CN1293082C - 三甲氧基硅烷的工业化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用HSiCl3与CH3OH酯化反应获得三甲氧基硅烷的工业化制备方法，在该方法中，将酯化反应、排除HCl、蒸馏分离以及对低沸物的再酯化实施了循环、连续化生产；采用质量比和流量比(即体积比)的双重计量控制，确保两反应物间达到等摩尔匹配；使两反应物在离心泵中能充分搅拌、混合和酯化反应，反应后的混合物又被快速送入分离塔，将反应中产生的HCl迅速地排出，使得各种副反应和有害反应的产物降低到最低限度，使用本发明所述的制备方法，三甲氧基硅烷的收率达到70%～80%；其纯度达到99%；生产效率是现有制备方法的数倍。
Description
技术领域：
本发明涉及一种三甲氧基硅烷的制备方法。
背景技术：
三甲氧基硅烷是合成功能型有机硅化合物的一种中间体，它是用HSiCl3和CH3OH在常温常压下反应获得的，其化学反应方式如下：
其中HSi[OCH3]3即三甲氧基硅烷
在该反应中还存在如下副反应和有害反应：
现有的制备方法中包括如下工艺内容：
(一)、反应物HSiCl3和CH3OH的供应、酯化反应及排除HCl：
(1)：将反应物HSiCl3和CH3OH按体积比为1∶1至1.05∶1的比例输入500ml的玻璃反应器中，该玻璃反应器安置在磁性搅拌器上，两反应物HSiCl3和CH3OH在其中混合、相遇并产生酯化反应。
在上述过程中，CH3OH的流量是由转子流量计来控制，其流量掌握在6～8升/小时，而HSiCl3的流量大小通过观察两放水瓶内的液体高度差，由针拧阀来调节，尽可能使HSiCl3与CH3OH的体积比为1∶1～1.05∶1。由于控制两反应物体积比是通过人的肉眼观察两存液瓶中液体的液面高度来判断的，因而控制精度较低，无法实现两反应物的等摩尔数匹配，目前的补救措施是：人为减少CH3OH的供应量，尽可能地抑制副反应和有害反应。
(2)：将反应后的混合物输入分离塔，分离塔内的温度控制在50℃，在该分离塔底部通有连续鼓泡的氮气管，并不断地输入氮气，将反应中产生的HCl最大可能地赶出分离塔，以减少第一种有害反应的产生。
积存于分离塔中反应混合物中含有HSi[OCH3]3、HSi[OCH3]Cl2、HSi[OCH3]Cl、Si[OCH3]4、HSiCl3、CH3OH、CH3Cl、H2O等，上述反应混合物简称半成品，将半成品放出存于周转槽内。
(二)、对半成品进行蒸馏分离处理：
利用氮气将半成品从周转槽压入蒸馏塔内，然后逐步升温，按照精密蒸馏操作的有关规则，收集各温度段的蒸馏物，并分别存放，待分析后分别作出不同的处理。
各温度段蒸馏物如下：
蒸馏塔的温度≤80℃，得低沸液；待再次酯化、蒸馏；
80＜蒸馏塔的温度＜84℃，得过渡液；待重新蒸馏分离；
84≤蒸馏塔的温度≤87℃，得成品液：入成品桶：
在第三温度段蒸馏获得的物品即为人们所要获得产品：HSi[OCH3]3。将低沸液重新酯化、蒸馏，将过渡液重新蒸馏、酯化、再蒸馏，重复上述反应。
由于该产品在反应过程中有诸多副反应和有害反应，从理论上讲要抑制副反应和有害反应应该从以下几个方面着手：
1、准确控制反应物HSiCl3和CH3OH的反应摩尔数，实现两反应物的等摩尔数匹配。
2、设法使HSiCl3与CH3OH充分混合、接触，使它们反应充分。
3、最大限度地排除反应中产生的HCl气体。
4、应阻绝反应后的混合物与空气接触，防止吸收空气中的水分，以减少SiO2的产生。
上述现有的制备方法存在以下几方面的不足：
①反应物HSiCl3和CH3OH的供应不能实现等摩尔数匹配要求，用现有计量手段来控制体积比，其精度太低；
②主反应设置在一个500ml的玻璃反应器内，虽然该玻璃反应器安置在磁性搅拌器上，但两者之间混合均匀度及接触机会都不充分，使主反应不充分，副反应机率增多。
③整个制备过程不连续，酯化反应步骤与蒸馏分离步骤分开，酯化反应步骤中获得的半成品露天存放，易吸收空气中的水份，有利于有害反应的发生。
④该制备方法只适应中小试，工业化程度差、不适应规模化的工业化生产。
⑤该方法获得的成品收率低，一般只有50％左右，纯度不足96％。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种三甲氧基硅烷的工业化制备方法，这种方法能克服现有制备方法的诸多不足，不仅收率高，而且可连续化生产。
本发明所述的工业化制备方法，包括对反应物HSiCl3和CH3OH的等摩尔数供应、酯化反应、排除HCl和对酯化反应混合物的蒸馏分离步骤。
(一)、在对HSiCl3和CH3OH的等摩尔数供应、酯化反应、通过分离塔排除HCl的步骤中，又包括如下工艺内容：
(1)、确保HSiCl3和CH3OH的等摩尔数供应：
按照HSiCl3和CH3OH主反应所需摩尔数进行匹配供应，采用重量比和体积比双重方法来确保主反应所需要的摩尔数匹配。
(2)、推进主反应，抑制副反应和有害反应：
将经过等摩尔数匹配的HSiCl3和CH3OH输入耐酸耐碱的离心泵中，两反应物在离心泵中充分搅拌、混合和产生酯化反应，酯化反应获得的混合物被快速送入分离塔内，在分离塔的底部设有连续鼓泡的氮气管，分离塔内的温度应为恒温，其数值为50℃～80℃中的任何数值，在带有温度的氮气的带动下，反应中产生的HCl被迅速地从分离塔顶端排出，进入尾气吸收塔。通过质量和流量(即体积)的双重计量控制，确保两反应物间达到等摩尔数匹配要求，使得各种副反应产物和有害反应产物降低到最低限度。上述离心泵的泵体及叶轮的材质为耐酸耐碱的材料，如聚四氟乙稀塑料、陶瓷等；在控制HSiCl3和CH3OH等摩尔数匹配的过程中，质量比是通过两电子秤来控制两反应物的重量；所述体积比是通过两流量相同的流量计量阀来控制的。
(二)、对酯化反应混合物的蒸馏分离：
将经分离塔处理得到混合物通过初级蒸馏塔和精细蒸馏塔的循环蒸馏分离，便能获得高纯度的三甲氧基硅烷。初级蒸馏塔的温度应为恒温，其温度值设定在80℃～84℃之间的任一数值，使得沸点低于该温度的物质从蒸馏塔顶端排出，这些低沸物经冷凝器冷却后流入低沸物收集器中，然后将这些低沸物通过流量计的控制输入二级离心泵，与适量的CH3OH充分搅拌混合和反应，反应后的混合物再输入分离塔，实现酯化反应、排除HCl和蒸馏分离的连续化。精细蒸馏塔对初级蒸馏塔积存的物料进行精细蒸馏，精蒸馏塔内应恒温，温度设定在84℃～120℃之间的任一数值，将经本精蒸馏塔蒸馏获得的物料收集输入纯化塔，纯化塔的作用是更进一步地降低三甲氧基硅烷料液中的HCl，从而获得高纯度的三甲氧基硅烷。
在本发明所述的方法中，将酯化反应、排除HCl、蒸馏分离以及对低沸物的再酯化实施了循环、连续化生产；采用通过质量比和流量比(即体积比)的双重计量控制，确保两反应物间达到等摩尔数匹配；用离心泵取代现有的500ml玻璃反应瓶，使两反应物在专用离心泵中能充分搅拌、混合和酯化反应，反应后的混合物又被快速送入分离塔，将反应中产生的HCl迅速地排出，使得各种副反应和有害反应的产物降低到最低限度。使用本发明所述的制备方法，三甲氧基硅烷的收率达到70％～80％；其纯度达到99％；生产效率是现有制备方法的数倍。
附图说明
附图为本发明的工艺流程图；
图中：A-HSiCl3的储备罐；B-CH3OH的储备罐；C-氮气储罐；1-电子秤；2-流量计量阀；3-离心泵；4-分离塔；5-初级蒸馏塔；6-精细蒸馏塔；7-冷凝器；8-纯化塔；
具体实施方法
下面结合附图说明本发明的具体实施方法；
(1)、在反应物HSiCl3和CH3OH的等摩尔数供应中，采用两电子秤1来控制两反应物的重量比，用两流量计量阀2来控制它们的体积比，确保主反应所需要的等摩尔数匹配。
(2)、将经等摩尔数匹配的两反应物输入离心泵3中，使两反应物在离心泵3中充分搅拌、混合和酯化反应，所述离心泵的泵体及叶轮的材质为聚四氟乙稀塑料；从离心泵中输出的混合物被快速送入分离塔4中，在分离塔4的底部设有连续鼓泡的氮气管，分离塔4内的温度应为恒温，可设定为50℃～80℃中的任一数值，在氮气的带动下，反应中产生的HCl被迅速地从分离塔顶4端部排出，进入尾气吸收塔。
(3)、将积存于分离塔4中的混合物进行二级蒸馏分离，初级蒸馏塔5内的温度设定在80℃～84℃中的任一值，使得沸点低于该温度的物质从蒸馏塔顶端排出，它们经冷凝器7冷却后流入低沸物收集器中，然后这些低沸物又通过流量计的控制输入二级离心泵3，与适量的CH3OH物料充分搅拌混合和酯化反应，反应后的混合物再输入分离塔4，实现反应、分离的连续化；再由精细蒸馏塔6对积存在初级蒸馏塔5中的物料进行精细蒸馏，精细蒸馏塔6内的温度设定在84℃～120℃中的任一值，将经精细蒸馏塔6获得的物料收集输入纯化塔8，纯化塔8的作用是更进一步地降低三甲氧基硅烷料液中的HCl，便获得高纯度的三甲氧基硅烷，而精蒸馏塔中存留的高沸物则流入高沸物贮槽中待处理。
Claims (3)
1、一种三甲氧基硅烷的工业化制备方法，包括HSiCl3与CH3OH的酯化反应、排除HCl和对酯化混合物的蒸馏分离步骤，其特征是：在所述HSiCl3与CH3OH的酯化反应步骤中，采用质量比和体积比双重控制方法来实现两反应物HSiCl3与CH3OH的等摩尔数匹配，两反应物在离心泵(3)中充分搅拌、混合和酯反应，反应后得的混合物输入分离塔(4)，在分离塔(4)的底部设有连续鼓泡的氮气管，分离塔(4)内的温度为恒温，其温度设定在50℃～80℃之间的任一数值；在对反应混合物的蒸馏分离步骤中，初级蒸馏塔(5)内的温度设置在80℃～84℃之间，精细蒸馏塔(6)内的温度设置在84℃～120℃之间，所述离心泵(3)的泵体及叶轮的材质为耐酸耐碱的材料。
2、根据权利要求1所述三甲氧基硅烷的工业化制备方法，其特征是：所述精细蒸馏塔(6)内的温度设置在87℃～120℃之间。
3、根据权利要求1、2三甲氧基硅烷的工业化制备方法，其特征是：所述控制HSiCl3和CH3OH等摩尔数匹配的质量比控制方法是：按照两反应物的比重，通过两电子秤(1)来控制两反应物的重量；所述体积比控制方法是：通过两流量相同的流量计量阀(2)来控制两反应物的体积。
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