Технологічне оформлення процесів нітрування

Фізико-хімічні властивості речовин, задіяних у різних стадіях реакції нітрування, визначають умови проведення технологічного процесу: його тривалість, агрегатний стан реагентів, їх співвідношення, температуру, тиск, необхідність і можливості застосування розчинників, каталізаторів і т.д. Синтез ВР найчастіше проводять у рідкому середовищі, що полегшує вибір і спрощує конструкцію апаратів. Технологічне оформлення процесу нітрування характеризують:

1) порядком зливу компонентів;

2) числом стадій нітрування;

3) характером обороту кислот;

4) циклічністю процесу.

Порядок зливу компонентів

Розрізняють:

а) злив кислотної суміші в сполуку, що нітрується (прямий злив);

б) злив сполуки, що нітрується у кислотну суміш (зворотний злив);

в) одночасний злив компонентів.

Перші два способи прийнятні тільки для періодичних процесів, третій – для безперервних. У разі прямого зливу компонентів у апарат відразу за одну операцію заливають усю призначену для нітрування кількість вуглеводню, а потім поступово додають кислотну суміш. Швидкість нітрування спочатку мала у зв'язку з малим об'ємом мінеральної фази, отже, низьким вмістом азотної кислоти в апараті. Це може призвести до побічної реакції між сполукою, що нітрується (якщо вона не містить нітрогрупи в ядрі), і нітрозилсірчаною кислотою, у результаті чого утвориться комплекс (C₆H₆)_X٠(NSO₅H)_У٠(H₂SO₄)_Z, здатний легко окиснюватися й осмолюватися, особливо за підвищеної температури. Під час прямого зливу процес потрібно здійснювати за умовами низьких температурах. Утворенню комплексу сприяє підвищення концентрації кислотної суміші, температури та вміст нітрозилсірчаної кислоти (не можна використовувати компоненти нітрувальної суміші, складеної з відпрацьованих кислот, тому що вони майже завжди містять нітрозилсірчану кислоту). Переваги прямого зливу полягають у можливості одержання мононітросполуки без домішки динітросполуки й максимальному використанні азотної кислоти для утворення нітросполуки. Під час синтезу полінітросполук мононітросполука є проміжним продуктом подальшого нітрування, тому немає необхідності одержувати його в чистому виді.

У ході зворотного зливу в апарат заливають усю кислотну суміш і потім до неї поступово додають вуглеводень, що нітрується (потрібен надлишок азотної кислоти протягом майже всього процесу нітрування). За таких умов комплекс не утвориться, тому що вуглеводень унаслідок контакту з кислотною сумішшю негайно ж перетворюється на менш реакційноздатну сполуку, що не осмолюється й не окиснюється (підвищення ступеня нітрування на початку зливу).

Значно стабільнішим є процес у разі одночасного зливу компонентів (застосовують під час безперервного процесу). Реагуючі компоненти в необхідному співвідношенні одночасно зливають в апарат, заповнений відпрацьованою кислотою (оскільки немає надлишку одного з компонентів, побічні реакції зводяться до мінімуму).

Число стадій процесу

Вплив замісників у бензольному кільці обумовлює зміну умов нітрування на різних стадіях процесу. У міру введення в сполуку нітрогруп доводиться використовувати більш концентровані кислотні суміші. Витрата кислот на одержання полінітросполук значною мірою залежить від числа стадій процесу. Процес отримання тринітросполук може бути здійснений:

а) за одну стадію;

б) дві стадії – через моно - або динітросполуки;

в) три стадії;

г) три стадії з поділом останньої ще на кілька етапів.

У випадку введення трьох нітрогруп за одну стадію відпрацьовану кислоту розбавляють реакційною водою (на три молекули HNO₃ виділяється три молекули H₂O), а тому що для введення третьої нітрогрупи в ядро кислотна суміш повинна мати максимальну концентрацію, то витрата кислот виходить найбільша. У великому об'ємі концентрованої відпрацьованої кислоти у розчиненому стані залишається значна кількість тринітросполук, що сильно знижує продуктивність установки й ускладнює виділення нітропродукту.

У ході нітрування за дві стадії через мононітросполуки введення першої нітрогрупи можна здійснювати слабкою кислотною сумішшю, а міцну кислотну суміш витрачають для введення інших двох нітрогруп. Цей спосіб вигідніший першого.

Під час нітрування за три стадії міцну кислотну суміш витрачають на введення тільки третьої нітрогрупи, менш міцну на введення другої нітрогрупи й слабку – на введення першої нітрогрупи. Витрата концентрованих кислот у цьому випадку ще менша, ніж у перших двох випадках.

У процесі нітрування з поділом третьої стадії на кілька етапів витрата міцних кислот знижується ще більше. Лише в міру зменшення кількості сполуки, що нітрується, на кінцевих етапах будуть потрібні більш концентровані кислотні суміші. Зі збільшенням числа стадій нітрування ускладнюється технологічна схема процесу. Однак унаслідок значного скорочення витрати кислот, такі процеси найбільш економічно доцільні.