CN102482205A - 在溶剂循环下制备异氰酸酯、优选二异氰酸酯和多异氰酸酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备异氰酸酯、优选二苯基甲烷系列的二异氰酸酯和多异氰酸酯(MDI)的方法,其中使胺与光气在液相中或在气相中反应形成相应的异氰酸酯,随后在至少两个步骤中除去溶剂,获得至少两种溶剂料流,对所述至少两种溶剂料流进行各自的处理,并将至少一部分所述溶剂料流循环。

Description

在溶剂循环下制备异氰酸酯、优选二异氰酸酯和多异氰酸酯的方法
本发明涉及一种制备异氰酸酯、优选二苯基甲烷系列的二异氰酸酯和多异氰酸酯(MDI)的方法,其中使优选溶解在溶剂中的胺与光气反应形成相应的异氰酸酯,随后在至少两个步骤中除去溶剂,获得至少两种溶剂料流,对所述至少两种溶剂料流进行各自的处理,并将至少一部分所述溶剂料流循环。
在文献中描述了通过胺与光气反应制备异氰酸酯的各种方法。胺在合适溶剂中的溶液一般与光气在相同溶剂中的溶液反应。从伯胺和光气制备有机异氰酸酯的方法描述在文献中,例如参见Ullmann’s Encyclopedia ofIndustrial Chemistry,第5版,A19卷,第390页起,VCHVerlagsgesellschaft mbH,Weinheim。
US-B 6,683,204描述了一种通过用光气使相应胺进行光气化反应制备单异氰酸酯和低聚异氰酸酯的混合物的方法,其中在惰性溶剂中的催化量的单异氰酸酯用作初始物料。加入胺,其通常溶解在溶剂中,所获得的反应混合物与光气反应。在后反应步骤之后,过量的光气和溶剂通常在30-80℃的温度被汽提出去,在冷凝器中冷凝,并一起返回后反应器。但是,此文献的教导没有涉及溶剂的所需纯度。
US-B 6,576,788公开了一种制备二苯基甲烷二异氰酸酯和多苯基多亚甲基多异氰酸酯的混合物的方法(所谓的聚合MDI),其中相应胺的混合物在溶剂存在下与光气进行两步反应,在第二工艺步骤中保持光气和氯化氢的所选择的比例。在胺与光气在溶剂中的两步反应之后,通过蒸馏从反应产物(MDI)分离出过量的光气、氯化氢和溶剂。同样,没有公开循环溶剂的所需纯度。
虽然在现有技术文献中一般没有具体提到,但是一般知道用于制备胺和光气溶液的已经蒸馏出来的溶剂可以循环。已经在二异氰酸酯的合成中使用过的溶剂的循环可能出于安全技术原因是存在问题的。如果水例如经由反应管中由腐蚀导致或引起的孔进入体系,则水与在异氰酸酯合成中作为离析物的光气反应。这种在水和光气之间的反应导致形成氯化氢,并且它(即盐酸)可以进而引起在装置中的其它腐蚀问题。
因此,本发明的一个目的是提供一种使用溶剂循环制备异氰酸酯的方法,其中在工艺中所用溶剂中的水的杂质量被减小到最少。本发明的另一个目的是尽可能减少在用于制备异氰酸酯的设备中的腐蚀效应。
本发明人发现此目的能通过一种连续制备异氰酸酯的方法实现,此方法包括:
(a)通过胺与光气使用溶剂反应制备含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液,
(b)从所述含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液在≥环境压力的压力下、优选在1-3巴绝对压力下、更优选在1-2巴绝对压力下分离粗异氰酸酯,得到粗异氰酸酯料流和第一溶剂料流,
(c)将至少一部分所述第一溶剂料流循环到制备步骤(a)中,
(d)在≤环境压力的压力下、优选在0.005-0.9巴绝对压力下分离粗异氰酸酯料流,得到经提纯的异氰酸酯料流和第二溶剂料流,
(e)任选地提纯至少一部分所述第二溶剂料流,得到水含量≤100ppm的第二种经提纯的溶剂料流,水含量优选≤50ppm,更尤其优选≤20ppm,基于第二种经提纯的溶剂料流的重量计,和
(f)将至少一部分所述第二种经提纯的溶剂料流循环到制备步骤(a)中。
本发明人发现当由于换热器、密封件、法兰、真空装置等泄露所导致的在第二溶剂料流中的水杂质的量是≥100ppm、优选≥50ppm、更尤其优选≥20ppm时,此料流在不经过进一步提纯就循环、即不除水的情况下,可能导致腐蚀问题。
根据本发明的一个实施方案,所述含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液是在步骤(a)中在液相中如下制备的:
(aa)制备胺在溶剂中的溶液,
(ab)提供光气,任选地作为在用于制备胺溶液的相同溶剂中的溶液提供,
(ac)将胺溶液与光气合并,和
(ad)使胺溶液与光气溶液反应形成含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液。
根据本发明的另一个实施方案,所述含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液是在步骤(a)中在气相中如下制备的:
(aa’)分别将光气和蒸气形式的胺加热到200-600℃的温度,并使光气与所述胺在反应室中连续地反应,
(ab’)使连续离开反应室的气体混合物经过溶剂,得到含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液。
根据本发明的另一个实施方案,在第二溶剂料流中的可能的水杂质是在步骤(e)中检测的,并且提纯至少一部分此料流以得到水含量≤100ppm的第二种经提纯的溶剂料流,水含量优选≤50ppm,更尤其优选≤20ppm,基于第二种经提纯的溶剂料流的重量计。在此之后,将至少一部分这种第二种经提纯的溶剂料流循环到步骤(a),分别循环到步骤(aa)中和/或循环到步骤(ab)或循环到步骤(ab’)中。
根据本发明,提供一种连续制备异氰酸酯的方法,其中要循环的溶剂是从含有异氰酸酯的反应溶液中在至少两个步骤中分离出来的。在第一步工艺步骤(b)中,第一溶剂料流是在蒸馏塔、精馏塔、蒸发塔、结晶罐、萃取塔或它们的组合中在≥环境压力的压力下从反应溶液分离出来的,并且获得第一溶剂料流。这种第一溶剂料流通常含有约90-99.5重量%的要循环的溶剂和约0.5-10重量%的所谓轻质沸腾物例如HCl、光气和四氯甲烷。因为本发明方法的步骤(b)在≥环境压力的压力下进行,所以泄露的空气将不会进入体系,并且在所述第一溶剂料流中的水杂质的含量通常<100ppm。因此,这种第一溶剂料流通常可以在不需要进一步除去最小痕量水的情况下循环。
根据本发明的另一个优选实施方案,在第一溶剂料流中的水杂质的量是通过腐蚀检测装置(如在DD 139 955中所述)和/或质谱仪和/或具有热导式检测器(TCD)的色谱体系监控的,并且如果水含量高于100ppm,则第一溶剂料流是通过蒸馏塔、精馏塔、蒸发塔、结晶罐、萃取塔或它们的组合提纯的,得到极性溶剂含量≤100ppm的第一种经提纯的溶剂料流,极性溶剂含量优选≤50ppm,更尤其优选≤20ppm,基于第一种经提纯的溶剂料流的重量计。将这种第一种任选的经提纯的溶剂料流循环到本发明方法的步骤(a),分别循环到步骤(aa)中和/或循环到步骤(ab)或循环到步骤(ab’)中。
在本发明方法的步骤(d)中,通常具有约20-75重量%异氰酸酯含量和约25-78重量%的溶剂含量的粗异氰酸酯料流在蒸馏塔、精馏塔、蒸发塔、结晶罐、萃取塔或它们的组合中在≤环境压力的压力下分离,并且获得第二溶剂料流和异氰酸酯料流。第二溶剂料流的溶剂含量通常是≥98重量%。因为不可避免的是泄露的空气进入在步骤(d)中使用的真空设备并且引起水在溶剂中的冷凝,所以第二溶剂料流含有相当量的水,通常>100ppm,基于第二种经提纯的溶剂料流的重量计。所以,根据本发明的一个优选实施方案,在第二溶剂料流中的水含量是通过腐蚀检测装置(如在DD 139 955中所述)和/或质谱仪和/或具有热导式检测器(TCD)的色谱体系监控的,并且如果此量高于基于第二溶剂料流重量计的>100ppm的阈值,则至少一部分所述第二溶剂料流进行提纯以获得极性溶剂含量≤100ppm的第二种经提纯的溶剂料流,极性溶剂含量是优选≤50ppm,更尤其优选≤20ppm,基于第二种经提纯的溶剂料流的重量计。将这种第二种经提纯的溶剂料流循环到本发明方法的步骤(a),分别循环到步骤(aa)中和/或循环到步骤(ab)或循环到步骤(ab’)中。
根据本发明的一个实施方案,对要循环的溶剂料流各自监控,并且如果在溶剂料流中的水含量高于100ppm的限定阈值水平,则这些料流各自进行提纯。有利的是,此方法允许溶剂再加料在单独的设备中再生,并使腐蚀尽可能少地出现。因为第一溶剂料流不含水,所以在此料流中所含的氯化氢不能水解并且不会引起在用于引导和任选提纯此料的管道和装置中的腐蚀问题。由于在用于本发明步骤(d)中的真空设备或装置中的可能泄露,所以第二溶剂料流可能含有一定量的水,当此溶剂料流被循环到步骤(a)中时这种水与光气反应。因为在此溶剂料流中的水含量是永久监控的,并且调节到低于100ppm的阈值水平,所以此溶剂料流可以在不引起腐蚀问题和不会导致以可检测水平形成不需要的副产物的情况下循环到步骤(a)中。
作为胺,可以原则上使用所有能按照合适方式与光气反应形成异氰酸酯的伯胺。所有的能与光气反应形成异氰酸酯的直链或支化、饱和或不饱和的脂族或脂环族或芳族的伯单胺或多胺在原则上是合适的。合适的胺的例子是1,3-丙二胺、1,4-丁二胺、1,5-五亚甲基二胺、1,6-六亚甲基二胺和相应的此系列的高级同系物,异佛尔酮二胺(IPDA),亚环己基二胺,环己胺,苯胺,亚苯基二胺,对甲苯胺,1,5-亚萘基二胺,2,4-或2,6-甲苯二胺或它们的混合物,4,4’-、2,4’-或2,2’-二苯基甲烷二胺或它们的混合物,以及上述胺和多胺的异构、低聚或聚合的衍生物。
在本发明的一个优选实施方案中,所用的胺是异构的伯二苯基甲烷二胺(MDA)或它们的低聚或聚合的衍生物,即二苯基甲烷二胺系列的胺。二苯基甲烷二胺及其低聚物或聚合物是例如通过用甲醛缩合苯胺获得的。这种低聚胺或聚胺或它们的混合物也可以在本发明的优选实施方案中使用。其它优选的胺是六亚甲基二胺、甲苯二胺和异佛尔酮二胺。
更优选用于本发明方法的胺是二苯基甲烷系列的二胺和多胺(MDA,单体、低聚和聚合的胺),2,4-和2,6-二氨基甲苯的重量比为80∶20的工业混合物(TDA,甲苯二胺),异佛尔酮二胺,以及六亚甲基二胺。
光气与上述胺的反应可以连续地进行,或者在一个或多个阶段中间歇地进行。光气化产生了相应的异氰酸酯,即二异氰酸酯基二苯基甲烷(MDI,单体、低聚和聚合的异氰酸酯)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)。本发明方法最优选用于制备二苯基甲烷系列(MDI)和甲苯二异氰酸酯(TDI)系列的二异氰酸酯和多异氰酸酯。
在本发明方法的步骤(a)中发生的异氰酸酯的制备操作是按照本领域技术人员公知的方式通过一种胺或者两种或更多种胺的混合物与超过化学计算量的光气在液相中或在气相中进行的。原则上可以使用其中伯胺或具有一个或多个伯氨基的两种或更多种伯胺的混合物与光气反应形成一种或多种具有一个或多个异氰酸酯基团的异氰酸酯的所有方法。
适用于制备异氰酸酯的所有溶剂可以用作溶剂。这些优选是惰性的芳族、脂族或脂环族的烃或它们的卤化衍生物。这些溶剂的例子是芳族化合物,例如单氯苯或二氯苯,例如邻-二氯苯,甲苯,二甲苯,萘衍生物例如四氢化萘或十氢化萘;具有约5-12个碳原子的链烷,例如己烷、庚烷、辛烷、壬烷或癸烷;环烷烃,例如环己烷;大部分惰性的酯和醚,例如乙酸乙酯或乙酸丁酯,四氢呋喃,邻苯二甲酸酯,二
Figure BDA0000137729860000061
烷或二苯醚。
根据本发明的一个实施方案,胺溶液与光气溶液的反应(步骤(ad))一般在20-240℃的温度和1-50巴的绝对压力下进行。这可以在一个或多个步骤中进行,光气通常按照化学计算量使用。在步骤(ac)中,胺溶液和光气溶液合并,优选使用静态混合元件或特定动态混合元件进行,然后使其经过一个或多个反应区,在这些反应区中混合物反应形成所需的异氰酸酯。
在步骤(ba)中从含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液任选地分离残余光气和氢气的步骤优选按照使得能获得残余光气含量<100ppm、优选<10ppm的脱光气化的粗异氰酸酯溶液的方式进行,所述残余光气含量是基于粗异氰酸酯溶液计。
根据本发明的一个优选实施方案,通过蒸馏分离粗异氰酸酯溶液的操作是按照适应在多步蒸馏顺序蒸馏中的溶剂和异氰酸酯的各自沸点的方式进行。这种顺序是现有技术公知的,例如对于TDI参见EP-A1371633和EP-A 1371634。
根据使用单氯苯作为溶剂制备MDI的优选情况,通过蒸馏进行的分离可以有利地按照使得将粗异氰酸酯溶液按两个步骤处理成含有基于含异氰酸酯的料流的重量计的至少95重量%、最优选至少97重量%异氰酸酯的底部产物的方式进行,然后将其优选在额外步骤中脱除低沸点物质。在第一步中,在粗异氰酸酯溶液中所含的溶剂的60-90%优选通过蒸馏在高于1400毫巴的绝对压力下和在110-170℃的底部温度下被分离出去,这些蒸气是在具有5-20个分离阶段和10-30%回流的蒸馏塔中处理,使得获得水含量<100ppm、优选<50ppm、最优选<10ppm的含溶剂的料流,基于含溶剂的料流的重量计。这种所谓的第一溶剂料流可以循环回步骤(a)中。
在第二提纯步骤中,将残余溶剂在60-1400毫巴的绝对压力和130-190℃的底部温度下分离到在底部产物中的残余含量为1-3重量%。这些蒸气也可以在具有5-20个分离阶段和10-40%回流的蒸馏塔中处理,从而获得具有特定水含量的第二种含溶剂的料流。在第二溶剂料流中的水含量如上所述进行监控,并且如果此量是基于第二溶剂料流的重量计高于>100ppm的阈值水平,则将至少一部分此第二溶剂料流在此料流被循环到步骤(a)中之前进行提纯以获得极性溶剂含量<100ppm的第二种经提纯的溶剂料流,基于第二溶剂料流的重量计。
下面通过附图和实施例更详细地说明本发明方法。
在图1中显示了本发明方法的例子。
实施例1
附图显示了第一和第二蒸馏塔1、3,它们配备有再沸器5、7和冷凝器9、11。第二蒸馏塔3配备有真空泵13。再沸器可以是在化学领域中常规的任何标准类型,部分地包括降膜蒸发器、强制循环蒸发器、槽沸腾(釜)式蒸发器、自然循环蒸发器等。冷凝器可以是在化学领域中常规使用的任何类型,包括顺流和逆流(回震(knock-back))冷凝器。此塔可以配备有在化学领域中常规使用的任何传质内件。这些部分地包括筛板、浮阀塔板、固定阀塔板以及结构化或无规的蒸馏填料。
光气化反应是按照现有技术进行的。胺与光气优选在液相中在溶剂溶液的存在下在液相中反应,或与光气直接在气相中与在所述反应的骤冷中使用的溶剂反应。
过量的光气、氯化氢和可水解的氯化物例如四氯甲烷被至少部分地通过本领域公知的方法除去。
所得的粗蒸馏进料15含有20-80重量%的溶剂和20-60重量%的异氰酸酯轻质沸腾物例如HCl、光气和低于0.5重量%的四氯甲烷。
将粗蒸馏进料15加入第一蒸馏塔1,第一蒸馏塔1在<1.4巴的绝对压力和100-180℃的底部温度下操作。第一溶剂料流17在此第一蒸馏塔1中从粗蒸馏料流15分离出来。第一溶剂料流17含有>95重量%的溶剂和<5重量%的HCl、光气和四氯甲烷。因为在第一蒸馏塔中的压力是>1.0巴绝对压力,所以泄露的空气和水将不会进入此塔。所以,含溶剂的料流17基本上不含痕量的水或其它极性质子溶剂,并可以在不经过进一步提纯的情况下循环。
含异氰酸酯的料流19含有25-90重量%的异氰酸酯和10-75重量%的溶剂,将含异氰酸酯的料流19加入第二蒸馏塔3。第二蒸馏塔3在60-900毫巴的绝对压力和130-180℃的底部温度下操作。在第二蒸馏塔3中,(不含溶剂的)经提纯的异氰酸酯料流21是作为底部产物获得的,第二溶剂料流23作为塔顶液体产物获得。因为第二蒸馏塔3在60-900毫巴的绝对压力下操作,此压力低于环境压力,所以第二溶剂料流23可以含有由泄露空气引起的痕量的水。因此,第一溶剂料流17和第二溶剂料流23在将至少一部分所述第一或第二溶剂料流循环之前分别进行处理。

Claims (9)

1.一种连续制备异氰酸酯的方法,此方法包括:
(a)通过胺与光气使用溶剂反应制备含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液,
(b)从所述含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液在≥环境压力的压力下分离粗异氰酸酯,得到粗异氰酸酯料流和第一溶剂料流,
(c)将至少一部分所述第一溶剂料流循环到步骤(a)中,
(d)在≤环境压力的压力下分离粗异氰酸酯料流,得到经提纯的异氰酸酯料流和第二溶剂料流,
(e)任选地提纯至少一部分所述第二溶剂料流,得到水含量≤100ppm的第二种经提纯的溶剂料流,基于第二种经提纯的溶剂料流的重量计,和
(f)将至少一部分所述第二种经提纯的溶剂料流循环到步骤(a)中。
2.权利要求1的方法,其中所述含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液是在在液相中如下制备的:
(aa)制备胺在溶剂中的溶液,
(ab)提供光气,任选地作为在用于制备胺溶液的相同溶剂中的溶液提供,
(ac)将胺溶液与光气合并,和
(ad)使胺溶液与光气溶液反应形成含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液。
3.权利要求1的方法,其中所述含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液是在气相中如下制备的:
(aa’)分别将光气和蒸气形式的胺加热到200-600℃的温度,并使光气与所述胺在反应室中连续地反应,
(ab’)使连续离开反应室的气体混合物经过溶剂,得到含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液。
4.权利要求1-3中任一项的方法,其中在步骤(e)中检测在第二溶剂料流中的水杂质,并且提纯至少一部分此料流以得到水含量<100ppm的第二种经提纯的溶剂料流,基于第二种经提纯的溶剂料流的重量计。
5.权利要求1-4中任一项的方法,其中在第二溶剂料流中的水杂质是通过腐蚀检测装置和/或质谱仪和/或具有热导式检测器(TCD)的色谱体系检测的。
6.权利要求1-5中任一项的方法,其中还包括步骤(ba),其中在步骤(b)之前从含有异氰酸酯和溶剂的反应溶液分离出氯化氢和过量的光气。
7.权利要求1-6中任一项的方法,其中步骤(e)是在蒸馏塔、精馏塔、蒸发塔、结晶罐、萃取塔或它们的组合中进行。
8.权利要求1-7中任一项的方法,其中溶剂是氯苯、二氯苯和/或甲苯。
9.权利要求1-8中任一项的方法,其中胺是选自:二苯基甲烷系列的二胺和/或多胺,2,4-和2,6-二氨基甲苯的重量比为80∶20的混合物,六亚甲基二胺,和/或异佛尔酮二胺。
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