Projektierungskurs

WS 2014/15

Planung einer Anlage zur Herstellung von Toluoldiisocyanat

 

 

Leitung:
Prof. Dr.-Ing habil. K.-E. Wirth

Partnerunternehmen:
Bayer Technology Services

 

 

ProjektierungsKurs

2014
 
 
Gruppen
 
Gruppe 1 (CRT): Reaktionstechnische Auslegung der Nitrierung und Hydrierung
Daniel Rennertseder, Maximilian Jordan, Elisabeth Bahret, Johannes Bruckner, Andrea Köhler, Markus Kaiser, Gunnar Ganzer, Rachid Benker

Gruppe 1 beschäftigt sich primär mit der reaktionstechnischen Auslegung der ersten beiden Teilschritte bei der Herstellung von Toluoldiisocyanat (TDI) ausgehend von reinem Toluol. Die zwei Teilschritte werden in separaten Reaktoren durchgeführt. Im ersten Schritt erfolgt die Umsetzung von Toluol mittels Nitriersäure zu Dinitrotoluol (DNT). Ausgehend von DNT erfolgt die Herstellung von Diaminotoluol (TDA) durch Hydrierung.

Nitrierung:

Die Nitrierung des Toluols erfolgt konventionell in einem Flüssigphasenprozess, wobei die Reaktion mittels der sogenannten Nitriersäure, einem Gemisch aus Salpetersäure (HNO3) und Schwefelsäure (H2SO4), realisiert wird.

Hierbei finden zuerst eine Nitrierung zum Mononitrotoluol (MNT) und danach eine Dinitrierung zum Dinitrotoluol statt. Beide Schritte werden im Gegenstrom in je einem Rührkessel gefahren. Die Nitriersäure wird zuerst in den Reaktor zur DNT Herstellung geschickt, weil diese schwieriger abläuft, und danach in die Mononitrierung, welche einfacher zu realisieren ist. Beide Rührkessel sind mit integrierten Kühlschlangen ausgestattet um die enormen Wärmemengen, die bei der stark exothermen Nitrierung entstehen, abzuführen. Um die organische Phase des Toluols und die wässrige Phase der Nitriersäure gut zu durchmischen, um eine hohe Grenzfläche zu erhalten an der die Reaktion stattfindet, sind zwei Turbinenrührer montiert. Diese sorgen durch ihr radiales Strömungsprofil auch für eine gute Einbeziehung der Kühlschlangen. Durch die Fahrweise im Gegenstrom muss nach der Herstellung des MNT die verbrauchte Nitriersäure von der organischen Phase in einem Dekanter abgetrennt werden, wobei die MNT-haltige Phase in den DNT-Reaktor weitergeführt wird. Der Produktstrom nach der DNT-Herstellung wird abgezogen und in einem weiteren Dekanter aufgereinigt, wobei nach der Aufbereitung ein Teil zurückgeführt werden kann.

C7H8 + HNO3/H2SO4 → C7H5N2O4 + 2H2O

Hydrierung:

Die Umsetzung von DNT zu TDA erfolgt durch Hydrierung nach folgendem Reaktionsschema.

C7H5N2O4 + 6H2 → C7H6N2H4 + 4H2O

Die Reaktion findet  in einem Dreiphasenprozess statt, wobei in die flüssige DNT-Phase gasförmiger Wasserstoff (H2) eingeführt wird. Als Reaktor werden zwei parallel geschaltete Blasensäulen herangezogen, wobei die Temperatur durch interne Kühlung bei 250 °C gehalten wird. Der Reaktordruck beträgt 30 bar. Das Produkt wird am Kopf abgezogen. Dabei wird ein Teil des Produkts inklusive Katalysator wieder in den Reaktor zurückgeführt, während der Rest über einen Zyklon vom Katalysator abgetrennt und zur Phosgenierung abgeführt wird. Die Rückführung bewerkstelligt einerseits die Reduktion der Wärmebildung der stark exothermen Reaktion und gleichzeitig kann dadurch das optimale Verhältnis von Gas zu Flüssigkeit eingestellt werden.

 
Guppe 2 (CRT): Reaktionstechnische Auslegung der Reaktoren für die Phosgenherstellung und für die Phosgenierung
Stefan Peil, Felix Warnecke, Melanie Kirch, Franziska Tenbrink, David Bernhard, Markus Kaiser, Gunnar Ganzer, Rachid Benker

Aufgabe der Gruppe 2 am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik ist es die Herstellung von Toluoldiisocyanat (TDI) ausgehend von Diaminotoluol reaktions- und verfahrenstechnisch auszulegen und zu optimieren. Für diese Synthese wird Phosgen (COCl2) benötigt. Dieses ist hochgiftig und muss deshalb direkt am Standort produziert werden. Die Phosgenherstellung sollte ebenfalls von dieser Gruppe ausgelegt werden.

Bei der Phosgenherstellung wird Kohlenmonooxid und Chlor zu Phosgen umgesetzt. Diese Reaktion ist exotherm und die Reaktionsgeschwindigkeit sehr hoch. Hierfür muss ein geeignetes Reaktorkonzept entwickelt werden, um einen hohen Umsatz zu erreichen und gleichzeitig die entstehende Wärme abführen zu können. Dabei ist die Kommunikation mit der Konstruktionsgruppe sehr wichtig.

In der Phosgenierung reagiert TDA mit Phosgen zu TDI und HCl. Diese Reaktion ist in der Flüssigphase oder in der Gasphase möglich. Diese beiden möglichen Verfahren sollen miteinander verglichen werden und der Reaktor für eine Gasphasenphosgenierung ausgelegt werden.

Für eine Reaktion in der Gasphase  müssen die Edukte auf über 300°C erhitzt werden.  Um Weiterreaktionen des TDI zu verhindern, muss schnell auf 150°C abgekühlt werden. Aus diesem Grund muss das Produkt, z.B. mit großen Mengen an Monochlorbenzol gequencht werden. Um die Bildung von Nebenprodukten zu minimieren, muss bei der Reaktion zudem ein Überschuss an Phosgen verwendet werden.

Durch die Herstellung und Verwendung von Phosgen sind Sicherheitsaspekte essentiell.
 
Gruppe 3 (TVT): Aufreinigung nach Nitrierung und Hydrierung
Felix Kulacz, Frederik Dörr, Ronja Fries, Christopher Sterzik, NastaranMehrazar, Alexander Günther

Die Herstellung von Toluoldiisocynat (TDI) umfasst mehrere Reaktionsstufen. Das umfasst die Nitrierung des Ausgangsstoffes Toloul zu Dinitrotoloul (DNT), die Hydrierung von DNT zu Diaminotoloul (TDA) sowie die Phosgenierung zu TDI.

Das Ziel dieser Gruppe ist es eine möglichst hohe Reinheit der Zwischenprodukte nach der Nitrierung und Hydrierung zu erreichen. Desweiteren sollte die Nitriersäure zwischen beiden Nitrierungsstufen recycelt und dem Prozess zugeführt werden.

Die Nitrierung beinhaltet zwei Nitrierungsstufen. Zwischen diesen Schritten findet die Nitriersäure-Rückgewinnung statt. Hierbei wird die Schwefelsäure und Salpetersäure aufkonzentriert und in die zweite Nitrierungsstufe hinzugefügt. Die nach der Nitrierung anfallende organische und wässrige Phase werden mittels eines Phasenabscheiders getrennt. Die organische Phase wird in mehreren Extraktionensschritten aufgereinigt.

Bei der Hydrierung werden neben dem Zwischenprodukt TDA unerwünschte Substanzen gebildet. Mit Hilfe einer Kombination aus Flash und Trennwandkolonne können die jeweiligen Komponenten voneinander getrennt und in hoher Reinheit dem nächsten Produktionsschritt zugeführt werden.
 
Gruppe 4 (TVT): Aufreinigung nach der Phosgenierung
Ramona Seliger, Isabell Vogeler, Verena Geiger, Alexander Günther, Judith Zünllich, Bastian Reiprich

Die Aufgabenstellung der Gruppe umfasst die Endaufreinigung des in der Phosgenierung gebildeten Toluoldiisocyanats, sowie das Recycling von Wertkomponenten. Dazu werden geeignete Trennverfahren betrachtet und entsprechende Apparate ausgelegt.

Die abzutrennenden Komponenten nach der Phosgenierung sind hauptsächlich das Quenchmittel Chlorbenzol, sowie das bei der Reaktion im Überschuss eingesetzte Phosgen und der dabei gebildete Chlorwasserstoff. Weiterhin sind nicht reagiertes Toluoldiamin und Nebenprodukte der Phosgenierungsreaktion vom Wertprodukt Toluoldiisocyanat zu trennen. Der Chlorwasserstoff wird im Chlorkreislauf weiterverarbeitet, das Phosgen wird in die Phosgenierung rückgeführt. Das Chlorbenzol wird ebenfalls zum Quenchen rückgeführt. Dabei muss in Absprache mit den verantwortlichen Gruppen auf eine angemessene Reinheit geachtet werden. Für das Wertprodukt Toluoldiisocyanat wird eine Reinheit von ≥99,5 Gew.-% gefordert. Die Trennung erfolgt über Gas-Flüssig-Separatoren und Destillationskolonnen.

Für eine erfolgreiche Projektierung des Gesamtprozesses muss ein reger Informationsaustausch mit allen anderen Gruppen, insbesondere mit den Gruppen der Reaktionstechnik stattfinden.

 
Gruppe 5 (BVT): Chlorkreislauf
Lea Blume, Eva-Maria Wanka, Philipp Schwerna, Stefan Ringgeler, Michael Sommerschuh, Josef Taucher, Patricia Rieger

Die Phosgenierung von Toluoldiamin (TDA) zu Toluoldiisocyanat (TDI) wird in einer Gasphasenreaktion durchgeführt. Bei der Umsetzung fällt Salzsäure als Nebenprodukt an. Diese kann einerseits als Chlorgas in die Phosgenherstellung zurückgeführt werden, andererseits verkauft werden. Dies hat zur Folge, dass zur Phosgenherstellung Chlorgas eingekauft oder hergestellt werden muss. Alternativ zur Gasphasenreaktion kann diese auch in Flüssigphase durchgeführt werden. Hierbei ist abzuschätzen ob sich ein Phasenwechsel positiv hinsichtlich der Chlorrückgewinnung bzw. des Abverkauf von Salzsäure erweisen kann. Es sollen somit die Möglichkeiten ökonomisch evaluiert und eine Auswahl getroffen werden, welche Methode sich am besten eignet.

 
Gruppe 6 (BVT): Evaluierung biotechnologischer Konzepte bei der Herstellung von Toluylendiisocyanat
Gabriel Sievi, Josef Taucher, Lisa Britting, Stefan Ringgeler, Anna Schmidtpeter, Philipp Schwerna, Thomas Linder

Gruppe 6 beschäftigt sich mit der Evaluierung und Sichtung von Möglichkeiten den Prozess ganz oder Teile davon biotechnologisch oder auf Basis nachwachsender Rohstoff zu realisieren.

Eine offensichtliche Möglichkeit biotechnologisch in den Prozess einzugreifen ist die Abwasservorbehandlung. In den Abwässern der verschiedenen Prozessschritte fallen Spuren der giftigen Zwischen-, Neben- und Endprodukte an, die vor der Einschleusung in die Kläranlage behandelt werden sollen.

Innerhalb der Hauptroute kann die Hydrierung von DNT zu TDA auch biotechnologisch verwirklicht werden. Pseudomanas aeruginosa ist in der Lage durch eine Nitroreduktase (NR) DNT zu hydrieren. Bei dieser Reaktion entsteht allerdings nur eine kleine Menge an TDA (3 %), da das TDA weiter umgesetzt wird. Daher soll die Reaktion in einem Enzymreaktor mit NADH als Cofaktor realisiert werden. Die Regeneration von NADH erfolgt mit einer Formiatdehydrogenase unter Formiatoxidation.

Statt der Synthese von TDI aus TDA, die mit Phosgen erfolgt, kann auch der Reaktionspartner bei der Polyurethanherstellung, das Diol zu einem Dicarbonat weiterverarbeitet werden. Aus Dicarbonat kann mit TDA Polyurethan hergestellt werden. Beim Diol besteht die Möglichkeit der Synthese auf Basis nachwachsender Rohstoffe, z.B. aus Fettsäuren oder fermentativ aus Stärke über Bernsteinsäure mit Corynebakterium glutamicum.

 
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