JP5139523B2 - ニトロベンゼンを製造するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
適用されない。
HNO3+2H2SO4 → NO2 ++H3O++2HSO4 −
そしてニトロニウムイオンは以下の反応に従って、ベンゼンと反応することでニトロベンゼンを形成する。
高せん断ニトロベンゼン製造システムは図1に関連して説明されており、図1はベンゼンと濃硝酸及び濃硫酸との液相反応によってニトロベンゼンを製造するための、高せん断システム1の実施形態におけるプロセスフロー図である。代表的なシステムの基本的な構成要素は、外部高せん断混合装置(HSD)40、容器10、及びポンプ5を含む。図1に示されるように、高せん断装置は容器/反応器10の外部に設置されている。それぞれのこれらの構成要素は以下で詳細に説明される。ライン21は濃硝酸及び濃硫酸の混合物を含む液体ストリームを導入するためにポンプ5に接続されている。ライン13はポンプ5をHSD40に接続させて、且つライン18はHSD40を容器10に接続させる。ライン22はベンゼン液体を導入するためにライン13に接続されている。ライン17は未反応ベンゼン蒸気及びあらゆるその他の反応ガスを含む排出ガスを取り除くために容器10に接続されている。もし必要であれば、追加の構成要素又は工程段階を容器10とHSD40との間、又はポンプ5又はHSD40の前に組み込むことができる。
場合によっては高せん断混合器とも称される外部高せん断混合装置(HSD)40は、ベンゼンと濃硝酸及び濃硫酸を含むライン13を介した入口ストリームを受け取るように構成されている。或いは、HSD40は(図示されない)別の入口ラインを介して液体反応物質ストリームを受け取るように構成され得る。図1において1つの高せん断装置のみが示されているが、システムのいくつかの実施形態では、直列又は並列の流れのどちらかに配列された2以上の高せん断混合装置を有し得ると理解されるべきである。HSD40は回転子/固定子の組み合わせを備える1以上の発生器を利用する機械式装置であり、それぞれの回転子/固定子の組み合わせは固定子と回転子との間に固定された隙間を有する。HSD40は混合器を通過して流れる反応混合物中に分散されたベンゼンを含むサブミクロン(すなわち、直径が1μm未満)及びマイクロサイズの粒子を含むエマルションを製造可能なように構成されている。高せん断混合器は反応混合物の圧力及び温度を制御可能なようにエンクロージャ又はハウジングを備えている。
容器又は反応器10は上述された転換反応を実行するように多相反応が伝搬し得る任意のタイプの容器である。例えば、連続又は半連続撹拌槽型反応器又は1以上のバッチ反応器は、直列又は並列で使用され得る。いくつかの応用では、容器10は塔型反応器であってもよく、他の応用では、管式反応器又は多管式反応器であってもよい。1以上のライン15は、濃硫酸及び濃硝酸を導入するために、又は水、又はその他の材料(例えば触媒)を注入するために容器10に接続され得る。
図1に示した実施形態の変形例では、容器10の上記の加熱/冷却能力に加えて、プロセス流を加熱又は冷却するその他の外部又は内部伝熱装置も意図される。そのような1以上の伝熱装置に適したいくつかの場所は、システム1が複数パス(multi‐pass)モードで操作されるときには、ポンプ5とHSD40との間、HSD40と容器10との間、及び容器10とポンプ5との間である。そういった伝熱装置の非限定例のいくつかには、当技術分野で周知のように、シェル型、チューブ型、平板型、及びコイル型熱交換器がある。
ポンプ5は連続又は半連続稼働のどちらかで構成されており、HSD40及びシステム1を通る制御された流れを可能にするように、203kPa(2気圧)超の圧力、好ましくは304kPa(3気圧)超の圧力を提供できる任意の適したポンプ装置であり得る。例えば、ローパー ポンプ カンパニー(Roper Pump Company)(ジョージア州コマース(Commerce Georgia))のローパータイプ1歯車ポンプ(Roper Type 1 gear pump)、デイトン エレクトリック コーポレーション(Dayton Electric Co)(イリノイ州ナイルズ(Niles,IL))のデイトン圧力増圧ポンプモデル2P372E(Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E)は1つの適したポンプである。好ましくは、ポンプの全ての接触部分はステンレス鋼から成るか、又は、濃硝酸及び濃硫酸などの腐食性物質が圧送され得るときには、接触表面は金メッキされていてもよい。システムのいくつかの実施形態では、ポンプ5は約2027kPa(20気圧)を超える圧力が可能である。ポンプ5に加えて、1以上の追加の(図示されない)高圧ポンプが図1に図示されたシステムに含まれてもよい。例えば、ポンプ5と類似であり得る増圧ポンプは、容器10内の圧力を増大させるためにHSD40と容器10との間に備えることができる。他の実施例のように、ポンプ5と類似であり得る補助供給ポンプは濃酸、水又は追加の反応物質又は触媒を容器10に導入するためにライン15に含み得る。図1に示されていないが、出口ラインはポンプ5及びライン13を介して酸触媒をHSD40に導入するために容器10をライン21に接続させ得る。更に他の実施例のように、コンプレッサタイプのポンプは容器10から未反応ガス又は蒸気を高せん断装置の入口へ再利用するためにライン17とHSD40との間に配置し得る。
ベンゼンと濃硝酸及び濃硫酸との混合物との均質液−液相反応によってニトロベンゼンを製造するための操作では、硝酸及び硫酸は容器10内で最初に混合される。容器10は連続又は半連続フローモードのどちらかで操作され得、又はバッチモードで操作され得る。容器10の内容物は適切な加熱及び/又は冷却機能(例えば冷却コイル)及び温度測定機器を使用して、特定のバルク反応温度にて維持可能である。当業者に周知の技術を用いて、容器中の圧力は適切な圧力測定機器を使用して監視することができ、容器内の反応物質の水位は(図示されない)水位制御装置を使用して制御し得る。内容物は連続又は半連続で撹拌される。
いくつかの実施形態では、触媒が部分的な酸化反応を促進させるために使用される場合、触媒は含水又は非水のスラリー又はストリームとしてライン15を介して容器内に導入される。或いは、又は更に、触媒はシステム1の他の場所に加えられてもよい。例えば、触媒スラリーはライン21に注入されてもよい。いくつかの実施形態では、触媒はライン15を介して容器10に連続して加えられる。理論に制限されることは望まないが、液体中に分散されるサブ−ミクロンの粒子又は気泡は、主としてブラウン運動効果を通じて運動することが知られている。HSD40によって作り出される生成物分散体中の気泡は、あらゆる触媒粒子の境界層を通過する優れた運動性を有し得るため、反応物質の高められた移動性により触媒反応を促進及び加速させることができる。
図1を更に参照すると、システムは単一パス又は複数パス用に構成されており、容器10内での最初の酸の混合及び工程の開始の後に、容器10のライン16からの排出はニトロベンゼンの回収又は更なる工程へ直接向かう。いくつかの実施形態では、第2パスの間に、容器10の内容物、又は未反応ベンゼンを含む液体分をHSD40を通過させることが望まれる。この場合には、分散体及びニトロベンゼン生成物は更なる分散及び反応のために、ライン24及び21、ポンプ5、及びライン13を介してHSD40に戻り得る。もし必要であれば、追加の酸又は水はライン22を介してライン13に注入され得、又は(図示されない)高せん断混合器に直接加えられ得る。
Claims (16)
- ニトロベンゼンを製造するための方法であって:
0.025mmから10.0mmのせん断ギャップにより分離されている歯付回転子と回転子に対して相補的な形状の固定子とを備える高せん断装置において、20,000/秒以上のせん断速度の条件下で、濃硝酸及び濃硫酸の混合物中に分散されたベンゼン含有粒子を含むナノエマルションを形成すること、ここで前記粒子は1μm未満の平均直径を有し;
前記ナノエマルションに203kPaから6080kPa(60atm)の範囲の圧力、及び20℃から230℃の範囲の温度を含む反応条件を課すことで、前記ベンゼンの少なくとも一部はニトロ化されてニトロベンゼンを形成することを含む方法。 - 請求項1の方法であって、前記圧力は600kPa未満、及び温度は200℃未満である方法。
- 請求項1の方法であって、前記ナノエマルションは400nm未満の平均直径を有するニトロベンゼン粒子を含む方法。
- 請求項1の方法であって、前記ナノエマルションは100nm以下の平均直径を有するニトロベンゼン粒子を含む方法。
- 請求項1の方法であって、前記ナノエマルションの形成は前記ベンゼン、硝酸及び硫酸に少なくとも22.9m/秒の先端速度でを課す方法。
- 請求項5の方法であって、前記先端速度は少なくとも40m/秒である方法。
- 請求項5の方法であって、前記高せん断混合は前記先端において少なくとも1034MPaの局所圧力を発生させる方法。
- 請求項1の方法であって、前記ナノエマルションの形成は少なくとも1000W/m 3 のエネルギー消費を含む方法。
- 請求項5の方法であって、前記ニトロ化反応は、ベンゼン、硝酸及び硫酸に前記高せん断混合が課されない場合と比べて少なくとも5倍を超える速度で起こる方法。
- 請求項1の方法であって、前記ナノエマルションを高せん断混合装置から反応容器へ渡すことを含む方法。
- 請求項10の方法であって、連続モード操作で実行される方法。
- 請求項10の方法であって、バッチモード操作で実行される方法。
- ニトロベンゼンを製造するための装置であって:
濃硝酸及び濃硫酸の混合物中に分散されるベンゼン含有粒子を含むナノエマルションを製造するために構成される少なくとも1つの高せん断装置、ここで前記粒子は1μm未満の平均直径を有し、前記高せん断装置は0.025mmから10.0mmのせん断ギャップにより分離されている歯付回転子と回転子に対して相補的な形状の固定子とを備え、並びに20,000/秒以上のせん断速度を生じるように形成されており;
濃硝酸及び濃硫酸の混合物を含む加圧液体ストリームを前記高せん断装置へと伝達するように構成されるポンプ;及び
前記ナノエマルションを前記高せん断装置から受け取るように構成される容器を含む装置。 - 請求項13の装置であって、前記高せん断装置は濃硝酸及び濃硫酸の混合物中に分散されるベンゼン含有粒子を含む前記ナノエマルションを製造するように構成されて、前記粒子は400nm未満の平均直径を有する装置。
- 請求項13の装置であって、前記高せん断装置は回転先端を備え、且つ前記装置は少なくとも22.9m/秒の先端速度で少なくとも300L/時の流速で操作されるように構成される装置。
- 請求項13の装置であって、前記高せん断装置は1000W/m 3 を超えるエネルギー消費をもたらすように構成される装置。
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