CN105143236A - 在塔中酯化硅卤素化合物的方法和适用于此的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在单塔(1)中用式II的醇连续酯化式I的卤代硅烷以产生式III的硅烷酯的方法:R1 aSiHalb(I),R2-(OH)(II),R1 aSi-(OR2)b(III),该方法的特征是下述步骤:i)?将卤代硅烷(I)以液体形式送入塔(1)的上三分之一部分[管线(6)],ii)将大部分的醇(II)以液体形式送入塔(1)的上三分之一部分[管线(7)],iii)将剩余量的醇(II)以液体形式送入塔(1)的下三分之一部分[经管线(8)]。经顶部引出反应中形成的氯化氢,从塔的底部引出酯化产物。本发明还涉及具有下述特征的用于连续酯化卤代硅烷的塔(1):如上所述的管线(6)、(7)和(8)。此外在塔的下三分之一部分的循环蒸发器(3),以及用于经塔的顶部除去卤化氢的管线(8),和用于从底部引出酯化产物的管线(10)。
Description
本发明涉及在单反应性蒸馏塔中连续制备(有机)硅烷酯或硅酸酯的改进的方法和适用于此的塔。
由EP0107765A2已知氯硅烷与醇在反应器和与其相连的塔的组合中生成烷氧基硅烷的反应。
EP0924215A2描述了通过借助反应性萃取使有机卤代硅烷与醇反应来制备烷氧基硅烷的方法。为此,将有机卤代硅烷溶解在与醇不混溶的液体中,并使这两种液体互相接触。
EP0650968A1中描述了用于制备碱金属-烷基硅酸盐水溶液的连续方法。为此,在第一阶段中,在反应器中转化有机三氯硅烷和醇。在第二阶段中,使来自第一阶段的反应混合物在塔中进一步与另外的醇对流反应,在第三阶段中,使来自第二阶段的酯化产物在混合反应器中与碱金属氢氧化物溶液反应以产生最终产物。
由DE3000782A1已知用于制备具有SiOC基团的聚硅氧烷的连续方法。该方法包括氯硅烷与醇在带有回流冷凝器的塔中在升高的温度下反应。在其上游连接第一反应器,例如搅拌釜或管式反应器,在其中由反应物制造液体反应混合物。在塔顶引入这种混合物。此外在塔的下端引入气态醇,以完成与氯硅烷的反应。在塔的下端取出反应产物。
EP1205505A描述了用于制备有机烷氧基硅烷的连续方法。该方法以两个工艺阶段进行。第一工艺阶段可以在搅拌釜或反应塔中进行,而第二工艺阶段在以50至200℃的塔底温度运行的反应-蒸馏塔中进行。第一工艺阶段中的有机氯硅烷与醇和水的反应在0至150℃的温度下进行。从该系统中除去形成的氯化氢并在0.5至180分钟的平均停留时间后将形成的粗产物转移到第二工艺阶段中。
EP1686132A1描述了用于制备含SiOC的化合物,例如烷氧基硅烷或富含烷氧基的有机硅树脂的连续方法。在由塔构成的两个反应单元中进行该方法。在此,在第一塔的上游提供预反应器,在其中使氯硅烷与醇和任选与水反应以产生反应混合物,将其导入第一反应单元。
在卤代硅烷与醇的酯化中,如今通常使用双塔法,其中使用反应器塔和初馏塔。在反应器塔中,在中部送入氯硅烷和醇。经塔顶排出在这些化合物的反应中形成的氯化氢。利用冷凝器和泵从反应器塔的底部取出在该反应中获得的粗产物并送入初馏塔中。在那里重新加热该粗产物,另外送入新鲜醇,并从初馏塔的底部取出完全反应的粗产物。
有机卤代硅烷和醇在一个塔中完全反应也已经是已知的。DE2061189A中描述了连续制备烷氧基(聚)硅烷的方法。该方法包括氯硅烷与醇和任选的水在配有回流冷凝器保持在升高的温度下的塔中反应。在此,在塔顶送入氯硅烷并在塔的下三分之一送入蒸发的醇。在醇的进料点下方从塔中取出反应产物。如此调节塔内部中的温度,以在反应过程中在塔顶始终存在沸腾的过量醇。该塔因此通常在升高的温度下运行。该已知方法因此在相关醇的沸点以上运行。
最后,由DE3431839A1已知通过使烷基三卤代硅烷与醇反应制备三烷氧基硅烷的方法,其中将醇添加到保持在沸点温度或以上的三烷氧基硅烷中,且其中该反应混合物,至迟在反应快结束时,保持在塔蒸馏条件下,由此蒸馏出形成的氯化氢,然后分离烷基三烷氧基硅烷。该反应可以在反应器和下游塔的组合中进行,但也可以在单塔中进行。
相对于反应器和塔的组合,单塔酯化是非常有利的。节省反应器塔和初馏塔之间的泵以及该泵上游的产物冷却器。此外,节省了能量,因为在单塔酯化中粗产物不再需要中间冷却以致随后再将其加热。此外,投资成本当然也低于双塔或反应器塔酯化。
但是,迄今已知的单塔酯化仍需要改进。因此,已经证明,用气态醇酯化造成理论上可能的转化收率降低。实验还表明,醇的进料点和量影响该反应的选择性。现在已经发现在单塔中以高选择性进行该反应的酯化法。
本发明涉及在单塔(1)中用式II的醇连续酯化式I的卤代硅烷以产生式III的硅烷酯的方法
R1 aSiHalb(I)
R2-OH(II)
R1 aSi-(OR2)b(III)
其中R1是氢或一价有机基团,其中分子中的多个基团R1在所给定义的范围内可以是不同的,
Hal是卤素原子,分子中的多个Hal原子在所给定义的范围内可以是不同的,
R2也可以是一价有机基团,
a和b是0至4的整数且a和b的总和为4。
本发明的方法包含措施:
i)将反应所需的式I的卤代硅烷的总量以液体形式经管线(6)送入塔(1)的上三分之一部分,
ii)将反应所需的式II的醇的至少60重量%以液体形式经管线(7)送入塔(1)的上三分之一部分,
iii)将反应所需的式II的醇剩余量以液体形式经管线(8)送入塔(1)的下三分之一部分,
iv)在塔(1)的内部进行式I的卤代硅烷与式II的醇的反应以产生式III的硅烷酯,其中在管线(7)和管线(8)之间的塔(1)内部中的温度低于式II的醇的沸点温度,
v)经塔(1)的顶部引出反应中形成的氯化氢,和
vi)从塔(1)的底部引出反应中形成的式III的酯化产物。
在本发明的方法中,卤代硅烷和醇都以液体形式送入该塔。在该塔的上部,在相同高度但彼此分开地导入氯硅烷和醇。在该塔的下部,进行也以液体形式存在的醇的第二进料,以调节产物品质。上部中的醇量通常为70%-95重量%,下部中的醇量通常为5%-30重量%。
在本发明的方法中,卤代硅烷和醇基本以化学计算所需量送入。在塔顶,通常仅除去氯化氢,其通常被少量醇-气溶胶污染。与之前已知的单塔法相比,在本发明的方法中,塔中的温度分布明显不同。在本发明的方法中,在塔底存在最高为产物的沸点温度的高温,而在卤代硅烷和醇的进料点高度处,温度低于醇的沸点温度,由此醇至少在醇的进料点之间部分以液体形式存在。温度朝塔顶又升高并且最多可具有所用醇的沸点温度。
卤代硅烷与醇的酯化中迄今优选的实施方案之一是双塔酯化系统。在第一个塔中实现主要转化,而在第二个塔中使该转化完全。该方法提供高转化度和好的选择性(低的副产物和残留物含量),但装置复杂性和能量平衡非最佳。常用的另一酯化系统是用于主要转化的上游搅拌釜反应器和作为后反应器的下游塔的组合。尽管这一组合具有高时空收率的优点,但作为缺点可提及形成的产物产品品质较差,以致通常在下游连接有在真空下运行的第二精制塔。
现有酯化装置的缺点概括如下:
-高装置复杂性
-差的能量平衡,因为将粗产物冷却并再加热
-该设施的设置需要大的空间
-由于装置数较多,维护成本高
-较高的残留物比例,因此选择性较低
现在已经令人惊讶地发现,如果优化卤代硅烷和醇的进料点,则在单塔中也可以以高选择性进行该酯化反应。本发明的方法此外利用了单塔酯化的已知优点:
-明显降低的装置复杂性:与双塔酯化相比,取消了塔之间的连接管线、第一个塔的塔底物输出中的产物冷却器、第一个塔底部中的粗产物泵、第二个塔上的塔顶冷凝器、第二个塔上的循环蒸发器、第二个塔本身和第二个塔中的所有测量技术。
-改进的能量平衡:借助循环蒸发器,引入所需的所有能量。仅在一个塔中而不再在两个塔中存在热损失。取消了粗产物的冷却和在第二个塔中的再加热。在单塔酯化中,仅在塔底使用一个产物冷却器以在泵和下游储存容器的上游冷却产物。
-较低的维护成本:由于所用装置较少,维护成本明显降低。
-与双塔酯化相比,单塔酯化所需空间较小。
-单塔酯化中的调节回路较少。
-由于取消了冷却和再加热的工艺步骤,在单塔酯化中形成较少的残留物。
本发明的酯化反应可描述如下:
R1 nSiHal4-n+(4-n)R2OH→R1 nSi(OR2)4-n+(4-n)HHal
其中R1、R2和Hal各自具有上述定义且n是0至3的整数。
用醇酯化卤代硅烷,释放出气态氯化氢("HCl")。为了分离在醇和产物中易溶的HCl,必须提供传质表面,并且必须引入用于解吸HCl的热。
根据本发明,该反应在反应性蒸馏中进行。在此,同时进行该化学反应和HCl的物质分离。
根据本发明的一个特别优选的反应是乙烯基三氯硅烷与甲醇或与乙醇的反应以产生乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷。
R1可以是氢或一价有机基团。当该分子中存在多个基团R1时,这些基团在所给定义的范围内可以是不同的。
R2是一价有机基团。
该有机基团可以是直链或支链的烷基、烯基、环烷基、芳基、芳烷基和/或杂环基。这些可任选例如被烷基、烷氧基、羟基、氨基、卤素或硝基取代。在该烷基中,一个或彼此不直接相邻的多个碳原子可以被氧原子或硫原子或被亚氨基替代。
烷基可以是直链或支链的并通常具有1至20个碳原子。优选的是C1-C6-烷基。烷基的实例是甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基和正己基。优选的是甲基和乙基。取代烷基尤其可以是羟烷基,例如羟乙基、羟丙基和羟丁基。此外优选甲氧基乙基[CH3-O-(CH2)2-]或乙氧基甲基[CH3-CH2-O-CH2-],以及氨基乙基[H2N-(CH2)2-]作为用于R2的一价有机基团。
烯基可以是直链或支链的并通常具有2至20个碳原子。优选的是C2-C3-烯基。烯基可具有一个或多个双键。当存在多个双键时,它们至少被一个单键彼此分离。优选仅存在一个双键。其特别优选位于α位。烯基的实例是乙烯基和烯丙基。优选的是乙烯基。
环烷基通常具有5至8个环上的碳原子。优选的是具有6个环上的碳原子的环烷基。环烷基的实例是环戊基、环己基和环庚基。优选的是环己基。
芳基可以是单环或多环的。多环可经由单键或经由桥连基互相连接,例如经由-O-、-CO-或-CH2-基团。芳基的实例是苯基或萘基。优选的是苯基。
芳烷基是具有与亚烷基共价键合的芳基和在该亚烷基上具有连向该分子其余部分的键的一价有机基团。芳基的实例是上文列举的。亚烷基可以是直链或支链的并通常具有1至20个碳原子。优选的是具有C1-C6-亚烷基的芳烷基。芳烷基的一个实例是苄基。
杂环基是在环中具有杂原子,例如氧-、硫-或氮原子的环状有机基团。杂环基通常具有5至8个环原子,其中通常1至3个环原子是杂原子。优选的是具有5或6个环原子的杂环基,其特别优选具有1或2个氧-、硫-或氮原子,其中多个氧原子不彼此相邻。
“Hal”在本说明书的范围内被理解为是指卤素原子,即氟、氯、溴和碘。优选的是氯和溴,非常特别优选的是氯。
在一个优选方法中,使用R1是氢和/或C1-C6-烷基和/或乙烯基,尤其是氢、甲基、乙基或乙烯基且其中R2是C1-C6-烷基,尤其是甲基或乙基的式I的化合物。
在另一优选方法中,通过管线(7)送入的式II的醇的量为该反应所需的量的70重量%至95重量%,并将该反应所需的式II的醇的剩余量以液体形式通过管线(8)引入到塔(1)的下三分之一部分。
特别优选地,经管线(6,7,8)将式I和II的化合物送入塔(1)的中部;在塔侧末端,存在向下的90°弯管。
优选的是这样的方法,即其中管线(7,8)中式II的醇的温度为10至30℃和/或其中管线(6)中式I的卤代硅烷的温度为10至30℃。
优选的是在含有散堆填料或规整填料的塔(1)中进行式I和II的化合物的反应的方法。
特别优选的是这样的方法,其中式I的卤代硅烷和一部分式II的醇各自在塔(1)的上部中在最上面的填料单元(Packung)(1a)的下方引入和/或其中式II的醇的剩余部分在塔(1)的下部中在最下面的填料单位(1a)的上方引入。
本发明的方法可以在各种压力下进行。除常压外,在过压下或在真空下的方法也可行。优选在700hPa绝对至1300hPa绝对的压力范围内进行式I和II的化合物的反应。
塔(1)的加热通常借助循环蒸发器(3)进行,其安装在塔(1)的下三分之一部分并加热存在于塔(1)中的塔底产物。
本发明还涉及用式II的醇连续酯化上文定义的式I的卤代硅烷以产生式III的硅烷酯的塔(1),其包含下列构件:
A)管线(6),其通向塔(1)的上三分之一部分并用于送入式I的卤代硅烷,
B)管线(7),其通向塔(1)的上三分之一部分并用于送入反应所需的式II的醇的一部分,
C)管线(8),其通向塔(1)的下三分之一部分并用于送入反应所需的醇的剩余部分,
D)循环蒸发器(3),其安装在塔的下三分之一部分并加热存在于塔(1)中的塔底产物,
E)用于经塔(1)的顶部引出反应中形成的卤化氢的管线(9),和
F)用于从塔(1)的底部引出反应中形成的式III的酯化产物的管线(10)。
在根据本发明的塔(1)的一个优选方案中,在塔(1)的顶部提供冷凝器(2)。
在塔(1)的另一优选方案中,在塔(1)的下端提供产物冷却器(4),优选地,在产物冷却器(4)后连接泵(5),其从塔(1)中运出反应产物。
下列实施例中和图1和2中示意性示出在两个串联塔或在一个塔中用醇酯化三氯硅烷的方法。
实施例
实施例1(对比例):
此实施例描述了乙烯基三氯硅烷在两个串联的塔中用醇,例如用甲醇或乙醇的传统酯化。装置连接显示在图1中。
在配有顶部冷凝器(2)和循环蒸发器(3)的反应器塔(1)(参见图1)中,经分开的管线(6,7)送入乙烯基三氯硅烷和醇。这些管线在上三分之一部分通入该塔,其内部具有填料单元(1a))。经管线(9)从顶部上引出反应中形成的氯化氢。乙烯基三氯硅烷和醇在反应器塔(1)中部分转化,且含产物的流在塔(1)内朝底部方向移动。初馏塔(11)同样配有填料单元(11a)、顶部冷凝器(2)和循环蒸发器(3)。来自初馏塔(11)的一部分回流经管线(14)返回到反应器塔(1)中。在初馏塔(11)的下三分之一部分中也经管线(8)送入另外的醇,由此在反应器塔(1)和初馏塔(11)的整个系统中存在化学计量需要的醇量。来自反应器塔(1)的塔底物在粗产物冷却器(4a)中冷却并借助泵(5)经管线(12)送入初馏塔(11)中。管线(12)在上三分之一部分通入初馏塔(11)中。从初馏塔(11)的底部取出该反应的最终产物,在产物冷却器(4)中冷却并借助泵(5)经管线(10)从初馏塔(11)中取出。循环蒸发器(3)用于供应加热这两个塔(1,11)所需的热能。
实施例2:
此实施例描述了乙烯基三氯硅烷与醇,例如与甲醇或乙醇在不使用初馏塔的反应塔中的本发明的酯化。装置连接显示在图2中。
在反应塔(1)的上部(参见图2),在相同高度(但不预混)经分开的管线(6,7)送入乙烯基三氯硅烷和主要量的醇。这两种组分的进料点在最上面的填料单元(1a)的下方。在塔的下部,在最下面的填料单元(1a)的上方,经管线(8)引入剩余量的醇。反应塔(1)在80hPa的略微过压下运行。底部温度为168℃,顶部温度为40℃。使用具有4个散堆填料床(鞍形体)的反应性蒸馏;反应塔(1)的内径为300毫米。质量流汇总在下表中:
组分 | 质量流kg/h |
乙烯基三氯硅烷 | 300.00 |
醇管线(7) | 240.00 |
醇管线(8) | 13.82 |
乙烯基三乙氧基硅烷 | 349.44 |
氯化氢 | 200.96 |
高沸物 | 3.42 |
在反应塔(1)的塔底物中,排出349.44千克/小时的乙烯基三乙氧基硅烷。该产物通过产物冷却器(4)冷却并借助泵(5)经管线(10)从反应塔(1)中排出。在循环蒸发器(3)中,送入160千克/小时的蒸汽量。将通过循环蒸发器(3)加热的产物再返回到反应塔(1)中并用于加热该塔的内容物。在塔顶中,该质量流在顶部冷凝器(2)内冷却并经管线(9)排出200.96千克/小时的气态HCl。
塔底产物中的残留物比例表明以98.8%的选择性形成乙烯基三乙氧基硅烷。在图1中所示的双塔酯化中,在最好的情况中,在用乙醇酯化乙烯基三氯硅烷时达到98.0%的选择性。
实施例3:
此实施例描述了四氯硅烷与乙醇在如实施例2中所述的反应塔中的本发明的酯化(图2)。
在反应塔(1)的上部(参见图2),在相同高度(但不预混)经分开的管线(6,7)送入四氯硅烷和主要量的乙醇。这两种组分的进料点在最上面的填料单元(1a)的下方。在塔的下部,在最下面的填料单元(1a)的上方,经管线(8)引入剩余量的醇。反应塔(1)在80hPa的略微过压下运行。底部温度为176℃,顶部温度为38℃。使用具有4个散堆填料床(鞍形体)的反应性蒸馏;反应塔(1)的内径为300毫米。质量流汇总在下表中:
组分 | 质量流kg/h |
四氯硅烷 | 300.00 |
醇管线(7) | 305.00 |
醇管线(8) | 18.65 |
四乙氧基硅烷 | 365.65 |
氯化氢 | 256.25 |
高沸物 | 1.75 |
在反应塔(1)的塔底物中,排出365.65千克/小时的四乙氧基硅烷。该产物通过产物冷却器(4)冷却并借助泵(5)经管线(10)从反应塔(1)中排出。在循环蒸发器(3)中,送入160千克/小时的蒸汽量。将通过循环蒸发器(3)加热的产物再返回到反应塔(1)中并用于加热该塔的内容物。在塔顶中,该质量流在顶部冷凝器(2)内冷却并经管线(9)排出256.25千克/小时的气态HCl。
塔底产物中的残留物比例表明以99.4%的选择性形成四乙氧基硅烷。在图1中所示的双塔酯化中,在最好的情况中,在用乙醇酯化四氯硅烷时达到98.7%的选择性。
Claims (16)
1.在单塔(1)中用式II的醇连续酯化式I的卤代硅烷以产生式III的硅烷酯的方法
R1 aSiHalb(I)
R2-(OH)(II)
R1 aSi-(OR2)b(III)
其中R1是氢或一价有机基团,其中分子中的多个基团R1在所给定义的范围内可以是不同的,
Hal是卤素原子,分子中的多个Hal原子在所给定义的范围内可以是不同的,
R2是一价有机基团,
a和b是0至4的整数且a和b的总和为4,
其包含措施:
i)将反应所需的式I的卤代硅烷的总量以液体形式经管线(6)送入塔(1)的上三分之一部分,
ii)将反应所需的式II的醇的至少60重量%以液体形式经管线(7)送入塔(1)的上三分之一部分,
iii)将反应所需的式II的醇剩余量以液体形式经管线(8)送入塔(1)的下三分之一部分,
iv)在塔(1)的内部进行式I的卤代硅烷与式II的醇的反应以产生式III的硅烷酯,其中在管线(7)和管线(8)之间的塔(1)内部中的温度低于式II的醇的沸点温度,
v)经塔(1)的顶部引出反应中形成的氯化氢,和
vi)从塔(1)的底部引出反应中形成的式III的酯化产物。
2.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
R1和/或R2是选自直链和支链的烷基、烯基、环烷基、芳基、芳烷基和/或杂环基的有机基团,其任选被烷基、烷氧基、羟基、氨基、卤素或硝基取代,或其中在烷基中一个或彼此不直接相邻的多个碳原子被氧原子或硫原子或被亚氨基替代,或其中R1是氢。
3.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
R1是氢和/或C1-C6-烷基和/或乙烯基,尤其是氢、甲基、乙基或乙烯基,且R2是C1-C6-烷基,尤其是甲基或乙基。
4.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
经管线(7)送入的式II的醇的量为反应所需的量的70重量%至95重量%,并将反应所需的式II的醇的剩余量以液体形式经管线(8)引入塔(1)的下三分之一部分。
5.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
经管线(6,7,8)将式I和II的化合物引入塔(1),在其塔侧末端存在垂直向下的90°弯头。
6.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
管线(7,8)中式II的醇的温度为10至30℃。
7.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
管线(6)中式I的卤代硅烷的温度为10至30℃。
8.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
式I的卤代硅烷和一部分式II的醇各自在塔(1)的上部在最上面的填料单元(1a)的下方引入。
9.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
式II的醇的剩余部分在塔(1)的下部在最下面的填料单位(1a)的上方引入。
10.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
在含有散堆填料或规整填料的塔(1)中进行式I和II的化合物的反应。
11.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
在700hPa绝对至1300hPa绝对的压力范围内进行式I和II的化合物的反应。
12.根据权利要求1的方法,
其特征在于,
塔(1)的加热通过循环蒸发器(3)进行,其安装在塔(1)的下三分之一部分中并加热存在于塔(1)中的塔底产物。
13.根据权利要求1用式II的醇连续将式I的卤代硅烷酯化成式III的硅烷酯的塔(1),其具有下列构件:
A)管线(6),其通向塔(1)的上三分之一部分并用于送入式I的卤代硅烷,
B)管线(7),其通向塔(1)的上三分之一部分并用于送入反应所需的式II的醇的一部分,
C)管线(8),其通向塔(1)的下三分之一部分并用于送入反应所需的醇的剩余部分,
D)循环蒸发器(3),其安装在塔的下三分之一部分并加热存在于塔(1)中的塔底产物,
E)用于经塔(1)的顶部引出反应中形成的卤化氢的管线(9),和
F)用于从塔(1)的底部引出反应中形成的式III的酯化产物的管线(10)。
14.根据权利要求13的塔(1),
其特征在于,
在塔(1)的顶部提供冷凝器(2)。
15.根据权利要求13的塔(1),
其特征在于,
在塔(1)的下端提供产物冷却器(4)。
16.根据权利要求15的塔(1),
其特征在于,
在产物冷却器(4)后连接泵(5),其从塔(1)中运出反应产物。
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