Yerli bor karbürden bor triklorür üretimi
The production of boron trichloride from native boron carbide
Yazar: OSMAN CİHAN DEMİRHAN
Danışman: PROF. DR. İSMAİL DUMAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Yerli bor kaynakları kullanılarak üretimi hedeflenen BCl3 gazı ile hem bir ileri teknoloji bor ürünü üretilmiş, hem de başka ileri teknoloji ürünlerinin üretimi için önemli bir altyapı malzemesi elde edilmiştir. Günümüzde ticari olarak tanımlanan BCl3 gazında empürite olarak fosgen ppm mertebesinde istenmektedir. BCl3 üretimi sırasında hammaddelerde, veya deney sisteminde oksijen bulunması durumunda fosgen oluşmaktadır. Bünyesinde çok düşük miktarlarda fosgen bulunduran ve fosgen free olarak adlandırılan BCl3 gazı üretimi için, bor kaynağı olarak oksijen içermeyen hammadde seçilmesi gerekmektedir. Hammaddeler genel olarak oksitli (B2O3, H3BO3?), karbürlü (B4C) ve borürlü (TiB2, CaB6?) olmak üzere üç gruba ayrılır.Yerli kaynaklardan elde edilmiş düşük oksijenli B4C ile gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda, klorinasyon sıcaklığı arttırıldığında, fosgen oluşumunun azaldığı ve bor triklorürün fosgen free olarak tanımlanan safiyet değerlerine ulaştığı tespit edilmiştir.Deneysel çalışmalar, 3 ayrı deney düzeneği ile gerçekleştirilmiştir. Sistemler geliştirilirken bir önceki sistemin eksikliklerinin giderilmesine ve ayrıca endüstriyel pilot boyuta yakınlaşmaya önem verilmiştir. Deneysel çalışmalarda tane boyutu, klor debisi, sıcaklık, toz yığın yüksekliği parametre olarak incelenmiştir. Tane boyutunun reaksiyon verimini arttırdığı ancak klor debisini kısıtladığı; sıcaklığın verimi arttırdığı, fosgen ve karbon tetraklorür oluşumunu azalttığı; toz yığın yüksekliğinin verimi arttırdığı ancak sistem içi basıncın aşırı yükselmesine yol açtığı saptanmıştır.Deneysel çalışmalar sırasında bir yandan FTIR kullanarak kalitatif ve kantitatif analizler yapılabilmesi için diğer yandan da üretim miktarının volumetrik olarak izlenmesini sağlayan sistem geliştirilmiştir. BCl3 gazından fosgen giderimi ve çok saf BCl3 eldesi, CO2 lazer uyarımı ile gerçekleştirilebilmektedir. Ancak, yüksek sıcaklıklarda fosgen free BCl3 üretiminin yapılabildiği belirlenmiş ve bu yolla lazerli saflaştırma işlemininyükü en aza indirilmiştir.Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen bilgiler doğrultusunda ticari fosgen free olarak adlandırılan BCl3 saflığında gaz üretimi gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The production of boron trichloride as a high-tech product as well as an important infrastructure material for the production of high tech materials is aimed by using native boron sources of Turkey. Today, phosgene as an impurity in commercial BCl3 gas is tolerated in ppm order. During the production of BCl3, the phosgene is formed in case of presence of oxygen in the raw materials or inside of the experimental setup. For the production of BCl3 with very low phosgene impurity, named phosgene free, boron sources have to be selected from law oxygen containing materials. Raw materials in general are separated in tree groups: Oxide (B2O3, H3BO3?), carbide (B4C) and boride (TiB2, CaB6?). In experimental studies using B4C produced from native sources and with low oxygen; it is found that with increased chlorination temperature, the formation of phosgene decreases to the purity values of phosgene free boron trichloride.Experimental studies were carried out with tree different set-up?s. During the development of systems, attention is paid to remedy the deficiencies of previos systems and also to draw the dimensions near the industrial pilot. In experimental studies, grain size, chlorine flow rate, temperature and heap height of the reaction bed were examined as parameters. Grain size increases the efficiency of the reaction, but limits the chlorine flow rate; temperature increases the yield and reduces the formation of phosgene and carbon tetrachloride; heap height of the reaction bed also increases the efficiency, while the internal pressure of the system gets extremly high.A new system has been developed, which affords on the one hand the qualitative and quantitative FTIR analysis in running process and on the other hand the volumetric monitoring of product mass. The decomposition and elimination of phosgene in BCl3 and the production of high purity BCl3 can be done by CO2 laser stimulation. However, the production of phosgene free BCl3 can be obtained at elevated temperatures and thereby the burden of the lazer purification operation is minimized. As a result of experimental studies and by means of gained knowledge, the production of commercial phosgene free BCl3 is realized.