CN112154137A - 制备脂族异氰酸酯的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备脂族异氰酸酯的方法。更具体地，本发明涉及一种高纯度异氰酸酯的制备方法，该方法可以有效地回收未反应的材料并将其再循环至反应步骤，并减少分离反应物时消耗的能量。
Description
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月18日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2018-0069825号的权益，其全部内容通过引用并入本文中。
本发明涉及一种制备脂族异氰酸酯的方法。更具体地，本发明涉及一种高纯度脂族异氰酸酯的制备方法，该方法可以有效地回收在光气化反应期间产生的未反应的材料并将其再循环至反应步骤，从而减少分离反应物时消耗的能量。
背景技术
虽然苯二亚甲基二异氰酸酯(xylylene diisocyanate(XDI))含有芳香环，但被分类为脂族异氰酸酯，并且它是一种对诸如在化学工业、树脂工业和涂料工业领域中的基于聚氨酯的材料、基于聚脲的材料或基于聚异氰脲酸酯的材料等的原料非常有用的化合物。
通常，当合成脂族异氰酸酯时，会产生许多副反应，因此，它是通过与无水盐酸或碳酸反应形成盐并将其与光气反应的方法制备的。例如，XDI是通过使苯二亚甲基二胺(xylylene diamine(XDA))与无水盐酸反应形成胺盐酸盐并将其与光气反应而制备的。更具体地说，在现有技术中，脂族异氰酸酯(如XDI)是通过使液体原料胺(例如，含XDA的溶液)与无水盐酸反应形成XDA-HCl盐，并将其加热至100℃以上的高温，然后引入气相光气进行气液反应而制备的。
这样，由于形成脂族异氰酸酯的反应是代表性的吸热反应，因此在高温加热下进行反应，并且在反应过程中需要连续加热和维持高温以提高产率。
然而，由于脂族异氰酸酯(如XDI)通常具有高的氨基反应性，因此在光气化反应期间产生许多副反应，并且通过副反应形成的杂质影响形成聚氨酯树脂的反应，从而引起树脂质量劣化。
如上所述，由于在脂族异氰酸酯的制备过程中需要保持高温，并且所产生的脂族异氰酸酯(如XDI)具有高反应性，因此人们越来越关注因产物的热变性而引起的副反应的产生或副产物的产生，并因此在纯化过程中经常产生高负荷。
发明内容
【技术问题】
本发明的目的是提供一种制备高纯度脂族异氰酸酯的方法，该方法可以在反应的后期有效地分离和回收未反应的材料并将其再循环至反应步骤，从而减少分离反应物时消耗的能量。
【技术方案】
因此，本发明的一个方面提供了一种制备脂族异氰酸酯的方法，包括以下步骤：
通过在溶剂存在下使脂族胺与光气反应来进行光气化反应；
在光气化反应步骤的反应混合物中分离作为产物的脂族异氰酸酯，并将包含氯化氢、未反应的光气和溶剂的混合物送至冷凝器进行冷凝；
将冷凝的混合物送至洗涤器，以将氯化氢排放至上段，并将未反应的光气和溶剂分离至下段；
将分离出的未反应的光气和溶剂送至蒸馏塔，以将未反应的光气回收至上段，并将溶剂分离至下段；和
将回收的未反应的光气引入光气化反应步骤中，并将分离至下段的溶剂送至所述洗涤器。
【有益效果】
根据本发明，可以从在光气化反应后以混合物形式排出的未反应的材料、溶剂和反应产物中有效地回收未反应的材料，并再循环至反应步骤，从而显著减少分离反应物时消耗的能量。
附图说明
图1示出了在根据本发明的一个实施方式的制备脂族异氰酸酯的方法中使用的设备。
具体实施方式
本文所使用的术语仅是为了解释特定的实施方式，而并不意欲限制本发明。除非明确指出或从上下文显而易见这并非意图，否则单数表达包括其复数表达。如本文所使用的，术语“包括”、“配备”或“具有”等旨在表示存在实践的特征、数字、步骤、构造要素或其组合，并且它们并不旨在排除以存在或增加一个或多个其他特征、数字、步骤、结构要素或其组合的可能性。
尽管可以对本发明进行各种修改，并且本发明可以具有各种形式，但是下面将详细说明和解释具体示例。然而，应当理解，这些并不旨在将本发明限制为特定公开，并且在不脱离本发明的精神和技术范围的情况下，本发明包括其所有修改、等同或替换。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种制备脂族异氰酸酯的方法，其包括以下步骤：通过在溶剂存在下使脂族胺与光气反应来进行光气化反应；在光气化反应步骤的反应混合物中分离作为产物的脂族异氰酸酯，并将包含氯化氢、未反应的光气和溶剂的混合物送至冷凝器进行冷凝；将冷凝的混合物送至洗涤器，以将氯化氢排放至上段，并将未反应的光气和溶剂分离至下段；将分离出的未反应的光气和溶剂送至蒸馏塔，以将未反应的光气回收至上段，并将溶剂分离至下段；和将回收的未反应的光气引入光气化反应步骤中，并将分离至下段的溶剂送至所述洗涤器。
在下文中，一个实施方式的制备方法将根据每个步骤进行说明。
首先，进行光气化反应步骤，其中使脂族胺和光气反应。
根据本发明的一个实施方式，光气化反应可以通过两个步骤进行，包括：第一步反应步骤，其中使脂族胺和氯化氢首先反应形成脂族胺盐，以及第二步反应，其中使脂族胺盐和光气反应，以抑制在脂族胺和光气反应期间产生的副反应和/或副产物的产生。
更具体地，第一反应步骤是其中通过使脂族胺与氯化氢反应的中和反应形成脂族胺盐的步骤，以抑制与光气的快速反应。用于形成盐的中和反应可以在例如20至80℃的温度下进行。
其中，可以使用的脂族胺没有特别限制，只要其具有脂族基团即可。特别地，脂族胺可以是链状或环状的脂族胺，更特别地，可以是分子中含有两个以上氨基的具有两个以上官能度的链状或环状的脂族胺。作为具体实例，可以提及六亚甲基二胺、2,2-二甲基戊二胺、2,2,4-三甲基己二胺、丁烯二胺、1,3-丁二烯-1,4-二胺、2,4,4-三甲基六亚甲基二胺、1,6,11-十一碳三胺、1,3,6-六亚甲基三胺、1,8-二异氰酸基-4-(异氰酸根合甲基)辛烷、碳酸双(氨基乙基)酯、双(氨基乙基)醚、苯二亚甲基二胺、α,α,α’,α’-四甲基苯二亚甲基二胺、邻苯二甲酸双(氨基乙基)酯、双(氨基甲基)环己烷、二环己基甲烷二胺、环己二胺、甲基环己二胺、二环己基二甲基甲烷二胺、2,2-二甲基二环己基甲烷二胺、2,5-双(氨基甲基)双环-[2,2,1]-庚烷、2,6-双(氨基甲基)双环[2,2,1]-庚烷、3,8-双(氨基甲基)三环癸烷、3,9-双(氨基甲基)三环癸烷、4,8-双(氨基甲基)三环癸烷、4,9-双(氨基甲基)三环癸烷或双(氨基甲基)降冰片烯等，并且可以使用它们中的一种或两种以上的混合物。同时，根据本发明的一个实施方式，苯二亚甲基二胺被分类为脂族二胺。
并且，作为脂族胺，也可以使用含硫的脂族胺，例如双(氨基甲基)硫化物，双(氨基乙基)硫醚，双(氨基丙基)硫醚，双(氨基己基)硫醚，双(氨基甲基)砜，双(氨基甲基)二硫醚，双(氨基乙基)二硫醚，双(氨基丙基)二硫醚，双(氨基甲硫基)甲烷，双(氨基乙硫基)甲烷，双(氨基乙硫基)乙烷，双(氨基甲硫基)乙烷，1,5-二氨基-2-氨基甲基-3-硫杂戊烷等。
在以上列出的脂族胺中，当将苯二亚甲基二胺应用于根据本发明的一个实施方式的脂族异氰酸酯的制备方法时，苯二亚甲基二胺可以表现出更加优异的效果。特别地，可以使用选自诸如间苯二亚甲基二胺、对苯二亚甲基二胺或邻苯二亚甲基二胺的苯二亚甲基二胺(XDA)中的一种或多种化合物。
接下来，进行第二反应步骤，其中使脂族胺盐和光气反应。
在脂族胺盐与光气反应期间，发生副反应，并且作为副产物，例如，产生单异氰酸酯，如氯甲基苄基异氰酸酯(CMBI)等。已知该副反应和副产物的产生是由于在脂族异氰酸酯的制备过程中必须保持高温以及所产生的脂族异氰酸酯(如XDI等)的高反应性等引起的。特别地，最终产物脂族异氰酸酯，如果暴露于高温一定时间，则会引起副反应或者形成聚合物形式的副产物。
因此，根据本发明的一个实施方式，当进行第二反应步骤时，可以形成脂族异氰酸酯，而光气不是一次性引入而是分开引入。
例如，当进行第二反应步骤时，在相对较低的温度下以相对少量第一次加入光气以产生中间体，然后在高温下第二次加入剩余量的光气的同时，使光气与中间体反应形成脂族异氰酸酯，但本发明不限于此。
例如，属于脂族异氰酸酯的苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)是由苯二亚甲基二胺与光气的反应形成的，首先，第一次引入少量光气并与苯二亚甲基二胺的盐反应从而产生基于氨基甲酰基的盐的形式的中间体。
随后，第二次引入剩余量的光气，使光气与基于氨基甲酰基的盐的形式的中间体反应以形成脂族异氰酸酯，如苯二亚甲基二异氰酸酯。
根据一个实施方式的方法，可以使最终产物脂族异氰酸酯暴露于高温热的时间最小化，此外，可以在相对低的温度的反应步骤中形成中间体，因此可以缩短整个反应过程中应当维持高温的时间。结果，在脂族异氰酸酯的制备过程中，可以显著减少副反应或副产物的产生。
另外，由于减少了整个过程中引入的卡路里，所以整个过程的成本也可以降低。因此，根据一个实施方式的制备方法，可以通过简单的制备过程以高收率制备高纯度的脂族异氰酸酯，此外，可以相对地减少光气的高温反应时间以降低光气爆炸性汽化的风险。
同时，第二反应步骤可以在沸点为100℃以上，更特别地为100至200℃的有机溶剂的存在下进行。当第二反应步骤在具有高沸点的溶剂存在下进行时，可以高收率制备高纯度脂族异氰酸酯。
并且，有机溶剂可以包括基于芳烃的有机溶剂和基于酯的有机溶剂中的至少一种。
特别地，基于芳烃的有机溶剂可以是基于卤代芳烃的有机溶剂，如一氯苯、1,2-二氯苯或1,2,4-三氯苯等。
并且，基于酯的有机溶剂可以是脂肪酸酯，如甲酸戊酯、乙酸正丁酯、乙酸异丁酯、乙酸正戊酯、乙酸异戊酯、乙酸甲基异戊酯、乙酸甲氧基丁酯、乙酸仲己酯、乙酸2-乙基丁酯、乙酸2-乙基己酯、乙酸环己酯、乙酸甲基环己酯、乙酸苄酯、丙酸乙酯、丙酸正丁酯、丙酸异戊酯、乙酸乙酯、硬脂酸丁酯、乳酸丁酯或乳酸戊酯等；以及芳族羧酸酯，如水杨酸甲酯、邻苯二甲酸二甲酯或苯甲酸甲酯等。
更特别地，所述有机溶剂可以包括沸点为100℃以上或者100℃至200℃的基于芳烃的有机溶剂和基于酯的有机溶剂中的至少一种。
这样，在有机溶剂的存在下进行光气化反应的情况下，脂族胺的盐可以以20体积％以下，例如1至20体积％或5至20体积％的浓度使用。如果脂族胺或其盐的浓度超过20体积％，则有可能会沉淀大量的胺盐酸盐的问题。
另外，上述光气化反应步骤可以在反应设备中间歇地或连续地进行，所述反应设备包括：配备有旋转轴的反应器；连接到反应器内部的反应物进料部；用于向反应器供应卡路里的热源；和用于收集反应器中产生的产物的产物收集部。
上述一个实施方式的制备方法适合于制备包括常见的脂族异氰酸酯或脂族多异氰酸酯的异氰酸酯。特别地，它可用于制备正戊基异氰酸酯、6-甲基-2-庚烷异氰酸酯、环戊基异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二异氰酸根合甲基环己烷(H6TDI)、苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)、二异氰酸根合环己烷(t-CHDI)或二(异氰酸根合环己基)甲烷(H12MDI)等，并且特别地，它对于制备苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)可更有用。
接下来，在光气化反应步骤的反应混合物中，将作为光气化反应的反应产物的脂族异氰酸酯分离至反应器的下部，并将剩余的包含氯化氢、未反应的光气和溶剂的混合物送入至连接到反应器上部的冷凝器并冷凝。
在光气化反应步骤的反应混合物中，除了要获得的脂族异氰酸酯外，在气相和液相混合的同时，还包括氯化氢、未反应的光气、溶剂和其他中间副产物。在现有技术中，没有在反应器顶部使用冷凝器，而是将惰性气体吹入反应混合物中，以除去气体形式的未反应的光气和氯化氢，并除去在反应器中的部分溶剂，将反应溶液过滤并脱溶剂以获得产物，并收集剩余的溶剂。然而，由于上述处理需要连续补充溶剂和光气，因此导致生产成本增加。由于使用了过量的光气以增加光气化反应中产物的收率，因此产生了大量未反应的光气，其被直接丢弃，或者回收设备变大，因此能量消耗大，从而导致生产成本增加。
因此，根据本发明的实施方式，将反应混合物中除产物之外的剩余混合物冷凝，将氯化氢、未反应的光气和溶剂分别在冷凝的混合物中分离，并将分离的未反应的光气回流至前期的光气化反应步骤中，并重新引入，从而显著减少了新光气化反应所需的新鲜光气量。
并且，在冷凝混合物的步骤中，可以发现最佳的冷凝温度范围，在该范围内可以平衡未反应的光气的回流中消耗的总能量和重新引入的光气的量，以降低整体能量消耗。
图1简要示出了根据本发明的一个实施方式的用于制备脂族异氰酸酯的方法的设备。
参照图1，首先，在光气化反应器10中进行光气化反应步骤。虽然在图1中未详细示出，但是光气化反应步骤可以通过如上所述的包括第一反应步骤(其中首先使脂族胺和氯化氢反应形成脂族胺盐)和第二反应步骤(其中使脂族胺盐和光气反应)的两个步骤进行。
接下来，在光气化反应步骤的反应混合物中，将作为光气化反应的产物的脂族异氰酸酯与溶剂一起分离至光气化反应器10的下部，而将剩余的包含氯化氢、未反应的光气和一部分溶剂的混合物送至与反应器上部相连的冷凝器20中并冷凝。
可以操作冷凝器20，使得混合物的温度可以变为-20℃以上，或-15℃以上，或-10℃以上，并且40℃以下，或36℃以下，或0℃以下。如果冷凝器20的温度低于-20℃，则冷凝器中可能产生冻结，并且如果操作温度超过40℃，则可能会增加没有冷凝而排出的溶剂和光气。因此，要求冷凝器20可以在-20至30℃，优选-20至0℃的温度范围内操作。
通过冷凝器20的混合物被送至洗涤器30。氯化氢以气态排放到洗涤器30的上部，而未反应的光气和溶剂被分离至下部。
分离的未反应的光气和溶剂被送入至蒸馏塔40。未反应的光气被回收至蒸馏塔40的上段，而溶剂被分离至下段。分离的溶剂的一部分可以通过溶剂回收容器70，由溶剂冷却器90冷却，并送至洗涤器的上段，并用于洗涤氯化氢。并且，剩余的溶剂可以存储在溶剂回收容器70中，并用于产生脂族胺盐的反应。
在蒸馏塔40中分离的未反应的光气由蒸馏塔冷凝器60冷却，通过回流容器13，被存储在光气回收容器50中，并在光气化反应步骤中被重新引入。未冷凝的光气的回收量可以根据冷凝器20的操作温度而变化。随着冷凝器20的操作温度的降低，回收的未反应的光气可能增加，但是冷凝器40中的能量消耗可能增加。相反，如果冷凝器20的操作温度高，则能量消耗可以降低，但是可以回收的未反应的光气可能减少。在本发明中，通过在减少能量消耗同时的增加未反应的光气以确保回流的光气的量，可以减少下一批新引入的新鲜光气的量，最终降低总生产成本。
再循环的未反应的光气可以通过与光气进料部11连接的光气存储容器12，并被引入光气化反应器10中，并且可以控制新鲜光气的量A，使得通过光气进料部11供给的新鲜光气的量A和从光气回收容器50再循环的未反应的光气的量B的总和可以是恒定的。
同时，可能难以通过洗涤器30完全除去氯化氢，并且在分离至洗涤器30的下部的未反应的光气和溶剂中，可能仍然混合有氯化氢。因此，为了分离残留的氯化氢，可以使在蒸馏塔40中分离的一部分未反应的光气通过蒸馏塔冷凝器60，并再循环至洗涤器30。
根据如上所述的本发明的制备脂族异氰酸酯的方法，与传统方法相比，新鲜光气的输入可以减少60％以上，从而显著地有助于降低生产成本。
在下文中，将通过本发明的特定实施例来更详细地解释本发明的作用和效果。但是，这些实施例仅作为本发明的举例说明，并不由此确定本发明的权利范围。
<实施例>
实施例1
使用图1中所示的设备和方法制备脂族异氰酸酯。
在室温、大气压条件下，在6500kg的1,2-二氯苯溶剂中使500kg的盐酸和560kg的苯二亚甲基二胺(XDA)反应4小时，以形成870kg的苯二亚甲基二胺的盐酸盐。
将含有870kg的苯二亚甲基二胺的盐酸盐的反应器的温度升至125℃，并在保持该温度的同时，将1359kg的光气引入反应器中并搅拌反应进行时间。从引入光气开始直到反应结束为止，将在反应器上部的冷凝器20的温度保持在-20℃，并在根据图1所示的方法再循环冷凝的光气和溶剂的同时，使进入反应器的光气输入保持恒定。搅拌反应溶液直至变成透明。当反应溶液变为透明时，停止加热，并将溶液冷却至80℃，然后进行氮气鼓泡。
实施例2
除了在制备脂族异氰酸酯的过程中，将反应器上部的冷凝器20的温度保持在-15℃，并在反应时间内使用1517kg的光气以外，通过与实施例1相同的方法进行实验。
实施例3
除了在制备脂族异氰酸酯的过程中，将反应器上部的冷凝器20的温度保持在-10℃，并在反应时间内使用1673kg的光气以外，通过与实施例1相同的方法进行实验。
实施例4
除了在制备脂族异氰酸酯的过程中，将反应器上部的冷凝器20的温度保持在36℃，并在反应时间内使用2993kg的光气以外，通过与实施例1相同的方法进行实验。
比较例1
除了在制备脂族异氰酸酯的过程中不使用反应器上部的冷凝器20，并在反应时间内使用3470kg的光气以外，通过与实施例1相同的方法进行实验。
下表1中描述了根据实施例和比较例的主要工艺条件的光气输入和能量消耗。
【表1】
| 条件 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 比较例1 |
| Cond.Temp(℃) | -20 | -15 | -10 | 36 | 无 |
| CDC.fresh(kg) | 1358.79 | 1517.25 | 1673.08 | 2992.77 | 3470.09 |
| CDC.vent | 30.23％ | 37.45％ | 43.17％ | 68.05％ | 70.97％ |
| CDC.solu | 10.36％ | 9.35％ | 8.59％ | 4.98％ | 4.53％ |
| CDC.reacted | 59.41％ | 53.20％ | 48.25％ | 26.97％ | 24.50％ |
| Recovered Duty(kcal/hr) | 95,563 | 98,987 | 111,187 | 134,575 | 381,020 |
表1中使用的术语的含义如下：
Cond.Temp：反应器上部的冷凝器20的温度
CDC.fresh：输入的新鲜光气
CDC.vent：未反应的光气的量
CDC.solu：溶解在溶剂中的光气的量
CDC.reacted：反应的光气的量
Recovered Duty：光气回收所需的卡路里
参照表1，可以确认，与没有冷凝器的比较例相比，在根据本发明的制备方法在反应器的上部安装冷凝器的实施例1至4的情况下，回收光气所需要的卡路里和新引入的光气的量显著减少。
<附图标记说明>
10：光气化反应器
11：光气进料部
12：光气存储容器
13：回流容器
20：冷凝器
30：洗涤器
40：蒸馏塔
50：光气回收容器
60：蒸馏塔冷凝器
70：溶剂回收容器
80：蒸馏塔再沸器
90：溶剂冷却器
Claims (10)
1.一种制备脂族异氰酸酯的方法，包括以下步骤：
通过在溶剂存在下使脂族胺与光气反应来进行光气化反应；
在光气化反应步骤的反应混合物中分离作为产物的脂族异氰酸酯，并将包含氯化氢、未反应的光气和溶剂的混合物送至冷凝器进行冷凝；
将冷凝的混合物送至洗涤器，以将氯化氢排放至上段，并将未反应的光气和溶剂分离至下段；
将分离出的未反应的光气和溶剂送至蒸馏塔，以将未反应的光气回收至上段，并将溶剂分离至下段；和
将回收的未反应的光气引入光气化反应步骤中，并将分离至下段的溶剂送至所述洗涤器。
2.根据权利要求1所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，将包含氯化氢、未反应的光气和溶剂的混合物冷凝至-20至40℃的温度。
3.根据权利要求2所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，将包含氯化氢、未反应的光气和溶剂的混合物冷凝至-15至0℃的温度。
4.根据权利要求1所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，在将未反应的光气引入光气化反应步骤之前，所述方法进一步包括通过蒸馏塔冷凝器冷却回收的未反应的光气的步骤。
5.根据权利要求1所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，将分离至蒸馏塔下段的溶剂的一部分用溶剂冷却器冷却，送至洗涤器的上段并用于洗涤氯化氢，并且将其一部分再循环至用于生产脂族胺盐的反应器中。
6.根据权利要求1所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，使在所述蒸馏塔中分离的未反应的光气的一部分通过光气冷却器，并再循环至洗涤器。
7.根据权利要求1所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，所述脂族胺为间苯二亚甲基二胺、对苯二亚甲基二胺或邻苯二亚甲基二胺。
8.根据权利要求1所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，所述光气化反应步骤包括：
使脂族胺和氯化氢反应形成脂族胺盐的第一反应步骤；和
使所述脂族胺盐和光气反应的第二反应步骤。
9.根据权利要求8所述的制备脂族异氰酸酯的方法，其中，所述脂族胺盐的浓度为20体积％以下。
10.根据权利要求1所述的脂族异氰酸酯的制备方法，其中，所述溶剂是沸点为100℃以上的基于芳烃的有机溶剂。
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