制备有机氯硅烷的方法
阅读说明：本技术 制备有机氯硅烷的方法 (Process for preparing organochlorosilanes ) 是由 K-H·里姆伯克 M·米勒 N·索芬娜 于 2019-03-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及在流化床反应器中通过含一氯甲烷的反应气体与含有硅和催化剂的颗粒接触物料的反应生产有机氯硅烷的方法,其中所述有机氯硅烷具有通式(CH-(3))-(n)HSiCl-(4-n-m),其中n＝1至3且m＝0或1。所述反应器设计通过特征值(K1)描述,所述接触物料的构成通过特征值(K2)描述,反应条件通过特征值(K3)描述,其中K1的值为1至20,K2的值为0.001至200,K3的值为0.5至10,000。(The invention relates to a method for producing organochlorosilanes by reacting a reaction gas containing monochloromethane with a particle-contacting material containing silicon and a catalyst in a fluidized-bed reactor, wherein the organochlorosilanes have the general formula (CH) 3 ) n HSiCl 4‑n‑m Wherein n is 1 to 3 and m is 0 or 1. The reactor design is described by the characteristic value (K1), the composition of the contact mass is described by the characteristic value (K2), and the reaction conditions are described by the characteristic value (K3), wherein the value of K1 is from 1 to 20, the value of K2 is from 0.001 to 200, and the value of K3 is from 0.5 to 10,000.)
技术领域
本发明涉及在流化床反应器中通过使含氯甲烷的反应气体与含硅和催化剂的颗粒接触物料反应而制备有机氯硅烷的方法，其中所述有机氯硅烷具有通式(CH3)nHSiCl4-n-m，其中n＝1至3且m＝0或1。流化床反应器的设计用特征值K1描述，接触物料的构成用特征值K2描述，反应条件用特征值K3描述，其中K1的值为1至20，K2的值为0.001至200，K3的值为0.5至10000。
背景技术
硅产品市场对于其中运行的企业而言是快速变化的环境。需求变化、质量要求的不断提高、原料和能源的价格变化以及更严格的法规要求高度的操作灵敏性和效率，以实现最大的经济效益。
一个特别重要的产品类别包含在技术类别的有机硅下：聚硅氧烷的物质类别。有机硅的工业生产通过有机氯硅烷的水解和随后的缩合而进行。因此，在工业有机硅化学中，甲基硅氧烷占主导地位，相应的原料，甲基氯硅烷的合成因此具有最大的经济意义。在工业上，后者几乎完全经由所谓的Müller-Rochow直接合成法(MRDS)而生产。
MRDS通常包括在催化剂和任选合适的促进剂的存在下，使包含碳键合的氯的有机化合物，通常为甲基氯(MeCl)与硅进行反应，以提供有机氯硅烷，尤其是甲基氯硅烷(MCS)，根据反应方程式(1)：
(1)Si+CH3Cl---(催化剂，任选存在的促进剂)--->(CH3)nHmSiCl4-n-m+副产物(n＝1-3，m＝0、1)
表1总结了MRDS的典型主要产物和副产物及其典型存在的比例。所述副产物的成分还可以包括杂质，例如烃和金属氯化物。通常，随后进行蒸馏以生产高纯度的有机氯硅烷。
表1
除了尽可能高的生产率(每单位时间和反应体积而形成的有机氯硅烷的量)和尽可能高的选择性(尤其是基于基本最重要的目标产物二甲基二氯硅烷(DMDCS，(CH3)2SiCl2)尽可能高的有机硅利用率以外，还需要与整个工厂的安全且灵活操作相关联。例如，DMDCS是生产线性和环状硅氧烷所必需的，而它们又可以进一步聚合以生产广谱的聚二甲基硅氧烷。
MRDS可以不连续或连续地进行。在这两种变体中，有机氯硅烷的大规模工业生产通常经由流化床反应而进行，其中将含有包含碳键合的氯的有机化合物的反应气体同时用作流化介质。MRDS的流化床反应是一个复杂的过程，其中许多不同的影响变量和学科交叉。
MRDS的操作性能(例如，以DMDCS的选择性、生产率、高沸点副产物的低形成率、仲硅烷的选择性和/或比例(仲硅烷是在MRDS形成的除DMDCS外的所有硅烷而表示))通常决定性地取决于反应器设计、操作造粒/接触物料以及所建立的反应参数。特别是对于连续工艺模式，还必须在反应条件下将反应物组分硅和MeCl以及催化剂和任选的促进剂加入反应器中，这与相当大的技术复杂性有关。不连续的MRDS方法通常同样复杂。因此，重要的是实现尽可能高的生产率，每单位时间和反应体积中形成的有机氯硅烷的量，以及基于所需目标产物(通常为DMDCS)的尽可能高的选择性。
已知的方法通常是复杂且耗能的。通常通过电气手段而实现的所需能量供应代表了相当大的成本因素。LTC在流化床反应器中的运行性能(例如，以TCS选择性加权的生产率表示，几乎没有高沸点副产物的形成)决定性地取决于可建立的反应参数。对于连续工艺模式，还必须在反应条件下将反应物组分硅、STC和氢加入反应器中，这与相当大的技术复杂性有关。在该背景下，重要的是实现尽可能高的生产率，每单位时间和反应体积所形成的氯硅烷的量，以及基于所需目标产物(通常为TCS)的尽可能高的选择性(TCS选择性加权的生产率)。
通过MRDS生产有机氯硅烷是一个动态过程。必须了解底层动态，以实现最有效的操作和连续优化。为此，可以将高时间分辨率方法用于工艺监测。
在实验室中，通过抽取样品的分析(离线/在线测量)而劳动密集型地测定MRDS产品混合物的组分是已知的。然而，这总是以时间延迟而进行，因此最好只能提供流化床反应器的离散操作状态的孤立且回顾性的快照。但是，例如，如果将来自多个反应器的产物气流送至冷凝段，并且仅抽取该冷凝混合物的样品，则分析结果将无法得出单个反应器的操作条件的任何具体结论。
为了能够在较高的时间分辨率下(优选分别在各个反应器)测量MRDS产品混合物的组分，可以在气体和/或冷凝液流中使用过程分析仪(线上/在线和/或非侵入式性测量)。由于高的机械应力(磨损)和侵蚀性的化学环境，其通用缺点是可使用的仪器数量有限。额外的成本因素为通常较高的采购和维护成本。
为了识别MRDS反应器的离散运行状态，原则上可以采用多种过程分析方法，这些方法可以归纳如下(W.-D.Hergeth，化学反应的在线监测：Ullmann工业化学百科全书,Wiley:Weinheim,德国2006)。
类别
取样
样品运输
分析
离线
手动
到远处实验室
自动/手动
在线
手动，不连续
到本地分析仪器
自动/手动
线上
自动
集成
自动
在线
集成
没有运输
自动
非浸入式
没有接触
没有运输
自动
可以通过基于所谓的软传感器(虚拟传感器)的基于模型的方法来避免过程分析器的缺点。软传感器采用连续收集的操作参数的测量数据，这些参数对于工艺操作至关重要(例如温度、压力、体积流量、填充水平、输出、质量流量、阀门位置)。这样可以预测例诸如主要产物和副产物的浓度。
软传感器基于数学方程式，是对目标值的代表测量值的依赖性模拟。换句话说，软传感器对相关测量值的依赖性进行建模并提供了目标参数。因此，并不直接测量所述目标参数，而是使用与其相关的测量值来测定。在用于MRDS时，这意味着，例如DMDCS含量或DMCCS选择性并不是由真实的测量传感器(例如过程气相色谱仪)来测定，而是经由过运行参数之间的相关性来计算的。
软传感器的数学方程的生成可以通过完全经验的(例如，基于修改的幂律模型)、部分经验的(例如，基于用于描述反应速率的动力学方程)或基本的(例如，基于流体力学和动力学的基本方程式)的建模而进行。该数学方程可以使用过程模拟程序(例如OpenFOAM、ANSYS或Barracuda)或回归程序(例如MATLAB、Excel VBA或Maple)来推导。
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