CN101679222B - 生产甲苯二异氰酸酯的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了生产甲苯二异氰酸酯的方法，该方法包括形成包含被分散在甲苯二胺液相中的光气气泡的分散体，其中所述气泡具有小于1微米的平均直径；和使所述分散体经历光气化反应条件，从而至少一部分甲苯二胺发生光气化形成甲苯二异氰酸酯。还公开了用于进行甲苯二胺光气化的系统。

Description

生产甲苯二异氰酸酯的系统和方法
关于由联邦政府发起的研究或开发的声明不适用。
技术领域
本发明总地涉及甲苯二胺和光气的液相/气相反应以生产甲苯二异氰酸酯，更特别地涉及用于生产甲苯二异氰酸酯的装置和方法。本发明仍更具体地涉及采用反应物的高剪切混合的这种装置和方法。
背景技术
目前，甲苯二异氰酸酯(TDI)主要作为用于与多元醇反应形成聚氨酯的化学原料被生产。常规生产甲苯二异氰酸酯的一种方法包括(1)硝化，其涉及甲苯与硝酸和催化剂反应以形成二硝基甲苯；(2)氢化，其中二硝基甲苯与氢气和催化剂反应以形成甲苯二胺(TDA)异构体的混合物；(3)将TDA混合物蒸馏以生成间-TDA；和(4)光气化，其中间-TDA与光气反应以形成粗制TDI混合物。粗制TDI混合物然后可进行蒸馏以分离各种摩尔比的TDI异构体，诸如2，4-TDI和2，6-TDI的80∶20的混合物，被称为TDI(80/20)。在有些情况下，分离出纯的2，4-TDI和2，4-TDI和2，6-TDI的65∶35的混合物(被称为TDI(65/35))。TDI中的每个异氰酸酯官能团可与羟基反应以形成氨基甲酸酯链接。现有的用于生产甲苯二异氰酸酯混合物的方法的和生产设备特别地受到各种制约因素的影响，所述因素为诸如质量流限制，产品收率，工厂规模和能量消耗。因此，仍然需要改善甲苯二异氰酸酯的生产方法。
发明概述
根据本发明的某些实施方案，提供了生产甲苯二异氰酸酯的方法，该方法包括形成包含被分散在甲苯二胺液相中的光气气泡的分散体。被分散的气泡具有小于1微米的平均直径。所述方法还包括使分散体经历光气化反应条件，从而至少一部分甲苯二胺发生光气化以形成甲苯二异氰酸酯。在一些实施方案中，光气化反应条件包括小于约600kPa的压力和小于约200℃的温度。
根据本发明的某些实施方案，还提供了系统，该系统包括：至少一个高剪切混合装置，其被配置用于产生光气气泡在甲苯二胺液相中的分散体，其中得到的分散体具有小于1微米的平均气泡直径；泵，其被配置用于递送包含甲苯二胺的液体物流至高剪切混合装置；和容器，其被配置用于从高剪切混合装置接收所得分散体并用于保持预定的压力和温度。在一些实施方案中，高剪切混合装置包括具有转子尖端的转子/定子组，所述装置被配置用于在至少300L/h的流速和至少22.9m/sec的尖端速度下操作。这些和其它的实施方案和可能的优点在下文的详细说明和附图中变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的某些实施方案，用于生产甲苯二异氰酸酯的方法的工艺流程图。
图2是用于图1系统的实施方案中的多级高剪切器件的纵向剖视图。
优选方案详述
本文所公开的通过甲苯二胺的液相/气相光气化来生产甲苯二异氰酸酯的系统和方法采用了外部高剪切机械装置，以提供化学成分在高剪切装置和/或反应器中在受控环境下的快速接触和混合。高剪切装置减少了对反应的传质限制，从而增加总反应速率。
牵涉液体、气体和固体的化学反应依赖于动力学定律，其涉及时间、温度和压力来确定反应速率。如果希望两种或更多种不同相的原材料(例如固体和液体；液体和气体；固体、液体和气体)发生反应，控制反应速率的限制因素之一牵涉反应物的接触时间。在非均相催化反应的情况下，存在另外的速率限制因素：从催化剂表面除去已反应的产物从而使得该催化剂能够催化另外的反应物。反应物和/或催化剂的接触时间通常通过混合得以控制，所述混合操作提供在化学反应中所牵涉的两种或更多种反应物的接触。包括如本文所述的外部高剪切装置或混合器的反应器组件使得有可能降低传质限制，从而使得反应更密切地接近动力学极限。当反应速率加速时，停留时间可降低，从而增加可获得的处理量。产品收率由于高剪切系统和方法得以增加。作为替代，如果现有方法的产品收率是可接受的话，那么通过并入合适的高剪切来减少所需的停留时间可允许使用比传统方法更低的温度和/或压力。
生产甲苯二异氰酸酯的系统。
现在参考图1来描述高剪切生产系统，图1是用于通过甲苯二胺的光气化来生产甲苯二异氰酸酯的高剪切系统1的实施方案的工艺流程图。代表性系统的基础组件包括外部高剪切混合装置(HSD)40、容器10和泵5。如图1所示，高剪切装置位于容器/反应器10以外。这些部件中的每一个在下文中进行更详细的描述。管道21连接至泵5用于引入甲苯二胺的液体物流。管道13将泵5连接至HSD 40，以及管道18将HSD 40连接至容器10。管道22连接至管道13用于向甲苯二胺的物流引入光气。管道17被连接至容器10用于除去未反应的光气、甲苯二胺蒸气和其它的反应气体。如果需要，另外的部件或工艺步骤可被并入在容器10和HSD 40之间，或被并入到泵5或HSD 40的前面。例如，如果需要，管道16可连接至管道21或管道13，以提供多程操作。
高剪切混合装置。外部高剪切混合装置(HSD)40，有时也被称为高剪切混合器，被配置用于经由管道13接收进口物流，该进口物流包含甲苯二胺和光气。或者，HSD 40可被配置用于经由分开的进口管道(未示出)接收液体和气体反应物物流。尽管在图1中仅仅示出了一个高剪切装置，但是可理解的是，该系统的一些实施方案可具有以串联流或并联流方式布置的两个或更多个高剪切混合装置。HSD 40是一种机械装置，其采用一个或多个包括转子/定子组合的发生器，该转子/定子组合各自在定子和转子之间具有固定的缝隙。HSD 40的配置方式为使得其能够在流过该混合器的反应混合物中产生亚微米级(即直径小于1微米)和微米级的气泡。高剪切混合器包括外壳或外罩，从而可控制反应混合物的压力和温度。
高剪切混合装置基于它们混合流体的能力，一般被分为三大类。混合是使流体内的粒子或非均相物质的尺寸减小的过程。对于混合的程度或充分性的一个量度是混合装置产生的、使流体粒子碎裂的每单位体积的能量密度。基于被递送的能量密度将这些装置进行分类。具有足够的能量密度从而一致性地产生具有在亚微米至50微米范围内的粒径的混合物或乳液的三类工业混合器包括均化阀系统、胶体磨和高速混合器。在第一类高能量装置(被称为均化阀系统)中，待处理的流体在极高压下被泵送通过狭隙阀，进入具有更低压力的环境中。跨阀压差以及所得的涡流和空化作用将流体内的任何粒子进行破碎。这些阀系统最常被用在乳的均化中并且可获得在0-1微米范围内的平均粒度。
在能量密度系列的相对端，第三类装置被称为低能装置。这些系统通常具有在待处理流体的储器中以高速旋转的桨或流体转子，所述流体在许多更常见的应用中是食品。当在被处理流体中大于20微米的平均粒径是可接受的时候，这些低能系统通常被使用。
就被递送至流体的混合能量密度而言，介于低能装置和均质阀系统之间的是胶体磨，其被分在中等能量装置类别中。典型的胶体磨构造包括锥形的或碟形的转子，该转子通过被密切控制的转子-定子缝隙而与互补的液冷式定子分隔开，该转子-定子缝隙通常为0.0254毫米-10.16毫米(0.001-0.40英寸)。转子通常由电动马达通过直接传动或带机构进行驱动。因为转子高速旋转，所以其在转子的外表面和定子的内表面之间泵送流体，并且在缝隙中产生的剪切力对流体进行处理。许多经过适当调节的胶体磨在被处理流体中实现0.1-25微米的平均粒度。这些能力使得胶体磨适合于许多应用，所述应用包括胶体和油/水基乳化处理，诸如化妆品、蛋黄酱或硅氧烷/银汞齐形成所需的乳化处理，以及屋顶焦油混合。
通过测量马达能量(kW)和流体输出(L/min)可估算进入流体的能量输入近似值(kW/L/min)。尖端速度是转子尖端在每单位时间内运行的圆周距离。因此，尖端速度是转子直径和旋转频率的函数。尖端速度(例如，以每分钟米数表示)可如下计算：由转子尖端记录的圆周距离2πR(其中R是转子的半径(例如以米表示))乘以旋转频率(例如，以转数/分钟表示)。例如，胶体磨的尖端速度可超过22.9m/sec(4500ft/min)，并且可超过40m/sec(7900ft/min)。对于本公开的目的，术语“高剪切”是指能够达到超过5.1m/sec.(1000ft/min)的尖端速度并且需要外部机械驱动的动力装置以驱动能量进入待反应材料的物流内的机械式转子定子装置(例如胶体磨或转子/定子混合器)。例如，在HSD 40中，可实现超过22.9(4500ft/min)的尖端速度，并且可实现超过40的尖端速度。在一些实施方案中，HSD 40能够在至少22.9m/sec(4500ft/min)的公称尖端速度下以约1.5kW的能耗递送至少300L/h。
HSD 40将高的尖端速度与极小剪切缝隙相结合以在被处理的材料上产生显著的剪切。剪切量将根据流体粘度的不同而异。因此，在高剪切装置操作期间在转子的尖端处产生局部的高压和高温区域。在一些情况中，局部高压为约1034.2MPa(150,000psi)。在一些情况中，局部高温为约500℃。在一些情况中，这些局部压力和局部温度的升高可持续数纳秒或皮秒。在一些实施方案中，高剪切混合器的能量消耗大于1000W/m3。在实施方案中，HSD 40的能量消耗在约3000W/m3至7500W/m3的范围内。剪切速率是尖端速度除以剪切缝隙宽度(在转子和定子之间的最小间隙)。在HSD 40中产生的剪切速率可大于20,000s-1。在一些实施方案中，剪切速率为至少1,600,000s-1。在实施方案中，由HSD 40中产生的剪切速率为20,000s-1至100,000s-1。例如，在一个应用中，转子尖端速度为约40m/sec(7900ft/min)且剪切缝隙宽度是0.0254毫米(0.001英寸)，产生1,600,000s-1的剪切速率。在另一个应用中，转子尖端速度为约22.9m/sec(4500ft/min)并且剪切缝隙宽度为0.0254mm(0.001英寸)，产生约901,600s-1的剪切速率。
HSD 40能够将光气高度分散或传送进入包含甲苯二胺的主要液相中，从而使得至少一部分光气与甲苯二胺反应以生成包含甲苯二异氰酸酯的产品物流。在实施方案中，HSD 40包括胶体磨。适当的胶体磨例如由Works，Inc.Wilmington，NC和APV North America，Inc.Wilmington，MA生产。在一些情况下，HSD 40包括
Figure G2008800212332D00062
Works，Inc的Dispax
Figure G2008800212332D00063
可获得具有不同的进口/出口接头、马力、公称尖端速度、输出rpm和公称流速的几种型号。特定装置的选择将根据预定应用的具体处理量的要求而定，并且将根据得自高剪切混合器的出口分散体内的所需的气泡尺寸而定。
高剪切装置包括至少一个产生被施加于反应物上的机械力的旋转件。高剪切装置包括以一定间隙隔开的至少一个定子和至少一个转子。例如，转子可以是锥形的或碟形的并且可与具有互补形状的定子分隔开；转子和定子二者都可包括多个周边间隔的齿。在一些实施方案中，一个或多个定子是可调节的，从而在每个发生器(转子/定子组)的转子和定子之间获得所需的缝隙。在转子和/或定子内的凹槽可在交替阶段改变方向用于增加的涡流。每个发生器可由任何被配置用于提供必要旋转的合适的驱动系统所驱动。
在一些实施方案中，在定子和转子之间的最小间隙为约0.0254毫米到约3.175毫米(约0.001英寸到0.125英寸)。在某些实施方案中，在定子和转子之间的最小间隙为约1.524毫米(0.060英寸)。在某些构造中，在转子和定子之间的最小间隙为至少1.78毫米(0.07英寸)。由高剪切混合器产生的剪切速率可沿着流通道的纵向位置的不同而变化。在一些实施方案中，转子被设定为在与转子的直径和所需尖端速度相称的速度下旋转。在一些实施方案中，胶体磨在定子和转子之间具有固定的间隙。或者，胶体磨具有可调节的间隙。
在一些实施方案中，HSD 40包括单级分散室(即单一的转子/定子组合，单一发生器)。在一些实施方案中，高剪切装置40是多级串联的分散器并且包括多个发生器。在某些实施方案中，HSD 40包括至少两个发生器。在其它实施方案中，高剪切装置40包括至少三个高剪切发生器。在一些实施方案中，高剪切装置40是多级混合器，凭借其，剪切速率(其与尖端速度成正比并与转子/定子缝隙成反比)沿着流通道的纵向位置的不同而变化，这在下文中进一步进行描述。
在一些实施方案中，外部高剪切装置的每一级都具有可互换的混合工具，提供灵活性。例如，
Figure G2008800212332D00071
Works，Inc.Wilmington，NC和APVNorth America，Inc.Wilmington，MA的DR 2000/4 Dispax
Figure G2008800212332D00072
包括三级分散模块。该模块可包括最多三个转子/定子组合(发生器)，每一级具有细、中等、粗糙和超细的选择。这使得可产生具有所需气泡尺寸的较窄分布的分散体。在一些实施方案中，每一级采用超细发生器进行操作。在一些实施方案中，发生器组中的至少一个具有大于约5.08毫米(0.20英寸)的转子/定子最小间隙。在一些实施方案中，发生器组中的至少一个具有大于约1.778毫米(0.07英寸)的最小转子/定子间隙。在一些实施方案中，转子的直径为60毫米和定子的直径为64毫米，提供了约4毫米的间隙。
现在参见图2，提供了合适的高剪切装置200的纵向截面。高剪切装置200是包括三级或转子-定子组合220、230和240的分散装置。三个转子/定子组或发生器220、230和240沿着驱动输入250串连对准。第一发生器220包括转子222和定子227。第二发生器230包括转子223和定子228；第三发生器240包括转子224和定子229。对于每个发生器，转子由输入250进行可旋转式驱动并且围绕轴260按箭头265所示旋转。定子227被固定接合至高剪切装置的壁255。每个发生器具有剪切缝隙，该剪切缝隙是在转子和定子之间的距离。第一发生器220包括第一剪切缝隙225；第二发生器230包括第二剪切缝隙235；以及第三发生器240包括第三剪切缝隙245。在一些实施方案中，剪切缝隙225、235、245的宽度为约0.025毫米到10.0毫米。在一些实施方案中，所述方法包括采用其中缝隙225、235、245为约0.5毫米到约2.5毫米的高剪切装置200。在某些情况中，缝隙保持为约1.5毫米。或者，缝隙225、235、245的宽度对于发生器220、230、240而言是不同的。在某些情况下，第一发生器220的缝隙225大于第二发生器230的缝隙235，第二发生器230的缝隙235又大于第三发生器的缝隙245。如上所述，各级发生器可互换，提供了灵活性。
发生器220、230和240可包括粗糙、中等、细和超细的特征。转子222、223和224以及定子227、228和229可为有齿设计。每个发生器可包括两组或更多组转子-定子齿。转子222、223和224可包括围绕每个转子的周边进行周边间隔的多个转子齿。定子227、228和229可包括围绕每个定子的周边进行周边间隔的互补数目的定子齿。在实施方案中，转子的内径为约11.8厘米。在实施方案中，定子的外径为约15.4厘米。在某些实施方案中，三级中的每一级采用包括剪切缝隙为约0.025毫米到约3毫米的超细发生器进行操作。对于其中固体粒子将被发送通过高剪切装置200的应用，可选择剪切缝隙宽度用于减小粒度和增加粒子表面积。在一些实施方案中，分散器被配置为使得剪切速率将沿着流方向在纵向逐渐增加。例如，型号DR 2000/4包括皮带传动，4M发生器，PTFE密封圈，进口法兰25.4毫米(1英寸)清洁夹钳，出口法兰19mm(3/4英寸)清洁夹钳，2HP功率，7900rpm的输出速度，约300-700L/h的流量容力(水)(根据发生器的不同而异)，9.4-41m/sec(1850ft/min到8070ft/min)的尖端速度。
容器。容器或反应器10是任何类型的容器，其中多相反应可被波及到此以进行上述的转化反应。例如，可串连或并联地使用连续搅拌罐或半连续搅拌罐反应器、或一个或多个间歇式反应器。在一些应用中，容器10是塔式反应器。在其它应用中，容器10是管式反应器或多管式反应器。如果需要，在系统操作期间，至少一个进口管道15可被连接至容器10用于引入另外的甲苯二胺或光气、溶剂或其它材料。
反应器10可包括一个或多个以下部件：搅拌系统，加热和/或冷却设备，压力测量仪器，温度测量仪器，一个或多个注入点，和液面调节器(未示出)，这是反应容器设计领域已知的。例如，搅拌系统可包括马达驱动式混合器。加热和/或冷却设备可包括例如换热器。或者，因为大部分转化反应可在HSD 40内发生，因此容器10有时可主要起到储存容器的作用。虽然一般不那么理想，但是在一些应用中可省略容器10，特别是如下文进一步描述那样如果多个高剪切装置/反应器被串连使用时。
传热装置。除了上述的容器10的加热/冷却设备之外，用于加热或冷却工艺物流的其它的外部或内部传热装置也被考虑为处在图1所示的实施方案的变体内。用于一种或多种这种传热装置的一些合适的位置为：在泵5和HSD 40之间，在HSD 40和反应器10之间，和当系统1以多程模式运行时在容器10和泵5之间。这种传热装置的一些非限制性实例是本领域已知的壳式、管式、板式和盘管式换热器。
泵。泵5被配置用于连续操作或半连续操作，并且可以是任何适当的泵送装置，其能够提供大于203kPa(2个大气压)的压力，优选大于304kPa(3个大气压)的压力，从而允许受控物流流过HSD 40和系统1。例如，Roper 1型齿轮泵，Roper Pump Company(CommerceGeorgia)Dayton Pressure Booster Pump型号2P372E，Dayton ElectricCo(Niles，IL)是一个适当的泵。优选泵的所有接触部分包括不锈钢。在所述系统的一些实施方案中，泵5能够提供大于约2027kPa(20个大气压)的压力。除了泵5之外，在图1所示的系统内还可包括一个或多个另外的高压泵(未示出)。例如，增压泵，其可类似于泵5，可被包括在HSD 40和反应器10之间，用于助推压力进入容器10。作为另一个实例，补充的给料泵，其可能类似于泵5，可被包括在内，用于将另外的反应物引入到容器10中。作为另一个实施例，压缩机型泵可位于管道17和HSD 40之间，用于将来自容器10的未反应的光气再循环到高剪切装置的进口。
甲苯二异氰酸酯的生产。
在甲苯二异氰酸酯的生产操作中，将可分散的光气物流经由管道22引入到系统1中，并在管道13中与甲苯二胺液体物流合并。或者，光气可被直接供给到HSD 40内，而不是在管道13中与液体反应物物流(即甲苯二胺)合并。泵5可工作从而将液体反应物泵送通过管道21，并建立压力以及向HSD 40供料，提供贯穿整个高剪切混合器(HSD)40和高剪切系统1的受控流。在一些实施方案中，泵5使甲苯二胺物流的压力增加到大于203kPa(2个大气压)，优选大于约304kPa(3个大气压)。在一些实施方案中，该压力为约1013kPa(10大气压个)。
在泵送后，气体和液体反应物在HSD 40内混合，HSD 40用来产生光气在甲苯二胺中的细分散体。在一些实施方案中，其产生反应物的细混合物分散体。本文使用的术语“分散体”是指液化混合物，该液化混合物包含至少两个不容易混合和溶解在一起的可区分的物质(或“相”)。分散体包含连续相(或基质)，连续相在其中保持另一个相或物质的非连续的小滴、气泡和/或粒子。因此，术语分散体可能是指包括悬浮在液体连续相中的气泡的泡沫，其中第一液体的小滴分散在整个的包括与第一液体不混溶的第二液体的连续相中的乳液，和其中整个分布有固体粒子的连续液相。术语“分散体”包括其中整个分布有气泡的连续液相，其中整个分布有固体粒子(例如固体催化剂)的连续液相，其中整个分布有第二液体的小滴的第一液体的连续相(该第二液体的小滴实质上不溶于该连续相中)，和其中整个分布有固体粒子、不溶混的液滴和气泡中的任一项或其组合的液相。因此，分散体有时可作为均匀混合物存在(例如液/液相)，或作为非均匀混合物存在(例如气/液、固/液、或气/固/液)，根据被选择用于组合的材料的性质的不同而异。
在HSD 40中，光气和甲苯二胺被高度分散，从而使得形成气体反应物的纳米级气泡、亚微米级气泡和/或微米级气泡，用于更好地溶解在溶液中和用于增强反应物混合。例如，可使用分散器型号DR2000/4，其是被配置为具有串连对准的三组转子-定子的高剪切、三级分散装置，用来获得光气在包含甲苯二胺的液体介质中的分散体(即“反应物”)。例如，转子/定子组可如图2所示被配置。对于一些应用，发生器的旋转方向可与箭头265所示方向相反(例如围绕旋转轴260以顺时针方向或反时针方向旋转)。被合并的反应物经由管道13进入高剪切混合器并进入具有周边间隔的第一级剪切开口的第一级转子/定子组合。在一些应用中，进入进口205的反应物物流的流向对应于旋转轴260。离开第一级的粗分散体进入具有第二级剪切开口的第二级转子/定子组合。从第二级产生的气泡尺寸被降低的分散体进入具有第三级剪切开口的第三级转子/定子组合。分散体经由管道18离开高剪切混合器。在一些实施方案中，剪切速率沿着流方向在纵向逐渐增加。例如，在一些实施方案中，在第一级转子/定子组合中的剪切速率大于在随后的一级或多级中的剪切速率。在其它实施方案中，剪切速率沿着流的方向大体上是恒定的，在每一级或多级内的剪切速率大体上是相同的。如果高剪切混合器包括PTFE密封，则该密封可采用例如本领域已知的任何适当技术进行冷却。例如，在管道13内流动的反应物物流可被用来冷却密封并且在这种情况下在进入高剪切混合器之前根据需要将反应物物流进行预热。
HSD 40的转子可被设定为在与转子的直径和所需的尖端速度相称的速度下旋转。如上所述，高剪切混合器(例如胶体磨)在定子和转子之间具有固定间隙或者具有可调节的间隙。HSD 40用来密切地混合气体和液体反应物。在该方法的一些实施方案中，通过高剪切混合器的操作，反应物的传送阻力被降低，从而使得反应速度提高超过约5倍。在一些实施方案中，反应速度提高至少10倍。在一些实施方案中，反应速度提高约10至约100倍。在一些实施方案中，HSD 40能够在至少22.9m/sec(4500ft/min)的公称尖端速度(可超过40m/sec(7900ft/min))下以约1.5kW的能量消耗递送至少300L/h。在一些实施方案中，混合物经历大于20,000s-1的剪切速率。
尽管测量在HSD 40内的旋转的剪切装置或旋转部件的末端处的瞬时温度和压力是困难的，但据估计，在空化条件下，从密切混合的反应物可见局部温度超过500℃以及压力超过500kg/cm2。高剪切混合获得微米级或亚微米级的光气气泡的分散体。在一些实施方案中，获得的分散体具有小于约1.5微米的平均气泡尺寸。因此，经由管道18离开HSD 40的分散体包括微米级和/或亚微米级(即平均直径小于1微米)的气泡。在一些实施方案中，平均气泡尺寸为约0.4微米至约1.5微米。在约1些实施方案中，平均气泡尺寸的直径小于1微米。在一些实施方案中，平均气泡尺寸小于约400纳米，为约200纳米到约400纳米，或者有时为约100纳米。在许多实施方案中，气泡能够在大气压力下保持被分散达至少15分钟。
每当存在适当的时间、温度与压力条件，即可发生甲苯二胺的光气化。在这种意义上讲，如果温度与压力条件有利时，反应可在如图1所示的HSD 40、容器10和泵5之间的路径中的任一点处发生。由于反应物的密切混合，大部分的化学反应可在HSD 40内发生。当被分散后，得到的甲苯二胺/光气分散体，以及任何甲苯二异氰酸酯产物，经由管道18离开HSD 40并且进入反应器10，如图1所示。因此，在一些实施方案中，反应器/容器10可主要用于加热和从甲苯二异氰酸酯产物中分离挥发性反应产物。作为替代，或者另外，容器10可充当其中生成大部分甲苯二异氰酸酯的初级反应容器。然而，如果适用的话，通常希望离散的容器/反应器，从而使得可增加搅拌以及加热和/或冷却本体反应物，以及增加停留时间。容器/反应器10可以连续流或半连续流的方式操作，或者可以间歇方式操作(例，连续搅拌罐或半连续搅拌罐)。使用加热和/或冷却设备(例如冷却盘管)和温度测量仪器使容器10的内容物保持在指定的反应温度。容器内的压力可使用合适的压力测量仪器进行监控，并且容器内反应物的水平面可使用液面调节器(为示出)进行控制，采用本领域技术人员已知的技术进行。内容物经历连续搅拌或半连续搅拌。根据需要采用外部加热和/或冷却传热装置以保持容器10内的所需温度。反应物的本体或总体操作温度希望被保持在低于它们的闪点。在一些实施方案中，系统1的操作条件包括约100℃到约230℃的温度。在一些实施方案中，温度为约160℃到180℃。在特定的实施方案中，容器10内的反应温度，特别地为约155℃到约160℃。在一些实施方案中，容器10内的反应压力为约203(2个大气压)到约5573kPa-6080kPa(55-60个大气压)。在一些实施方案中，反应压力为约811kPa(8个大气压)到约1520kPa(15个大气压)。
如果需要，分散体在进入容器10之前可进行进一步的处理。在容器10中，继续生成甲苯二异氰酸酯。反应器的内容物可进行连续搅拌或半连续搅拌，反应物温度可受到控制(例如使用换热器)，容器10内的液面可采用标准技术进行调节。甲苯二异氰酸酯可以连续方式、半连续方式或间歇方式产生，根据特定应用的要求而定。所产生的任何反应气体经由气体管道17离开反应器10。例如，该气体物流可包括未反应的光气或甲苯二胺蒸气、氮气和甲苯二异氰酸酯蒸气。经由管道17被除去的反应气体可经历进一步的处理，并且根据需要可将组分再循环。在一些情况中，管道17连接至管道13或HSD 40，使用压缩机类型的泵用于将未反应的气体(例如光气)返回到高剪切装置中。
包含未转化的液体甲苯二胺、甲苯二异氰酸酯、衍生物和副产物的反应产物物流经由管道16离开容器10。甲苯二异氰酸酯如本领域技术人员已知的那样被回收并经历进一步的加工或处理。例如，其可充当其中其与多元醇反应以形成聚氨酯的工艺的原料。
多程操作。在图1所示的实施方案中，所述系统被配置用于单程操作，其中得自反应器10的输出物直接经历进一步的处理，用于回收甲苯二异氰酸酯产品。在一些实施方案中，可能希望使容器10的内容物或包含未反应的甲苯二胺的液体级分第二次经过HSD 40。在该情况下，管道16被连接至管道21，从而使得得自容器10的再循环物流通过泵5被泵入管道13中，并从而进入HSD 40内。另外的光气可经由管道22被注入管道13内，或者可被直接加入到高剪切装置内。
多个高剪切混合装置。在一些实施方案中，两个或更多个高剪切装置如HSD 40或不同构型的高剪切装置被串连对准，并被用于进一步增强反应。它们可以间歇方式或连续方式进行操作。在一些其中希望单程或“一回”方法的情况中，使用多个串联的高剪切装置也是有利的。在一些其中多个高剪切装置串连操作的实施方案中，可省略容器10。当多个高剪切装置串连操作时，可将另外的反应物注入到每个高剪切装置的进口物料物流内。在一些实施方案中，多个高剪切装置40平行操作，并且得自它们的出口分散体被引入到一个或多个容器10中。
通过HSD 40所施加的反应物混合被增强可能导致在所述方法的各种实施方案中实现甲苯二胺的更大的光气化。在一些实施方案中，混合被增强导致工艺物流的处理量增加。在一些实施方案中，高剪切混合装置被收入已确立的工艺中，从而使得产量增加(即处理量更大)。与试图通过简单增加反应器压力来增加光气化程度的一些方法相对比，由外部高剪切混合所提供的优异的分散和/或溶解使得在许多情况下总体操作压力降低，同时保持或甚至增加反应速率。尽管不希望束缚于特定的理论，据信高剪切混合水平或程度足够增加传质速率，并且还产生局部的非理想状态，这些状态使得基于吉布斯自由能理论预测时不会发生的反应得以发生。局部的非理想状态被认为在高剪切装置内发生，导致温度和压力增加，相信最显著增加的是局部压力。在高剪切装置内，压力和温度的增加是瞬间的和局部的，并且当离开高剪切装置时迅速地恢复回到本体或平均系统条件。在一些情况中，高剪切混合装置诱导具有足够强度的空化作用，从而使反应物中的一种或多种离解形成自由基，其可加强化学反应或使得反应在比通常所需的严格程度更低的条件下发生。空化作用还通过产生局部湍流度和液体微循环(声流)而增加转运过程的速率。关于在化学/物理加工应用中采用空化现象的综述提供于Gogate等人的Cavitation：A technologyon the horizon，”Current Science 91(No.1)：35-46(2006)中。本发明的系统和方法的某些实施方案的高剪切混合装置在被认为是在空化条件下进行操作，该空化条件有效地使光气和甲苯二胺离解形成自由基，其然后形成甲苯二异氰酸酯产物。
在一些实施方案中，甲苯二异氰酸酯产物的生成被加速。例如，在一些实施方案中，外部高剪切装置提供增强的时间、温度与压力条件，导致在多相反应物之间的化学反应被加速。在一些实施方案中，高剪切方法使得有可能减小传质限制，从而增加反应速率并且有可能降低反应器的温度，降低反应器压力，减少接触时间，和/或增加产品收率。本文所公开的方法的一些实施方案与目前用于生产甲苯二异氰酸酯的许多其它方法相比提供了最佳的时间、温度与压力条件，并且无需更大体积的反应器并且回收基本上未转化的甲苯二胺。在一些实施方案中，本文所述的系统和方法使得可进行比先前不使用外部高剪切混合装置40的可能方法进行更小和/或更低的资本密集方法的设计。本公开的方法的某些实施方案的可能的优点是比现有方法具有降低的生产成本和增加的产量。本公开方法的某些实施方案另外提供的优点是关于新工艺设计的投资成本降低。在实施方案中，将光气分散进入甲苯二胺液相降低了在产品物流中的未反应的甲苯二胺的量。本发明的用于生产甲苯二异氰酸酯的系统和方法的一些实施方案的其它可能的优点包括但不限于：循环时间更快，处理量增加，转化率更高，由于设计了更小的反应器所导致的操作成本降低和资本消耗减少，由于在更低温度和/或更低压力下进行工艺的操作所导致的操作成本降低和资本消耗降低。
尽管已经显示和描述了本发明的优选方案，但是可由本领域技术人员对其进行修饰而不脱离本发明的精神和教导。本文所述的实施方案只是示例性的，而非限制性的。本文所公开的本文的许多变体和修饰是可能的并处于本发明的范围内。当清楚表明数值范围或限制时，这些表述范围或限制应被理解为包括落入所明确表述的范围或限制内的相同数量级的叠代范围和限制(例如约1至约10，包括2、3、4等；大于0.10包括0.11、0.12、0.13等)。使用更上位概念诸如包括、包含、具有等，应被理解为对更狭义的术语诸如由…组成、基本上包含、实质上包含等的支持。因此，本发明的保护范围不受上述说明书的限制，而只受权利要求书的限制，该保护范围包括权利要求所述主题的所有的等价体。每个原始的权利要求作为本发明的实施方案被并入本说明书中。因此，权利要求书是进一步的描述并且是本发明的优选方案的附加。本文引用的所有的专利、专利申请和出版物的公开作为参考并入本文，并入程度为它们为本文所述的那些提供了示例性的、程序上的或其它详细的补充。

Claims (15)

1.生产甲苯二异氰酸酯的方法，该方法包括：
在高剪切装置中在大于20,000s-1的剪切速率下形成分散体，所述高剪切装置含有齿状转子以及具有互补形状的定子，两者被0.025mm到10.0mm的剪切缝隙分隔开，其中所述剪切缝隙是在所述转子和定子之间的最小间隙，以及其中所述分散体包含被分散在甲苯二胺液相中的平均直径小于1微米的光气气泡；和
使分散体经历光气化反应条件，从而至少一部分所述甲苯二胺光气化以形成甲苯二异氰酸酯。
2.权利要求1的方法，其中所述反应条件包括小于600kPa的压力和小于200℃的温度。
3.权利要求1的方法，其中光气气泡具有小于400纳米的平均直径。
4.权利要求1的方法，其中光气气泡具有至多100纳米的平均直径。
5.权利要求1的方法，其中所述转子具有转子尖端，并且形成所述分散体包括使所述光气和所述甲苯二胺经历在至少22.9m/sec的尖端速度下的高剪切混合。
6.权利要求5的方法，其中所述转子尖端速度为至少40m/sec。
7.权利要求5的方法，其中所述高剪切混合在所述转子尖端处产生至少1034.2MPa的局部压力。
8.权利要求5的方法，其中形成所述分散体包括至少1000W/m3的能量消耗。
9.权利要求1的方法，其中通过高剪切混合器的操作，反应物的传送阻力被降低，从而使得反应速度提高超过5倍。
10.生产甲苯二异氰酸酯的系统，该系统包含：
至少一个高剪切混合装置，其被配置用于在大于20,000s-1的剪切速率下产生光气气泡在甲苯二胺液相中的分散体，其中该分散体具有小于1微米的平均气泡直径，其中所述高剪切混合装置含有齿状转子以及具有互补形状的定子，两者被0.025mm到10.0mm的剪切缝隙分隔开，其中所述剪切缝隙是在所述转子和定子之间的最小间隙；
泵，其被配置用于递送包含甲苯二胺的液体物流至所述高剪切混合装置；和
容器，其被配置用于从所述高剪切混合装置接收所述分散体和用于保持预定的压力和温度。
11.权利要求10的系统，其中所述高剪切混合装置包括具有转子尖端的转子/定子组，所述装置被配置用于在至少22.9m/sec的尖端速度下在至少300L/h的流速下操作。
12.权利要求11的系统，其中所述高剪切混合装置被配置用于在至少40m/sec的尖端速度下操作。
13.权利要求10的系统，其中所述高剪切混合装置被配置为提供大于1000W/m3的能量消耗。
14.权利要求10的系统，其中所述容器包含间歇式反应器。
15.权利要求10的系统，其中所述容器包括连续搅拌罐或半连续搅拌罐。
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