Introduction au processus chimique optique – Processus en une étape à haute température

Description générale du processus:

La réaction des amines primaires organiques avec le phosgène adopte généralement une méthode en deux étapes : la phosgénation à basse température et la phosgénation à haute température. Le but de la phosgénation à basse température est de permettre aux amines primaires organiques de former des sels d'ammonium (chlorhydrates) et des composés carbamoyle à basse température (c.-à-d. <70℃), réduisant les réactions secondaires. Cependant, l’intermédiaire produit après la phosgénation à basse température est une suspension jaune à haute viscosité, ce qui la rend difficile à transporter. De plus, la phosgénation à basse température est une réaction exothermique qui libère environ 155 kJ/mol de chaleur. Pour maintenir un état de basse température, une grande quantité de saumure réfrigérée est nécessaire pour éliminer la chaleur de réaction, garantissant ainsi la progression normale de la phosgénation à basse température. Par conséquent, l’inconvénient du procédé en deux étapes est la consommation d’énergie élevée et la nécessité de pompes doseuses pour transporter le liquide visqueux.

Le processus de phosgénation en une étape à haute température élimine l'étape de phosgénation à basse température, augmentant ainsi la vitesse de réaction et raccourcissant ainsi le cycle de réaction. Généralement, le chlorure de carbamoyle est stable en dessous de 70 ℃ mais se décompose en isocyanates et HCl au-dessus de 80 ℃:

R-NHCOCl→R-NCO+HCl

Les sels d'ammonium organiques peuvent également réagir directement avec le phosgène au-dessus de 80 ℃ pour former des isocyanates organiques.:

R-NH2·HCl+COCl2→R-NCO)+3HCl

Dans cette méthode, la température de réaction doit être contrôlée au-dessus de 80℃, généralement dans la plage de 120 à 200℃, pour obtenir un rendement élevé. La quantité de phosgène requise est inférieure à celle des procédés conventionnels. Si deux réacteurs connectés en série sont utilisés pour la phosgénation, l'excès de phosgène est minime, environ 5 à 20 %.

Ce processus peut être mené en continu dans deux réacteurs en acier résistant aux acides et capables de chauffer. Les réacteurs sont équipés d'agitateurs de type turbine, d'une entrée pour la solution de phosgène et d'amine, d'une sortie pour éliminer le mélange réactionnel et d'un condenseur à reflux pour éliminer le HCl et le phosgène résiduel produit pendant la réaction.

Processus spécifique:

Tout d’abord, une concentration de 15 % de solution d’amine est préchauffée à 100 ℃ et introduite simultanément avec du phosgène dans le premier réacteur. La température de réaction est contrôlée entre 120 et 160 ℃, la quantité de phosgène correspondant aux exigences théoriques pour l'amine organique. Lorsque le taux de conversion atteint 75 % à 88 %, le matériau déborde dans le deuxième réacteur, en maintenant la même température et en complétant avec du phosgène à hauteur de 5 % à 20 % des besoins théoriques. Dans le deuxième réacteur, lorsque le taux de conversion atteint 93 % à 96 %, le mélange réactionnel est transféré vers un collecteur et séché avec de l'azote gazeux pour éliminer le HCl et le phosgène.

L'isocyanate produit par cette méthode est d'une grande pureté. Après distillation sous vide pour éliminer une petite quantité d'impuretés et de solvant, la pureté de l'isocyanate peut atteindre plus de 99 %. Le solvant distillé initial contenant une petite quantité d’isocyanate est recyclé dans le premier réacteur, éliminant ainsi le besoin d’équipement de séparation et de nettoyage. L'excès de phosgène séparé des deux réacteurs peut être réutilisé après élimination du HCl.

Exemple de mise en œuvre:

Dans un réacteur résistant aux acides de 28,5 L avec un condenseur à reflux et un agitateur à turbine, préchauffé à 160℃ avec une solution saturée d'ortho-dichlorobenzène phosgène, une solution de 2,6-toluènediamine préchauffée à 100℃ est alimentée à 6 g/min et du phosgène à 9,6 g/min. Le matériau réactionnel déborde du premier réacteur dans le second, où le phosgène est complété à raison de 1,9 g/min, en maintenant une température de 160 ℃. Après purge à l'azote, la distillation sous vide donne du 2,6-toluène diisocyanate avec un rendement de 94 % (par rapport à l'amine) et une pureté de 99 %.

Un autre processus de production industrielle d'isocyanates utilisant la méthode à haute température en une étape est illustré dans le diagramme ci-dessous.

Ce processus consiste à réaliser la réaction de phosgénation dans des pipelines à 150 ℃ avec circulation à grande vitesse. Le liquide de phosgénation subit un dégazage à haute température pour éliminer le phosgène résiduel et le HCl, la récupération du phosgène étant effectuée par absorption sous pression à température ambiante.

Une solution à 16% de toluènediamine et d'ortho-dichlorobenzène est stockée dans la cuve 1, alimentée par la pompe doseuse 3 dans le mélangeur 7. Le phosgène gazeux et la solution de récupération de phosgène (contenant 25 % de phosgène) entrent respectivement dans les mélangeurs 9 et 10, chauffés au-dessus de 150 ℃ par le réchauffeur 8 et rapidement mélangés à la solution de diamine dans un pipeline spécialement structuré à 150 ℃ et 0,1 MPa. Le gaz HCl généré est évacué par le haut du séparateur 5, tandis que d'autres matériaux circulent à grande vitesse par la pompe 6, avec un nombre de Reynolds supérieur à 10^6 et un volume de circulation 50 à 100 fois supérieur à la quantité de TDI semi-fini. Le liquide de phosgénation sort de la zone de réaction dans la tour de dégazage 11 à 150-200℃ et 0,1MPa, avec un temps de séjour de 30 minutes à 1 heure. Le gaz mélangé de phosgène, de solvant et de HCl évacué du haut de la tour de dégazage est condensé dans le condenseur 12, avec 10 % de solvant refluant vers la zone de réaction. Le fond de la tour de dégazage libère une solution de diisocyanate de toluène-ortho-dichlorobenzène au chlore hydrolysé réduit à 0,03 %.

Le gaz phosgène-HCl non condensé provenant du condenseur 12 est comprimé à 0,5 MPa par le compresseur 15, entrant dans le fond de la tour d'absorption de phosgène 16 à 20 ℃, le matériau à l'intérieur absorbant le phosgène et libérant de la chaleur, élevant la température du fond à 50 ℃. Pour maintenir la température de la tour, une eau de refroidissement de 10 ℃ circule. Le liquide d'absorption inférieur contenant 25 % de phosgène entre dans le réservoir 17, tandis que le phosgène non absorbé est recyclé par congélation à 0-5℃, le HCl déchargé contenant seulement 10 mg/kg de phosgène, envoyé à la section de production d'acide chlorhydrique.