книги из ГПНТБ / Разделение смесей кремнийорганических соединений

гл. Ill) или азеотропную ректификацию с ацетонитрилом [3281, образующим расслаивающиеся азеотропные смеси с обоими компонентами. Характеристики этих смесей приведены в

табл. III.9.

Т а б л и ц а III.9. Составы и температуры кипения азеотропных смесей ТМХС и ЧХК с нитрилами органических кислот

Разность температур кипения образующихся азеотропов со­ ставляет 6,9 °С. При небольшом избытке ацетонитрила по срав­ нению с его содержанием в азеотропе с четыреххлористым крем­ нием можно выделить почти чистый триметилхлорсилан. Другим преимуществом является способность азеотропной смеси ЧХК — ацетонитрил расслаиваться в диапазоне концентраций ЧХК от 20 до 80 мол.% с образованием двух слоев. Массовое соотношение слоев при 20 °С примерно 9 :1 . Верхний слой состоит из 70% ацетонитрила и 30% ЧХК, нижний — из 97% ЧХК и 3% ацето­ нитрила. Это дает возможность выделить четыреххлористый кремний из нижнего слоя.

Наличие в азеотропной смеси ЧХК — ацетонитрил низкокипящих примесей метилхлорсиланов (ТХС, ДМХС, МДХС и т. д.), содержание которых превышает 0,2%, приводит к ухудшению ее расслаивания. Поэтому техническую азеотропную смесь подвер­ гают очистке от низко- и высококипящих примесей.

Принципиальная технологическая схема разделения азео­ тропной смеси, приведенная на рис. II1-7, состоит из трех рек­ тификационных колонн. В первой колонне от азеотропной смеси ЧХК — ТМХС отделяют низко- и высококипящие примеси ме­ тилхлорсиланов, во второй получают ТМХС, в третьей — ЧХК. Остальные потоки либо являются возвратными, либо направля­ ются на разделение совместно с другими метилхлорсиланами. Добавляемый ацетонитрил составляет 12% от массы ЧХК в ис­ ходной азеотропной смеси.

При ректификации выделяют три фракции. Первую, пред­ ставляющую собой азеотроп ЧХК с ацетонитрилом, отбирают в интервале температур 49—50 °С в виде па овой фазы, конденси-

96

р уют в аппарате 15 и направляют во флорентийский сосуд 8 для расслаивания. Верхний слой, состоящий из 70% ацетонитри­ ла и 30% ЧХК, добавляют к азеотропу ЧХК — ТМХС, а ниж­ ний используют для последующего выделения ЧХКВторую фракцию, состоящую из ЧХК, ТМХС и ацетонитрила и являю­ щуюся промежуточной, возвращают на повторную ректифика­ цию, объединяя с верхним слоем первой фракции. Третью фрак­

ный ЧХК содержит 1,5—5% триметилхлорсилана и до 0,5% ацетонитрила.

Рис. II1-7. Принципиальная схема периодического разделения азеотропной смеси ТМХС — ЧХК с помощью ацетонитрила:

/ — товарные продукты; I I — возвратные потоки низко- и высококипящих метилхлорсиланов; I I I — кубовые остатки; 1 — колонна для очистки технической азеотропной сме­ си; 2 — колонна для выделения товарного ТМХС; 3 — колонна для выделения товарного ЧХК; 4 — емкость для технической азеотропной смеси; 5 — емкость для ацетонитрила;

Основные технологические параметры периодического про­ цесса разделения азеотропной смеси ЧХК — ТМХС в присутст­ вии ацетонитрила приведены в табл. ШЛО.

Разделение азеотропной смеси можно проводить также по не­ прерывной схеме, приведенной на рис. III-8.

Первые две колонны 1 и 2 служат для очистки технической азеотропной смеси от низко- и высококипящих примесей, возвра­ щаемых на ректификацию вместе с сырцом метилхлорсиланов.

Очищенная азеотропная смесь и ацетонитрил поступают в среднюю часть колонны 3. Кубовая жидкость этой колонны, со­ стоящая в основном из ТМХС, небольшого количества ацетонит­ рила (около 1 %), высококипящих примесей, содержавшихся в ацетонитриле (4—6%), продуктов гидролиза (гексаметилдисил-

Рис. III-8. Принципиальная схема непрерывной азеотропной ректификации ТМХС и ЧХК в присутствии ацетонитрила:

низкокипящих примесей; 2 — колонна для выделения чистой азеотропной смеси ЧХК —

98

Основные технологические параметры процесса непрерывной ректификации и характеристики колонн приведены в табл. III. 11 Процесс азеотропной ректификации смеси ЧХК — ТМХС в при­ сутствии ацетонитрила подробно изучен в работах [100, 102, 427]. Наибольшую трудность для разделения представляет область низких концентраций ТМХС.

Та б л и ц а III.11. Основные параметры процесса

непрерывной ректификации азеотропа ЧХК—ТМХС

вприсутствии ацетонитрила и характеристики колонн

Несмотря на простоту аппаратурного оформления, процесс азеотропной ректификации пока не нашел применения в про­ мышленности из-за сильной коррозионной активности среды по отношению к обычным конструкционным сталям. Коррозия со­ провождается образованием осадка, который забивает насадку и другие контактные устройства, а также затрудняет работу теплообменной и конденсационной аппаратуры.

Разделение смесей метилхлорсиланов с помощью экстрактивных агентов

Для разделения бинарных смесей МТХС — ДМДХС и ЧХК — ТМХС был предложен метод экстрактивной ректификации, осно­ ванный на изменении движущей силы процесса в присутствии специально подобранных веществ: динитрилов карбоновых кис­ лот [354], галоидпроизводных углеводородов, карбонатов, про­ стых и сложных эфиров или кремнийорганических соединений

[208—210, 295, 355].

Поскольку эффективность предложенных экстрактивных аген­ тов невелика и вследствие того что для разделения указанных смесей необходима достаточно эффективная аппаратура, метод экстрактивной ректификации метилхлорсиланов пока еще не получил промышленного развития.

ХИМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ОЧИСТКИ МЕТИЛХЛОРСИЛАНОВ

Удаление органических примесей

В тех случаях когда смесь метилхлорсиланов содержит зна­ чительное количество органических примесей, мешающих выде­ лению чистого ДМХС, предложено перед ректификацией обраба­ тывать головные фракции метилхлорсиланов безводным хлори­ стым водородом [357]. Параметры такого процесса могут меняться в широких пределах в зависимости от условий, обеспечивающих образование смеси, содержащей не менее 0,01 части ИС1 на 1 часть метилхлорсиланов. Жидкие метилхлорсиланы, свободные от при­ месей углеводородов, подвергают дальнейшей ректификации с целью выделения ДМХС и других мономеров.

Химические способы очистки диметилдихлорсилана

Для получения полиорганосилоксановых жидкостей и кау­ чуков необходим диметилдихлорсилан, содержащий не более десятых, а иногда и сотых долей процента примесей других ме­ тилхлорсиланов, главным образом МТХС и ЭДХС. Температура кипения первого из них на 3,9 °С ниже, а второго примерно на 5 °С выше температуры кипения ДМДХС. Поэтому наряду с рек­ тификацией существенное значение приобретают химические спо­ собы очистки ДМДХС.

Химические методы очистки могут быть основаны на превра­ щении всех компонентов смеси в легкоразделяемые соединения, на избирательности реакций примесей, либо на разнице в ско­ ростях реакций органохлорсиланов различной функциональ­ ности. Обычно эти методы применяют для удаления примесей, содержание которых не превышает 5% (при более высоком со­ держании непропорционально увеличиваются потери основного продукта).

Очистка с предварительным превращением компонентов в легокоразделяемые соединения. Метод основан на полном прев­ ращении всех компонентов смеси в соответствующие фторпроизводные [330, 412], эфиры [314, 488, 559] или метилсилилацетаты, имеющие значительно различающиеся температуры кипения.

Метилхлорсиланы переводят в соответствующие фторпроизводные путем взаимодействия с безводным фтористым цинком.

100

Температуры кипения получаемых соединений более значитель­

но отличаются одна от другой по сравнению с исходными метилхлорсиланами:

Вследствие этого они могут быть разделены ректификацией. Недостаток указанного метода состоит в его многостадийности

исильной агрессивности фтористого водорода, выделяющегося при гидролизе фторпроизводных органосиланов, являющемся: составной частью производства полисилоксановых масел.

Разделение органохлорсиланов путем перевода в эфиры за­ ключается в обработке смеси при определенных условиях без­ водными алифатическими спиртами, предпочтительно пропанолом

ибутанолом.

Врезультате все органохлорсиланы образуют полностью за­ мещенные эфиры, которые легко разделить ректификацией в колоннах невысокой эффективности (4—5 теоретических таре­ лок) при флегмовом числе, равном 4—5. Температуры кипения

этих эфиров приведены в табл. III. 12.

Т а б л и ц а 111.12. Температуры кипения метилалкоксисиланов

Этерификация метилхлорсиланов пропиловым и бутиловым спиртами дает выход эфиров, составляющий 70—80% от теоре­ тического. После разделения эфиры можно вновь перевести в

101

органохлорсиланы действием хлорангидридов органических кислот

иполучить таким способом довольно чистые метилхлорсиланы. При обработке смеси органохлорсиланов фенолом также обра-

небольших количеств полярных солей А1C13 и FeCl3 феноксипроизводные способны вступать в реакцию обмена с алкилхлорсиланами, отдавая феноксигруппу и получая хлор [488]. Это позво­ ляет осуществить непосредственное получение необходимых ор­ ганохлорсиланов.

Недостатками большинства предложенных химических мето­ дов очистки являются: во-первых, потребность применения ва­ куумной дистилляции и более высокотемпературного теплоноси­ теля, так как температуры кипения эфиров и метилсилилацетатов значительно выше температур кипения исходных хлорсиланов, и, во-вторых, необходимость регенерации выделенных производных в соответствующие хлорсиланы.

Очистка, основанная на избирательности реакций примесей.

В то время как МТХС избирательно реагирует, образуя высоко­ кипящие соединения, ДМДХС практически не вступает в реакции и может быть выделен посредством дистилляции или ректифика­ ции. Для этой цели применяют обработку смесей метилхлорсиланов диметилдиацетоксисиланом [320, 638], метилформамидом и диметилформамидом [347], гидроокисями щелочных металлов [339] и окисью три(диметиламино)фосфина [359].

Обработка смесей МТХС — ДДХС диметилдиацетоксисила­ ном основана на замещении атомов хлора в МТХС на ацетоксигруппу с образованием высококипящего соединения. ДМДХС в реакцию не вступает; в результате обменной реакции образует­ ся дополнительное количество ДМДХС по схеме

2CH3SiCl3 + 3(CH3)2Si(OOCCH3)2 ----->- 2CH3Si(ООССН3)3 + 3(CH3)2SiCI2

Рекомендуется брать Диметилдиацетоксисилан с небольшим избытком против стехиометрического по отношению к МТХС. Катализатором реакции является этаноламинтриацетат. Диметилдихлорсилан из смеси выделяют ректификацией.

При разделении МТХС и ДМДХС с помощью формамида или диметилформамида используется способность МТХС к образова­ нию с указанными амидами нелетучих кристаллических ком­ плексных соединений, имеющих общую формулу вида

R„SiCl4_n-mHCON(R')2 (где п — число радикалов R, т — 2,

3, 4), в то время как ДМДХС таких комплексов не образует.

В качестве комплексообразующего агента, который регенери­ руется в процессе последующего разделения, предложено исполь­ зовать окись три(диметиламино)фосфина [359], образующего ком­ плексное соединение RSiCl3-20 =Р[—N(CH3)2]3. Реакция про­ текает в среде инертного растворителя (гексан, гептан, октан,

102

изооктан, циклогексан, петролейный эфир, циклопентан, метилциклогексан) в течение 1—3 ч при температурах от —30 до 20 °С, при которых устойчив образующийся комплекс. Кристалличе­ ский осадок отфильтровывают после охлаждения. Фильтрат на­ правляют в ректификационную колонну, где выделяется очищен­ ный ДМДХС. Осадок разлагают при нагревании на МТХС и фос­ фин, который возвращают в цикл. Процесс многостадийный, так как при однократной обработке не удается полностью разделить смесь хлорсиланов.

Применение гидроокисей щелочных металлов для разделения хлорсиланов основано на том, что высокохлорированные органо­ силаны образуют соли, в то время как диорганодихлорсиланы остаются без изменения и могут быть выделены из раствора ди­ стилляцией. Недостаток этого метода заключается в низком вы­ ходе чистого продукта и в том, что образующиеся соединения не находят применения.

Способы, основанные на неодинаковых скоростях реакций органохлорсиланов различной функциональности. Относительная

сколько порядков превышает скорость гидролиза диорганодихлорсиланов 1356], это видно из следующих данных:

Данное свойство использовано в способах разделения смеси МТХС — ДМДХС [323], сущность которых состоит в гидролизе смеси раствором воды в органическом растворителе, растворяю­ щем как воду, так и хлорсиланы. В этих условиях ДМДХС почти не гидролизуется. Лучшие выходы ДМДХС получают при тем­ пературе гидролиза от —40 до 30 °С. При более высоких темпера­ турах возрастает скорость реакции гидролиза диорганодихлорсилана и выход его уменьшается.

Другой способ разделения [351] основан на том, что скорости взаимодействия хлорсиланов со спиртами неодинаковы. Чем больше содержание галогена в органохлорсилане, тем выше ско­ рость реакции. Для частичной этерификации применяют следую­ щие спирты: н-бутанол, вторичный бутанол, кротиловый, бутан- диол-1,3, бутандиол-1,4. Изобутанол и гександиол-2,5 дают худ­ шие результаты.

Однократное взаимодействие спирта с хлорсилановой смесью обеспечивает чистоту ДМДХС, выделяемого при последующей

103

ректификации, составляющую 99,5—99,7%. Средний выход ДМДХС равен 80% от его содержания в исходной смеси.

Способы отделения этилдихлорсилана. Очистка ДМДХС от этилдихлорсилана основана на окислении по связи Si—Н [310,353] с последующим переводом полученного продукта в соединение с высокой температурой кипения. Метод очистки от водородсо­ держащего компонента с помощью окисляющих агентов, таких, как хромилхлорид, перманганилхлорид, хлорид ртути, окись серебра, окись ртути и др., и последующей обработки полученного кремнийорганического соединения ортофосфорной кислотой ре­ комендуют применять при концентрации водородсодержащего не более 0,5%, а ТХС и ЧХК — не более 0,2%. При большем со­ держании примесей выход ДМДХС падает [353].

Известен метод каталитического окисления этилдихлорсилана перманганатом калия (не более 2%) в присутствии смеси триэтиламина и однохлористой меди (не более 2%), платинохлористово­ дородной кислоты (не более 0,44%), или перекисью бензоила при нагревании до 60—80 °С в течение 4 ч [310]. ДМДХС выделяют из окисленной смеси ректификацией. Концентрация ЭДХС умень­ шается приблизительно на порядок. Выход ДМДХС составляет 80—85% от его содержания в исходной смеси.

В одном из патентов [370] в качестве окислителя предлагается применять галогены (хлор или бром), которые переводят водород­ содержащие органохлорсиланы в более высокогалоидированные соединения, а полученную смесь метилхлорсиланов без допол­ нительного разделения использовать для производства полиме­ ров.

Недостаток предложенного способа очистки состоит в том, что наличие водородсодержащей примеси, переведенной в высокогалоидированное соединение и оставшейся в растворе в виде трифункционального хлорсилана, а также присутствие элементарного хлора не позволяют использовать смесь для получения силоксановых полимеров методом поликонденсации. Трифункциональные примеси снижают физико-механические показатели и термо­ стойкость силоксановых полимеров, а присутствие хлора вызы­ вает коррозию аппаратуры.

Эти недостатки устранены в другом способе очистки [307], сущность которого состоит в том, что исходный ДМДХС с приме­ сями водородсодержащих хлорсиланов обрабатывают газооб­ разным хлором при пониженной температуре (0 °С) и выдержи­ вают при комнатной температуре. Для удаления избытка хлора полученную смесь подвергают взаимодействию (при комнатной температуре) с непредельными органохлорсиланами, например с метилвинилдихлорсиланом или кубовым остатком ректификации метилвинилдихлорсилана, содержащими винильные группы в мольном соотношении С12: МВДХС = 1 : т (где т — 2, 3, 4). Затем проводят выделение диорганодихлорсилана из реакцион­ ной смеси путем ректификации.

104

В отечественной промышленности химические способы счистки ДМДХС не нашли применения. Чистый ДМДХС выделяют с по­ мощью высокоэффективных ректификационных колонн.

Очистка триметилхлорсилана от четыреххлористого кремния

Химические методы переработки азеотропной смеси. Выде­ лить ТМХС из азеотропной смеси можно полным или частичным гидролизом смеси. Методы полного гидролиза предусматривают перевод ТМХС в гексаметилдисилоксан (ГМДС) путем обработки азеотропной смеси большими объемами воды с последующим промыванием продукта гидролиза 50%-ным раствором едкого натра [317, 337, 362].

Из масляного слоя ГМДС и тетракистриметилсилоксисилан выделяют дистилляцией. Выход ГМДС составляет 51 %. Недостат­ ком метода является образование тяжелого геля, который труд­ но поддается обработке раствором едкого натра и переходит в жидкое состояние. Для повышения выхода ГМДС и замедления образования геля гидролиз азеотропной смеси можно проводить водным раствором едкого натра (20—30%) [429]. При этом моль­ ное соотношение ионов натрия и хлора в начале образования геля двуокиси кремния должно составлять 2,2—2,3. Максимальный выход ГМДС достигает 70—80%.

Гидролиз азеотропной смеси можно проводить в органиче­ ском растворителе [360]. Для выделения ГМДС из продукта гид­ ролиза применяют дистилляцию в присутствии водяного пара. Выход ГМДС составляет 65—70%.

Методы частичного гидролиза основаны на неодинаковых ско­ ростях гидролиза органохлорсиланов различной функциональ­ ности [323, 356, 366].

Для осуществления эффективного гидролиза полифункциональных примесей необходимы гомогенные условия, которые создаются в присутствии растворителя — диоксана, тетрагидрофурана и др. Реакцию гидролиза проводят путем медленного добавления воды в растворителе к смеси хлорсиланов; темпера­ тура раствора находится в интервале от —40 до 30 °С. Иногда для лучшей гомогенизации исходную смесь хлорсиланов предва­ рительно смешивают с растворителем. Количество воды, необхо­ димое для гидролиза, равно 0,2—0,9 моля на каждую связь Si—Cl в ЧХК или МТХС. Количество растворителя может со­ ставлять от 1,14 до 50 молей на моль воды. Выход ТМХС состав­ ляет примерно 80—85%. Содержание полифункциональных при­ месей в ТМХС, полученном после дистилляции его из продукта реакции, достигает 1—5%.

Разделить азеотропную смесь, содержащую ЧХК, можно также путем обработки ее соединениями, образующими с ЧХК твердые комплексы.

105