JP7093361B2 - ニトロベンゼンの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、硝酸および硫酸でベンゼンをニトロ化することによりニトロベンゼンを連続的に製造する方法に関し、負荷(load)の変化(すなわち、単位時間当たりに方法に供給される硝酸の量の増大または減少)が特に有利に構成される。より詳細には、本発明は、負荷が減少した場合に、単位時間当たりに供給されるベンゼンおよび硝酸の質量比が、負荷の変化前の該比と比較して著しく増大され、かつ/または、単位時間あたりに供給される硝酸および硫酸の質量比が、負荷の変化前の該比と比較して著しく減少される方法に関する。負荷が増大した場合は、逆の手順に従う。
ニトロベンゼン(モノニトロベンゼン、MNBとも呼ばれる)は、特にアニリン(ANL)の調製、したがって、ジフェニルメタン系(MDI)のジ-およびポリイソシアネートおよびそれに基づくポリウレタンの調製に必要な化学産業における重要な中間体である。
ベンゼンを硝酸でニトロ化してニトロベンゼンを生成する現在の標準的な方法は、一般に混酸と呼ばれる硫酸と硝酸との混合物によるベンゼンの断熱操作ニトロ化の概念に本質的に対応している。そのような方法は、例えば、EP0 36443B1、EP0771783B1およびUS6562247B2に記載されている。記載された断熱操作方法に共通する要素は、ベンゼンおよび硝酸の出発物質が大過剰の硝酸中で反応することにあり、放出される反応熱および反応で生成する水を吸収する。反応は一般に、硝酸と硫酸とが組み合わされて、いわゆるニトロ化酸(混酸とも呼ばれる)が生成するように行われる。ベンゼンは、このニトロ化酸に対して計量される。反応生成物は実質的に水およびニトロベンゼンである。ニトロ化反応において、ベンゼンは、硝酸のモル量に対して少なくとも化学量論量で、しかし好ましくは2%~10%過剰で使用される。従来技術によれば、反応装置で形成され、相分離装置で酸相から分離された粗ニトロベンゼンは、例えばEP1816117A1(2ページ、26~42行目)、US4,091,042(上記参照)またはUS5,763,697)に記載されているように、先所う(scrubbing)および蒸留後処理を受ける。この処理の特徴は、洗浄後に未変換の過剰ベンゼンが最終蒸留でニトロベンゼンから分離され、ニトロ化反応で「戻りベンゼン」として再利用されることにある。この目的のために、戻りベンゼンは新たに供給されたベンゼン(「新鮮なベンゼン」)と混合されて「供給ベンゼン」をもたらす。実質的に硫酸からなる酸相は、フラッシュエバポレーターで濃縮され、有機物はほとんど含まれない。この方法で濃縮された硫酸は、循環硫酸としてニトロ化に戻される。
DE2821571A1は、連続的断熱ニトロ化方法に関し、約3%~7.5%の硝酸、約58.5%~66.5%の硫酸、および約28%~37%の水を含む混酸からなる反応流と、最大約10%の化学量論的過剰量のベンゼンを含む反応流とを連続的に混合し、反応温度が約145℃を超えないように、大気圧で約80~120℃の温度で激しく撹拌しながら変換し、それにより約500ppm未満のジニトロベンゼンを含むモノニトロベンゼンが生成され、実質的に硝酸が完全に変換される。
WO2015/197521A1は、硝酸および硫酸の混合物でベンゼンをニトロ化することにより、ニトロベンゼンを連続的に調製する方法を記載しており、製造停止中に、製造プラント全体を稼働させるのではなく、製造プラントを完全にまたは少なくとも部分的に稼働させる。本出願はさらに、ニトロベンゼンの調製のためのプラント、およびニトロベンゼンの調製のためのプラントの操作方法に関する。
WO2014/177450A1は、硝酸および硫酸でベンゼンをニトロ化することによりニトロベンゼンを調製する連続稼働断熱方法を記載しており、ニトロ化および水相からの粗ニトロベンゼンの分離の完了時に得られる希硫酸が、その濃縮後にニトロ化を再利用する目的で濃縮され、新鮮な硝酸との再度の接触の少なくとも1分前に酸化剤と混合され、ニトロ化に再循環される濃縮硫酸の合計量に対して酸化剤の濃度が10ppm~5000ppmになるようにする。
連続的ニトロベンゼン法の開始は、WO2014/016292A1に記載されており、開始操作中、供給ベンゼンの総量に対して1.5%未満の脂肪族有機化合物を含む供給ベンゼンが使用されるか、新鮮なベンゼン(一般的にこれらの仕様要件を満たす)が単独で使用される。
WO2014/016290A1は、同様に、循環硫酸が、硫酸循環中の硫酸の総質量に対して1.0%未満の有機化合物、特にニトロベンゼンを含む連続ニトロベンゼン方法の開始操作を記載している。これは、製造サイクルの終了時または新しい製造サイクルの前に、硝酸を濃縮するためのフラッシュエバポレーターを高温で稼働させて、循環硫酸からニトロベンゼンおよび微量のベンゼン、ジニトロベンゼンおよびニトロフェノールを除去することにより達成される。
混酸によるベンゼンのニトロ化のための等温プロセスも、例えば、EP0156199B1に記載されているように、公知である。
したがって、ニトロ芳香族化合物の調製のための反応プロセスの質は、第一に、反応の不適切な実施から生じる粗生成物中の望ましくない二次成分および不純物の含有量によって定義される。第二に、反応プロセスの質は、プロセス全体が、技術的な製造停止や、プロセスへの介入を必要とする問題なしに稼働することができ、原料の損失を回避または少なくとも最小限に抑えることができることと定義される。
工業規模の製造プラントは、定義された公称生産能力(「公称負荷」とも呼ばれる)での稼働に最適化されている。公称生産能力は、所定の製造プラントについての所望の生産物の生産量を決定する反応物の最大可能処理量によって決定され、すなわち、ベンゼンのニトロ化の場合には、ベンゼンが過剰に生産されるため、製造プラントについて選択される境界条件下(特に、過剰なベンゼンおよび硫酸の量)における硝酸の最大可能処理量(硝酸負荷ともいう)により決定される。例えば、需要の低下の結果として、硝酸の処理量が低下する場合、すなわち、いわゆる部分負荷範囲(part-load range)において稼働する場合、他の反応物の処理量も通常それに応じて(すなわち、同じ比率で)低下する。しかしながら、稼働経験により教示されるように、この一連の動作には常に問題がないわけではない。
上記のすべての参考文献に共通しているのは、部分負荷稼働での連続稼働ニトロ化プラントの運転および関連する困難について説明していないことにある。上記の国際出願WO2014/016292A1およびWO2014/016290A1は、進行中の製造作業中の負荷の変化に関するものでもない。これは、両方の出願が非稼働の製造プラントの状態(すなわち、開始状態のベンゼン、硝酸、硫酸の質量流量は0である)から進行するためである。連続生産の開始(開始)から実際の連続生産(可能であれば公称負荷で、必要な場合には低負荷でも)を介して連続生産の終了(停止)までの期間は、「生産サイクル」とも呼ばれる。2つの特許出願WO2014/016292A1およびWO2014/016290A1は、そのような生産サイクルの最初の部分である開始に関係するのに対し、本発明は、中間部分である実際の連続生産に関係するものである。WO2014/016292A1およびWO2014/016290A1に記載されている開始は、製造プラントを可能な限り迅速に、ただし問題なく、所望の目標負荷(公称負荷)の状態にすることを目的とするものである。
進行中の操作における負荷の変化、すなわち、特に公称負荷から「半負荷」(=公称負荷の50%)への負荷の減少、または、例えば半負荷から「2/3負荷」(=公称負荷の75%)への負荷の増大は、特許出願WO2014/016292A1およびWO2014/016290A1には網羅されていない。しかしながら、このような負荷の変化は、標準の開始操作における課題を超える課題をもたらす可能性がある。その最終的な理由は、製造プラントが公称負荷での稼働に最適化されていることにあり、したがって、製造プラントを経済的および/または技術的観点から準最適にしか稼働させず、公称負荷での稼働から大幅に逸脱させる影響である。したがって、ニトロ化プラントにおける硝酸負荷が公称負荷を大幅に下回る値まで減少した場合、反応装置内の滞留時間も大幅に増大し、製造プラントが最適化されない値となる。これは、使用される装置内の堆積物の形成の増大に関連するいくつかの状況下で、副産物の形成の増大に関連し得る。負荷の増大(例えば、公称負荷の50%~75%)も同様の問題に関連している可能性がある。
したがって、開始状態または最終状態、極端な場合は両方の状態で、進行中の生産操作の負荷が変化した場合、製造プラントはかなりの期間、例えば、市場の需要が一時的に低下した場合には、最適化されていない条件下で数日または数週間です。この問題は、生産工場の構造調整によって単純に対抗することはできません。これは、生産プラントの装置関連の機能が完成後、固定されており、もはや可変ではないか、または少なくとも複雑な修正がなければ回避できないためです。
したがって、ニトロベンゼンを調製するための既知のプロセスをさらに改善することが望ましいだろう。より詳細には、特に望ましくない副産物または堆積物の形成に関して、部分負荷範囲でも問題なく動作できるように、ニトロベンゼンを調製するための既知のプロセスを構成することが望ましいだろう。さらに、スタートアップやシャットダウンで起こりうる問題、およびシャットダウン中に起こりうる損傷を許容しないために、所望のニトロ芳香族の需要が減少した場合、個々の生産ラインの完全なシャットダウンを可能な限り回避できることが望ましいでしょう。そもそも発生する期間。上記の問題を回避または少なくとも軽減した部分負荷条件下での生産プラントの稼働の可能性は、例えば2つの生産ラインを有する生産プラントも、例えばネームプレートの総負荷の60%で、50%だけではありません(2つの生産ラインの1つが完全にシャットダウンし、ネームプレートの負荷で他の生産ラインが稼働する場合)。
この要件を考慮して、本発明は、ベンゼン(1)を硝酸(2)および硫酸(3)でニトロ化することを含む、ニトロベンゼンを調製するための連続操作プロセスを提供する。
(i)ニトロ化には
ベンゼン(1)を含み、ベンゼン(1)の質量比がwであるストリーム10(wは0.950以上、より好ましくは0.980以上)、質量流量がm10
・硝酸(2)を含み、wの硝酸(2)の質量割合を有する流れ20、ここで、wは、好ましくは0.600から0.750の範囲、より好ましくは0.650から0.700の範囲であり、質量flow0の流量および
・硫酸(3)を含有し、硫酸の質量割合がwであるストリーム30。ここで、wは、好ましくは0.650から0.750の範囲、より好ましくは0.690から0.730の範囲であり、質量流量はm30
(ii)wおよびwの定められた値に対して、ベンゼン(1)が硝酸(2)に対して化学量論的に過剰になるようにm10およびm20が常に選択され、
(iii)・(ii)に対して選択される硝酸(2)の質量流量m(A)=m20(A)・w(A)、ベンゼン(1)の質量流量m(A)=m10(A)・w(A)、および硫酸(3)の質量流量m(A)=m30(A)・w(A)によって定義される開始状態Aから、
・(ii)に対して選択される硝酸(2)の質量流量m(E)=m20(E)・w(E)、ベンゼン(1)の質量流量m(E)=m10(E)・w(E)、および硫酸(3)の質量流量m(E)=m30(E)・w(E)によって定義される最終状態Eまでに、
質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量が所望の変化をした場合、質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の少なくとも1つのそのような変化が達成され、質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の少なくとも1つのそのような変化が
(I)0.50時間を超える時間での値m(E)<0.95・m(A)への減少、
または、
(II)0.50時間を超える時間での値m(E)>1.05・m(A)への増大、
となるように、質量流量m20および質量比wは、所望の値m(E)が確立されるように選択され、
(I)の場合、
(a)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)、特に1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(b)比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)、特に0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(c)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)、特に1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)、特に0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し;
(II)の場合、
(a)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)、特に0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(b)比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)、特に1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(c)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)、特に0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるよに減少し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)、特に1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大する、前記方法が提供される。
極めて驚くべきことに、負荷が減少した場合-(I)の場合-に、比率m(A)/m(A)と比較して比率m(E)/m(E)を大幅に増大させること、および/またはm(A)/m(A)と比較して比率m(E)/m(E)を大幅に減少させることが有利であること、または、負荷が増大した場合-(II)の場合-に、m(A)/m(A)と比較して比率m(E)/m(E)を大幅に減少させること、および/または比率m(A)/mと比較して比率m(E)/m(E)を大幅に増大させることが有利であることを見出した。製造サイクルが複数の負荷の変更を含む場合、製造サイクルの後半で負荷の変更を、以前の負荷の変更とは異なる変形で実行することもでき;例えば、最初の負荷の変更は変形(b)によって行われ、後半の負荷の変更は変形(c)によって行われる。
本発明によれば、ニトロ化にはストリーム10、20および30の流れが供給される。ニトロ化は適切な反応器内で行われる。適切な反応器の例が、さらに詳細に説明される。言及された3つの流れは、例えばkg/hで表されるそれぞれの質量流量mでニトロ化反応器に連続的に供給される。この場合、wとwの定められた値に対して、ベンゼン(1)が硝酸(2)に対して化学量論的に過剰になるようにm10およびm20が常に選択される。化学量論的には、ベンゼン分子にニトロ基を導入するために、1分子の硝酸が必要である。したがって、ベンゼン1モルをニトロベンゼンにニトロ化するには、化学量論的に1モルの硝酸が必要である。供給された出発物質の質量流量に対応する生成物(実質的にニトロベンゼン、過剰のベンゼンおよび希硫酸、すなわち反応水を含む硫酸)の質量流量は、ニトロ化反応器から連続的に引き出される。
流れzにおける成分iの質量wiの割合は、成分iの質量流量と流れzの総質量流量の商を示す。例えば、ベンゼンの質量比wが0.980である場合、ベンゼン含有流10は、98.0質量%程度のベンゼン、2.0質量%程度の他の成分(例えば、ベンゼン流10において好ましく配置で存在する再循環されたベンゼン(「戻りベンゼン」)の割合からの脂肪族有機化合物等)からなる。硝酸流および硫酸流である20および30の質量比率wおよびwは、これらの酸が実際に解離した状態であるかどうかという事実に関係なく、それぞれの流れにおけるHNO(2)およびHSO(3)の質量による理論的比率を示す。例えば、流れ30として70.0%の硫酸が使用される場合、w=0.700である。
本発明によれば、ベンゼン(1)が過剰に使用されるため、ニトロベンゼンの収率は、使用される硝酸の処理量(負荷による)、すなわち質量流量mによって決定される。本発明の方法は、少なくとも1つの負荷の変化、すなわち、m(A)を伴う開始状態Aからm(E)を伴う最終状態Eへの質量流量mの変化を含む。質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の変化、すなわち、この文脈における質量流量mの変化は、0.50時間を超える、好ましくは2.0時間を超える、より好ましくは6.0時間を超える、より一層好ましくは12時間を超える、さらにより一層好ましくは24時間を超える時間での5.00%超の変化(すなわち、負荷が減少した場合におけるm(E)<0.95・m(A)、または負荷が増大した場合におけるm(E)>1.05・m(A))である。本発明の目的のための、より小さな変化またはより短い期間にわたる変化は、日常の動作で何度も起こり得る意図しない負荷の変化とみなされるべきである。好ましくは、本発明の文脈における負荷の変化は、以下のように定義される範囲内で変化する:0.40・m(A)≦m(E)≦2.50・m(A)、本発明の目的上、大幅な負荷の変化とはみなされなため、当該範囲は0.95・m(A)~1.05・m(A)から当然に除かれる。もちろん、本発明の方法は、複数の負荷の変化、特に(I)の場合の最初の負荷の減少、および(II)の場合の後半の時点での負荷の増大も含み得る。
例として、公称負荷での製造からの負荷の半分(すなわち、m(E)=0.50・m(A))は、次のように考慮されるものとする。
適切な質量流量m=m2、公称の公称負荷での動作において、本発明の方法は、従来技術で公知であるように実施することができる。既知のm=m2、公称、w(したがってm20)および流れ10および30のパラメータwおよびmは、当業者の知識の範囲内で、対象となる製造プラントの境界条件を考慮して、当業者によって設定される。製造プラントは、例えば需要の低下により、例えば硝酸(2)の処理が半分になるまで、所望の製品を連続的に製造する。本発明の用語において、これは、開始状態A(=公称負荷での製造)から最終状態E(半負荷での製造)に進む動作モードの変化を意味する。負荷の減少は、ニトロ化に導かれる硝酸の質量流量mの半分に自動的に関連付けられる。原則として、この半分とは、wを半分にし、m20を一定に保つことで達成される。しかしながら、負荷の変化においては、質量wの比率を同じに保ち、m20を変化させる(特定の例では半分)ことが好ましい。同じことは、質量wおよびwの各比率にも当てはまる。従来技術とは対照的に、単に質量流量m10およびm30がm20と同程度に減少するだけではなく;代わりに、比率m(E)/m(E)がm(A)/m(A)と比較して大幅に増大し、および/または比率m(E)/m(E)が比率m(A)/m(A)と比較して大幅に減少する。上記の質量比の1つだけが大幅に増大または減少する場合(上記の変形(a)および(b))、それぞれの場合において他の質量比は実質的に同じに保たれる。本明細書において、「大幅に増大または減少する」および「実質的に同じに保つ」という用語は、上記の変形(a)、(b)および(c)に列挙された数値制限によって定義される。本発明によるすべての実施形態にとって好ましいように、全ての質量比wが一定に保たれる場合、この一連の行動(course of action)は、比率m10(E)/m20(E)がm10(A)/m20(A)と比較して大幅に増大するという記述、および/または比率m20(E)/m30(E)が比率m20(A)/m30(A)と比較して大幅に減少するという記述と同等である。本発明によれば、すべての実施形態において、変形(b)による負荷の低減を実施することが好ましい。
半負荷で特定の製造期間が経過すると、製造は再び公称負荷(または、製品の需要がまだ元の値にまだ達していない場合は、より低い値、例えば3/4の負荷)まで増大する。本発明の用語において、半負荷での製造は現在(新しい)開始状態であり、公称負荷(またはより低い値、例えば3/4の負荷)での製造が最終状態である。したがって、本発明によれば、比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して大幅に減少し、および/または比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して大幅に増大する。本発明によれば、すべての実施形態において、変形(b)による負荷の増大を実施することが好ましい。上記のその他の記述も同様に適用される。好ましくは、最初の負荷の変化の前の状態が再び確立される。
以下、まず、本発明の様々な可能な実施形態について簡単な要約を記載する。
本発明の第1の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、ベンゼンからニトロベンゼンへのニトロ化が断熱的に行われる。
本発明の第2の実施形態は、第1の実施形態の特定の構成であり、ベンゼンからニトロベンゼンへのニトロ化が以下の工程を含む:
(I)ベンゼン含有流10を質量流量m10で、硝酸含有流20を質量流量m20で、硫酸含有流30を質量流量m30で反応器に導入し、反応器内でベンゼンを硝酸および硫酸でニトロ化してニトロベンゼンを形成する工程;
(II)工程(I)からの反応混合物の相を、相分離装置で水性硫酸含有相と有機ニトロベンゼン含有相とに分離する工程;
(III)蒸発装置で水を蒸発させることにより、工程(II)で得られた水相を濃縮して、硫酸濃度が高められた水性硫酸含有相を得、濃縮硫酸含有水相を工程(I)に再循環させ、硫酸含有流30の成分として使用する工程;
(IV)工程(II)で得られた有機ニトロベンゼン含有相を少なくとも2段階で洗浄し、各段階の後に水相を分離する工程;
(V)工程(IV)の最後の段階で得られた有機ニトロベンゼン含有相を蒸留し、好ましくは精留して未変換ベンゼンを除去し、これを工程(I)に再循環させ、ベンゼン含有流10の成分として使用する工程。
本発明の第3の実施形態は、第2の実施形態の特定の構成であり、工程(V)の後に以下が続く:
(VI)工程(IV)の最初の洗浄段階からの廃水を処理する工程であって、蒸留またはストリッピング用の装置で前記廃水を洗浄することを含む工程、
(VII)工程(IV)の第2洗浄段階からの廃水を処理する工程であって、蒸留またはストリッピング用の装置で前記廃水を洗浄することを含み、前記蒸留またはストリッピング用の装置の上流および/または下流に熱圧力分解用の装置が接続される工程。
本発明の第4の実施形態は、第2および第3の実施形態の特定の構成であり、工程(IV)が以下を含む:
(IVa)工程(II)で得られた有機ニトロベンゼン含有相を少なくとも1回の洗浄で洗浄し、次いで水相と有機ニトロベンゼン含有相とに分離する工程(最初の洗浄段階);
(IVb)工程(IVa)で得られた有機相を、好ましくは水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび炭酸水素ナトリウムからなる群から選択される塩基水溶液で少なくとも1回のアルカリ洗浄で洗浄し、次いで相を水相と有機ニトロベンゼン含有相とに分離する工程(第2洗浄段階);
(IVc)工程(IVb)で得られた有機相を少なくとも1回の水を用いた中性洗浄、好ましくは2~4回の中性洗浄、より好ましくは2~3回の中性洗浄、最も好ましくは2回の中性洗浄で洗浄し、次いで相を水相と有機ニトロベンゼン含有有機相とに分離する工程(第3洗浄段階)。
本発明の第5の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、比率m(A)/m(A)が1.26~1.74の範囲、好ましくは1.28~1.61の範囲、より好ましくは1.29~1.55の範囲であり、最も好ましくは1.30~1.49の範囲である。
本発明の第6の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、負荷の変化が以下のように定義された範囲内で行われる:0.40・m(A)≦m(E)≦2.50・m(A)であって、本発明の目的上、大幅な負荷の変化とはみなされないため、0.95・m(A)~1.05・m(A)の範囲の変化は除かれる。
本発明の第7の実施形態は、第6の実施形態の特定の構成であり、負荷の変化が変形(a)によって行われる:
(I)の場合(すなわち、m(E)<0.95・m(A))、以下の関係が適用され:
(E)が0.80・m(A)~<0.95・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.20・m(A)/m(A)の範囲、特に1.05・m(A)/m(A)~1.20・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
(E)が0.65・m(A)~<0.80・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は>1.20・m(A)/m(A)~1.40・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;かつ、
(E)が0.40・m(A)~<0.65・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は>1.40・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
さらに、(II)の場合(すなわち、m(E)>1.05・m(A))、以下の関係が適用され:
(E)が>1.05・m(A)~1.50・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.75・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲、特に0.75・m(A)/m(A)~0.95・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
(E)が>1.50・m(A)~2.00・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.55・m(A)/m(A)~<0.75・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;かつ、
(E)が>2.00・m(A)~2.50・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.45・m(A)/m(A)~<0.55・m(A)/m(A)の範囲の値に調整される。
本発明の第8の実施形態は、第6の実施形態の特定の構成であり、負荷の変化が変形(b)によって行われる:
(I)の場合(すなわち、m(E)<0.95・m(A))、以下の関係が適用され:
(E)が0.80・m(A)~<0.95・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.80・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲、特に0.80・m(A)/m(A)~0.95・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
(E)が0.65・m(A)~<0.80・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.65・m(A)/m(A)~<0.80・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;かつ、
(E)が0.40・m(A)~<0.65・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.40・m(A)/m(A)~<0.65・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
さらに、(II)の場合(すなわち、m(E)>1.05・m(A))、以下の関係が適用され:
(E)が>1.05・m(A)~1.50・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲、特に1.05・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
(E)が>1.50・m(A)~2,00・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.50・m(A)/m(A)~2.00・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;かつ、
(E)が>2.00・m(A)~2,50・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は2.00・m(A)/m(A)~2.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整される。
本発明の第9の実施形態は、第6の実施形態の特定の構成であり、負荷の変化が変形(c)によって行われる:
(I)の場合(すなわち、m(E)<0.95・m(A))、以下の関係が適用され:
(E)が0.80・m(A)~<0.95・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.20・m(A)/m(A)の範囲、特に1.05・m(A)/m(A)~1.20・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)0.80・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲、特に0.80・m(A)/m(A)~0.95・・2(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
(E)が0.65・m(A)~<0.80・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は>1.20・m(A)/m(A)~1.40・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は0.65・m(A)/m(A)~<0.80・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;かつ、
(E)が0.40・m(A)~<0.65・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は>1.40・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は0.40・m(A)/m(A)~<0.65m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
さらに、(II)の場合(すなわち、m(E)>1.05・m(A))、以下の関係が適用され:
(E)が>1.05・m(A)~1.50・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.75・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲、特に0.75・m(A)/m(A)~0.95・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)、特に1.05・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
(E)が>1.50・m(A)~2.00・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.55・m(A)/m(A)~<0.75・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は>1.50・m(A)/m(A)~2.00・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;かつ、
(E)が>2.00・m(A)~2.50・m(A)の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.45・m(A)/m(A)~<0.55・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は>2.00・m(A)/m(A)~2.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整される。
本発明の文脈において、ニトロベンゼンの調製のための製造サイクルが複数の負荷の変化を含む場合、第7、第8および第9の実施形態を組み合わせてもよい。例えば、負荷は最初に第7の実施形態の公称負荷((I)の場合)から半負荷に進み、第8の実施形態((II)の場合)のように後半の時点で3/4の負荷に増大し、第9の実施形態((III)の場合)のように、さらに後の時点で公称負荷に戻される。
本発明の第10の実施形態は、第8および第9の実施形態の特定の構成であり、0.98・m(A)≦m(E)≦1.02・m(A)、特にm(A)=m(E)である。
本発明の第11の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、w(A)=w(E)である。
本発明の第12の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、w(A)=w(E)である。
本発明の第13の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、w(A)=w(E)である。
本発明の第14の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、w(A)=w(E)、w(A)=w(E)およびw(A)=w(E)である。
本発明の第15の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、該方法は、(I)の場合のように質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の減少を含み、この減少は変形(b)に従って実施される。
本発明の第16の実施形態は、他のすべての実施形態、特に第15の実施形態と組み合わせることができ、該方法は、(II)の場合おように質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の増大を含み、この増大は、特に第15の実施形態のように質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の先行する減少の後、変形(b)に従って実施される。
本発明の第17の実施形態は、他のすべての実施形態と組み合わせることができ、
(I)の場合、
(a)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(b)比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(c)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し;
(II)の場合、
(a)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(b)比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
(c)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.95・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、1.05・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大する。
上記で簡単に概説した実施形態および本発明のさらなる可能な構成を、以下に詳細に説明する。文脈から逆のことが当業者に明らかでない限り、様々な実施形態は、必要に応じて互いに組み合わせることができる。
ベンゼン(1)を含みベンゼン(1)の質量比wである流れ10は、実質的に、すなわち、流れ10の総質量に対して、好ましくは少なくとも95.0質量%の範囲、より好ましくは少なくとも98.0質量%の範囲のベンゼンからなり、換言すれば、流れ10におけるベンゼン(1)の質量比wは、好ましくは少なくとも0.950、より好ましくは少なくとも0.980である。本発明によれば、ベンゼンは過剰に使用されるので((ii)を参照)、未変換のベンゼンの割合が常に残っており、これは、精製後に任意にニトロ化に再循環され、流れ10の一部になることが好ましい。この再循環されたベンゼン流中に存在する不純物は、新たに供給されたベンゼン中に存在する不純物とともに流れ10の残りの部分を構成する。同様に、反応後に残るのは硫酸であり、これは化学的に消費されず、単に希釈される。好ましくは、硫酸は濃縮され、場合により精製後に、ニトロ化に再循環され、流れ30の一部として使用される。
本発明の一つの実施形態では、連続的な稼働での開始状態において、2.00%~40.0%の範囲、より好ましくは3.00%~30.0%の範囲、より一層好ましくは4.00%~25.0%の範囲、特に好ましくは5.00%~20.00%の範囲の化学量論的に過剰なベンゼンが維持されることが好ましい。これは、好ましくは1.26~1.74、より好ましくは1.28~1.61、より一層好ましくは1.29~1.55の範囲、特に好ましくは1.30~1.49の範囲の比率m(A)/m(A)に対応する(20.00%超(たとえば、45.00%、40.00%または30.00%)の過剰なベンゼンは一般的に望ましくないが、もちろん可能である。)。この実施形態は、負荷が減少した方法レジメン(特に、公称負荷での開始状態、部分負荷での最終状態の操作)に優先的に適している。いずれの場合であっても、化学量論的に過剰なベンゼンを可能な限り小さく保つことが望ましい(しかしながら、ジニトロベンゼンの生成度が増大する可能性があるため、低すぎるべきではない)。その結果、第1に、望ましくは副生成物(特に固体堆積物)の形成が減少し、第2に、ベンゼンが回収されるため、エネルギーが節約される。したがって、開始状態(特に公称負荷での生産)では、比率m(A)/m(A)を1.26~1.49の範囲の値(2.00%~20.00%の範囲の化学量論的過剰量のベンゼンによる)に設定することが特に好ましい。
硝酸負荷を減らす場合、これは変形(A)で行われ、m(E)/m(E)はm(A)/m(A)と比較して増大する。増大の程度は、負荷の変化の程度に依存する。好ましくは以下の通りである。
Figure 0007093361000001
変形(a)において、硝酸負荷が、公称負荷(部分負荷)より低い動作状態から増大する場合(特に公称モードに戻る)、本発明に従って、比率比率m/mが減少する。減少の程度は、負荷の変化の程度に依存する。好ましくは以下の通りである。
Figure 0007093361000002
ここで、開始状態と最終状態とが、公称負荷から進行する負荷の減少という元の状況と比較して入れ替わっていることに注意する必要がある。
硝酸の負荷を、好ましくは2.00%~40.0%の範囲、より好ましくは3.00%~30.0%の範囲、より一層好ましくは4.00%~25.0%の範囲、特に好ましくは5.00%~20.00%の範囲(好ましくは1.26~1.74、より好ましくは1.28~1.61、より一層好ましくは1.29~1.55、特に好ましくは1.30~1.49の範囲のm(A)/m(A)に対応;上記参照)の化学量論的に過剰なベンゼンを有する開始状態から進めて減少させる場合、それはm(E)/m(E)がm(A)/m(A)と比較して減少する変形(b)でも実施することができる。好ましくは以下の通りである。
Figure 0007093361000003
変形(b)では、絶対値mを一定または少なくとも実質的に一定(±2.0%)に維持することが特に好ましい(すなわち、より好ましくは0.98・m(A)≦m(E)≦1.02・m(A))。好ましくは、wも一定に維持される場合、これは、質量流量m30が好ましく維持されるかまたは実質的に維持される(±2.0%)ことを意味する。mが一定に維持される場合、負荷の減少率は、比率m/mの減少率に対応する。例えば、開始値の75%まで負荷が減少した場合(すなわち、m(E)=0.75・m(A))、比率m/mも同様に開始値の75%に減少する(すなわち、m(E)/m(E)=0.75・m(A)/m(A))。
本発明において、変形(b)において、硝酸負荷が公称負荷(部分負荷)より低い運転状態から増大する(特に公称負荷に戻る)場合、比率m/mは増大する。好ましくは以下の通りである。
Figure 0007093361000004
この場合においても、mを一定または少なくとも実質的に一定に維持することが特に好ましい(すなわち、より好ましくは0.98・m(A)≦m(E)≦1.02・m(A))。mが一定に維持される場合、負荷の増大率は、比率m/mの増大率に対応する。例えば、開始値の125%まで負荷が増大した場合(すなわち、m(E)=1.25・m(A))、比率m/mも同様に開始値の125%に増大する(すなわち、m(E)/m(E)=1.25・m(A)/m(A))。
本発明の変形(c)は、上記変形(a)および(b)の組み合わせであり、すなわち、
・負荷が減少した場合、m(E)/m(E)は大幅に増大し、m(E)/m(E)は大幅に減少し、
・負荷が増大した場合、m(E)/m(E)は大幅に減少し、m(E)/m(E)は大幅に増大する。
それ以外の場合、上記の変形(a)および(b)についての記述が対応して適用される。
したがって、負荷が減少した場合は、以下が好ましい。
Figure 0007093361000005
負荷が増大した場合は、以下が好ましい。
Figure 0007093361000006
3つの変形(a)、(b)および(c)のうち、パラメータm/mの影響がパラメータm/mの影響よりも明らかに大きいため、変形(b)が最も好ましい。
選択された変形に関係なく、ベンゼンからニトロベンゼンへのニトロ化は、好ましくは断熱的に行われ、より好ましくは以下の工程を含む:
(I)ベンゼン含有流10を質量流量m10で、硝酸含有流20を質量流量m20で、硫酸含有流30を質量流量m30で反応器内に導入し、反応器内でベンゼンを硝酸および硫酸でニトロ化してニトロベンゼンを形成する工程;
(II)工程(I)からの反応混合物の相を、相分離装置で水性硫酸含有相と有機ニトロベンゼン含有相とに分離する工程;
(III)蒸発装置(「フラッシュエバポレーター」)で水を蒸発させることにより、工程(II)で得られた水相を濃縮し、硫酸濃度が高められた水性硫酸含有相を得、濃硫酸含有水相を工程(I)に再循環させ、硫酸含有流30の成分として使用する工程;
(IV)工程(II)で得られた有機ニトロベンゼン含有相を少なくとも2段階で洗浄し、各段階の後に水相を分離する工程;
(V)工程(IV)の最終段階で得られた有機ニトロベンゼン含有相を蒸留、好ましくは精留して、未変換ベンゼンを除去し、これを工程(I)に再循環させ、ベンゼン含有流10の成分として使用する工程;
(VI)任意におよび好ましくは、工程(IV)の最初の洗浄段階からの廃水を処理する工程であって、蒸留またはストリッピング用の装置で前記廃水を洗浄することを含む工程;
(VII)任意におよび好ましくは、工程(IV)の第2洗浄段階からの廃水を処理する工程であって、蒸留またはストリッピング用の装置で前記廃水を洗浄することを含み、前記蒸留またはストリッピング用の装置の上流および/または下流に熱圧力分解用の装置が接続される工程。
工程(I)は、原則として、従来技術により公知の任意の断熱操作されたニトロ化プロセスによって実施することができる。本発明の方法のこの工程の実施のために、複数の分散要素が反応器の長さにわたって分布して配置され、ベンゼン、硝酸および硫酸の強力な分散および混合を保証する管状反応器を使用することが好ましい。そのような反応器、および使用可能な分散要素の形態は、例えば、EP0708076B1(図2)およびEP1291078A2(図1)に記載されている。好ましくは、工程(I)は、DE102008048713A1、特に段落[0024]に記載されている方法レジーム(process regime)で実施される。
工程(II)における相分離は、同様に、従来技術からそれ自体公知の方法により、当業者に知られている分離容器で行われる。水相には、実質的に硫酸(反応水の形成の結果として希釈される)および無機不純物が含まれており;有機相には、実質的にニトロベンゼン、過剰なベンゼンおよび有機不純物が含まれている。
工程(III)における水相の濃縮は、原則として従来技術から公知であるように行われる。水相の硫酸は、水を減圧領域に蒸発させることにより、フラッシュエバポレーターで濃縮される。断熱的に実装されたベンゼンと混酸とのニトロ化における反応条件の正しい選択が定められると、発熱反応の反応熱により、硫酸含有水相の著しい加熱が達成され、フラッシュエバポレーターで、反応器空間への流入時のベンゼンと硝酸との反応の前の硫酸含有水相の濃度および温度が、同時に再び確立される。これは、例えば、EP2354117A1、特に段落[0045]に記載されている。このようにして得られた濃硫酸は再循環され、流れ30の成分として使用される。
好ましくは、工程(IV)は以下の工程を含む。
(IVa)工程(II)で得られた有機ニトロベンゼン含有相を少なくとも1回の洗浄で洗浄し、次いで水相と有機ニトロベンゼン含有相とを分離する(最初の洗浄段階)。通常、微量の酸を含む有機相は、ここで、好ましくは1~2回の洗浄、好ましくは1回の洗浄で水性洗浄液で洗浄され、相分離によって酸性の水相から分離される(複数回洗浄する場合は、個々の洗浄の後)。この操作では、粗ニトロベンゼンに含まれる酸残留物が洗い流され;したがって、この方法工程は酸性洗浄とも呼ばれる。ここでの手順は、酸性洗浄での相分離後に得られた水相のpHが5未満(20℃で測定)になるようにすることが好ましい。使用される水性洗浄液は、任意の種類の水、例えば脱塩水または蒸気凝縮液であり得る。水には溶解した塩が含まれていてもよい。好ましくは、この酸性洗浄を実施するために、運転中に得られた水流が再循環される。
(IVb)工程(IVa)で得られた有機相を、好ましくは水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウムおよび炭酸水素ナトリウムからなる群から選択される塩基水溶液により、少なくとも1回のアルカリ洗浄で洗浄し、次いで相を水相と有機ニトロベンゼン含有相とに分離する(第2洗浄段階)。塩基水溶液として水酸化ナトリウム溶液を使用することが特に好ましい。以下、アルカリ洗浄を、水酸化ナトリウム溶液について説明する;他の塩基が使用される場合、当業者にとって適切な変更を加えることは容易なことである。使用する水酸化ナトリウム溶液のpHは好ましくは9.0~14(20℃で測定)である。有機相(実質的にニトロベンゼン)に対する水酸化ナトリウム溶液の質量比は、工程(I)で使用されるベンゼンの過剰量に依存し、好ましくは1:80~1:500である。使用される水酸化ナトリウム溶液のpHと有機相に対する質量比は、酸性不純物(例えば、副産物として形成されるニトロフェノールや工程(II)で不完全に除去された酸残留物)がほぼ完全に、好ましくは完全に、このアルカリ洗浄で中和されるように調整される。アルカリ性廃水のその後の処理は、例えばEP1593654A1およびEP1132347A2に従って、従来技術の方法により行うことができる。こうして得られた有機ニトロベンゼン含有相は、好ましくは20℃~60℃、より好ましくは30℃~50℃の温度を有する。好ましくは、ニトロベンゼンと同様に、得られる有機相の総質量に対して、4.0~10質量%のベンゼン、および100ppm未満、より好ましくは60ppm未満のニトロフェノールを含む。
(IVc)工程(IVb)で得られた有機相を水で少なくとも1回の中性洗浄、好ましくは2~4回の中性洗浄、より好ましくは2~3回の中性洗浄、最も好ましくは2回の中性洗浄で洗浄し、次いで相を水相と有機ニトロベンゼン含有有機相とに分離する(第3洗浄段階)。これは、原則として、従来技術で慣習的な任意の方法によって達成することができる。ここで使用される洗浄水は、脱塩水であることが好ましく、脱塩水と蒸気凝縮物(すなわち、発熱プロセス段階での水の熱交換によって得られた蒸気の凝縮物)の混合物であることがより好ましく、蒸気凝縮物であることが最も好ましい。電気泳動が最後の中性洗浄で使用される手順が好ましい(WO2012/013678A2を参照)。
工程(V)で、洗浄されたニトロベンゼンをさらに処理することにより、溶解水、未変換のベンゼン、および有機不純物を最終的に除去する。この処理は、蒸留、特に精留によって行われ、水とベンゼンの蒸気および有機不純物が頭上から追い出される。蒸気は冷却され、分離容器に流れ込む。水は下相に分離され、除去される。上相にはベンゼンおよび低沸点物が存在する。この上相は、必要に応じてさらに精製した後、戻りベンゼンとして工程(I)のニトロ化に戻され、流れ10の一部となる。使用される蒸留装置は、好ましくは精留塔である。蒸留からの底部生成物は、必要に応じてニトロベンゼンが留出物として(すなわち、頂部流または内部流生成物として)得られるさらなる蒸留の後、純粋なニトロベンゼンとしてさらなる用途(アニリンへの水素化等)に送られる。
工程(VI)において、工程(IVa)からの洗浄からの酸性水相は、好ましくは酸性廃水後処理において有機物を含まず、生物学的水処理プラントに送られる。酸性廃水後処理は、特に、廃水貯留タンク、熱交換器、凝縮システムを備えた廃水蒸留、廃水凝縮器、および酸性洗浄への出口を備えている。ベンゼンおよびニトロベンゼンを含む廃水蒸留からの未凝縮蒸気は、工程(IV)の洗浄、特に工程(IVa)の酸性洗浄に再循環される。
工程(VIIb)において、工程(IVb)の洗浄からのアルカリ性水相は、好ましくは、廃水貯留タンク、熱交換器、凝縮システムを備えた廃水蒸留、熱圧力分解のためのシステムを含むアルカリ性廃水後処理において有機物を含まない。本発明の文脈において、熱圧力分解は、高圧および高温の作用下で有機不純物が分解されるアルカリ性廃水の処理方法を意味すると理解される。適切なプロセスは当業者に公知であり、例えば、EP1593654B1に記載されている。本発明の文脈において、アルカリ性廃水(任意に蒸留またはストリッピング用の装置で前処理されている)を、酸素を排除して、絶対圧力50bar~350barの下で150℃~500℃の温度に加熱することが特に好ましい。
芳香族の量および/または硫酸の量が増大しているにもかかわらず、驚くべきことに、本発明の手順は、本発明の方法を魅力的なものにする多くの利点をもたらすことが見出された:
i)ピクリン酸または窒素酸化物(NOx)等の副産物の形成が減少する。
ii)酸性洗浄液中の硫酸の損失が少ない。
iii)大過剰のベンゼンにより、ニトロ化後および洗浄後の相分離が改善される。これは、酸性洗浄の場合に特に当てはまる(安定したエマルジョンが形成されるリスクが低下し、相分離が不可能になる)。
iv)本発明の方法は、需要が低下した場合に並行して運転される個々のニトロ化ラインの運転停止に対する実行可能な代替手段を提供する。本発明の方法によれば、例えば、公称負荷で存在する2つのニトロ化ラインの1つを稼働させ、もう1つを完全に停止するのではなく、両方のラインを半負荷で稼働させることができ、これは、需要が再び上昇した場合に、2番目のニトロ化ラインの費用がかかり、エネルギーを大量に消費する再起動を避けることができる。これにより、一定期間後に停止して再稼働する必要のないすべての装置部品(例えばポンプ)が節約される。
v)部分負荷運転であっても純粋なニトロベンゼンの良好な製品品質の結果となる結果、さらなる用途、特に触媒気相アニリンプロセスにおけるそのようなニトロベンゼンの使用に関して利点が生じる。ニトロベンゼンヒーターおよびエバポレーターにおけるさらなる不純物が回避される。ニトロベンゼンを水素ガス流に注入する場合、触媒の選択性および/または寿命の低下につながる触媒表面のさらなる汚染も回避される。
ppmまたは%の含有量に関数数値は、各材料/流れの総質量に対する質量部である。分析値は、特に明記しない限り、高速液体クロマトグラフィー(HPLC-ニトロフェノール)およびガスクロマトグラフィー(GC-その他の副産物およびベンゼン)によって決定されたものである。
A.公称負荷での通常運転でのニトロベンゼンの調製の一般条件
ニトロ化反応器に、硫酸流(m30=210t/h;w=0.713)、硝酸流(m20=10000kg/h;w=0.685)、および95質量%の新鮮なベンゼンと5質量%の戻りベンゼンとからなるベンゼン流(m10=9800kg/h;w=0.989)を計量添加した。硝酸に対して14.14%過剰のベンゼンが使用された。断熱反応レジームでニトロベンゼンを生成するためにベンゼンの硝酸による変換が完了すると、約130℃の反応生成物が相分離装置に供給され、そこで反応生成物が有機相(=ベンゼンとニトロベンゼンとを含む粗ニトロベンゼン)と水相(=少量のニトロベンゼンおよびベンゼンと硫酸とを含む廃酸)とに分離された。主に硫酸を含む水相は、蒸発器内の圧力を急激に下げることにより水のフラッシュ蒸発を受け、濃縮された。濃縮された硫酸は、再利用のために硫酸タンクに保管された。相分離装置で除去された後、粗ニトロベンゼンは粗ニトロベンゼン冷却操作により約50℃に冷却され、洗浄操作に送られた。この洗浄は、酸性洗浄段階、アルカリ洗浄段階および中性洗浄段階を含む物であった。
ニトロフェノールおよび塩が実質的に除去され、得られた精製粗ニトロベンゼンの流れは、再び加熱され、蒸留塔で、頂部で除去される水、ベンゼンおよび他の低沸点物を含まず、乾燥した純粋なニトロベンゼンが生成された。蒸留塔からの凝縮された頂部生成物は相分離装置に供給され、そこで頂部生成物は有機相(ベンゼンを含む)と水相とに分離された。有機相は、バッファタンクに中間的に貯蔵され、それから、すでに上述したように、反応のためにニトロ化反応器の供給に戻った。
アルカリ洗浄で得られた廃水は、以下のように処理された。
アルカリ洗浄からの廃水は沈殿タンクに流れ込み、そこで未溶解のベンゼンとニトロベンゼンとが分離された。平均で2870ppmのニトロベンゼン含有量、409ppmのベンゼン含有量、および11809ppmのニトロフェノール含有量を有し、pHが12.8であるアルカリ性廃水(アルカリ洗浄前のニトロフェノールの開始含有量と比較して1.8%過剰のNaOH)が、ストリッピングカラムに1時間当たり3.5トン供給され、蒸気によるストリッピングにより該アルカリ性廃水からベンゼンおよびニトロベンゼンを上部から除去された。このために、500kg/hの6barの蒸気が使用された。カラム上部の圧力は1.05bar(絶対)であり、温度は99.5℃であった。ストリッピングカラムの上部には、垂直凝縮器が装備されており、ベンゼンおよびニトロベンゼンを含む蒸気が凝縮され、酸性洗浄液に再循環された。ストリッピングカラムからの99℃の湿った廃気体(offgas)は凝縮器に直接導かれ、酸性水タンクから30℃の酸性水を噴霧することにより急冷された。これにより、凝縮器からの廃気体の分離伝導(separate conduction)に使用される従来のオフガス導管の乾燥領域に形成される可能性のある硝酸アンモニウムおよび/または亜硝酸アンモニウムの堆積が防止される(言及されたアンモニウム塩は、アルカリ性廃水中に存在するアンモニアおよび窒素酸化物から形成される)。酸性水は、凝縮蒸気とともに酸性洗浄液に供給された。ストリッピングカラムの不具合は、例えば余剰の安全装置によって監視できる。ストリッピング後、ベンゼンを最大10ppmの濃度でしか含まず、ニトロベンゼンを最大10ppmの濃度でしか含まないアルカリ性廃水が得られた。その後、このように処理されたアルカリ性廃水は、滞留時間20分、温度290℃、絶対圧90barの熱圧力分解プラントで処理された。ここで発生する廃水は80℃に冷却された。その後、廃水は直接蒸気で除去された。ストリッピングカラムの底部では、絶対圧1.02barで1時間あたり4.0トンの流れが得られ、これには実質的に水、アンモニア、二酸化炭素および有機物が含まれていた。頂部の製品は凝縮され、35℃に冷却された。有機物のパージ流が凝縮液から排出された。有機物が枯渇した1時間あたり0.25トンの水性凝縮流は、還流としてストリッピングカラムに再循環された。生物学的水処理プラントに送られた、得られた廃水中の有機物の割合は4726ppmであった。廃水中のアンモニウム含有量は87ppm未満であった。一般に、ストリッピングカラムからの廃気体の領域の堆積物にはまったく問題はない。
この方法で調製されたニトロベンゼンは、平均して約99.96%(GC)の純度、0.0028%(GC)の残留ベンゼン含有量、および0.0079%の水分含有量(Karl Fischerにより決定される)を有していた。以下の表は、公称負荷での動作条件をまとめたものである。
Figure 0007093361000007
B.公称負荷よりも低いニトロベンゼンの調製
質量wによるすべての比率は、公称負荷での操作に関して同じに維持された。
実施例1(比較):対応するm 10 の減少および対応するm 30 の減少を伴う、公称負荷の約93%への硝酸負荷の減少
上記Aで説明した公称負荷での生産から、質量流量m20を9301kg/hに減少させた(m20(E)/m20(A)=m(E)/m(A)=0.9301に対応)。質量流量m10を8954kg/hに減少させ、すなわち、比率m(E)/m(E)を、開始状態と比較して実質的に1.39に維持した。
質量流量m30を195t/hに減少させ、すなわち、比率m/mを実質的に0.0458に維持した。
実施例2(発明):m 10 の減少およびm 30 の維持を伴う、公称負荷の約93%へのの硝酸負荷の減少
上記Aで説明した公称負荷での生産から、質量流量m20を9298kg/hに減少させた(m20(E)/m20(A)=m(E)/m(A)=0.9298に対応)。質量流量m10を8937kg/hに減少させ、すなわち、比率m(E)/m(E)を、開始状態と比較して実質的に1.39に維持した。実施例1との比較によるm10(E)とm20(E)のわずかな名目上の違いは、比較可能性を損なうものではない。
質量流量m30を一定に維持し、すなわち、比率m/mを0.0425に減少させた。
実施例3(比較):対応するm 10 の減少および対応するm 30 の減少を伴う、公称負荷の約60%への硝酸負荷の減少
上記Aで説明した公称負荷での生産から、質量流量m20を6052kg/hに減少させた(m20(E)/m20(A)=m(E)/m(A)=0.6052に対応)。質量流量m10を5956kg/hに減少させ、すなわち、比率m(E)/m(E)を、開始状態と比較して実質的に1.42に維持した。
質量流量m30を127t/hに減少させ、すなわち、比率m/mは開始状態と比較して実質的に0.0458で一定に維持した。
実施例4(本発明):対応m 10 の減少および(実質的な)m 30 の維持を伴う、公称負荷の約60%への硝酸負荷の減少
上記Aで説明した公称負荷での生産から、質量流量m20を6005kg/hに減少させた(m20(E)/m20(A)=m(E)/m(A)=0.6005に対応)。質量流量m10を5945kg/hに減少させ、すなわち、比率m(E)/m(E)を、開始状態と比較して実質的に1.43に維持した。実施例3との比較によるm10(E)とm20(E)のわずかな名目上の違いは、比較可能性を損なうものではない。
質量流量m30を最小で207t/hに減少させ、すなわち、比率m/mを開始状態と比較して0.0279に減少させた。
実施例5(発明):m /m の増大および(実質的な)m 30 の維持を伴う、公称負荷の約60%への硝酸負荷の減少
上記Aで説明した公称負荷での生産から、質量流量m20を6011kg/hに減少させた(m20(E)/m20(A)=m(E)/m(A)=0.6011に対応)。質量流量m10を6064kg/hに減少させ、すなわち、比率m(E)/m(E)を、開始状態と比較して1.46に増大させた。
質量流量m30を最小で206t/hに減少させ、すなわち、比率m/mを開始状態と比較して0.0280に減少させた。
以下の表は、副産物の含有量を互いに比較するものである。
Figure 0007093361000008
すべての場合において負荷の減少は、副産物の形成の増大につながることが明らかである。しかしながら、副産物含有量の増大は、本発明の手順の場合、比較実験の場合よりもかなり小さい。

Claims (13)

  1. 硝酸(2)および硫酸(3)によるベンゼン(1)のニトロ化を含む、ニトロベンゼンを調製する連続操作方法であって、
    (i)前記ニトロ化には、
    ・ベンゼン(1)を含み、該ベンゼン(1)の質量比がwである、質量流量がm10の流れ10、
    ・硝酸(2)を含み、該硝酸(2)の質量比がwである、質量流量がm20の流れ20、
    ・硫酸(3)を含み、該硫酸の質量比がwである、質量流量がm30の流れ30が適用され;
    (ii)wおよびwの定められた値に対して、ベンゼン(1)が硝酸(2)に対して化学量論的に過剰になるようにm10およびm20が常に選択され、
    (iii)・(ii)に対して選択される硝酸(2)の質量流量m(A)=m20(A)・w(A)、ベンゼン(1)の質量流量m(A)=m10(A)・w(A)、および硫酸(3)の質量流量m(A)=m30(A)・w(A)によって定義される開始状態Aから、・(ii)に対して選択される硝酸(2)の質量流量m(E)=m20(E)・w(E)、ベンゼン(1)の質量流量m(E)=m10(E)・w(E)、および硫酸(3)の質量流量m(E)=m30(E)・w(E)によって定義される最終状態Eまでに、
    質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量が所望の変化をした場合、質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の少なくとも1つのそのような変化が達成され、質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の少なくとも1つのそのような変化が、
    (I)0.50時間を超える時間での値m(E)<0.95・m(A)への減少、または、
    (II)0.50時間を超える時間での値m(E)>1.05・m(A)への増大となるように、質量流量m20および質量比wは、所望の値m(E)が確立されるように選択され、
    (I)の場合、
    (a)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となうように増大し、かつ、
    比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
    (b)比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
    比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
    (c)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
    比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)となるように減少し;
    (II)の場合、
    (a)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
    比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
    (b)比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大し、かつ、
    比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、0.98・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.02・m(A)/m(A)となるように最大限に変更されるか、または、
    (c)比率m(E)/m(E)は、m(A)/m(A)と比較して、0.45・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦0.97・m(A)/m(A)となるように減少し、かつ、
    比率m(E)/m(E)は、比率m(A)/m(A)と比較して、1.03・m(A)/m(A)≦m(E)/m(E)≦1.50・m(A)/m(A)となるように増大する、
    前記方法。
  2. ベンゼンからニトロベンゼンへのニトロ化が断熱的に行われる、請求項1に記載の方法。
  3. ベンゼンからニトロベンゼンへのニトロ化が以下の工程を含む、請求項2に記載の方法:
    (I)ベンゼン含有流10を質量流量m10で、硝酸含有流20を質量流量m20で、硫酸含有流30質量流量m30で反応器内に導入し、反応器内でベンゼンを硝酸と硫酸でニトロ化してニトロベンゼンを形成する工程;
    (II)工程(I)からの反応混合物の相を、相分離装置で水性硫酸含有相と有機ニトロベンゼン含有相とに分離する工程;
    (III)蒸発装置で水を蒸発させることにより、工程(II)で得られた水相を濃縮して、硫酸濃度が高められた水性硫酸含有相を得、濃縮硫酸含有水相を工程(I)に再循環させ、硫酸含有流30の成分とし使用する工程;
    (IV)工程(II)で得られた有機ニトロベンゼン含有相を少なくとも2段階で洗浄し、各段階の後に水相を分離する工程;
    (V)工程(IV)の最後の段階で得られた有機ニトロベンゼン含有相を蒸留し、未変換ベンゼンを除去し、これを工程(I)に再循環させ、ベンゼン含有流10の成分として使用する工程。
  4. 比率m(A)/m(A)が1.26~1.74の範囲である、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
  5. 0.40・m(A)≦m(E)≦2.50・m(A)である、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。
  6. (a)の変形が行われる請求項5に記載の方法であって、
    (I)の場合、次の関係が適用され:
    (E)が0.80・m(A)以上、かつ0.95・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.20・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
    (E)が0.65・m(A)以上、かつ0.80・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.20・m(A)/m(A)を超え、かつ1.40・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整され;かつ、
    (E)が0.40・m(A)以上、かつ0.65・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.40・m(A)/m(A)を超え、かつ1.50・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整され;
    さらに、(II)の場合、次の関係が適用され:
    (E)が1.05・m(A)を超え、かつ1.50・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.97・m(A)/m(A)~0.75・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
    (E)が1.50・m(A)を超え、かつ2.00・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.55・m(A)/m(A)以上、かつ0.75・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され;かつ、
    (E)が2.00・m(A)を超え、かつ2.50・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.45・m(A)/m(A)以上、かつ0.55・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整される、
    前記方法。
  7. 変形(b)が行われる請求項5に記載の方法であって、
    (I)の場合、次の関係が適用され:
    (E)が0.80・m(A)以上、かつ0.95・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.80・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
    (E)が0.65・m(A)以上、かつ0.80・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.65・m(A)/m(A)以上、かつ0.80・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され;かつ、
    (E)が0.40・m(A)以上、かつ0.65・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.40・m(A)/m(A)以上、かつ0.65・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され;
    さらに、(II)の場合、次の関係が適用され:
    (E)が1.05・m(A)を超え、かつ1.50・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
    (E)が1.50・m(A)を超え、かつ2.00・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.50・m(A)/m(A)を超え、かつ2.00・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整され;かつ、
    (E)が2.00・m(A)を超え、かつ2.50・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は2.00・m(A)/m(A)を超え、かつ2.50・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整される、
    前記方法。
  8. 変形(c)が行われる請求項5に記載の方法であって、
    (I)の場合、次の関係が適用され:
    (E)が0.80・m(A)以上、かつ0.95・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.20・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は0.80・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
    (E)が0.65・m(A)以上、かつ0.80・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.20・m(A)/m(A)を超え、かつ1.40・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は0.65・m(A)/m(A)以上、かつ0.80・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され;かつ、
    (E)が0.40・m(A)以上、かつ0.65・m(A)未満の範囲にある場合、m(E)/m(E)は1.40・m(A)/m(A)を超え、かつ1.50・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は0.40・m(A)/m(A)以上、かつ0.65・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され;
    さらに、(II)の場合、次の関係が適用され:
    (E)が1.05・m(A)を超え、かつ1.50・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.75・m(A)/m(A)~0.97・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は1.03・m(A)/m(A)~1.50・m(A)/m(A)の範囲の値に調整され;
    (E)が1.50・m(A)を超え、かつ2.00・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.55・m(A)/m(A)以上、かつ0.75・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)は1.50・m(A)/m(A)を超え、かつ2.00・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整され;かつ、
    (E)が2.00・m(A)を超え、かつ2.50・m(A)以下の範囲にある場合、m(E)/m(E)は0.45・m(A)/m(A)以上、かつ0.55・m(A)/m(A)未満の範囲の値に調整され、かつ、m(E)/m(E)が2.00・m(A)/m(A)を超え、かつ2.50・m(A)/m(A)以下の範囲の値に調整される、前記方法。
  9. 0.98・m(A)≦m(E)≦1.02・m(A)である、請求項7または8に記載の方法。
  10. (A)=w(E)および/またはw(A)=w(E)および/またはw(A)=w(E)である、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。
  11. (A)=w(E)、w(A)=w(E)およびw(A)=w(E)である、請求項10に記載の方法。
  12. (I)の場合において、質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の減少を含み、該減少が変形(b)によって行われる、請求項1~11のいずれか一項に記載の方法。
  13. (II)の場合において、質量流量m20でニトロ化に供給される硝酸(2)の量の増大を含み、該増大が変形(b)によって行われる、請求項1~12のいずれか一項に記載の方法。
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