JP4158162B2 - クロロシランの加水分解 - Google Patents

Description

本発明は、クロロシランを加水分解してポリシロキサンを含有する加水分解物を生成するプロセスにおいて、塩化水素の回収を最大にする方法に関する。

ポリジメチルシロキサンポリマーの製造は多段階プロセスである。直接プロセスから得られるクロロシランの加水分解は当該技術分野においてよく知られており、加水分解物と呼ばれる環状及び線状シラノール末端オリゴマー混合物をもたらす。場合によっては、クロロ末端ポリマーも得られる。

環状オリゴマー対線状オリゴマーの比率、及び線状シロキサンの鎖長は、クロロシラン対水の比率、温度、接触時間、及び溶媒等の加水分解の条件によって制御される。商業的に、ジメチルジクロロシランの加水分解は、バッチプロセス又は連続プロセスのいずれかによって実施される。典型的な工業的操作では、ジメチルジクロロシランは連続反応器において水と混合される。加水分解物及び塩酸（aqueous HCl)の混合物は、デカンターにおいて分離される。無水ＨＣｌが除去され、塩化メチルに転換されて、次に直接プロセスにおいて再利用され得る。加水分解物は残留酸を除去するために洗浄され、塩基の添加又はイオン交換技術により任意で中和され、乾燥及びろ過される。典型的な収量は約３５〜５０パーセントの環状オリゴマーから成り、残りは線状オリゴマーから成る。さらに塩化物を除去するために加水分解物、環状オリゴマー、又は線状オリゴマーに水が添加され得る。

連続加水分解操作では、ジメチルジクロロシランを線状オリゴマーだけに完全に転換することも可能である。この操作では、環状オリゴマーはストリッピングプロセスによって線状オリゴマーから分離され、ジメチルジクロロシランと混合される。この混合物はクロロ末端オリゴマーとの平衡を受け、続いて加水分解される。シラノール末端線状オリゴマーは、次に他のシリコーンポリマーの製造において使用される。

加水分解プロセスにおいて生成される塩酸（aqueous hydrogen chloride)は、酸の処分又は回収の問題を提示した。環境に害を及ぼす塩酸の処分の費用と、塩化物の内在する価値との両方により、回収は好ましい選択肢とされた。無水塩化水素を塩酸から回収する１つの手順は、溶液を蒸留して、無水塩化水素と共に定沸点の塩化水素−水共沸混合物を生成することであった。しかしながら、このプロセスでは大量のエネルギーが必要とされる。

そのため、当該技術分野では、塩化水素の回収の増大を提供するプロセスが必要とされている。これは、本発明による、特定の規定条件、処理機能を実行するための装置を含有するループへの供給速度、及び投入量の下でプロセスを実行することによって達成することができる。本明細書中のプロセスにより、塩化物の回収の改善と、かつては環境公害と考えられていた価値のある物資の回収を可能にすることにおける経済的利益とが提供される。

したがって、本発明は、クロロシランを加水分解して加水分解物を生成する方法に関する。本発明は、加水分解反応器、ＨＣｌ精製器、洗浄手段、及び分離器を有するループシステムにおいて実行される。本方法は、
（ｉ）外部供給源から加水分解反応器へクロロシランを供給するステップと、
（ｉｉ）外部供給源から洗浄手段へ水を供給するステップと、
（ｉｉｉ）少なくとも１０重量パーセントのＨＣｌである高濃度塩酸を、洗浄手段と加水分解反応器との間で、外部供給源から加水分解反応器へ供給するステップと、
（ｉｖ）無水塩化水素をＨＣｌ精製器から除去するステップと、
（ｖ）加水分解物を洗浄手段から除去するステップと、
（ｖｉ）０．１重量パーセントから１０重量パーセント未満のＨＣｌである低濃度塩酸をループシステムから除去するステップと
を含む。

好ましくは、上記（ｉｉｉ）における上記高濃度塩酸が、少なくとも２０重量パーセントよりも多いＨＣｌ、且つ４２重量パーセント未満のＨＣｌである。より好ましくは、上記（ｉｉｉ）における上記高濃度塩酸が、３２〜３６重量パーセントのＨＣｌである。好ましくは、上記（ｖｉ）における上記低濃度塩酸が、０．１重量パーセントから５重量パーセント未満のＨＣｌであり、より好ましくは、０．１重量パーセントから１重量パーセント未満のＨＣｌである。

プロセスの特に新規のいくつかの特徴には、純水が、加水分解反応器自体に直接供給されるのではなく、洗浄手段を介してのみプロセスに供給されるという事実が含まれる。第２の特徴は、加水分解反応器内の化学量論的な量の水を保持するのに十分な量で、低濃度塩酸が洗浄手段から取り出されて廃棄され得ることである。本発明の第３の特徴は、プロセスからのＨＣｌ蒸気の回収を高めるのに十分な量で、高濃度塩酸がループ内に導入され得ることである。

本発明のこれら及びその他の特徴は、詳細な説明の検討から明らかになるであろう。

図面に見られるように、本発明による加水分解プロセスは、加水分解反応器と、ＨＣｌ精製器と、分離器と、多段階で洗浄することができる洗浄手段とを有するループ内で実行される。クロロシランは加水分解反応器に供給され、そこで加水分解反応が行われる。液体加水分解物、塩酸、及びＨＣｌ蒸気を含有する混合物が、加水分解反応器から出て行く。ＨＣｌ蒸気は、加水分解反応器の下流に位置するＨＣｌ精製器内で、液体加水分解物及び塩酸から分離される。ＨＣｌ精製器を出て行く液体加水分解物及び塩酸は分離器内に入り、そこで液体加水分解物が塩酸から分離される。塩酸は、飽和高濃度塩酸である。これは、洗浄手段からの低濃度塩酸と共に加水分解反応器に戻される。

液体加水分解物は、洗浄手段に供給される純水による処理のために洗浄手段に入る。加水分解ループへの純水の唯一の補給は、洗浄手段に供給される純水の補給である。加水分解反応器自体には、別個の純水補給は与えられない。精製された液体加水分解物が洗浄手段から取り出され、低濃度塩酸が洗浄手段から取り出されて、分離器を出て行く塩酸と合わせられる。同時に、洗浄手段からの低濃度塩酸の一部は除去及び廃棄される。通常、低濃度塩酸は、約５重量パーセント未満の塩化水素、好ましくは約１重量パーセント未満の塩化水素を含有する。廃棄される低濃度塩酸の量は、加水分解反応を実行するために加水分解反応器において利用可能な水の総量を制御するための手段として用いられる。

図面に見られるように、プロセスは、反応物の２つの非混和性液相の間の接触を必要とする。一方の相はクロロシランを含み、他方の相は塩酸を含む。これらの２つの相の間の界面接触は、一方の相の他方の相における適切な分散を提供し得る分散手段によって容易にされるに違いない。

このプロセスで与えられるクロロシランには、式Ｒ_２ＳｉＣｌ_２のクロロシランが含まれる。Ｒは、水素又は炭素数１〜２０のアルキル基、シクロアルキル基、アリール基、若しくはアラルキル基等の炭化水素基であり得る。炭化水素基は、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ｎ−ブチル、イソブチル、ｔｅｒｔ−ブチル、ｓｅｃ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、フェニル、トリル、ベンジル、及びβ−フェニルエチルであり得る。適切なクロロシランの幾つかの例としては、ジメチルジクロロシラン（ＣＨ_３）_２ＳｉＣｌ_２、ジエチルジクロロシラン（Ｃ_２Ｈ_５）_２ＳｉＣｌ_２、ジ−ｎ−プロピルジクロロシラン（ｎ−Ｃ_３Ｈ_７）_２ＳｉＣｌ_２、ジ−ｉ−プロピルジクロロシラン（ｉ−Ｃ_３Ｈ_７）_２ＳｉＣｌ_２、ジ−ｎ−ブチルジクロロシラン（ｎ−Ｃ_４Ｈ_９）_２ＳｉＣｌ_２、ジ−ｉ−ブチルジクロロシラン（ｉ−Ｃ_４Ｈ_９）_２ＳｉＣｌ_２、ジ−ｔ−ブチルジクロロシラン（ｔ−Ｃ_４Ｈ_９）_２ＳｉＣｌ_２、ｎ−ブチルメチルジクロロシランＣＨ_３（ｎ−Ｃ_４Ｈ_９）ＳｉＣｌ_２、オクタデシルメチルジクロロシランＣＨ_３（Ｃ_１８Ｈ_３７）ＳｉＣｌ_２、ジフェニルジクロロシラン（Ｃ_６Ｈ_５）_２ＳｉＣｌ_２、フェニルメチルジクロロシランＣＨ_３（Ｃ_６Ｈ_５）ＳｉＣｌ_２、ジシクロへキシルジクロロシラン（Ｃ_６Ｈ_１１）_２ＳｉＣｌ_２、及びメチルジクロロシランＣＨ_３ＳｉＨＣｌ_２等の化合物が挙げられ得る。クロロシランは、ジメチルジクロロシラン及びメチルジクロロシランＣＨ_３ＨＳｉＣｌ_２であることが好ましい。必要ならば、トリクロロシランＲ_３ＳｉＣｌ（式中、Ｒは上記で定義したものと同じである）を使用してもよい。例えば、トリクロロシランはトリメチルクロロシラン（ＣＨ_３）_３ＳｉＣｌであることが好ましい。

本発明のプロセスは、加水分解反応器ループにおいて、ループに供給されるクロロシランに存在する塩化物に関して化学量論的な量の水と共に実行される。このプロセスの目的では、化学量論的な当量は、クロロシランとしてプロセスに添加される２モルの塩化物につき１モルの水である。

加水分解反応器を出て行く水は、塩化水素で本質的に飽和されている。「本質的に飽和されている」とは、プロセス条件下で、反応器を出る水が、加水分解反応の結果として放出されるさらなる塩化物が無水塩化水素としてプロセスから発生されるような濃度の塩化水素を含有することを意味する。

プロセスは、約１０℃〜１００℃の温度で実行することができる。好ましい温度は、約２５℃〜４０℃の範囲内である。プロセスが実行される加水分解反応器内の圧力は、１気圧未満〜１０気圧の範囲内であり得る。プロセスが実行される加水分解反応器を出て行く蒸気の圧力は、１気圧未満（絶対圧）〜１０気圧の範囲内であり得る。出て行く塩化水素気体が後続の使用のために圧縮され得る場合には好ましい圧力は１．５気圧までであり、気体の圧縮が回避できる場合には最も好ましい圧力は４．５気圧と５．５気圧の間である。

加水分解反応器を出て行く加水分解物の成分の単離は、気相及び液相を分離するため、並びに多相液体を分離するための任意の適切な手段によって達成することができる。本発明によると、塩化水素蒸気はＨＣｌ精製器のポートから除去され、液体加水分解物相は、ＨＣｌ精製器内の液位より下に位置するＨＣｌ精製器のポートから除去される。ＨＣｌ精製器を出て行く除去された液相は、塩酸相と、シロキサンを含有する液体加水分解物相とから成る。塩酸相は、分離器において液体加水分解物相から分離される。この分離は、ストリッピング、遠心分離、凝集（coalescence）、膜分離、又は分離すべき相の平均流路を短くする機械的なバッフルによって高められる重力分離等の技法によって行なうことができる。

分離された塩酸は、分離器から加水分解反応器に再循環される。加水分解反応器に入る水相は、加水分解反応器の温度を所望の温度に保持するために加水分解反応器内に導入する前に予熱することができる。予熱は、標準的な手段、例えば、塩酸をプロセスに戻す導管に熱を提供することによって、又は当該技術分野において既知の熱交換を用いることによって達成することができる。

製品安定性を保証するために、洗浄手段において１回又は複数回の液体加水分解物の水洗が実施され、残留塩化物が除去される。洗浄プロセスのために好ましい方法は、ジオルガノジクロロシランとしての塩化物のプロセスへの最初の供給量に関して化学量論的に過剰の水で洗浄を実施することである。液体加水分解物中のシロキサンを洗浄するために使用される水は、低濃度塩酸として加水分解反応器に再循環される。これは、分離器から出ていく塩酸と合わせられる。洗浄手段からの低濃度塩酸の一部は、上記のように除去及び廃棄される。

以下の実施例は、本発明をより詳細に説明するために示される。

２５℃〜４０℃において、化学量論的な量の濃縮塩酸の形態の水中でジメチルジクロロシランを連続的に加水分解した。この反応の生成物を、ＨＣｌにさらに精製するための蒸気相及び２つの液相に分離した。飽和塩酸の液相を重力沈降によって捕集し、加水分解反応器に再循環させた。液体加水分解物相をデカントし、さらに水洗及び分離した。この実施例では、化学量論的に過剰な純水を１．８９Ｗの比率で洗浄手段に供給した。

Ｗは、初期ジメチルジクロロシラン反応が加水分解反応器において生じるために加水分解反応器において必要とされる水の化学量論的な量を表す。１．２５Ｗに等しい量の水を、約１重量パーセントより少ない塩化水素を含有する希塩酸水の形態で洗浄手段から廃棄した。ジメチルジクロロシランの加水分解反応のために、別個の量の水０．３６Ｗを、３２重量パーセントのＨＣｌを含有する塩酸の形態でシステムに供給した。これにより、無水ＨＣｌの全体的な回収は、ジメチルジクロロシランから得られるＨＣｌの理論的な量の１０４パーセントまで増大した。

本明細書中に記載される化合物、組成物、及び方法には、本発明の本質的な特徴から逸脱することなく他の変形が成され得る。本明細書中で特に説明される本発明の実施形態は単なる例であって、添付の特許請求の範囲での定義を除いて、その範囲に対する限定は意図されない。

本発明のプロセスの実行において使用される装置及び材料の全体的な流れのパターンの機能的な表示である。

Claims (4)

1. 加水分解反応器、ＨＣｌ精製器、洗浄手段、及び分離器を含有するループシステムにおいて、クロロシランを加水分解して加水分解物を生成する方法であって、
   （ｉ）外部供給源から該加水分解反応器へクロロシランを供給し、そこで加水分解反応が行われ、液体加水分解物、塩酸、及びＨＣｌ蒸気を含有する混合物が生じること、
   （ｉｉ）（ｉ）で生じた液体加水分解物、塩酸、及びＨＣｌ蒸気をＨＣｌ精製器へ通して、無水塩化水素を該混合物および該ループシステムから除去すること、
   （ｉｉｉ）液体加水分解物および塩酸を該ＨＣＬ精製器から分離器に入れて、そこで液体加水分解物を塩酸と分離すること、
   （ｉｖ）塩酸を（ｉｉｉ）から加水分解反応器に戻すこと、
   （ｖ）液体加水分解物を（ｉｉｉ）から洗浄手段へ供給すること、
   （ｖｉ）外部供給源から該洗浄手段へ水を供給して、該液体加水分解物を精製すること、
   （ｖｉｉ）精製した液体加水分解物を該洗浄手段および該ループシステムから除去すること、
   （ｖｉｉｉ）低濃度塩酸を該洗浄手段から該加水分解反応器へ戻すこと、
   （ｉｘ）低濃度塩酸を該洗浄手段およびループシステムから除去すること、ここで該低濃度塩酸の濃度が０．１重量パーセントから１０重量パーセント未満である、
   （ｘ）少なくとも１０重量パーセントのＨＣｌである高濃度塩酸を、外部供給源から該加水分解反応器へ供給すること、
   を含む、クロロシランを加水分解して加水分解物を生成する方法。
2. 前記（ｘ）における前記高濃度塩酸が、少なくとも２０重量パーセントよりも多いＨＣｌ、且つ４２重量パーセント未満のＨＣｌである、請求項１に記載の方法。
3. 前記（ｉｘ）における、前記低濃度塩酸が０．１重量パーセントから５重量パーセント未満のＨＣｌである、請求項１に記載の方法。
4. 前記クロロシランが、ジメチルジクロロシラン、ジエチルジクロロシラン、ジ−ｎ−プロピルジクロロシラン、ジ−ｉ−プロピルジクロロシラン、ジ−ｎ−ブチルジクロロシラン、ジ−ｉ−ブチルジクロロシラン、ジ−ｔ−ブチルジクロロシラン、ｎ−ブチルメチルジクロロシラン、オクタデシルメチルジクロロシラン、ジフェニルジクロロシラン、フェニルメチルジクロロシラン、ジシクロへキシルジクロロシラン、メチルジクロロシラン、及びトリメチルクロロシランから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。

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