氟磷酸钙与碳反应生成CaO、CO(g)、CaF2和PO2(g)的热力学

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)云南师范大学化学化工学院 作者:李秋霞

  本文对反应2Ca5 (PO4)3F+3C=9CaO+3CO(g)+CaF2+6PO2 (g)进行了系统的热力学分析。研究结果表明:不同压力下,Ca5 (PO4)3F 与C 反应生成PO2 (g)的理论起始温度不同,随着压力的下降起始温度降低。当压力为105 Pa 时,生成PO2 (g)的理论起始温度为2662 K;当体系压力降至10 Pa 时,反应理论起始温度为1897 K。

  磷矿石的主要成分为磷灰石,学名氟磷酸钙,在高温和高压下都比较稳定。工业上利用氟磷酸钙与碳的热还原反应来制取磷单质。关于氟磷酸钙与碳的还原反应,很多学者进行了研究。在氟磷酸钙碳热还原制取磷单质的反应机理方面,鲍晓军等认为氟磷酸钙首先发生热分解反应,生成:CaO,CaF2,P2O5,然后P2O5 在C 还原下生成磷单质。张进荣江礼科等也对氟磷酸钙碳热还原制备磷过程的机理进行研究,提出了两种机理,认为在常压1400 ℃条件下,碳直接还原氟磷灰石是非常困难的且其反应难以控制。李秋霞等提出用真空法直接从磷矿石中制备磷,从热力学角度讨论了氟磷酸钙碳热还原过程中各反应的可行性及反应起始温度;采用从头算分子动力学模拟方法对氟磷酸钙碳热还原的反应机理进行了初步的研究;同时运用实验探索了氟磷酸钙碳热还原的过程及添加SiO2 对还原率的影响等。在前期量子化学模拟计算中发现,反应过程中有PO2(g)和PO(g)等物质出现。本文针对2Ca5 (PO4 )3F+3C=9CaO+3CO(g)+CaF2+6PO2 (g)进行热力学分析。

  结论

  通过对反应氟磷酸钙与碳反应生成氧化钙、一氧化碳、氟化钙和二氧化磷进行热力学分析,计算反应在不同压力、不同温度下的吉布斯自由能,进而分析了压力对反应最低温度的影响,得到以下结论:

  (1)同一系统温度下,压力越小,反应吉布斯自由能越小。

  (2)同一系统压力下,温度越高,反应吉布斯自由能越小。

  (3)压力对反应氟磷酸钙与碳反应生成氧化钙、一氧化碳、氟化钙和二氧化磷的最低反应温度有较大影响。常压下,反应的理论起始反应温度为2662 K,当压强减小为10 Pa 时,反应的理论起始反应温度是1897 K。压力降低,反应的理论起始温度明显减小。

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