Technologie chimique optique - Processus de production par lots en bouilloire

La méthode des lots en bouilloire a été utilisée dès les premiers stades de la production industrielle d’isocyanates. Ses caractéristiques incluent un processus simple, une maîtrise facile de la technologie et une aptitude à la production en petites séries. Cependant, il présente des inconvénients tels qu'une faible utilisation des équipements, de longs cycles de production, un faible rendement des produits, une qualité instable, une consommation élevée de matières premières, une intensité de travail élevée et de mauvaises conditions de sécurité.

Le processus se compose principalement de quatre parties : un système de phosgénation à froid, un système de phosgénation à chaud, un système de distillation et un système de récupération et de destruction du phosgène en excès.

Dans un autre procédé discontinu, la réaction de phosgénation à froid et la réaction de phosgénation à chaud sont combinées dans un seul réacteur pour surmonter la difficulté de transport de la suspension jaune produite par la réaction de phosgénation à froid. Cependant, ce processus entraîne une perte d'énergie plus élevée car les réactions « froides » et « chaudes » se produisent dans la même bouilloire.

Le processus de production par lots suit généralement ces étapes:

1. Préparation de la solution d'amine et de la solution de phosgène

Dissoudre les composés diamines ou polyamines dans un solvant, généralement en utilisant des solvants inertes d'hydrocarbures aromatiques tels que le chlorobenzène, l'o-dichlorobenzène, le toluène, le xylène, etc., l'o-dichlorobenzène étant le plus couramment utilisé. En effet, l'o-dichlorobenzène a un point d'ébullition élevé, ce qui permet des températures plus élevées dans le processus de phosgénation à chaud, accélérant ainsi la réaction. La quantité de solvant est de 5 à 10 fois la masse des composés aminés. Le phosgène est absorbé par le solvant à basse température pour former une solution d'environ 20 à 25 %. La température est maintenue en dessous 0°C.

2. Réaction de phosgénation à froid

Dans la bouilloire froide de phosgénation, une solution de phosgène de 20 à 25 % en dessous de 0°C est préparé. Le rapport molaire du phosgène à l'amine est de 1 à 5. Ensuite, la solution d'amine est ajoutée goutte à goutte à une température inférieure à 70°C sous agitation en maintenant la réaction pendant environ 30 minutes. Les produits de réaction sont des suspensions jaunes de chlorure de carbamoyle et de chlorhydrate d'amine. La réaction à basse température entre l’amine et le phosgène est exothermique et se produit très rapidement, libérant instantanément une grande quantité de chaleur. Un équipement d'échange thermique suffisant est nécessaire pour éliminer rapidement la chaleur de réaction et assurer le bon déroulement de la réaction de phosgénation à froid. La chaleur dégagée lors de l'étape de réaction à basse température est d'environ 8,368 kJ/mol d'amine. Des mesures telles que l'utilisation de solutions diluées, une agitation vigoureuse et un excès de phosgène sont nécessaires pour minimiser la production de dérivés d'urée au cours de la réaction à basse température. La dispersion et la finesse des matériaux affectent directement la réaction de phosgénation à chaud ultérieure et le rendement global du produit.

3. Réaction de phosgénation à chaud

Le mélange réactionnel de phosgénation froid est transféré dans la bouilloire de phosgénation chaude. Sous agitation vigoureuse, la température est progressivement augmentée tout en ajoutant davantage de phosgène si nécessaire. Le mélange réactionnel est maintenu à une température de 100°C à 180°C pendant environ 1 à 2 heures jusqu'à ce que la bouillie se décompose complètement en un liquide brun transparent. La température de réaction est déterminée par le point d'ébullition du solvant utilisé, généralement contrôlé en dessous du point d'ébullition du solvant. Si le chlorobenzène est utilisé comme solvant, la température finale pour la phosgénation à chaud est 120°C. La vitesse de chauffage est cruciale lors de la phosgénation à chaud, généralement contrôlée pour augmenter lentement la température jusqu'à environ 100°C dans les 2 heures. Une vitesse de chauffage rapide entraînera une perte importante de phosgène, affectant directement la réaction ultérieure entre les composés de sel d'ammonium et le phosgène, réduisant le rendement et augmentant les précipités insolubles. Même avec une grande quantité de phosgène supplémentaire ultérieurement, il est difficile de rendre le liquide réactionnel transparent. Pour surmonter la perte substantielle de phosgène due à la vaporisation pendant le processus de phosgénation à chaud, en pratique, la vanne de sortie derrière le condenseur de la bouilloire de phosgénation chaude est partiellement fermée pour faire fonctionner la bouilloire de phosgénation chaude sous pression. Cela augmente le point d'ébullition du phosgène, le faisant refluer tout en expulsant continuellement le chlorure d'hydrogène, garantissant ainsi suffisamment de phosgène pour la réaction. Cependant, fonctionner sous pression nécessite des normes de sécurité plus élevées pour les équipements.

4. Dégazage et distillation

Utilisez un gaz inerte (tel que l'azote ou le méthane) pour éliminer le phosgène résiduel et une partie du gaz HCl du mélange réactionnel dans une plage de température inférieure au point d'ébullition du solvant (100°C à 200°C). Cela se fait généralement à pression atmosphérique, mais parfois sous pression, augmentant la pression de l'opération de décapage à 0,26 à 0,28 MPa (en utilisant le chlorobenzène comme solvant) et la température de décapage à 175°C à 180°C. La pratique a montré que le stripping sous pression présente de nombreux avantages : consommation réduite d'azote, acidité plus faible (inférieure à 0,03 % calculé en HCl). En d’autres termes, en raison de la température de stripping élevée, le stripping sous pression élimine plus complètement le phosgène et le chlorure d’hydrogène gazeux que le stripping sous pression atmosphérique. Le liquide de phosgénation sans phosgène et sans chlorure d'hydrogène est envoyé vers un système de distillation sous vide pour éliminer le solvant et affiner le produit isocyanate. Le rendement global du produit isocyanate final est d'environ 90 % sur la base de l'amine.