Verfahrenstechnik für Phosphatester-Flammschutzmittel

Verfahrenstechnik für Phosphatester-Flammschutzmittel

Als tragende Säule im Bereich der halogenfreien Flammschutzmittel sind Phosphatester-Flammschutzmittel aufgrund ihres hervorragenden Flammschutzsynergismus und weichmachenden Funktionen in High-End-Anwendungen wie elektronischen Geräten und technischen Kunststoffen unverzichtbar. Um ihre herausragende Leistung und hohe Reinheit sicherzustellen, sind präzise Syntheseprozesse erforderlich.

Sowohl Tris(isopropylphenyl)phosphat (IPPP) als auch Tris(2-chlorethyl)phosphat (TCEP) beinhalten den Alkylierungsprozess, der im „Katalog der ersten Charge wichtiger regulierter gefährlicher chemischer Prozesse“ aufgeführt ist, der von der ehemaligen staatlichen Verwaltung für Arbeitssicherheit veröffentlicht wurde.

▶ Tris(isopropylphenyl)phosphat (IPPP)

1. Alkylierungsreaktion

Eine abgemessene Menge Katalysator wird in den Alkylierungsreaktor gegeben, gefolgt von einer abgemessenen Menge geschmolzenen Phenols. Nach dem Abkühlen auf eine bestimmte Temperatur wird unter Rühren Propylengas eingeleitet. Dampf wird in den Reaktormantel eingespeist, um die Temperatur im Inneren des Reaktors bei Atmosphärendruck zwischen 105 und 115 °C zu halten, bis die Reaktion abgeschlossen ist. Das Reaktionsprodukt wird heiß in die Veresterungswerkstatt überführt.

Über eine automatische Dosierung wird Propylen aus dem Propylen-Lagertank im Tanklager der Alkylierungsanlage in Stahlflaschen gepumpt. Die Flaschen werden manuell aus dem Tanklager transportiert und an einen Propylenverdampfer angeschlossen. Das verdampfte Propylen gelangt in einen Propylen-Puffertank und wird schließlich in den Reaktor eingespeist.

Reaktionsprinzip:

C₆H₆O + C₃H₆ → C₉H₁₂O

2. Veresterungsreaktion

Die ausreagierte Lösung aus der Alkylierungswerkstatt wird heiß in den Veresterungsreaktor überführt, der bereits eine abgemessene Menge vorgetrockneten Katalysators enthält. Im Mantel zirkuliert Kühlwasser, um die Mischung auf 50 °C abzukühlen. Unter Rühren wird eine abgemessene Menge Phosphoroxychlorid zugegeben. Anschließend wird Dampf in den Mantel eingeleitet, um die Innentemperatur langsam auf 155 °C zu erhöhen und dabei den atmosphärischen Druck aufrechtzuerhalten, bis die Reaktion abgeschlossen ist. Die vollständig reagierte IPPP-Lösung wird dann in den Destillationskessel überführt. Das bei der Veresterung entstehende Chlorwasserstoffgas wird von einem Fallfilmabsorber absorbiert und erzeugt Salzsäure, die bei Erreichen der entsprechenden Konzentration in einem Salzsäurelagertank gespeichert wird.

Reaktionsprinzip:

POCl₃ + 3 C₉H₁₂O → C₂₇H₃₃O₄P + 3 HCl ↑

3. Destillation

Der IPPP-Rohester aus der Veresterungswerkstatt wird in den Destillationskessel eingespeist. Durch elektrische Heizung oder Kohlenstoffheizung unter Vakuum wird die Temperatur des Rohesters erhöht. Wasser destilliert zunächst bei etwa 100 °C ab, kondensiert in einem Röhrenkondensator und gelangt in den Entwässerungstank. Anschließend destillieren die Leichtsieder bei ca. 140 °C ab, kondensieren und gelangen in den Leichtsieder-Sammelbehälter. Mittelfraktionen destillieren bei etwa 250 °C, kondensieren und gelangen in den Sammeltank für die Mittelfraktion. Das Endprodukt destilliert bei etwa 300 °C, kondensiert und gelangt in den Sammeltank für das fertige Produkt. Nach Abschluss jeder Charge wird das Produkt von einer Fertigproduktpumpe in den Fertigprodukt-Lagertank gepumpt. Das Produkt wird gefiltert und dann für den Verkauf verpackt. Bei Produkten, die eine höhere Qualität erfordern, wird das fertige Produkt bei Raumtemperatur zunächst der Wasserwaschstufe zugeführt, um wasserlösliche Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wird es per Vakuum in einen hoch gelegenen Fertigprodukttank überführt, fließt durch Schwerkraft in eine Schneidemaschine zur Flockenbildung und wird dann verkauft.

▶ Tris(2-chlorethyl)phosphat (TCEP)

1. Alkylierungsreaktion

Eine abgemessene Menge Katalysator, Ionenaustauscherharz, wird in den Reaktor gegeben, gefolgt von einer abgemessenen Menge Phosphoroxychlorid. Dann wird Ethylenoxid zusammen mit einem flüssigen Katalysator gleichzeitig eingeführt. Im Reaktormantel wird Kühlwasser zirkuliert, um die Reaktionstemperatur auf 60 °C zu halten. Nachdem die Reaktion abgeschlossen ist, wird das TCEP-Produkt in die Wasserwaschstufe überführt.

Aus dem Ethylenoxid-Lagertank im Tanklager der Alkylierungsanlage wird Ethylenoxid über eine automatische Dosierung in Stahlflaschen gepumpt. Die Flaschen werden manuell aus dem Tanklager transportiert und an einen Ethylenoxid-Verdampfer angeschlossen. Das verdampfte Ethylenoxid gelangt in einen Ethylenoxid-Puffertank und wird schließlich dem Reaktor zugeführt.

Reaktionsprinzip:

POCl₃ + 3 C₂H₄O → C₆H₁₂O₄Cl₃P

2. Waschen mit Wasser

Das TCEP-Halbzeug aus der Alkylierungswerkstatt gelangt unter Vakuum bei 60 °C in den Wasserwaschkessel. Nach dem Waschen mit Wasser geht es weiter zu einem Hochgeschwindigkeits-Wasserwaschkessel. Nach einer weiteren Wäsche im Hochgeschwindigkeits-Wasserwaschkessel gelangt es in einen Entwässerungstank, wo es durch Dampf auf etwa 100 °C erhitzt wird, um Wasser zu entfernen. Das Material wird dann von der Entwässerungstank-Förderpumpe in den Fertigprodukttank gefördert. Beim Verpacken wird zunächst die Förderpumpe des Dehydrierungstanks zum Filtern des fertigen Produkts verwendet. Nach bestandener Qualitätskontrolle wird es zur Verpackung geschickt.