Introducción al proceso químico óptico: proceso de un solo paso a alta temperatura

Descripción general del proceso:

La reacción de aminas primarias orgánicas con fosgeno normalmente adopta un método de dos pasos: fosgenación a baja temperatura y fosgenación a alta temperatura. El propósito de la fosgenación a baja temperatura es permitir que las aminas primarias orgánicas formen sales de amonio (clorhidratos) y compuestos de carbamoilo a bajas temperaturas (es decir, <70 ℃), reduciendo las reacciones secundarias. Sin embargo, el intermedio producido después de la fosgenación a baja temperatura es una suspensión amarilla con alta viscosidad, lo que dificulta su transporte. Además, la fosgenación a baja temperatura es una reacción exotérmica que libera aproximadamente 155 kJ/mol de calor. Para mantener un estado de baja temperatura, se necesita una gran cantidad de salmuera enfriada para eliminar el calor de la reacción, asegurando el progreso normal de la fosgenación a baja temperatura. Por tanto, la desventaja del proceso de dos pasos es el alto consumo de energía y la necesidad de bombas dosificadoras para transportar el líquido viscoso.

El proceso de fosgenación de un solo paso a alta temperatura elimina la etapa de fosgenación a baja temperatura, lo que aumenta la velocidad de reacción y, por lo tanto, acorta el ciclo de reacción. Generalmente, el cloruro de carbamoilo es estable por debajo de 70 ℃ pero se descompone en isocianatos y HCl por encima de 80 ℃:

R-NHCOCl→R-NCO+HCl

Las sales de amonio orgánico también pueden reaccionar directamente con fosgeno por encima de 80 ℃ para formar isocianatos orgánicos.:

R-NH2·HCl+COCl2→R-NCO)+3HCl

En este método, la temperatura de reacción debe controlarse por encima de 80 ℃, normalmente dentro del rango de 120-200 ℃, para lograr un alto rendimiento. La cantidad necesaria de fosgeno es menor que en los procesos convencionales. Si para la fosgenación se utilizan dos reactores conectados en serie, el exceso de fosgeno es mínimo, aproximadamente del 5% al ​​20%.

Este proceso se puede realizar de forma continua en dos reactores de acero resistentes a los ácidos y capaces de calentarse. Los reactores están equipados con agitadores de tipo impulsor, una entrada para fosgeno y solución de amina, una salida para eliminar la mezcla de reacción y un condensador de reflujo para eliminar el HCl y el fosgeno residual producido durante la reacción.

Proceso específico:

Primero, se precalienta una concentración del 15 % de solución de amina a 100 ℃ y se alimenta simultáneamente con fosgeno al primer reactor. La temperatura de reacción se controla entre 120 y 160 ℃, y la cantidad de fosgeno coincide con el requisito teórico para la amina orgánica. Cuando la tasa de conversión alcanza del 75% al ​​88%, el material se desborda hacia el segundo reactor, manteniendo la misma temperatura y complementándose con fosgeno en una cantidad del 5% al ​​20% del requerimiento teórico. En el segundo reactor, cuando la tasa de conversión alcanza del 93% al 96%, la mezcla de reacción se transfiere a un colector y se seca con nitrógeno gaseoso para eliminar el HCl y el fosgeno.

El isocianato producido mediante este método es de alta pureza. Después de la destilación al vacío para eliminar una pequeña cantidad de impurezas y disolvente, la pureza del isocianato puede alcanzar más del 99%. El disolvente destilado inicial que contiene una pequeña cantidad de isocianato se recicla al primer reactor, eliminando la necesidad de equipos de separación y limpieza. El fosgeno sobrante separado de los dos reactores se puede reutilizar después de eliminar el HCl.

Implementación de ejemplo:

En un reactor resistente a los ácidos de 28,5 litros con un condensador de reflujo y un agitador de impulsor, precalentado a 160 ℃ con una solución saturada de orto-diclorobenceno fosgeno, se alimenta una solución de 2,6-toluendiamina precalentada a 100 ℃ a 6 g/min y fosgeno a 9,6 g/min. El material de reacción se desborda del primer reactor al segundo, donde se complementa con fosgeno a 1,9 g/min, manteniendo una temperatura de 160 ℃. Después de la purga con nitrógeno, la destilación al vacío produce 2,6-toluenodiisocianato con un rendimiento del 94 % (referido a la amina) y una pureza del 99 %.

En el siguiente diagrama se ilustra otro proceso de producción industrial de isocianatos que utiliza el método de alta temperatura en un solo paso.

Este proceso implica realizar la reacción de fosgenación en tuberías a 150 ℃ con circulación de alta velocidad. El líquido de fosgenación se desgasifica a alta temperatura para eliminar el fosgeno y el HCl residuales, y la recuperación del fosgeno se realiza mediante absorción a temperatura ambiente presurizada.

En el tanque 1 se almacena una solución al 16% de toluendiamina y ortodiclorobenceno, que se alimenta mediante la bomba dosificadora 3 al mezclador 7. El fosgeno gaseoso y la solución de recuperación de fosgeno (que contiene 25 % de fosgeno) ingresan a los mezcladores 9 y 10, respectivamente, se calientan por encima de 150 ℃ mediante el calentador 8 y se mezclan rápidamente con la solución de diamina en una tubería especialmente estructurada a 150 ℃ y 0,1 MPa. El gas HCl generado se descarga desde la parte superior del separador 5, mientras que otros materiales circulan a alta velocidad mediante la bomba 6, con un número de Reynolds superior a 10^6 y un volumen de circulación de 50 a 100 veces la cantidad de TDI semiacabado producido. El líquido de fosgenación sale de la zona de reacción hacia la torre de desgasificación 11 a 150-200 ℃ y 0,1 MPa, con un tiempo de residencia de 30 minutos a 1 hora. El gas mixto de fosgeno, disolvente y HCl descargado desde la parte superior de la torre de desgasificación se condensa en el condensador 12, con un 10% de disolvente a reflujo hacia la zona de reacción. El fondo de la torre de desgasificación libera una solución de diisocianato de tolueno-orto-diclorobenceno con cloro hidrolizado reducido al 0,03%.

El gas fosgeno-HCl no condensado del condensador 12 se comprime a 0,5 MPa mediante el compresor 15, ingresando al fondo de la torre de absorción de fosgeno 16 a 20 ℃, con el material en el interior absorbiendo fosgeno y liberando calor, elevando la temperatura del fondo a 50 ℃. Para mantener la temperatura de la torre, circula agua de refrigeración a 10 ℃. El líquido de absorción inferior que contiene 25 % de fosgeno ingresa al tanque 17, mientras que el fosgeno no absorbido se recicla mediante congelación a 0-5 ℃, con HCl descargado que contiene solo 10 mg/kg de fosgeno, enviado a la sección de producción de ácido clorhídrico.