Файл: Андрианов К.А. Технология элементоорганических мономеров и полимеров учеб. пособие.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 182

Скачиваний: 6

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

32

 

Гл.

1. Получение

органохлорсиланов

 

 

Д ля

термического

хлорирования метана

существуют реакторы

и других

конструкций. На рис. 4 изображен более

совершенный

хлоратор.

В начальный период аппарат разогревают, сжигая метан

в топке

8.

По достижении требуемой температуры в аппарате

через

смеситель

1 и трубу

2 подают смесь метана

и хлора,

которые

про­

ходят по центральной трубе 4 сверху вниз, а затем по реакционной камере 6 (между стенками реактора и центральной трубой-диффу­ зором 4) — снизу вверх. Продукты реакции через слой фарфоровой

насадки 3 (кольца

с развитой поверхностью) выходят через штуцер

в верхней крышке

аппарата.

Второй способ получения хлористого метила заключается во взаимодействии метилового спирта и хлористого водорода в при­ сутствии водоотнимающих средств (например, . порошкообразного безводного хлористого алюминия или хлористого цинка на угле):

СН 3

ОН + НС1 — > СН3 С1

 

- н 2 о

Для производства метилхлорсиланов целесообразнее применять хлористый метил, полученный этим способом, так как в таком про­ дукте значительно меньше примесей, тормозящих реакцию прямого

синтеза.

 

 

 

 

 

 

 

Хлористый

метил

представляет собой бесцветный газ с запахом

эфира, горящий бесцветным

пламенем

(т. кип. 24,2 °С;

т.

затв.

— 97,6 °С; плотность при т. кип. 0,992

г/см3; скрытая

теплота

испа­

рения 102,5

ккал/кг).

В 100

г воды растворяется 0,74

г хлористого

метила.

 

 

 

 

 

 

 

Х л о р и с т ы й

э т и л .

Основным промышленным

способом

получения хлористого этила в настоящее время является гидрохло­

рирование

этилена:

 

 

 

С Н 2 = С Н 2 + Н С 1 У С 2 Н 5 С1

Реакцию

обычно

проводят при 15° С в присутствии катализа­

тора — порошкообразного безводного хлористого * алюминия. Ис­ ходные газообразные вещества (хлористый водород и этилен) должны быть тщательно осушены, так как влага гидролизует хлористый алюминий, что увеличивает расход катализатора и вызывает корро­ зию аппаратуры.

Процесс ведут в вертикальном стальном аппарате, заполненном взвесью катализатора в жидком хлористом этиле. Через эту смесь пропускают смесь хлористого водорода и этилена, интенсивно пере­ мешивая содержимое реактора пропеллерной мешалкой. Выделя­

ющееся при реакции

тепло отводится рассолом, циркулирующим

в рубашке реактора.

По мере образования хлористого этила объем

жидкости в аппарате увеличивается, поэтому избыток хлористого этила непрерывно отводится из реакционной зоны. Вытекающий из реактора жидкий хлористый этил, содержащий частицы катализа-


 

Взаимодействие

хлорпроизводных

углеводородов

с кремнием

33

тора и

растворенный

хлористый

водород, испаряют,

промывают

в скруббере 10%-ным раствором щелочи,

высушивают

серной кисло­

той и конденсируют. Реакционные газы,

насыщенные

парами

хло­

ристого

этила, отмывают водой от

хлористого

водорода,

осушают

концентрированной серной кислотой и направляют в абсорбер, где хлористый этил извлекается керосином. Из полученного в абсорбере раствора хлористый этил выделяют отгонкой и последующей кон­ денсацией.

Хлористый этил можно получать также хлорированием этана — процесс ведут в реакторах, используемых для синтеза хлористого метила (см. рис. 3 и 4), применяя в качестве катализатора тетраэтилсвинец. Хлорирование этана осуществляют и в газовой фазе — в псевдоожиженном слое активного угля. Реакция в этом случае проводится при 450 °С и объемном соотношении этан : хлор = 8 : 1 : Этан всту­ пает в реакцию с хлором значительно легче, чем метан, что позволяет использовать для хлорирования даже природный газ, содержащий только 10% этана и 90% метана. В таких условиях этан хлорируется почти полностью, а образование хлорпроизводных метана при этом практически исключается.

Наконец, хлористый этил может быть получен комбинированным способом с применением смеси этана и этилена в качестве исходного сырья. Процесс заключается в сочетании последовательных реак­ ций заместительного хлорирования этана

С 2 Н 6 + С 1 2 — > - С 2 Н Б С 1 + Н С 1

и гидрохлорирования этилена хлористым водородом

С Н 2 = С Н 2 + НС1 —> С2 НВ С1

образующимся в результате протекания первой реакции. Этот спо­ соб более экономичен по сравнению с другими путями получения хлористого этила благодаря более полному использованию хлора и уменьшению капитальных затрат на создание установки для синтеза концентрированного хлористого водорода.

Хлористый

этил

— бесцветная жидкость с приятным

запахом

(т. кип. +12,5

°С;

т.

затв. — 138,7 °С),

горюч. Давление

паров

хлористого этила 1,13

am

при 15 °С. Теплота

испарения 92,3

ккал/кг.

Хорошо растворяется в органических растворителях и ограниченно — в воде (в 100 г воды при 0 °С растворяется 0,45 г хлористого этила).

Х л о р б е н з о л . В настоящее время хлорбензол получают каталитическим хлорированием бензола непрерывным способом:

С 6 Н в + С 1 2 — V С6 Н5 С1

- H C l

Процесс заключается в том, что реакционную массу нагревают примерно до температуры кипения бензола (76—83 °С); бензол подают на хлорирование в избытке. При такой температуре некоторое

3 Заказ 89


34

Гл. 1. Получение

органохлорсиланов

 

количество

образующегося хлорбензола испаряется.

На испаре­

ние расходуется значительное количество реакционного

тепла, кото­

рое при этом интенсивно отводится,

благодаря чему хлораторы, ра­

ботающие при кипении реакционной массы, имеют высокую произ­ водительность. В качестве катализатора применяется хлорное железо в количестве 0,01—0,015% от бензола. Во избежание образования полихлоридов хлорирование бензола проводят не до конца, а оста­ вляют в продуктах реакции 50—68% непрореагировавшего бензола.

Рециркулирцющий

"хлорбензол

В отделение синтеза

В этом случае полихлоридов образуется не более чем 3,5—4,5% от количества полученного хлорбензола.

Хлорирование бензола можно про­ водить в стальной колонне, заполнен­ ной насадкой из стальных и керамиче­ ских колец и футерованной изнутри кислотоупорной плиткой. Верхняя (рас­ ширенная) часть колонны служит брызгоуловителем; бензол и газообраз­ ный хлор подаются в нижнюю часть аппарата.

 

 

 

 

Хлорбензол

— бесцветная подвижная

 

 

 

 

жидкость

со слабым запахом

миндаля

 

 

 

 

(т.

кип.

132,1 °С;

т.

затв. —45,2 °С;

Рис. 5.

Схема

осушки

хлор-

плотность 1,113 г/см3),

горюч. При горе­

нии

выделяются

сажа

и хлористый

бензола:

 

 

 

водород.

 

 

 

 

 

 

 

1, 4 — е м к о с т и ;

і — о с у ш и г е п ь ;

 

 

 

 

 

 

 

Основным

требованием,

предъяв­

3 — ф и л ь т р .

 

 

 

 

 

 

ляемым к

хлористому

 

метилу, хлори-

стому

этилу

и хлорбензолу, является

отсутствие

примесей — по-

бочных

продуктов

и особенно влаги. Попадание

даже

незначи-

тельного количества

влаги

в зону реакции

приводит к

гидролизу

и конденсации продуктов, снижению активности контактной массы или кремне-медного сплава и к затуханию процесса. Поэтому в тех­ нологической схеме прямого синтеза обычно предусматривается установка для обезвоживания алкил- и арилхлоридов. Для этого, например, пропускают хлористый метил или хлористый этил через

колонну,

орошаемую

серной

кислотой, или используют

другие

водоотнимающие средства (прокаленный СаС12 ,

А 1 2 0 3 ) .

является

Для

хлорбензола

хорошим

водоотнимающим

агентом

четыреххлористый кремний. Схема осушки хлорбензола с использо­

ванием четыреххлористого

кремния

приведена на рис. 5.

Хлорбен­

зол со склада поступает в емкость 1,

а оттуда периодически

передав­

ливается азотом (1,7 am)

в осушитель 2 с

мешалкой.

Туда же

подают рециркулирующий

хлорбензол (после

ректификации фенил-

хлорсиланов), содержащий четыреххлористый кремний. Смесь здесь перемешивается при комнатной температуре в течение 15—20 мин.


Взаимодействие

хлорпроизводных

углеводородов с кремнием

35

За это время происходит реакция между четыреххлористым крем­ нием и водой, содержащейся в хлорбензоле, в результате чего выпа­ дает осадок — силикагель:

a?SiCl4 + 2zH 2 0 _ i x U C l - (Si02)x

После этого хлорбензол подвергают отстаиванию в этом же осу­ шителе в течение 2 ч. Осушенный хлорбензол самотеком поступает на фильтр 3 со стеклянной тканью, где он отделяется от силикагеля, и собирается в расходной емкости 4. Оттуда он через сифон в токе азота (1,7 am) направляется в отделение синтеза. Содержание влаги в хлорбензоле (как и в хлористом метиле и в хлористом этиле) не должно превышать 0,02%.

К р е м н е - м е д н ы й с п л а в или механическая смесь крем­ ния и меди (контактная масса), применяемые в прямом синтезе для

получения органогалогенсиланов, состоят из

кремния и

меди.

К р е м н и й — хрупкое темно-серое

кристаллическое

вещество

(т. пл. 1480—1500 °С; плотность 2,49 г/см3).

Для приготовления кон­

тактной массы или кремне-медного сплава

используют

кремний

с различным содержанием примесей, получаемый путем восстанови­ тельной плавки кварцитов. Дополнительной очистке кремний не

подвергается,

поэтому он содержит 1—3% примесей. Для пригото­

вления контактной массы применяют

кремний марок

Кр-0, Кр-1

и Кр-2 с разным содержанием примесей (табл. 3).

 

 

Таблица 3.

Состав кремния различных

марок

 

 

 

 

С о д е р ж а н и е , %

 

К о м п о н е н т ы

 

 

 

 

 

К р - 0

K p - l

К р - 2

Si

 

99,0

98,0

97,0

Примеси

 

 

 

 

AI

 

0,5

0,8

1.2

Ca

 

0,2

0,5

0,8

Fe

 

0,3

0,7

1,0

 

 

1,0

2,0

3,0

Химическая активность контактной массы существенно зависит от чистоты кремния. Сорта чистого кремния ( > 9 9 % Si) обладают меньшей реакционной способностью и поэтому их применять для приготовления контактной массы невыгодно; при использовании же кремния чистотой менее 97% снижается выход основного продукта при прямом синтезе органохлорсиланов.

Размер частиц металлического кремния также оказывает большое влияние на химическую активность контактной массы: в случае грубого помола реакционная способность порошка ниже требуемой,

3*


36 Гл. 1. Получение органохлорсиланов

а при очень тонком помоле реакционная способность резко повы­

шается

и

приходится

интенсивно

отводить тепло из

зоны

реакции.

М е

д ь

в составе

контактной

массы выполняет

роль

катализа­

тора. Чистую медь получают электролизом медного купороса CuS04 . Для прямого синтеза применяется медь двух марок — М0 и M t с содержанием меди 99,95—99,9%. Суммарное содержание примесей (Bi, Sb, As, Fe, N i , Pb, S и др.) не должно превышать 0,05—0,1%. Для обеспечения высокой активности контактной массы необходимо применять медные порошки с хорошо развитой поверхностью. Хоро­ шие результаты при прямом синтезе получаются и при использова­ нии мелкодисперсной меди, приготовленной механическим распыле­ нием медного порошка или осаждением меди из медных солей.

Кремне-медный сплав, применяемый для прямого синтеза органогалогенсиланов, должен обладать высокой активностью и избира­ тельностью. Выход продуктов реакции во многом зависит от содер­

жания

меди в контактной

массе — при

недостаточном

количестве

меди (до 1—2%)

процесс синтеза алкил-

и особенно

арилгалогенси-

ланов

идет медленно. При

увеличении

содержания

меди

до 3—7%

выход

продуктов

реакции

значительно

возрастает. Дальнейшее по­

вышение количества меди (>-10%) не дает увеличения выхода, со­ став же продуктов реакции ухудшается за счет образования соедине­ ний с высоким содержанием хлора (например, SiCl4 , SiHCl3 , RSiClg).

Ниже приведены данные, полученные при использовании для синтеза метилхлорсиланов контактной массы с различным содержа­

нием меди. Количество

метилхлорсиланов

(МХС)

рассчитано в г

на 1 кг контактной массы

в час после протекания реакции на 80% :

Содержание Си,

%

 

2,5

5

10

20

Получено МХС,

гЦкг-ч)

. . . .

230

360

430

430—450

Таким образом, повышение содержания меди сверх 10% не приво­ дит к увеличению выхода метилхлорсиланов и отрицательно ска­ зывается на составе продуктов реакции, что видно из данных рис. 6 и 7. Это, по-видимому, объясняется экранированием поверхности кремния медью.

Аналогичная картина наблюдается и в случае прямого синтеза этилхлорсиланов. Влияние количества меди в контактной массе на

выход и состав этилхлорсиланов

(ЭХС) видно из следующих данных:

Содержание Си, % . .

. .

5

15

30

70

Получено ЭХС, гЦкг-ч)

. .

386

534

485

184

Содержание ( C 2 H 5 ) 2 S i C l 2 ,

%

48

38

24

20

При прямом синтезе фенилхлорсиланов количество меди в кон­ тактной массе должно быть значительно больше,чем в случае синтеза метил- и этилхлорсиланов. Хорошие выходы фенилхлорсиланов до­

стигаются, если в качестве катализатора

использовать серебро (10%

от кремния), однако из-за его

высокой

стоимости и дефицитности

в промышленности применяют

медь.