氟磷酸鈣與碳反應(yīng)生成CaO、CO(g)、CaF2和PO2(g)的熱力學(xué)

　　本文對反應(yīng)2Ca5 (PO4)3F+3C=9CaO+3CO(g)+CaF2+6PO2 (g)進行了系統(tǒng)的熱力學(xué)分析。研究結(jié)果表明：不同壓力下，Ca5 (PO4)3F 與C 反應(yīng)生成PO2 (g)的理論起始溫度不同，隨著壓力的下降起始溫度降低。當(dāng)壓力為105 Pa 時，生成PO2 (g)的理論起始溫度為2662 K；當(dāng)體系壓力降至10 Pa 時，反應(yīng)理論起始溫度為1897 K。

　　磷礦石的主要成分為磷灰石，學(xué)名氟磷酸鈣，在高溫和高壓下都比較穩(wěn)定。工業(yè)上利用氟磷酸鈣與碳的熱還原反應(yīng)來制取磷單質(zhì)。關(guān)于氟磷酸鈣與碳的還原反應(yīng)，很多學(xué)者進行了研究。在氟磷酸鈣碳熱還原制取磷單質(zhì)的反應(yīng)機理方面，鮑曉軍等認(rèn)為氟磷酸鈣首先發(fā)生熱分解反應(yīng)，生成：CaO，CaF2，P2O5，然后P2O5 在C 還原下生成磷單質(zhì)。張進榮江禮科等也對氟磷酸鈣碳熱還原制備磷過程的機理進行研究，提出了兩種機理，認(rèn)為在常壓1400 ℃條件下，碳直接還原氟磷灰石是非常困難的且其反應(yīng)難以控制。李秋霞等提出用真空法直接從磷礦石中制備磷，從熱力學(xué)角度討論了氟磷酸鈣碳熱還原過程中各反應(yīng)的可行性及反應(yīng)起始溫度；采用從頭算分子動力學(xué)模擬方法對氟磷酸鈣碳熱還原的反應(yīng)機理進行了初步的研究；同時運用實驗探索了氟磷酸鈣碳熱還原的過程及添加SiO2 對還原率的影響等。在前期量子化學(xué)模擬計算中發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)過程中有PO2(g)和PO(g)等物質(zhì)出現(xiàn)。本文針對2Ca5 (PO4 )3F+3C=9CaO+3CO(g)+CaF2+6PO2 (g)進行熱力學(xué)分析。

　　結(jié)論

　　通過對反應(yīng)氟磷酸鈣與碳反應(yīng)生成氧化鈣、一氧化碳、氟化鈣和二氧化磷進行熱力學(xué)分析，計算反應(yīng)在不同壓力、不同溫度下的吉布斯自由能，進而分析了壓力對反應(yīng)最低溫度的影響，得到以下結(jié)論：

　　(1)同一系統(tǒng)溫度下，壓力越小，反應(yīng)吉布斯自由能越小。

　　(2)同一系統(tǒng)壓力下，溫度越高，反應(yīng)吉布斯自由能越小。

　　(3)壓力對反應(yīng)氟磷酸鈣與碳反應(yīng)生成氧化鈣、一氧化碳、氟化鈣和二氧化磷的最低反應(yīng)溫度有較大影響。常壓下，反應(yīng)的理論起始反應(yīng)溫度為2662 K，當(dāng)壓強減小為10 Pa 時，反應(yīng)的理論起始反應(yīng)溫度是1897 K。壓力降低，反應(yīng)的理論起始溫度明顯減小。