DE10311865A1 - Production of polyurethane components e.g. diphenylmethane di-isocyanate, involves making intermediates from simple starting materials and then reacting the intermediates, all in a system of micro-technology components - Google Patents
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Abstract
Description
Isocyanate sind Bausteine für Polyurethane (PU). Polyurethane haben das breiteste Einsatzgebiet aller Kunststoffe. Die für eine Produktionslinie zur Herstellung von Polyurethanen eingesetzten Isocyanatmengen liegen dabei zumeist zwischen 500 kg und 100 t/a. Gegenwärtig werden Isocyanate fast ausschließlich in großtechnischen Anlagen hergestellt, die Jahreskapazitäten von bis zu 200 000 t/a aufweisen. Von dort werden sie oft über lange Strecken zu den PU-Herstellern transportiert. Der Vorteil der Herstellung von Isocyanaten in großen Anlagen liegt insbesondere in der Senkung der Herstellkosten durch die Nutzung der economy-of-scale.Isocyanates are building blocks for polyurethanes (PU). Polyurethanes have the broadest application area of all plastics. The for a production line used to manufacture polyurethanes Isocyanate amounts are usually between 500 kg and 100 t / a. Currently Isocyanates are used almost exclusively in large-scale Plants manufactured with annual capacities of up to 200,000 t / a. From there they are often over transported long distances to the PU manufacturers. The advantage of The production of isocyanates in large plants is particularly important in reducing manufacturing costs by using the economy-of-scale.
Die großtechnische Herstellung von Isocyanaten hat jedoch auch Nachteile. Diese liegen insbesondere im komplexen Logistik-Prozess vom Isocyanat-Hersteller zum Polyurethan-Hersteller, weiterhin darin, dass der PU-Hersteller mit großen Mengen Chemikalien umgehen muss, sowie darin, dass das Isocyanat in seiner Qualität beim Transportprozess geschädigt werden kann. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass in einer solchen großtechnischen Anlage zur Herstellung von Isocyanaten nur ein Isocyanat hergestellt werden kann.Large-scale production of However, isocyanates also have disadvantages. These are in particular in the complex logistics process from the isocyanate manufacturer to the polyurethane manufacturer, continue in that the PU manufacturer handles large amounts of chemicals as well as the fact that the quality of the isocyanate is damaged during the transport process can. Another disadvantage is that in such a large-scale Plant for the production of isocyanates produced only one isocyanate can be.
Es wäre auf Grund der genannten Nachteile bei der großtechnischen Herstellung von Isocyanaten wünschenswert, ein Verfahren zur Herstellung von Isocyanaten zu haben, welches die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere sollte ein solches Verfahren dezentral beim PU-Hersteller installiert werden können, just-in-time die zur PU-Herstellung erforderlichen Isocyanatmengen beim PU-Hersteller bereitstellen und eine große Elastizität in der Menge an produziertem Isocyanat aufweisen.It would be because of the above Disadvantages in large-scale Production of isocyanates desirable to have a process for producing isocyanates which avoids the disadvantages mentioned. In particular, such a procedure should can be installed decentrally at the PU manufacturer, just-in-time those required for PU production Provide isocyanate quantities with the PU manufacturer and a high elasticity in the Have amount of isocyanate produced.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass es möglich ist, aus Bausteinen der Mikrotechnologie Anlagen aufzubauen und zu betreiben, die zur Herstellung von Polyurethan-Aufbaukomponenten, insbesondere Isocyanaten und Polyolen, geeignet sind und die Nachteile der großtechnischen Anlagen überwinden.Surprisingly was found to be possible is to build systems out of building blocks of microtechnology and to operate the production of polyurethane structural components, especially isocyanates and polyols, are suitable and the disadvantages the large-scale Overcome plants.
Gegenstand der Erfindung ist demzufolge ein Verfahren zur Herstellung von Polyurethan-Aufbaukomponenten, insbesondere Isocyanaten und Polyolen, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung in einer Anlage erfolgt, die aus Bausteinen der Mikrotechnologie aufgebaut ist.The invention accordingly relates to Process for the production of polyurethane structural components, in particular Isocyanates and polyols, characterized in that the manufacture takes place in a system that consists of building blocks of microtechnology is constructed.
Aufgrund des „Baustein"-Charakters der Mikro- und Minitechnologie ist dieses Verfahren prinzipiell zur Herstellung aller Isocyanate und Polyole geeignet.Because of the "building block" character of micro and mini technology this process is principally for the production of all isocyanates and polyols.
Es können dabei einzelne Bausteine, im folgenden auch als Module bezeichnet, der großtechnischen Wertschöpfungskette durch andere ersetzt oder auch ganz weggelassen werden. Dadurch kann sich die Art der eingesetzten Chemikalien beim Hersteller der Polyurethane positiv ändern.Individual building blocks, hereinafter also referred to as modules, the large-scale technical value chain be replaced by others or left out entirely. Thereby can the type of chemicals used by the manufacturer of the Change polyurethane positively.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist offen für stete kostengünstige evolutionäre Verbesserung des Verfahrens, wie den Ersatz des Reaktortyps oder neue Anforderung an den Reaktionstyp, da die Bausteine einer solchen mikrotechnischen Anlage ohne großen Aufwand ausgebaut, gegen andere ersetzt oder auch zusätzlich neu eingebaut werden können.The method according to the invention is open to constant inexpensive evolutionary Improvement of the process, such as the replacement of the reactor type or new ones Requirement for the reaction type, because the building blocks of such expanded micro-technical system without much effort, against others replaced or additionally can be installed.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der holdup an Chemikalien in der Anlage und den angeschlossenen Logistikeinheiten gering ist.Another advantage of the method according to the invention is that the holdup of chemicals in the plant and the connected logistics units is low.
Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Mengen an Endprodukt liegen zumeist zwischen 1 g/h und 10 kg/h.The means of the inventive method The quantities of end product produced are usually between 1 g / h and 10 kg / h.
Die Mikro- und Minitechnologie ist mittlerweile ein reifes Feld und in der Literatur in Monographien und Zeitschriften verankert (z.B. Microreactors, W. Ehrfeld, V. Hessel, H. Löwe, Wiley/VCH 2000). Sie ist durch sehr kleine Strömungskanalquerschnitte (kleiner 500 – 1000 μm) und extrem große Oberflächen zu Volumenverhältnisse charakterisiert (Sensor Controlled Processes in Chemical Microreactors, H. Möbius, W. Ehrfeld, V. Hessel, Th. Richter, in Transducers, 95 – Eurosensors IX, S. 775 – 778; H. Mensinger, Th. Richter, V. Hessel, J. Döpper, W. Ehrfeld, Microreactor with Integrated Static Mixer and Analysis System, Proceeding of the Micro Total Analysis Systems Workshop, eds. A. van Berg, P. Bergveld, Kluwer Acad. Pub., S. 237-243 (1995)).The micro and mini technology is meanwhile a mature field and in literature in monographs and Magazines anchored (e.g. Microreactors, W. Ehrfeld, V. Hessel, H. lion, Wiley / VCH 2000). It is due to very small flow channel cross sections (smaller 500 - 1000 μm) and extreme size Surfaces too volume ratios characterized (Sensor Controlled Processes in Chemical Microreactors, H. Möbius, W. Ehrfeld, V. Hessel, Th. Richter, in Transducers, 95 - Eurosensors IX, pp. 775-778; H. Mensinger, Th. Richter, V. Hessel, J. Döpper, W. Ehrfeld, Microreactor with Integrated Static Mixer and Analysis System, Proceeding of the Micro Total Analysis Systems Workshop, eds. A. van Berg, P. Bergveld, Kluwer Acad. Pub., Pp. 237-243 (1995)).
Aus der Literatur ist bekannt, dass für mikrotechnische Anlagen einzelne Module für Grundoperationen der Verfahrenstechnik, wie Reaktoren, Verdampfer, Separatoren und auch Wärmetauscher für Mehrphasenreaktoren, zur Verfügung stehen.It is known from the literature that for microtechnical Plant individual modules for Basic operations in process engineering, such as reactors, evaporators, Separators and also heat exchangers for multiphase reactors, to disposal stand.
Die benötigten Mikrosysteme können beispielsweise durch lithographische Verfahren kostengünstig hergestellt werden.The required microsystems can, for example can be produced inexpensively by lithographic processes.
Aufgrund der Kleinheit weisen die
Module gegenüber
großtechnischen
Apparaten einige Besonderheiten auf:
Die thermische und die
Massenträgheit
derartiger Anlagen sind gering. Dies ermöglicht ein schnelles An- und
Abfahren der Anlage, Toträume
werden minimiert, das Produkt wird nur gering thermisch belastet
und isotherme Bedingungen können
leicht realisiert werden.Due to their small size, the modules have some special features compared to large-scale technical devices:
The thermal and inertia of such systems are low. This enables the system to be started up and shut down quickly, dead spaces are minimized, the product is only subjected to low thermal loads and isothermal conditions can be easily achieved.
Die Fluiddynamik in der Anlage ist zumeist durch laminare Strömungen, das heißt Mischen durch Split und Diffusion und nicht durch Turbulenz, geprägt.The fluid dynamics in the system is mostly through laminar flows, this means Mixing by split and diffusion and not by turbulence.
Als typische Grundoperationen stehen, wie in der Literatur angegeben, beispielsweise Reaktoren für Gasphasen-, Flüssigphasen- und auch 3-Phasen-Reaktionen, Mischer, Wärmetauscher, Verdampfer, Filtriereinheiten, Extraktoren und Phasenabscheider zur Verfügung.Typical basic operations are as indicated in the literature, for example reactors for gas phase, liquid phase and also 3-phase reactions, mixers, heat exchangers, evaporators, filter units, Extractors and phase separators are available.
Ein solches Verfahren kann, wie gefordert, dezentral beim Polyurethan-Hersteller installiert werden und dort just-in-time die zur Polyurethan-Herstellung erforderlichen Mengen an Isocyanat bereitstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann neue Anwendungen erschließen, bei denen nur geringe Mengen an Polyurethan-Komponenten benötigt werden, beispielsweise in der Elektronikindustrie. Da diese Anlagen aufgrund ihrer Kleinheit wenig Toträume aufweisen, sind sie einfach zu reinigen, schnell an- und abzufahren und damit auch, je nach Bedarf beim Polyurethan-Hersteller, zur kampagnenweisen Herstellung verschiedener Isocyanate in der gleichen Anlage geeignet.Such a process can, as required, be installed decentrally at the polyurethane manufacturer and provide the quantities of isocyanate required for polyurethane production just in time. The method according to the invention can be new Open up applications in which only small amounts of polyurethane components are required, for example in the electronics industry. Since these systems have little dead space due to their small size, they are easy to clean, quick to start and stop and, depending on the needs of the polyurethane manufacturer, are therefore suitable for campaign-based production of different isocyanates in the same system.
Die Reaktionsbedingungen bei der Durchführung des Verfahrens in Mikroreaktoren können durch Versuche leicht herausgefunden werden. Bevorzugt wird die Umsetzung bei den gleichen Bedingungen durchgeführt, wie sie auch bei den entsprechenden großtechnischen Verfahren üblich sind.The reaction conditions at the execution the process in microreactors can be easily experimented be found out. The implementation of the same is preferred Conditions carried out as they are common in the corresponding large-scale processes.
Aufgrund der physikalisch-chemischen Besonderheiten der Mikrotechnologie, wie Isothermie innerhalb der Module, kleiner Verweilzeit in der Anlage, geringer Temperatur-Belastung, guter Mischung, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Isocyanat hoher Qualität geliefert, welches zumeist die Qualität von Isocyanaten aus world-scale-Anlage übersteigt.Because of the physico-chemical Special features of microtechnology, such as isothermal energy within the Modules, short residence time in the system, low temperature load, good mixing, an isocyanate in the process according to the invention high quality delivered, which mostly exceeds the quality of isocyanates from world-scale plant.
Im folgenden soll das Wesen der Erfindung beispielhaft
an der Herstellung von Diphenylmethandiisocyanat (MDI) beschrieben
werden. Der Stand der Technik bei der Herstellung von MDI ist beispielsweise
in WO 99/40059 und der darin zitierten Literatur angegeben. Die
genannten Dokumente beschreiben die üblichen world scale Anlagen,
ohne die mit dieser Herstellungsweise verbundenen eminenten Mängel, wie
geringe Flexibilität
im Anlagenbetrieb, Logistik großer
Mengen Produkt über
große
Strecken verbunden mit nachteiligen Qualitätsanforderungen des Produkts
bei Lagerung und Temperaturwechseln, prinzipielle Grenzen in der
Optimierung der Produktqualität,
da strenge Isothermie im Anlagenbetrieb nicht realisierbar ist,
Toträume
und Temperaturgradienten zu Alterungserscheinungen, Verfärbungen
und Fouling führen,
prinzipiell beheben zu können:
Die
aus Mikro- und Minimodulen bestehende Anlage ist in der
The system consisting of micro and mini modules is in the
Einsatzstoffe sind übliche und leicht beschaffbare Chemikalien wie Luft, wässrige Salzsäure, Methanol, Benzin und Harnstoff. Prinzipiell kann die in Bild 1 dargestellte Anlage auch an beliebiger Stelle aufgeschnitten oder ergänzt und die entsprechenden Zwischenprodukte dort eingespeist werden.Feedstocks are common and easily available chemicals such as air, aqueous hydrochloric acid, methanol, Gasoline and urea. In principle, the one shown in Figure 1 System also cut or supplemented at any point and the corresponding intermediate products are fed in there.
Wässrige Salzsäure dient als Ausgangsstoff für Chlorwasserstoff. Durch eine Elektrolyse oder einen Deacon-Prozess wird hieraus Chlor hergestellt. Vorzugsweise wird beim Deacon-Prozess mit Ruthenium als aktiver Komponente gearbeitet. Im Mikro- oder Minimaßstab wird jedoch anstelle des in großtechnischen Anlagen üblichen Wirbelbetts vorzugsweise ein isothermer Festbettreaktor eingesetzt, der Ruthenium als aktive Komponente enthält. Methanol dient als Ausgangsstoff für die Herstellung von Synthesegas, welches ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist, und Formaldehyd. Auch hier werden vorzugsweise isotherme Mikroreaktoren eingesetzt. Aus Chlor und Kohlenmonoxid wird vorzugsweise wieder in einen isothermen Festbettreaktor Phosgen erzeugt. Aus Benzin wird Benzol abgetrennt und mit Ammoniak zu Anilin umgesetzt. Dabei wird entweder Ammoniak mit Luft in Salpetersäure überführt, und Nitrobenzol anschließend zu Anilin hydriert oder es wird vorzugsweise eine Direktaminierung durchgeführt, wobei wieder ein isothermer Festbett-Mikro- oder -Minireaktor zum Einsatz kommt. Anilin und Formaldehyd werden mit Säure als Katalysator zu Diphenylmethandiamin (MDA) kondensiert. Dabei wird vorzugsweise ein saurer Heterogenkontakt eingesetzt.aqueous hydrochloric acid serves as a raw material for Hydrogen chloride. By electrolysis or a Deacon process chlorine is produced from it. The Deacon process is preferred worked with ruthenium as an active component. On a micro or mini scale however instead of that in large-scale Attachments usual Fluidized bed preferably an isothermal fixed bed reactor is used, which contains ruthenium as an active component. Methanol serves as the starting material for the Production of synthesis gas, which is a mixture of hydrogen and is carbon monoxide, and formaldehyde. Again, be preferred isothermal microreactors are used. From chlorine and carbon monoxide is preferably phosgene again in an isothermal fixed bed reactor generated. Benzene is separated from petrol and ammonia to aniline implemented. Either ammonia is converted into nitric acid with air, and Nitrobenzene then hydrogenated to aniline or it is preferably a direct amination carried out, again an isothermal fixed bed micro or mini reactor for Commitment comes. Aniline and formaldehyde are treated with acid Catalyst condensed to diphenylmethane diamine (MDA). Doing so preferably an acidic heterogeneous contact is used.
In einem Mischer oder einer Kaskade von Mischern werden nun die Zwischenprodukte Phosgen und MDA vermischt und zu MDI umgesetzt. Dabei kann ein Lösungsmittel eingesetzt werden, wobei vorteilhaft das Produkt selbst das Lösungsmittel ist. Das intermediäre Auftreten von Feststoffen ist in der Mikro-/-Minireaktortechnologie beherrschbar. Nach dem Durchlaufen eines Verweilzeitreaktors, vorzugsweise mit Strömungsrohrcharakteristik, erfolgt die Abtrennung von Chlorwasserstoff und überschüssigem Phosgen, welches mit dem Lösungsmittel zurückgeführt wird. Für diese Abtrennungsschritte werden Mikro- und Minidestillationen und/oder Fallfilmverdampfer eingesetzt. Es wird ein MDI erhalten, dass in weitere Fraktionen von Isomeren und Oligomeren aufgetrennt werden kann. Es zeichnet sich aufgrund der geringen thermischen Belastung und der isothermen Fahrweise durch eine sehr gute Qualität aus.In a mixer or a cascade The intermediates phosgene and MDA are now mixed by mixers and implemented to MDI. A solvent can be used wherein the product itself is advantageously the solvent. The intermediate occurrence solids is controllable in micro / mini reactor technology. After passing through a residence time reactor, preferably with Flow characteristics, the separation of hydrogen chloride and excess phosgene, which occurs with the solvent is returned. For this Separation steps are micro and mini distillation and / or Falling film evaporator used. An MDI will be obtained that in further fractions of isomers and oligomers are separated can. It stands out due to the low thermal load and the isothermal driving style due to its very good quality.
Die Farbwerte des hergestellten MDI liegen im Lab-System (L-Koordinate: Helligkeit, a-Koordinate: grün-rot, b-Koordinate: blau-gelb) bei L-Werten > 93 und B-Werten < 40. Es werden Totalchlorkonzentrationen kleiner 1000 ppm und EHC-Werte (easy hydrolisable chlorine) kleiner 50 ppm erreicht.The color values of the MDI produced lie in the lab system (L coordinate: brightness, a coordinate: green-red, b coordinate: blue-yellow) with L values> 93 and B values <40. Total chlorine concentrations are less than 1000 ppm and EHC values (easy hydrolisable chlorine) less than 50 ppm reached.
Die Drücke und Temperaturen bei den einzelnen Verfahrensschritten zur Herstellung des MDI entsprechen denen, die bei den entsprechenden Schritten in üblichen großtechnischen Anlagen üblich sind. So wird die Herstellung des MDA zumeist bei Temperaturen im Bereich zwischen 20 und 70°C und Normaldruck durchgeführt. Die Umsetzung des MDA mit Phosgen erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich zwischen 90 und 220°C und Drücken im Bereich zwischen Normaldruck und 10 bar, vorzugsweise zwischen 1 und 10 bar, durchgeführt.The pressures and temperatures at the correspond to individual process steps for the production of the MDI those that are common in the corresponding steps in conventional large-scale plants. The MDA is usually manufactured at temperatures in the range between 20 and 70 ° C and normal pressure. The MDA is preferably reacted with phosgene at temperatures in the Range between 90 and 220 ° C and press in the range between normal pressure and 10 bar, preferably between 1 and 10 bar.
Die hergestellten Mengen an MDI liegen, je nach der Größe der Anlage, zwischen 1 g/h und 10 kg/h.The quantities of MDI produced are depending on the size of the facility, between 1 g / h and 10 kg / h.
Trotz der beispielhaften Bearbeitung für MDI ist das Vorgehen prinzipiell auch gültig für die Herstellung anderer Isocyanate.Despite the exemplary processing for MDI is in principle, the procedure is also valid for the Manufacture of other isocyanates.
Die Polyolkomponente für das Polyurethan kann in einer mikrotechnischen Anlage hergestellt werden. Aus LPG (Liquified Petroleum Gasoline)/Propan wird in heterogenkatalytischen Mikro-/Minireaktoren Propen und daraus Propylenoxid hergestellt. Dieses wird zu Polyolen umgesetzt. Polyol und Isocyanat werden, gegebenenfalls mit Katalysatoren und Zuschlagsstoffen, zusammengeführt und somit zum Polyurethan verarbeitet.The polyol component for the polyurethane can be produced in a microtechnical system. Made from LPG (Liquified Petroleum Gasoli ne) / Propane is produced in heterogeneous catalytic micro / mini reactors propene and propylene oxide. This is converted into polyols. Polyol and isocyanate are combined, if appropriate with catalysts and additives, and thus processed to give the polyurethane.
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---|---|---|---|---|
WO2007104436A1 (en) * | 2006-03-14 | 2007-09-20 | Bayer Technology Services Gmbh | Method and device for producing chlorine by gas phase oxidation in a cool wall reactor |
EP4163255A1 (en) * | 2021-10-06 | 2023-04-12 | Covestro Deutschland AG | Method for preparing phosgene |
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2003
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