¿Cómo se sintetiza el TDI?

El tolueno diisocianato (abreviado como TDI) generalmente existe en dos formas isoméricas: 2,4-tolueno diisocianato y 2,6-tolueno diisocianato. Dependiendo de la ruta de síntesis o de las especificaciones de la materia prima, se pueden producir tres productos isoméricos diferentes: 2,4-tolueno diisocianato puro, conocido comercialmente como TDI-100; un producto que contiene 80% de 2,4-toluenodiisocianato y 20% de 2,6-toluenodiisocianato, conocido comercialmente como TDI-80; y un producto que contiene 65% de 2,4-toluenodiisocianato y 35% de 2,6-toluenodiisocianato, conocido comercialmente como TDI-65.

El tolueno diisocianato se sintetiza a partir de tolueno diamina y fosgeno. La toluenodiamina se sintetiza mediante reducción con hidrógeno del dinitrotolueno, que se obtiene de la nitración del tolueno.

(1) Síntesis de dinitrotolueno

Existen dos métodos para sintetizar dinitrotolueno (DNT): el método de nitración en dos pasos y el método de nitración en un paso. El primer método se describe a continuación.:

Utilizando tolueno como materia prima y un ácido mixto compuesto por 25%-30% de ácido nítrico y 55%-58% de ácido sulfúrico, la nitración se lleva a cabo a 35-45°C para obtener una mezcla de nitrotolueno, que contiene 35%-40% de para-nitrotolueno, 55%-60% de ortonitrotolueno y 2%-5% de meta-nitrotolueno. La mezcla se puede separar para obtener tres isómeros de nitrotolueno relativamente puros.

Para la producción de TDI-80, la mezcla de nitrotolueno se nitra adicionalmente con un ácido mixto que contiene 60% de ácido nítrico y 30% de ácido sulfúrico sin separación para producir dinitrotolueno con proporciones de isómeros de 80% de 2,4-DNT y 20% de 2,6. -DNT. Luego, el DNT crudo se lava secuencialmente en tres torres de lavado con agua (desionizada), álcali (agua con amoníaco) y agua para eliminar las impurezas de metales pesados ​​que podrían afectar la actividad y la vida útil del catalizador de hidrogenación en la etapa de reducción.

Para la producción de TDI-65, el ortonitrotolueno separado de la mezcla se nitra con un ácido mixto que contiene 60% de ácido nítrico y 30% de ácido sulfúrico a 60-65°C para producir una mezcla que contiene 65% de 2,4-DNT y 35% de 2,6-DNT.

Para la producción de TDI-100, el paranitrotolueno separado de la mezcla se nitra en las mismas condiciones para producir 100% 2,4-DNT.

El método de nitración en un solo paso para tolueno implica el uso de un ácido mixto compuesto por 64,0% de ácido sulfúrico, 27,2% de ácido nítrico y 8,8% de agua. La nitración se realiza a 60-65°C para obtener una mezcla de dinitrotolueno que contiene 80% de 2,4-DNT y 20% de 2,6-DNT.

(2) Reacción de reducción

El DNT se disuelve en metanol y se añade 2% (en masa) de catalizador de níquel Raney (Rancy Ni). Esta mezcla se alimenta continuamente a la torre de reacción bajo una presión de hidrógeno de 15-20 MPa a 100°C. Parte del producto de la reacción se recicla, mientras que el resto se destila tras eliminar el catalizador para obtener toluenodiamina (TDA). El consumo de catalizador está por debajo del 0,3%. Si el TDA contiene isómeros 2,3 y 3,4, afecta directamente el rendimiento de la etapa de fosgenación porque estos isómeros forman materiales resinosos durante la fosgenación, lo que reduce el rendimiento general de TDI. Por lo tanto, se requiere tratamiento químico o destilación para eliminar estos isómeros.

Cuando se utiliza un catalizador de vanadio-carbono, la reducción se puede realizar sin disolvente o utilizando agua o alcohol. Las condiciones de reducción de la hidrogenación son una presión de 1,0 MPa y una temperatura de 10-140°C, que son relativamente leves. Utilizando sistemas de Pd o Pt/C como catalizadores de hidrogenación, las condiciones son aún más suaves: una temperatura de 100°C y una presión de 1,0-2,0 MPa, con un tamaño de partícula del catalizador de 40 μm y una cantidad de uso de sólo una 180.000 parte del DNT, lo que indica una actividad catalítica muy alta. Dependiendo del catalizador de hidrogenación utilizado, las condiciones del proceso varían, con una tendencia general hacia la presión atmosférica, baja temperatura y catálisis de alta eficiencia. La reducción de polvo de hierro también se puede utilizar para producir toluenodiamina.

(3) Reacción de fosgenación

Las diaminas reaccionan con el fosgeno para sintetizar compuestos de diisocianato mediante procesos de caldera, torre, presurizados o de un solo paso a alta temperatura. El fosgeno se sintetiza a partir de cloro y monóxido de carbono. El disolvente utilizado en el proceso de fosgenación depende del producto. Industrialmente se utilizan monoclorobenceno u ortodiclorobenceno, que son hidrocarburos aromáticos clorados inertes. El monoclorobenceno tiene un punto de ebullición más bajo, lo que resulta en una menor pérdida de calor durante la destilación. El ortodiclorobenceno tiene un punto de ebullición más alto, lo que genera un mayor consumo de calor durante la destilación, pero permite reacciones más rápidas a temperaturas más altas.

Primero, la toluenodiamina fundida se disuelve en clorobenceno y reacciona con fosgeno a 35-45°C para la reacción a baja temperatura, seguida de una reacción a alta temperatura por debajo 130°C. Después de la reacción, el cloruro de hidrógeno se purga con nitrógeno para obtener el producto TDI.

Para mejorar el rendimiento del producto y reducir las reacciones secundarias, se puede utilizar un método de salazón. Esto implica hacer reaccionar el compuesto de diamina con HCl gaseoso seco antes de la fosgenación para formar una suspensión que contiene aproximadamente un 75% de clorhidrato de diamina, que luego se fosgena. Esto aumenta el rendimiento de isocianato al 97%. El fosgeno se puede utilizar en forma gaseosa o líquida, siendo el fosgeno gaseoso más seguro y el fosgeno líquido teniendo mayor pureza. La cantidad de fosgeno utilizada es 2-3 veces la cantidad teórica necesaria para TDA. El exceso de fosgeno es beneficioso para la reacción pero aumenta la carga de trabajo de la recuperación de fosgeno.

Existen requisitos estrictos para las especificaciones de las materias primas utilizadas en la producción de diisocianato de tolueno. Las impurezas como los sulfuros y los metales pesados ​​afectan la actividad del catalizador, y la humedad afecta la calidad del fosgeno y corroe el equipo, afectando aún más el rendimiento.