NO151120B - Fremgangsmaate for fremstilling av dinitroglykoluril - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av dinitroglykoluril ved nitrering av glykoluril ved hjelp av absolutt salpetersyre, og det særegne ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er at nitreringen gjennomføres kontinuerlig og i rekkefølge under etablering av en homogen flytende fase ved samtidig kontinuerlig innføring av glykoluril og absolutt salpetersyre i en første omrørt reaktor etterfulgt av etablering av en heterogen fase i en annen reaktor omrørt tilstrekkelig til å opprettholde den krystallinske suspensjon av dinitroglykoluril i den flytende reaksjonsblanding i bevegelse.

Disse og andre trekk ved oppfinnelsen fremgår av patent-kravene.

Dinitroglykoluril ble syntetisert for første gang av Franchimont og Klobbie (Recueil des Travaux Chimieques des Pays Bas, bind 7, side 18) i 1888. Disse forfattere tilskriver imidlertid en tydelig feilaktig formel til det produkt som de oppnådde ved oppløsning av en vektdel glykoluril i 5 vektdeler absolutt salpetersyre, idet de fremsatte den hypotese (Op. eit., sidene 246-247) at det dinitroglykoluril som skrev seg fra denne operasjon skulle ha formelen:

på bakgrunn av naturen av produktene og spaltingen av forbindelsen i kokende vann.

Det er imidlertid klart at det kan dannes to andre isomerer med formler:

Det ble senere ved fornyet interesse for

di ni troglykoluri let og dets isomerer i det franske patentskrift 2.238.703 påvist at forbindelsen kunne anvendes som sekundært sprengstoff og i det franske patentskrift 2.379.498 som energigivende tilsetningsmiddel som vesentlig forbedrer egenskapene av heksolittene eller "B"-bl andi nger.

Det har foreligget et stort behov for en industriell massefremstilling av dinitroglykoluril (eller DINGU) for anvendelse som sprengstoff. Fordelaktig måtte en slik fremgangsmåte være kontinuerlig.

Når man anvender fremgangsmåten beskrevet av Franchimont og Klobbie (Op. eit.) dannes en større mengde 1,3-isomer av DINGU og denne kan spaltes med kokende vann. Denne

isomer er tydelig mindre stabil enn de to isomerer (1,4 og 1,6) slik at det for visse anvendelser er nødvendig å underkaste råproduktet fra reaksjonen en behandling med kokende vann slik at man bare gjenvinner de stabile isomerer av DINGU. Det resulterer en meget stor nedsett-else av det totale utbytte fra nitreringen. Til gjengjeld har nærværet av en flytende og homogen fase vist seg ytterst gunstig for reaksjonskinetikken for nitreringsreaksjonen av glykolurilet, uansett hvilke isomerer det dreier seg om.

Konfrontert med disse nye og overraskende iakttagelser ble det funnet en fremgangsmåte for fremstilling av DINGU som virker kontinuerlig og favoriserer dannelse av de mer stabile isomerer av DINGU, og denne fremgangsmåte utgjør den foreliggende oppfinnelse.

De gode resultater som oppnås ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er hovedsakelig forbundet med de karak-teristiske betingelser som er nevnt ovenfor. Det er imidlertid også funnet at det forekommer prosessbetingelser som er mer restriktive og fører til en spesielt fordelaktig gjennomføring av fremgangsmåten. To faktorer av stor viktighet er det initiale nitreringsforhold og den temperatur som hersker i de to trinn i rekkefølgen.

Ved foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen anvendes et initialt nitreringsforhold på mellom 4 og 8 og foretrukket mellom 5 og 7. Med det initiale nitreringsforhold menes forholdet mellom masse av absolutt salpetersyre og glykoluril som innføres i den første reaktor pr. tidsenhet. Den anvendte salpetersyre er ved utøvelsen av oppfinnelsen absolutt, dvs. den inneholder 95 - 100 vektprosent HN03.

Ved en ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen opprettholdes i den første reaktor en temperatur mellom 25 og 50°C, foretrukket mellom 30 og 40°C. I den annen reaktor opprettholdes en temperatur mellom 45 og 70°C og foretrukket mellom 50 og 65°C. Over 70°C er nitreringsreaksjonen fremdeles mulig men følges av oksydasjonsfenomener. Under 45°C foregår nitreringsreaksjonen i heterogen fase relativt sakte og medfører for lange oppholdstider i reaktoren og større dimensjoner av denne hvilket ikke er ønskelig ut fra betraktninger og sikkerhet og lønnsomhet.

Ved en tredje utførelsesform av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan man til de to reaktorer i den nevnte rekkefølge tilslutte en tredje omrørt reaktor hvori temperaturen i reaksjonsblandingen holdes i nærheten av omgivelsenes temperatur og hvori nitreringen fullføres. Ved den foreliggende utførelsesform filtreres reaksjonsblandingen til slutt og den oppnådde krystallinske masse vaskes til nøytral reaksjon, og renses eventuelt og tørkes. Vaskingen til nøytral reaksjon kan gjennomføres i kaldt vann til det oppnås pH 5, den eventuelle rensing kan fore-tas med metanol eller etanol og tørkingen ved omtrent 65°C. Man behøver i den tredje reaktor ikke å føre reaksjonsblandingen i serie man kan anvende en filtrering i varm tilstand eller underkaste det filtrerte produkt en behandling som beskrevet, foretrukket etter avkjøling.

Selv om fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen tillater betraktelig reduksjon av mindre stabile produkter i den endelige reaksjonsblanding (1,3-isomeren av DINGU) man kan om ønsket underkaste det produktet som oppnås ved filtrering, vasking og eventuell rensing eller det enkelt

filtrerte produkt-for en vasking med kokende vann.

Det er viktig at de to eller tre reaktorer anordnet i rekkefølge er omrørt. Omrøringen i den første reaktor skal være tilstrekkelig for å tillate en hurig oppløsning av glykolurilet i i salpetersyren som samtidig innføres eller i reaksjonsblandingen som allerede er inneholdt i reaktoren. I den annen reaktor er omrøringen tilstrekkelig til å holde den krystallinske suspensjon av DINGU

i den flytende reaksjonsblanding i bevegelse. Hvis man velger et initialt nitreringsforhold under 5 er en kraftig omrøring vanligvis nødvendig for å oppnå de nevnte forhold. Endelig kan man i den siste reaktor fordelaktig anvende

en omrøring tilsvarende den som anvendes i den annen reaktor slik at man eventuelt kan foreta fullstendig tømming av reaktoren etterhvert og etter behov for etter-fylling.

Driften eller stans i et anlegg som gjennomfører fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen frembyr ikke spesielle vanskeligheter.

For driften kan man f.eks. fylle den første reaktor fullstendig og den annen reaktor halvveis, ved hjelp av absolutt salpetersyre. For å stanse anlegget er det tilstrekkelig å avbryte tilførselen av nye reaksjons-komponenter, å bringe de to første reaktorer til en temperatur som ligger lavere enn den som kreves for opp-rettholdelse av normal drift, å la innholdet i de to reaktorer utreagere eller endelig å tømme de to reaktorer ut på filteret.

Hva angår oppholdstiden i de to første reaktorer tilpasses denne slik at det er tilstede en homogen fase i den første reaktor og en heterogen fase i den annen reaktor.

Ved den foreliggende oppfinnelse kan det anvendes såkalt oleumsalpetersyre, dvs. 100% salpetersyre tilsatt N2°5" Det oppnås imidlertid ingen fordel ved å gå frem på denne måte idet det risikeres dannelse av tetranitroglykoluril som endelig kan hydrolyseres ved vaskingen med vann eller den endelige behandling med kokende vann. Utbyttet ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen utgjør mellom 75 og 95%, som i det minste kan sammenlignes med utbyttet ved den diskontinuerlige klassiske metode i homogen fase. Tvert imot inneholder det rå reaksjonsprodukt som er filtrert, vasket med kaldt vann, renset med alkohol og der-etter tørket, vanligvis mer enn 12% nitrogen og inneholder mindre enn 5 vekt% av ustabile derivater som kan hydrolyseres med vart vann, mens når man går frem i homogen fase (diskontinuerlig eller kontinuerlig) oppnås minst 10% ustabile derivater som medfører en usikkerhet. Det produkt som oppnås ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen han nemlig en utmerket stabilitet under vakuum (mindre enn 2 cm^ gass frigitt pr. gram DINGU i løpet av 100 timer ved 130°C) til forskjell fra det produkt som oppnås ved homogen fase (mer enn 15 cm^/g i løpet av 24 timer ved 130°C).

De etterfølgende eksempler illustrerer oppfinnelsen og man finner også en sammenligning mellom den klassiske metode i homogen fase, gjort kontinuerlig på en måte som ikke er forklart nærmere, og fremgangsmåten i henhold til opp-f innelsen.

EKSEMPEL 1: Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Man anvender tre reaktorer med nyttervolum henholdsvis 170, 500 og 330 ml anordnet i serie. Disse reaktorer er utstyrt med et konsentrisk rør som tillater samtidig passering av stammen på røreverket og innføring av reak-sjonskomponenter (i den første reaktor) eller reaksjonsblandingen som skriver seg fra den foregående reaktor (i tilfellet med den annen eller tredje reaktor). Reaksjonsblandingen innføres i midten av reaktoren og etter omrøring stiger den langs veggene i reaktoren til en utløpsåpning i den etterfølgende reaktor (i tilfellet med den første og annen reaktor) eller på et filter (i den tredje reaktor) en faststoff-fordeler, som utgjøres av en kort beholder som i bunnen har en munning av aksiale celler drevet av en elektrisk motor og som sikrer levering av 200 g/h glykoluril. Den absolutte salpetersyre (985) innføres med 1200 g/h ved et nitreringsforhold lik 6.

Omrøringen innstilt til 500 omdreininger/minutt i hver reaktor er funnet passende for å sikre hurtig oppnåelse av en homogen blanding i den første reaktor. Opprett-holdelsen av suspensjonen av krystaller i DINGU I bevegelse i den annen og den tredje reaktor oppnås ved gradvis økning av omrøringen fra 500 omdreininger/minutt til 850-900 omdreininger/minutt (ankerhastigheten).

Temperaturen i den første reaktor svinger mellom 30 og 40°C og de temperaturer som hersker i den annen og tredje reaktor er innstilt til henholdsvis 70 og 25°C.

Oppholdstiden i de tre reaktorer er henholdsvis 10, 30 og 20 minutter.

Anlegget virker i flere timer hvor det gjennomsnittlige utbytte av DINGU i rå tilstand er 90%.

Reaksjonsproduktet etter filtrering, vasking med kaldt vann til det oppnås vaskevann med pH 5, samt rensing med metanol og til slutt tørking ved 65°C har en renhet på 95,5%. Stabiliteten under vakuum er 1,4 cm^ gass frigitt pr. gram i løpet av 100 timer ved 130°C og nitrogeninnholdet er 11,99%. Dette DINGU behandlet med kokende vann mister bare 4% av vekten og det er ikke funnet at stabiliteten under vakuum forbedres i særlig grad.

EKSEMPEL 2: Klassisk metode gjennomført kontinuerlig.

På en ikke nærmere angitt måte ble metoden i henhold til Franchimont og Klobbie gjennomført kontinuerlig. I en reaktor med nyttevolum 1,4 liter og i prinsippet analog med en av reaktorene fra eksempel 1, dvs. som tillater kontinuerlig innføring av reaksjonskomponentene, omrøring av blandingene deri og kontinuerlig uttømming av produktet fra reaksjonen på en gang innføres 200 g/h glykoluril og 2000 g/h salpetersyre 98,9%. Oppholdstiden er 60 minutter og omrøringen er bestemt til 500 omdreininger/minutt og det oppnås en reaksjonsblanding med homogent utløp. Temperaturen i reaktoren holdes ved 55°C. Reaksjonsblandingen som slippes ut mottas i iseddik i en krystalli-sator. Bunnfallet, som dannes ganske sakte, oppsamles på filteret og vaskes med vann til pH 5, renses med metanol og tørkes ved 65°C. Det oppnås rått DINGU med et utbytte 83,6%. Dette DINGU har et nitrogeninnhold på 11,8% og en stabilitet under vakuum pa 15 cm 3/g i 24

timer ved 130°C.

Ved behandling i kokende vann taper det DINGU som er oppnådd ved denne metode 20% av vekten. Derimot har det resulterende produkt en stabilitet under vakuum på 2,5 cm<3>/g i løpet av 100 timer ved 130°C.

Man ser at fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen tillater oppnåelse av stabilt DINGU med et bedre utbytte enn tidligere kjente prosesser, mens en hydrolyseoperasjon i varmen lønnsomt kan tillates.

EKSEMPEL 3: Fremgangsmåte i henhold til oppfinnelsen i

hal vindustriell målestokk.

Man anvender tre nitreringsreaktorer i rekkefølge med nominelt volum 60 liter og et nyttevolum på 50 liter og ved hjelp av en doseringsinnretning av type "DOSAPRO" innføres 15 kg/h glykoluril. Salpetersyren (98,8% HNO^) innføres i en mengde på 90 kg/h idet nitreringsfor holdet er omtrent lik 6.

Temperaturen i reaktorene holdes på 30n - 40°C (variabel),

66+ 1°C og 20+ 2°C. Temperaturene opprettholdes lett ved å sirkulere vann med 30°C henholdsvis 76°C i den dobbelte kappe i den første reaktor og den annen reaktor og saltlake ved -10°C i kappen i den tredje reaktor.

Den totale varighet av operasjonen er 10 timer. Til å begynne med fylles den første reaktor fullstendig og den annen reaktor fylles halvveis med salpetersyre 98,8%. Ved avsluttet operasjon bringes den første reaktor til 66+ 1°C i løpet av 1 timer, og det samme med den annen reaktor. Innholdet av de tre reaktorer blir til slutt tømt ut på filteret.

Det rå DINGU fra syntesen ble vasket til pH 6 i vaskevannet. Det oppnås til slutt totalt 313 kg DINGU med 28,7% fuktighet tilsvarende 223 kg tørt DINGU. Utbyttet ved nitreringen er følgelig 91%.

En prøve på 500 g av dette DINGU ble underkastet vasking med kokende vann. Det ble til slutt gjenvunnet 477,5 g DINGU med en utmerket stabilitet under vakuum på

0,89 cm<3>/g i løpet av 130 timer ved 100°C. Innholdet

av nitrogen i dette produkt er 12,11% (teoretisk 12,06%)'. Det kan sluttes at det rå DINGU fra reaksjonen inneholder mindre enn 5 vekt% av ustabile produkter fra nitreringen av glykolurilet, hydrolyserbare i varmt vann.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av dinitroglykoluril ved nitrering av glykoluril ved hjelp av absolutt salpetersyre, karakterisert ved at nitreringen gjennom-føres kontinuerlig og i rekkefølge under etablering av en homogen flytende fase ved samtidig kontinuerlig innføring av glykoluril og absolutt salpetersyre i en første omrørt reaktor etterfulgt av etablering av en heterogen fase i en annen reaktor omrørt tilstrekkelig til å opprettholdes den krystallinske suspensjon av dinitroglykoluril i den flytende reaksjonsblanding i bevegelse.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at man anvender et initialt nitreringsfor hold på mellom 4 og 8, foretrukket mellom 5 og 7 idet det initiale nitreringsforhold er masse-forholdet mellom absolutt salpetersyre og glykoluril innført i den første reaktor pr. tidsenhet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at man i den første reaktor opprettholder en temperatur mellom 25 og 50°C, foretrukket mellom 30 og 40°C og at man i den annen reaktor opprettholder en temperatur mellom 45 og 70°C foretrukket mellom 50 og 65°C.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 til 3, karakterisert ved at man etter de to første reaktorer i rekkefølge anordner i det minste en tredje omrørt reaktor hvori reaksjonsblandingens temperatur bringes tilbake til omgivelsenes temperatur.