Tecnologia Química Óptica - Processo de Produção em Lote de Chaleira

O método kettle batch foi utilizado nos estágios iniciais da produção industrial de isocianatos. Suas características incluem processo simples, fácil domínio da tecnologia e adequação para produção de pequenos lotes. No entanto, apresenta desvantagens como baixa utilização de equipamentos, longos ciclos de produção, baixo rendimento do produto, qualidade instável, alto consumo de matéria-prima, alta intensidade de mão de obra e más condições de segurança.

O processo consiste principalmente em quatro partes: um sistema de fosgenação a frio, um sistema de fosgenação a quente, um sistema de destilação e um sistema de recuperação e destruição do excesso de fosgênio.

Em outro processo de método descontínuo, a reação de fosgenação a frio e a reação de fosgenação a quente são combinadas em um único reator para superar a dificuldade de transporte da pasta amarela produzida pela reação de fosgenação a frio. No entanto, este processo tem maior perda de energia porque as reações “frias” e “quentes” ocorrem na mesma caldeira.

O processo de produção em lote geralmente segue estas etapas:

1. Preparação de solução de amina e solução de fosgênio

Dissolver compostos de diamina ou poliamina em um solvente, geralmente usando solventes inertes de hidrocarbonetos aromáticos, como clorobenzeno, o-diclorobenzeno, tolueno, xileno, etc., sendo o o-diclorobenzeno o mais comumente usado. Isso ocorre porque o o-diclorobenzeno possui alto ponto de ebulição, o que permite temperaturas mais elevadas no processo de fosgenação a quente, acelerando assim a reação. A quantidade de solvente é 5 a 10 vezes a massa dos compostos de amina. O fosgénio é absorvido pelo solvente a baixas temperaturas para formar uma solução de cerca de 20% a 25%. A temperatura é mantida abaixo 0°C.

2. Reação de Fosgenação a Frio

Na caldeira de fosgenação fria, uma solução de fosgênio de 20% a 25% abaixo 0°C está preparado. A proporção molar de fosgênio para amina é de 1 para 5. Em seguida, a solução de amina é adicionada gota a gota a uma temperatura abaixo 70°C com agitação, mantendo a reação por cerca de 30 minutos. Os produtos da reação são pastas amarelas de cloreto de carbamoíla e cloridrato de amina. A reação a baixa temperatura entre a amina e o fosgênio é exotérmica e ocorre muito rapidamente, liberando instantaneamente uma grande quantidade de calor. É necessário equipamento de troca de calor suficiente para remover prontamente o calor da reação e garantir o progresso suave da reação de fosgenação a frio. O calor liberado durante a etapa de reação em baixa temperatura é de cerca de 8,368 kJ/mol de amina. Medidas como o uso de soluções diluídas, agitação vigorosa e excesso de fosgênio são necessárias para minimizar a produção de derivados de uréia durante a reação em baixa temperatura. A dispersão e a finura dos materiais afetam diretamente a subsequente reação de fosgenação a quente e o rendimento global do produto.

3. Reação de Fosgenação a Quente

A mistura de reação de fosgenação fria é transferida para a caldeira de fosgenação quente. Sob agitação vigorosa, a temperatura é aumentada gradualmente enquanto se adiciona mais fosgênio, se necessário. A mistura de reação é mantida a uma temperatura de 100°C para 180°C por cerca de 1 a 2 horas até que a pasta se decomponha completamente em um líquido marrom transparente. A temperatura de reação é determinada pelo ponto de ebulição do solvente utilizado, normalmente controlado abaixo do ponto de ebulição do solvente. Se o clorobenzeno for usado como solvente, a temperatura final para a fosgenação a quente é 120°C. A taxa de aquecimento é crucial durante a fosgenação a quente, geralmente controlada para aumentar lentamente a temperatura até cerca de 100°C em 2 horas. Uma taxa de aquecimento rápida resultará em perda significativa de fosgênio, afetando diretamente a reação adicional entre os compostos de sal de amônio e o fosgênio, reduzindo o rendimento e aumentando os precipitados insolúveis. Mesmo com uma grande quantidade de fosgênio adicional posteriormente, é difícil tornar o líquido de reação transparente. Para superar a perda substancial de fosgênio devido à vaporização durante o processo de fosgenação a quente, na prática, a válvula de saída atrás do condensador da caldeira de fosgenação quente é parcialmente fechada para operar a caldeira de fosgenação quente sob pressão. Isto aumenta o ponto de ebulição do fosgênio, causando refluxo enquanto expele continuamente cloreto de hidrogênio, garantindo fosgênio suficiente para a reação. Contudo, operar sob pressão exige padrões de segurança mais elevados para o equipamento.

4. Decapagem e Destilação de Gás

Use um gás inerte (como nitrogênio ou metano) para retirar o fosgênio residual e algum gás HCl da mistura de reação dentro de uma faixa de temperatura abaixo do ponto de ebulição do solvente (100°C para 200°C). Isso geralmente é feito à pressão atmosférica, mas às vezes sob pressão, aumentando a pressão da operação de extração para 0,26 a 0,28 MPa (usando clorobenzeno como solvente) e a temperatura de extração para 175°C para 180°C. A prática tem demonstrado que a extração por pressão tem muitas vantagens: redução do uso de nitrogênio, menor acidez (abaixo de 0,03% calculado como HCl). Em outras palavras, devido à alta temperatura de extração, a extração por pressão remove mais completamente o fosgênio e o cloreto de hidrogênio gasoso em comparação com a extração por pressão atmosférica. O líquido de fosgenação isento de fosgênio e cloreto de hidrogênio é enviado para um sistema de destilação a vácuo para remover o solvente e refinar o produto isocianato. O rendimento global do produto isocianato final é de cerca de 90% com base na amina