TNT-produksjon

Råstoffene for produksjon av TNT er toluen, salpetersyre og svovelsyre. Toluen ble tidligere utvunnet fra steinkulltjære, et biprodukt ved produksjonen av koks fra steinkull. Senere ble det fremstilt billigere og i langt større mengder gjennom katalytisk reforming av petroleum. Toluen kan også lages fra benzen og metanol ved høyt trykk og høy temperatur ved hjelp av en katalysator.

Fremstilling av TNT foregår gjennom trinnvis nitrering av toluen. Først nitreres toluen til mononitrotoluen (MNT), deretter nitreres MNT til dinitrotoluen (DNT) og til slutt nitreres DNT til TNT. Hele prosessen kan enten foregå som satsvise operasjoner i separate reaktorer (batch-prosesser), eller som en kontinuerlig prosess utført i et sammenhengende reaktorsystem.

Mens satsvis produksjon av TNT tidligere var den klart vanligste fremgangsmåten, ble kontinuerlige prosesser etter hvert dominerende, akkurat som trenden har vært også i mye annen kjemisk produksjon. Først på 1950- og 1960-tallet slo kontinuerlige produksjonsmetoder igjennom for fullt.

Et viktig prinsipp i all TNT-produksjon er at man bruker restsyren fra et høyere nitreringstrinn som et av råstoffene for de lavere nitreringstrinnene. Denne restsyren blir som regel forsterket gjennom tilsats av nye («ferske») syrereagenser før den anvendes i reaksjonen. Den siste restsyren kan til slutt destilleres (denitreres) for å få tilbake salpetersyre og svovelsyre som produkter.

Akkurat som i mange andre deler av forsvarsindustrien, har også fremstilling av militære sprengstoffer som TNT vært igjennom en prosess av omfattende konsolideringer siden slutten av den kalde krigen.

Det er svært få TNT-produsenter igjen i Europa og Nord-Amerika. Selskapet Nitro-Chem SA i Bydgoszcz, Polen, er blitt den ledende produsenten av TNT innenfor NATO. Denne bedriften har laget TNT siden 1948.

I de vanligste formene for satsvis fremstilling av TNT ble mononitreringen, dinitreringen og trinitreringen gjennomført i tre separate reaktorer ved reaksjonstemperaturer fra rundt 40 °C og helt opp til så høyt som 140 °C eller mer, avhengig av metode og nitreringstrinn.

De ulike trinnene i produksjonen av TNT involverte foruten selve nitreringsreaksjonene også forskjellige separasjoner, rensinger og resirkulering av restsyrer. Det siste nitreringstrinnet til TNT krevde som regel bruk av rykende svovelsyre (oleum). Enkelte satsvise produksjonsmetoder for TNT involverte nitrering av toluen til TNT gjennom kun to operasjoner – først direkte nitrering av toluen til DNT, etterfulgt av nitrering av DNT til TNT.

Satsvis TNT-produksjon var i lang tid den klart dominerende fremstillingsmetoden. For eksempel ble all TNT-produksjon i USA under andre verdenskrig utført ved hjelp av disse metodene.

Sprengstoffindustrien har historisk sett vært en konservativ industri. Overgangen fra satsvise produksjonsprosesser til nyere og mer effektive kontinuerlige produksjonsprosesser har gjerne vært langsommere der enn i andre deler av den kjemiske industrien. I USA ble kontinuerlig produksjon av TNT først startet opp så sent som i 1968.

Foruten økonomiske betraktninger, som høy grad av automatisering og redusert behov for manuell personellinnsats, er en viktig fordel med kontinuerlig sprengstoffproduksjon at mindre mengder eksplosiver akkumuleres i fabrikken på et gitt tidspunkt. På denne måten blir konsekvensene av et eventuelt uhell betraktelig mindre enn det som ellers kunne ha vært tilfellet.

I kontinuerlig fremstilling av TNT er flere reaktorer og separatorer koblet sammen i serie. Toluen, salpetersyrer (av flere konsentrasjoner) og svovelsyrer (konsentrert eller rykende) fylles kontinuerlig på systemet, mens TNT tappes kontinuerlig av. Nitreringsreaksjonene foregår i reaktorene, mens de ulike mellomproduktene (MNT, DNT) skilles ut ved hjelp av separatorer koblet mellom reaktorene. I systemet strømmer toluen, MNT og DNT typisk motstrøms i forhold til syrereagensene. Det kan være flere enn tre reaktorer i et slikt system.

Etter nitreringsprosessen må TNT-råproduktet renses for å fjerne rester av syrereagenser og ulike biprodukter fra oksidasjonsprosesser eller ufullstendig nitrering. Det må også renses for å fjerne mest mulig av uønskede isomerer, altså trinitrotoluener som ikke er 2,4,6-trinitrotoluen. Disse uønskede isomerene dannes typisk i en mengde fra spormengder og opp til noen få prosent. De påvirker smeltepunktet til TNT-produktet og kan separere ut over tid.

Den første delen av denne TNT-rensingen består som regel av vasking av råproduktet med vann. Tidligere ble TNT-produktet deretter renset gjennom omkrystallisering, det vil si oppløsning av stoffet ved oppvarming i et organisk løsemiddel, etterfulgt av utfelling av TNT-krystaller ved nedkjøling. Denne omkrystalliseringen ble som regel utført i etanol.

På grunn av den betydelige brannfaren forbundet med håndtering av store mengder brannfarlig og flyktig væske som etanol, noe som er spesielt kritisk i produksjon av sprengstoff, ble det etter hvert vanligere å rense TNT ved hjelp av en vannløsning av natriumsulfitt (Na₂SO₃). Slik sulfittrensing viste seg sikrere, enklere og billigere enn omkrystallisering.

Gjennom kjemisk reaksjon vil trinitrotoluener reagere med natriumsulfitt og gi vannløselige natriumdinitrotoluensulfonater ved substitusjon, og det er andre isomerer enn TNT som vil reagere raskest. På denne måten vil fortrinnsvis de uønskede, isomere biproduktene fra TNT-produksjonen gå i oppløsning i sulfittvannløsningen, mens rent TNT forblir uløst.

Reaksjonen med sulfittvannløsningen utføres typisk ved en temperatur som ligger over smeltepunktet til TNT:

CH₃C₆H₂(NO₂)₃(l) + Na₂SO₃(aq) → CH₃C₆H₂(NO₂)₂SO₃Na(aq) + NaNO₂(aq)

Vannløsningen av natriumdinitrotoluensulfonater kan bli rød eller mørkfarget, avhengig av løsningens soleksponering, noe som i stor grad skyldes fotokjemiske reaksjoner. Dette avfallsproduktet fra TNT-produksjon kalles rødvann.

Dannelsen av rødvann med innhold av miljøskadelige nitroaromater er en av grunnene til miljøproblematikken knyttet til TNT-produksjon. Rødvannet kan dampes inn til tørrhet og kalsineres i spesielle ovner, noe som gir en rest av hovedsakelig natriumsulfat (Na₂SO₄).

For historien om TNT-produksjonen i Sverige og Norge, og de kjemisk-tekniske bidragene i denne sammenhengen, se hovedartikkel om TNT.

• TNT