三甲基氯硅烷液相半连续及连续氨化合成六甲基二硅氮烷研究

作     者：孟闻飞 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱明乔

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氯化铵 六甲基二硅氮烷 三甲基氯硅烷 半连续反应 连续反应 管式反应器 反应结晶 

摘      要：六甲基二硅氮烷是一种重要的有机硅试剂,在医药、半导体、橡胶工业等方面具有广泛的用途。工业上常以三甲基氯硅烷液相半连续氨化法生产六甲基二硅氮烷。反应过程中,三甲基氯硅烷与氨气发生取代反应,生成产物六甲基二硅氮烷和副产物氯化铵。氯化铵晶体容易团聚,包裹液体反应物和产物,导致反应困难且不利于产物的分离。为此,本文探究了三甲基氯硅烷半连续氨化反应的特性,设计并制作了气液连续化管式结晶反应器,经过冷模试验验证,并将其应用于六甲基二硅氮烷的连续制备过程。得到结论如下:首先,探究了三甲基氯硅烷半连续氨化反应中反应物与产物对反应器和反应工艺设计相关的物性参数,为后续研究提供了基本数据;探究了三甲基氯硅烷氨化反应操作条件对生成氯化铵粒径及转化率的影响。结果表明:反应温度、三甲基氯硅烷初始浓度、搅拌转速、氨气流量、氨气输入方式、液相进料流量等均对转化率、氯化铵粒径以及团聚程度有明显影响。其次,根据物性和各操作条件对反应的影响,推断了三甲基氯硅烷氨化反应机理,建立了三甲基氯硅烷化学反应动力学和氯化铵结晶动力学模型,将反应和结晶速率与三甲基氯硅烷浓度、氨气通量、搅拌转速、温度四个关键变量关联,并通过实验测定了模型中各个参数,得到相应的动力学方程。动力学方程表明,增加三甲基氯硅烷浓度,降低反应温度,降低氨气流量,增加搅拌转速均可能使生成氯化铵粒径减小。该结果能为连续化反应器的设计提供指导。最后,根据前述探究结果,自行设计并制作了连续管式反应器。反应管道内径10mm,长度295 mm,反应器总容积187 mL。进行了冷模试验,并以硫酸镁与氨气的反应检验反应器性能,最终应用于三甲基氯硅烷氨化反应,实现了六甲基二硅氮烷的连续化生产。探究了液相进料流量、浓度、气液比、循环流量等操作条件对反应器运行效果的影响。在液相进料流量9 mL/min,三甲基氯硅烷体积分数为20%,气液摩尔比为1.8,循环流量240 L/h的条件下反应器运行效果较佳,三甲基氯硅烷转化率达到94.91%,生产能力达到348.93 kg/（m3·h）,较搅拌釜式反应器及一般的连续化管式反应器的生产能力有明显提升。该反应器的顺利操作运行为连续氨化制备六甲基二硅氮烷提供了新的生产工艺。