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Gesponsert von Kaiser Optical Systems, Inc.9.07.2020
Schlüsselthemen
- Hochkorrosives, reaktives und toxisches Reaktionsgemisch
- Zusammensetzung benötigt alle 5 Minuten
- Nachweisgrenzen für Reaktanten und Produkte besser als 1%
Einleitung
Phosphortrichlorid (PCl3) ist ein essentieller Rohstoff bei der Herstellung von Oxyphosphorverbindungen für den gewerblichen Gebrauch., Diese kommerziellen Anwendungen sind sehr vielfältig und können Öl-und Polymeradditive, Phosphatester, Schädlingsbekämpfungsmittelverbindungen, Spezialschmierstoffe und feuerfeste Materialien umfassen. Das Trichlorid wird durch direkte Chlorierung von elementarem weißem Phosphor (P4) hergestellt.
Dieser Prozess ist exotherm und findet als kontinuierliche Reaktion statt. Phosphor wird zu einer kochenden Mischung aus Phosphor und Trichlorid gegeben, während dem Reaktor ein konstanter Chlorstrom zugesetzt wird.
Eine effektive Kontrolle des Phosphor-Chlor-Verhältnisses ist unerlässlich, wenn die Produktausbeute maximiert werden soll., Die richtige Kontrolle stellt auch sicher, dass eine angemessene Wärmemenge erzeugt wird, während die Stöchiometrie für die Trichloridproduktion beibehalten wird. Durch die Reaktion selbst wird genügend Wärme erzeugt, um das Produkt während seiner Bildung zu destillieren.
Auch Vorschub-und Aufheizgeschwindigkeiten sind wichtig, da ein ordnungsgemäßes Management dazu beitragen kann, die Bildung des unerwünschten Nebenprodukts Phosphorpentachlorid (PCl5) zu minimieren. Ein Beispiel für die Reaktorkonfiguration für die PCl3-Produktion ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Reaktor für die PCl3-Produktion. Bildnachweis: 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., Aus diesem Grund muss der Reaktor regelmäßig heruntergefahren werden, um eine Reinigung zu ermöglichen, aber bevor dies geschehen kann, muss das System von dem Pyrophorphosphor gereinigt werden.
Die Reinigung erfolgt durch die Zugabe von gerade genug Chlor, um mit dem Phosphor zu reagieren (gleichzeitig sicherzustellen, dass nicht zu viel zugesetzt wird), um die Bildung von Nebenprodukten zu reduzieren.
Der Chlorfluss sollte an dem Punkt beendet werden, an dem der gesamte Phosphor verbraucht wurde., Um das wesentliche Gleichgewicht bei dieser Reaktion – während der Produktion und während des gesamten Abschaltvorgangs – aufrechtzuerhalten, muss die Reaktion mit einem Werkzeug überwacht werden, das empfindlich auf Änderungen der Zusammensetzung reagiert und eine relativ schnelle Rückmeldung geben kann.
Experiment
Die Grundbestandteile der Reaktion sind hochkorrosiv, chemisch reaktiv und auch unter normalen Bedingungen schwer zu analysieren. Standardlabormethoden für diese Analyse basieren auf Chromatographie oder Nasschemie – einer Titration mit elementarem Brom in einem halogenierten Lösungsmittel.,
Diese Methoden liefern je nach Zustand der Reaktion ein Teilbild und liefern nur Informationen über den Gehalt an freiem Phosphor (Pyrophor, P4). Diese Methoden sind auch zeitaufwendig und arbeitsintensiv, mit keiner Methode, die Messung der Phosphorchloride, PCl5 und PCl3.
Die Reaktionszwischenprodukte, elementares Chlor und Reaktionsprodukte sind alle ätzende, toxische, reaktive Materialien. Außerdem reagiert eine große Anzahl dieser Materialien leicht mit Feuchtigkeit unter Bildung von Salzsäure.,
Dies stellt natürlich besondere Anforderungen an die Beschaffenheit von Materialien, die mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommen. Um diese Risiken zu minimieren, sollte idealerweise innerhalb des Reaktors selbst gemessen werden, wodurch die Notwendigkeit der Materialübertragung entfällt.
Aufgrund dieser Frage der chemischen Reaktivität kann es besonders schwierig sein, das richtige Material für optische Sonden auszuwählen, einschließlich aller Materialien, die bei der Herstellung der Sonde verwendet werden, und aller Fenstermaterialien.,
Alle diese Materialien, einschließlich des Phosphors, besitzen charakteristische Raman-Signaturen mit einzigartigen Bändern, die verwendet werden können, um jede Komponente effektiv zu überwachen. Infrarot-Methoden sind hier nicht praktikabel, zum Teil wegen ihrer Unfähigkeit, elementaren Phosphor zu messen, und zum Teil wegen der Probenahme Herausforderungen, wie das Fehlen einer entfernten Glasfaserschnittstelle.
Ergebnisse und Diskussion
Das Beispiel zeigt Daten, die über ein Kaiser Raman Analysesystem mit einem 785 nm Diodenlaser erfasst wurden., Abbildung 2 zeigt Spektren aus Reaktor-Grade (’schwarz‘) Phosphortrichlorid, mit PCl5 (A) und Phosphor (C) versetzt.
Das 606 cm–1-Band wird zur Überwachung des Vorhandenseins von freiem Phosphor verwendet, während ein Band bei 393 cm-1 für das PCl5 verwendet wird. In diesem Fall wurde eine faseroptische Einfügesonde mit einem 9-um-1-Bündel verwendet; 400 µm innere Faser zur Anregung plus 200 µm äußere Fasern zur Sammlung.,
Es gab einige Störungen durch den Raman-Kieselsäure-Hintergrund von den Fasern, aber dies stellte kein Problem bei der genauen Messung der Phosphor-oder Phosphorchloride dar.
Zusätzlich ist die Silica-Raman-Signatur reproduzierbar genug, um ihre Subtraktion von den gemessenen Spektren des Reaktionsgemisches zu ermöglichen. Gute Qualität, messbare Spektren mit ausreichender Empfindlichkeit können innerhalb eines Zeitraums von 30 Sekunden erhalten werden.,
Schlussfolgerungen
Die Raman-Spektroskopie bietet die einzig mögliche instrumentelle Methode zur Online-Überwachung kontinuierlicher Reaktionen zwischen Phosphor und Chlor bei der Phosphortrichloridbildung.
Keine andere optische Spektroskopie-Technik kann Informationen über die Komponenten von Interesse liefern-P4, PCl3 und PCl5-und gleichzeitig eine einfache Probenahme in dieser nicht idealen, korrosiven und gefährlichen Umgebung gewährleisten.,
Die Technik reagiert in einem entsprechend kurzen Zeitrahmen und liefert ein effektives Feedback für die Steuerung des Prozesses, während sie den Fortschritt der Reaktion anzeigen kann. Es meldet auch die Konzentration jeder der Komponenten mit einer Empfindlichkeit von <1 Gew. -%.1
* Aktuelles Modell ist Raman Rxn2™ Analyzer
Diese Informationen wurden aus Materialien von Kaiser Optical Systems, Inc.bezogen, überprüft und angepasst..
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