Optimization study of the alkaline washing of mononitrobenzene

Abstract

Mononitrobenzene (MNB) has an important role in the polyurethanes chain production, which is mainly used by the construction and automobile industry. MNB is produced by nitration of benzene and such process has side reactions that lead to the formation of dinitrobenzene (DNB), dinitrophenol (DNP) and trinitrophenol (TNP). These compounds are usually removed from the MNB by means of a reactive liquid extraction in alkaline medium. At the nitration plant of CUF-QI, MNB’s purification is carried out in two countercurrent washers (each one consists of a static mixer and a settler). Ammonia (NH3) is used as alkaline agent since it promotes the extraction by reacting with the nitrophenols to form aqueous salts. In the plant, washing efficiencies for DNP and TNP are approximately of 0.57 and 0.43, respectively. This work was focused on the assessment of the operating conditions in the second alkaline washer of MNB at CUF-QI. The objectives were to study the influence upon the extraction of nitrophenols from the MNB of: the process temperature, the weight ratio R solvent /MNB and the composition of the solvent. Experiments mainly consisted in carrying out the MNB’s washing at laboratory scale. Experiments revealed that the extraction of nitrophenols’s is promoted at lower temperatures, a decrease of 45% in temperature led to an increase in the washing efficiency of 0.13 and 0.05 for DNP and TNP, respectively (compared to plant conditions). It was demonstrated, at laboratory and industrial scale that, the solvent to MNB weight ratio could be reduced up to using only 20% of the current solvent flow rate, without any impact in both washers. It was also confirmed that ammonium has different impacts on the extraction of nitrophenols, the rise in NH4+ concentration in the solvent promotes the DNP transfer while it decreases the TNP extraction. Moreover, it was demonstrated that ammonium carbonate acts as alkaline agent at very low concentrations of ammonium (around 0.03). When NH4+ concentration is in the plant range (around 0.4), ammonium carbonate decreases the washing efficiency due the common ion effect. When washing without alkaline agent, near neutral conditions, TNP’s washing efficiency was higher than DNP’s. Carrying out the process using a stream from the process (MNB’s tank water, pH≈7) and low solvent to MNB ratio (30 times lower than current plant’s R) led to efficiencies of 0.68 and 0.79 for DNP and TNP, respectively. As an outcome of this study it is proposed to change the solvent composition in the plant: ammonia aqueous solution would only be added to the solvent in the first washer, and neutral conditions would be used in the second washer.

O mononitrobenzeno (MNB) tem um papel importante na cadeia de produção dos poliuretanos, que por sua vez são usados principalmente como materiais na indústria da construção e de automóveis. O MNB é produzido por nitração do benzeno, ocorrendo reacções secundárias que levam à formação de subproductos, principalmente dinitrobenzeno (DNB), dinitrofenol (DNF) e trinitrofenol (TNF). Estes compostos são separados do MNB através de uma extracção líquida reactiva em meio alcalino. Para a purificação do MNB na fábrica de nitração da CUF-QI são usados dois lavadores que operam em contracorrente (cada lavador é composto por um misturador e um decantador). Como agente alcalino é utilizada amónia que promove a extracção ao reagir com os nitrofenóis para formar sais solúveis em água. Normalmente na fábrica as eficiências de remoção do DNF e do TNF são 0.57 e 0.43, respectivamente. Neste trabalho avaliaram-se as condições operatórias do segundo lavador alcalino do MNB. Os objectivos foram avaliar o efeito de três condições operatórias na extracção dos nitrofenóis: temperatura do processo de lavagem, razão mássica solvente/MNB (R) e composição do solvente. Os ensaios a diferentes temperaturas mostraram que a transferência dos nitrofenóis para a fase aquosa é favorecida com o abaixamento da temperatura: uma diminuição de 45% na temperatura face ao valor nominal de operação, traduziu-se num aumento da eficiência da lavagem de 0.13 e 0.05 para o DNF e o TNF, respectivamente (comparando com as condições da fábrica). Estudos de variação da razão mássica R (solvente/MNB) mostraram, à escala laboratorial e industrial, que a purificação do MNB pode ser efetuada só com o 20% do caudal de solvente usado actualmente na fábrica, sem causar impacto na eficiência dos lavadores. Neste trabalho foi confirmado que o amónio tem diferentes efeitos sobre a extracção dos nitrofenóis: promove a transferência do DNF e diminui a extracção do TNF. Também foi demonstrado que o carbonato de amónio promove a extracção do DNF sempre que a concentração do amónio no solvente seja baixa (aproximadamente 0.03). No entanto, se a concentração de NH4+ estiver na gama usada na fábrica (0.4), o carbonato de amónio diminui a eficiência de lavagem dos nitrofenóis devido ao efeito do ião comum. Ao lavar o MNB sem agente alcalino, ou seja, aproximadamente em condições neutras, verificou-se que a eficiência da lavagem do TNF foi mais elevada que a do DNP, no entanto, em condições alcalinas a tendência é contrária. Ao lavar o MNB com uma corrente neutra do processo, água do tanque de MNB final, e com uma razão R baixa (30 vezes menor que a R da fábrica) obtiveram-se eficiências de 0.68 e 0.79 para o DNF e TNF. Na sequência deste trabalho sugere-se que na secção de lavagem de MNB da fábrica de nitração de CUF-QI o primeiro lavador funcione com o solvente actual, onde é adicionada a amónia, e o segundo lavador opere em condições neutras.