氟磷酸鈣和碳反應生成CaO、CO、CaF2 和PO(g)的熱力學(xué)計算
本文對碳熱還原氟磷酸鈣制取PO(g)的反應進(jìn)行熱力學(xué)分析和相應的理論計算，根據計算結果和圖表表明：在常壓下，Ca5(PO4)3F與C反應生成PO(g)的理論最低溫度為2119K，當壓強降至101Pa~102Pa時(shí)的理論最低溫度為1487K~1607K。并且在同一系統壓力下，隨著(zhù)反應溫度升高，Ca5(PO4)3F與C反應生成PO(g)的吉布斯自由能降低。
很多學(xué)者針對磷礦還原方面的研究提出過(guò)不同的機理。江禮科等的研究認為在常壓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)還原反應機理和速率控制步驟的實(shí)驗研究;鮑曉軍等提出了磷礦石的還原機理，認為氟磷酸鈣首先發(fā)生熱分解反應，生成CaO、CaF2、P2O5，然后P2O5在還原下生成磷單質(zhì);張進(jìn)榮等對氟磷酸鈣碳熱還原制備磷過(guò)程的機理進(jìn)行研究，提出了兩種機理,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生成P2，等等。文獻研究氟磷酸鈣通過(guò)碳熱還原反應制磷。氟磷灰石的碳熱還原過(guò)程[8]中會(huì )產(chǎn)生多種中間產(chǎn)物，通過(guò)前人的熱力學(xué)計算得知該反應過(guò)程中的中間產(chǎn)物很快會(huì )與其他物質(zhì)反應。文獻對氟磷酸鈣制取單質(zhì)磷的反應動(dòng)力學(xué)機理進(jìn)行了報道。
李秋霞等研究氟磷酸鈣碳熱還原過(guò)程，在進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬時(shí)發(fā)現：氟磷酸鈣與碳反應過(guò)程中會(huì )形成PO(g)、PO2(g)，然后PO(g)、PO2(g)與C可以發(fā)生一系列反應生成P2(g)、PO(g)。也就是說(shuō)在量子化模擬過(guò)程中，氟磷酸鈣的碳熱還原反應有物質(zhì)PO(g)、PO2(g)生成。之前的學(xué)術(shù)研究并未根據碳熱還原氟磷酸鈣制取PO(g)的反應進(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(guò)程中的壓力和溫度之間的熱力學(xué)關(guān)系。
2、結論
根據吉布斯自由能分別針對碳熱還原氟磷酸鈣法制備PO(g)在不同溫度、不同壓強下進(jìn)行了相關(guān)熱力學(xué)理論計算及分析了相關(guān)反應的理論最低溫度，得到以下結論：
(1)在氟磷酸鈣碳熱還原過(guò)程中，碳直接還原氟磷酸鈣中間生成PO(g)是可能的。該反應中，Ca5(PO4)3F與C反應形成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(guò)程中,Ca5(PO4)3F與C反應形成PO(g)，隨著(zhù)系統壓力的降低，反應的理論最低溫度也隨之降低。
(3)碳熱還原過(guò)程中,Ca5(PO4)3F與C反應形成PO(g)，在同一系統壓力下，溫度升高，反應的吉布斯自由能降低。
(4)碳熱還原過(guò)程中,Ca5(PO4)3F與C反應形成PO(g)，隨著(zhù)系統壓力的降低，反應的吉布斯自由能降低。
