Comment le TDI est-il synthétisé ?

Le diisocyanate de toluène (en abrégé TDI) existe généralement sous deux formes isomères : le 2,4-diisocyanate de toluène et le 2,6-diisocyanate de toluène. En fonction de la voie de synthèse ou des spécifications des matières premières, trois produits isomères différents peuvent être produits : le diisocyanate de 2,4-toluène pur, connu commercialement sous le nom de TDI-100 ; un produit contenant 80 % de diisocyanate de 2,4-toluène et 20 % de diisocyanate de 2,6-toluène, connu commercialement sous le nom de TDI-80 ; et un produit contenant 65 % de diisocyanate de 2,4-toluène et 35 % de diisocyanate de 2,6-toluène, connu commercialement sous le nom de TDI-65.

Le diisocyanate de toluène est synthétisé à partir de toluène diamine et de phosgène. La toluène diamine est synthétisée par réduction par l'hydrogène du dinitrotoluène, obtenu à partir de la nitration du toluène.

(1) Synthèse du dinitrotoluène

Il existe deux méthodes de synthèse du dinitrotoluène (DNT) : la méthode de nitration en deux étapes et la méthode de nitration en une étape. La première méthode est décrite comme suit:

En utilisant du toluène comme matière première et un acide mixte composé de 25 à 30 % d'acide nitrique et de 55 à 58 % d'acide sulfurique, la nitration est effectuée à 35-45°C pour obtenir un mélange de nitrotoluène, contenant 35 à 40 % de para-nitrotoluène, 55 à 60 % d'ortho-nitrotoluène et 2 à 5 % de méta-nitrotoluène. Le mélange peut être séparé pour obtenir trois isomères du nitrotoluène relativement purs.

Pour la production de TDI-80, le mélange de nitrotoluène est ensuite nitré avec un acide mixte contenant 60 % d'acide nitrique et 30 % d'acide sulfurique sans séparation pour produire du dinitrotoluène avec des ratios d'isomères de 80 % de 2,4-DNT et de 20 % de 2,6. -DNT. Le DNT brut est ensuite lavé séquentiellement dans trois tours de lavage avec de l'eau (déminéralisée), un alcali (eau ammoniaquée) et de l'eau pour éliminer les impuretés de métaux lourds qui pourraient affecter l'activité et la durée de vie du catalyseur d'hydrogénation dans l'étape de réduction.

Pour la production du TDI-65, l'ortho-nitrotoluène séparé du mélange est nitré avec un acide mixte contenant 60 % d'acide nitrique et 30 % d'acide sulfurique à 60-65°C pour produire un mélange contenant 65 % de 2,4-DNT et 35 % de 2,6-DNT.

Pour la production du TDI-100, le para-nitrotoluène séparé du mélange est nitré dans les mêmes conditions pour produire 100 % de 2,4-DNT.

La méthode de nitration en une étape du toluène consiste à utiliser un acide mixte composé de 64,0 % d'acide sulfurique, 27,2 % d'acide nitrique et 8,8 % d'eau. La nitration est réalisée à 60-65°C pour obtenir un mélange de dinitrotoluène contenant 80 % de 2,4-DNT et 20 % de 2,6-DNT.

(2) Réaction de réduction

Le DNT est dissous dans du méthanol et 2 % (en masse) de catalyseur au nickel de Raney (Rancy Ni) sont ajoutés. Ce mélange est introduit en continu dans la tour de réaction sous une pression d'hydrogène de 15 à 20 MPa à 100°C. Une partie du produit de réaction est recyclée, tandis que le reste est distillé après élimination du catalyseur pour obtenir de la toluène diamine (TDA). La consommation du catalyseur est inférieure à 0,3 %. Si le TDA contient des isomères 2,3 et 3,4, cela affecte directement le rendement de l'étape de phosgénation car ces isomères forment des matières résineuses pendant la phosgénation, réduisant ainsi le rendement global en TDI. Par conséquent, un traitement chimique ou une distillation est nécessaire pour éliminer ces isomères.

Lorsqu'on utilise un catalyseur vanadium-carbone, la réduction peut être réalisée sans solvant, ou en utilisant de l'eau ou de l'alcool. Les conditions de réduction par hydrogénation sont une pression de 1,0 MPa et une température de 10-140°C, qui sont relativement doux. En utilisant des systèmes Pd ou Pt/C comme catalyseurs d'hydrogénation, les conditions sont encore plus douces : une température de 100°C et une pression de 1,0 à 2,0 MPa, avec une taille de particule de catalyseur de 40 μm et une utilisation ne représente qu'un 180 000ème du DNT, ce qui indique une activité catalytique très élevée. En fonction du catalyseur d'hydrogénation utilisé, les conditions du procédé varient, avec une tendance générale vers une catalyse à pression atmosphérique, à basse température et à haut rendement. La réduction de la poudre de fer peut également être utilisée pour produire de la toluène diamine.

(3) Réaction de phosgénation

Les diamines réagissent avec le phosgène pour synthétiser des composés diisocyanates à l'aide de procédés en bouilloire, en tour, sous pression ou à haute température en une étape. Le phosgène est synthétisé à partir du chlore et du monoxyde de carbone. Le solvant utilisé dans le processus de phosgénation dépend du produit. Industriellement, on utilise le monochlorobenzène ou l'ortho-dichlorobenzène, qui sont des hydrocarbures aromatiques chlorés inertes. Le monochlorobenzène a un point d’ébullition plus bas, ce qui entraîne moins de perte de chaleur lors de la distillation. L'orthodichlorobenzène a un point d'ébullition plus élevé, ce qui entraîne une consommation de chaleur plus élevée lors de la distillation, mais permet des réactions plus rapides à des températures plus élevées.

Tout d'abord, la toluène diamine fondue est dissoute dans le chlorobenzène et réagit avec le phosgène à 35-45°C pour la réaction à basse température, suivie d'une réaction à haute température ci-dessous 130°C. Après la réaction, le chlorure d'hydrogène est purgé avec de l'azote pour obtenir le produit TDI.

Pour améliorer le rendement du produit et réduire les réactions secondaires, une méthode de salage peut être utilisée. Cela implique la réaction du composé diamine avec du gaz HCl sec avant la phosgénation pour former une suspension contenant environ 75 % de chlorhydrate de diamine, qui est ensuite phosgénée. Cela augmente le rendement en isocyanate à 97 %. Le phosgène peut être utilisé sous forme gazeuse ou liquide, le phosgène gazeux étant plus sûr et le phosgène liquide ayant une pureté plus élevée. La quantité de phosgène utilisée est 2 à 3 fois la quantité théorique requise pour le TDA. Un excès de phosgène est bénéfique pour la réaction mais augmente la charge de travail de récupération du phosgène.

Il existe des exigences strictes concernant les spécifications des matières premières utilisées dans la production de diisocyanate de toluène. Les impuretés telles que les sulfures et les métaux lourds affectent l'activité du catalyseur, et l'humidité affecte la qualité du phosgène et corrode l'équipement, affectant ainsi davantage le rendement.