O que é um reator de silicone: Química, configurações e ampliação do siloxano

Respondendo à questão central:O que é um reator de silicone?Um reator de silicone é um recipiente ou máquina que converte clorosilanos ou siloxanos cíclicos em polydimethylsiloxane e seus copolímeros, através de hidrólise, polimerização de equilíbrio de abertura de anel,Neutralização do catalisador e desvolatilização do vácuoA hidrólise é rápida, fortemente exotérmica e libera cloreto de hidrogénio, pelo que exige resistência à corrosão e manipulação de gases.A polimerização de equilíbrio é controlada termodinâmicamente a 140-180°C com 10-100 ppm de silanolato de potássio como catalisador, e é reversível, de modo que no equilíbrio os conteúdos do reator ainda contêm 10-18% de siloxanos cíclicos que devem ser despojados a 150-200 °C a menos de 1-10 mbar até 100-1000 ppm.O percurso de engenharia definidor é a viscosidade: a mesma família de produtos vai de um fluido de 10 cSt a um fluido de 1 cSt,000,000 cSt de goma, correspondente a um grau de polimerização de cerca de 10 a mais de 10,000, razão pela qual nenhum tipo de agitador ou reator pode ser utilizado em toda a gama.

1Química do siloxano que determina a carga do reator

Quatro características químicas distinguem o processamento de silicone de outras polimerizações:

• Hidrólise e condensação de silanol:A via industrial começa com a reacção do dimetildiclorosilano com água para produzir uma mistura de oligômeros lineares terminados com silanol e espécies cíclicas,liberando dois moles de cloreto de hidrogénio por mole de clorosilanoA reacção é rápida e fortemente exotérmica, e o cloreto de hidrogénio forma ácido clorídrico em contacto com qualquer umidade, pelo que esta fase requer uma construção resistente à corrosão.aço tipicamente revestido de vidro, Hastelloy ou um revestimento de fluoropolímero, mais um sistema de absorção e esfregamento para o gás de ventilação.A temperatura é mantida abaixo de cerca de 40-60°C porque controla a distribuição entre produtos lineares e cíclicos e, portanto, o rendimento de intermediários utilizáveisA subsequente condensação dos silanóis para formar o comprimento da cadeia é catalisada tanto por ácido como por base e prossegue mesmo à temperatura ambiente.o que significa que o hidrolizado é reativo e não pode ser armazenado indefinidamente sem que o seu peso molecular flua.
• Polimerização de equilíbrio de abertura de anel:A polimerização comercial abre siloxanos cíclicos, tais como o octametilciclotetrasiloxano e o decametilciclopentasiloxano, com um catalisador básico, geralmente silanolato de potássio, a 10-100 ppm, a 140-180 °C.O mecanismo não é um simples crescimento da cadeia até a sua conclusão, mas uma redistribuição,em que as ligações de siloxano são continuamente quebradas e reformadas até que o sistema atinja o equilíbrio termodinâmico entre polímero linear e espécies cíclicasAs consequências práticas são significativas: o peso molecular não é determinado pela conversão, mas pela quantidade de rolha de cadeia, tipicamente um líquido curto terminado por trimetil-silóxi ou hexametil-disiloxano,Assim, a receita e não o tempo de reação determina o produto.A temperatura deve ser uniforme num intervalo de cerca de 1°C, porque o equilíbrio depende da temperatura e os pontos quentes deslocam tanto o peso molecular como o conteúdo cíclico.E no equilíbrio 10-18% da massa ainda é cíclica e deve ser despojada.
• Neutralização do catalisador e estabilidade do produtoUma vez que o equilíbrio é reversível e catalisado, qualquer catalisador ativo remanescente no produto continuará a redistribuir as cadeias durante o armazenamento, causando a deriva da viscosidade, a reversão para cíclicos,e no pior dos casos, gelatina.A neutralização é, portanto, uma etapa discreta e crítica: uma quantidade estequiométrica de ácido fosfórico, fosfato de silílio,ou dióxido de carbono e água são adicionados para converter o silanolato de potássio num sal inativoOs cristais de sal são geralmente deixados no produto para fluidos ou filtrados para graus de alta clareza.A verificação é efectuada através de um ensaio de idade térmica acelerada, em que uma amostra é mantida a 200-250 °C durante 24 horas e a variação de viscosidade é medida; um produto estável muda em menos de alguns por cento,Enquanto um parcialmente neutralizado engrossa ou diminui significativamente.
• Desvolatilização e remoção cíclica:A mistura de equilíbrio deve ser reduzida de 10-18% cíclica para menos de 100-1000 ppm,em função da classe e dos limites regulamentares para certos siloxanos cíclicosDado que o polímero é viscoso, o passo limitante não é a pressão de vapor dos cíclicos, mas a sua difusão através do fundido para uma superfície livre.Assim, o equipamento deve gerar e renovar uma grande área de superfície num vácuo de 1-10 mbar a 150-200°C.Os evaporadores de película limpa e de película fina são os mais eficazes, alcançando os mais baixos resíduos com um curto tempo de residência que limita a degradação térmica.O desmatamento no reator com um agitador de fita de superfície elevada e o desmatamento por nitrogénio é mais barato, mas mais lento e alcança um resíduo mais elevado.Os voláteis são condensados e recuperados para reciclagem, o que é um requisito económico e de conformidade.

2Configurações do reator de lote para contínuo

A configuração é escolhida em função do intervalo de viscosidade, do rendimento e da gama de produtos que a instalação deve servir:

• Reator de agitação por lotes:A configuração padrão para a faixa de fluidos e viscosidade moderada, e para plantas que fazem muitos graus.com uma camisa de meio tubo ou de covil, e, acima de cerca de 50.000 cSt, uma fita helicoidal ou uma combinação coaxial de um dispersor e uma âncora.e são a escolha prática para produtos especiaisOs seus limites são a transferência de calor, uma vez que o coeficiente de parede cai abaixo de 100 W/m2K a alta viscosidade, o tempo de ciclo, uma vez que o aquecimento, a reacção, oA neutralização e a remoção ocorrem todas sequencialmente num mesmo recipiente., e variabilidade entre lotes, que devem ser controladas através da disciplina da receita e da uniformidade da temperatura, em vez de através do próprio equipamento.
• Reatores de circuito contínuo e de mistura estática:Para fluidos padrão de grande volume, a polimerização contínua elimina completamente o ciclo de lote.com um comprimento de 80 mm ou mais, mas não superior a 80 mm,, onde a mistura é aquecida a 140-180°C e mantida durante 10 a 60 minutos para atingir o equilíbrio, passa então por um misturador de neutralização e passa para um desvolatilizador contínuo.Os reatores de mistura estática são particularmente adequados porque o equilíbrio requer uma boa mistura radial e um tempo de residência definido em vez de corte intenso, e um misturador estático proporciona tanto sem partes móveis e sem vedação na zona quente.A restrição é que as mudanças de grau produzem material de transição, de modo que os comboios contínuos são dedicados a uma lista de produtos estreita.
• Reator de extrusão de dois parafusos:Para o extremo superior da faixa de viscosidade e, cada vez mais, para o processamento contínuo sem solvente, um extrusor de dois parafusos co-rotativo serve como reator.Ele lida com viscosidades que nenhum recipiente agitado pode misturar, proporciona corte intenso e controlado, excelente renovação da superfície e desvolatilização integral através de várias aberturas de vácuo ao longo do cano, com um tempo de residência de apenas 1-5 minutos.Os elementos de parafuso são configurados em zonas para fusão ou alimentação, reação, catalisador matar e ventilação, de modo que toda a rota corre em uma máquina.e os limites de tempo de residência curta degradação térmicaAs limitações são o custo de capital, a habilidade necessária para conceber e operar o perfil de parafuso e a dificuldade de limpeza entre tipos incompatíveis.
• Regras de ampliação e requisitos pilotos:A escala de silicone é regida por três quantidades que não se dimensionam linearmente com o volume.Assim, um lote que arrefece em uma hora em um piloto de 100 litros pode levar quatro horas em um reator de 10 m3O piloto deve, por conseguinte, corresponder à geometria de transferência de calor de produção, não apenas ao volume.e no regime laminar o número de revoluções necessárias para a homogeneidade é aproximadamente constante, de modo que um recipiente grande precisa de um impulsionador geometricamente semelhante a uma velocidade proporcional, que rapidamente entra em torque e limites de eixo.A distância que uma molécula volátil deve difundir antes de alcançar uma superfície livre aumentaOs projetos de sucesso testam a fase de desvolatilização separadamente no vácuo de produção e na espessura da película.Em vez de inferir isso dos testes do reator.

Configurações dos reatores de silicone Matriz de comparação

Perguntas Frequentes (FAQ)