Qu'est-ce qu'un réacteur de silicone: chimie, configuration et mise à l'échelle du siloxane

Pour répondre à la question fondamentale:C'est quoi un réacteur en silicone?Un réacteur en silicone est un récipient ou une machine qui convertit les chlorosilanes ou siloxanes cycliques en polydiméthylsiloxane et ses copolymères, en passant par l'hydrolyse, la polymérisation par équilibrage d'ouverture d'anneaux,neutralisation du catalyseur et dévolatilisation sous videL'hydrolyse est rapide, fortement exothermique et libère du chlorure d'hydrogène, elle exige donc une résistance à la corrosion et une manipulation des gaz.La polymérisation d'équilibrage est contrôlée thermodynamiquement et s'effectue à 140-180°C avec 10-100 ppm de silanolate de potassium comme catalyseur, et elle est réversible, donc à l'équilibre, le contenu du réacteur contient encore 10 à 18% de siloxanes cycliques qui doivent être dépouillés à 150 à 200 °C sous 1 à 10 mbar jusqu'à 100 à 1 000 ppm.La viscosité est la limite de l'ingénierie.: la même famille de produits va d'un fluide de 10 cSt à000,000 cSt de gomme, correspondant à un degré de polymérisation compris entre 10 et plus de 10,000, c'est pourquoi aucun type d'agitateur ou de réacteur ne répond à l'ensemble de la gamme.

1La chimie du siloxane qui détermine la charge du réacteur

Quatre caractéristiques chimiques distinguent le traitement du silicone des autres polymérisations:

• Hydrolyse et condensation du silanol:La voie industrielle commence par la réaction du diméthyldichlorosilane avec de l'eau pour obtenir un mélange d'oligomères linéaires terminés par du silanol et d'espèces cycliques.libérant deux moles de chlorure d'hydrogène par mole de chlorosilaneLa réaction est rapide et fortement exothermique, et le chlorure d'hydrogène forme de l'acide chlorhydrique au contact de toute humidité, de sorte que cette étape nécessite une construction résistante à la corrosion.d'acier généralement recouvert de verre, Hastelloy ou une doublure en fluoropolymère, ainsi qu'un système d'absorption et de nettoyage du gaz d'évacuation.La température est maintenue en dessous d'environ 40-60°C car elle contrôle la répartition entre produits linéaires et cycliques et donc le rendement des intermédiaires utilisables.La condensation ultérieure des silanols pour former une longueur de chaîne est catalysée à la fois par l'acide et la base et se produit même à température ambiante.ce qui signifie que l'hydrolysat est réactif et ne peut pas être stocké indéfiniment sans que son poids moléculaire ne dérive.
• Polymérisation par équilibrage d'ouverture d'anneau:La polymérisation commerciale ouvre des siloxanes cycliques tels que l'octaméthylcyclotétrasiloxane et le décaméthylcyclopentasiloxane avec un catalyseur de base, généralement le silanolate de potassium à 10 à 100 ppm, à 140 à 180 °C.Le mécanisme n'est pas une simple croissance de la chaîne jusqu'à son achèvement mais une redistribution,dans lequel les liaisons siloxane sont continuellement rompues et reformées jusqu'à ce que le système atteigne l'équilibre thermodynamique entre polymère linéaire et espèces cycliquesLes conséquences pratiques sont importantes: le poids moléculaire n'est pas déterminé par conversion, mais par la quantité de bouchon de chaîne, généralement un liquide court terminé au triméthylsiloxy ou à l'hexaméthyldisiloxane.donc la recette plutôt que le temps de réaction détermine le produitLa température doit être uniforme à environ 1°C car l'équilibre dépend de la température et les points chauds déplacent à la fois le poids moléculaire et la teneur en cycliques.Et à l' équilibre 10-18% de la masse est encore cyclique et doit être dépouillée.
• Neutralité du catalyseur et stabilité du produit:Comme l'équilibrage est réversible et catalysé, tout catalyseur actif restant dans le produit continuera à redistribuer les chaînes pendant le stockage, provoquant une dérive de viscosité, une réversion aux cycliques,et dans le pire des cas, la gélificationLa neutralisation est donc une étape discrète et critique: une quantité stéchiométrique d'acide phosphorique, de phosphate de silice, de phosphate de potassium, de phosphate de potassium et de potassium.ou du dioxyde de carbone et de l'eau sont ajoutés pour convertir le silanolate de potassium en un sel inactifLes cristaux de sel sont généralement laissés dans le produit pour des fluides ou filtrés pour des qualités de haute clarté.La vérification est effectuée par un essai accéléré de l'âge thermique, dans lequel un échantillon est maintenu à 200-250°C pendant 24 heures et la modification de la viscosité mesurée; un produit stable change de moins de quelques pour cent,tandis qu'un partiellement neutralisé s'épaissit ou s'amincit nettement.
• Dévolatilization et élimination cyclique:Le mélange d'équilibre doit être réduit de 10 à 18% cycliques à moins de 100 à 1 000 ppm,en fonction de la qualité et des limites réglementaires pour certains siloxanes cycliquesComme le polymère est visqueux, l'étape limite n'est pas la pression de vapeur des cycliques mais leur diffusion à travers la fonte vers une surface libre.l'équipement doit donc générer et renouveler une grande surface dans un vide de 1 à 10 mbar à 150 à 200 °CL'évaporateur à pellicule nettoyée et à pellicule mince sont les plus efficaces, avec un temps de résidence réduit et une dégradation thermique limitée.Le décapage en réacteur avec un agitateur à ruban à haute surface et l'épargne d'azote est moins coûteux mais plus lent et atteint un résidu plus élevéLes volatiles sont condensés et récupérés pour recyclage, ce qui est à la fois une exigence économique et une exigence de conformité.

2. Configurations de réacteur de lot à continu

La configuration est choisie en fonction de la plage de viscosité, du débit et de la gamme de produits que l'usine doit fournir:

• Réacteur mélangé par lots:La configuration standard pour la gamme de fluide et de viscosité modérée, et pour les usines faisant de nombreuses qualités.d'une épaisseur n'excédant pas 50 mm,Les réacteurs de série sont flexibles et permettent un changement de qualité entre les campagnes.et sont le choix pratique pour les produits spécialisésLeur limite est le transfert de chaleur, puisque le coefficient de paroi tombe en dessous de 100 W/m2K à haute viscosité, le temps de cycle, puisque le chauffage, la réaction, leLa neutralisation et le décapage se produisent tous séquentiellement dans un même récipient., et la variabilité entre les lots, qui doit être contrôlée par la discipline de la recette et l'uniformité de la température plutôt que par l'équipement lui-même.
• Réacteurs à boucle continue et à mélangeur statique:Pour les fluides standard à volume élevé, la polymérisation continue élimine complètement le cycle de lot.essentiellement un train de mélangeur statique ou une boucle tubulaire en jaquette avec recirculation, où le mélange est chauffé à 140-180°C et maintenu pendant 10 à 60 minutes pour atteindre l'équilibre, puis passe par un mélangeur de neutralisation et par un dévolatilisateur continu.Les réacteurs à mélangeur statique sont particulièrement bien adaptés car l'équilibrage nécessite un bon mélange radial et un temps de résidence défini plutôt qu'un cisaillement intense., et un mélangeur statique assure à la fois l'absence de pièces mobiles et l'absence d'étanchéité dans la zone chaude.la contrainte est que les changements de qualité produisent du matériau de transition, les trains continus sont donc dédiés à une liste de produits étroite.
• Réacteur à extrudeuse à double vis:Pour l'extrémité supérieure de la plage de viscosité, et de plus en plus pour le traitement continu sans solvant, une extrudeuse à double vis co-rotative sert de réacteur.Il gère des viscosités qu'aucun récipient agité ne peut mélanger., fournit un cisaillement intense et contrôlable, un excellent renouvellement de la surface et une dévolatilisation intégrale grâce à plusieurs ouvertures de vide le long du canon, avec un temps de séjour de seulement 1 à 5 minutes.Les éléments de vis sont configurés dans des zones de fusion ou d'alimentationLes avantages sont considérables pour les gommes à poids moléculaire élevé et pour les composés à viscosité élevée.et les limites de temps de résidence courte dégradation thermiqueLes limites sont le coût en capital, les compétences requises pour concevoir et utiliser le profil de vis et la difficulté de nettoyage entre les nuances incompatibles.
• Règles de mise à l'échelle et exigences pilotes:L'augmentation de la taille du silicone est régie par trois quantités qui n'échèlent pas linéairement avec le volume.donc un lot qui refroidit en une heure dans un pilote de 100 litres peut prendre quatre heures dans un réacteur de 10 m3Le pilote doit donc correspondre à la géométrie de transfert de chaleur de production, pas seulement au volume.et dans le régime laminaire le nombre de tours requis pour l'homogénéité est à peu près constant, donc un grand navire a besoin d'une roue géométriquement similaire à une vitesse proportionnelle, qui atteint rapidement les limites du couple et de l'arbre.la distance qu'une molécule volatile doit parcourir avant d'atteindre une surface libre augmente, la dévolatilisation est donc l'étape la plus souvent sous-estimée dans la mise à l'échelle.plutôt que de le déduire des essais de réacteurs.

Matrice de comparaison des configurations des réacteurs de silicone

Questions fréquemment posées