Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich betriebenes Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol umfassend die Schritte: a) Nitrieren von Benzol unter adiabatischen Bedingungen mit Schwefelsäure und Salpetersäure unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure, stöchiometrischen Überschusses an Benzol; b) zunächst Abtrennen einer gasförmigen, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassenden Phase aus dem rohen Verfahrensprodukt der Nitrierung in einem eigens zu diesem Zweck vorgesehenen Gasabscheider, gefolgt von Trennung der dabei erhaltenen, an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phase in einem stromabwärts angeordneten Phasentrennapparat in eine Schwefelsäurephase und eine Nitrobenzolphase; c) Aufarbeiten der Nitrobenzolphase unter Gewinnung von Nitrobenzol.

Die Erfindung betrifft ferner eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Produktionsanlage.

Die Nitrierung von Benzol mit Salpetersäure in Gegenwart von Schwefelsäure zu Nitrobenzol und Wasser war bereits Gegenstand zahlreicher Veröffentlichungen und Patentanmeldungen. Dabei werden zwei grundsätzliche Verfahrenstypen unterschieden, die „isotherme“ und die „adiabatische“ Fahrweise:

Bei der isothermen Fahrweise wird die (beträchtliche) Reaktionswärme der Nitrierung durch indirekte Kühlung mittels eines Wärmeträgermediums weitest möglich abgeführt. Ein isothermes Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol, bei dem eine Reaktionsschlaufe zum Einsatz kommt, ist in US 3,092,671 Bl beschrieben. In diesem Verfahren werden - siehe FIG. 1 und die erläuternden Textpassagen - Benzol und ein Gemisch aus Schwefel- und Salpetersäure mittels einer Kreiselpumpe (1) durch einen Nitrierreaktor (4) gepumpt und zur Reaktion gebracht. Der Nitrierreaktor (4) ist als Wärmeaustauscher ausgebildet, in dem die Reaktionstemperatur durch Thermostatisierung zwischen 120 °F (48,9 °C) und 150 °C (65,6 °C) gehalten wird (vgl. die Beispiele und Patentanspruch 4). Das erhaltene Reaktionsprodukt (umfassend neben Nitrobenzol auch eine Säurephase) wird in einen drucklos (vgl. Abzugsrohr 19) betriebenen Ausgleichs behälter (11) geführt. Ein erster Teil des den Ausgleichsbehälter (11) verlassenden flüssigen Produktgemisches wird - ohne Abtrennung der Säurephase - über eine erste Austragsleitung (16) in die Reaktion zurückgeführt. Der Ausgleichsbehälter (11) stellt also in Verbindung mit dem Abzugsrohr (19) sicher, dass der Kreiselpumpe (1) auch bei Schwankungen im Produktionsablauf (zumindest für begrenzte Zeit) der gleiche Mengenstrom an zurückgeführtem Produktgemisch zugeführt wird und sich kein unzulässig hoher Druck aufbauen kann. Eine Gasabscheidung im eigentlichen Sinne findet in diesem Ausgleichsbehälter nicht statt, denn infolge der geringen Reaktionstemperatur ist gar nicht damit zu rechnen, dass sich überhaupt große Anteile einer Gasphase ausbilden; schließlich liegt der Siedepunkt von Benzol bei Normaldruck mit 80 °C deutlich oberhalb der angegebenen Maximaltemperatur von 65,6 °C. Die geschilderte Anordnung mit einem drucklos betriebenen Ausgleichsbehälter ist also der besonderen (Kreislauf-)Fahrweise geschuldet.

Ein zweiter Teil des den Ausgleichsbehälter (11) verlassenden flüssigen Produktgemisches wird durch eine zweite Austragsleitung (13), die einen mit einem Siphon-Unterbrecher (15) versehenen Siphon aufweist, geführt und über eine Überlaufleitung (14) in einen Phasentrennapparat (in FIG. 1 nicht gezeigt) geleitet, in welchem eine Phasentrennung in Rohnitrobenzol und Säurephase stattfindet. Der Siphon-Unterbrecher (15) soll augenscheinlich durch Verminderung von Saugeffekten ein unbeabsichtigtes vollständiges Entleeren des Inhalts des Ausgleichsbehälters (11) in den Phasentrennapparat vermeiden.

Bei der - heute gebräuchlicheren und auch in der vorliegenden Erfindung angewandten - adiabatischen Fahrweise unterbleibt eine Kühlung des Nitrierreaktors, sodass sich die Exothermie der Reaktion, sieht man von unvermeidbaren Wärmeverlusten einmal ab, quantitativ in der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur bei Eintritt in den Nitrierreaktor und der Temperatur des vollständig umgesetzten Produktgemisches widerspiegelt (sog. adiabatischer Temperatursprung). Damit dieser Temperaturanstieg nicht zu groß wird, wird in adiabatisch betriebenen Verfahren üblicherweise ein sehr großer Schwefelsäureüberschuss eingesetzt. Eine Kreislaufführung wie in US 3,092,671 Bl beschrieben ist bei einer solchen adiabatischen Fahrweise nicht möglich, ohne die wirtschaftlichen Vorteile dieses Verfahrens zumindest teilweise aufzugeben, da hier infolge des adiabatischen Temperatursprungs das Reaktionsprodukt eine Temperatur aufweist, die deutlich über der Temperatur der vermischten Reaktanden vor Einsetzen der Reaktion liegt. Die vergleichsweise hohe Temperatur des Reaktionsproduktes wird (nach dessen Trennung in eine Säurephase und eine Nitrobenzolphase) zur Entspannungsverdampfung von in der Säurephase enthaltenem Wasser benötigt. Ein Zurückführen eines Teils des Reaktionsproduktes vor der Phasentrennung, wie in US 3,092,671 Bl beschrieben, würde eine Kühlung des zurückgeführten Anteils erforderlich machen, was die Energiebilanz des Verfahrens und damit dessen Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen würde.

Die Reaktionsführung bei adiabatischer Betriebsweise erfolgt im Allgemeinen so, dass die Salpetersäure und Schwefelsäure zur sogenannten Nitriersäure (auch Mischsäure genannt) vereint werden. Benzol wird in diese Nitriersäure hinein dosiert. Auch im erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt diese Vorgehensweise angewandt. Die Reaktionsprodukte sind im Wesentlichen Wasser und Nitrobenzol. In der Nitrierreaktion wird Benzol bezogen auf die molare Salpetersäuremenge mindestens in stöchiometrischer Menge, aber bevorzugt in 2%igem bis 10%igem Überschuss eingesetzt, sodass das in der Nitrierung anfallende Verfahrensprodukt im Wesentlichen Salpetersäure-frei ist. Dieses Verfahrensprodukt wird einem Phasentrennapparat zugeführt, in dem sich zwei flüssige Phasen bilden, eine organische und eine wässrige. Die organische Phase wird als Roh-Nitrobenzol bezeichnet und besteht im Wesentlichen aus Nitrobenzol, Benzol und einer gewissen im Nitrobenzol gelösten Menge an Schwefelsäure und Wasser. Die wässrige Phase wird als Absäure bezeichnet und besteht im Wesentlichen aus Wasser, Schwefelsäure und in der Schwefelsäure gelöstem Nitrobenzol. Neben diesen flüssigen Bestandteilen sind in dem Verfahrensprodukt der Nitrierung noch gasförmige Komponenten enthalten, und zwar einerseits organische Komponenten wie verdampftes Benzol und niedrig siedende, nicht- aromatische Nebenkomponenten (üblicherweise als Leichtsieder bezeichnet) und andererseits anorganische Komponenten wie insbesondere nitrose Gase (NO _x ), entstanden durch Nebenreaktionen der eingesetzten Salpetersäure. Nach dem Stand der Technik trennen sich diese gasförmigen Komponenten im Phasentrennapparat von den beiden flüssigen Phasen und werden über einen separaten Auslass als Abgasstrom ausgetragen. Dieser Abgasstrom aus dem Phasentrennapparat kann mit den diversen Abgasströmen aus anderen Anlagenteilen zusammengeführt und aufgearbeitet werden, wobei wie in der Patentanmeldung EP 2 719 682 Al beschrieben, Benzol zurückgewonnen und die nitrosen Gase zu salpetriger Säure umgesetzt werden können. Auf diese Weise können das zurückgewonnene Benzol und die salpetrige Säure rezykliert und der Nitrierung wieder zur Verfügung gestellt werden.

Das in den Reaktionsapparaten gebildete und im Phasentrennapparat von der Säurephase abgetrennte Roh-Nitrobenzol wird gemäß dem Stand der Technik einer Wäsche und einer destillativen Aufarbeitung unterzogen. Charakteristisch für diese Aufarbeitung ist, dass nicht umgesetztes überschüssiges Benzol nach der Wäsche von Nitrobenzol in einer abschließenden Destillation als Rückbenzol abgetrennt wird. Dieses Rückbenzol, das - neben der im Phasentrennapparat ausgeschleusten Gasphase - auch einen Teil der niedrig siedenden, nicht aromatischen organischen Verbindungen (Leichtsieder) enthält, wird wieder in der Nitrierreaktion eingesetzt.

Die Patentanmeldung DE 10 2009 005324 Al befasst sich mit Problemen, die der hohe Leichtsiederanteil des Rückbenzols mit sich bringen kann und beschreibt in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung von Nitrobenzol durch adiabatische Nitrierung von Benzol, bei dem das bei der Reinigung des Nitrobenzols gewonnene Benzol/Leichtsieder-Gemisch zur Nitrierung rezykliert wird und die Abtrennung des Rohnitrobenzols von der Schwefelsäure nach der Reaktion unter Druck erfolgt.

Die Behandlung des Abgases aus der adiabatisch durchgeführten Nitrierreaktion im Hinblick auf nitrose Gase wird in EP 0 976 718 A2 beschrieben. Das Abgas aus dem Säurekreislauf und dem Rohnitrobenzol wird abgezogen, vereint und über einen NO _x -Absorber geschickt, um verdünnte Salpetersäure zurückzugewinnen, die in die Reaktion zurückgefahren wird. Die im Kreis geführte Schwefelsäure wird in einem Blitzverdampfer aufkonzentriert und weitestgehend von Organika befreit. Es verbleiben hochsiedende Organika wie z. B. Nitrobenzol, Dinitrobenzol und Nitrophenole in Spuren in der Kreislaufsäure und werden somit auch zur Reaktion zurückgefahren.

In der Patentanmeldung WO 2014/016292 Al wird beschrieben, wie der Nitrobenzolprozess besser angefahren werden kann, indem man den Gehalt an aliphatischen organischen Verbindungen im Einsatzbenzol während der Anfahrzeit niedrig (Massenanteil kleiner als 1,5 %) hält. Dies wird erreicht, indem während der Anfahrzeit das Verhältnis von Frischbenzol zu Rückbenzol in Abhängigkeit insbesondere der Reinheit des Rückbenzols so eingestellt wird, dass der geforderte Höchstgehalt an aliphatischen organischen Verbindungen im Einsatzbenzol nicht überschritten wird. Dabei kann der Anteil an Rückbenzol während der Anfahrzeit auch null betragen; dann wird dem Nitrierreaktor während der Anfahrzeit nur Frischbenzol ausreichender Reinheit zugeführt. In der Patentanmeldung WO 2014/016289 Al wird beschrieben, wie die kontinuierliche Nitrierung von Benzol zu Nitrobenzol im Regelbetrieb verbessert werden kann, indem der Gehalt an aliphatischen organischen Verbindungen im Einsatzbenzol auf einen Massenanteil von kleiner 1,5 % beschränkt wird. Dies wird in einer Ausführungsform über Ausschleusung von Leichtsiedern mit der Gasphase des Phasentrennapparats erreicht. Beide Patentanmeldungen beziehen sich insbesondere auf eine verbesserte Produktqualität und eine optimierte Wäsche des Rohnitrobenzols; der Einfluss von Leichtsiedern im Phasentrennapparat wird jedoch nicht aufgegriffen.

Der Phasentrennapparat (auch Dekanter genannt) hat nicht nur die wichtige Aufgabe, das Verfahrensprodukt der Nitrierung in eine wässrige saure Phase und eine organische Phase enthaltend Roh-Nitrobenzol aufzutrennen. Zusätzlich wird, wie bereits erwähnt, im Phasentrennapparat auch eine Benzol, Leichtsieder und nitrose Gase enthaltende Gasphase abgezogen. Es gilt also, im Phasentrennapparat eine genügend hohe Verweilzeit bereitzustellen, so dass sich diese physikalischen Vorgänge (Trennung des rohen Verfahrensproduktes der Nitrierung in zwei Flüssigphasen und eine Gasphase) durchführen lassen, ohne dass die Produktionskapazität der Anlage negativ beeinflusst wird. Durch das Vorliegen der Gasphase im Apparat muss der Trennapparat deutlich größer ausgelegt werden, als es bei einer reinen Flüssig-flüssig-Trennung der Fall wäre.

Die betriebliche Praxis hat gezeigt, dass es in der Phasentrennung des rohen Verfahrensprodukts der Nitrierung immer wieder einmal zu Problemen kommen kann. Diese äußern sich beispielweise in einer unzureichenden Phasentrennung (z. B. Mitriss von Organika in die Säurephase oder Bildung schwarzer Niederschläge). Diese Probleme treten dann noch in verstärktem Maße auf, wenn die rohen Verfahrensprodukte mehrerer parallel betriebener, insbesondere unabhängig voneinander regelbarer, Nitrierreaktoren, d. h. bei Durchführung der Reaktion in mehreren parallel betriebenen Reaktionsstraßen (auch als Reaktionsstränge bezeichnet), in einen gemeinsamen Phasentrennapparat geführt werden. Diese Vorgehens weise ist in der Praxis nicht unüblich. Eine mehrstraßige Reaktion in Verbindung mit einer einstraßigen Aufarbeitung hat sich oft als bester Kompromiss zwischen den Anforderungen der Minimierung der Investitionskosten auf der einen Seite und größtmöglicher Flexibilität in der Produktion auf der anderen Seite erwiesen.

Die Effizienz von Gas-flüssig- oder Flüssig-flüssig-Phasentrennapparaten kann nach dem Stand der Technik durch besondere Einbauten oder eine besondere Ausführung des Eintritts in den Apparat erhöht werden. Dies gilt auch für die Phasentrennungen im Nitrobenzolverfahren (Phasentrennung nach der Reaktion und Phasentrennungen im Rahmen der Wäschen). Einbauten wie Platteneinbauten, Gestricke, Lamellen und Füllkörper können die Strömung vergleichmäßigen und beruhigen und die Oberfläche vergrößern, sodass Phänomene wie Koaleszenz und die Abscheidung von Tropfen und Blasen schneller ablaufen. Der Eintritt in den Phasentrennapparat kann über Prall- oder Umlenkbleche erfolgen, die die Strömung beruhigen oder an die Apparatewand lenken, mit dem Ziel, die Verweilzeit im Apparat zu vergrößern und so die Trenneffizienz zu steigern. Gängige Varianten sind beispielsweise beschrieben in Gulf Equipment Guides, Gas-Liquid and Liquid- Liquid Separators, Kapitel 3.5 ( Vessel Internai ) auf den Seiten 84 bis 89, Jahrgang 2009, von Maurice Stewart und Ken Arnold sowie in Fundamentals of Natural Gas Processing, Kapitel 5, Seiten 105 bis 117, Jahrgang 2011, von Arthur J Kidnay, William R. Parrish und Daniel G. McCartney. Die in der genannten Literatur beschriebenen Varianten werden teilweise am Beispiel von Gas-flüssig-Phasentrennungen erläutert, sind jedoch was die grundlegenden Prinzipien angeht auch für Flüssig-flüssig- oder dreiphasige Gas-flüssig-flüssig-Trennungen einsetzbar. Nachteilig an den Verfahren des Standes der Technik ist, dass es durch die Strömungsberuhigung und Beschaffenheit der Einbauten zu Ablagerungen und Fouling kommen kann. Beispielsweise setzen sich Gestricke und Lamellen mit der Zeit zu, auf den Platten kommt es zu Ablagerungen. Bei Druckstößen oder zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es zu Beschädigungen der Einbauten kommen. Aufgrund der korrosiven Medien werden die Phasentrennapparate üblicherweise innen aus Email gefertigt. Durch die Einbauten können die Apparate beschädigt werden und die Wartung oder Instandhaltung der Apparate wird aufwändiger.

Es bestand daher ein Bedarf an weiterer Verbesserung der Herstellung von Nitrobenzol, insbesondere was die Effizienz der Trennung des Verfahrensprodukts der Nitrierung in zwei flüssige Phasen und eine gasförmige Phase angeht. Insbesondere wäre es wünschenswert, das Abführen des gasförmigen Anteils und die Trennung der beiden flüssigen Phasen voneinander möglichst optimal zu gestalten, sowohl was die Güte der Trennung als auch die verfahrenstechnische und apparative Ausgestaltung angeht. Diesem Bedarf trägt die vorliegende Erfindung sowohl in verfahrenstechnischer als auch in vorrichtungstechnischer Hinsicht Rechnung. Überraschend wurde gefunden, dass immer wieder einmal beobachtete Probleme in der Flüssig- flüssig-Phasentrennung in Zusammenhang mit dem gleichzeitig erfolgenden Abführen der Gasphase stehen. Je nach Anteil der gasförmigen Phase kann deren Vorhandensein zu deutlich höheren Geschwindigkeiten und Turbulenzen in den flüssigen Phasen im Phasentrennapparat führen, was die Trennung der beiden flüssigen Phasen erschwert. Bei schwankenden Anteilen oder Zunahme der Gasphase kann es daher zu einer unzureichenden Trennung der flüssigen Phasen kommen, so dass sogar größere Anteile von Organika in die wässrige saure Phase gelangen können. Folgende Schlussfolgerungen wurden gezogen: Das Vorliegen der Gasphase im Abscheider führt allgemein zu hohen Geschwindigkeiten (auch zu höheren Geschwindigkeiten der Flüssigphasen), da sich die Gasphase aufgrund niedrigerer Dichte im Vergleich zur Flüssigkeit mit deutlich höheren Geschwindigkeiten bewegt. Des Weiteren beeinträchtigt das Vorliegen der Gasphase und die daraus resultierende dreiphasige Gas-flüssig-flüssig-Trennung auch die Trenneffizienz der beiden flüssigen Phasen. Aufsteigende Gasblasen erschweren eine Entmischung der flüssigen Phasen, da an der Flüssig-flüssig-Phasengrenze ständig wieder eine Vermischung stattfindet und die Flüssigphase mit der höheren Dichte zusammen mit den Gasblasen in die Flüssigphase mit der geringeren Dichte mitgerissen werden kann.

Ein erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur kontinuierlichen

Herstellung von Nitrobenzol, bei dem a) ein Benzol-haltiger Strom (a.l) in einem Reaktor mit Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure (a.3), stöchiometrischen Überschusses an Benzol unter adiabatischen Bedingungen umgesetzt wird, wobei ein Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltendes Verfahrensprodukt (a.4; fortan auch als rohes Verfahrensprodukt der Nitrierung bezeichnet) erhalten wird; b) (i) das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt der Umsetzung aus Schritt a) zunächst in einen Gasabscheider geleitet wird, in welchem eine gasförmige, Benzol (das im Überschuss eingesetzt wird und teilweise verdampft) und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) aus diesem Verfahrensprodukt abgetrennt wird, wobei eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol (sowie den nicht verdampften Teil des nicht umgesetzten, da im Überschuss eingesetzten, Benzols) und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) verbleibt, welche anschließend

(ii) in einen Phasentrennapparat geleitet und dort einer Phasentrennung unterworfen wird, wobei dem Phasentrennapparat eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4) entnommen werden; c) die flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4) aus Schritt b) unter

Gewinnung von Nitrobenzol (c.l) aufgearbeitet wird.

Ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Produktionsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Nitrobenzol, wobei die Produktionsanlage die folgenden Vorrichtungen umfasst: a) Einen Reaktor zur adiabatischen Umsetzung eines Benzol-haltigen Stroms (a.l) mit Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure (a.3), stöchiometrischen Überschusses an Benzol; b) (i) stromabwärts zum Reaktor aus a) angeordnet, einen Gasabscheider zur Trennung des Verfahrensproduktes aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2);

(ii) stromabwärts zum Gasabscheider aus b)(i) angeordnet, einen Phasentrennapparat zur Trennung des Verfahrensproduktes aus b)(i) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4); c) eine Vorrichtung zur Aufarbeitung der flüssigen organischen, Nitrobenzol umfassenden Phase (b.4) aus b)(ii) zu Nitrobenzol (c.l), wobei diese Vorrichtung insbesondere die Folgenden Einrichtungen umfasst:

(i) Einrichtungen zur ein- oder mehrstufigen Wäsche der flüssigen organischen, Nitrobenzol umfassenden Phase (b.4) und Einrichtungen zur Abtrennung nicht umgesetzten Benzols;

(ii) Einrichtungen zur Rückführung des abgetrennten Benzols aus c)(i) in den Reaktor aus a) als Bestandteil des dort eingesetzten Benzol-haltigen Stroms (a.l); d) optional, Einrichtungen zur Aufkonzentrierung der flüssigen wässrigen, Schwefelsäure umfassenden Phase (b.3) aus b)(ii) durch Verdampfung von Wasser und Einrichtungen zur Rückführung der dabei erhaltenen flüssigen wässrigen, im Vergleich zur Phase (b.3) Schwefelsäure in höherer Konzentration umfassenden Phase (d.l) in den Reaktor aus a) als Bestandteil der dort eingesetzten Schwefelsäure (a.2). In der Terminologie der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „gasförmige Nebenkomponenten“ mindestens die weiter oben bereits erwähnten Leichtsieder, wobei unter Leichtsiedern alle nicht-aromatischen, organischen Nebenkomponenten des Verfahrensprodukts der Nitrierung (= Schritt a)) verstanden werden, deren Siedepunkte bei Normaldruck (1013 mbar) unterhalb dem von Nitrobenzol hegen. Typische Leichtsieder sind n-Heptan, Dimethylcyclopentan, 3-Ethylpentan, Cyclohexan, die isomeren Dimethylpentane, n-Hexan, Cy clopentan, n-Pentan, Trimethylcyclopentan, Methylcyclohexan, Ethylcyclopentan und Octan. Daneben können auch anorganische Nebenkomponenten enthalten sein wie insbesondere die bereits erwähnten nitrosen Gase.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die in Schritt b)(i) erhaltene an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) der Phasentrennung aus Schritt b)(ii) zugeführt, und zwar ohne Rückführung eines Teils dieser flüssigen Phase (b.2) in die Umsetzung aus Schritt a). Eine Reaktionsschlaufe, wie im Stand der Technik für isotherme Verfahren beschrieben, ist nicht Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Gleiche gilt selbstredend für die erfindungsgemäße Produktionsanlage; diese verfügt nicht über Einrichtungen zur Rückführung der im Gasabscheider [b)(i)J erhaltenen, an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phase (b.2) in den Reaktor [a)].

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

FIG. 1 einen vertikal angeordneten Gasabscheider, bei dem die Zufuhr des

Verfahrensproduktes (a.4) seitlich, die Abfuhr der Gasphase (b.l) oben und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten erfolgt;

FIG. 2 einen vertikal angeordneten Gasabscheider, bei dem die Zufuhr des

Verfahrensproduktes (a.4) unten, die Abfuhr der Gasphase (b.l) oben und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) seitlich erfolgt;

FIG. 3 einen vertikal angeordneten Gasabscheider, bei dem die Zufuhr des

Verfahrensproduktes (a.4) oben, die Abfuhr der Gasphase (b.l) seitlich und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten erfolgt;

FIG. 4 eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage;

FIG. 5 eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Produktionsanlage mit zwei parallel betriebenen Reaktoren; FIG. 6 das für die Computational Fluid Dynamics (CFD)-Berechnungen der Beispiele angewandte Gitter;

FIG. 7 die Volumenanteile der drei Phasen (oben: wässrige Phase, Mitte: organische Phase, unten:

Gasphase) in der CFD-Simulation von Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel; ohne Entgasung vor Eintritt in den Phasentrennapparat);

FIG. 8 die Volumenanteile der drei Phasen (oben: wässrige Phase, Mitte: organische Phase, unten:

Gasphase) in der CFD-Simulation von Beispiel 2 (erfindungsgemäßes Beispiel; mit Entgasung vor Eintritt in den Phasentrennapparat).

Es folgt zunächst eine Kurzzusammenfassung verschiedener möglicher Ausführungsformen.

In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird in einem Schritt d) die in Schritt b)(ii) erhaltene flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) durch Verdampfung von Wasser zu einer flüssigen wässrigen, im Vergleich zur Phase (b.3) Schwefelsäure in höherer Konzentration umfassende Phase (d.l) aufkonzentriert, welche in Schritt a) zurückgeführt und als Bestandteil der dort eingesetzten Schwefelsäure (a.2) verwendet wird.

In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, umfasst die Aufarbeitung der flüssigen organischen, Nitrobenzol umfassenden Phase (b.4) in Schritt c) die Schritte:

(i) (ein- oder mehrstufiges) Waschen der flüssigen organischen, Nitrobenzol umfassenden Phase (b.4) und Abtrennen nicht umgesetzten Benzols (c.2),

(ii) Verwenden von abgetrenntem Benzol (c.2) als Bestandteil des in Schritt a) eingesetzten Benzols.

In einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird der auf Salpetersäue bezogene stöchiometrische Überschuss von Benzol in Schritt a) auf einen Wert im Bereich von 2,0 % bis 40 % der Theorie, bevorzugt 3,0 % bis 30 %, besonders bevorzugt 4,0 % bis 25 % der Theorie, eingestellt.

In einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird die Temperatur im Reaktor aus Schritt a) im Bereich von 98 °C bis 140 °C gehalten. In einer fünften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird Schritt a) in mehreren, bevorzugt in 2 bis 5, besonders bevorzugt in 2 bis 3, parallel betriebenen Reaktoren durchgeführt, wobei

(a) die in diesen Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4) vor der Durchführung von Schritt b)(i) zusammengeführt werden; oder

(ß) die in diesen Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4) in Schritt b)(i) jeweils in einen eigenen Gasabscheider geleitet werden und die dort erhaltenen, an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phasen (b.2)

(ß)(l) im Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) oder

(ß)(2) vor der Durchführung von Schritt b)(ii) zusammengeführt werden; oder

(g) die in diesen Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4) in Schritt b)(i) ohne vorherige Zusammenführung in einen gemeinsamen Gasabscheider geleitet werden.

In einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird als Gasabscheider ein Schwerkraftabscheider oder ein Fliehkraftabscheider verwendet.

In einer siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der sechsten Ausführungsform ist, wird als Gasabscheider ein Schwerkraftabscheider eingesetzt.

In einer achten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der siebten Ausführungsform ist, wird als Schwerkraftabscheider ein horizontal oder vertikal angeordneter Schwerkraftabscheider eingesetzt, welchem das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) seitlich oder von unten zugeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) dem Schwerkraftabscheider als Kopfstrom und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) dem Schwerkraftabscheider als Sumpfstrom unten oder seitlich entnommen werden oder von oben zugeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) dem Schwerkraftabscheider seitlich und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) dem Schwerkraftabscheider unten entnommen werden.

In einer neunten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der sechsten Ausführungsform ist, wird als Gasabscheider ein Fliehkraftabscheider eingesetzt.

In einer zehnten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die eine besondere Ausgestaltung der neunten Ausführungsform ist, wird als Fliehkraftabscheider ein vertikal angeordneter, zylindrischer, konischer oder zylindrisch-konischer Zyklon eingesetzt, durch den das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) unter Drallerzeugung hindurchgeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) nach oben und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) nach unten abgeführt wird.

In einer elften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, wird in Schritt a) als Reaktor ein Rohrreaktor eingesetzt, der bevorzugt vertikal angeordnet ist und mehrere (bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 4 bis 12 unter Ausschluss der für die initiale Vermischung von Benzol mit Salpeter- und Schwefelsäure eingesetzten Mischeinrichtung) Dispergierelemente aufweist, wobei der Rohrreaktor besonders bevorzugt von unten nach oben durchströmt wird (d. h. die Ausgangsmaterialien Benzolhaltiger Strom (a.l), Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) werden dem vertikal angeordneten Rohrreaktor unten zugeführt, und das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) wird dem Rohrreaktor oben entnommen). Umfasst das Verfahren den Einsatz mehrerer Reaktoren wie in der fünften Ausführungsform, so gilt dies bevorzugt für sämtliche Reaktoren.

In einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage weist diese Folgendes auf: a) Mehrere, bevorzugt zwei bis fünf, besonders bevorzugt zwei bis drei, parallel betriebene (und insbesondere unabhängig voneinander regelbare) Reaktoren zur adiabatischen Umsetzung eines Benzol-haltigen Stroms (a.l) mit Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure (a.3), stöchiometrischen Überschusses an Benzol und in einer Variante (a), b) (i-0) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, Einrichtungen zum Zusammenführen der in diesen Reaktoren erhaltenen Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte zu einem Mischstrom und zum Einleiten des Mischstromes in

(i) einen stromabwärts zu den Einrichtungen zum Zusammenführen und Einleiten aus b)(i-0) angeordneten Gasabscheider zur Trennung des Mischstromes aus b)(i-0) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2), und

(ii) einen stromabwärts zum Gasabscheider aus b)(i) angeordneten Phasentrennapparat zur Trennung der an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phase (b.2) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4); oder, in einer Variante (ß), b) (i) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, mehrere parallel betriebene Gasabscheider zur Trennung des Verfahrensproduktes jeweils eines Reaktors aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2), und

(ii) einen stromabwärts zu den Gasabscheidern aus b)(i) angeordneten Phasentrennapparat zur Trennung des flüssigen Verfahrensproduktes aus b)(i) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4), wobei optional zwischen den mehreren parallel betriebenen Gasabscheidern aus b)(i) und dem Phasentrennapparat aus b)(ii) Einrichtungen zum Zusammenführen der in den Gasabscheidern erhaltenen, an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phasen (b.2) angeordnet sind; oder, in einer Variante (g), b) (i) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, einen (allen Reaktoren gemeinsamen) Gasabscheider zur Trennung der Verfahrensprodukte der Reaktoren aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2), und

(ii) einen stromabwärts zum Gasabscheider aus b)(i) angeordneten Phasentrennapparat zur Trennung der an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssige Phase (b.2) aus b)(i) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4).

In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage, die mit allen anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist der Reaktor aus a) ein Rohrreaktor der bevorzugt vertikal angeordnet ist und mehrere (bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 4 bis 12 unter Ausschluss der für die initiale Vermischung von Benzol mit Salpeter- und Schwefelsäure eingesetzten Mischeinrichtung) Dispergierelemente aufweist, wobei der Rohrreaktor besonders bevorzugt von unten nach oben durchströmt wird (d. h. die Ausgangsmaterialien Benzolhaltiger Strom (a.l), Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) werden dem vertikal angeordneten Rohrreaktor unten zugeführt, und das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) wird dem Rohrreaktor oben entnommen). Umfasst die Produktionsanlage mehrere Reaktoren wie in der ersten Ausführungsform, so gilt dies bevorzugt für sämtliche Reaktoren.

Die zuvor kurz geschilderten Ausführungsformen und weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Dabei können die zuvor genannten Ausführungsformen und weiteren möglichen Ausgestaltungen beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt.

Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Nitrierung des Benzol-haltigen Stroms (a.l) in einem Reaktor mit Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure (a.3), stöchiometrischen Überschusses an Benzol, kann grundsätzlich nach allen aus dem Stand der Technik bekannten adiabatisch betriebenen Nitrierverfahren durchgeführt werden.

Bevorzugt ist es, zuerst die Salpetersäure (a.3) und anschließend den Benzol-haltigen Strom (a.l) in die Schwefelsäure (a.2) einzudosieren. Die Vor Vermischung von Salpetersäure (a.3) und Schwefelsäure (a.2) ergibt die sog. Mischsäure, in welche dann in dieser Ausführungsform der Benzol-haltige Strom (a.l) eindosiert wird. Dabei enthält die eingesetzte Mischsäure, bezogen auf die Gesamtmasse der Mischsäure, vorzugsweise mindestens 2,0 Massen- % Salpetersäure und mindestens 66,0 Massen-% Schwefelsäure, besonders bevorzugt 2,0 Massen-% bis 4,0 Massen-% Salpetersäure und 66,0 Massen-% bis 75,0 Massen-% Schwefelsäure.

Der auf Salpetersäure (a.3) bezogene stöchiometrische Überschuss von Benzol wird bevorzugt auf einen Wert im Bereich von 2,0 % bis 40 %, besonders bevorzugt im Bereich von 3,0 % bis 30 %, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 4,0 % bis 25 % der Theorie eingestellt. Theoretisch reagiert 1 Mol HNO3 mit 1 Mol Benzol. Ein Benzolüberschuss von x % gegenüber HNO3

1 +— entspricht daher einem molaren Verhältnis «(Benzol )/re(HNO ) (re = Stoffmenge) von— j ¹²² , also beispielsweise 1,02 bei 2%igem Benzolüberschuss oder beispielsweise 1,40 bei

40%igem Benzolüberschuss.

Es ist bevorzugt, überschüssiges Benzol zurückzugewinnen und teilweise oder vollständig als Bestandteil des Benzol-haltigen Stroms (a.l) zu verwenden. Die Wiedergewinnung des überschüssigen Benzols (c.2) erfolgt dabei vor oder nach, insbesondere nach, einer ein- oder mehrstufigen Wäsche des Roh-Nitrobenzols; für weitere Details sei auf die Diskussion von Schritt e) weiter unten verwiesen. Der Benzol-haltige Strom (a.l) ist also vorzugsweise eine Mischung aus der Reaktion frisch zugeführtem Benzol (sog. Frischbenzol) und rezykliertem Benzol (sog. Rückbenzol). In jedem Fall werden die Reaktionsbedingungen insbesondere so gewählt, dass der Massenanteil an Benzol im Benzol-haltigen Strom (a.l), bezogen auf die Gesamtmasse des Benzol-haltigen Stroms (a.l), mindestens 90,0 %, bevorzugt mindestens 95,0 %, besonders bevorzugt mindestens 98,5 %, beträgt.

Erfindungsgemäß wird Schritt a) unter adiabatischen Bedingungen durchgeführt. Bei adiabatischer Reaktionsführung wird der in Schritt a) eingesetzte Reaktor weder beheizt noch gekühlt; die Reaktionstemperatur resultiert aus der Temperatur der eingesetzten Reaktanden und deren Mischungsverhältnis zueinander. Vorzugsweise ist der Reaktor gut isoliert, um Wärmeverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Im Falle einer adiabatischen Durchführung der Nitrierung steigt die Reaktionstemperatur des im Reaktor reagierenden Gemisches daher von der„Starttemperatur“ unmittelbar nach der ersten Vermischung der Reaktanden bis zur „Endtemperatur“ nach maximalem Umsatz an und wird dabei bevorzugt stets auf Werte im Bereich von 98 °C bis 140 °C gehalten. Die Starttemperatur ergibt sich aus den Temperaturen der Einsatzstoffe Benzol, Schwefel- und Salpetersäure, den Konzentrationen der eingesetzten Säuren, deren Mengenverhältnis zueinander und dem volumetrischen Verhältnis von organischer Phase (Benzol) zu wässriger Phase (Schwefel- und Salpetersäure), dem sogenannten Phasenverhältnis. Das Phasenverhältnis ist auch maßgeblich für die Endtemperatur: Je kleiner das Phasenverhältnis ist (je mehr Schwefelsäure also vorhanden ist), desto geringer ist die Endtemperatur. Bei der bevorzugten Verwendung eines Rohrreaktors (siehe unten) steigt die Temperatur infolge zunehmenden Umsatzes entlang der Längsachse des Reaktors an. Am Eintritt in den Reaktor liegt die Temperatur im unteren Bereich der genannten Temperaturspanne von 98 °C bis 140 °C, am Austritt des Reaktors liegt die Temperatur im oberen Bereich der genannten Temperaturspanne.

Bevorzugt wird Schritt a) in einer Verfahrensführung ausgeführt, wie sie in DE 10 2008 048 713 Al, insbesondere Absatz [0024], beschrieben ist.

Als Reaktoren für Schritt a) eignen sich grundsätzlich alle im Stand der Technik für adiabatische Nitrierungen bekannte Reaktoren wie Rührkessel (insbesondere Rührkesselkaskaden) und Rohrreaktoren. Rohrreaktoren sind bevorzugt. Besonders bevorzugt ist dabei ein Rohrreaktor, in dem mehrere Dispergierelemente über die Länge des Rohrreaktors verteilt angeordnet sind, wodurch eine intensive Durchmischung von Benzol, Salpetersäure und Schwefelsäure gewährleistet ist. Besonders bevorzugt wird ein vertikal angeordneter Rohrreaktor eingesetzt, in dem mehrere (bevorzugt 2 bis 15, besonders bevorzugt 4 bis 12 unter Ausschluss der für die initiale Vermischung von Benzol mit Salpeter- und Schwefelsäure eingesetzten Mischeinrichtung) Dispergierelemente über die Länge des Rohrreaktors verteilt angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt wird ein solcher Rohrreaktor von unten nach oben durchströmt. Ein solcher Reaktor, sowie die Form einsetzbarer Dispergierelemente, ist beispielsweise in EP 1 291 078 A2 (siehe dort F1G 1) beschrieben.

In Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure (sowie Nebenkomponenten, die als Gasphase oder gelöst vorliegen können) enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) des Schrittes a) zunächst (i) an gasförmigen Bestandteilen abgereichert und anschließend ( ii ) einer Phasentrennung in einem Phasentrennapparat unterzogen.

Schritt b)(i). die Gas-flüssig-Phasentrennung, erfolgt dabei in einem Gasabscheider. Als Gasabscheider können grundsätzlich alle dem Fachmann bekannten Abscheider eingesetzt werden, welche eine Gas-Flüssig-Trennung ermöglichen. Apparative Möglichkeiten zur Trennung von gasförmigen und flüssigen Strömen sind dem Fachmann allgemein bekannt. Details zu den verschiedenen Verfahren und zum Equipment zur Trennung von gasförmigen und flüssigen Strömen finden sich in der Fachliteratur wie zum Beispiel in Oilfield Processing, Crude Oil, Vol. 2, Kapitel 6, Seite 79 bis 112, Jahrgang 1995, von Manning, Francis S. und Thompson, Richard E. oder in Gulf Equipment Guides, Gas-Liquid and Liquid-Liquid Separators, Kapitel 3.3 bis 3.5 auf den Seiten 72 bis 103, Jahrgang 2009, von Maurice Stewart und Ken Arnold. Die in der genannten Literatur beschriebenen Varianten werden teilweise am Beispiel von dreiphasigen Gas-flüssig- flüssig-Trennungen erläutert, sind jedoch was die grundlegenden Prinzipien angeht auch für Gas- flüssig-Phasentrennungen einsetzbar. Erfindungswesentlich ist die Trennung der Schritte

(i) Abtrennung ( zumindest des größten Teils ) der Gasphase von den beiden flüssigen Phasen und

(ii) Trennung der beiden flüssigen Phasen voneinander. Daher erfolgen diese Schritte erfindungsgemäß in zwei Apparaten, dem Gasabscheider und dem Phasentrennapparat. Hinsichtlich der apparativen Ausgestaltung können jedoch durchaus Gemeinsamkeiten zwischen dem Gasabscheider und dem Phasentrennapparat bestehen.

Vorzugsweise werden Schwerkraftabscheider oder Fliehkraftabscheider als Gasabscheider eingesetzt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Gasabscheider ein horizontal oder vertikal angeordneter Schwerkraftabscheider, welchem das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) der Umsetzung aus Schritt a) seitlich oder von unten zugeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) dem Schwerkraftabscheider als Kopfstrom und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) dem Schwerkraftabscheider als Sumpfstrom unten oder seitlich entnommen werden oder von oben zugeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) dem Schwerkraftabscheider seitlich und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) dem Schwerkraftabscheider unten entnommen werden.

Der Ausdruck„horizontal oder vertikal angeordnet“ bezieht sich dabei auf die Längsachse des im Wesentlichen zylindrischen Apparats. FIG. 1 bis FIG. 3 zeigen vertikal angeordnete Schwerkraftabscheider, die in Schritt b)(i) eingesetzt werden können:

Im Gasabscheider gemäß FIG. 1 erfolgt die Zufuhr des Verfahrensproduktes (a.4) seitlich, die Abfuhr der Gasphase (b.l) oben und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten.

Im Gasabscheider gemäß FIG. 2 erfolgt die Zufuhr des Verfahrensproduktes (a.4) unten, die Abfuhr der Gasphase (b.l) oben und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) seitlich.

Im Gasabscheider gemäß FIG. 3 erfolgt die Zufuhr des Verfahrensproduktes (a.4) oben, die Abfuhr der Gasphase (b.l) seitlich und die Abfuhr der Flüssigphase (b.2) unten.

Bevorzugt ist eine Ausgestaltung gemäß FIG. 1.

Es kann aber auch ein Fliehkraftabscheider eingesetzt werden. Bevorzugt ist dabei ein vertikal angeordneter, zylindrischer, konischer oder zylindrisch-konischer Zyklon, durch den das Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukt (a.4) unter Drallerzeugung hindurchgeführt wird, wobei die gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase 5 (b.l) nach oben und die an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2) nach unten abgeführt wird. Der Begriff„vertikal angeordnet“ bezieht sich dabei wiederum auf die Längsachse des Apparats. Der Drall kann entweder durch einen tangential angeordneten Eintritts stutzen oder ein Umlenkblech erzeugt werden (siehe Abb. 3.20 in Gulf Equipment Guides: Gas-liquid and liquid-liquid Separators, Stewart & Arnold, 2009, Gulf Professional Publishing).

Die Flüssig-flüssig-Phasentrennung in Schritt b)(ii) erfolgt nach aus dem Stand der Technik an sich bekannten Verfahren in einem dem Fachmann bekannten Phasentrennapparat. Die wässrige Phase (b.3) enthält im Wesentlichen (infolge der Bildung von Reaktionswasser und durch das Einschleppen von Wasser in die Reaktion aus der eingesetzten Salpetersäure) verdünnte Schwefelsäure neben anorganischen Verunreinigungen, die organische Phase (b.3) enthält im Wesentlichen Nitrobenzol neben überschüssigem Benzol und organischen Verunreinigungen. Der Phasentrennapparat ist vorzugsweise mit einem Gasauslass versehen, über den gegebenenfalls vorhandene restliche Anteile an gasförmigen Bestandteilen abgeführt werden können. Der Gasauslas des Gasabscheiders aus Schritt b)(i) und der Gasauslass des Phasentrennapparats aus Schritt b)(ii) münden vorzugsweise in eine gemeinsame Abgasaufarbeitungsvorrichtung. Der Gasabscheider ist vorzugsweise nicht temperiert, wodurch sich die Temperaturen im Gasabscheider aus der Temperatur des zulaufenden Reaktionsgemisches ergeben (siehe Schritt a)). Der Gasabscheider wird vorzugsweise bei gegenüber Umgebungsdruck leicht erhöhtem Druck („Überdruck“) betrieben, wobei der Druck im Gasraum des Gasabscheiders 50 mbar bis 100 mbar, z. B. 80 mbar, über Umgebungsdruck liegt. Auch der Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) wird vorzugsweise nicht temperiert und wird bevorzugt bei leichtem Überdruck betrieben, wobei insbesondere die gleichen Werte eingehalten werden wie bei dem Gasabscheider (d. h. 50 mbar bis 100 mbar, z. B. 80 mbar, über Umgebungsdruck, gemessen im Gasraum).

Unabhängig von der genauen Fahrweise und der genauen Ausgestaltung des Reaktors in Schritt a) und der Gasabscheidung sowie Phasentrennung in Schritt b) ist es bevorzugt, die in Schritt b) erhaltene flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) durch Verdampfung von Wasser zu einer flüssigen wässrigen, im Vergleich zur Phase (b.3) Schwefelsäure in höherer Konzentration umfassende Phase (d.l) aufzukonzentrieren, in Schritt a) zurückzuführen und teilweise oder vollständig als Bestandteil der dort eingesetzten Schwefelsäure (a.2) zu verwenden. In diesem Fall enthält also die in Schritt a) eingesetzte Schwefelsäure (a.2) rezyklierte Schwefelsäure (d.l) und kann in bestimmten Ausführungsformen sogar aus dieser bestehen. Diese bevorzugte Verfahrensführung wird in der Terminologie der vorliegenden Erfindung als Schritt d) bezeichnet und weiter unten noch genauer erläutert.

In Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die in Schritt b)(ii) erhaltene Flüssigphase (b.4) (das Roh-Nitrobenzol) unter Gewinnung von Nitrobenzol (c.l) auf gearbeitet. Diese Aufarbeitung kann grundsätzlich erfolgen wie aus dem Stand der Technik bekannt. Eine bevorzugte Verfahrensweise wird nachstehend geschildert:

Zunächst wird die organische Phase (b.4) ein- oder mehrstufig gewaschen (Schritt c )(i ) ). In einem ersten Teilschritt dieser Wäsche wird die organische Phase (b.4), die üblicherweise noch Spuren an Säure enthält, ein- oder mehrstufig mit einer wässrigen Waschflüssigkeit gewaschen und dann von der erhaltenen sauren wässrigen Phase durch Phasentrennung getrennt; bei mehreren Waschstufen nach jeder einzelnen Waschstufe. Bei diesem Vorgang werden die im rohen Nitrobenzol (b.4) enthaltenen Säurereste ausgewaschen; daher wird dieser Verfahrensschritt auch als saure Wäsche bezeichnet. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und wird daher hier nur kurz umrissen. Bevorzugt werden zur Durchführung dieser sauren Wäsche im Betrieb anfallende wässrige Ströme rezykliert.

Die so erhaltene organische Phase wird anschließend in einem zweiten Teilschritt in einer alkalischen Wäsche mit einer wässrigen Lösung einer Base, bevorzugt ausgewählt aus Natriumhydroxid, Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat, ein- oder mehrstufig gewaschen und anschließend von dem alkalischen Waschwasser durch Phasentrennung getrennt; bei mehreren Waschstufen nach jeder einzelnen Waschstufe. Besonders bevorzugt wird als wässrige Baselösung Natronlauge eingesetzt. Dieser Schritt ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt und wird daher hier nur kurz umrissen. Der pH-Wert der eingesetzten Natronlauge und ihr Massenverhältnis zur organischen Phase werden so eingestellt, dass saure Verunreinigungen (z. B. als Nebenprodukte gebildete Nitrophenole und im ersten Teilschritt nicht vollständig entfernte Säurereste) in der alkalischen Wäsche neutralisiert werden. Die anschließende Aufarbeitung des alkalischen Abwassers kann nach den Verfahren des Standes der Technik, z. B. gemäß der Lehre von EP 1 593 654 Al und EP 1 132 347 A2, erfolgen.

Die so erhaltene organische Phase wird schließlich in einem dritten Teilschritt in einer neutralen Wäsche ein- oder mehrstufig mit Wasser gewaschen und anschließend von der wässrigen Phase durch Phasentrennung getrennt; bei mehreren Waschstufen nach jeder einzelnen Waschstufe. Dies kann grundsätzlich nach allen im Stand der Technik üblichen Verfahren geschehen. Als Waschwasser wird dabei bevorzugt vollentsalztes Wasser (VE-Wasser), besonders bevorzugt eine Mischung aus VE-Wasser und Dampfkondensat (d. i. ein Kondensat von Wasserdampf, welcher durch Wärmeaustausch von Wasser mit beliebigen exothermen Verfahrensschritten erhalten wurde) und ganz besonders bevorzugt Dampfkondensat eingesetzt. Bevorzugt ist eine Verfahrensweise, bei der in der letzten neutralen Stufe der neutralen Wäsche eine Elektrophorese eingesetzt wird (siehe WO 2012/013678 A2).

Das auf diese Weise gewaschene Nitrobenzol wird schließlich von gelöstem Wasser, nicht umgesetztem Benzol und ggf. organischen Verunreinigungen durch weitere Aufarbeitung befreit (Schritt c)(ii)). Diese Aufarbeitung erfolgt bevorzugt durch Destillation, wobei über Kopf die Brüden Wasser und Benzol und ggf. organische Verunreinigungen ausgetrieben werden. Die Brüden werden gekühlt und in einen Trennbehälter gefahren. In der unteren Phase setzt sich Wasser ab, das abgetrennt wird. In der oberen Phase befinden sich Benzol und Leichtsieder, die als Rückbenzol wieder der Reaktion zugeführt werden. Erforderlichenfalls kann ein Teil dieser oberen Phase ausgeschleust (also nicht zurückgeführt) werden, um eine zu starke Anreicherung von Leichtsiedern zu vermeiden. Es ist auch möglich, Leichtsieder von dieser oberen Phase abzutrennen und ein an Leichtsiedern abgereichertes Rückbenzol der Reaktion zuzuführen. Bevorzugt wird als Destillationsapparat eine Rektifizierkolonne eingesetzt. Das Sumpfprodukt der Destillation wird, ggf. nach einer weiteren Destillation, in welcher Nitrobenzol als Destillat (also als Kopf- oder Seitenstromprodukt) erhalten wird, als (Rein-)Nitrobenzol (c.l) weiteren Anwendungen (wie insbesondere der Hydrierung zu Anilin) zugeführt.

Alternativ zu hier vorgestellten Vorgehensweise ist es auch denkbar, überschüssiges Benzol vor der Wäsche abzutrennen.

Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, in einem Schritt d) die in Schritt b)(ii) erhaltene flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) durch Verdampfung von Wasser zu einer flüssigen wässrigen, im Vergleich zur Phase (b.3) Schwefelsäure in höherer Konzentration umfassende Phase (d.l) aufzukonzentrieren, teilweise oder vollständig in Schritt a) zurückzuführen und als Bestandteil der dort eingesetzten Schwefelsäure (a.2) zu verwenden. Dies Aufkonzentrierung der wässrigen Phase (b.3) kann grundsätzlich wie aus dem Stand der Technik bekannt erfolgen. Bevorzugt ist eine Ausführungsform, in welcher die Schwefelsäure in der wässrigen Phase (b.3) in einem Entspannungsverdampfer (auch als Blitzverdampfer bezeichnet) aufkonzentriert wird, indem Wasser in einen Bereich reduzierten Druckes hinein verdampft wird. Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen adiabatischen Fahrweise ist es bei richtiger Wahl der Reaktionsbedingungen möglich, in Schritt a) mit der Reaktionswärme der exothermen Reaktion eine so starke Erhitzung der Schwefelsäure enthaltenden wässrigen Phase (b.3) zu erzielen, dass im Entspannungsverdampfer gleichzeitig wieder die Konzentration und Temperatur der Schwefelsäure enthaltenden wässrigen Phase eingestellt werden kann, die diese vor der Reaktion mit Benzol und Salpetersäure bei Eintritt in den Reaktorraum hatte, d. h., (d.l) entspricht hinsichtlich Temperatur und Konzentration (a.2). Dies ist beschrieben in EP 2 354 117 Al, insbesondere Absatz [0045].

Es ist möglich, die Nitrierung in Schritt a) in mehreren parallel betriebenen (und insbesondere unabhängig voneinander regelbaren) Reaktoren (also in mehreren sog. Reaktionsstraßen oder Reaktionssträngen ) durchzuführen. In diesem Fall können (a) die in diesen Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4) vor der Durchführung von Schritt b)(i) zusammengeführt werden, oder

(ß) die in diesen Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4) in Schritt b)(i) jeweils in einen eigenen Gasabscheider geleitet werden und die dort erhaltenen, an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phasen (b.2) entweder

(ß)(l) im Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) oder

(ß)(2) vor der Durchführung von Schritt b)(ii) zusammengeführt werden, oder

(g) die in diesen Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte (a.4) in Schritt b)(i) ohne vorherige Zusammenführung in einen gemeinsamen Gasabscheider geleitet werden.

Bevorzugt werden in dieser Ausführungsform zwei bis fünf Reaktoren, besonders bevorzugt zwei bis drei Reaktoren parallel betrieben.

Bevorzugt sind die Varianten (a), (ß)(2) und (g). Die in diesen Varianten erfolgende Homogenisierung der nitrierten Reaktionslösungen aus den einzelnen Reaktionsstraßen vor der Flüssig-flüssig-Phasentrennung in Schritt b)(ii) führt zu einer Verringerung oder Vermeidung von Turbulenzen bei Eintritt in den Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii). Unerwünschte Strömungen im Phasentrennapparat wie Quer- und Rückströmungen sowie Wirbelausbildung, die sich aufgrund unterschiedlicher Anteile der drei Phasen (wässrig, organisch, Gas) in den eintretenden Reaktionslösungen ausbilden, können verringert oder beseitigt werden. Besonders bevorzugt sind die Varianten (a), (ß)(2), da sich in diese Vorteile in diesen Varianten auch im Gasabscheider aus (b)(i) realisieren lassen. Eine Zusammenführung der nitrierten Reaktionslösungen aus den einzelnen Reaktionsstraßen vor Schritt b)(i) ist apparativ am einfachsten; daher ist die Variante (a) ganz besonders bevorzugt. In den Varianten (a), (ß)(2) und (g) wird dem Phasentrennapparat aus Schritt b)(ii) ein aus allen parallel betriebenen Reaktoren stammender Mischstrom der an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssige Phase (b.2) zugeführt. Dieser Mischstrom kann dem Phasentrennapparat über einen (einzigen) Einlaufstutzen zugeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, diesen Mischstrom (b.2) wieder in mehrere (bevorzugt 2 bis 5, besonders bevorzugt 2 bis 3) Teilströme aufzuteilen und diese Teilströme dem Phasentrennapparat über eine der Anzahl der Teilströme entsprechende Anzahl an Einlaufstutzen an räumlich verschiedenen Stehen zuzuführen. Ist die zuvor erwähnte Homogenisierung der nitrierten Reaktionslösungen aus den einzelnen parallel betriebenen Reaktoren nämlich einmal erfolgt, so hegt danach nur noch ein einziges, vereinheitlichtes Verfahrensprodukt gegebener Temperatur und chemischer Zusammensetzung vor (der Mischstrom). Durch erneute Aufteilung dieses vereinheitlichten Verfahrensprodukts in Teilströme werden Temperatur und Zusammensetzung der einzelnen Teilströme gegenüber dem einzigen vereinheitlichten Verfahrensprodukt nicht mehr verändert, sodass diese Vorgehensweise den oben erwähnten Vorteilen der Homogenisierung nicht abträglich ist. Daher hegen auch bei dieser Vorgehens weise die dem Phasentrennapparat zugeführten Teilströme bezüglich ihrer Geschwindigkeiten, Temperaturen und chemischen Zusammensetzungen an den Eintritten des Phasentrennapparats in homogenisierter Form vor. Die Vorgehensweise mit mehreren Einlaufstutzen in den Phasentrennapparat hat den Vorteil, dass die Geschwindigkeiten an den einzelnen Einlaufstutzen (bei gleichem Durchmesser) sowie generell Einlauf- und Vermischungsvorgänge deutlich reduziert sind und die Phasentrennung schneller beginnen kann.

Wie bereits erwähnt, ist ein zweiter Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Produktionsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung von Nitrobenzol. Bevorzugte Ausführungsformen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten in entsprechender Weise ebenso für die erfindungsgemäße Produktionsanlage. Beispielsweise umfasst die erfindungsgemäße Produktionsanlage vorzugsweise einen Rohrreaktor als Reaktor.

Die beigefügte Zeichnung FIG. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsanlage. Es bedeuten:

1000: Reaktor

2100: Gasabscheider

2200: Phasentrennapparat

3000: Einrichtung zur Schwefelsäureaufkonzentrierung (Verdampfer)

4000: Schwefelsäuretank

5000: Roh-Nitrobenzoltank 6000: Einrichtungen zur ein- oder mehrstufigen Wäsche des Roh-Nitrobenzols

7000: Einrichtung zur Abtrennung nicht umgesetzten Benzols (insbesondere Rektifizierkolonne)

In einer besonderen Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Produktionsanlage mehrere parallel betriebene (und insbesondere unabhängig voneinander regelbare) Reaktoren (also mehrere sog. Reaktionsstraßen oder Reaktions stränge). In diesem Fall gibt es mehrere Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung der Produktionsanlage:

(a) Die Produktionsanlage kann über eine, stromabwärts zu den parallel betriebenen Reaktoren angeordnete, Einrichtung zum Zusammenführen der in den Reaktoren erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte verfügen. Eine solche Einrichtung ist beispielsweise ein Behälter, der über Leitungen mit den Austrittsöffnungen für die rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung der Reaktoren verbunden ist. In diesem Behälter werden die rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung zusammengeführt und anschließend das zusammengeführte rohe Verfahrensprodukt der Nitrierung in einen (allen parallel betriebenen Reaktoren gemeinsamen) Gasabscheider geleitet. Anstelle eines Behälters können die einzelnen Leitungen von den Austrittsöffnungen für die rohen Verfahrensprodukte der Nitrierung der Reaktoren auch einfach über Verbindungsstücke (im einfachsten Fall von zwei Reaktoren ein T-Stück) in ein gemeinsames Rohr, das in den Gasabscheider mündet, geführt werden. Vom Gasabscheider an ist also die Produktionsanlage in dieser Ausführungsform so aufgebaut wie bei Einsatz eines einzigen Reaktors (allenfalls abgesehen von größeren Ausführungen der Apparate, da mehrere parallel betriebene Reaktoren üblicherweise dann eingesetzt werden, wenn besonders große Mengen an Nitrobenzol herstellt werden sollen).

(ß) Es ist aber auch möglich, den mehreren parallel betriebenen Reaktoren mehrere parallel betriebene Gasabscheider nachzuschalten, deren Flüssigkeitsaustritte in einen einzigen (allen parallel betriebenen Gasabscheidern gemeinsamen) Phasentrennapparat aus b)(ii) münden. Dies kann (1) so realisiert werden, dass vom Flüssigkeitssaustritt eines jeden Gasabscheiders eine Leitung in den Phasentrennapparat führt, sodass die einzelnen an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phasen (b.2) erst im Phasentrennapparat zusammengeführt werden. Bevorzugt ist es jedoch, (2) diese flüssigen Phasen bereits vor Eintritt in den Phasentrennapparat zusammenzuführen. Dies geschieht über eine entsprechende Einrichtung zum Zusammenführen, die genauso aufgebaut sein kann wie zuvor für die Ausgestaltung mit einem einzigen Gasabscheider beschrieben. (g) Die in den Reaktoren jeweils erhaltenen, Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltende Verfahrensprodukte (a.4) können auch ohne vorherige Zusammenführung in einen gemeinsamen Gasabscheider geleitet werden.

Bevorzugt sind die Varianten (a), (ß)(2) und (g), besonders bevorzugt die Varianten (a) und (ß)(2).

In der Ausführungsform mit mehreren Reaktionsstraßen umfasst die erfindungsgemäße

Produktionsanlage also vorzugsweise a) mehrere parallel betriebene (und insbesondere unabhängig voneinander regelbare) Reaktoren zur adiabatischen Umsetzung eines Benzol-haltigen Stroms (a.l) mit Schwefelsäure (a.2) und Salpetersäure (a.3) unter Einsatz eines, bezogen auf Salpetersäure (a.3), stöchiometrischen Überschusses an Benzol und in einer Variante (a), b) (i-0) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, Einrichtungen zum Zusammenführen der in diesen Reaktoren erhaltenen Nitrobenzol, Benzol und Schwefelsäure enthaltenden Verfahrensprodukte zu einem Mischstrom und zum Einleiten des Mischstromes in

(i) einen stromabwärts zu den Einrichtungen zum Zusammenführen und Einleiten aus b)(i-0) angeordneten Gasabscheider zur Trennung des Mischstromes aus b)(i-0) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2), und

(ii) einen stromabwärts zum Gasabscheider aus b)(i) angeordneten Phasentrennapparat zur Trennung der an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phase (b.2) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4); oder, in einer Variante (ß), b) (i) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, mehrere parallel betriebene Gasabscheider zur Trennung des Verfahrensproduktes jeweils eines Reaktors aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2), und (ii) einen stromabwärts zu den Gasabscheidern aus b)(i) angeordneten Phasentrennapparat zur Trennung des flüssigen Verfahrensproduktes aus b)(i) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4), wobei optional (und bevorzugt) zwischen den mehreren parallel betriebenen Gasabscheidem aus b)(i) und dem Phasentrennapparat aus b)(ii) Einrichtungen zum Zusammenführen der in den Gasabscheidern erhaltenen, an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssigen Phasen (b.2) angeordnet sind; oder, in einer Variante (g), b) (i) stromabwärts zu den Reaktoren aus a) angeordnet, einen (allen Reaktoren gemeinsamen) Gasabscheider zur Trennung der Verfahrensprodukte der Reaktoren aus a) in eine gasförmige, Benzol und gasförmige Nebenkomponenten umfassende Phase (b.l) und eine an gasförmigen Bestandteilen abgereicherte, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassende flüssige Phase (b.2), und

(ii) einen stromabwärts zum Gasabscheider aus b)(i) angeordneten Phasentrennapparat zur Trennung der an gasförmigen Bestandteilen abgereicherten, Nitrobenzol und Schwefelsäure umfassenden flüssige Phase (b.2) aus b)(i) in eine flüssige wässrige, Schwefelsäure umfassende Phase (b.3) und eine flüssige organische, Nitrobenzol umfassende Phase (b.4).

Bevorzugt umfasst die Produktionsanlage in allen Ausgestaltungen dieser Ausführungsform zwei bis fünf parallel betriebene Reaktoren, besonders bevorzugt zwei bis drei parallel betriebene Reaktoren. In der Variante (ß) entspricht die Anzahl der parallel betriebenen Gasabscheider der Anzahl der parallel betriebenen Reaktoren.

Variante (a) ist ganz besonders bevorzugt und in FIG. 5 am Beispiel von zwei Reaktoren 1001 und 1002 dargestellt. Regelventile und dgl. sind aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung nicht dargestellt. Durch die Vereinigung der einzelnen Verfahrensprodukte (a.4) in einem gemeinsamen Rohr vor dem Gasabscheider und damit auch vor dem Phasentrennapparat wird die Phasentrennung erleichtert, da unerwünschte Strömungen im Apparat wie Quer- und Rückströmungen sowie Wirbelausbildung, die sich aufgrund unterschiedlicher Anteile der drei Phasen (wässrig, organisch, Gas) in den eintretenden Reaktionslösungen ausbilden, verringert oder beseitigt werden. Wie weiter oben im Zusammenhang mit der Diskussion des erfindungsgemäßen Verfahrens diskutiert, kann es abweichend von der in FIG. 5 gezeigten Anordnung sinnvoll sein, den Strom b.2 wieder in mehrere (bevorzugt 2 bis 5, besonders bevorzugt 2 bis 3) Teilströme aufzuteilen und diese über eine entsprechende Anzahl an Einlauf stutzen dem Phasentrennapparat an räumlich verschiedenen Stellen zuzuführen. Die bei Vorhandensein mehrerer Einlaufstutzen in den Phasentrennapparat ohne vorhergehende Homogenisierung möglichen Probleme (variierende Durchsätze und Reaktionsbedingungen in den einzelnen Straßen können bei mehreren Eintrittsöffnungen zu variierenden und stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten an den Eintritten und damit zu unbekannten Strömungsbedingungen im Phasentrennapparat führen) können hier vermieden werden.

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise ergeben sich mindestens die folgenden Vorteile: i) Durch die Entgasung der Reaktionslösungen vor dem Phasentrennapparat werden Geschwindigkeiten und Turbulenzen im Eintrittsbereich desselben reduziert, wodurch die Trenneffizienz gesteigert werden kann.

ii) Die Phasentrennzeiten im Phasentrennapparat werden minimiert, wodurch der Investitionsaufwand für diesen Apparat geringer wird bzw. in einer existierenden Anlage eine Produktionserweiterung erleichtert wird.

iii) Durch die verbesserte Phasentrennung wird der Mitriss von Organika in den Verdampfer der Schwefelsäureaufkonzentrierung reduziert, was den Energieverbrauch verringert und durch diese Organika verursachte Probleme vermindert.

iv) Durch die verbesserte Phasentrennung wird der Mitriss von Schwefelsäure im Roh- Nitrobenzol, das zur Aufarbeitung geführt wird, verringert. Dadurch kommt es zur Einsparung von Einsatzstoffen, weil die Schwefelsäureverluste in der Aufarbeitung geringer ausfallen.

Die Abwasserbelastung wird reduziert, da weniger Schwefelsäure in das Abwasser von Schritt c) gelangt.

v) Strömungsberuhigende Einbauten im Phasentrennapparat, die anfällig für störende Verschmutzungen und Anbackungen sind, sind im Allgemeinen verzichtbar. vi) Optionale Homogenisierung der Reaktionslösung: Durch die einstraßige Zuführung in den Phasentrennapparat können die Turbulenzen besser beherrscht und optimiert werden im Vergleich zu mehrstraßiger Zuführung der Reaktionslösungen mit schwankenden Prozessbedingungen.,

Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung durch Beispiele verdeutlicht werden. Beispiele:

In den folgenden beiden Beispielen soll der negative Einfluss einer vorhandenen Gasphase auf die Phasentrennung (Beispiel 1) sowie der Vorteil einer vorgelagerten Gasabscheidung (Beispiel 2) deutlich gemacht werden. Es wurden dazu Computational Fluid Dynamics -Simulationen des dreiphasigen Strömungsverhaltens im Phasentrennapparat (Apparat 2200 in FIG. 4) durchgeführt. In den diskutierten Beispielen werden drei Reaktoren parallel betrieben. Für die Simulation wurde angenommen, dass die aus den drei Reaktoren austretenden Ströme (Verfahrensprodukt a.4, hier umfassend drei Ströme a.4.1, a.4.2, a.4.3) hinsichtlich Temperatur, Mengenstrom und Zusammensetzung identisch sind und jeweils 250 t/h wässrige Phase (Schwefelsäure-Phase), 14 t/h organische Phase (Nitrobenzol-Phase) und 0,15 t/h Gasphase (vor allem Benzol) enthalten und eine Temperatur von 130 °C aufweisen. Der Phasentrennapparat wird bei einem absoluten Druck (in der Gasphase) von ca. 1,1 bar betrieben.

Das verwendete 3D-Gitter des Phasentrennapparats mit 800.000 Rechenzehen ist in FIG. 6 dargestellt. Es bedeuten:

100: Einlauf stutzen

200: Austritt Gasphase

300: Ablauf organische Phase

400: Ablauf wässrige Phase

Der Einfachheit halber wurde der Phasentrennapparat als Zylinder abgebildet, ohne Rundungen der seitlichen Deckel zu berücksichtigen. Aufgrund der Achsensymmetrie muss nur die Hälfte des Phasentrennapparat s modelliert werden. Die Verfahrensprodukte der drei Reaktoren (a.4) laufen über Einlaufstutzen auf der linken Seite zu. Der Ablauf der organischen Phase (b.4) befindet sich mittig auf der rechten Seite. Der Ablauf der wässrigen Phase (b.3) befindet sich am unteren Ende. Die Gasphase (b.l) kann oben abgezogen werden. Die Dreiphasenströmung wurde mit einem Euler-Euler-Ansatz simuliert, wobei die wässrige Phase als kontinuierliche Phase und die organische Phase und die Gasphase als disperse Phase beschrieben wurden. Im Rahmen der Simulation wurden die Kontinuitäts- und Impulserhaltungsgleichungen für alle Phasen gelöst. Als Turbulenzmodell kam ein k-epsilon Modell zum Einsatz. Die Gleichungen wurden instationär gelöst, wobei die Zeitschritte zwischen 0,1 s und 0,001 s variiert wurden.

Da die genauen Tropfen- bzw. Blasengrößen am Eintritt in den Phasentrennapparat bzw. auch im Phasentrennapparat selbst unbekannt sind, wurde für beide Phasen ein konstanter Tropfen- bzw. Blasendurchmesser von 1 mm angenommen. Da Tropfen und Blasen in der Realität einer gewissen Größenverteilung folgen und es im Apparat zu Zerfalls- und Koaleszenzvorgängen kommt, können die tatsächlichen Partikelgrößen und die daraus resultierenden Phasenanteile im Apparat abweichen. Ziel der CFD-Simulation ist es, den Einfluss einer Gasphase auf die Strömungsverhältnisse und schließlich der Trenneffizienz des Phasentrennapparats qualitativ zu beschreiben.

In den Beispielen wird jeweils der Fall ohne Gasabscheider (Beispiel 1) und mit Gasabscheider (Apparat 2100, Beispiel 2) betrachtet.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel):

In Vergleichsbeispiel 1 laufen aus jedem der drei Reaktoren jeweils 250 t/h wässrige Phase, 14 t/h organische Phase und 0,15 t/h Gasphasen (vor allem Benzol) - Verfahrensprodukt (a.4) - in den Phasentrennapparat ein.

In FIG. 7 sind die Volumenanteile der drei Phasen in Grauskalen dargestellt (Abbildung oben: Volumenanteile wässrige Phase, Mitte: Volumenanteile organische Phase, unten: Volumenanteile Gasphase. In den Abbildungen sind die einzelnen Phasen zudem gekennzeichnet mit

10: wässrige Phase,

20: organische Phase,

30: Gasphase und

40: disperse Phase, in der noch keine vollständige Durchmischung stattgefunden hat.

Das dreiphasige Gemisch läuft in den Abbildungen an den Einlaufstutzen links zu. Im oberen Bild ist erkennbar, dass sich zwar direkt nach Eintritt eine kontinuierliche wässrige Phase ausbildet, die sich nach unten absetzt. In der Mitte des Phasentrennapparats besteht allerdings ein großer Bereich, in dem alle drei Phasen vorliegen („disperse“ Phase). Dies ist auch in der mittleren und unteren Abbildung erkennbar, wo auch für die organische und Gasphase größere Volumenanteile in diesem Bereich erkennbar sind. Eine kontinuerliche organische Phase bildet sich erst zum Ende des Phasentrennapparats hin aus (mittlere Abbildung, zusammenhängende organische Phase rechts vor Ablauf der org. Phase). In der unteren Abbildung, in der die Volumenanteile der Gasphase dargestellt sind, sieht man, dass die Gasphase nach oben hin aufsteigt, aber ein Teil auch noch bis weit in den Apparat mitgeschleppt wird. Aufgrund der niedrigen Dichte der Gasphase (ca. 3 kg/m ³ ) kommt es trotz des niedrigen Massenanteils der Gasphase (0,15t/h auf 250t/h) zu einem hohen Volumenanteil im Bereich des Eintritts und im mittleren Teil des Dekanters. Der hohe Gasanteil führt dabei auch im Bereich des Eintritts zu höheren Geschwindigkeiten in den flüssigen Phasen (bis zu 2 m/s) und zu Verwirbelungen im Bereich der Flüssig-flüssig-Phasentrennung. Für einen solchen Betrieb kann Mitriss an Fremdphase an den einzelnen Ausgängen nicht ausgeschlossen werden, vor allem wenn in der Realität Anteile kleinerer Tropfen- und Gasblasengrößen als die hier simulierten 1mm Durchmesser vorhanden sind, die mehr Zeit zur Abtrennung benötigen.

In der realen Produktion kann die Phasengrenze durch ein im Phasentrennapparat angebrachtes Schauglas beobachtet werden. Unter den zuvor beschriebenen Bedingungen wurden im realen Betrieb immer wieder deutliche Schwankungen der Flüssig-flüssig-Phasengrenze (±100 mm) auf der rechten Seite unterhalb des Austritts der organischen Phase beobachtet. Des Weiteren wurden am Schauglas immer wieder noch aufsteigende Gasblasen beobachtet. Damit wird die Simulation durch die Beobachtungen am realen Apparat bestätigt.

Beispiel 2 (erfindungsgemäß):

Im erfindungsgemäßen Beispiel 2 wurde der Betrieb des Phasentrennapparats unter Berücksichtigung einer vorgelagerten Entgasung simuliert. Zu diesem Zweck wurde der Anteil der Gasphase in den drei Verfahrensprodukten (a.4.1, a.4.2, a.4.3) jeweils auf 0,012 t/h reduziert (die Simulation geht also davon aus, dass > 90 % der Gasphase abgetrennt wird, was mit üblichen Entgasungsvorrichtungen problemlos realisierbar ist). In der Simulation laufen weiterhin aus jedem Reaktor jeweils 250 t/h wässrige Phase und 14 t/h organische Phase in den Phasentrennapparat ein. Die Volumenanteile der drei Phasen sind wiederum in FIG. 8 dargesteht (Abbildung oben: Volumenanteile wässrige Phase, Mitte: Volumenanteile organische Phase, unten: Volumenanteile Gasphase). Im Gegensatz zu Vergleichsbeispiel 1 zeigt sich, dass sich direkt nach Eintritt in den Phasentrennapparat eine stabile durchgehende wässrige und organische Phase ausbildet. Aufgrund des niedrigen Gasphasenanteils stört diese nicht mehr den Trennvorgang. Die Geschwindigkeiten im Bereich des Eintritts sind ebenfalls deutlich reduziert (< 1m/s). Auch für kleine Tropfendurchmesser ist die Strömung so beruhigt, dass ein Aufstieg und eine Phasentrennung erfolgen kann. Für einen solchen Betrieb kann Mitriss an Fremdphase an den einzelnen Ausgängen weitestgehend ausgeschlossen werden.

Der positive Einfluss zeigte sich auch im realen Betrieb, wo nach Einbau des Gasabscheiders die Phasengrenze im Phasentrennapparat beruhigt werden konnte und auch keine aufsteigenden Gasblasen in der Nähe des Austritts mehr sichtbar waren.