Tecnología química óptica: proceso de producción por lotes de calderas

El método por lotes en caldera se utilizó en las primeras etapas de la producción industrial de isocianatos. Sus características incluyen un proceso simple, fácil dominio de la tecnología e idoneidad para la producción en lotes pequeños. Sin embargo, tiene desventajas como la baja utilización de equipos, largos ciclos de producción, bajo rendimiento del producto, calidad inestable, alto consumo de materia prima, alta intensidad de mano de obra y malas condiciones de seguridad.

El proceso consta principalmente de cuatro partes: un sistema de fosgenación en frío, un sistema de fosgenación en caliente, un sistema de destilación y un sistema de recuperación y destrucción del exceso de fosgeno.

En otro proceso de método discontinuo, la reacción de fosgenación fría y la reacción de fosgenación caliente se combinan en un único reactor para superar la dificultad de transportar la suspensión amarilla producida por la reacción de fosgenación fría. Sin embargo, este proceso tiene una mayor pérdida de energía porque tanto las reacciones "frías" como las "calientes" ocurren en la misma caldera.

El proceso de producción por lotes generalmente sigue estos pasos:

1. Preparación de solución de amina y solución de fosgeno.

Disolver compuestos de diamina o poliamina en un disolvente, generalmente utilizando disolventes inertes de hidrocarburos aromáticos como clorobenceno, o-diclorobenceno, tolueno, xileno, etc., siendo el o-diclorobenceno el más utilizado. Esto se debe a que el o-diclorobenceno tiene un alto punto de ebullición, lo que permite temperaturas más altas en el proceso de fosgenación en caliente, acelerando así la reacción. La cantidad de disolvente es de 5 a 10 veces la masa de los compuestos de amina. El fosgeno es absorbido por el disolvente a bajas temperaturas para formar una solución de aproximadamente el 20% al 25%. La temperatura se mantiene por debajo 0°C.

2. Reacción de fosgenación en frío

En la caldera de fosgenación fría, se utiliza una solución de fosgeno del 20% al 25% a menos 0°C está preparado. La relación molar de fosgeno a amina es de 1 a 5. Luego, se añade gota a gota la solución de amina a una temperatura inferior 70°C con agitación, manteniendo la reacción durante unos 30 minutos. Los productos de la reacción son suspensiones amarillas de cloruro de carbamoílo y clorhidrato de amina. La reacción a baja temperatura entre la amina y el fosgeno es exotérmica y ocurre muy rápidamente, liberando una gran cantidad de calor instantáneamente. Es necesario un equipo de intercambio de calor suficiente para eliminar rápidamente el calor de la reacción y garantizar el buen progreso de la reacción de fosgenación en frío. El calor liberado durante la etapa de reacción a baja temperatura es de aproximadamente 8,368 kJ/mol de amina. Se requieren medidas como el uso de soluciones diluidas, agitación vigorosa y un exceso de fosgeno para minimizar la producción de derivados de urea durante la reacción a baja temperatura. La dispersión y finura de los materiales afectan directamente a la posterior reacción de fosgenación en caliente y al rendimiento global del producto.

3. Reacción de fosgenación caliente

La mezcla de reacción de fosgenación fría se transfiere a la caldera de fosgenación caliente. Bajo agitación vigorosa, se aumenta gradualmente la temperatura mientras se añade más fosgeno si es necesario. La mezcla de reacción se mantiene a una temperatura de 100°C a 180°C durante aproximadamente 1 a 2 horas hasta que la suspensión se descomponga por completo en un líquido marrón transparente. La temperatura de reacción está determinada por el punto de ebullición del disolvente utilizado, normalmente controlado por debajo del punto de ebullición del disolvente. Si se utiliza clorobenceno como disolvente, la temperatura final para la fosgenación en caliente es 120°C. La velocidad de calentamiento es crucial durante la fosgenación en caliente, generalmente controlada para aumentar lentamente la temperatura a aproximadamente 100°C en 2 horas. Una velocidad de calentamiento rápida dará como resultado una pérdida significativa de fosgeno, lo que afectará directamente la reacción posterior entre los compuestos de sal de amonio y el fosgeno, reducirá el rendimiento y aumentará los precipitados insolubles. Incluso con una gran cantidad adicional de fosgeno posterior resulta difícil hacer transparente el líquido de reacción. Para superar la pérdida sustancial de fosgeno debido a la vaporización durante el proceso de fosgenación en caliente, en la práctica, la válvula de salida detrás del condensador de la caldera de fosgenación caliente está parcialmente cerrada para operar la caldera de fosgenación caliente bajo presión. Esto eleva el punto de ebullición del fosgeno, provocando que refluya mientras se expulsa continuamente cloruro de hidrógeno, asegurando suficiente fosgeno para la reacción. Sin embargo, operar bajo presión requiere estándares de seguridad más altos para el equipo.

4. Extracción y destilación de gases

Utilice un gas inerte (como nitrógeno o metano) para eliminar el fosgeno residual y algo de HCl gaseoso de la mezcla de reacción dentro de un rango de temperatura por debajo del punto de ebullición del disolvente (100°C a 200°C). Esto generalmente se hace a presión atmosférica, pero a veces bajo presión, aumentando la presión de la operación de extracción a 0,26 a 0,28 MPa (usando clorobenceno como solvente) y la temperatura de extracción a 175°C a 180°C. La práctica ha demostrado que la extracción por presión tiene muchas ventajas: menor uso de nitrógeno, menor acidez (por debajo del 0,03% calculado como HCl). En otras palabras, debido a la alta temperatura de extracción, la extracción a presión elimina más completamente el fosgeno y el gas cloruro de hidrógeno en comparación con la extracción a presión atmosférica. El líquido de fosgenación libre de fosgeno y cloruro de hidrógeno se envía a un sistema de destilación al vacío para eliminar el disolvente y refinar el producto isocianato. El rendimiento global del producto de isocianato final es aproximadamente 90% basado en la amina.