CN103183829A - 用于有机氯硅烷浓酸水解的浓酸水解系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于有机氯硅烷浓酸水解的浓酸水解系统，以分散液膜式解析塔为核心，还包括附属设备：静态混合器、油水相分离器、降膜蒸发器。所述解析塔包括外壳，所述解析塔在上封头和外筒体之间固定安装有液体分布板，液体分布板上面为防溅丝网，液体分布板下面为整齐排列的成膜板，成膜板为水平支撑，共3～10层，成模板与水平面的夹角为15～75度，层与层之间，成膜板错向排列。本发明的通过合适的反应压力（0.1～0.5MPa表压）使得水解产生的HCl气体有足够的压力。利用分散液膜式解析塔将有机相和水相成膜状接触，使水解反应完全，并且没有乳化现象。利用相分离器迅速将水解物与浓盐酸分离，避免水解物在酸催化下聚合，提高水解物的品质。
Description
技术领域
本发明涉及有机硅生产技术领域，尤其涉及硅氧烷生产用浓酸水解反应系统的改进和创新。
背景技术
有机氯硅烷通过水解和缩聚转变为线性或环状结构的中间体低聚有机硅氧烷，是合成硅油、硅橡胶、硅树脂的基础。尤其是二甲基二氯硅烷（以下简称二甲）被公认为用于这种水解及缩合反应最佳的有机氯硅烷。
通常用于二甲水解的工艺方法有恒沸酸水解和浓酸水解，无论对于哪一种水解方法来说，都存在着水解是否完全以及如何解决反应热效应的问题。在恒沸酸水解的过程中，由于生成物氯化氢溶解于稀酸中，放出大量的热，为使反应温度保持在工艺条件要求之内，需将热量移出，因此通常选用列管换热式的反应器。由于二甲在该反应器中不易与酸相均匀混合且停留时间短，因此二甲的水解反应不完全，后处理困难，使得整个工艺流程复杂而且操作费用增加；另外在HCl解析过程中解析温度高使得酸中的硅氧烷发生聚合，而在设备内壁和管路中产生结皮现象，造成设备报废和管路堵塞。
由于浓酸水解的热效应不高，因此水解反应器的种类比较多。美国专利US5476916A使用的水解反应器是环形循环反应器，反应产生的HCl气体直接通过反应器的管路排出，水解反应时间较短。HCl以气体的形式直接排出会带出部分有机氯硅烷，使得HCl收率低和纯度不高。停留时间较短使得水解不够完全，水解物含有大量带有Cl末端的环状和直链聚二甲基硅氧烷。
中国专利CN101323666A使用了填料塔作为水解反应器，增加了反应停留时间，水解反应较为完全，但不能避免有机硅氧烷会在填料表面或在填料缝隙之间聚合。在该设备中HCl气体直接由塔顶排出，同样会带出部分有机物。
美国专利US4609751描述了采用静态混合器进行浓酸水解的反应系统，由于采用等当量水的水解方式，水解不完全。并且在静态混合器中混合反应造成了较严重的乳化现象。中国专利CN9311087为克服反应过程中的乳化现象，在水解时加入了少量的烷基磺酸碱金属盐类的阴离子表面活性剂。虽然克服了乳化现象，但不能得到气态HCl。美国专利US4497942也采用了静态混合器和三相分离器作为水解系统，HCl气体在分离槽顶部排出。分离出的盐酸返回静态混合器。缺点同上。
美国专利US5252767和US6225490采用了搅拌釜式的反应器，HCl气体直接从釜的顶部排出。由于搅拌釜式的反应器效率低，为达到足够的反应时间，必须加大容量，不利于连续工艺的上产，而且操作弹性小，液体容易乳化。
上述的专利虽然可以直接得到气相HCl，但从实施例来看，HCl气体的压力比较低，不宜直接用于合成氯代烷烃（CN1108267A描述了HCl气体压力的重要性）。
综合上述专利评述可知，设计合理的连续有机氯硅烷水解系统是必须的，该系统应可以获得具有足够压力的HCl气体，并且该系统应尽可能减少乳化现象的发生，使有机相与酸相易于分离，有足够的停留时间使得反应完全，能够稳定地操作和控制。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种有机氯硅烷的浓酸水解系统。其工艺流程及设备结构合理，有合适的停留时间保证水解反应完全，没有明显的乳化现象，并且可以产生具有较高压力的HCl气体，进而有利于提高水解物和HCl气体的质量。HCl解析塔内壁不易结皮且管路不易堵塞。
为了达到上述目的，本发明提供一种用于有机氯硅烷浓酸水解的浓酸水解系统，包括分散液膜式解析塔，还包括静态混合器、粗分离器、降膜蒸发器。所述解析塔包括外壳，所述外壳为带有支座、上封头下椎体、法兰、外筒体以及由紧固件连为一体并密封；在所述外壳内还包括内筒体；所述解析塔的顶部开有进液口，底部开有出液口，出气口开在外筒体的侧向；在上封头和外筒体之间固定安装有液体分布板，液体分布板上面为防溅丝网，液体分布板下面为整齐排列的成膜板，成膜板为水平支撑，共3～10层，成模板与水平面的夹角为15～75度，层与层之间，成膜板错向排列；所有成膜板都安装在内筒体之中，内筒体与外筒体之间形成环隙作为气体的导流通路。
进一步，所述的分散液膜式解析塔，所述出气口为均布的三管口式结构，进液口开在顶部封头的中心位置，出液口开在下椎体下部的中心位置。
一种可实施的方案是：所述静态混合器上分别设置有二甲进口和浓酸进口，其出口连接所述分散液膜式解析塔；所述分散液膜式解析塔的出液口后连接所述粗分离器，经粗分离器分离后的氯化氢进入后续的降膜蒸发器，蒸发后得到的氯化氢气体经HCl出口排出，底部浓缩得到的盐酸溶液经管道接入静态混合器的浓酸进口以循环利用；粗分离器分离得到的水解物经水解物出口排出。
当利用所述的浓酸水解系统进行有机氯硅烷浓酸水解时，首先，将大量的常态下的浓盐酸与有机氯硅烷在静态混合器中混合，使盐酸中的水与有机氯硅烷的摩尔比为5～20：1，压力维持在0.1～0.5MPa，停留时间为1～2s，温度为20～50°C；盐酸和有机氯硅烷混合后，从塔顶引入分散液膜式解析塔，混合液进入解析塔后，沿着成膜板壁成膜流动，停留时间为60～180s，压力维持在表压0.1～0.5MPa；当水解反应完成后，水解物引入到降膜蒸发器中，产生高压的HCl气体。其中所述的浓盐酸为质量百分比35～45%的盐酸。
本发明的浓酸水解系统以分散液膜式解析塔为核心，还包括附属设备：静态混合器、油水相分离器、降膜蒸发器。通过合适的反应压力（0.1～0.5MPa表压）使得水解产生的HCl气体有足够的压力。利用分散液膜式解析塔将有机相和水相成膜状接触，使水解反应完全，并且没有乳化现象。而且可利用相分离器迅速将水解物与浓盐酸分离，避免水解物在酸催化下聚合，提高水解物的品质。
混合液经过液体分布装置后，即沿着成膜板壁呈膜状流动。一方面增加有机相和水相的接触面积，加快反应速度，使有机氯硅烷充分水解，另一方面由于没有强烈的搅拌作用，使得混合液体不发生乳化现象，使其进入粗分离器后能够迅速分离成有机相和水相。
操作压力下，生成的HCl溶解在循环酸中，整个体系几乎不存在HCl气体。
本发明的工艺流程合理，有合适的停留时间保证水解反应完全，没有明显的乳化现象，并且可以产生具有较高压力的HCl气体，进而有利于提高水解物和HCl气体的质量。由于HCl解析塔内的操作温度不高，因此内壁不易结皮且管路不易堵塞。可广泛应用在有机氯硅烷的水解工艺中。
本发明的分散液膜式解析塔结构合理，塔器中设有多层成膜板，液体在成膜板上分散成膜状流动，增大了油相和水相的接触面积，促使氯硅烷水解反应完全。液体在成膜板上形成液膜，避免乳化现象的发生，有利于油水两相的快速分离，避免水解物在酸催化下聚合。当氯硅烷的水解反应使液体中的氯化氢饱和后，产生的氯化氢气体经由环隙后排出，有效的减少了雾沫夹带。
附图说明
图1为本发明分散液膜式解析塔的结构示意图，其中1：进液口；2：液体分布板；3：除沫器；4：出气口；5：成膜板；6：人孔；7：出液口；
图2为分散液膜式解析塔的俯视图；
图3为分散液膜式解析塔的成膜板5排列的局部放大图；
图4为本发明的有机氯硅烷浓酸水解系统流程图，其中8：静态混合器；9：分散液膜式反应器；10：粗分离器；11：降膜蒸发器；12：HCl出口；13：二甲进口；14：浓酸进口；15：水解物出口。
具体实施方式
为进一步说明本发明，结合以下实施例具体说明：
实施例1：
一种用于有机氯硅烷浓酸水解的分散液膜式解析塔，如图1-3所示，包括外壳，外壳为带有支座、上封头下椎体、法兰、外筒体以及由紧固件连为一体并密封；在外壳内还包括内筒体；解析塔的顶部开有进液口1，底部开有出液口7，出气口4开在外筒体的侧向；在上封头和外筒体之间固定安装有液体分布板2，液体分布板2上面为防溅丝网，液体分布板2下面为整齐排列的成膜板5，成膜板为水平支撑，共3～10层，成模板5与水平面的夹角为15～75度，层与层之间，成膜板错向排列；所有成膜板5都安装在内筒体之中，内筒体与外筒体之间形成环隙作为气体的导流通路。
出气口4为均布的三管口式结构，进液口1开在顶部封头的中心位置，出液口7开在下椎体下部的中心位置。
实施例2：
一种用于有机氯硅烷浓酸水解的浓酸水解系统，如图4所示，包括实施例1的分散液膜式解析塔9，还包括静态混合器8、粗分离器10、降膜蒸发器14。静态混合器8上分别设置有二甲进口13和浓酸进口14，其出口连接分散液膜式解析塔9；分散液膜式解析塔9的出液口后连接粗分离器10，经粗分离器分离后的氯化氢进入后续的降膜蒸发器11，蒸发后得到的氯化氢气体经HCl出口12排出，底部浓缩得到的盐酸溶液经管道接入静态混合器8的浓酸进口14以循环利用；粗分离器10分离得到的水解物经水解物出口15排出。
使用时，包括以下步骤：
1、首先，将大量的常态下的浓盐酸（HCl质量分数在35%以上）与有机氯硅烷在静态混合器中混合，盐酸中的水与有机氯硅烷的摩尔比为15：1，压力维持在0.3MPa（表压），停留时间为2s，温度为40℃。
2、盐酸和有机氯硅烷混合后，即从塔顶引入分散液膜式解析塔。混合液体在塔器的成膜板上成膜状接触并向下流动，停留时间为120s；压力维持在0.3MPa（表压）；由于没有强烈的搅拌作用，使得混合液体不发生乳化现象，使其进入粗分离器后能够迅速分离成有机相和水相，避免酸催化水解物的聚合。压力维持在0.3MPa（表压），该压力能使有机氯硅烷水解后生成的HCl都溶解在循环酸中，整个体系不存在HCl气体，避免有机氯硅烷扩散到气体中，随气体带走，使得后续工艺中可以产生高纯度的HCl气体。
3、当水解反应完成后，混合液体进入相分离器进行油酸两相的迅速分离，分离的油相送入下面水洗工序中，酸相引入到降膜蒸发器中；
4、在降膜蒸发器中，浓盐酸（39%～45%）经过加热产生高压的HCl气体，加热温度50～100℃，压力为0.2～0.5MPa（表压）。HCl气体送入三级串联冷冻设备。塔底的酸液（35%～38%）送入分散液膜式解析塔中作为水解原料循环使用。
5、采用大量酸循环的作用是增大有机氯硅烷与水的接触机会，并且保持反应体系中温度和酸的浓度仅有较小的变化幅度。
6、将分散液膜式解析塔和粗分离器直接连接，可以最大限度降低水解物和酸的接触时间，避免水解物的进一步聚合，提高了水解物的品质。
分散液膜式解析塔结构合理，塔器中设有多层成膜板，液体在成膜板上分散成膜，增大了油相和水相的接触面积，如图1所示。物料由液体入口进入解析塔，流经防溅丝网，经液体分布器分布后均匀地喷淋到成膜板上，在成膜板上物料中各组分完成反应和聚集，层模板与水平面的夹角30度。经过4层成膜板后液相直接向下经液体出口流出，气相则通过内筒体和外筒体的间隙，由气体出口排出。
防溅丝网可有效地减轻塔内的液溅，减小由进料物流引起的液位波动，达到优化液体分布的作用。
液体分布器的设置减轻了液体的不良分布，使进料物流均匀地喷淋到成膜板上，从而使液体在成膜板上均匀成膜。
分散液膜式解析塔中设有多层成膜板，液体在成膜板上分散成膜，加大了油相和水相的接触面积，促使水解反应完全，避免乳化。
设置内筒体可在内筒体和外筒体之间形成环隙，使反应解析出的气相经由环隙从气体出口排出，达到对气相导流的作用，减小雾沫夹带。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种用于有机氯硅烷浓酸水解的浓酸水解系统，其特征在于：包括分散液膜式解析塔（9），还包括静态混合器（8）、粗分离器（10）、降膜蒸发器（11）；所述解析塔包括外壳，所述外壳为带有支座、上封头下椎体、法兰、外筒体以及由紧固件连为一体并密封；在所述外壳内还包括内筒体；所述解析塔的顶部开有进液口（1），底部开有出液口（7），出气口（4）开在外筒体的侧向；在上封头和外筒体之间固定安装有液体分布板（2），液体分布板（2）上面为防溅丝网，液体分布板（2）下面为整齐排列的成膜板（5），成膜板为水平支撑，共3～10层，成模板（5）与水平面的夹角为15～75度，层与层之间，成膜板错向排列；所有成膜板（5）都安装在内筒体之中，内筒体与外筒体之间形成环隙作为气体的导流通路；所述出气口（4）为均布的三管口式结构，进液口（1）开在顶部封头的中心位置，出液口（7）开在下椎体下部的中心位置。
2.根据权利要求1所述的浓酸水解系统，其特征在于：所述静态混合器（8）上分别设置有二甲进口（13）和浓酸进口（14），其出口连接所述分散液膜式解析塔（9）；所述分散液膜式解析塔的出液口后连接所述粗分离器（10），经粗分离器分离后的氯化氢进入后续的降膜蒸发器（11），蒸发后得到的氯化氢气体经HCl出口（12）排出，底部浓缩得到的盐酸溶液经管道接入静态混合器的浓酸进口以循环利用；粗分离器分离得到的水解物经水解物出口（15）排出。
3.利用权利要求1或2所述的浓酸水解系统进行有机氯硅烷浓酸水解的方法，其特征在于：首先，将大量的常态下的浓盐酸与有机氯硅烷在静态混合器中混合，使盐酸中的水与有机氯硅烷的摩尔比为5～20：1，压力维持在0.1～0.5MPa，停留时间为1～2s，温度为20～50°C；盐酸和有机氯硅烷混合后，从塔顶引入分散液膜式解析塔，混合液进入解析塔后，沿着成膜板壁成膜流动，停留时间为60～180s，压力维持在表压0.1～0.5MPa；当水解反应完成后，水解物引入到降膜蒸发器中，产生高压的HCl气体。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的浓盐酸为质量百分比35～45%的盐酸。
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