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Parrainé par le Kaiser Optical Systems, Inc.9 juil 2020
questions clés
- mélange réactionnel hautement corrosif, réactif et toxique
- Composition nécessaire toutes les 5 minutes
- limites de détection des réactifs et des produits supérieurs à 1%
Introduction
le trichlorure de phosphore (PCl3) est une matière première essentielle dans la production de composés oxyphosphorés à usage commercial., Ces utilisations commerciales sont très variées et peuvent inclure des additifs d’huile et de polymère, des esters de phosphate, des composés antiparasitaires, des lubrifiants spéciaux et des matériaux résistants au feu. Le trichlorure est produit par chloration directe du phosphore blanc élémentaire (P4).
ce processus est exothermique, se déroulant sous la forme d’une réaction continue. Le phosphore est ajouté à un mélange bouillant de phosphore et de trichlorure, tandis qu’un flux constant de chlore est ajouté au réacteur.
un contrôle efficace du rapport phosphore / chlore est essentiel si l’on veut maximiser le rendement du produit., Un contrôle approprié garantit également qu’une quantité appropriée de chaleur est générée, tout en maintenant la stœchiométrie pour la production du trichlorure. Suffisamment de chaleur sera générée par la réaction elle-même pour distiller le produit au fur et à mesure de sa formation.
Les vitesses D’alimentation et de chauffage sont également importantes, car une bonne gestion de celles-ci peut aider à minimiser la formation du sous-produit indésirable du pentachlorure de phosphore (PCl5). Un exemple de configuration de réacteur pour la production de PCl3 est illustré à la Figure 1.
la Figure 1. Réacteur pour la production de PCl3. Crédit D’Image: 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., Pour cette raison, le réacteur doit être périodiquement arrêté pour permettre le nettoyage, mais, avant que cela puisse avoir lieu, le système doit être purgé du phosphore pyrophorique.
Le nettoyage est réalisé en ajoutant juste assez de chlore pour réagir avec le phosphore (en veillant simultanément à ce que pas trop est ajouté) afin de réduire toute formation de sous-produit.
le flux de chlore doit être interrompu à l’endroit où tout le phosphore a été consommé., Pour maintenir l’équilibre essentiel dans cette réaction-pendant la production et tout au long du processus d’arrêt – la réaction doit être surveillée avec un outil sensible aux changements de composition et capable de fournir un retour d’information relativement rapide.
expérience
Les ingrédients de base de la réaction sont hautement corrosifs, chimiquement réactifs et difficiles à analyser, même dans des conditions normales. Les méthodes de laboratoire Standard pour cette analyse sont basées sur la chromatographie ou la chimie humide – qui est un titrage avec du brome élémentaire dans un solvant halogéné.,
Ces méthodes fournissent une image partielle en fonction de l’état de la réaction, ne fournissant que des informations sur la teneur en phosphore libre (pyrophorique, P4). Ces méthodes prennent également beaucoup de temps et de main-d’œuvre, aucune des deux méthodes ne permettant de mesurer les chlorures de phosphore, PCl5 et PCl3.
Les intermédiaires de réaction, le chlore élémentaire et les produits de réaction sont tous des matériaux corrosifs, toxiques et réactifs. En outre, un grand nombre de ces matériaux réagissent facilement avec l’humidité pour former de l’acide chlorhydrique.,
ceci, bien sûr, impose des exigences particulières sur la nature des matériaux entrant en contact avec le mélange réactionnel. Afin de minimiser ces risques, la mesure devrait idéalement être effectuée dans le réacteur lui-même, éliminant ainsi tout besoin de transférer le matériau.
en raison de ce problème de réactivité chimique, il peut être particulièrement difficile de choisir le bon matériau pour toutes les sondes optiques, y compris tous les matériaux utilisés dans la fabrication de la sonde et tous les matériaux de fenêtre.,
Tous ces matériaux, y compris le phosphore, possèdent des signatures Raman caractéristiques avec des bandes uniques qui peuvent être utilisées pour surveiller efficacement chaque composant. Les méthodes infrarouges ne sont pas viables ici, en partie à cause de leur incapacité à mesurer le phosphore élémentaire, et en partie à cause des défis d’échantillonnage, tels que l’absence d’une interface à fibre optique à distance.
résultats et Discussion
l’exemple présente ici des données acquises via un système D’analyse Kaiser Raman équipé d’un laser à diode de 785 nm., La Figure 2 montre Les Spectres du trichlorure de phosphore de qualité réacteur (« noir »), enrichi de PCl5 (A) et de phosphore (C).
la bande de 606 cm–1 est utilisée pour surveiller la présence de phosphore libre, tandis qu’une bande de 393 cm–1 est utilisée pour le PCl5. Une sonde d’insertion de fibre optique qui comporte un faisceau de 9 autour de 1 a été utilisée dans ce cas; fibre intérieure de 400 µm pour l’excitation plus fibres extérieures de 200 µm pour la collecte.,
Il y avait une certaine interférence du fond de silice Raman des fibres, mais cela n’a pas posé de problème dans la mesure précise du phosphore ou des chlorures de phosphore.
de plus, la signature de la silice Raman est suffisamment reproductible pour permettre sa soustraction des spectres mesurés du mélange réactionnel. De bonne qualité, des spectres mesurables, avec des niveaux de sensibilité suffisants peuvent être obtenus dans un délai de 30 secondes.,
Conclusions
La spectroscopie Raman fournit la seule méthode instrumentale possible pour la surveillance en ligne des réactions continues entre le phosphore et le chlore dans la formation de trichlorure de phosphore.
aucune autre technique de spectroscopie optique ne peut fournir des informations sur les composants d’intérêt – P4, PCl3 et PCl5 – tout en assurant la facilité d’échantillonnage dans cet environnement non idéal, corrosif et dangereux.,
la technique répond dans un délai suffisamment court, fournissant une rétroaction efficace pour le contrôle du processus, tout en pouvant indiquer l’avancement de la réaction. Il rapporte également la concentration de chacun des composants, avec une sensibilité de <1% en poids.1
* le modèle actuel est l’analyseur Raman rxn2™
Cette information a été obtenue, revue et adaptée à partir de matériaux fournis par Kaiser Optical Systems, Inc..
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