Влияние соотношения исходных компонентов и степени диспергирования поверхности контакта фаз на процесс очистки тетраэтоксисилана водным раствором аммиака Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ И СТЕПЕНИ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КОНТАКТА ФАЗ НА ПРОЦЕСС ОЧИСТКИ ТЕТРАЭТОКСИСИЛАНА ВОДНЫМ

РАСТВОРОМ АММИАКА

Беляев Евгений Александрович аспирант, ФГУП «ИРЕА», г. Москва E-mail: belyaev.ea@gmail.com

INFLUENCE OF THE RATIO OF THE INITIAL COMPONENTS AND

DEGREES OF PHASE CONTACT DISPERSION SURFACE ON THE

PROCESS OF CLEANING TETRAETHOXYSILANE BY AQUEOUS

AMMONIA SOLUTION

Evgeny Belyaev

Postgraduate FGUP «IREA», Moscow

АННОТАЦИЯ

Установлены оптимальные технологические параметры очистки (концентрация аммиака, время контакта фаз, температура и т. д.) применительно к периодическому и непрерывному процессу, обеспечивающие получение тетраэтоксисилана высокой степени чистоты с суммарным содержанием примесей 5-10"5—5-10"6 %% масс.

ABSTRACT

The optimal process parameters of cleaning (ammonia concentration, contact time of phases, temperature, etc.) been discovered for batch and continuous process for receiving tetraethoxysilane high purity with a total impurity content of 510-5—510-6 %%.

Ключевые слова: очистка; тетраэтоксисилан; дегидратация

Keywords: cleaning; tetraetoxysilane; degydratation

В данной работе исследовано влияние концентрации водного раствора аммиака и скорость оборотов мешалки при проведении глубокой очистки тетраэтоксисилана (ТЭОС) водным раствором аммиака.

В качестве основного принципа исследования глубокой очистки тетраэтоксисилана использованы работы [2, 3], в которых описываются процессы жидкофазного гомогенного и гетерогенного гидролиза

тетраэтоксисилана в присутствии концентрированного аммиака (10—25 %% масс.), в результате которых образуется непосредственно двуокись кремния высокой дисперсности. Авторами показано влияние концентрации щелочного катализатора, каким является водный раствор аммиака, на развитие процессов поликонденсации образующейся поликремневой кислоты. При повышении этой концентрации до высоких значений, реакция поликонденсации продуктов идет настолько глубоко, что делается возможным получение двуокиси кремния в одну стадию. Это подтверждают наблюдения, сделанные в работе [1], о влиянии водных растворов аммиака на скорость гидролиза тетраэтоксисилана и характер продуктов реакции.

В гетерогенных системах (например, тетраэтоксисилан - вода) величина поверхности контакта фаз зависит от гидродинамических параметров процесса и, в частности, от эффективности перемешивания фаз. В связи с этим, параметры процесса снимались на установке, включающей реактор с перфорированной мешалкой и регулирующим устройством для изменения числа оборотов в диапазоне 50—200 об/мин., изготовленный из органического стекла и обладал конструкционными особенностями, обеспечивающими проведение процесса в герметичных условиях, исключающих неконтролируемые загрязнения на уровне 10-5—10-6 %% масс. В качестве постоянных параметров при исследовании влияния эффективности перемешивания применялось время контакта фаз (или время перемешивания), время расслаивания фаз, а также концентрации аммиачного раствора в водной фазе, которые принимались соответственно 20 мин., 45мин. и 0,5 %% масс., температура — комнатная. Последовательность операций была следующей. В реактор заливалась аммиачная вода, а затем тетраэтоксисилан в количестве, обеспечивающем возможность изменения соотношения от 2 до 15. Все последующие операции осуществлялись в соответствии с установленными значениями технологических параметров. Экспериментально были найдены зависимости степени извлечения микропримесей от соотношения ТЭОС:NH4OH при различных скоростях перемешивания. В таблицах 1—4

представлены зависимости изменения концентрации микропримесей Fe, Л1, Mg,Ti, вносящих основной вклад в суммарное содержание примесей. Содержание других контролируемых элементов ниже чувствительности метода анализа при любых параметрах процесса, в связи с чем их значения в работе опущены.

Таблица 1

Зависимость содержания железа в ТЭОС от соотношения ТЭ0С:NH40H (а)

Частота оборотов мешалки, об/мин Содержание железа, % Соотношение ТЭ0С:NH40H

210-3 1

610-5 2

50 210-5 5

210-5 11

310-5 14

210-3 1

210-5 2

100 110-5 5

510-5 11

610-5 14

210-3 1

3-10-6 2

150 610-6 5

910-5 11

210-4 14

210-3 1

110-5 2

200 110-5 5

310-5 11

610-5 14

Таблица 2

Зависимость содержания алюминия в ТЭОС от соотношения __________________ ТЭООК^РЩа) _____________________________________

Частота оборотов мешалки, об/мин Содержание алюминия, % Соотношение ТЭ0С:NH40H

510-5 1

910-6 2

50 210-5 5

510-5 11

310-5 14

100 110-4 1

210-5 2

310-5 5

610-5 11

7-10-5 14

110-4 1

210-6 2

150 340-6 5

210-6 11

410-6 14

110-4 1

110-5 2

200 110-5 5

210-5 11

310-5 14

Таблица 3

Зависимость содержания магния в ТЭОС от соотношения ТЭОСгК^РЩд)

Частота оборотов мешалки, об/мин Содержание магния, % Соотношение ТЭ0С:NH40H

210-5 1

110-5 2

50 110-5 5

310-5 11

510-5 14

210-5 1

210-5 2

100 110-5 5

210-5 11

210-5 14

210-5 1

210-6 2

150 340-6 5

610-6 11

910-6 14

Таблица 4

Зависимость содержания титана в ТЭОС от соотношения ТЭОСгК^РЩд)

Частота оборотов мешалки, об/мин Содержание титана, % Соотношение ТЭ0С:NH40H

110-5 1

3-10-6 2

50 210-6 5

3-10-6 11

4^10_6 14

2^10-5 1

840-6 2

200 840-6 5

840-6 11

540-6 14

Основными параметрами, влияющими на степень очистки являются: гидродинамическая обстановка (скорость перемешивания); соотношение ТЭОС:вода; концентрация катализатора (аммиака).

Экспериментальные данные, приведенные в таблицах 1—4, описываются с

помощью уравнений множественной регрессии вида:

2 2 2

Сме=ао+агп+а2-а+аз-Скнз+а4^п +а5.а +аб-С кнз+ау^п-а+ав-Скнз+астп-Скнз (1) Рассматривались четыре лимитирующие примеси А1, Бе, М§, Т1.

После математической обработки по методу наименьших квадратов получены коэффициенты уравнения (1) для описания концентрации отдельных компонентов, а также суммарной концентрации.

Коэффициенты уравнений регрессии приведены в таблице 5. Также в таблице приведены среднеквадратичные отклонения расчетных и экспериментальных данных (а).

Таблица 5

Коэффициенты уравнений регрессии ^__________________

СМе ао^104 аг104 а2-104 а3-104 а^104 аз^04 а6^10 аг104 а8-104 а9-104 а %

СТ1 0,196 -0,171 -0,506 -0,276 0,345 0,254 0,114 0,138 0,181 -0,635 16,2

Са1 -0,554 0,172 -13,8 2,11 2,07 -2,36 2,24 24,8 -1,62 40,2 12,7

СМе -0,487 0,133 31,3 0,854 -2,08 -1,81 7,64 -20,2 -0,551 7,61 18,1

Сге 0,618 -0,671 11,9 -0,338 2,04 -2,83 -2,78 -4,37 0,165 20,6 15,6

2Сме -0,225 -0,536 28,9 2,34 1,18 -6,74 5,21 0,31 -1,82 67,7 15,8

Для определения оптимальных режимных параметров была составлена следующая система дифференциальных уравнений:

^ 2 'П~Ьс1-7 *

< Сме/ 5а=аз+2 а7 'П+аз • а+ад ■ Сыю =0 (2)

Сш/5Сцнз=аз+2• С^щз+ав-а+а^- п=0

Полученные в результате решения системы уравнений (2) координаты точки оптимума (п, а, Скн3) лежат вне рабочей области.

Отсутствие оптимума в реальных интервалах варьирования параметров объясняется монотонной зависимостью степени очистки от концентрации катализатора. Нами выбирается в качестве рабочей концентрация катализатора Скн3=0,5 %. Дальнейшее повышение концентрации катализатора существенно не влияет на степень очистки. С учетом этого система уравнений (2) приводится к виду

Г а^1-2 34-п+а7-0+0,5-39=0

| а2+2а^-а+ау п+0,5-а8=0 (3)

Отсюда, решив систему уравнений оптимальные параметры равны: попт 148, аопт 5,83.

Из приведенных данных видно, что для достижения максимального эффекта очистки соотношение компонентов должно быть а=6±4.

Лучшие результаты по степени очистки получены при п=150 об/мин. Подобный характер изменения эффективности очистки от интенсивности перемешивания фаз (т. е. от числа оборотов мешалки) подтверждает предложенный механизм процесса. Увеличение числа оборотов мешалки приводит к большей диспергации частиц как жидких фаз, так и твердых частиц образующихся поликремневых кислот, а, следовательно, и к большей поверхности контакта. Последнее стимулирует экстракционные и хемосорбционные процессы в данной системе. Понижение степени извлечения примесей при дальнейшей интенсификации перемешивания (выше 150 об/мин мешалки) объясняется недостаточным временем отстоя твердой фазы, вследствие чего микрочастицы осадка, попадая в отбираемую на анализ пробу, увеличивают концентрации микропримеси в очищенном эфире.

Список литературы:

1. Воронков В.Г., Жагата Л.А. Исследования в области алкоксисиланов. XVIII. Щелочной гидролиз триметилэтоксисилана и триметилэтоксиметана. — Ж. общ. Хим., 1967, т. 37, № 5, с. 1156—1160.

2. Воронков В.Г., Жагата Л.А. Сравнительная скорость гидролиза триметилэтоксипроизводных углерода, кремния, германия и олова. — Ж. общ. Хим., 1970, т. 7, с. 1549—1552.

3. Пащенко А.А. Кремнийоргинические покрытия холодного отверждения. — Киев: Вищи школа, 1972. — 78 с.