KR100375905B1 - 디니트로톨루엔의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 황산 존재 하에 톨루엔 및 질산으로부터 디니트로톨루엔을 제조하는 2단계 방법에 관한 것이다. 제1 단계에서, 톨루엔 및 질산을 등온 조건 하에서 모노니트로톨루엔이 생성되는 양으로 반응시킨다. 이어서, 반응 혼합물을 유기상 및 산상으로 분리시킨다. 이어서, 유기상을 단열 조건 하에서 질산과 추가로 반응시켜 디니트로톨루엔을 제조한다. 이어서 반응 혼합물을 산상 및 유기상으로 분리시킨다. 유기상으로부터 디니트로톨루엔을 회수한다. 산상으로부터 물 5 중량% 이상을 제거하고 니트로화 반응 동안에 소모된 것을 대신하기 위하여 충분한 질산을 첨가한 후, 산상을 재순환시킨다.
Description
본 발명은 황산 존재 하에 톨루엔 및 질산으로부터 디니트로톨루엔을 제조하는 2단계 방법에 관한 것이다.
디니트로톨루엔(DNT)은 톨릴렌 디이소시아네이트(TDI)의 제조에서 중간 생성물이다. DNT는 톨루엔을 질산 및 황산의 혼합물인 니트로화 산(nitrating acid)과 반응시켜 산업적으로 제조된다 (독일 특허 출원 공고 제 1, 468, 362호; T. Urbanski, Chemistry and Technology of Explosives. Pergamon Press (1964); Ullmanns Encyklopadle der technischen Chemie[Encyclopedia of Industrial Chemistry], 제4판, vol. 17, 392 페이지, Verlag Chemie, Weinheim (1979) 참조). 이 산업적 방법에서, 톨루엔과 물은 질산을 반응시켜 모노니트로톨루엔(MNT)을 먼저 제조한다. 소비된 황산(이하, "폐산"으로 언급함)을 제거한 후, MNT를 제2 단계에서 보다 농축된 니트로화 산과 추가로 반응시켜 DNT를 제조한다. 2번의 반응 단계를 모두 등온적으로, 즉 냉각하면서 행한다. 니트로화는 매우 강한 발열 반응이기 때문에 필요한 냉각 비용이 많이 든다.
상기 2단계 방법에서, 2가지의 폐산이 생성된다. 이들 페산은 니트로화 반응에 사용된 것을 대신하기에 충분한 양의 질산을 첨가한 후 재순환된다. 제2 단계의 폐산은 여전히 충분히 농축되어 있어 재농축시키지 않고서 제1 단계에 사용할 수 있는 경우, 바로 재순환될 수 있다. 니트로화 반응의 제1 단계의 폐산이 재사용되는 경우, 적어도 반응수를 제거하기 위하여 재농축시켜야 한다. 이러한 물의 제거에 흔히 사용되는 방법은 폴링(Pauling) 방법 (Bendenbrenner, von Plessen, Vollmuller, Dechema-Monogr. 86(1980), 197 참조) 및 진공 하의 증발법에 의한 농축(Winnacker. Kuchler, Chem. Technol, Vol. 2, Anorg. Technol, 1, 제4판, 1982, 70 내지 72 페이지 참조)이다. 이들 2가지의 방법의 공통적 특징은 높은 에너지 공급의 필요하여 따라서 이를 요구하므로 비용이 많이 든다는 것이다.
상기한 산업적 방법의 추가의 단점은 폐산으로부터 니트로화 산을 재구성하는 데 있어서 비용이 많이 드는 고농축 질산을 선호한다는 것이다. 두드러지게 값이 싼 묽은 질산(예를 들면, 공비혼합물 또는 약산)을 윈칙적으로는 사용할 수 있지만, 추가의 에니지 요구가 상당하다.
이들 단점들은 톨루엔 니트로화에 특별한 것은 아니고 다른 방향족 물질의 니트로화에서도 두드러진다. 따라서, 연구자들은 니트로화 공정을 개선하고자 애쓰고 있다.
단열 조건하의 벤젠 모노니트릴화는 에너지 면에서 개선이 없다. 단열 반응은 또한 공정 공학의 면에서 단순한 방식으로 묽은 질산의 사용을 가능하게 하였다. 따라서, 단열 방법은 현재 큰 산업적 규모로 실행되고 있다 (예를 들면, 미합중국 특허 제3,928,475호, 미합중국 특허 제4,021,498호, 미합중국 특허 제4,091,042호 및 미합중국 특허 제4,453,027호, 및 유럽 특허 출원 공개 제436,443호 참조).
단열 방법을 또한 디니트로방향족 화합물의 제조에 사용할 수 있다(유럽 특허출원 공개 제597,361호 참조). 이 경우, 톨루엔과 같은 방향족 화합물을단일 단계로 니트로화 산과 반응시켜 DNT를 얻는다. 특정 조성을 갖는 니트로화 산을 사용함으로써, 단열 조건 하에서 니트로화 과정을 수행하고 반응 열을 계 내에 유지시킬 수 있다. 종래의 등온 방법에서와 같이, 반응을 냉각시킬 필요가 없기 때문에 비싼 냉각 에너지를 절약할 수 있다. 상들을 분리시킨 후, 뜨거운 폐산을 진공 하에 분무시키고 상기 공정의 반응열을 사용하여 폐산을 재농축시킨다. 반응이 단열성이고, 관련 반응 온도가 높기 때문에 상기 공정에서는 묽은 질산을 사용할 수 있다. 사용되는 질산의 품질에 따라 재농축 단계에 가열이 거의 또는 전혀 필요하지 않다.
이러한 방법의 단점은 고비율의 오르토-DNT가 제조된다는 것이다. 제조되는 오르토-DNT의 양은 등온 방법에 의해 생성되는 것보다 많다. 이리한 보다 높은 오르토-이성질체 함량은 니트로화 동안의 보다 높은 반응 온도에 기인한다. 오르토-DNT는 오르토 위치에 니트로기를 갖는 DNT 이성질체들(즉, 2,3- 및 3,4-DNT)의 바람직하지 못한 혼합물로서 TDI 제조에 사용할 수 없다. 따라서 이것은 상당한 비용으로 분리되어야 하는 폐생성물로 간주된다.
고전적인 등온 니트로화 방법도 또한 소정 비율의 오르토-DNT를 형성하지만, 이 비율은 공지된 단열 방법으로 얻는 것 만큼 높지 않다. 오르토-DNT 이성질체는통상적으로 아민 단계에서의 수소 첨가 반응 후에 분리된다. 이것은 오르토-치환된 아민과 목적 생성물인 아민의 비점 사이의 차가 그다지 크지 않기 때문에 매우 효율적인 분리 컬럼을 필요로 한다. 결과적으로 증류 비용을 상당히 증가시키는 고환류비가 필요하다. 오르토-아민의 경우는 소용이 없기 때문에 일단 분리되면, 이 아민 생성의 증가는 생성물 수율의 손실을 의미한다. 오르토-DNT 생성의 증가는 원하지 않는 생성물의 수소 첨가 반응 및 분해의 면에서 추가의 비용을 발생시킨다.
이 공지된 단열 니트로화 방법의 다른 단점은 폐산 재농축이 필요하다는 것이다. 이 폐산은 실질적으로 용해되어 있는 DNT를 포함하여 용해되어 있는 유기 화합물들을 함유한다. 이들 유기 화합물은 증기-휘발성이고, 폐산의 재농축 동안에 대부분 증발된다. 현재, 안전한 진공 방법은 증발된 물에 대해 저농도 조건을 필요로 한다. 이들 온도에서, DNT는 결정화하여 응축계를 오염시킨다.
DNT 결정화는 또한 등온 방법이 갖는 문제점이기도 한다. 그러나, 이러한 문제점은 등온 방법에서 MNT를 뜨거운 배기 가스 내로 주입함으로써 해결된다(독일 특허 출원 공개 제3,409,719호 참조). 배기 증기 응축물은 이러한 방법으로 유체 상태로 유지되며 막히는 것도 피할 수 있다. 이것은 종래의 단열 방법으로는 불가능한 것이다.
본 발명의 목적은 방향족 화합물, 특히 톨루엔의 개선된 디니트로화(dinitration) 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 디니트로화 생성물의 오르토-이성질체 함량이 낮은 디니트로화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 니트로화 반응 열을 사용하고 묽은 염산을 사용할 수 있는, 유기 물질의 디니트로화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 응축계를 오염시키지 않고서 폐산을 재농축시킬 수 있는, 방향족 화합물의 디니트로화 방법을 제공하는 것이다.
이들 목적 및 당업계의 숙련인들에게 명백한 기타 목적들은 제1 단계에서 톨루엔을 니트로화 산과 등온적으로 반응시키고, 반응 혼합물을 폐산상 및 유기상으로 분리시키고, 모노니트로롤루엔을 함유하는 유기상을 니트로화산으로 단열 조건하에서 니트로화하여 디니트로톨루엔을 형성함으로써 달성될 수 있다. 이어서, 반응 혼합물을 디니트로톨루엔을 함유하는 유기상 및 폐산상으로 분리시킨다. 이 방법의 제2 단계에서 생성된, 산상 내에 존재하는 물 5 중량% 이상을 제거한 후 산상을 재순환시킨다.
본 발명은 저비율의 오르토-DNT를 갖는 디니트로톨루엔 이성질체 혼합물이 얻어지는 디니트로톨루엔의 2단계 연속 제조 방법에 관한 것이다. 이 방법의 제1 단계에서 톨루엔, 및 (1) (a) (i) 황산 약 60 내지 약 90 중량%((1)(a)비 총 중량 기준), (ii) 질산 약 1 내지 약 20 중량%((1)(a)의 총 중량 기준) 및 물 5 중량% 이상((1)(a)의 총 중량 기준)을 포함하는 무기 물질 약 80 내지 약 100 중량%(니트로화산(1)의 총 중량 기준) 및 (b) (i) 니트로톨루엔 이성질체 약 70 내지 약 100 중량%((1)(b)의 총 중량 기준) 및 (ii) 니트로화 반응의 부산물 0 내지 약 30 중량%((1)(b)의 총 중량 기준)를 포함하는 유기 물질 0 내지 약 20 중량%(니트로화산(1)의 총 중량 기준)를 포함하는 니트로화 산을 연속적으로 작동하는 반응기 중에서 약 0 내지 약 100 ℃의 온도에서 등온적으로 반응시킨다. 제1 단계에서 질산 대 톨루엔의 몰비가 0.7:1 이상이고 최대 1.2:1이다. 이어서, 생성된 모노니트로톨루엔을 함유하는 반응 혼합물을 상분리시켜 산상 및 유기상으로 분리시킨다. 이어서, 주로 모노니트로톨루엔(MNT)인 유기상을 약 20 내지 약 200 ℃, 바람직하게는 약 40 내지 악 180 ℃, 가장 바람직하게는 약 60 내지 약 170 ℃의 온도에서 단열 조건 하에 (2) (a) (i) 황산 약 60 내지 약 90 중량%((2)(a)의 총 중량 기준), (ii) 질산 약 1 내지 약 20 중량%((2)(a)의 총 중량 기준) 및 물 5 중량% 이상((2)(a)의 총 중량 기준)을 포함하는 무기 물질 약 80 내지 약 100 중량%(니트로화산(2)의 총 중량 기준) 및 (b) (i) 니트로톨루엔 이성질체 약 70 내지 약 100 중량%((2)(b)의 총 중량 기준) 및 (ii) 니트로화 반응의 부산물 0 내지 약 30 중량%((2)(b)의 총 중량 기준)를 포함하는 유기 구성성분 0 내지 약 20 중량%(니트로화산(2)의 총 중량 기준)을 포함하는 니트로화 산과 반응시킨다. 제2 단계에서의 질산 대 모노니트로톨루엔의 몰비가 0.7:1 이상이고 최대 1.2:1이다. 이어서, 반응 혼합물을 상 분리시켜 산상 및 디니트로톨루엔을 함유하는 유기상으로 분리시킨다. 제2 단계에서 얻은 산상으로부터 물 5 중량% 이상을 바람직하게는, 임의로 열을 가하면서 플래쉬 증발을 통해 증류 제거한다. 이어서 50 내지 100 중량%의 농도를 갖는 질산을 재농축된 산상에 첨가한 후 산상을 니트로화 반응내로 연속적으로 재순환시킨다.
제1 단계에서 얻은 모노니트로톨루엔(MNT)을 바람직하게는 제2 단계에서 얻은 산상의 재농축으로부터의 배기 증기에 이들 배기 증기를 응축시키기 전에 첨가한다. 첨가되는 MNT의 양은 배기 증기 응축물이 유체 상태로 흘러내려 고상 침착물을 형성하지 않도록 선택된다. 이것은 일반적으로 배기 증기 웅축물 내의 DNT에 대한 MNT의 중량비가 약 2:1 내지 약 10:1일 때 달성될 수 있다. 상 분리 후, 배기 증기 응축물의 유기 구성성분들을 제1 또는 제2 니트로화 단계로 재순환시킨다.
본 발명의 방법의 제1 단계 후에 회수된 폐산상 중의 물 5 중량% 이상을 (예를 들면, 증류시켜) 제거하고 질산 50 내지 100 중량%를 첨가한 후 반응 내로 연속적으로 재순환시키는 것이 바람직하다.
제1 단계 니트로화(모노니트로톨루엔을 형성함)를 등온적으로 수행하고 제2 단계(MNT를 디니트로톨루엔으로 전환시킴)를 단열적으로 수행할 때 저함량의 오르토 DNT가 달성된다는 것을 놀라운 것이다. 본 발명의 방법을 통해 종래의 등온 방법에서 얻어지는 함량보다 낮은 오르토-이성질체 함량(≤4.5 중량%)을 갖는 DNT가 제조된다. 제2 단계에서 단열 조건을 사용함으로써 반응열을 이용하고 묽은 질산을 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 방법은 또한 기존의 낡은 2단계 등온 니트로화 시설을 쉽게 단열기술로 전환시킬 수 있기 때문에 특히 유리하다. 이미 기존의 시설에 있는 등온성 제1 단계를 완전히 사용할 수 있다. 기존의 시설의 제2 단계만을 단열 기술로 전환시키면 된다.
본 발명을 지금까지 설명하였으며, 하기 실시예를 통해 본 발명을 예시한다. 이들 실시예 중의 모든 %는 중량%이다.
실시예
실시예 1
톨루엔 92.14 g/h(1 몰/h), 및 황산 71.9 중량%, 질산 7.6 중량% 및 물 20.5중량%로 구성되는 니트로화 산 895 g/h(1.08 몰/h)을 반응기 중에서 약 40 ℃에서 냉각하면서 등온적으로 연속적으로 반응시켰다. 이 반응 혼합물의 상들을 분리시키고, 폐산을 진공 하에 재농축시키고, 니트로화 반응에서 소모된 것을 대신하기 위하여 충분한 60 % 질산을 첨가한 후 반응 내로 재순환시켰다. 분리된 유기상을 약 120 ℃의 출발 온도에서 단열 조건 하에 황산 77.9 중량%, 질산 3.6 중량% 및 물 18.5 중량%로 구성되는 니트로화 산 1,890 g/h(1.08 몰/h)과 연속적으로 반응시켰다(단열 니트로화 단계로부터 얻은 재순환된 재농축 폐산과 혼합함으로써 달성됨). 이어서 상 분리시켜 반응 혼합물을 산상 및 유기상으로 분리시켰다. 산상을 진공 하에 재농축시켰다. 처리 장치의 응축 영역에서의 침착물 형성을 피하기 위하여, 제1 니트로화 단계에서 얻은 MNT 9 g/h를 증발기의 과열된 배기 증기 내로 첨가하였다. 니트로화 반응에서 소모된 질산을 대신하기에 충분한 양의 60% 질산을 첨가한 후, 재농축 폐산을 단열 니트로화 단계로 재순환시켰다. 배기 증기 응축물의 유기 구성성분도 또한 재순환시켰다. 디니트로톨루엔 이성질체 혼합물(99.0 %) 180 g/h를 단리하였다. 오르토-DNT 함량은 4.1 중량%이였다.
실시예 2
톨루엔 92.14 g/h(1 몰/h), 및 황산 72.5 중량%, 질산 6.4 중량% 및 물 21.1중량%로 구성되는 니트로화 산 1063 g/h(1.08 몰/h)을 반응기 중에서 약 40 ℃에서 냉각하면서 등온적으로 연속적으로 반응시켰다. 이 반응 혼합물을 유기상 및 산상으로 분리시키고, 폐산상을 진공 하에 재농축시키고, 니트로화 반응에서 소모된 질산을 대신하기 위하여 60 % 질산을 첨가한 후 반응 내로 재순환시켰다. 분리된 유기상을 약 60 ℃의 출발 온도에서 단열 조건 하에 황산 73.6 중량%, 질산 11.6 중량% 및 물 14.8 중량%로 구성되는 니트로화 산 586.6 g/h(1.08 몰/h)과 연속적으로 반응시켰다. 이어서 반응 혼합물을 산상 및 유기상으로 분리시켰다. 산상을 진공하에 재농축시켰다. 응축 영역에서의 침착물 형성을 피하기 위하여, 제1 니트로화 단계에서 얻은 MNT 4.5 g/h를 증발기의 과열된 배기 증기 내로 첨가하였다. 니트로화 반응에서 소모된 질산을 대신하기에 충분한 양의 98.5 % 질산을 첨가한 후, 재농축 폐산을 단열 니트로화 단계로 재순환시켰다. 배기 증기 응축물의 유기 구성성분도 또한 단열 니트로화 단계 내로 재순환시켰다. 디니트로톨루엔 이성질체홉합물(99 %) 180 g/h를 단리하였다. 오르토-DNT 함량은 4.0 중량%이었다.
실시예 3
톨루엔 92.14 g/h(1 몰/h), 및 황산 71.9 중량%, 질산 7.6 중량% 및 물 20.5 중량%로 구성되는 니트로화 산 895 g/h(1.08 몰/h)을 반응기 중에서 약 40 ℃에서 냉각하면서 등온적으로 연속적으로 반응시켰다. 이 반응 혼합물을 산상 및 유기상 으로 분리시키고, 폐산을 진공 하에 재농축시키고, 니트로화 반응에서 소모된 질산을 대신하기 위하여 60 % 질산을 첨가한 후 반응 내로 재순환시켰다. 분리된 유기상을 약 100 ℃의 출발 온도에서 단열 조건 하에 황산 76.9 중량%, 질산 5.8 중량% 및 물 17.3 중량%로 구성되는 니트로화 산 1173.1 g/h(1.08 몰/h)과 연속적으로 반응시켰다. 반응 혼합물을 산상 및 유기상으로 분리시켰다. 이어서 산상을 진공하에재농축시켰다. 응축 영역에서의 침착물 형성을 피하기 위하여, 제1 니트로화단계에서 얻은 MNT 7 g/h를 증발기의 과열된 배기 증기 내로 첨가하였다. 니트로화 반응에서 소모된 질산을 대신하기에 충분한 양의 68 % 질산을 첨가한 후, 재농축 폐산을 단열 니트로화 단계로 재순환시켰다. 배기 증기 응축물의 유기 구성성분도 또한 단열 니트로화 단계 내로 재순환시켰다. 디니트로톨루엔 이성질체 혼합물(99 %) 180 g/h를 단리하였다. 오르토-DNT 함량은 4.1 중량%이었다.
상기에서 본 발명을 예시하기 위하여 상세하게 설명하였지만, 상기한 세부 사항들은 단지 예시를 위한 것이고, 청구범위에 의해 한정될 수 있는 본 발명의 본질 및 영역을 벗어나지 않고서 당업계의 통상의 숙련인에 의해 변화될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
Claims (4)
- (A) (1) 톨루엔과(2) (a) (i) 황산 약 60내지 약 90 중량%,(ii) 질산 약 1 내지 약 20 중량% 및(iii) 물 5 중량% 이상을 포함하는 무기 물질 80 내지 100 중량% 및(b) (i) 니트로톨루엔 이성질체 약 70 중량% 및(ii) 니트로화 반응의 부산물 0 내지 약 30 중량%를 포함하는 유기 물질 0 내지 약 20 중량%로 이루어진 니트로화 산을, 질산 대 톨루엔의 몰비가 0.7:1 이상 1.2:1이하인 양으로 약 0 내지 약 100 ℃의 온도에서 연속적으로 작동하는 반응기 중에서 등온적으로 반응시키는 단계,(B) 단계 (A)의 반응 혼합물을 산상 및 유기상으로 분리시키는 단계,(C) 단계 (B)에서 분리된 유기상과(a) (i) 황산 약 60내지 약 90 중량%,(ii) 질산 약 1 내지 약 20 중량% 및(iii ) 물 5 중량% 이상을 포함하는 무기 물질 약 80 내지 약 100 중량% 및(b) (i) 니트로톨루엔 이성질체 약 70내지 100 중량% 및(ii) 니트로화 반응의 부산물 0내지 약 30 중량%를 포함하는 유기 물질 0 내지 약 20 중량%로 이루어진 니트로화 산을, 질산 대 모노니트로톨루엔의 몰비가 0.7:1 이상 1.2:1 이하가 되는 양으로 약 20 내지 약 200 ℃의 온도에서 단열 조건 하에 반응시키는 단계,(D) 단계 (C)의 반응 혼합물을 유기상 및 산상으로 분리시키는 단계,(E) 단계 (D)에서 분리된 산상으로부터 물 5중량%이상을 제거하는 단계,(F) 단계 (E)에서 얻은 산상에 50내지 100 %질산을 첨가하는 단계, 및(G) 단계 (F)의 산상을 재순환시키는 단계를 포함하는, 디니트로톨루엔 이성질체 혼합물의 2단계 연속 제조 방법.
- 제l항에 있어서, 상기 단계 (E)를 증류시켜 수행하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 (E)를 플래쉬 증발시켜 수행하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 단계 (E)를 열을 동시에 공급하면서 플래쉬 증발시켜 수행하는 방법.
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