amount Size distribution and if disintegration and coalescence processes occur in the apparatus, the actual particle sizes and the resulting phase proportions in the apparatus may differ. The aim of the CFD simulation is to qualitatively describe the influence of a gas phase on the flow conditions and ultimately the separation efficiency of the phase separation apparatus.
In den Beispielen wird jeweils der Fall ohne Homogenisierung (Beispiel 1) und mit Homogenisierung (Apparat 2100, Beispiele 2 und 3) betrachtet. In the examples, the case without homogenization (example 1) and with homogenization (apparatus 2100, examples 2 and 3) is considered.
Beispiel 1 ( ) :Example 1 ( ) :
In Vergleichsbeispiel 1 treten die einzelnen Straßen mit ihrer jeweiligen Menge an den drei Zulaufstutzen in den Phasentrennapparat ein. In comparative example 1, the individual streets enter the phase separator with their respective quantities at the three inlet connections.
300 t/h wässrige Phase, 17 t/h organische Phase und 0,18 t/h Gasphase aus Reaktor 1; jeweils 225 t/h wässrige Phase, 13 t/h organische Phase und 0,13 t/h Gasphase aus den Reaktoren 2 und 3. 300 t / h aqueous phase, 17 t / h organic phase and 0.18 t / h gas phase from reactor 1; 225 t / h aqueous phase, 13 t / h organic phase and 0.13 t / h gas phase from reactors 2 and 3.
Das Verfahrensprodukt des Reaktors mit der größeren Last läuft am zentralen Einlauf seitlich zu. Die Verfahrensprodukte der beiden Reaktoren mit der geringen Last laufen an den Stutzen seitlich zu. The process product of the reactor with the greater load runs to the side of the central inlet. The process products of the two reactors with the low load run to the side of the nozzle.
In FIG. 8 sind die Volumenanteile der drei Phasen in Grauskalen dargestellt (Abbildung oben: Volumenanteile wässrige Phase, Mitte: Volumenanteile organische Phase, unten: Volumenanteile Gasphase). In den Abbildungen sind die einzelnen Phasen zudem gekennzeichnet mit In FIG. 8 the volume proportions of the three phases are shown in gray scales (figure above: volume proportions aqueous phase, middle: volume proportions organic phase, bottom: volume proportions gas phase). In the figures, the individual phases are also marked with
10: wässrige Phase, 10: aqueous phase,
20: organische Phase, 20: organic phase,
30: Gasphase und 30: gas phase and
40: disperse Phase, in der noch keine vollständige Durchmischung stattgefunden hat. 40: disperse phase in which complete mixing has not yet taken place.
Im oberen Bild ist erkennbar, dass sich direkt nach Eintritt eine kontinuierliche wässrige Phase ausbildet, die sich nach unten absetzt. Die wässrige Phase befindet sich dabei allerdings sehr weit über dem Eintrittsstutzen und wird zunächst durch den aufsteigenden Gasstrom nach oben mitgerissen. Eine kontinuierliche organische Phase bildet sich erst ganz am Ende am Ablauf (300) der organischen Phase aus, wobei die Phasengrenze wässrig-organisch am unteren Ende des Ablaufs liegt (mittlere Abbildung, zusammenhängende organische Phase rechts vor Ablauf der organischen Phase 300), so dass es zu massivem Mitriss von wässriger Phase kommt. In der Mitte des Phasentrennapparats besteht ein großer Bereich, in dem alle drei Phasen vorliegen („disperse“ Phase) und Verwirbelungen sichtbar sind. Es fällt auf, dass die organische Phase hier nur sehr fein
verteilt vorliegt und kaum Volumenanteile über 5 % erreicht. In der unteren Abbildung, in der die Volumenanteile der Gasphase dargesteht sind, sieht man, dass die aufsteigende Gasphase die wässrige und organische Phase nach oben mitschleppt. Dadurch findet die Trennung erst spät im Apparat statt und der hohe Volumenanteil an wässriger Phase und die kaum sichtbaren Anteile an organischer Phase lassen sich so erklären. In Summe muss für einen solchen Betrieb von massivem Mitriss an Fremdphase an den einzelnen Ausgängen ausgegangen werden, vor allem wenn in der Realität Anteile kleinerer Tropfen- und Gasblasengrößen als die hier simulierten 1mm Durchmesser vorhanden sind, die mehr Zeit zur Abtrennung benötigen. In the picture above it can be seen that a continuous aqueous phase forms immediately after entry, which settles downwards. The aqueous phase is, however, very far above the inlet connection and is initially entrained upwards by the rising gas flow. A continuous organic phase does not form until the very end at the outlet (300) of the organic phase, the aqueous-organic phase boundary being at the lower end of the sequence (middle figure, coherent organic phase on the right before the outlet of the organic phase 300), so that massive entrainment of the aqueous phase occurs. In the middle of the phase separator there is a large area in which all three phases are present ("disperse" phase) and turbulences are visible. It is noticeable that the organic phase is only very fine here is distributed and hardly reaches volume proportions above 5%. In the figure below, which shows the volume fractions of the gas phase, you can see that the ascending gas phase carries the aqueous and organic phases upwards. As a result, the separation takes place late in the apparatus and the high volume fraction of aqueous phase and the barely visible proportions of organic phase can be explained in this way. In total, massive entrainment of foreign phase at the individual outputs must be assumed for such an operation, especially if in reality there are proportions of smaller droplets and gas bubble sizes than the 1mm diameter simulated here, which require more time for separation.
In der realen Produktion kann die Phasengrenze durch ein im Phasentrennapparat angebrachtes Schauglas beobachtet werden. Unter den zuvor beschriebenen Bedingungen wurden im realen Betrieb immer wieder sehr deutliche Schwankungen der Flüssig-flüssig-Phasengrenze (±200 mm) auf der rechten Seite unterhalb des Austritts der organischen Phase beobachtet. Des Weiteren werden am Schauglas aufsteigende Gasblasen beobachtet. Die beobachteten Turbulenzen im Apparat sind umso größer, je mehr sich die Lasten der einzelnen Reaktoren unterscheiden. Im Rohnitrobenzoltank (5000) wurde bei dieser Fahrweise eine wässrige Phase festgesteht. Damit wird die Simulation durch die Beobachtungen am realen Apparat bestätigt. In real production, the phase boundary can be observed through a sight glass attached to the phase separator. Under the conditions described above, very clear fluctuations in the liquid-liquid phase boundary (± 200 mm) on the right-hand side below the exit of the organic phase were observed again and again in real operation. Furthermore, rising gas bubbles are observed at the sight glass. The observed turbulence in the apparatus is greater, the more the loads of the individual reactors differ. In this procedure, an aqueous phase was solidified in the crude nitrobenzene tank (5000). The simulation is thus confirmed by the observations on the real apparatus.
Beispiel 2 (crfindungsgcmäfi): Example 2 (crfindungsgcmäfi):
Im erfindungsgemäßen Beispiel 2 wurde der Betrieb des Phasentrennapparats aus Beispiel 1 unter Berücksichtigung einer vorgelagerten Homogenisierung simuliert, d. h., es wurde angenommen, dass die in die über die drei Eintrittsstutzen in den Phasentrennapparat fließenden Verfahrensprodukte hinsichtlich Temperatur, Zusammensetzung und Mengenstrom identisch sind. In Beispiel 2 treten daher die Verfahrensprodukte der einzelnen Reaktoren zu gleichen Anteilen an den drei Zulaufstutzen in den Phasentrennapparat ein, und zwar: In example 2 according to the invention, the operation of the phase separation apparatus from example 1 was simulated taking into account an upstream homogenization, i.e. That is, it was assumed that the process products flowing into the phase separation apparatus via the three inlet nozzles are identical with regard to temperature, composition and flow rate. In example 2, the process products of the individual reactors therefore enter the phase separation apparatus in equal proportions at the three inlet connections, namely:
3 x 250t/h wässrige Phase, 14 t/h organische Phase und 0,15 t/h Gasphase. 3 x 250 t / h aqueous phase, 14 t / h organic phase and 0.15 t / h gas phase.
Die Ergebnisse sind in FIG. 9 dargesteht (Anordnung der Abbildungen und Bezeichnungen wie in FIG. 8). Eine kontinuierliche organische Phase bildet sich zwar weiterhin erst zum Ende des Phasentrennapparats aus (mittlere Abbildung, zusammenhängende organische Phase rechts vor Ablauf der organischen Phase). Der Bereich ist allerdings deutlich größer geworden, und die Phasengrenze wässrig-organisch hegt nicht mehr im Bereich des Ablaufstutzens. In der Mitte des Phasentrennapparats besteht weiterhin ein großer Bereich, in dem alle drei Phasen vorliegen („disperse“ Phase). In diesem Bereich hat der Anteil an organischer Phase deutlich zugenommen, so dass hier schon eine Phasentrennung stattfindet. Dies ist auch in der mittleren und unteren Abbildung erkennbar, wo auch für die organische und Gasphase größere Volumenanteile in diesem Bereich erkennbar sind. Insgesamt sind die organische und die Gasphase nicht mehr so fein im
Apparat verteilt und die wässrige Phase gelangt nicht mehr so weit nach oben in den Apparat, sondern setzt sich schneller nach unten ab. In der unteren Abbildung, in der die Volumenanteile der Gasphase dargesteht sind, sieht man, dass die Gasphase nach oben hin aufsteigt, aber ein Teil auch noch bis weit in den Apparat mitgeschleppt wird. Aufgrund der niedrigen Dichte der Gasphase (ca. 3 kg/m3) kommt es trotz des niedrigen Massenanteils der Gasphase (0,15 t/h auf 250 t/h) zu einem hohen Volumenanteil im Bereich des Eintritts und im mittleren Teil des Dekanters. Der hohe Gasanteil führt dabei auch im Bereich des Eintritts zu höheren Geschwindigkeiten in den flüssigen Phasen (bis zu 2 m/s) und zu Verwirbelungen im Bereich der Flüssig-flüssig-Phasentrennung. Für einen solchen Betrieb kann Mitriss an Fremdphase an den einzelnen Ausgängen weiterhin nicht ausgeschlossen werden, vor allem wenn in der Realität Anteile kleinerer Tropfen- und Gasblasengrößen als die hier simulierten 1mm Durchmesser vorhanden sind, die mehr Zeit zur Abtrennung benötigen. The results are shown in FIG. 9 (arrangement of the figures and designations as in FIG. 8). A continuous organic phase does not form until the end of the phase separator (middle figure, coherent organic phase on the right before the organic phase runs out). However, the area has become significantly larger, and the aqueous-organic phase boundary is no longer in the area of the outlet connection. In the middle of the phase separator there is still a large area in which all three phases are present ("disperse" phase). In this area, the proportion of organic phase has increased significantly, so that phase separation already takes place here. This can also be seen in the middle and lower figure, where larger volume fractions can also be seen in this area for the organic and gas phase. Overall, the organic and gas phases are no longer so fine Distributed in the apparatus and the aqueous phase no longer reaches the top of the apparatus, but settles down more quickly. In the figure below, in which the volume fractions of the gas phase are shown, you can see that the gas phase rises upwards, but a part is also carried along far into the apparatus. Due to the low density of the gas phase (approx. 3 kg / m 3 ), despite the low mass fraction of the gas phase (0.15 t / h to 250 t / h), there is a high volume fraction in the area of the inlet and in the middle part of the decanter . The high gas content also leads to higher velocities in the liquid phases (up to 2 m / s) in the area of entry and to turbulence in the area of liquid-liquid phase separation. For such an operation, entrainment of foreign phase at the individual outlets cannot be ruled out, especially if in reality there are proportions of drops and gas bubble sizes smaller than the 1 mm diameter simulated here, which require more time for separation.
In Summe hat sich die Phasentrennung im Apparat durch die Homogenisierung deutlich verbessert. Beispiel 3 zeigt, dass dieses Ergebnis weiter verbessert werden kann, wenn zusätzlich eine Gasabscheidung vorgenommen wird. All in all, the phase separation in the apparatus has improved significantly as a result of the homogenization. Example 3 shows that this result can be further improved if gas separation is also carried out.
Beispiel 3 (crfindungsgcmäfi): Example 3 (crfindungsgcmäfi):
Im erfindungsgemäßen Beispiel 3 wurde der Betrieb des Phasentrennapparats aus Beispiel 2 unter Berücksichtigung einer vorgelagerten Entgasung simuliert. Zu diesem Zweck wurde der Anteil der Gasphase in den drei Verfahrensprodukten (a.4.1, a.4.2, a.4.3) jeweils auf 0,012 t/h reduziert (die Simulation geht also davon aus, dass > 90 % der Gasphase abgetrennt wird, was mit üblichen Entgasungsvorrichtungen problemlos realisierbar ist), was im realen Betrieb der Variante (a) oder (ß) entspricht. In der Simulation laufen weiterhin aus jedem Reaktor jeweils 250 t/h wässrige Phase und 14 t/h organische Phase in den Phasentrennapparat ein. Die Volumenanteile der drei Phasen sind in FIG. 10 dargesteht (Anordnung der Abbildungen und Bezeichnungen wie in FIG. 8 und 9). Im Gegensatz zu Beispiel 2 zeigt sich, dass sich direkt nach Eintritt in den Phasentrennapparat eine stabile durchgehende wässrige und organische Phase ausbildet. Aufgrund des niedrigen Gasphasenanteils stört diese nicht mehr den Trennvorgang. Die Geschwindigkeiten im Bereich des Eintritts sind ebenfalls deutlich reduziert (< 1m/s). Auch für kleine Tropfendurchmesser ist die Strömung so beruhigt, dass ein Aufstieg und eine Phasentrennung erfolgen kann. Für einen solchen Betrieb kann Mitriss an Fremdphase an den einzelnen Ausgängen weitestgehend ausgeschlossen werden. In example 3 according to the invention, the operation of the phase separation apparatus from example 2 was simulated taking into account an upstream degassing. For this purpose, the proportion of the gas phase in the three process products (a.4.1, a.4.2, a.4.3) was reduced to 0.012 t / h (the simulation therefore assumes that> 90% of the gas phase is separated, which can be easily implemented with conventional degassing devices), which corresponds to variant (a) or (ß) in real operation. In the simulation, 250 t / h of aqueous phase and 14 t / h of organic phase from each reactor continue to flow into the phase separation apparatus. The volume fractions of the three phases are shown in FIG. 10 shown (arrangement of the figures and designations as in FIGS. 8 and 9). In contrast to Example 2, it can be seen that a stable, continuous aqueous and organic phase is formed immediately after entry into the phase separation apparatus. Due to the low gas phase content, this no longer interferes with the separation process. The speeds in the area of the entrance are also significantly reduced (<1m / s). Even for small droplet diameters, the flow is so calm that an ascent and a phase separation can take place. For such an operation, entrainment of foreign phase at the individual outputs can be largely excluded.
Der positive Einfluss zeigte sich auch im realen Betrieb, wo nach Einbau des Gasabscheiders die Phasengrenze im Phasentrennapparat beruhigt werden konnte und auch keine aufsteigenden Gasblasen in der Nähe des Austritts mehr sichtbar waren.
The positive influence was also shown in real operation, where after the installation of the gas separator, the phase boundary in the phase separator could be calmed and no rising gas bubbles were visible near the outlet.