DE4005001A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von phthalimid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Phthalimid durch Umsetzung von Phthalsäureanhydrid und Harnstoff in einem Molverhältnis von 2 : 1 in einer einzigen Verfahrensstufe in einem Reaktionsbehälter und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, Phthalimid durch Umsetzung von Phthalsäureanhydrid mit Harnstoff oder Ammoniak herzustellen. Diese beiden Verfahren unterscheiden sich in ihrem apparativen Aufwand und in den Reaktionsbedingungen wesentlich. Die Herstellung von Phthalimid durch Umsetzung von Phthalsäureanhydrid mit Harnstoff erfolgte bisher nur nach diskontinuierlichen Verfahren. Aus der AT-PS 2 86 271 sind ein Verfahren und der dazugehörige Reaktionsapparat bekannt, bei dem die Umsetzung in einer Stufe erfolgt. Die Reaktanten werden in einem Molverhältnis von etwa 2 : 1 in einem Reaktionsbehälter bis zum Schmelzen auf etwa 130 bis 150°C erhitzt. Nach Beginn der Abspaltung von Kohlendioxid und Wasser wird die Beheizung des Reaktionskessels abgeschaltet, da infolge der Reaktionswärme die Temperatur auf 160°C angestigen ist. Gegen Ende der Reaktion erstarrt die Schmelze plötzlich zu einer auf das mehrfache Volumen der Schmelze aufgeblähten schwammartigen Masse, bestehend aus fast chemisch reinem Phthalimid. Durch Umkippen des schwenkbaren Reaktionsbehälters wird das Phthalimid ausgetragen.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Lösung ist der diskontinuierliche, chargenweise Betrieb und der mehrstufige Verfahrensablauf. Dadurch treten in den einzelnen Chargen Qualitätsunterschiede auf, und eine Erhöhung der Ausbeute ist nur bei Einsatz eines größeren Reaktionsbehälters möglich. Außerdem ist dieses Verfahren sehr arbeitskräfteintensiv und hat einen hohen Energieverbrauch.

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik besteht die Aufgabe darin, ein qualitativ hochwertiges Phthalimid in hoher Raum/Zeitausbeute in einem einstufign, kontinuierlichen Prozeß herzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausgangsstoffe getrennt oder als Gemisch mittels einer Dosiervorrichtung in die Einzugszone einer gleichsinnig drehenden, zweiwelligen Schneckenmaschine mit ineinandergreifenden, als Dichtprofil ausgebildeten Schnecken gegeben werden, wobei bei einer Zylindertemperatur von 120 bis 130°C eine Vorwärmung, Förderung und Vermischung der Ausgangsstoffe erfolgt, dieses Gemisch in eine sich anschließende Kompressionszone gefördert wird und in dieser bei einem maximalen Druck von 10 bar und einer Zylindertemperatur von 140 bis 150°C intensiv vermischt und verdichtet wird, und in eine Aufschmelz- und Reaktionszone gefördert wird, in der bei einer Zylindertemperatur von 150 bis 200°C unter intensiver Mischwirkung in einer Dünnschichtreaktion die vollständige Umsetzung der Ausgangsstoffe zu einem pulverförmigen Phthalimid erfolgt. In der Einzugszone und in der Aufschmelz- und Reaktionszone wird drucklos gearbeitet. Die Drehzahl der Schnecken beträgt 3 bis 20 U/min, vorzugsweise 8 bis 15 U/min.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die Verfahrensschritte Mischen, Fördern, Homogenisieren, Aufschmelzen und chemische Umsetzung in einem einstufigen, kontinuierlichen Prozeß durchzuführen. Trotz der relativ niedrigen Reaktionstemperaturen wird ein hoher Umsetzungsgrad erreicht. Die Modifizierung der aus anderen Anwendungsgebieten bekannten Schneckenmaschine für die Herstellung von Phthalimid führt überraschend zu einem gleichmäßig hohen Durchsatz und zu einer sehr guten Qualität des Phthalimids.

Durch die spezielle Gestaltung der Schneckengeometrie findet eine laufende Vermischung des Reaktionsproduktes mit den Reaktionsgasen statt, die zu einer wesentlichen Verbesserung des Umsetzungsgrades führt.

Der Einsatz von Schneckenmaschinen mit einer wirksamen Schneckenlänge von 20 bis 40 D und entsprechenden Schneckensegmenten mit geringer Steigung gewährleistet eine ausreichend lange Verweilzeit des Reaktionsgemisches in der Schneckenmaschine. Gegenüber den bekannten Verfahren zur Herstellung von Phthalimid erfordert das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zur erzielten Ausbeute erheblich weniger Energie. Durch den kontinuierlichen Herstellungsablauf können Arbeitskräfte eingespart werden, und der Herstellungsaufwand ist geringer.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist als Reaktionsbehälter ausgebildet. Dieser besteht aus einem zylindrischen Gehäuse mit einer Eintrags- und einer Austragsöffnung, wobei in dem Gehäuse zwei gleichsinnig drehende, als Dichtprofil ausgebildete, ineinandergreifende Schnecken angeordnet sind. Der Reaktionsbehälter hat eine wirksame Schneckenlänge von 20 bis 40 D, vorzugsweise von 30 bis 40 D, wobei die Einzugszone eine Länge von 5%, die Kompressionszone eine Länge von 10 bis 15% und die Aufschmelz- und Reaktionszone eine Länge von 80 bis 85% der wirksamen Schneckenlänge aufweisen. Die Schnecken weisen über die gesamte Länge einen konstanten Kern- und Außendurchmesser auf, und das Dichtprofil ist trapezförmig ausgebildet, wobei der Flankenabstand 0,5 bis 1 mm beträgt.

Die Schneckensegmente in der Einzugszone haben eine Gangsteigung von 72 bis 128 mm, in der Kompressionszone eine Gangsteigung von 56 bis 112 mm und in der Aufschmelz- und Reaktionszone eine Gangsteigung von 22 bis 44 mm.

Die Einzugs- und die Kompressionszone sind mit einer Heizeinrichtung und die Aufschmelz- und Reaktionszone ist mit einer Heiz- und Kühleinrichtung versehen. In der Aufschmelz- und Reaktionszone sind zur besseren Durchmischung Stauelemente angeordnet.

Die Erfindung soll nachstehend an einigen Beispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 die Vorrichtungg gemäß Fig. 1 mit Stauelementen in der Aufschmelz- und Reaktionszone.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird folgendermaßen durchgeführt: Die Ausgangsstoffe, Phthalsäureanhydrid und Harnstoff, werden in einer Mühle gemahlen und in einem Mischer gemischt. Über eine Dosiervorrichtung werden sie in die Einzugszone einer gleichsinnig drehenden, zweiwelligen Schneckenmaschine eingespeist. Es ist auch möglich, die Ausgangsstoffe getrennt, also unvermischt, zuzugeben. In der Einzugszone findet bei einer Temperatur von 120 bis 130°C eine Vorwärmung, Förderung und Vermischung statt. Die Einzugszone hat nur eine Länge von 5% der wirksamen Schneckenlänge. Das in der Einzugszone vorgewärmte Gemisch wird in eine sich anschließende Kompressionszone gefördert, die eine Länge von 10 bis 15% der wirksamen Schneckenlänge hat. In dieser Zone wird das Reaktionsgemisch bei Zylindertemperaturen von 140 bis 150°C und einem Druck von maximal 10 bar intensiv vermischt und verdichtet und gelangt in die nachfolgende Aufschmelz- und Reaktionszone. In dieser Zone erfolgt bei Temperaturen von 150 bis 200°C unter intensiver Mischwirkung in einer Dünnschichtreaktion die vollständige Umsetzung zu Phthalimid. Dieses wird als pulverförmiges Produkt aus der Austragsöffnung der Schneckenmaschine ausgetragen. Der Schneckenmaschine kann noch eine Sublimationskammer nachgeschaltet werden, so daß die Abgase frei von Phthalimid oder Phthalsäureanhydrid sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in der Einzugszone sowie in der Aufschmelz- und Reaktionszone drucklos gearbeitet, und die Drehzahl der Schnecken liegt in einem Bereich von 3 bis 20 U/min, vorzugsweise 8 bis 15 U/min.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Sie besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1 mit einer Eintrags- 2 und Austragsöffnung 3. In dem Gehäuse 1 rotieren zwei gleichsinnig drehende, als Dichtprofil ausgebildete, ineinandergreifende Schnecken 4. Die Schnecken 4 sind sogenannte Dreizonenschnecken, die in eine Einzugszone 5, eine Kompressionszone 6 und eine Aufschmelz- und Reaktionszone 7 unterteilt sind. Die Schnecken 4 weisen über ihre gesamte Länge einen konstanten Kern- und Außendurchmesser auf.

Das Dichtprofil der Schnecken 4 ist trapezförmig, wobei der Flankenabstand 0,5 bis 1 mm beträgt.

In der Einzugszone 5 haben die Schneckensegmente eine Gangsteigung von 72 bis 128 mm. In der Kompressionszone beträgt diese 56 bis 112 mm und in der Aufschmelz- und Reaktionszone 22 bis 44 mm.

Die Einzugs- 5 und Kompressionszone 6 sind mit einer Heizeinrichtung 8 ausgerüstet, und die Aufschmelz- und Reaktionszone 7 ist mit einer Heiz- und Kühleinrichtung 9 versehen. Zur Erhöhung des Umsetzungsgrades können in der Aufschmelz- und Reaktionszone 7 noch Stauelemente 10 angeordnet werden (Fig. 2).

Beispiel 1

Das Reaktionsgemisch, bestehend aus 178 Gew.-Teilen Phthalsäureanhydrid und 36 Gew.-Teilen Harnstoff, wurde in einer Schlagkreuzmühle intensiv gemahlen und über eine Dosiervorrichtung in die Einzugszone einer gleichsinnig drehenden, zweiwelligen Schneckenmaschine mit folgende Parametern gegeben:

wirksame Schneckenlänge: 35 D

Gangsteigung des Dichtprofiles in der
-Einzugszone: 100 mm
-Kompressionszone: 88 bis 56 mm
-Aufschmelz- und Reaktionszone: 4 mm

Drehzahl der Schnecken: 12 U/min

Temperaturprogramm:
-Einzugszone: 125°C
-Kompressionszone: 148°C
-Aufschmelz- und Reaktionszone: 155 bis 170°C

Nach dem Einsetzen der chemischen Reaktion wurde die Heizung für die Aufschmelz- und Reaktionszone zeitweise abgestellt. Nach diesem Verfahren wurde ein pulverförmiges, gelblich weißes Phthalimid mit einem Reinheitsgrad von 99% hergestellt. Die Ausstoßleistung betrug 84 kg/h. Die Produktqualität blieb über die gesamte Fahrperiode konstant.

Beispiel 2

In einem langsam laufenden Mischer wurde ein Reaktionsgemisch aus prilliertem Harnstoff und geschupptem Phthalsäureanhydrid hergestellt. Es wurden die gleichen Mengenanteile, Maschinen- und Verfahrensparameter wie im Beispiel 1 eingehalten. In Abänderung zum Beispiel 1 wurden in der Aufschmelz- und Reaktionszone die Schnecken mit einem Stauelement ausgerüstet, das die Form eines aus Knetscheiben gebildeten Knetblockes hatte. Unter diesen Bedingungen wurde ein pulverförmiges, gelblich weißes Phthalimid mit einem Reinheitsgrad von 98,7% erhalten. Die Ausstoßleistung betrug 83 kg/h. Die Produktqualität blieb während der gesamten Fahrperiode konstant.

Beispiel 3

Ein Reaktionsgemisch analog dem Beispiel 1 wurde in die Einzugszone einer gleichsinnig drehenden, zweiwelligen Schneckenmaschine mit folgenden Parametern gegeben:

wirksame Schneckenlänge: 30 D

Gangsteigung des Dichtprofils in der
-Einzugszone: 72 mm
-Kompressionszone: 56 bis 44 mm
-Aufschmelz- und Reaktionszone: 22 mm

Drehzahl der Schnecken: 14 U/min

Temperaturprogramm:
-Einzugszone: 127°C
-Kompressionszone: 145°C
-Aufschmelz- und Reaktionszone: 155 bis 172°C

Das so hergestellte pulverförmige, gelblich weiße Phthalimid hatte einen Reinheitsgrad von 98%. Die Ausstoßleistung betrug 83 kg/h. Die Produktqualität blieb über die gesamte Fahrperiode konstant.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von Phthalimid durch Umsetzung von Phthalsäureanhydrid und Harnstoff in einem Molverhältnis von 2 : 1 in einer einzigen Verfahrensstufe in einem Reaktionsbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe getrennt oder als Gemisch mittels einer Dosiervorrichtung in die Einzugszone einer gleichsinnig drehenden, zweiwelligen Schneckenmaschine mit ineinandergreifenden, als Dichtprofil ausgebildeten Schnecken gegeben werden, wobei bei einer Zylindertemperatur von 120 bis 130°C eine Vorwärmung, Förderung und Vermischung der Ausgangsstoffe erfolgt, dieses Gemisch in eine sich anschließende Kompessionszone gefördert wird und in dieser bei einem maximalen Druck von 10 bar und einer Zylindertemperatur von 140 bis 150°C intensiv durchmischt und verdichtet wird, und in eine Aufschmelz- und Reaktionszone gefördert wird, in der bei einer Zylindertemperatur von 150 bis 200°C unter intensiver Mischungwirkung in einer Dünnschichtreaktion die vollständige Umsetzung der Ausgangsstoffe zu einem pulverförmigen Phthalimid erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Einzugszone und in der Aufschmelz- und Reaktionszone drucklos gearbeitet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Schnecken 3 bis 20 U/min, vorzugsweise 8 bis 15 U/min, beträgt.

4. Vorrichtung zur Herstellung von Phthalimid durch Umsetzung von Phthalsäureanhydrid und Harnstoff in einem Molverhältnis von 2 : 1 in einem Reaktionsbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbehälter aus einem zylindrischen Gehäuse (1) mit einer Eintrags- (2) und Austragsöffnung (3) und zwei gleichsinnig drehenden, als Dichtprofil ausgebildeten, ineinandergreifenden Schnecken (4) besteht, und eine wirksame Schneckenlänge von 20 bis 40 D, vorzugsweise 30 bis 40 D, hat, wobei die Einzugszone (5) eine Länge von 5%, die Kompressionszone (6) eine Länge von 10 bis 15% und die Aufschmelz- und Reaktionszone (7) eine Länge von 80 bis 85% der wirksamen Schneckenlänge aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecken (4) über die gesamte Länge einen konstanten Kern- und Außendurchmesser aufweisen, und das Dichtprofil trapezförmig ausgebildet ist, wobei der Flankenabstand 0,5 bis 1 mm beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckensegmente in der Einzugszone (5) eine Gangsteigung von 72 bis 128 mm, in der Kompressionszone (6) eine Gangsteigung von 56 bis 112 mm und in der Aufschmelz- und Reaktionszone (7) eine Gangsteigung von 22 bis 44 mm haben.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzugs- und Kompressionszone (5, 6) mit einer Heizeinrichtung (8) und die Aufschmelz- und Reaktionszone (7) mit einer Heiz- und Kühleinrichtung (9) versehen sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aufschmelz- und Reaktionszone (7) Stauelemente (10) angeordnet sind.