JP2010508373A - イソシアネートの製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、イソシアネートを、相応のアミンとホスゲンとを、場合により少なくとも１種の不活性媒体の存在下で反応させることによって、気相中で製造する方法において、１つの反応器中でｎ個のアミン流と少なくともｎ個のホスゲン流とを反応させ、その際、ｎが少なくとも１の正の整数であり、かつ少なくとも１個のアミン流もしくはホスゲン流を、少なくとも１個のスリットを介して導入して該反応器中で混合する製造方法に関する。

Description

本発明は、イソシアネートの製造方法に関する。
イソシアネートを相応のアミンのホスゲン化によって製造するために、原則的には、液相ホスゲン化又は気相ホスゲン化の手法がある。気相ホスゲン化は、反応条件を、少なくとも反応成分のジアミン、ジイソシアネート及びホスゲンがこの条件下で気体状であるが、好ましくは全出発物質、生成物及び反応中間生成物がこの条件下で気体状であるように選択することを特徴とする。本発明は、もっぱら気相ホスゲン化に関する。
ＥＰ１２７５６３９号は、（脂環式）脂肪族のジアミンを、狭窄壁部を有する反応帯域中で気相ホスゲン化することを記載している。
混合装置中で、アミン含有の及びホスゲン含有の出発物質流が同軸状に混合帯域へと供給され、その際、ホスゲン含有の出発物質流は内側に、そしてアミン含有の出発物質流は外側に供給される。それらの出発物質流を一緒にする領域では、流動断面積の更なる減少もしくは少しの拡大が起こるので、反応の過程での体積増加に基づき流動速度が高まる。
この装置の場合の欠点は、アミン流が同軸状に外側で供給されることである。それによって、混合装置の壁部に固体形成が引き起こされる。それというのも、それらの壁部ではアミンがホスゲンに対して過剰に存在し、これにより副生成物の形成が促進されるからである。該方法の更なる欠点は、断面狭窄による流動の激しすぎる加速に際して、乱流中での迅速な混合のために重要な、その流動における乱流変動速度の減衰がもたらされることである。
同様にＥＰ１２７５６３９号Ａ１では、出発物質流を一緒にする前に、出発物質流のねじれが起こることが望ましいので、出発物質流中での乱流変動速度は高められ、そして両方の出発物質流を一緒にした場合の混合はその際より迅速に行われる。しかしながら欠点は、変動速度の増大によって、アミン含有の出発物質流の混合帯域への合流点で流れのばらつきが増大し、それによって混合ノズルの閉塞の危険性が高まることである。
ＥＰ１２７５６４０号Ａ１は、（脂環式）脂肪族のジアミン及びトリアミンを、ガス流動が混合領域で加速される反応器を有する混合管内で気相ホスゲン化することを記載している。内管と外管を有する反応器形状が開示され、その形状をもって単に１時間あたり約２１１ｇのヘキサメチレンジアミン−１，６の規模での気相ホスゲン化が可能であるにすぎない。
この方法の欠点は、混合開始時に直ちに、反応物流の間で最大の速度差が達成されず、それにより最短の可能な混合時間も達成されないことである。
前記の２つの文献に開示された反応器での欠点は、前記の反応器形状を大工業的な目的にかなった大きさへと安易に転用する場合に内管の直径を大きくせねばならないため、２つの管を通じて導入された流れの混合が、流動方向に対して垂直な距離が長いため短い混合時間ではもはや不可能なことである。
特許ＥＰ９２８７８５号Ａ１においては、多数の微細構造混合エレメントを含む混合装置を用いてイソシアネートを製造する方法が記載されている。しかしながら、その方法での欠点は、個別のアミン供給路とホスゲン供給路の非常に小さい自由横断面であり、それらは殊に固体の沈着と閉塞を起こしやすい。
ＥＰ１４４９８２６号Ａ１においては、アミン含有流を少なくとも２つの個々のアミン導管に事前に分配することが開示されている。しかしながら、これらは、流体力学的に互いに切り離されている。これらの個々の管の横断面は、例えばアミン塩酸塩の形成によって減少するので、この管を通じた流量は、圧力損失増加のため自動的により少なくなり、そして流過の減少がもたらされる。しかし、より少ない流量により、さらに多くの固体が壁部に固着するため、閉塞もさらに迅速に進行することが引き起こされる。その際に、欠点となるのは、混合物流の滞留時間分布が、その注入後の横断面が反応帯域長に対して大きいことに基づき比較的広いことである。
ＤＥ１０３５９６２７号Ａ１は、２本のホスゲン流の間の同心状の環状間隙を通じてアミンが混合され、前記の２本のホスゲンが流れる断面積が１：０．５〜１：４の比である気相ホスゲン化が開示されている。
この反応器形状でも、反応器形状を大工業的な目的にかなった大きさに安易に転用した場合に、混合機の内径は、その面積比を保持しうるために所定の限界までしか高めることができないことが欠点である。
ＷＯ０２／０２２１７号は、とりわけ液相ホスゲン化のための、出発物質流の混合のための種々の方法を記載している。
そこに開示されている方法は、約１０ｍ／秒のみの低流入速度における液相の混合を意図しており、それに対して、気相ホスゲン化に際して必要な実質的により高いガスの速度と混合が、液体の混合とは異なる流体力学的な要求が課されることが欠点である。更に、気相におけるホスゲン化の反応速度は、液相における反応速度と明らかに異なるので、ＷＯ０２／０２２１７号の方法は気相に対して容易に転用することができない。
ＷＯ２００７／０２８７１５号から、アミン及びホスゲンを、環状間隙を介して、従って環状に閉じた間隙を介して導入する方法は知られている。
ところで、本発明の課題は、大工業的な実施が可能であり、かつ以下の利点：
− より短い混合経路長を可能にすること、
− 逆混合が全くないこともしくは非常に少ないこと、
− 固体の堆積傾向が低いにすぎないことにより閉塞が起こりづらいこと、
− 好ましい滞留時間分布
の少なくとも１つを有する気相ホスゲン化のための反応実施方法を開発することであった。
前記課題は、イソシアネートを、相応のアミンとホスゲンとを、場合により少なくとも１種の、好ましくは厳密に１種の不活性媒体の存在下で気相中で反応させることによって製造する方法において、１つの反応器中でｎ個のアミン流と少なくともｎ個のホスゲン流とを反応させ、その際、ｎが少なくとも１の正の整数であり、かつ少なくとも１個のアミン流もしくはホスゲン流を、少なくとも１個のスリットを介して導入して、該反応器中で混合する製造方法によって解決される。
ＷＯ２００７／０２８７１５号においては、"環状間隙"及び"環状間隙空間"との概念は以下のように使用される：
環状間隙空間は、中空円筒の一般化（中空円筒の定義については、ブロンシュタイン（Ｂｒｏｎｓｔｅｉｎ）著の"Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｋ" 第２１版、第１９９頁を参照されたい）として解釈される。環状間隙空間は、それぞれ空間的に曲げられ閉鎖した外側及び内側の側面と、境界を示す端面とによって閉じられており、その両方の側面が相互に貫通しない容積である。
環状間隙は、円形部の一般化（円形部の定義については、ブロンシュタイン著の"Ｔａｓｃｈｅｎｂｕｃｈ ｄｅｒ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｋ" 第２１版、第１９４頁を参照されたい）として解釈される。環状間隙は、その端面において、前述の環状間隙空間を区切る端面の形状を有する。
それに対して、本文書での概念"スリット"は、環状につながっていない面であり、その代わりに、１つの"スリット"は、一重につながった面である。
そのようなスリットは、本発明によれば、環状につながっていなければ任意の形状であってよい。任意の形の例は、線形の、波形の、ジグザグ形の又はループ形のスリットであり、好ましくはスリットは線形である。
本方法で混合空間へと導入されるべきホスゲン含有の及びアミン含有の出発物質流は、１つの側面で、少なくとも（２ｎ）個の、例えば２個の平坦なスリットによって混合空間中に入る。その際、種々の可能な実施形態が考えられる：
スリットは、スタック形で互いに配置されていてよい。この場合には、例えば、アミンが導入される１つのスリットは、好ましくは平行に走るホスゲンが導入されるスリットの２つ長側面で隣接している。これらは、改めて同様に、アミン導入用の２個のスリットによって取り囲まれており、それらは改めて２個の、ホスゲンが導入されるスリットと隣接していてよい。
この場合に、（２ｎ＋１）個のスリットのスリットスタックとなり、その際、好ましくは、より外側のスリットによってホスゲンが導入される。
更なる一実施形態において、１個の内側のスリットによってアミンが導入され、該スリットは全ての側でつながった、例えば方形のスリットによって取り囲まれており、そのスリットを通じてホスゲンが導入される（図１ａ及び図１ｂ）。前記スリットは、その際、例えばアミン導入用の更なるつながったスリット又はつながっていないスリットによって隣接されており、そのスリットはあらためて全ての側でつながった、例えば方形のスリットによって取り囲まれており、そのスリットを通じてホスゲンが導入される。
この場合に、１個のスリットが１個ずつのつながったスリットによって取り囲まれている好ましい態様となる。
固体の堆積と閉塞の回避のために、本発明による混合装置では、ホスゲン含有の出発物質は好ましくは、装置壁部全体にわたって出発物質を一緒にした後に１個もしくはそれより多くの出発物質流を流し、そして１個もしくはそれより多くのアミン含有の出発物質流が、完全に１個もしくは複数のホスゲン含有の出発物質によって、流れが完全に混合されるか又は十分に完全なアミンの転化が行われるまでの間は取り囲まれるように送られる。
従って、好ましくは、アミンは、内側に１個のスリットを介して導入され、そのアミンは、ホスゲン流によって、完全に取り囲まれている、従って上側と下側だけでなく、その側面でも取り囲まれている。この取り囲まれたつながったスリットは、その際、スリットの形状に適合されている。従って、例えばアミン導入用のスリットが線形の場合に、ホスゲンは方形で導入される（図１ｂを参照のこと）。
気相ホスゲン化に使用できるアミンは、特定の必要条件を満たさねばならない（後述する）。
前記アミンは、モノアミン、ジアミン、トリアミンもしくはより多価のアミン、好ましくはジアミンであってよい。相応して、相応のモノイソシアネート、ジイソシアネート、トリイソシアネートもしくはより多価のイソシアネート、好ましくはジイソシアネートが生ずる。
アミン及びイソシアネートは、脂肪族、脂環式もしくは芳香族であってよく、好ましくは脂肪族もしくは脂環式であってよっく、特に好ましくは脂肪族であってよい。
脂環式のイソシアネートは、少なくとも１つの脂環式の環系を有するイソシアネートである。
脂肪族イソシアネートは、もっぱらイソシアネート基を有し、該基が直鎖もしくは分枝鎖に結合されているイソシアネートである。
芳香族のイソシアネートは、少なくとも１つの芳香族の環系に結合された少なくとも１つのイソシアネート基を有するイソシアネートである。
（脂環式）脂肪族のイソシアネートは、本願の範囲では、短く、脂環式及び／又は脂肪族のイソシアネートのことを表す。
芳香族のジイソシアネートのための例は、好ましくは、６〜２０個の炭素原子を有するもの、例えばモノマーの２，４′−もしくは４，４′−メチレン−ジ（フェニルイソシアネート）（ＭＤＩ）、２，４−及び／又は２，６−トルイレンジイソシアネート（ＴＤＩ）及び１，５−もしくは１，８−ナフチルジイソシアネート（ＮＤＩ）である。
ジイソシアネートは、好ましくは（脂環式）脂肪族のジイソシアネート、特に好ましくは４〜２０個の炭素原子を有する（脂環式）脂肪族のジイソシアネートである。
通常のジイソシアネートの例は、脂肪族のジイソシアネート、例えば１，４−テトラメチレンジイソシアネート、１，５−ペンタメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート（１，６−ジイソシアナトヘキサン）、１，８−オクタメチレンジイソシアネート、１，１０−デカメチレンジイソシアネート、１，１２−ドデカメチレンジイソシアネート、１，１４−テトラデカメチレンジイソシアネート、リシンジイソシアネートの誘導体、テトラメチルキシリレンジイソシアネート（ＴＭＸＤＩ）、トリメチルヘキサンジイソシアネートもしくはテトラメチルヘキサンジイソシアネート並びに３（もしくは４），８（もしくは９）−ビス（イソシアナトメチル）−トリシクロ［５．２．１．０2.6］デカン異性体混合物、並びに脂環式のジイソシアネート、例えば１，４−、１，３−もしくは１，２−ジイソシアナトシクロヘキサン、４，４′−もしくは２，４′−ジ（イソシアナトシクロヘキシル）メタン、１−イソシアナト−３，３，５−トリメチル−５−（イソシアナトメチル）シクロヘキサン（イソホロンジイソシアネート）、１，３−もしくは１，４−ビス（イソシアナトメチル）シクロヘキサン、２，４−もしくは２，６−ジイソシアナト−１−メチルシクロヘキサンである。
好ましくは、１，５−ペンタメチレンジイソシアネート、１，６−ジイソシアナトヘキサン、１−イソシアナト−３，３，５−トリメチル−５−（イソシアナトメチル）シクロヘキサン、４，４′−ジ（イソシアナトシクロヘキシル）メタン及びトルイレンジイソシアネート異性体混合物である。特に好ましくは、１，６−ジイソシアナトヘキサン、１−イソシアナト−３，３，５−トリメチル−５−（イソシアナトメチル）シクロヘキサン及び４，４′−ジ（イソシアナトシクロヘキシル）メタンである。
本発明による方法のためには、係るアミンが相応のイソシアネートへの反応のために使用され、その際、アミンと、その相応の中間生成物と、相応のイソシアネートは、選択された反応条件下で気体状で存在する。反応の時間中に反応条件下で、高くても２モル％まで、特に好ましくは高くても１モル％まで、殊に好ましくは高くても０．５モル％まで分解するアミンが好ましい。特に適しているのは、ここでは、２〜１８個の炭素原子を有する脂肪族もしくは脂環式の炭化水素を基礎とするアミン、特にジアミンである。このための例は、１，５−ジアミノペンタン、１，６−ジアミノヘキサン、１−アミノ−３，３，５−トリメチル−５−アミノメチルシクロヘキサン（ＩＰＤＡ）及び４，４′−ジアミノジシクロヘキシルメタンである。好ましくは、１，６−ジアミノヘキサン（ＨＤＡ）が使用される。
同様に、本発明による方法のためには、大きな分解なく気相へと変換できる芳香族アミンを使用することができる。好ましい芳香族アミンのための例は、トルイレンジアミン（ＴＤＡ）、２，４−もしくは２，６−異性体又はそれらの混合物としてのトルイレンジアミン、例えば８０：２０〜６５：３５（モル／モル）の混合物、ジアミノベンゼン、２，６−キシリジン、ナフチルジアミン（ＮＤＡ）及び２，４′−もしくは４，４′−メチレン（ジフェニルアミン）（ＭＤＡ）又はそれらの異性体混合物である。前記のものとしてはジアミンが好ましく、特に好ましくは２，４−及び／又は２，６−ＴＤＡである。
気相ホスゲン化の際に、定義によれば、反応の過程に現れる化合物、つまり原料（ジアミン及びホスゲン）、中間生成物（特に中間的に生じるモノ及びジカルバモイルクロリド）、最終生成物（ジイソシアネート）、並びに場合により供給される不活性化合物が、反応条件下で気相中に残留するように努めるべきである。これらの、もしくはその他の成分が、気相から、例えば反応器壁又はその他の装置部材に堆積する場合には、これらの堆積物によって、当該部材の熱の移行又は貫流は不所望な変化を受けうる。このことは特に、遊離のアミノ基と塩化水素（ＨＣｌ）とから形成されて生じるアミン塩酸塩に該当する。というのも、生じるアミン塩酸塩は、容易に析出し、かつ再度蒸発させることが困難だからである。
原料、又は原料の一部のみを、少なくとも１の不活性媒体と一緒に混合空間に供給することができる。
不活性媒体は、反応温度で反応空間中に気体状で存在し、かつ反応の過程で現れる化合物と反応しない媒体である。不活性媒体は一般に、アミン及び／又はホスゲンとの反応前に混合されるが、しかし原料流とは別個に計量供給することもできる。例えば窒素、希ガス、例えばヘリウムもしくはアルゴン、又は芳香族化合物、例えばクロロベンゼン、クロロトルエン、ｏ−ジクロロベンゼン、トルエン、キシレン、クロロナフタリン、デカヒドロナフタリン、二酸化炭素又は一酸化炭素を使用することができる。有利には窒素及び／又はクロロベンゼンを不活性媒体として使用する。
一般に不活性媒体は、アミンに対する、もしくはホスゲンに対する不活性媒体の気体体積の比が、０．０００１超〜３０、有利には０．０１超〜１５、特に有利には０．１超〜５となるような量で使用する。
出発アミンは、本発明による方法の実施前に気化し、かつ２００℃〜６００℃、有利には３００℃〜５００℃に加熱され、かつ場合により混合装置によって不活性ガス又は不活性溶剤の蒸気で希釈して反応器に供給する。
ホスゲン化の際に使用されるホスゲンは、本発明による方法の実施前に場合により不活性ガスで、又は不活性溶剤の蒸気で希釈して、同様に２００℃〜６００℃、有利には３００℃〜５００℃の範囲の温度に加熱する。
好ましい一実施態様においては、ｎ個のアミン流は、（ｎ＋１）個のホスゲン流よりも５０℃まで高温に、好ましくは３０℃まで高温に、特に有利には２４℃まで高温に、殊に有利には２０℃まで高温に加熱される。好ましくは、ｎ個のアミン流の温度は、（ｎ＋１）個のホスゲン流よりも少なくとも５℃高い、特に有利には少なくとも１０℃高い。
本発明によれば、ホスゲンをアミノ基に対して過剰で使用する。通常、ホスゲン対アミノ基のモル比は、１．１：１〜２０．１、有利には１．２〜５：１である。
両方の気体状の出発物質の混合と反応は、本発明による方法によれば、出発物質流であるジアミンとホスゲンを、入口表面としてのスリットを介して導入した後に反応空間としての混合質中で行われる。
反応は通常、原料との接触により混合後に直接開始される。
ここで、反応空間の前方部において、出発物質の混合が、場合により不活性媒体と混合されて行われる（混合空間）。
本発明による反応を実施するために、予熱されたアミンもしくはアミン混合物含有流及び予熱されたホスゲン含有流を連続的に反応器に、有利には管型反応器に導通する。
反応器は一般に、鋼、ガラス、合金鋼又はほうろう加工した鋼からなり、かつ方法条件下でジアミンとホスゲンとの完全な反応が可能となるために十分な長さを有する。
図１は、ａ及びｂにて混合ノズルの平面実施形態を示している。 図２は、ａ及びｂにて本発明による方法の混合帯域と反応帯域を示している。 図３は、Ａ〜Ｆにて本発明による好ましい反応空間の構成をを示している。
混合装置
（ｎ＋１）個のホスゲン流及びｎ個のアミン流は、一般に、反応器の終わりで混合ユニットを介して滞留時間反応器に供給される。それぞれ２個のホスゲン流の間で、１つのスリットを介して高い速度を有するアミン流が供給される。全てのホスゲン流とアミン流の供給は、それぞれスリットスタック中のスリットを介して行われる。好ましくは、各スリットは、相応して適合された別の反応成分用の導入手段によって取り囲まれている（図１ｂを参照のこと）。該スリットは、隣接したホスゲン流とその間にあるアミン流が供給されるスリットであり、好ましくは内側のアミン流が完全にホスゲン流によって取り囲まれているスリットである。
一実施態様においては、これらのスリットは、その際、改めて同心円状で他の導入手段によって取り囲まれていてよい。
該スリットは、好ましくは少なくとも２：１の、有利には少なくとも３：１の、特に有利には少なくとも４：１の、殊に有利には少なくとも５：１の、特に少なくとも１０：１の幅対高さの比率を有する。上限として、幅対高さの比率は、単に構成上の目的にかなった実用可能な値によって制限される。一般に、その比率は、５００：１未満、好ましくは２５０：１未満、特に有利には１００：１未満である。
その際、幅と高さは、それぞれスリットの大きい方の幅もしくは大きい方の高さに対するものである。
スリットの表面形状は、好ましくは長方形であるが、菱形、台形、楕円形、長円形も考慮でき、かつ辺に向かって先細っている形状、例えば断面で六角形もしくは目の形の表面も考慮できる。
出発物質供給路内に、例えばＥＰ１３６２８４７号Ａから公知の流量平衡器を取り付けることが合理的なことがある。しかしながら、好ましくは出発物質流の速度の平衡のために、供給路の直径に対する比率において長い出発物質供給路中の先行長さは、供給路直径の２〜４０倍であり、特に好ましくは４〜３０倍であり、殊に好ましくは５〜２０倍である。
特許ＥＰ１２７５６４０号Ａ１に記載されるような、出発物質流を一緒にした後での流動横断面の狭窄は、逆流動の回避のために可能であるが、好ましくはそれを省くことができる。
本発明によれば、流動の混合のために決定的なことは、できる限り小さい横拡散路であり、それを介して流体エレメントは、乱流拡散と層流拡散とで交換され、こうして混合がもたらされる。ＤＥ１０３５９６２７Ａ１においては、アミン流が、環状間隙を形成する二重壁の導管を通じて導入され、２個のホスゲン流の外側のみが環状間隙、すなわち、"管型反応器の壁及び二重壁の導管の外壁により区切られる横断面"を通じて導入されるが、内側ホスゲン流は、"二重壁の導管の内壁によって区切られる横断面"、すなわち、環状表面を通じて導入される。従って、ＤＥ１０３５９６２７Ａ１の教示によれば、反応器断面もしくは内側ホスゲン導入の増大に際して、内側ホスゲン流及びアミン流の間の横拡散路の拡大をもたらす。
本発明によれば、アミン流は、１つのスリットを介して、スリットを介して導入される２個のホスゲン流の間で混合される。本発明の原理は、（ｎ＋１）個のホスゲン流の２つの層の間で、ｎ個のアミン流、例えば、２、３、４又はそれ以上の導入についても同様に一般化することができる。ｎは、好ましくは１、２又は３であり、特に好ましくは１又は２であり、非常に好ましくは１である。
その際、アミン流は、本発明の概念によれば、混合の開始後に、装置壁部との接触を有さず、ホスゲン含有の出発物質流によって取り囲まれており、アミン流は、"サンドウィッチ様に"２つのホスゲン流の間に導入される。
本発明によれば、最上部流と最下部流もしくは最外側流が、それぞれホスゲン流であり、その１もしくは複数のアミン流は反応器の壁部から妨げられることが引き起こされる。
１もしくは複数のホスゲン含有の出発物質流の流動横断面は、特徴付けられた混合長尺度が再びできる限り小さくなるように構成される。出発物質であるホスゲンは化学量論的な過剰において供給され、さらにホスゲン速度は、好ましくはアミン速度よりも小さいので、アミン含有流についてよりも大きな横断面積が選択されねばならず、そこからもより大きな特徴付けられた尺度がもたらされる。混合路長は、２００ｍｍより短く、好ましくは１００ｍｍより短く、特に有利には５０ｍｍより短く、殊に有利には２５ｍｍより短く、特に１０ｍｍより短く選択される。その際、混合路長は、２もしくは複数の出発物質流の流体エレメントが、出発物質流の分子混合が行われるまで、出発物質流の流動方向に対して垂直に進まねばならない。
アミン流の全面積とホスゲン流の全面積との比率は、０．００００２より大きく、好ましくは０．０００２より大きく、特に好ましくは０．００２より大きく、殊に好ましくは０．０２より大きい。
アミン流の全面積とホスゲン流の全面積との比率は、５より小さく、好ましくは１より小さく、特に好ましくは０．５より小さく、殊に有利には０．２より小さい。
２つのホスゲン供給面であって、アミン供給スリットによって分離されている面の面積比は、０．１〜１０、好ましくは０．２〜５、特に好ましくは０．４〜２．５、殊に０．８〜１．２５、特に０．９〜１．１、特に１である。
ｎが２より大きい場合に、２つのアミン供給面であって、ホスゲン供給面によって分離されている面の面積比は、０．１〜１０、好ましくは０．２〜５、特に好ましくは０．４〜２．５、殊に０．８〜１．２５、特に０．９〜１．１、特に１である。
アミン含有の及びホスゲン含有の出発物質流の混合の強度及び迅速さは、実質的に混合帯域中に設定された剪断勾配に依存するので、該混合帯域は、剪断勾配が特に大きいように構成されねばならない。
そのために、一方で、アミン含有の及びホスゲン含有の出発物質流の間の差速度は特に高く選択されるべきであり、他方で特徴付けられた長さ尺度はできる限り小さく選択されるべきである。それというのも、剪断勾配は、速度差と特徴付けられた長さ尺度からの商に比例しているからである。
アミン含有の及びホスゲン含有の出発物質流の間の速度差は高いべきなので、ホスゲン含有のもしくはアミン含有の出発物質流のいずれかがより高い速度を有さねばならない。混合帯域へのアミン供給路は堆積の形成と閉塞を受けやすく、アミン供給路への逆流動があらゆる場合において回避されるべきなので、アミン含有の出発物質流の流動速度は、ホスゲン含有の出発物質流の速度よりも好ましくは大きく選択される。アミン含有の出発物質流の速度が高いほど、同じ剪断勾配で、ホスゲン含有の出発物質流の速度もより高く選択することができる。より高いホスゲン速度は、ホスゲン供給路のより小さい流動横断面をもたらし、それにより更に短い混合路長と、従ってより迅速な混合をもたらす。
できる限り高いアミン速度を達成するために、従って、アミン流において、ホスゲン流と一緒にする地点で、０．６より大きい局所的マッハ数を達成するように努められる。
マッハ数とは、その際に、局所的な流動速度と局所的な音速との比率を意味する。本方法の特定の一実施態様においては、アミン含有の出発物質流の供給は、アミン流の混合帯域への出口でちょうどマッハ数１であるように選択される。
いわゆる適合されたアミン供給路の場合に、この時点でのアミン流の圧力は、一緒にする時点でのホスゲン含有の出発物質流の圧力にちょうど相当する。適合されていないアミン供給路の場合に、アミン供給路からの出口でのアミン流の圧力は、一緒にする場合のホスゲン含有流の圧力よりも大きい。この場合に、アミン含有流の更なる膨張がもたらされ、それはホスゲン含有流の圧力外への圧力降下と関連づけられている。ノズルを適合するかもしくは適合しないで作動させるかは、混合ノズル前のアミン含有流及びホスゲン含有流の前圧に依存する。更なる特定の一実施態様においては、アミン供給路は、既に供給において１より大きいマッハ数が達成されるように構成される。流動横断面がまずマッハ数１が達成されるまで狭窄されており、次いで再び拡大され、これにより流動の更なる膨張と加速がもたらされることを特徴とする、例えば１もしくは複数のラバルノズルの形でアミン含有流の供給を構成することによって達成することができる。超音速流動（１より大きいマッハ数）を達成するために、アミン槽圧と混合帯域圧との比率が、いわゆる臨界圧力比より大きくならねばならない。その圧力比が高く、アミン流の槽温度が高いほど、最大で達成できる速度は高くなる。
出発物質のアミンは、高すぎる温度ではしばしば熱的に損傷されるので、高すぎる温度に調節すべきでない。また、アミン前圧は、アミン蒸気圧に基づき任意に高めることができない。好ましくは従って、アミン供給路は、アミン含有の出発物質流中でホスゲン含有流と一緒にする時点で直接的に又は適合されていないノズルの場合にそのすぐ後方で、マッハ数０．６〜４、特に有利には０．７〜３、殊に有利には０．８〜２．５、特に０．９〜２．０が調整されるように構成される。
示されるマッハ数は、当業者には公知の槽温度及び公知の物質データの場合に容易に流動速度に換算することができる。同様に、当業者は、示されるマッハ数と物質データに応じて必要な前圧を計算することができる。
アミン流の混合帯域への高い流入速度は、上述のように、アミン含有の及びホスゲン含有の出発物質の間のできる限り大きい速度差を達成するために用いられる。更に、高い流動速度によって、系内圧、出発物質濃度並びに温度も局所的に低減され、これは反応速度の減少をもたらし、こうして混合課題の簡素化をもたらす。できる限り小さい混合路長を達成するために、ホスゲン含有の出発物質流の流動速度をできる限り高く選択することを努めなければならない一方で、アミン含有の及びホスゲン含有の出発物質流の間の差速度は、あまり低減させないことに努めねばならない。そのために、ホスゲン流の横断面は、マッハ数０．２〜２．０、好ましくは０．３〜１．５、特に好ましくは０．４〜１．０、殊に好ましくは０．５〜１．０、特に０．７〜１．０であるように選択される。
アミン含有の出発物質流の流動横断面は、本発明による混合ユニットにおいては、一方で高い駆動安定性が保証され、他方でできる限り短い混合路長が保持されるように構成される。従って、アミン含有の出発物質流の供給のためには、０．５〜５０ｍｍ、好ましくは０．７５〜２５ｍｍ、特に有利には１ｍｍ〜１０ｍｍ、特に有利には１ｍｍ〜５ｍｍの特徴付けられた長さ尺度が選択される。特徴付けられた長さ尺度としては、その際、流動横断面の最短の長さ尺度を意味する。すなわち、例えば間隙の場合には、間隙幅を意味し、又は円形の開口部の場合には開口部直径を意味する。
有利には個々の出発物質は、混合装置において、２０〜４００メートル／秒の速度で、好ましくは２５〜３００メートル／秒、特に有利には３０〜２５０メートル／秒、殊に有利には５０〜２００メートル／秒、１５０〜２００メートル／秒より高く、殊に１６０〜１８０メートル／秒で反応器中に供給される。
本発明の可能な一実施態様においては、ホスゲン流が、特により外側のホスゲン流が、それを取り囲むアミン流よりも高い流動速度で、特に有利には少なくとも１０ｍ／ｓ超で、殊に有利には少なくとも２０ｍ／ｓ超で、特に少なくとも５０ｍ／ｓ超で混合空間へと供給されることが合理的であることがある。
しかしながらまた、より外側のホスゲン流を、より低い流動速度を有するアミン流及びより内側のホスゲン流よりも高い流動速度で混合空間に供給することが可能でありかつ合理的であることもある。これは、本発明の更なる可能な一実施態様である。
本発明の好ましい一実施態様において、ホスゲン流、特により外側のホスゲン流を、それを取り囲むアミン流より低い流動速度で、特に有利には少なくとも５０ｍ／ｓ未満で、殊に有利には少なくとも６０ｍ／ｓ未満で、殊に有利には８０ｍ／ｓ未満で、特に少なくとも１００ｍ／ｓ未満で混合空間に供給することが合理的である。
本発明の好ましい一実施態様において、ホスゲン流の（ｎ＋１）個のスリットは、正確に１つのホスゲン供給路と、少ない圧力損失で付加的な制御装置なくして接続されているので、ホスゲンが（ｎ＋１）個のスリットから流れる速度はほぼ同じである。
同様に、アミン流のｎ個のスリットが、好ましくは正確に１個のアミン供給路と低い圧力損失で付加的な制御装置なくして接続されているので、アミンがｎ個のスリットから流れる速度はほぼ同じである。
しかしながらまた、スリットのホスゲン流及び／又はアミン流を、それぞれ１つの別々に制御された供給路と接続することも可能なので、１供給路あたりの速度は、個別にかつ互いに無関係に調整可能である。
出発物質は、１つの速度ベクトルで混合空間へと流入する。速度ベクトルは、軸成分、動径成分及び接線成分に分離することができる。軸方向は、混合空間の長軸に対して平行な速度ベクトルの成分を意味する。半径方向は、外側から長軸上の速度ベクトルの成分を意味する。すなわち、長軸を有する直角を形成する。接線方向は、環状間隙空間の外側境界に対して平行な速度ベクトルの成分を意味する。すなわち循環動作である。
出発物質流の混合のために、確立された混合の改良は、例えば、混合空間への過剰成分の部分流の供給路に、接線速度を生成する要素の設置により達成することができる。適切な接線速度生成要素は、例えば、供給導管に挿入される、らせん状によじれたバンド（らせん）、円形又は環状の案内板（案内羽根）等である。接線速度生成要素の効果は、ノズル内の流れにおける異なる組成の流れの層の間の剪断を上昇させることである。
接線速度を生成するため、１以上の出発物質流の１つの接線流入、又は１以上の出発物質流の放射状流入の場合は羽根輪を用いることも可能である。
更に、ホスゲン及びアミン流を、例えば、反応器の長軸に沿って見た場合に時計回りである接線速度でホスゲン流を混合空間に導入し、反時計回りである接線速度で間に存在するアミン流を混合空間に導入するように、反対の接線速度で混合空間に導入することも有用である。
この方法で導入される流れの接線速度のベクトル及び軸速度のベクトルの和が反応器の長軸とともに取り囲む角は、１つの流れ、例えばホスゲン流について５〜８５°、好ましくは１７〜７３°、特に好ましくは３０〜６０°であり、他の流れ、例えばアミン流について−５〜−８５°、好ましくは−１７〜−７３°、特に好ましくは−３０〜−６０°である。
さらに、異なる動径速度で、混合空間に流れを導入することも有用である。その際、動径速度ベクトル及び軸速度ベクトルの合計ベクトルの間で長軸と角度を生成する。この角度は、一般的に、関連する導入チャンネルと混合空間の長軸との間の角度に相当する。ここで、負の角は内側から外側へ向かう導入を意味し、正の角は外側から内側に向かう導入を意味し、０°の角度は混合空間の長軸に対して平行の流れを示し、９０°の角度は、混合空間の長軸に対して垂直の流れを示す。
外側のホスゲン流は、混合装置によって、０〜８５°、好ましくは５〜８５°、特に好ましくは７〜６５°、非常に好ましくは１５〜３５°、特には１８〜３０°の放射角で混合空間に導入され得る。
アミン流は、混合装置によって、−５０°〜＋５０°、好ましくは−２５°〜２５°、特に好ましくは−１０〜１０°、及び非常に好ましくは−３〜３°の放射角で混合空間に導入され得る。
内側ホスゲン流は、混合装置によって、０〜−８５°、好ましくは−５〜−８５°、特に好ましくは−７〜−６５°、非常に好ましくは−１５〜−３５°、特には−１８〜−３０°の放射角で混合空間に導入され得る。
外側ホスゲン流及びアミン流は、相互に関連して１〜６０゜、有利には７〜５０゜、特に有利には１５〜４５゜、特に有利には１８〜３５゜の放射角を形成することが好ましい。
アミン流及び内側ホスゲン流は、相互に関連して１〜６０゜、有利には１０〜５０゜、特に有利には１５〜４５゜、特に有利には１８〜３５゜の放射角を形成することが更に好ましい。
アミンからそれぞれの有用生成物へのできる限り完全な転化率を達成するために、上述の措置で、ホスゲン含有流とアミン含有の出発物質流の混合時間は、１０ｍｓ未満で、好ましくは５ｍｓ未満で、特に有利には２ｍｓ未満で、殊に有利には１ｍｓ未満で、特に０．５ｍｓ未満で達成される。混合時間としては、その際、アミン供給路から出る流体エレメントが、そこでホスゲン／アミン比率４以上で設定されるまでに最大で必要とする時間が定義される。その時間は、その際、それぞれ流体エレメントがアミン供給路から出た後に計数される。
反応空間
反応空間は、ホスゲン、アミン、必要であれば不活性媒体と混合された気体状の混合物の混合（一般的に反応の開始により同時に起こる）が主に実施される混合空間を、前部領域に含む。次いで、本質的に、反応、及び多くても副次的な程度の混合のみが、反応空間の後部で実施される。
区別する目的のために、混合空間は、出発材料の混合の９９％が実施される反応空間の領域であり得る。本発明の好ましい実施態様においては、混合空間における変換、すなわち導入されたアミンの消費は１５％未満である。ここで、混合の程度は、混合した後の平均的な最終混合分画と混合前の初期混合画分との相違に対する、局所的に平均化された混合画分と混合前の初期混合画分との相違の比である。混合画分の概念については、例えば、Ｊ．Ｗａｒｎａｔｚ，Ｕ．Ｍａａｓ，Ｒ．Ｗ．Ｄｉｂｂｌｅ：Ｖｅｒｂｒｅｎｎｕｎｇ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９９７，第２版、第１３４頁を参照されたい。
反応器とは、反応空間を含む技術的装置である。これらは、非触媒性の単相気相反応、好ましくは、中程度の耐圧力を必要とする非触媒性の連続的単相気相反応に適切である、先行技術から公知の全て通常の反応空間であってもよい。反応混合物と接触するための適切な材料は、例えば、鋼、タンタル、銀又は銅等の金属、ガラス、セラミック、エナメル又はそれらの同種又は異種混合物である。好ましくは、鋼の反応器が用いられる。反応器の壁は、水圧的に滑らかであるか、輪郭を描くことができる。適切な輪郭は、例えば、溝又は波形である。
一般に従来技術から公知の構造型の反応器を使用することができる。反応器のための例は、ＥＰ−Ｂ１２８９８４０、第３欄、第４９行目、第４欄、第２５行目、ＥＰ−Ｂ１５９３３３４、ＷＯ２００４／０２６８１３、第３頁、第２４行目、第６頁、第１０行目、ＷＯ０３／０４５９００、第３頁、第３４行目、第６頁、第１５行目、ＥＰ−Ａ１１２７５６３９、第４欄、第１７行目、第５欄、第１７行目、及びＥＰ−Ｂ１５７０７９９、第２欄、第１行目、第３欄、第４２行目から公知であり、これらの記載を引用することにより、この開示の範囲に取り入れる。
有利には管型反応器を使用する。
同様に、本質的に立方形の反応空間、好ましくは板状の反応器又は板状の反応空間を用いることが可能である。特定の好ましい板状反応器は、少なくとも２：１、好ましくは少なくとも３：１、特に好ましくは少なくとも５：１、特には少なくとも１０：１の、幅：高さの比を有する。高さに対する幅の比の上限は、反応空間の所望の能力に依存し、原則として限定されない。５０００：１以下、好ましくは１０００：１以下の幅：高さの比を有する反応空間が、工業的観点から適切であると思われる。
反応空間中でのホスゲンとアミンとの反応は、０．１バール超〜２０バール未満、有利には０．５バール〜１５バール及び特に有利には０．７〜１０バールの絶対圧力で行う。（脂環式）脂肪族アミンの反応の場合、絶対圧は殊に有利には０．７バール〜５バール、特に０．８〜３バール及びとりわけ１〜２バールである。
一般に混合装置への供給管中での圧力は、反応器中での前記の圧力よりも高い。混合装置の選択に応じて、この圧力は低下する。有利には供給管中の圧力は、反応空間中の圧力よりも、２０〜２０００ミリバール、特に有利には３０〜１０００ミリバール高い。
可能な一実施態様において、反応器は反応器の束を含む。可能な一実施態様において、混合ユニットは独立的な装置である必要はなく、むしろ、混合ユニットを反応器内に組み入れることが好ましいことがあり得る。混合ユニット及び反応器で構成される統合されたユニットは、フランジ付きノズルを有する管型反応器である。
本発明による方法によれば、ホスゲンとアミンとの反応は気相中で行う。気相中での反応とは、出発物質流及び中間生成物の、生成物への変換が、気体状の状態で相互に反応し、かつ反応の過程で反応空間を通過する間に、少なくとも９５％まで、有利には少なくとも９８％まで、特に有利には少なくとも９９％まで、とりわけ有利には少なくとも９９．５％まで、殊には少なくとも９９．８％まで、及び特に少なくとも９９．９％まで気相中で行われることであると理解すべきである。
この場合、中間生成物は例えばジアミンから形成されるモノアミノ−モノカルバモイルクロリド、ジカルバモイルクロリド、モノアミノ−モノイソシアネート及びものイソシアナト−モノカルバモイルクロリド並びにアミノ化合物の塩酸塩である。
本発明による方法の場合、反応空間中の温度は、反応空間中で支配的な圧力比に対して、使用されるジアミンの沸点を上回るような温度に選択する。使用されるアミン及び調整される圧力に応じて、通常、２００℃超、有利には２６０℃超及び特に有利には３００℃超の有利な温度が反応空間中で生じる。通常、この温度は６００℃まで、有利には５７０℃までである。
本発明による方法における反応混合物の平均接触時間は一般に、０．００１秒〜５秒未満、有利には０．０１超〜３秒未満、特に有利には０．０１５秒超〜２秒未満である。（脂環式）脂肪族アミンの反応の場合には、平均接触時間は特に有利には０．０１５〜１．５秒、特に０．０１５〜０．５秒、特に０．０２０〜０．１秒及びしばしば０．０２５〜０．０５秒である。
平均接触時間は、出発材料の混合を開始し、生成物が反応空間から離れ、後処理工程に行くまでの時間である。好ましい実施態様においては、本発明の方法の反応器における流れは、１０を超え、好ましくは１００を超え、特に好ましくは５００を超えるボーデンシュタイン数を有する。
好ましい実施態様においては、反応空間の容積及び流速は、反応混合物が乱流を示し、すなわち、少なくとも２３００、好ましくは少なくとも２７００のレイノルズ数を有する（レイノルズ数は、反応空間の水力直径に基づいて計算される）。
有利には気体状の反応混合物は、１０〜３００メートル／秒、有利に２５〜２５０メートル／秒、特に有利には４０〜２３０メートル／秒、とりわけ有利には５０〜２００メートル／秒、とりわけ１５０〜１９０メートル／秒及び殊には１６０〜１８０メートル／秒の流速で反応空間を貫流する。
乱流によって、多くの場合、例えばＥＰ５７０７９９に記載されているような６％未満の低い標準偏差を有する狭い滞留時間分布及び良好な混合が達成される。例えばＥＰ−Ａ−５９３３３４に記載されている、管径を狭くする措置は、さらに閉塞の傾向を生じるため、不要である。
反応器内に、例えばＥＰ１３６２８４７号Ａから公知の流量平衡器を取り付けることが合理的なことがある。
反応容積は、その外表面によって加熱／冷却することができる。高い工場設備能力を有する生産工場を建設するために、複数の管型反応器を並行して接続することができる。しかし、断熱的に反応を実施することも好ましい。これは、加熱又は冷却エネルギーの流れが、工学測定の結果としての反応容積の外表面を通じて起こらないことを意味する。
好ましい実施態様において、反応条件は、反応空間からの排気口における反応ガスが、２５モル／ｍ3を超える、好ましくは３０〜５０モル／ｍ3のホスゲン濃度を有するように選択される。更に、反応空間からの排気口における不活性媒体濃度は、一般に２５モル／ｍ3を超え、好ましくは３０〜１００モル／ｍ3である。
反応空間は、以下のように流れの間に、反応器の長軸に沿って、基本的に４個以下の縦の区域に構造的に分けることができる：
− 第一に、長さＬ1を有する出発材料についての供給装置の下流の通常は短い区域、
− 第二に、長さＬ2を有する区域、
− 第三に、長さＬ3を有する区域、それに続き、
− 第四に、内部押しのけ体を有しない管型反応器を表わし、急冷に続く、長さＬ4を有する区域（以下を参照）。
反応空間は、少なくとも９８％の変換、すなわち、導入されたアミンの消費は好ましくは少なくとも９９％、特に好ましくは９９．５％、非常に好ましくは９９．７％、特には９９．９％、特には９９．９９％の変換が起こる容積である。
４個以下の区域に対するこれらにおける形状を表現する個々のパラメータは、指数１、２、３及び４によって示される。
主な特徴的なパラメータは、管型反応器の総直径Ｒ、すなわち、内部壁から内部壁への直径である。
更なる特徴的なパラメータは、角度αであり、αは、管型反応器の長軸と外壁によって作られる角度である。
従って、正の角αは、流れの方向における管型反応器の外壁の拡張を示し、一方、負の角αは縮小を示す。
パラメータＲによって、反応器の流動面Ｆが間接的に決定され、αによって、流動方向の推移が示される。
１つの区域から他の区域への移行において、Ｒの値が一致することは自明のことである。個々の値の変化は、それぞれ区域での経過に関連する。
本発明の対象は、更に、流動の経過における反応器の長軸に沿った横断面のサイズの異なる、反応空間の種々の好ましい構成を提供する：
第一の代替構成（図３、ａ）において、流過面Ｆは、反応器に沿って変化しない。すなわち、区域間に構造的な相違はなく、たった１個の区域１において相違があるにすぎない。この過程においては、Ｒ1は反応器の全ての長さにわたって一定に維持され、α1は、０°である。従って、全体の反応器は、１個の混合空間から、好ましくは長方形の混合空間から形成される。
第二の代替構成（図３、ｂ）において、流過面Ｆ1は区域１において流動を一緒にした直後に拡大し、次いで第二の区域２においては一定に維持される。
これは、Ｒ1を拡大することによって達成できる。この場合には、α1の角度は、０．０００１〜１０゜、有利には０．０００２〜８゜、特に有利には０．０００３〜７゜、殊に有利には０．０００３〜６゜である。
区域２において、その際、Ｒ2は一定に維持され、α2は０゜である。
第三の代替構成（図３、ｃ）において、面Ｆ1は区域１において同じであり、第二の区域において拡大して、第三の区域で再び一定に保持される。
このために、区域１においてＲ1は一定に保持され、α1は０゜である。
第二の区域においては、Ｆ2は拡大し、これは、Ｒ2の拡大によって達成され、そしてこれは、α2が、例えば、０．０００１〜１０°、好ましくは０．０００２〜８°、特に好ましくは０．０００３〜７°、非常に好ましくは０．０００３〜６°であることを意味する。
第三の区域においては、Ｆ3は一定に維持され、これは、Ｒ3を一定に維持し、α3が０°であることによって達成される。
第四の代替構成（図３、ｄ）において、区域１において面Ｆ1は同じに保持され、区域２においてＦ2は拡大され、そして区域３においてＦ3は拡大され、そして区域４において一定に保持される。
これは、Ｒ1を一定に保持し、α1を０゜に保持することによって達成される。
第二の区域において、Ｆ2は拡大し、これは、縮小されたＲ2によって達成される。このために、α2は、例えば０゜未満で、−９０゜超であり、好ましくは−７〜−６５゜であり、特に有利には−１５〜−３５゜であり、殊に有利には−２０〜−３０゜である。
第三の区域においては、Ｆ3は拡大し、これは、Ｒ3の拡大によって達成され、そしてこれは、α3が、例えば、０．０００１〜１０°、好ましくは０．０００２〜８°、特に好ましくは０．０００３〜７°、非常に好ましくは０．０００３〜６°であることを意味する。
第四の区域において、Ｆ4は、その際一定に保持され、そのために区域４においてＲ4は一定に保持され、α4は０゜である。
第五の代替構成（図３、ｅ）において、第一の区域において、Ｆ1は縮小し、第二の区域Ｆ2において拡大され、そして第三の区域Ｆ3において一定に保持される。
第一の区域において、Ｆ1は縮小し、これは、Ｒ1を縮小することによって達成される。α1は、例えば、−９０°超０°未満、好ましくは−７〜−６５°、特に好ましくは−１５〜−３５°、非常に好ましくは−２０〜−３０°である。
第二の区域においては、Ｆ2は拡大し、これは、Ｒ2の拡大によって達成され、これは、α2が、例えば、０．０００１〜１０°、好ましくは０．０００２〜８°、特に好ましくは０．０００３〜７°、非常に好ましくは０．０００３〜６°であることを意味する。
区域３においては、Ｒ3は一定に維持され、α3は、０°である。
第六の代替構成（図３、ｆ）において、面Ｆ1は縮小され、区域２において一定に保持され、区域３において再び拡大され、そして第四の区域においてその際再び一定に保持される。
第一の区域において、Ｆ1は縮小し、これは、Ｒ1を縮小することによって達成される。α1は、例えば、−９０°超０°未満、好ましくは−７〜−６５°、特に好ましくは−１５〜−３５°、非常に好ましくは−２０〜−３０°である。
区域２において、その際、Ｒ2は一定に維持され、α2は０゜である。
第三の区域においては、Ｆ3は拡大し、これは、Ｒ3の拡大によって達成され、これは、α3が、例えば、０．０００１〜１０°、好ましくは０．０００２〜８°、特に好ましくは０．０００３〜７°、非常に好ましくは０．０００３〜６°であることを意味する。
区域４において、その際、Ｒ4は一定に維持され、α4は０゜である。
第六の代替構成において、区域２の長さは、用いられるアミンに依存して別々に選択される。沈着を形成する傾向が強いイソシアネート、例えば、（脂環式）脂肪族イソシアネート及び特に１，６−ヘキサメチレンジイソシアネートの場合、短い区域２が好ましい。
帯域２の長さＬ2は、一般的に、得られた間隙幅（Ｒ2）の３０倍未満、好ましくは１５倍未満、特に好ましくは１０倍未満、非常に好ましくは６倍未満、特には間隙幅の５倍未満、特には３倍未満である。Ｌ2は、しばしば間隙幅（Ｒ2）の２倍未満、間隙幅の１倍未満である。
一方、沈着を形成する傾向が低いイソシアネート、例えば、芳香族イソシアネート、特にトルイレンジイソシアネートの場合、長い区域２が好ましい。
このようなイソシアネートの場合、帯域２の長さは、得られた間隙幅（Ｒ2）の１倍より長く、好ましくは５倍以上、特に好ましくは１０倍以上、非常に好ましくは１５倍以上、特には間隙幅の３０倍以上である。
一定の面Ｆを有するそれぞれの最後の区域、すなわち第六の代替構成におけるＬ4の長さは、一方で、反応器内で所望の平均接触時間が達成され、他方で、２以上、好ましくは４以上、特に好ましくは６以上、非常に好ましくは１０以上、特には１５以上のＬ4／（２*Ｒ4）比が得られるように選択される。
一定又は拡大した面を有する区域においては、Ｆは、反応混合物の平均速度が、一般的に６０ｍ／秒以上、好ましくは１００ｍ／秒以上、特に好ましくは１６０ｍ／秒以上、非常に好ましくは１８０ｍ／秒以上、特には２００ｍ／秒以上であるように選択される。更に、Ｆは、平均速度が、一般的に２５０ｍ／秒未満、好ましくは２４０ｍ／秒未満、特に好ましくは２３０ｍ／秒未満、非常に好ましくは２２０ｍ／秒未満、特には２１０ｍ／秒未満であるように選択される。
区域内でのパラメータＲの変更は、直線的又は非直線的であってもよい。直線的変更の場合、角度αは区域内で一定に維持され、区域間の移行においてのみ変化する。区域内での非線形推移においては、推移は凹状であり、すなわち流れ空間内に曲がっており、又は凸状であり、すなわち流れ空間から曲がって出ており、又は凹凸、又は凸凹の混合であってもよい。凹推移は、流れの進行の間に、角度αが拡大するか、又はより正になることを意味する。好ましくは線形変更である。
各区域１〜４の間の移行は、相互に独立的に階段状又は円形であり得る。好ましくは円形構造である。
該代替構成は、図３に好ましい実施態様（尺度どおりではない）として示され、図１ａの番号付けと同様に示す。特に、図３ｆによる代替構成が好ましい：
アミンの導入のための間隙の周りに、２つの取り囲まれたホスゲンの導入のための間隙１が配置されている。反応空間３／４は、外側反応器壁部５によって区分され、反応の進行に従って、その中で流過面の点で異なる、長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3及びＬ4を有する４つの区域に分割される。第一の区域に従い、出発物質流の混合の直後に、流過面Ｆ1は、Ｒ1を縮小することによって縮小され、区域２で一定に維持され、Ｒ3の拡大の結果として区域３で再び拡大し、第四の区域で一定に維持される。
反応器の流過容積は、静的ミキサー、例えば、充填物、成形体、織布、穿孔板もしくはスリット板で満たすことができるが、その容積はできる限り内部になにもないことが好ましい。
反応空間内の案内板の取り付けも考えられる。適切な乱流発生要素は、例えば、取り付けられたらせん状によじれたリボン、円形、角度のある斜面等である。
大工業的規模でのイソシアネート生産に際して通常のように多量のアミン流量とホスゲン流量の場合にも、短い混合路長及び短い混合時間を保持するために、多くの小さい混合ノズルと引き続いての混合帯域及び反応帯域との並列接続が考えられ、その際、並列接続されたユニットは壁部によって互いに分離されている。この変法の利点は、混合帯域と反応帯域の好ましい長さ対直径比にある。この比が大きければ、流動の滞留時間分布がより好ましくなる（より狭くなる）。従って、同じ滞留時間及び流動速度において、多くの並列接続されたユニットによって、長さ対直径比を高めることができ、それにより滞留時間分布も狭めることもできる。設備費を低く保つために、個々の反応帯域を共通の後反応帯域に合流させ、そこで次いでアミンの残りの転化が行われる。
反応後に気体状の反応混合物を有利には１３０℃超の温度で溶剤により洗浄する（急冷）。溶剤として有利には炭化水素が適切であり、該炭化水素はハロゲン原子により置換されていてもよく、例えばヘキサン、ベンゼン、ニトロベンゼン、アニソール、クロロベンゼン、クロロトルエン、ｏ−ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ジエチルイソフタレート（ＤＥＩＰ）テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、キシレン、クロロナフタリン、デカヒドロナフタリン及びトルエンである。溶剤として特に有利にはモノクロロベンゼンを使用する。溶剤としてイソシアネートを使用することもできる。洗浄の際に、イソシアネートは選択的に洗浄液に移行する。引き続き、残留する気体及び得られた洗浄液を有利には精留によって、イソシアネート、溶剤、ホスゲン及び塩化水素に分離する。
反応混合物が反応空間中で反応した後で、該反応混合物を急冷により後処理装置へと移す。これは有利にはいわゆる洗浄塔であり、この場合、気体状の混合物から形成されたイソシアネートを不活性溶剤中で凝縮することによって分離し、他方、過剰のホスゲン、塩化水素及び場合により不活性媒体を気体状で後処理装置に貫流させる。この場合、有利には不活性溶剤の温度は、選択された急冷媒体中のアミンに属するカルバミルクロリドの溶液の温度を上回るように維持される。この場合、特に有利には不活性溶剤の温度を、アミンに属するカルバミルクロリドの溶融温度よりも高く維持する。
一般に後処理装置中の圧力は、反応空間におけるよりも低い。有利には圧力は反応空間中におけるよりも５０〜５００ミリバール、特に有利には８０〜１５０ミリバール低い。
この洗浄は、例えば攪拌容器又は別の従来の装置、例えば塔又はミキサーセトラー装置内で実施してよい。
方法技術的には本発明による方法における洗浄のために、自体公知の全ての抽出法及び洗浄法及び装置、例えばＵｌｌｍａｎｎ'ｓ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、第６版、１９９９年、電子版、Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ Ａｐｐａｒａｔｕｓの章に記載されているような方法及び装置を使用することができる。例えばこれは一段もしくは多段の、有利には一段の抽出、並びに並流もしくは向流での方法、有利には向流での方法であってよい。
適切な急冷は、例えばＥＰ−Ａ１１４０３２４８、第２欄、第３９行目、第３欄、第１８行目から公知であり、これらの記載を引用することによってこの開示の内容に取り入れる。
この急冷帯域で、実質的にイソシアネート、ホスゲン及び塩化水素からなる反応混合物を、供給される液体と強力に混合する。混合は、反応混合物の温度は、２００〜５７０℃から出発して、１００〜２００℃、有利には１４０〜１８０℃に低下し、かつ反応混合物中に含有されているイソシアネートが、凝縮によって完全に、もしくは部分的に供給される液滴に変換され、他方、ホスゲン及び塩化水素は実質的に完全に気相中に残留するように行う。
この場合、急冷帯域で液相に変換され、気体状の反応混合物中に含有されているイソシアネートの割合は反応混合物中に含有されているイソシアネートに対して、有利には２０〜１００質量％、特に有利には５０〜９９．５質量％、及び特に７０〜９９質量％である。
反応混合物は、急冷帯域を有利には上から下へと貫流する。急冷帯域の下方には回収容器が配置されており、ここで液相が分離され、回収され、かつ排出部を介して反応空間から除去され、かつ引き続き後処理される。残留する気相は、第二の排出部を介して反応空間から除去され、かつ同様に後処理される。
急冷は例えば、ＥＰ１４０３２４８Ａ１に、又は国際出願ＷＯ２００５／１２３６６５に記載されているように行うことができる。
このためには１流体ノズル又は２流体ノズルを用いて、有利には１流体ノズルを用いて液滴を発生させ、かつそのつどの実施態様に応じて、１０〜１４０°、有利には１０〜１２０°、特に有利には１０°〜１００°の噴霧角度を生じる。
噴霧ノズルを介して供給される液体は、イソシアネートに対して良好な溶解度を示さなくてはならない。有利には有機溶剤を使用する。特に芳香族溶剤を使用し、該溶剤はハロゲン原子により置換されていてもよい。
該方法の特定の一実施態様において、注入された液体は、イソシアネートからなる混合物、イソシアネートと溶剤とからなる混合物であり、又はイソシアネートであり、その際、それぞれ使用される急冷液体は、低沸点物、例えばＨＣｌ及びホスゲンの割合を有してよい。好ましくは、その際、それぞれの方法で製造されるイソシアネートが使用される。急冷帯域での温度降下によって反応が停滞するので、注入されたイソシアネートとの副反応を排除することができる。この実施形態の利点は、特に、溶剤の分離を省けることにある。
他の好ましい実施態様においては、少なくとも１種の出発材料、及び急冷に用いられる溶媒と一緒に用いられる不活性媒体は、同じ化合物である。この場合、モノクロロベンゼンが特に好ましく用いられる。
イソシアネート中に残存する少量の副生物は、追加の精留により、不活性ガスを用いたストリッピング又は再結晶により、好ましくは精留により所望のイソシアネートから分離することができる。
それに続く任意の精製工程において、イソシアネートを、溶媒から、好ましくは蒸留により溶媒から分離する。塩化水素、不活性媒体及び／又はホスゲンを含む、残存する不純物の除去は、同様に、例えばＤＥ−Ａ１１０２６００９２に記載されたようにして実施することができる。
本発明による方法の特定の一実施態様においては、ホスゲン含有の及びアミン含有の出発物質流は、それぞれ混合帯域の少なくとも１つのスリット形の開口部を介して供給される。好ましくは、ホスゲン供給開口部とアミン供給開口部は交互に配置されている。好ましくは、アミン間隙は、それと混合壁部との間に少なくとも１つのホスゲン供給開口部が存在するように配置される。アミン間隙及びホスゲン間隙は、一定であるか、又は可変の幅を有してもよい。間隙の仮想の中央線は、任意の曲線を示すことができる。好ましくは、該中央線は、環状の、三角形の又は一般に四角、長円もしくは直線を示す。図１ａ及び１ｂは、混合ノズルの平面実施形態を示しており、そこでは、直線の間隙を通じて供給されるアミン流が、環状のホスゲン包囲流によって取り囲まれているので、高アミンの反応混合物と壁部との事前の接触が回避される。該混合帯域において、激しい出発物質の混合が行われる。該混合帯域は、次いで反応帯域に後接続されている。
本発明による方法の更なる好ましい一実施態様において、多数の混合ノズルは並列に接続され又はスタックされている。その際、各混合ノズルに少なくとも１つのアミン供給路及びホスゲン供給路が属する。各混合ノズルには、１つの混合帯域及び反応帯域が属し、その際、個々の混合帯域及び反応帯域は互いに壁部によって分離されている。個々の反応帯域は、次いで共通の後反応帯域で合流しており、そこで次いでアミンの残りの転化が達成される。アミン供給路及びホスゲン供給路は、任意の形を有してよい。ここで、該供給路は、例えば環状、長円形、三角形、四角形もしくは一般に四角形であってよいが、間隙形であってよく、その際、仮想の間隙中央線は、任意の形を有してよい。好ましくは、スリット形の開口部が選択される。図２ａ及び２ｂは、本発明による方法の混合帯域及び反応帯域を示しており、そこでは、アミン及びホスゲンの混合は、多くのスタックされた単独ノズルを介して達成される。各単独ノズルは、それぞれ１つの混合帯域及び反応帯域に後接続されている。該混合帯域は、互いに壁部によって隔離されている。同様に、反応帯域は、壁部によって隔離されている。個々の反応帯域の下流に、共通の後反応帯域が存在する。
図１ａ、１ｂ、２ａ及び２ｂにおいて、符号は以下の意味を有する：
１ ホスゲン供給路、 ２ アミン供給路、 ３ 混合帯域、 ４ 反応帯域、 ５ 反応器壁部、 ６ 分離壁

Claims (18)

  1. イソシアネートを、相応のアミンとホスゲンとを、場合により少なくとも１種の不活性媒体の存在下で気相中で反応させることによって製造する方法において、１つの反応器中でｎ個のアミン流と少なくともｎ個のホスゲン流とを反応させ、その際、ｎが少なくとも１の正の整数であり、かつ少なくとも１個のアミン流もしくはホスゲン流を、少なくとも１個のスリットを介して導入して、該反応器中で混合する製造方法。
  2. 請求項１に記載の方法において、イソシアネートが、１，６−ジイソシアナトヘキサン、１−イソシアナト−３，３，５−トリメチル−５−（イソシアナトメチル）シクロヘキサン、４，４′−ジ（イソシアナトシクロヘキシル）メタン及びトルイレンジイソシアネート異性体混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
  3. 請求項１又は２に記載の方法において、窒素、ヘリウム、アルゴン、クロロベンゼン、クロロトルエン、ｏ−ジクロロベンゼン、トルエン、キシレン、クロロナフタリン、デカヒドロナフタリン、二酸化炭素及び一酸化炭素からなる群から選択される少なくとも１種の不活性媒体を使用することを特徴とする方法。
  4. 請求項３に記載の方法において、アミンもしくはホスゲンに対する不活性媒体のガス容量が、０．０００１〜３０超であることを特徴とする方法。
  5. 請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法において、該方法での温度が２００〜６００℃であることを特徴とする方法。
  6. 請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法において、ホスゲンとアミノ基とのモル比が１．１：１〜２０：１に調整されることを特徴とする方法。
  7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法において、外壁に接した最外流としてホスゲン流を反応器に導入することを特徴とする方法。
  8. 請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法において、アミン流の全面積とホスゲン流の全面積との比率が、０．００００２より大きくかつ５未満であることを特徴とする方法。
  9. 請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法において、混合装置中の個々の出発物質を２０〜４００メートル／秒の流動速度で反応器に導くことを特徴とする方法。
  10. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法において、ホスゲンが導入されるスリットによって両方の長側面で隣接されているスリットを通じてアミンを導入することを特徴とする方法。
  11. 請求項１０に記載の方法において、ｎ個のスリットを通じてアミンを導入し、かつ（ｎ＋１）個のスリットを通じてホスゲンを導入し、その際、アミンが導入されるｎ個のスリットの各々は、ホスゲンが導入されるそれぞれ２個のスリットによって隣接されていることを特徴とする方法。
  12. 請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法において、ホスゲンが導入されるつながったスリットによって全ての側で取り囲まれている内側スリットを通じてアミンを導入することを特徴とする方法。
  13. 請求項１２に記載の方法において、ホスゲンが導入される外側スリットが、更なるつながった又はつながっていないアミン導入用のスリットによって隣接されており、該スリットは再び全ての側で、ホスゲンが導入されるつながったスリットによって取り囲まれていることを特徴とする方法。
  14. 請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法において、ホスゲン含有の出発物質とアミン含有の出発物質との混合時間が１０ｍｓ未満であることを特徴とする方法。
  15. 請求項１から１４までのいずれか１項に記載の方法において、反応混合物の平均接触時間が０．００１秒〜５秒未満であることを特徴とする方法。
  16. 請求項１から１５までのいずれか１項に記載の方法において、反応器中の流動が１０より大きいボーデンシュタイン数を有することを特徴とする方法。
  17. 請求項１から１６までのいずれか１項に記載の方法において、反応混合物の流動が、少なくとも２３００のレイノルズ数を有することを特徴とする方法。
  18. 請求項１から１７までのいずれか１項に記載の方法において、出発物質の混合が９９％の程度まで行われる空間におけるアミンの転化率が１５％以下であることを特徴とする方法。
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