Что такое силиконовый реактор: Силоксанная химия, конфигурация и масштабирование

Отвечая на главный вопрос:Что такое силиконовый реактор?Силиконовый реактор - это сосуд или машина, которая преобразует хлоросиланы или циклические силоксаны в полидиметилсилокан и его сополимеры, охватывающие гидролиз, равновесное открытие кольца, полимеризацию,нейтрализация катализатора и деволатилизация вакуумаГидролиз быстрый, сильно экзотермичный и высвобождает хлорид водорода, поэтому он требует коррозионной стойкости и обработки газа.Полимеризация равновесия контролируется термодинамически и выполняется при 140-180°C с 10-100 ppm катализатора силанолата калия, и это обратимо, поэтому при равновесии содержание реактора все еще содержит 10-18% циклических силоксанов, которые должны быть очищены при 150-200 ° C под 1-10 mbar до 100-1000 ppm.Определяющий инженерный диапазон - вязкость: одно и то же семейство продуктов имеет диапазон от 10 кСт жидкости до 1 кСт.000,000 cSt, соответствующая степени полимеризации от 10 до более 10000, поэтому ни один тип агитатора или реактора не обслуживает весь диапазон.

1Силоксанная химия, которая определяет нагрузку реактора

Четыре химических характеристики отличают обработку силикона от других полимеризаций:

• Гидролиз и конденсация силанола:Промышленный путь начинается с диметилдихлоросилана, реагирующего с водой, чтобы получить смесь линейных силанольных олигомеров и циклических видов,высвобождение двух молов хлоридовода на одну молу хлорозиланаРеакция быстрая и сильно экзотермична, и хлорид водорода образует соляную кислоту при контакте с влагой, поэтому на этом этапе требуется коррозионностойкая конструкция.обычно стеклянная сталь, Hastelloy или фторполимерной подкладки, плюс система поглощения и очистки для вентиляционного газа.Температура сохраняется ниже примерно 40-60°C, потому что она контролирует распределение между линейными и циклическими продуктами и, следовательно, урожайность полезного промежуточного материала.Последующая конденсация силанолов для создания длины цепи катализируется как кислотой, так и основой и происходит даже при комнатной температуре.что означает, что гидролиз является реактивным и не может храниться на неопределенный срок без изменения молекулярной массы.
• Полимеризация с открыванием кольца:Коммерческая полимеризация открывает циклические силоксаны, такие как октаметилциклотетрасилоксан и декаметилциклопентасилоксан, с базовым катализатором, обычно силанолатом калия при 10-100 ppm, при 140-180 °C.Механизм - это не просто цепочка роста до завершения, а перераспределение,в котором силоксанные связи непрерывно разрушаются и реформируются, пока система не достигнет термодинамического равновесия между линейным полимером и циклическими видамиМолекулярный вес устанавливается не путем преобразования, а количеством цепной пробки, обычно короткой триметилсилокси-кончающей жидкости или гексаметилдизилоксана.так что рецепт, а не время реакции определяет продуктТемпература должна быть равномерной примерно в пределах 1°C, поскольку равновесие зависит от температуры, а горячие точки смещают как молекулярную массу, так и циклическое содержание.И при равновесии 10-18% массы все еще цикличны и должны быть сняты.
• Нейтрализация катализатора и стабильность продукта:Поскольку равновесие обратимо и катализируется, любой активный катализатор, оставшийся в продукте, будет продолжать перераспределять цепи во время хранения, вызывая смещение вязкости, реверсию в циклические,и в худшем случае гелизацияПоэтому нейтрализация является отдельным, критическим шагом: стехиометрическое количество фосфорной кислоты, силилового фосфата,или углекислый газ плюс вода, чтобы превратить силанолат калия в неактивную сольКристаллы соли обычно оставляют в продукте для получения жидкости или фильтруют для получения высокочестных сортов.Проверка производится с помощью ускоренного теста на тепловой возраст, в котором образец удерживается при температуре 200-250°C в течение 24 часов и измеряется изменение вязкости; стабильный продукт меняется менее чем на несколько процентов,В то время как не полностью нейтрализованный сильно утолщается или истончается..
• Деволатилизация и циклическое удаление:Стрипинг - это то место, где большая часть капитала в силиконовом заводе находится.в зависимости от класса и нормативных пределов для некоторых циклических силоксановПоскольку полимер вязкий, ограничивающим этапом является не давление пара цикликов, а их диффузия через плавление на свободную поверхность.поэтому оборудование должно генерировать и обновлять большую площадь поверхности в вакууме 1-10 мбар при 150-200 °CВытираемые пленки и тонкопленочные испарители являются наиболее эффективными, достигая наименьшего количества остатков с коротким временем пребывания, что ограничивает тепловое разложение.В реакторе стриппинг с помощью высокоповерхностного агитатора ленты и азотного спарринга дешевле, но медленнее и достигает более высокого остаточного показателя.Летучие вещества конденсируются и восстанавливаются для переработки, что является как экономическим, так и требованием соответствия.

2Конфигурация реактора от партии до непрерывной

Конфигурация выбирается в зависимости от диапазона вязкости, пропускной способности и продуктового диапазона, который должна обслуживать установка:

• Реактор с перемешиванием партии:Стандартная конфигурация для жидкости и средней вязкости, и для растений, производящих многие сорта.с полутрубкой или капсулой, и, выше около 50 000 cSt, спиральной ленты или коаксиальной комбинации дисперсера и якоря.и являются практическим выбором для специализированных продуктов, соединения и небольшие объемы. Их ограничения - теплопередача, так как коэффициент стенки падает ниже 100 Вт/м2К при высокой вязкости, время цикла, так как нагрев, реакция,нейтрализация и снятие происходит последовательно в одном сосуде, и изменчивость от партии к партии, которые должны контролироваться с помощью дисциплины рецепта и равномерности температуры, а не с помощью самого оборудования.
• Реакторы непрерывной цепи и статических смесителей:Для стандартных жидкостей большого объема непрерывная полимеризация полностью устраняет цикл партии.по существу статика смесителя или трубчатая петля с рециркуляцией, где смесь нагревается до 140-180°C и удерживается в течение 10-60 минут, чтобы достичь равновесия, затем проходит через нейтрализующий смеситель и в непрерывный деволатилизатор.Реакторы статических смесителей особенно подходят, потому что для равновесия требуется хорошее радиальное смешивание и определенное время пребывания, а не интенсивное сдвижение., а статический смеситель обеспечивает как отсутствие движущихся частей, так и отсутствие уплотнения в горячей зоне.Ограничение заключается в том, что изменения качества производят переходный материал, так что непрерывные поезда предназначены для узкой продукции.
• Реактор экструдера с двумя винтами:Для высокой границы диапазона вязкости, и все чаще для бесперебойной обработки без растворителей, в качестве реактора служит экструдер с двумя винтами.Он обрабатывает вязкость, которую не может смешать какая-либо смешанная посуда., обеспечивает интенсивное и контролируемое сдвиг, отличное обновление поверхности и интегральную деволатилизацию через несколько вакуумных отверстий вдоль ствола, с временем пребывания всего 1-5 минут.Винтовые элементы сконфигурированы в зонах для плавления или питания, реакция, катализатор убивает и вентиляции, так что весь путь проходит в одной машине. преимущества являются драматическими для высокой молекулярной массы жвачки и для высокой вязкости соединений,и короткий срок пребывания ограничивает тепловое разложениеОграничения заключаются в капитальных затратах, навыках, необходимых для проектирования и эксплуатации профиля винта, и сложности очистки между несовместимыми сортами.
• Правила масштабирования и пилотные требования:Увеличение объема силикона регулируется тремя величинами, которые не масштабируются линейно с объемом.так что партия, которая охлаждается за час в 100 л пилот может занять четыре часа в 10 м3 реакторПоэтому пилот должен соответствовать геометрии теплопередачи производства, а не только объему.и в ламинарном режиме количество оборотов, требуемых для однородности, примерно постоянное.Таким образом, большое судно нуждается в геометрически аналогичном винтере с пропорциональной скоростью, которая быстро достигает пределов крутящего момента и вала.расстояние, на которое летучая молекула должна диффузироваться, прежде чем достичь свободной поверхности, увеличивается, поэтому деволатилизация является шагом, который чаще всего не предсказывается при масштабировании.Вместо того, чтобы делать вывод из испытаний реактора.

Сравнительная матрица конфигураций силиконовых реакторов

Часто задаваемые вопросы (FAQ)