Технология нитрования толуола

Казахский национальный университет им.аль-фараби

СРС

Технология нитрования толуола

Выполнила: Бектигулова А. 304 ХТОВ

 

 

Алматы 2013

 

 

Нитрование ароматических  соединений чаще всего осуществляется смесью азотной и серной кислот. Последняя одновременно является катализатором, водоотнимающим средством и веществом, способствующим более полному использованию азотной кислоты и препятствующим окислительным процессам. В нитрующей смеси происходит кислотно-основное взаимодействие, которое ведет к образованию очень активного нитрующего агента – иона нитрония , атакующего ароматическое ядро:          

 

 

Влияние заместителей на реакционную  способность ароматического ядра и  ориентацию вступающей нитрогруппы  такое же, как при других реакциях электрофильного замещения в ароматическое ядро. Ввиду значительного дезактивирующего влияния нитрогруппы каждая последующая стадия нитрования протекает значительно медленнее предыдущей . Поэтому реакцию можно осуществить с высоким выходом любого из продуктов последовательно-параллельного замещения (моно-, ди- или тринитропроизводных), подбирая нитрующий агент и температуру.

 

Так, при нитровании толуола  вначале в  более мягких условиях (40⁰С) образуются мононитротолуолы (смесь 58-59% орто-, 4-5% мета- и 36-39% пара-изомеров), которые затем в более жестких условиях (70-80⁰С) дают динитротолуолы (смесь в основном 2,4- и 2,6-изомеров) и в конце концов – тринитротолуол:

 

 

Условия реакции, определяемые в основном температурой процесса и  нитрующей способностью серно-азотной  смеси, зависят от реакционной способности  ароматического соединения. Нитрующая  способность исходной смеси кислот определяется концентрациями в ней серной кислоты , азотной кислоты и воды. Для количественной оценки нитрующей способности исходной смеси кислот пользуется фактором нитрующей активности (ф. н. а.):

 

Рис. 1 Реакционный узел для нитрования ароматических соединений                 

1. Нитраторы, 2. Сепараторы, 3. Насосы

 

     В промышленности нитротолуолы получают жидкофазным нитрованием толуола нитрующей смесью (55-66 % H₂SO₄, 28-32 % HNO₃ и 12-20 % Н₂О) по непрерывной технологии. Продукт нитрования содержит обычно 55-60 % 2-нитротолуола, 3-4 % 3-нитротолуола и 35-40 % 4-нитротолуола, которые выделяют после отгонки с паром избытка толуола и высушивании остатка. 4-Нитротолуол вымораживают, а 2- и 3-нитротолуолы разделяют перегонкой в вакууме.

Исходный ароматический углеводород  подают в нитратор 1. Туда же поступает частично отработанная смесь кислот из сепаратора 5. Смесь углеводорода и кислоты эмульгируется при помощи мешалки и проходит в нитратор 2. Оттуда частично пронитрованный углеводород вместе с отработанной кислотной смесью попадает в сепаратор 3. Здесь эмульсия расслаивается, отработанная кислота отводится из сепаратора снизу, а органическая фаза непрерывно перетекает в интратор 4. В тот же аппарат поступает частично отработанная кислотная смесь из сепаратора 7. Нитрование завершают в реакторе 6, куда подают свежую нитрующую смесь. Отделенный в сепараторе 7 нитропродукт подвергается промывке в аппаратах 8 и 12 холодной и теплой водой и в аппарате 10 – раствором соды.

    Другая принципиальная  схема установки для нитрования  толуола приведена на рис.180

 

Процесс производства мононитротолуола заключает две стадии: нитрование толуола с отделением смеси трех образовавшихся изомеров от отработанной кислоты и разделение смеси изомеров с выделением товарных продуктов (о-, м- и п-нитротолуолов).

 

 

Разделение смеси изомеров

Разделение мононитротолуолов  по аналогии с нитрохлорбензолами основано на различии температур кипения и застывания изомеров:

 

   Выделение изомеров обычно  проводят в такой последовательности:

1. Отгонка толуола и других углеводородов острым паром.
2. Непрерывная ректификация смеси изомеров в вакууме с отбором дистиллята, содержащего о-нитротолуол и незначительные примеси м- и п- нитротолуолов.
3. Повторная непрерывная ректификация кубового остатка в вакууме с отбором дистиллята, содержащего о-нитротолуол и более значительные примеси двух других изомеров.
4. Очистная перегонка кубовой жидкости после второй ректификации (освобождение смеси м- и п-нитротолуолов от смолы).
5. Кристаллизация п-нитротолуола в трубчатых кристаллизаторах.
6. Ректификация маточника, содержащего до 20% м-нитротолуола, с отбором дистиллята, обогащенного м-изомером (до 80%) и о-изомеров.
7. Кристаллизация м-нитротолуола в трубчатых кристаллизаторах.

Перед подачей смеси на ректификацию oт нее предварительно отгоняют непронитрованные и ненитрующиеся углеводороды. Отгонку ведут острым паром з кубе периодического действия с колонной и дефлегматором. Смесь углеводородов можно использовать как горючее. После отгонки углеводородов смесь подают на первую ректификацию в колонну непрерывного действия, состоящую из укрепляющей (1) и исчерпывающей (2) частей. Колонна снабжена кипятильником 3 и дефлегматором 4. Исчерпывающая часть имеет 8-20 тарелок, а укрепляющая часть 42-53 тарелки. Площадь сечения исчерпываю щей части .колонны .в 1,5-1,8 Р аза больше площади сечения укрепляющей части. В колонне поддерживается разрежение (остаточное давление 30-50 мм рт. ст.), температура в верхней части колонны 110--125 С. Остаточное давление в кубе 120-160 мм pi. ст., температура в кубе 170-180 С. Флегмовое число равно 2-3. При этом содержание ПНТ в товарном ОПТ не должно превышать 0,5%, а содержание МНТ 0,5-1%.

Товарный о-нитротолуол охлаждается в холодильнике 5 и через барометрический горшок 6 стекает в складскую емкость. 
Кубовый остаток перекачивается насосом 8 из сборника 7 во 2-ю колонну, состоящую из «счерпывающей (12) и укрепляющей (//) частей, кипятильника 13 и дефлегматора 14. В исчерпывающей части этой колонны больше тарелок, чем в 1-й колонне, а в укрепляющей - меньше. Содержание ПНТ в дистилляте достигает 2-4%, ц дистиллят возвращается в 1-ю колонну. Кубовый остаток обогащается ПНТ. и его температура застывания составляет 42 С. Нижние тарелки колонны 12 -п сборник 15 обогреваются паром. Режим ректификации во 2-й колонне (температуры п давления) не отличается от режима Б 1-й колонне. 
Кубовая жидкость и:1, сборника 15 передается в куб 18, где подвергается перегонке с паром для очистки от смол. Отгонку ведут в вакууме до исчезновения нитропродуктов в погоне. Смолу, остающуюся в кубе, выливают и сжигают. Нитропродукты после отстаивания от воды в аппарате 20 направляют на сушку, которая осуществляется при разрежении в кубе 22. 
Сухая смесь нитротолуолов из куба 22 передается в трубча-гый кристаллизатор 26. Перед загрузкой в рубашке кристаллизатора поддерживается температура 40 С. Эта же температура поддерживается и после загрузки Нитротолуолов. Затем температуру постепенно снижают до 12-13 С. По окончания выдержки маточник сливают в сборник 27 и начинают постепенно подогревать кристаллизатор до 52 С. В процессе подогрева все время спускают маточник до тех пор, пока его температура не достигнет 50,5 С. Этот маточник сливают в сборник 28 и вновь загружают в кристаллизатор со следующей порцией нитротолуолов. В кристаллизаторе остается товарный л-нитротолуол. который расплавляют горячей водой (70-75 С) и сливают в складские емкости. 
Из 10 т смеси нитротолуолов получают 4 т товарного п-нитротолуола, 2,5 т первого маточника и 3,5 т второго маточника. Продолжительность операции составляет более двух суток.