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Patrocinado por Kaiser Sistemas Ópticos, Inc.Jul 9 2020
cuestiones clave
- mezcla de reacción altamente corrosiva, reactiva y tóxica
- composición necesaria cada 5 minutos
- límites de detección para reactivos y productos mejores que 1%
Introducción
El tricloruro de fósforo (PCL3) es una materia prima esencial en la producción de compuestos oxifosforados para uso comercial., Estos usos comerciales son muy variados y pueden incluir aditivos de aceites y polímeros, ésteres de fosfato, compuestos de control de plagas, lubricantes especiales y materiales resistentes al fuego. El tricloruro se produce a través de la cloración directa de fósforo blanco elemental (P4).
este proceso es exotérmico, teniendo lugar como una reacción continua. El fósforo se agrega a una mezcla hirviendo de fósforo y tricloruro, mientras que un flujo constante de cloro se agrega al reactor.
el control efectivo de la relación fósforo-cloro es esencial para maximizar el rendimiento del producto., El control adecuado también garantiza que se genere una cantidad adecuada de calor, al tiempo que se mantiene la estequiometría para la producción del tricloruro. La reacción generará suficiente calor para destilar el producto a medida que se forma.
Las tasas de Alimentación y calentamiento también son importantes, ya que una gestión adecuada de éstas puede ayudar a minimizar la formación del subproducto indeseable pentacloruro de fósforo (PCL5). En la Figura 1 se muestra un ejemplo de configuración del reactor para la producción de PCl3.
Figura 1. Reactor para producción de PCl3. Crédito De La Imagen: Kaiser Optical Systems, Inc.,9b0f433a0″>
| PCl3 + Cl2 → PCl5 + Heat | Byproduct |
| P4 + 6PCl5 → 10PCl3 + Heat | Uncontrolled heating |
Contaminants will build up over time, largely introduced via the phosphorus feed., Debido a esto, el reactor debe apagarse periódicamente para permitir la limpieza, pero, antes de que esto pueda tener lugar, el sistema debe purgarse del fósforo pirofórico.
La limpieza se realiza mediante la adición de suficiente cloro para reaccionar con el fósforo (asegurando simultáneamente que no se agregue demasiado) con el fin de reducir la formación de subproductos.
el flujo de cloro debe ser terminado en el punto donde todo el fósforo ha sido consumido., Para mantener el equilibrio esencial en esta reacción, durante la producción y durante todo el proceso de apagado, la reacción debe monitorizarse con una herramienta que sea sensible a los cambios en la composición y capaz de proporcionar una retroalimentación relativamente rápida.
experimento
los ingredientes básicos de la reacción son altamente corrosivos, químicamente reactivos y difíciles de analizar, incluso cuando se trabaja en condiciones normales. Los métodos de laboratorio estándar para este análisis se basan en cromatografía o química húmeda – que es una titulación con bromo elemental en un disolvente halogenado.,
estos métodos proporcionan una imagen parcial dependiendo de la condición de la reacción, solo proporcionando información sobre el contenido de fósforo libre (pirofórico, P4). Estos métodos también consumen mucho tiempo y mano de obra, ya que ninguno de los dos métodos proporciona la medición de los cloruros de fósforo, PCl5 y PCl3.
los intermedios de reacción, el cloro elemental y los productos de reacción son todos materiales corrosivos, tóxicos y reactivos. Además, un gran número de estos materiales reaccionará fácilmente con la humedad para formar ácido clorhídrico.,
esto, por supuesto, impone exigencias particulares a la naturaleza de cualquier material que entre en contacto con la mezcla de reacción. Para minimizar estos riesgos, lo ideal es que la medición se realice dentro del propio reactor, eliminando cualquier necesidad de transferir el material.
debido a este problema de reactividad química, puede ser especialmente difícil seleccionar el material adecuado para cualquier sonda óptica, incluidos los materiales utilizados en la fabricación de la sonda y cualquier material de ventana.,
todos estos materiales, incluido el fósforo, poseen firmas Raman características con bandas únicas que se pueden emplear para monitorear efectivamente cada componente. Los métodos infrarrojos no son viables aquí, en parte debido a su incapacidad para medir el fósforo elemental, y en parte debido a los desafíos de muestreo, como la falta de una interfaz de fibra óptica remota.
resultados y discusión
el ejemplo aquí presenta datos que se adquirieron a través de un sistema analizador Kaiser Raman equipado con un láser de diodo de 785 nm., La figura 2 muestra los espectros del tricloruro de fósforo de grado reactor («negro»), enriquecido con PCl5 (A) y fósforo (C).
la banda de 606 cm-1 se utiliza en el monitoreo de la presencia de fósforo libre, mientras que una banda de 393 cm–1 se utiliza para el PCl5. En este caso se empleó una sonda de inserción de fibra óptica que cuenta con un paquete de 9-alrededor-1; fibra interna de 400 µm para excitación más fibras externas de 200 µm para recolección.,
hubo alguna interferencia del fondo de sílice Raman de las fibras, pero esto no planteó un problema en la medición precisa del fósforo o cloruros de fósforo.
Además, la firma Raman de sílice es lo suficientemente reproducible como para permitir su resta de los espectros medidos de la mezcla de reacción. Se pueden obtener espectros medibles de buena calidad, con niveles suficientes de sensibilidad en un plazo de 30 segundos.,
conclusiones
la espectroscopia Raman proporciona el único método instrumental viable para el monitoreo en línea de reacciones continuas entre fósforo y cloro en la formación de tricloruro de fósforo.
ninguna otra técnica de espectroscopia óptica puede proporcionar información sobre los componentes de interés – P4, PCl3 y PCl5-al tiempo que garantiza la facilidad de muestreo en este entorno No ideal, corrosivo y peligroso.,
la técnica responde en un tiempo convenientemente corto, proporcionando retroalimentación efectiva para el control del proceso, al tiempo que es capaz de indicar el progreso de la reacción. También reporta la concentración de cada uno de los componentes, con una sensibilidad de < 1% en peso.1
* el modelo actual es el analizador Raman rxn2™
esta información ha sido obtenida, revisada y adaptada de materiales proporcionados por Kaiser Optical Systems, Inc..
para obtener más información sobre esta fuente, visite Kaiser Optical Systems, Inc..
