真空蒸馏法制备高纯金属钙的热力学及工艺研究
The Thermodynamic and Process of Preparation of High Purity Calcium by Vacuum Distillation
高纯钙是原子工业及高端电子技术领域重要的基础原材料,目前国产高纯钙产品纯度不高且批次质量不稳定,严重限制了相关产业的发展.因此,有必要对高纯钙制备技术进行系统的研究,促进相关工业的发展,保障我国重要领域需求.本文对制备金属钙的常用技术进行了分析比较,对真空蒸馏法制备高纯钙的设备结构与材质、工艺条件进行了系统研究.通过热力学计算指导了蒸馏工艺的制定和设备结构设计,通过工艺实验确定了设备结构与材质、工艺参数.主要研究内容如下:第一,通过对金属钙与各杂质元素的沸点、饱和蒸气压,以及分离系数的分析比较,从理论上判断了各杂质元素与主体金属钙分离的可能性与难易程度.杂质元素Mg的去除是真空蒸馏提纯金属钙的关键,其余元素均与主体金属钙较易分离且最终残留在坩埚底部.初步确定,高纯钙真空蒸馏提纯可通过预蒸馏和蒸馏两个步骤实现:预蒸馏在600~700℃温度范围内进行,以实现杂质元素Mg与主体金属Ca的分离,Mg冷凝去除温度小于400℃;蒸馏在800-900℃温度范围内进行,以实现主体金属Ca与其余杂质元素的分离,在550~600℃实现主体金属Ca的冷凝收集.蒸馏过程进行之前,系统真空度应保持在10-3-10-2Pa,以消除真空度对蒸馏过程的影响,并最大程度阻止气体杂质元素的引入.第二,结合实验室现有设备,自行设计制造了高纯钙真空蒸馏装置,蒸馏装置上盖设计成"凹"型结构,同时兼有冷凝器的作用.整个上盖可分为两个功能区,一为上盖上端,用以收集沸点较低、饱和蒸气压较高的杂质元素Mg;一为上盖凹处,在凹处设置有冷凝板,用以收集主体金属钙.该装置具有结构简单、易于拆卸、维护简便、取样便利等优点.实验证明,所设计的真空蒸馏装置能有效实现主体金属钙与其余各杂质元素的分离与收集,具有良好的分离效果.第三,对蒸馏装置材质选择进行了实验研究.结果表明,蒸馏罐内壁镀Cr能有效阻止设备材质对高纯钙产品的污染,且制作成本较低,易于投入工业使用.第四,对理论分析所得的实现高纯钙真空蒸馏提纯的两个步骤:预蒸馏和蒸馏过程分别独立进行实验研究,确定了预蒸馏和蒸馏工艺条件.其中预蒸馏温度为700℃,预蒸馏时间为40分钟,Mg冷凝温度小于400℃;蒸馏温度为850℃,蒸馏时间60分钟,Ca收集温度550~600℃.在上述工艺条件下,杂质元素Mg含量由0.028%降低至0.001%左右,蒸馏回收率达到80%以上.最后,为符合工业生产的要求,对实验获得的蒸馏工艺进行了验证实验.验证实验中,不再将预蒸馏和蒸馏过程分开来独立进行,而是联合起来在一炉中顺序进行.实验结果表明,经过一次真空蒸馏,即可使高纯钙纯度由99%提升至99.998%,且气体含量较低(C含量<0.002%,N含量<0.002%,O含量为0.012%),金属钙活性达到99.50%.
- 作者：
- 胡志方
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 专业名称：
- 有色金属冶金
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2013年
- 导师姓名：
- 王力军
- 中图分类号：
- TF827.1
- 关键词：
- 高纯钙；提纯；真空蒸馏；热力学；动力学
- high purity calcium；purification；vacuum distillation；thermodynamic；dynamic