Szilikonolaj tisztítási folyamatának megoldása

1. A szilikonolaj bemutatása

A szilikonolaj olyan folyékony poliorganosziloxánokat jelöl, amelyek fő láncában Si-O-Si kötés található. A dimetil-szilikonolaj a leggyakoribb típusa. Színtelen és átlátszó, fiziológiailag inaktív, ellenáll a magas és alacsony hőmérsékletnek, szigetelő és vízreppelő tulajdonságú, valamint stabil viszkozitású. Széles körben használják ipari hőátadó közegként, műanyagok kioldószereként, napihasználati kozmetikumok simító alapanyagaként, valamint elektronikai szigetelő impregnáló folyadékként, így kielégíti több iparág termelési igényeit.

2. A szilikonolaj tisztításának négy fő problémája és a molekuláris desztilláció megoldási logikája

Probléma 1: A szilikonolaj nagy mennyiségű alacsony molekulatömegű ciklikus sziloxán szennyeződést (D4/D5/D6 stb.) tartalmaz, amelyeket a hagyományos desztilláció nem tud teljesen eltávolítani, és ez súlyosan csökkenti a termék minőségét

A szilikonolaj polimerizációja egy megfordítható egyensúlyi reakció. A késztermékek természetesen 12–14%-os mennyiségű alacsony molekulatömegű ciklikus sziloxánokat (D3–D20), reakcióba nem lépett monomereket, oldószereket és rövidláncú, alacsony molekulatömegű sziloxánokat tartalmaznak.

Alacsony minőségű szilikonolaj: A hagyományos vákuumos desztilláció csak részben távolítja el a könnyű kis molekulákat, így a maradék illékony anyag mennyisége 1–3% között mozog.

Kiváló minőségű alkalmazások (elektronika, orvosi kezelések, optika) szigorú követelményeket támasztanak az alacsony molekulatömegű maradékokra (≤100 ppm). A maradék kis molekulák folyamatosan illanak, ami elektronikus érintkezők szigetelésének meghibásodását, lencsék bepárásodását és emberi testre gyakorolt irritációt okozhat a gyógyászati implantátumokból történő leülepedés miatt.

A hagyományos desztilláció hiányosságai: A szétválasztás kizárólag a forráspontok különbségén alapul. A nagy molekulatömegű ciklikus sziloxánok forráspontja meghaladja a 400 °C-ot, míg a hagyományos vákuumos oszlopok maximális fűtési hőmérséklete 250 °C, így a gőzölés és a szétválasztás lehetetlen, és ezért nagy mennyiségű szennyeződés marad vissza.

Célzott megoldási logika

A molekuláris desztilláció a szétválasztást nem csupán a forráspontok, hanem a molekulák átlagos szabad úthosszának különbségén alapozza meg:

A berendezés nagyon magas vákuumot (0,001–1 Pa) tart fenn, amely jelentősen megnöveli az anyagmolekulák átlagos szabad úthosszát.

A könnyű komponens kis molekulái kilépnek, és közvetlenül a beépített kondenzátorba repülnek visszanyerés céljából; a nagymolekulás szilikonolaj rövid átlagos szabad úthossz miatt nem éri el a kondenzációs felületet, hanem a fűtött falon lecsurog, mint késztermék.

A többfokozatú molekuláris desztilláció csökkentheti az alacsony molekulatömegű szennyező anyagokat 100 ppm alá, és csökkentheti a летilis anyagok mennyiségét 1,5%-ról kevesebb mint 0,3%-ra, így megfelel az elektronikai és gyógyszeripari minőségű termékek szigorú tisztasági követelményeinek.

Probléma 2: A szilikonolaj hőérzékeny polimer; a hosszabb ideig tartó magas hőmérsékleten történő fűtés miatt bomlás, oxidáció, keresztkötés és elszíneződés léphet fel, és a szilikonolaj Si–O főlánca hajlamos megtörni magas hőmérsékleten.

Amikor a hőmérséklet 260 °C fölé emelkedik, és a tartózkodási idő hosszú, a molekuláláncok megtörnek, és több kis molekula keletkezik, ami végleges viszkozitás- és stabilitásromlást eredményez a termékben.

A maradék nyomokban fennálló savas vagy lúgos katalizátorok magas hőmérséklet hatására fordított polimerizációt és a szilikonolaj folyamatos lebomlását indítják el.

A levegővel való érintkezés magas hőmérsékleten oxidációt okoz, amely sárgás színűvé és kevésbé átlátszóvá teszi a termékeket, ezzel elveszítve a prémium minőségű termékek értékét.

A hagyományos vákuumos rektifikáció statikusan felhalmozódó anyagokat tart vissza a reaktorban, a fűtési idő több tíz perc. A magas forráspontú szennyeződések elpárologtatásához a hőmérsékletet 240–280 °C-ra kell emelni, ami jelentős hőbomlást és oxidációt eredményez az anyagokban, és romlik a késztermék minősége.

Célzott megoldási logika

Alacsony hőmérsékleten történő szétválasztás: A nagy vákuum 80–150 °C-kal csökkenti a szükséges szétválasztási hőmérsékletet a hagyományos desztillációhoz képest, messze a szilikonolaj hőbomlási kritikus hőmérséklete alatt.

Rendkívül rövid fűtési időtartam: A kaparó mechanikusan ultra vékony (0,01–0,1 mm) folyadékréteget képez, és az anyagok csak néhány másodpercig – legfeljebb tíz másodpercnél hosszabb ideig – maradnak a fűtési zónában, így gyakorlatilag nincs kockázata a hőbomlásnak.

Teljesen zárt, nagy vákuumos, oxigénmentes környezet, amely kizárja a levegő oxidáló hatását, és teljes mértékben megőrzi a késztermék átlátszóságát és hőállóságát.

Fájdalmas pont 3: A szilikonolaj magas viszkozitású; a hagyományos berendezések rendkívül alacsony hőátviteli hatékonyságot biztosítanak, ami miatt gyakran lokális túlmelegedés és habképződés lép fel

A közepes és magas viszkozitású szilikonolaj rossz folyóképességgel rendelkezik, és a hagyományos vákuumreaktorok valamint a töltött oszlopok súlyos hiányosságokkal bírnak:

A vastag anyagok rossz hőátvitelt eredményeznek, lokális túlmelegedést és kokszosodást okoznak a reaktor alján, és a falon keletkező kokszosodott anyagok szennyezik a termékeket.

A fűtés és forralás során nagy mennyiségű hab keletkezik, és a hab makromolekuláris szilikonolajat visz magával a lepárlati frakcióba, ami drasztikusan csökkenti a késztermék kibocsátását.

A kis molekulák diffúziós sebessége a statikus folyadékfázisban lassú a folyadékfelszín felé, ami alacsony szétválasztási hatékonysághoz vezet, így 3–5-szörös újratárazásra van szükség, amely megduplázza az energiafelhasználást és a munkaerő-költségeket.

Célzott megoldási logika

Kényszerített fólia-képzés kaparással: A rotor nagy sebességgel kaparja az anyagot, hogy egyenletes, ultra vékony folyadékréteget hozzon létre az elpárologtató belső falán, így a hő- és anyagátadás hatékonyságát több tucatnyi százalékkal növeli anélkül, hogy helyi magas hőmérsékletű forró foltok keletkeznének.

Forráspont nélküli szétválasztás: A molekuláris desztilláció a szabad felületi párolgásra támaszkodik, amely nem jár heves forrással vagy habzásával, így kizárja a makromolekulás szilikonolaj hab általi behordását, és stabilizálja a végtermék kibocsátását 95%-nál magasabb szinten.

Az ultra vékony folyadékréteg gyorsítja a kis molekulák diffúzióját és elpárolgását; egyetlen szétválasztási ciklus során ugyanazt a tisztítási hatást érhetjük el, mint a hagyományos berendezések 3–5-szörös rektifikációjával, ami jelentősen lerövidíti a folyamatot.

Fájdalmas pont 4: A hagyományos tisztítási folyamatok alacsony kihozatali arányt, nehéz melléktermék-visszanyerést, erős környezetvédelmi terhelést és magas költségeket jelentenek

A hagyományos rektifikációban fellépő ismétlődő magas hőmérsékletű repedés jelentős szilikonolaj-bontást okoz, a fő termék kibocsátása csupán 70–80%.

Az eltávolított ciklikus sziloxánok (pl. D4/D5) értékes nyersanyagok, de a hagyományos tornyok alacsony elválasztási tisztaságot nyújtanak, így újrahasznosításuk lehetetlen. Csak veszélyes hulladékként kezelhetők, ami nyersanyag-pazarlást és magas szilárd hulladék-kezelési költségeket eredményez.

Egyes eljárások vízmosást és oldószeres extrakciót igényelnek az impuritások eltávolításához, amely nagy mennyiségű sótartalmú szerves szennyvizet és magas környezetvédelmi kezelési költségeket eredményez.

Célzott megoldási logika

Az alacsony hőmérséklet és a rövid fűtési idő minimálisra csökkenti a hő okozta károsodást, a szilikonolaj fő termék kibocsátása ≥92%.

A könnyű komponensek kis molekulái külön kondenzálódnak és gyűjtődnek. A magas tisztaságú D4/D5 közvetlenül visszavezethető a polimerizációs folyamatba újrahasznosítás céljából, javítva ezzel a nyersanyag-hatékonyságot.

Tiszta fizikai szétválasztás oldószer hozzáadása nélkül, az egész folyamat során nem keletkezik szennyvíz, így leegyszerűsödnek a poszt-feldolgozási környezetvédelmi eljárások.

Folyamatos és automatizált gyártás érhető el. A tömeges vákuumreaktorokhoz képest az energiafelhasználás és a munkaerő-költség egységnyi termékre vonatkozóan jelentősen csökken.