氟磷酸鈣和碳反應(yīng)生成CaO、CO、CaF2 和PO(g)的熱力學(xué)計(jì)算
本文對(duì)碳熱還原氟磷酸鈣制取PO(g)的反應(yīng)進(jìn)行熱力學(xué)分析和相應(yīng)的理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和圖表表明：在常壓下，Ca5(PO4)3F與C反應(yīng)生成PO(g)的理論最低溫度為2119K，當(dāng)壓強(qiáng)降至101Pa~102Pa時(shí)的理論最低溫度為1487K~1607K。并且在同一系統(tǒng)壓力下，隨著反應(yīng)溫度升高，Ca5(PO4)3F與C反應(yīng)生成PO(g)的吉布斯自由能降低。
很多學(xué)者針對(duì)磷礦還原方面的研究提出過不同的機(jī)理。江禮科等的研究認(rèn)為在常壓1400℃條件下，碳直接還原氟磷灰石是非常困難的;李秋霞等提出用真空法直接從磷礦石中制備磷;邱禮有等進(jìn)行了以氟磷酸鈣、分析純二氧化硅和試劑級(jí)活性炭的粉粒做成型料進(jìn)行氟磷灰石熱炭固態(tài)還原反應(yīng)機(jī)理和速率控制步驟的實(shí)驗(yàn)研究;鮑曉軍等提出了磷礦石的還原機(jī)理，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在還原下生成磷單質(zhì);張進(jìn)榮等對(duì)氟磷酸鈣碳熱還原制備磷過程的機(jī)理進(jìn)行研究，提出了兩種機(jī)理,一種是直接生成P2、CaO、Co、CaF2，另一種是先生成中間產(chǎn)物Ca3P2和CaC2，然后Ca3P2和CaC2又分別與氟磷酸鈣反應(yīng)生成P2，等等。文獻(xiàn)研究氟磷酸鈣通過碳熱還原反應(yīng)制磷。氟磷灰石的碳熱還原過程[8]中會(huì)產(chǎn)生多種中間產(chǎn)物，通過前人的熱力學(xué)計(jì)算得知該反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物很快會(huì)與其他物質(zhì)反應(yīng)。文獻(xiàn)對(duì)氟磷酸鈣制取單質(zhì)磷的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了報(bào)道。
李秋霞等研究氟磷酸鈣碳熱還原過程，在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)發(fā)現(xiàn)：氟磷酸鈣與碳反應(yīng)過程中會(huì)形成PO(g)、PO2(g)，然后PO(g)、PO2(g)與C可以發(fā)生一系列反應(yīng)生成P2(g)、PO(g)。也就是說在量子化模擬過程中，氟磷酸鈣的碳熱還原反應(yīng)有物質(zhì)PO(g)、PO2(g)生成。之前的學(xué)術(shù)研究并未根據(jù)碳熱還原氟磷酸鈣制取PO(g)的反應(yīng)進(jìn)行深入的熱力學(xué)探討。本文研究氟磷酸鈣提煉磷生成PO(g)過程中的壓力和溫度之間的熱力學(xué)關(guān)系。
2、結(jié)論
根據(jù)吉布斯自由能分別針對(duì)碳熱還原氟磷酸鈣法制備PO(g)在不同溫度、不同壓強(qiáng)下進(jìn)行了相關(guān)熱力學(xué)理論計(jì)算及分析了相關(guān)反應(yīng)的理論最低溫度，得到以下結(jié)論：
(1)在氟磷酸鈣碳熱還原過程中，碳直接還原氟磷酸鈣中間生成PO(g)是可能的。該反應(yīng)中，Ca5(PO4)3F與C反應(yīng)形成PO(g)，105Pa、104Pa、103Pa、102Pa、101Pa的理論最低溫度分別為2119K、1915K、1747K、1607K、1487K。
(2)碳熱還原過程中,Ca5(PO4)3F與C反應(yīng)形成PO(g)，隨著系統(tǒng)壓力的降低，反應(yīng)的理論最低溫度也隨之降低。
(3)碳熱還原過程中,Ca5(PO4)3F與C反應(yīng)形成PO(g)，在同一系統(tǒng)壓力下，溫度升高，反應(yīng)的吉布斯自由能降低。
(4)碳熱還原過程中,Ca5(PO4)3F與C反應(yīng)形成PO(g)，隨著系統(tǒng)壓力的降低，反應(yīng)的吉布斯自由能降低。
