सिलिकॉन रिएक्टर क्या है: सिलोक्सेन रसायन विज्ञान, विन्यास और स्केल-अप

मुख्य प्रश्न का उत्तर: सिलिकॉन रिएक्टर क्या है? एक सिलिकॉन रिएक्टर एक बर्तन या मशीन है जो क्लोरोसिलेंस या चक्रीय सिलोक्सेन को पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन और इसके कोपोलिमर में परिवर्तित करता है, जिसमें हाइड्रोलिसिस, रिंग-ओपनिंग इक्विलिब्रेशन पॉलिमराइजेशन, उत्प्रेरक निष्प्रभावीकरण और वैक्यूम डीवोलेटिलाइजेशन शामिल हैं। दो अलग-अलग रसायन विज्ञान डिजाइन को आकार देते हैं। हाइड्रोलिसिस तेज, अत्यधिक ऊष्माक्षेपी होता है और हाइड्रोजन क्लोराइड जारी करता है, इसलिए इसके लिए संक्षारण प्रतिरोध और गैस प्रबंधन की आवश्यकता होती है। इक्विलिब्रेशन पॉलिमराइजेशन थर्मोडायनामिक रूप से नियंत्रित होता है और 140-180 डिग्री सेल्सियस पर 10-100 पीपीएम पोटेशियम सिलानोलेट उत्प्रेरक के साथ चलता है, और यह प्रतिवर्ती है, इसलिए संतुलन पर रिएक्टर सामग्री में अभी भी 10-18% चक्रीय सिलोक्सेन होते हैं जिन्हें 150-200 डिग्री सेल्सियस पर 1-10 एमबार तक 100-1,000 पीपीएम तक स्ट्रिप किया जाना चाहिए। परिभाषित इंजीनियरिंग स्पैन चिपचिपाहट है: एक ही उत्पाद परिवार 10 सी.एस.टी. द्रव से 1,000,000 सी.एस.टी. गम तक चलता है, जो लगभग 10 से 10,000 से अधिक के पॉलिमराइजेशन की डिग्री के अनुरूप होता है, यही कारण है कि कोई भी एकल एजिटेटर या रिएक्टर प्रकार पूरी श्रृंखला की सेवा नहीं करता है।

1. सिलोक्सेन रसायन विज्ञान जो रिएक्टर ड्यूटी निर्धारित करता है

चार रासायनिक विशेषताएं सिलिकॉन प्रसंस्करण को अन्य पॉलिमराइजेशन से अलग करती हैं:

• हाइड्रोलिसिस और सिलानोल संघनन: औद्योगिक मार्ग डाइमिथाइलडाइक्लोरोसिलन की पानी के साथ प्रतिक्रिया से शुरू होता है जिससे रैखिक सिलानोल-टर्मिनेटेड ओलिगोमर्स और चक्रीय प्रजातियों का मिश्रण बनता है, जिससे प्रति मोल क्लोरोसिलन दो मोल हाइड्रोजन क्लोराइड निकलता है। प्रतिक्रिया तेज और अत्यधिक ऊष्माक्षेपी होती है, और हाइड्रोजन क्लोराइड किसी भी नमी के संपर्क में आने पर हाइड्रोक्लोरिक एसिड बनाता है, इसलिए इस चरण के लिए संक्षारण प्रतिरोधी निर्माण, आमतौर पर ग्लास-लाइनेड स्टील, हैस्टेलॉय या फ्लोरोपॉलीमर लाइनिंग, साथ ही वेंट गैस के लिए एक अवशोषण और स्क्रबिंग सिस्टम की आवश्यकता होती है। तापमान लगभग 40-60 डिग्री सेल्सियस से नीचे रखा जाता है क्योंकि यह रैखिक और चक्रीय उत्पादों के बीच वितरण को नियंत्रित करता है और इसलिए उपयोगी मध्यवर्ती की उपज को नियंत्रित करता है। सिलानोल का बाद का संघनन श्रृंखला की लंबाई बनाने के लिए एसिड और बेस दोनों द्वारा उत्प्रेरित होता है, और कमरे के तापमान पर भी आगे बढ़ता है, जिसका अर्थ है कि हाइड्रोलाइजेट प्रतिक्रियाशील है और इसके आणविक भार में बहाव के बिना अनिश्चित काल तक संग्रहीत नहीं किया जा सकता है।
• रिंग-ओपनिंग इक्विलिब्रेशन पॉलिमराइजेशन: वाणिज्यिक पॉलिमराइजेशन ऑक्टामेथिलसाइक्लोटेट्रासिलोक्सेन और डेकैमेथिलसाइक्लोपेंटासिलोक्सेन जैसे चक्रीय सिलोक्सेन को एक बुनियादी उत्प्रेरक, आमतौर पर 10-100 पीपीएम पर पोटेशियम सिलानोलेट, 140-180 डिग्री सेल्सियस पर खोलता है। तंत्र पूर्णता तक एक साधारण श्रृंखला वृद्धि नहीं है, बल्कि एक पुनर्वितरण है, जिसमें सिलोक्सेन बॉन्ड लगातार टूटते और फिर से बनते हैं जब तक कि सिस्टम रैखिक बहुलक और चक्रीय प्रजातियों के बीच थर्मोडायनामिक संतुलन तक नहीं पहुंच जाता है। व्यावहारिक परिणाम महत्वपूर्ण हैं। आणविक भार रूपांतरण द्वारा नहीं बल्कि श्रृंखला स्टॉपर की मात्रा से निर्धारित होता है, आमतौर पर एक छोटा ट्राइमेथिलसिलोक्सी-टर्मिनेटेड द्रव या हेक्सामेथिलडिसिलोक्सेन, इसलिए नुस्खा प्रतिक्रिया समय के बजाय उत्पाद निर्धारित करता है। तापमान लगभग 1 डिग्री सेल्सियस के भीतर समान होना चाहिए क्योंकि संतुलन तापमान पर निर्भर होता है और गर्म स्थान आणविक भार और चक्रीय सामग्री दोनों को स्थानांतरित करते हैं। और संतुलन पर द्रव्यमान का 10-18% अभी भी चक्रीय है और इसे स्ट्रिप किया जाना चाहिए।
• उत्प्रेरक निष्प्रभावीकरण और उत्पाद स्थिरता: क्योंकि इक्विलिब्रेशन प्रतिवर्ती और उत्प्रेरित है, उत्पाद में बचा कोई भी सक्रिय उत्प्रेरक भंडारण के दौरान श्रृंखलाओं को पुनर्वितरित करना जारी रखेगा, जिससे चिपचिपाहट बहाव, चक्रीय में वापसी, और सबसे खराब स्थिति में जेलिंग हो सकती है। इसलिए निष्प्रभावीकरण एक अलग, महत्वपूर्ण कदम है: पोटेशियम सिलानोलेट को एक निष्क्रिय नमक में परिवर्तित करने के लिए फॉस्फोरिक एसिड, सिलिल फॉस्फेट, या कार्बन डाइऑक्साइड और पानी की एक स्टोइकोमेट्रिक मात्रा जोड़ी जाती है, और प्रतिक्रिया को पूरा करने के लिए बैच को पर्याप्त समय तक तापमान पर रखा जाता है। नमक क्रिस्टल आमतौर पर तरल पदार्थों के लिए उत्पाद में छोड़ दिए जाते हैं या उच्च-स्पष्टता ग्रेड के लिए फ़िल्टर किए जाते हैं। सत्यापन एक त्वरित गर्मी-आयु परीक्षण द्वारा किया जाता है, जिसमें एक नमूना 24 घंटे के लिए 200-250 डिग्री सेल्सियस पर रखा जाता है और चिपचिपाहट परिवर्तन को मापा जाता है; एक स्थिर उत्पाद कुछ प्रतिशत से कम बदलता है, जबकि एक अपूर्ण रूप से निष्प्रभावीकृत उत्पाद काफी गाढ़ा या पतला हो जाता है।
• डीवोलेटिलाइजेशन और चक्रीय निष्कासन: सिलिकॉन संयंत्र में बहुत सारी पूंजी स्ट्रिपिंग में लगी होती है। संतुलन मिश्रण को 10-18% चक्रीय से ग्रेड और कुछ चक्रीय सिलोक्सेन के लिए नियामक सीमाओं के आधार पर 100-1,000 पीपीएम से नीचे कम किया जाना चाहिए। क्योंकि बहुलक चिपचिपा होता है, सीमित चरण चक्रीय का वाष्प दबाव नहीं है, बल्कि पिघल के माध्यम से एक मुक्त सतह तक उनका प्रसार है, इसलिए उपकरण को 150-200 डिग्री सेल्सियस पर 1-10 एमबार के वैक्यूम में एक बड़े सतह क्षेत्र को उत्पन्न और नवीनीकृत करना चाहिए। वाइप्ड-फिल्म और थिन-फिल्म इवेपोरेटर सबसे प्रभावी होते हैं, जो थर्मल गिरावट को सीमित करने वाले छोटे निवास समय के साथ सबसे कम अवशेष प्राप्त करते हैं। उच्च-सतह रिबन एजिटेटर और नाइट्रोजन स्पार्जिंग के साथ इन-रिएक्टर स्ट्रिपिंग सस्ता लेकिन धीमा है और उच्च अवशेष तक पहुंचता है। वाष्पशील को संघनित और पुनर्चक्रण के लिए पुनर्प्राप्त किया जाता है, जो एक आर्थिक और अनुपालन आवश्यकता दोनों है।

2. बैच से निरंतर तक रिएक्टर विन्यास

विन्यास को चिपचिपाहट रेंज, थ्रूपुट और उत्पाद स्लेट द्वारा चुना जाता है जिसे संयंत्र को सेवा प्रदान करनी चाहिए:

• बैच स्टिर्रेड रिएक्टर: द्रव और मध्यम-चिपचिपाहट रेंज के लिए मानक विन्यास, और कई ग्रेड बनाने वाले संयंत्रों के लिए। 316L स्टेनलेस स्टील में 500-20,000 एल का जैकेटेड बर्तन, एक हाफ-पाइप या डिंपल जैकेट के साथ, और लगभग 50,000 सी.एस.टी. से ऊपर, एक हेलिकल रिबन या एक डिस्पर्सर और एक एंकर का एक समाक्षीय संयोजन। बैच रिएक्टर लचीले होते हैं, अभियानों के बीच ग्रेड परिवर्तन की अनुमति देते हैं, और विशेष उत्पादों, यौगिकों और छोटी मात्रा के लिए व्यावहारिक विकल्प हैं। उनकी सीमाएं गर्मी हस्तांतरण हैं, क्योंकि उच्च चिपचिपाहट पर दीवार गुणांक 100 डब्ल्यू/एम2के से नीचे गिर जाता है, चक्र समय, क्योंकि हीटिंग, प्रतिक्रिया, निष्प्रभावीकरण और स्ट्रिपिंग सभी एक बर्तन में क्रमिक रूप से होते हैं, और बैच-से-बैच परिवर्तनशीलता, जिसे नुस्खा अनुशासन और तापमान एकरूपता के माध्यम से नियंत्रित किया जाना चाहिए, न कि उपकरण के माध्यम से।
• निरंतर लूप और स्टेटिक मिक्सर रिएक्टर: उच्च-मात्रा वाले मानक तरल पदार्थों के लिए, निरंतर पॉलिमराइजेशन बैच चक्र को पूरी तरह से समाप्त कर देता है। डिजाइन चक्रीय, श्रृंखला स्टॉपर और उत्प्रेरक को एक लूप रिएक्टर में फीड करता है, अनिवार्य रूप से एक स्टेटिक मिक्सर ट्रेन या पुनरावर्तन के साथ एक जैकेटेड ट्यूबलर लूप, जहां मिश्रण को 140-180 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाता है और संतुलन तक पहुंचने के लिए 10-60 मिनट तक रखा जाता है, फिर एक निष्प्रभावीकरण मिक्सर से गुजरता है और एक निरंतर डीवोलेटिलाइज़र तक जाता है। स्टेटिक मिक्सर रिएक्टर विशेष रूप से उपयुक्त होते हैं क्योंकि इक्विलिब्रेशन के लिए अच्छे रेडियल मिश्रण और तीव्र कतरनी के बजाय एक परिभाषित निवास समय की आवश्यकता होती है, और एक स्टेटिक मिक्सर बिना किसी हिलने वाले हिस्से और गर्म क्षेत्र में सील के दोनों प्रदान करता है। लाभ निवास समय में दस गुना कमी, सुसंगत उत्पाद और बहुत छोटा पदचिह्न है; बाधा यह है कि ग्रेड परिवर्तन संक्रमण सामग्री उत्पन्न करते हैं, इसलिए निरंतर ट्रेनें एक संकीर्ण उत्पाद स्लेट के लिए समर्पित होती हैं।
• ट्विन-स्क्रू एक्सट्रूडर रिएक्टर: चिपचिपाहट रेंज के उच्च अंत के लिए, और तेजी से सॉल्वेंट-मुक्त निरंतर प्रसंस्करण के लिए, एक सह-घूर्णन ट्विन-स्क्रू एक्सट्रूडर रिएक्टर के रूप में कार्य करता है। यह चिपचिपाहट को संभालता है जिसे कोई भी स्टिर्रेड बर्तन मिश्रण नहीं कर सकता है, तीव्र और नियंत्रणीय कतरनी प्रदान करता है, उत्कृष्ट सतह नवीनीकरण, और बैरल के साथ कई वैक्यूम वेंट के माध्यम से अभिन्न डीवोलेटिलाइजेशन, केवल 1-5 मिनट के निवास समय के साथ। स्क्रू तत्वों को पिघलने या खिलाने, प्रतिक्रिया, उत्प्रेरक किल और वेंटिंग के लिए क्षेत्रों में कॉन्फ़िगर किया जाता है, इसलिए पूरा मार्ग एक मशीन में चलता है। उच्च आणविक भार गम और उच्च-चिपचिपाहट यौगिकों के लिए फायदे नाटकीय हैं, और छोटा निवास समय थर्मल गिरावट को सीमित करता है। सीमाएं पूंजी लागत हैं, स्क्रू प्रोफाइल को डिजाइन और संचालित करने के लिए आवश्यक कौशल, और असंगत ग्रेड के बीच सफाई की कठिनाई है।
• स्केल-अप नियम और पायलट आवश्यकताएं: सिलिकॉन स्केल-अप तीन मात्राओं द्वारा शासित होता है जो मात्रा के साथ रैखिक रूप से स्केल नहीं करते हैं। प्रति मात्रा गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र बर्तन के आकार के बढ़ने के साथ गिरता है, इसलिए 100 एल पायलट में एक घंटे में ठंडा होने वाला बैच 10 एम3 रिएक्टर में चार घंटे ले सकता है; इसलिए पायलट को केवल मात्रा के बजाय उत्पादन गर्मी हस्तांतरण ज्यामिति से मेल खाना चाहिए। मिश्रण समय और मिश्रण समय आकार के साथ बढ़ता है, और लैमिनार शासन में एकरूपता के लिए आवश्यक क्रांतियों की संख्या लगभग स्थिर होती है, इसलिए एक बड़े बर्तन को आनुपातिक गति पर ज्यामितीय रूप से समान इम्पेलर की आवश्यकता होती है, जो जल्दी से टॉर्क और शाफ्ट सीमाओं में प्रवेश करती है। और वैक्यूम पथ की लंबाई बढ़ती है: एक वाष्पशील अणु को एक मुक्त सतह तक पहुंचने से पहले प्रसार करने की दूरी बढ़ जाती है, इसलिए डीवोलेटिलाइजेशन वह कदम है जिसका स्केल-अप में सबसे अधिक बार कम अनुमान लगाया जाता है। सफल परियोजनाओं में रिएक्टर परीक्षणों से अनुमान लगाने के बजाय, उत्पादन वैक्यूम और फिल्म मोटाई पर अलग से डीवोलेटिलाइजेशन कदम का पायलट परीक्षण किया जाता है।

सिलिकॉन रिएक्टर विन्यास तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (एफएक्यू)