JPH05194352A - カルバミン酸エステルの熱開裂分解反応器および熱開裂分解法 - Google Patents

カルバミン酸エステルの熱開裂分解反応器および熱開裂分解法

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JPH05194352A
JPH05194352A JP4198397A JP19839792A JPH05194352A JP H05194352 A JPH05194352 A JP H05194352A JP 4198397 A JP4198397 A JP 4198397A JP 19839792 A JP19839792 A JP 19839792A JP H05194352 A JPH05194352 A JP H05194352A
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フランツ、メルガー
Wolfgang Schwarz
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Roland Minges
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    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C263/00Preparation of derivatives of isocyanic acid
    • C07C263/04Preparation of derivatives of isocyanic acid from or via carbamates or carbamoyl halides

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 モノ−および多官能カルバミン酸エステルを
熱開裂分解して対応するイソシアアナートおよびヒドロ
キシル成分とするのに、生成したイソシアナートおよび
ヒドロキシル成分が再び反応しないように、さらに副生
物生成が可及的起こらないようにするための反応器形状
および仕様と、反応方法を求める。 【構成】 反応器を容量当りの脱ガス面積および加熱面
積の配置を規定するような仕様にして、50%よりも多
いガス容量含量を有する2相混合物の熱開裂分解をする
ことで効率よくカルバミン酸エステルからイソシアナー
トおよびヒドロキシル成分を生成させて、分離収得す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、モノ−および多官能カ
ルバミン酸エステルを液相で熱開裂分解して対応するイ
ソシアナートおよびヒドロキシル成分にするための反応
器および得られたイソシアナートを単離する方法に係る
ものであり、ここにおいて新規の反応器は熱開裂分解に
よるイソシアナート生成とイソシアナートの単離とが一
体化されているのが特徴となっている。
【0002】
【従来の技術】カルバミン酸エステルをイソシアナート
にする開裂分解のための反応器は、各種の特許に記載さ
れている。蒸発してガス相にした後でカルバミン酸エス
テルを分解する方法は、例えば欧州特許第28,724
号、第126,299号、第126,300号および第
100,047号および米国特許第3,734,941
号および第3,870,739号において開示されてい
る。ここでの不都合な点は上向き蒸発器において閉塞の
危険があることであり、従って工業化がより困難とな
る。
【0003】カルバミン酸エステルを煙霧状にした後に
炭素粉の流動床または撹拌床に導入して分解させる方法
が欧州特許第78,005号に開示されており好収率を
与えるが、しかし工業的装置としては困難な点が多い。
【0004】液相での分解は、2種類の分解生成物の少
なくとも1つ、例えばイソシアナートまたはヒドロキシ
ル成分のいずれかを反応溶液から直ちにガス状で除去し
て、可逆反応を防止することを必要としている。有利に
は、両分解生成物がガス状で除去され続いて分離される
のが好適である。比較的高分子量の非可逆性副生物の生
成があるために、反応器中の反応媒体の若干量を連続的
に除去して副生物を分離排除する。
【0005】非可逆性分解生成物を与える副反応を抑制
するために、触媒を使用して反応温度を低下させる方法
が有用である。しかしながら、米国特許第2,692,
275号および第2,713,591号中に開示されて
いる塩基性触媒は、また副反応を促進することになる。
芳香族カルバミン酸エステルの開裂分解用のためのより
好適な触媒は、西ドイツ特許第2,625,490号に
開示されている。アルミニウム、亜鉛および錫化合物
が、優先的に使用されている。これらの触媒は、主とし
て1%よりも低濃度で使用され特に開裂分解反応を促進
する。
【0006】再重合および残渣生成の大きな危険のある
多官能イソシアナートの製造のために、不活性溶剤によ
るカルバミン酸エステルの稀釈が西ドイツ特許公開公報
第2,421,503号および第2,526,193号
に記載されており、または欧州特許第92,738号に
記載されている開裂分解反応器中への不活性溶剤の計量
注入は、反応器中の表面コーティングを抑制して副生物
を分離排出させるために提案されている。このような助
剤添加の不利益な点は、反応工程エンジニアリングがよ
り複雑になり助剤コストがかかることである。
【0007】米国特許第4,294,774号は、ジア
ルキルアニリン等の触媒性溶剤中での開裂分解を提案し
ている。
【0008】しかしながら、欧州特許第92,738号
においては、無溶剤の開裂分解も除外されていない。薄
層蒸発器および下降型薄層蒸発器が、好適な反応器とし
て記載されている。これらの反応器の不利な点は選ばれ
た薄層蒸発器中の可動部分であり、工業規模ではこのよ
うな反応器は高価となり、さらに最も重要な不利な点と
してはこのような反応器では反応が数日間以上の長期間
にわたって連続的に操作されるならば、多官能カルバミ
ン酸エステルの開裂分解における重合の結果として反応
器が閉塞し易くなり、効率的な工業反応器として避けら
れない連続法反応器としては無理である。従って上述の
反応器は、すべて工業用途への適用性に関して欠点を有
している。
【0009】
【発明の目的】本発明の目的は、カルバミン酸エステル
の触媒使用または触媒無使用の開裂分解が工業的に使用
される期間にわたって連続的に溶剤または稀釈剤の使用
なしに、さらに重合性副生物による閉塞または汚れによ
る操作中断なしに実施されることができる反応器を、提
供することである。
【0010】また反応器からの開裂分解ガスを除去して
その生成物を分離する方法を見出し、この方法において
閉塞および汚れの問題がない方法とすることが必要であ
った。さらに、反応器中においてカルバミン酸エステル
の中間体を経てアミンからのイソシアナート生成のため
の循環法で生成することのある副生物の存在が、結果と
して再来するような上述の問題がないようにしなければ
ならない。
【0011】
【発明の構成】我々は、この目的が本発明によりもし反
応器の形状が容量に関連した脱ガス面積および加熱面積
の配置によって規制されるならば、開裂分解をガス容量
含量が50%よりも多くなるようにした2相混合物で得
ることにより達成されることを見出した。
【0012】本発明による新反応器および方法のさらな
る特徴が、本発明の続く特許請求範囲の主題となってい
る。
【0013】驚くべきことに、我々はカルバミン酸エス
テル、特に2官能および多官能カルバミン酸エステル
が、技術的に必要とする装置、例えば下降式薄膜蒸発
器、薄膜蒸発器および撹拌反応器のみならず、さらに簡
単な後述するような可動部分を有していない反応器にお
いても、溶剤または稀釈剤を必要とせずに使用寿命の長
い反応器において好収量で開裂分解されることができる
ことを発見した。特に驚いたのは、数か月間の連続操作
という長期間使用が、反応器の重合性副生物によるコー
ティングのために閉鎖されねばならないような障害なし
に達成されることができたことであった。
【0014】好適な反応器は、反応熱を伝えるバッフル
(隔壁)を備えた反応釜である。反応媒体はこの中で沸
騰に類似した状態で存在し、この反応釜中において開裂
分解反応から生成する遊離蒸気およびガスが生成されて
液体中で上昇するようになる。
【0015】重合体コーティングに対する抵抗性は、反
応器の特別な形状および今日まで工業的には常用されて
いないような操作状態での反応器操作によって達成され
る。すなわち、反応器は蒸発遊離分および開裂分解ガス
から構成される沸騰液体および蒸気相の2相混合物が5
0%より多いガス容量含量を含むような方法で、操作さ
れる。従って、反応は今日までの工業的蒸発器において
は通常用いられないような流動状態で実施される。蒸発
媒体中において液体が70%より多くなるか、またはガ
ス含量が30%より少なくなる状態が、加熱された蒸発
器域では普通である。30%より多いガス含量(すなわ
ち液体状態が70%より少ない状態)は、通常の工業的
蒸発器においては、貧弱な熱交換に導き、さらに例えば
ロバート(Robert)蒸発器における自然循環を破
壊させることになる。蒸発器特性と媒体のガス容量含量
との間の関連性については、例えば″気・液−混合体に
おける流れおよび熱移動(Stromung und
Warmeubergang in Gas−Flus
igkeits−Gemischen)″、フランツメ
イインガー(Franz Mayinger)、シュプ
リンガー出版元(Springer Verlag)、
1982年、章1.3および2.4、およびドイツ大学
教員資格論文の″2相流れにおける部分的薄膜沸騰(P
artielles Filmsieden in Z
weiphasen−stromungen)″におい
て教員資格取得工学博士ハインアウラッヒャー(Hei
n Auracher)により、およびプログレスリポ
ート(Progress Reports)VDI、シ
リーズ3操作技術(Series 3 Verfahr
enstechnik)、No.142、VDI−出版
元(VDI−Verlag)1987年、およびライン
ハートビレット(Reinhard Billet)に
よる″蒸発技術(Evaporation Techn
ology)″、ヘルラークヘミー(Verlag C
hemie)、ワインハイム(Weinheim)、1
989年、114−119頁において記述されている。
従って、本発明のこの操作方法は慣用されている先行技
術の枠外となっている。
【0016】2相混合物のガス容量含量は50から98
%まで、好適には60から96%まで、特に好適には7
5から90%までとなっていなければならない。
【0017】2相混合物中にこのような高いガス含量を
実現するためには、反応器に対する一定の形状要求が有
用となる。
【0018】例えば、ガス含量の高い2相混合物の生成
を促進するためには、反応器中の反応域の高さを0.2
mより低くなく、2mよりも高くないように選ぶことが
有用である。反応器の脱ガス面積は、ガス速度が1m/
sより小さくなく30m/sより大きくないようにしな
ければならない。熱交換面積は、加熱媒体と反応媒体と
の間の温度差が40℃より小さいが、同時に高い吸熱反
応のために必要となる熱量が滞留時間要求により規制さ
れる反応容量中に導入されることができるような寸法に
なっていなければならない。
【0019】これらの要求に従って、好適な開裂分解反
応器は強制循環を備えているかまたは備えていない、垂
直、傾斜または水平加熱カートリッジを有する加熱カー
トリッジ蒸発器のロバート(Robert)蒸発器、ハ
ーバート(Herbert)蒸発器であるか、キャドル
(Caddle)型蒸発器、密接して巻かれた加熱コイ
ルを有する蒸発釜および類似の反応器であり、小容量の
ところに高レベルの熱を導入できるのが特徴となってい
る反応器である。これらの反応器は、より高沸点の副生
物が濃縮化されるのを避けるために、仕込みおよび液体
の除去両方に関して完全に連続法で操作される。反応器
中におけるワンパスコンバージョンは、反応器に仕込ま
れるウレタンが生成して除去されるイソシアナートに変
換する変換率として30から95%まで、好適には60
から90%までとなる。反応器中の沸騰液体の滞留時間
は数分間であり非常に短時間であるとみなすことはでき
ないが、欧州特許第92,738号に記載されている薄
膜反応器と比較すれば本質的に有意の差があることが明
らかである。
【0020】滞留時間は1−60分間、好適には5−3
0分間であり、反応条件下の反応器の液体含量および反
応器から毎分液体形状で除去される反応器含量との商と
して規定されている。
【0021】この反応は、溶剤または稀釈剤の添加が全
くなく、反応器を通過させる不活性ガスの存在なしに実
施される。これは、稀釈剤が明らかに許容されている欧
州特許第92,738号と対照的である。
【0022】本発明の重要な点は、上述の境界的な条件
を維持しながら上述の反応器が多官能カルバミン酸エス
テルを開裂して多官能イソシアナートおよび特殊ヒドロ
キシル成分を生成させるのに際して、数週間の連続操作
期間の経過中に反応器を閉鎖しなければならなくなった
り清掃する必要があったりすることなしに、上述の反応
器が操作されることができることである。従って、上述
の反応器と対照してみると、本発明反応器の連続的工業
操作の予備条件は完全に充足されている。
【0023】反応器仕込み条件の定義 反応器は、カルバミン酸エステルおよび循環工程におい
て生成される副生物からなる生成混合物を仕込まれてお
り、ここにおいてカルバミン酸エステルは尿素の助けに
よってアミンおよびヒドロキシル成分とから製造され次
に開裂分解されてイソシアナートになり、反応器含有物
の若干量が反応器から除去されて反応の第一段階に循環
されるようになっている。これらの副生物は、置換尿
素、ビウレット、イソシアヌル酸エステル、アロファネ
ート、アルキルカーバメートおよびジアルキル炭酸を含
むことができる。驚くべきことに、反応器仕込みにおけ
るカルバミン酸エステルの含量は80から90%までで
あることで、十分である。高純度のカルバミン酸エステ
ルは、この場合に汚れの問題が重要でなくなるので、開
裂分解反応器の操作を容易にしている。また80%以下
のカルバミン酸エステルを含む反応器仕込みを利用する
ことも可能であるが、この場合には汚れの問題が増加し
てきて、特に多官能カルバミン酸エステルが開裂分解さ
れる時には特に重要となる。開裂分解反応器の仕込み材
料には、開裂分解用に使用される触媒を含むことができ
る。
【0024】本発明の主旨特徴の1つは、カルバミン酸
エステルが反応器に仕込まれる前に、欧州特許公開第3
55443号公報に記載されているようにオリゴマー副
生物を除くために完全に蒸発されてから再び凝縮される
工程を必要とすることがなく、ある程度の副生物は反応
器中において許容されることができることである。
【0025】反応器から排出されるガスの分離および処
理:反応器から排出されるガスは、開裂分解によるガ
ス、すなわちイソシアナートおよびヒドロキシル成分、
揮発性出発原料およびガス状副生物からなっている。欧
州特許第54,817号、第92,738号および第3
55,443号と対照して、開裂分解されたガスは複数
の引続く分縮器中での分別凝縮に掛けられないで、開裂
分解反応器上に直接載積している蒸留カラムで精製され
る。驚くべきことに、欧州特許第54,817号に記載
されているような開裂分解生成物が、開裂分解生成ガス
用の分縮器の代りに精留カラムが使用される時には、カ
ラム中で再結合することで開裂分解生成物が極めて僅か
にしか得られないか全く得られないことになるという複
雑さは、本発明においては起こらなかった。上述の複雑
さとは対照的に、反応器中に未反応カルバミン酸エステ
ルを残す目的に関しても、およびカラムからヒドロキシ
ル成分に富む生成物およびイソシアナートに富む生成物
流を得る目的に関しても両方について、特に良好な分離
効果を達成することが可能であった。
【0026】従って本発明が基づいている主要な観測で
は、反応器から排出されるガスを遊離カルバミン酸エス
テルおよび生成物のヒドロキシル成分およびイソシアナ
ートに分離するのに、直接反応器上に載積されていて少
なくともカラムのトップに1個の還流部を有している精
留カラムにおいて分離し、カラムのトップのところで生
成ガス流を取り出して、この取り出しガス流がさらに下
降流れの分離装置で処理されるか、またはカラムからの
側流として2生成物の内の1つを取り出し一方でカラム
トップから他の生成物を取り出すようにする分離方法が
可能となっている。
【0027】液状反応混合物のさらなる処理方法:液状
反応混合物は、未反応カルバミン酸エステルおよび多官
能カルバミン酸エステルの開裂分解の場合の部分変換出
発原料、および反応器仕込み液の記述で既に述べられて
いるような成分からなっているが、組成のパーセントは
異なっている。原則として、反応混合物は未反応物の含
量が1/3以下となっている。反応混合物が第1工程に
循環される前に、開裂分解反応からのヒドロキシル成分
を遊離イソシアナートと反応飽和させて、望ましくない
副生物を蒸留によってかまたは別の適当な分離操作によ
って除去することができる。
【0028】
【実施例】ヘキサメチレン−1,6−ジ−n−ブチルウ
レタン(以下では略号としてHDUを使う)の83重量
%、オリゴマーイソシアヌレートの約15重量%および
上述の一般の部で述べられているような他の副生物の少
量とからの混合物の3.6kg/hが、HDU当りで
0.01モル%のジブチル錫ジラウレートと一緒に、4
個の直径14mmおよび長さ50cmの蒸気加熱加熱用
カートリッジを約6.8cm直径と52cm長さを有す
るシリンダー中に有する加熱カートリッジ反応器中に連
続的に仕込まれる。液体反応器内容物用の12mm直径
の排出オリフィスが反応器底部で加熱用カートリッジ間
に置かれている。反応域の上で、反応器が拡がって20
cm直径および30cm高さのフードを形成している。
【0029】開裂分解反応は、反応媒体中240℃およ
び30ミリバール圧で実施される。加熱用カートリッジ
加熱蒸気温度は、約260℃である。
【0030】反応混合物のガス容量含量は約84%であ
り、すなわち約1.6リットルの全反応容量を満す2相
混合物が約250mlの液体および約1.35リットル
のガスまたは蒸気を含んでいる。
【0031】25重量%のHDU、9重量%のイソシア
ナートヘキサメチレン−n−ブチルウレタン(HMI)
および約66重量%の高分子量アロファナート、尿素、
イソシアヌル酸エステルおよび定性困難なさらなる組成
分からなる反応器排出物の約1kg/hが、反応器の底
部で排出される。これに加えて、反応器からの排出物中
には反応器に仕込まれた触媒からの錫全量が含まれてい
る。反応器中における反応媒体の滞留時間は、このよう
にして約15分間となっている。
【0032】開裂分解ガスは、サルザー(Sulze
r)充てん物を入れた充てん精留カラムで分離され、こ
の精留カラムは反応器上部の前述フード上に直接置かれ
ている。HDUおよびHMIはカラムの下部で分離され
て、反応器に還流される。約1.2kg/hの約98重
量%純度ヘキサメチレン1,6−ジイソシアナートが除
去されるカラム側面の取り出し口は、反応器の上部80
cmに置かれている。約1.4kg/hのブタノールに
富むトップから取り出され、還流されているトップコン
デンサーは、側面取り出し口の上方40cmにある。カ
ラムのトップから排出されるブタノールに富む生成物
は、純度99重量%以上で得られる。反応器仕込み量中
のHDUの除去されるHDIへのモル転換率は、従って
ワンパスで約76%となる。
【0033】反応器からの排出物と排出されたブタノー
ルが、撹拌釜に移されて100℃で反応させられる。得
られた混合物は、循環工程のウレタン生成段階に戻され
る。蒸気の段階で、カルバミン酸エステルHDUがヘキ
サメチレンジアミン(HMD)、尿素およびn−ブタノ
ールから製造され、多数の精製工程後に次に副生物を含
む混合物の形で開裂分解反応器に仕込まれる。
【0034】精留カラムの側面取り出し口で得られる粗
製HDIは、適当な精製段階を経て市販純度まで精製さ
れる。循環工程におけるHDIの収率は、ヘキサメチレ
ンジアミン当りで93%、尿素当りで89%であった。
【0035】8週間中断なしに操業した後で、開裂分解
反応器は加熱表面において僅かにコーティングされただ
けであり、この操業期間中に清掃される必要はなかっ
た。
フロントページの続き (72)発明者 アンドレアス、オターバッハ ドイツ連邦共和国、6710、フランケンター ル、クニーチュシュトラーセ、13 (72)発明者 オットー、マトナー ドイツ連邦共和国、6720、シュパイャー、 ヴォルムザー、シュトラーセ、27アー (72)発明者 フランツ、メルガー ドイツ連邦共和国、6710、フランケンター ル、マックス−スレーフォークト−シュト ラーセ、25 (72)発明者 ヴォルフガング、シュヴァルツ ドイツ連邦共和国、6701、オターシュタッ ト、フランケンシュトラーセ、24 (72)発明者 エックハルト、ブラント ドイツ連邦共和国、6707、シファーシュタ ット、ダンシュタッター、シュトラーセ、 2アー (72)発明者 ペーター、マグヌセン ドイツ連邦共和国、6702、バート、デュル クハイム、プロフェッサー−ディリンガー −ヴェーク、25 (72)発明者 ローラント、ミンゲス ドイツ連邦共和国、6718、グリューンシュ タット、アウフ、デァ、ゼッツ、23

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 モノ−および多官能カルバミン酸エステ
    ルを液相で熱開裂分解して対応するイソシアナートおよ
    びヒドロキシル成分にするための反応器であり、この反
    応器の形状が容量に相関している脱ガス面積および加熱
    表面の配置によって決められており、ガス容量含量が5
    0%より多くなるような2相混合物になるように分解す
    ることを特徴とするカルバミン酸エステル熱開裂分解用
    反応器。
  2. 【請求項2】 開裂分解反応中に50から98%まで、
    好適には70から95%まで、特に好適には75から9
    0%までの反応媒体ガス含量が許されることを特徴とす
    る請求項1記載の反応器。
  3. 【請求項3】 反応が2から200ミリバールまでの絶
    対圧で実施される時に、反応域の上端における逸出ガス
    の速度が1から30m/s、好適には2から20m/s
    までであることを特徴とする請求項1記載の形状を有す
    る反応器。
  4. 【請求項4】 キャビティー、好適には円筒状キャビテ
    ィーまたは上方に広がっているキャビティー中に垂直の
    加熱カートリッジを含む加熱カートリッジ反応器からな
    り、ここにおいて加熱カートリッジの加熱面積が自由脱
    ガス面積の5から100倍、好適には10から50倍ま
    でとなっており、この自由脱ガス面積が反応域の上端に
    おける反応キャビティーの断面積からカートリッジ占有
    面積を差し引いたものとして規定され、さらに加熱面積
    の反応容量に対する比率が10から320、好適には2
    0から150m2 /m3 までとなるようにすることを特
    徴とする請求項1記載の反応器。
  5. 【請求項5】 ロバート(Robert)蒸発器、ハー
    バート(Herbert)蒸発器、キャドル(Cadd
    le)−型蒸発器、管状束反応器、密接に巻かれた内部
    加熱コイルを有する反応釜または他のバルク反応器から
    なり、明らかな液状状態が50%より少なく請求項2を
    厳守することを特徴とする請求項1記載の反応器。
  6. 【請求項6】 精留カラムのトップの位置で還流する精
    留カラムがガス状または液状生成物または生成物混合物
    を除去するのに1個以上の取り出し点を有する精留カラ
    ムが、直接反応器に連結されていることを特徴とする分
    解生成物の除去方法。
  7. 【請求項7】 反応媒体の滞留時間が、液状反応混合物
    に基づいて1から60、好適には3から30、特に好適
    には5から25分間までであることを特徴とする請求項
    1記載の反応器を使用する方法。
  8. 【請求項8】 溶剤が反応媒体に加えられないことを特
    徴とする、請求項1記載の反応器中におけるカルバミン
    酸エステルの開裂分解方法。
  9. 【請求項9】 ウレタンからイソシアナートを生成させ
    るワンパスコンバージョンが50%より少なくないこと
    を特徴とする、請求項1記載の反応器中におけるカルバ
    ミン酸エステルの開裂分解方法。
  10. 【請求項10】 反応器中の圧が1から500、好適に
    は5から100ミリバールまでであることを特徴とす
    る、請求項1記載の反応器中におけるカルバミン酸エス
    テルの開裂分解方法。
  11. 【請求項11】 精留カラムが、液状またはガス状イソ
    シアナートまたはヒドロキシル成分のための側面取り出
    しおよびトップ取り出し点を有することを特徴とする、
    請求項6記載の方法。
  12. 【請求項12】 精留が500ミリバールよりも低圧、
    好適には100ミリバールよりも低圧で実施されること
    を特徴とする、請求項6記載の方法。
  13. 【請求項13】 精留カラムがトップで還流し、ヒドロ
    キシル成分およびイソシアナート成分の混合物がカラム
    のトップから気相状態で取り出されることを特徴とす
    る、請求項6記載の方法。
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