مقدمة إلى العملية الكيميائية الضوئية – عملية ذات درجة حرارة عالية من خطوة واحدة

وصف العملية العامة:

عادةً ما يعتمد تفاعل الأمينات الأولية العضوية مع الفوسجين طريقة من خطوتين: الفسفرة في درجة حرارة منخفضة والفسجينة في درجة حرارة عالية. الغرض من الفسفرة في درجات الحرارة المنخفضة هو السماح للأمينات الأولية العضوية بتكوين أملاح الأمونيوم (هيدروكلوريدات) ومركبات الكاربامويل في درجات حرارة منخفضة (أي، <70 درجة مئوية)، مما يقلل من التفاعلات الجانبية. ومع ذلك، فإن المادة الوسيطة التي يتم إنتاجها بعد الفوسجين في درجة حرارة منخفضة هي ملاط ​​أصفر ذو لزوجة عالية، مما يجعل من الصعب نقله. بالإضافة إلى ذلك، فإن الفسفرة في درجات الحرارة المنخفضة هي تفاعل طارد للحرارة يطلق حوالي 155 كيلو جول/مول من الحرارة. للحفاظ على حالة درجة حرارة منخفضة، هناك حاجة إلى كمية كبيرة من الماء المالح المبرد لإزالة حرارة التفاعل، وضمان التقدم الطبيعي للفوسجينات في درجة حرارة منخفضة. ولذلك، فإن عيب العملية المكونة من خطوتين هو استهلاك الطاقة العالي والحاجة إلى مضخات قياس لنقل السائل اللزج.

تعمل عملية الفسفرة ذات درجة الحرارة العالية في خطوة واحدة على التخلص من مرحلة الفسفرة ذات درجة الحرارة المنخفضة، مما يزيد من سرعة التفاعل وبالتالي تقصير دورة التفاعل. بشكل عام، يكون كلوريد الكاربامويل مستقرًا عند درجة حرارة أقل من 70 درجة مئوية ولكنه يتحلل إلى إيزوسيانات وحمض الهيدروكلوريك عند درجة حرارة أعلى من 80 درجة مئوية.:

R-NHCOCl→R-NCO + حمض الهيدروكلوريك

يمكن لأملاح الأمونيوم العضوية أيضًا أن تتفاعل مباشرة مع الفوسجين عند درجة حرارة أعلى من 80 درجة مئوية لتكوين الإيزوسيانات العضوية:

R-NH2·حمض الهيدروكلوريك + COCl2→(R-NCO)+3HCl

في هذه الطريقة، يجب التحكم في درجة حرارة التفاعل فوق 80 درجة مئوية، عادة ضمن نطاق 120-200 درجة مئوية، لتحقيق إنتاجية عالية. الكمية المطلوبة من الفوسجين أقل مما هي عليه في العمليات التقليدية. إذا تم استخدام مفاعلين متصلين على التوالي في عملية الفوسجين، فإن فائض الفوسجين يكون في حده الأدنى، حوالي 5% إلى 20%.

يمكن إجراء هذه العملية بشكل مستمر في مفاعلين من الفولاذ المقاوم للأحماض وقابلين للتسخين. تم تجهيز المفاعلات بمحركات من النوع المكره، ومدخل لمحلول الفوسجين والأمين، ومنفذ لإزالة خليط التفاعل، ومكثف راجع لإزالة حمض الهيدروكلوريك والفوسجين المتبقي الناتج أثناء التفاعل.

عملية محددة:

أولاً، يتم تسخين تركيز 15% من محلول الأمين مسبقًا إلى 100 درجة مئوية ويتم تغذيته بالفوسجين في وقت واحد في المفاعل الأول. يتم التحكم في درجة حرارة التفاعل بين 120-160 درجة مئوية، مع مطابقة كمية الفوسجين للمتطلبات النظرية للأمين العضوي. عندما يصل معدل التحويل إلى 75% إلى 88%، تتدفق المادة إلى المفاعل الثاني، مع الحفاظ على نفس درجة الحرارة ومكملة بالفوسجين بكمية 5% إلى 20% من المتطلبات النظرية. في المفاعل الثاني، عندما يصل معدل التحويل إلى 93% إلى 96%، ينقل خليط التفاعل إلى المجمع ويجفف بغاز النيتروجين لإزالة حمض الهيدروكلوريك والفوسجين.

الإيزوسيانات المنتجة بهذه الطريقة عالية النقاء. بعد التقطير الفراغي لإزالة كمية صغيرة من الشوائب والمذيبات، يمكن أن يصل نقاء الأيزوسيانات إلى أكثر من 99%. تتم إعادة تدوير مذيب نواتج التقطير الأولي الذي يحتوي على كمية صغيرة من الأيزوسيانات في المفاعل الأول، مما يلغي الحاجة إلى معدات الفصل والتنظيف. ويمكن إعادة استخدام الفوسجين الزائد المنفصل عن المفاعلين بعد إزالة حمض الهيدروكلوريك.

تنفيذ المثال:

في مفاعل مقاوم للأحماض سعة 28.5 لتر مع مكثف راجع ومحرك دافع، يتم تسخينه مسبقًا إلى 160 درجة مئوية بمحلول مشبع من أورثو ثنائي كلوروبنزين الفوسجين، يتم تغذية محلول 2،6 تولوينديامين مسخن مسبقًا إلى 100 درجة مئوية عند 6 جم / دقيقة والفوسجين عند 9.6 جرام/دقيقة. تتدفق مادة التفاعل من المفاعل الأول إلى الثاني، حيث تتم إضافة الفوسجين بمعدل 1.9 جم/دقيقة، مما يحافظ على درجة حرارة تبلغ 160 درجة مئوية. بعد تطهير النيتروجين، ينتج عن التقطير الفراغي 2,6-تولوين ثنائي إيزوسيانات بإنتاجية 94% (على أساس الأمين) ونقاء 99%.

يتم توضيح عملية إنتاج صناعية أخرى للأيزوسيانات باستخدام طريقة درجة الحرارة العالية ذات الخطوة الواحدة في الرسم البياني أدناه.

تتضمن هذه العملية إجراء تفاعل الفسفرة في خطوط الأنابيب عند درجة حرارة 150 درجة مئوية مع دوران عالي السرعة. يخضع سائل الفسفرة لعملية تفريغ عند درجة حرارة عالية لإزالة بقايا الفوسجين وحمض الهيدروكلوريك، مع استعادة الفوسجين عن طريق امتصاص درجة الحرارة المحيطة المضغوطة.

يتم تخزين محلول 16% من التولوينديامين وأورثو-ثنائي كلورو البنزين في الخزان 1، ويتم تغذيته بواسطة مضخة القياس 3 في الخلاط 7. يدخل محلول الفوسجين الغازي ومحلول استخلاص الفوسجين (الذي يحتوي على 25% فوسجين) إلى الخلاطات 9 و10، على التوالي، ويتم تسخينهما فوق 150 درجة مئوية بواسطة المسخن 8، ويتم خلطهما بسرعة مع محلول ثنائي الأمين في خط أنابيب منظم خصيصًا عند 150 درجة مئوية و0.1 ميجاباسكال. يتم تفريغ غاز حمض الهيدروكلوريك المتولد من أعلى الفاصل 5، بينما تدور المواد الأخرى بسرعة عالية بواسطة المضخة 6، برقم رينولدز أعلى من 10^6، وحجم دوران 50-100 ضعف كمية مخرجات TDI شبه الجاهزة. يخرج سائل الفوسفات من منطقة التفاعل إلى برج التفريغ 11 عند درجة حرارة 150-200 درجة مئوية و0.1 ميجا باسكال، مع فترة بقاء تتراوح من 30 دقيقة إلى ساعة واحدة. يتم تكثيف الغاز المختلط من الفوسجين والمذيبات وحمض الهيدروكلوريك الذي يتم تفريغه من أعلى برج التفريغ في مكثف 12، مع إرجاع 10% من المذيب إلى منطقة التفاعل. يطلق الجزء السفلي من برج التفريغ محلول تولوين ثنائي إيزوسيانات-أورثو-ثنائي كلوروبنزين مع كلور متحلل مخفض إلى 0.03%.

يتم ضغط غاز الفوسجين-حمض الهيدروكلوريك غير المكثف من المكثف 12 إلى 0.5MPa بواسطة الضاغط 15، ويدخل إلى قاع برج امتصاص الفوسجين 16 عند 20 درجة مئوية، مع امتصاص المادة الموجودة بالداخل للفوسجين وإطلاق الحرارة، مما يرفع درجة الحرارة السفلية إلى 50 درجة مئوية. للحفاظ على درجة حرارة البرج، يتم تدوير مياه التبريد بدرجة حرارة 10 درجة مئوية. يدخل سائل الامتصاص السفلي الذي يحتوي على 25% فوسجين إلى الخزان 17، في حين تتم إعادة تدوير الفوسجين غير الممتص عن طريق التجميد عند درجة حرارة 0-5 درجة مئوية، مع حمض الهيدروكلوريك المفرغ الذي يحتوي على 10 ملجم/كجم فوسجين فقط، ويتم إرساله إلى قسم إنتاج حمض الهيدروكلوريك.