无水氯化铝在真空条件下的升华研究

　　当前铝工业生产普遍采用电解法。在电解法不断被完善的同时,冶金工作者也一直在努力寻求新的铝的生产方法^[1-4] 。人们很早就发现了低价金属铝的歧化反应现象,在歧化反应应用于铝冶金的方面做了许多研究工作^[5-14] 。近年来,真空冶金的推广使用促使歧化反应在铝冶金中的应用再次被重视起来^{[15 - 19 ]} 。真空热还原-卤化-歧化反应炼铝的研究取得了一定的成果^[17-19] 。几种铝的低价化合物中氯化物最有应用前景。氯化铝升华点低,可以实现与铝的分开冷凝,可能实现半连续作业。且以氯化铝为氯化剂,可以实现循环作业,理论上氯化铝在反应流程中可以反复使用。

　　氯化铝作为一种反应物,其分压是影响真空热还原-卤化-歧化反应的一个重要条件。因此,如何控制氯化铝进入反应体系的速率也就成为一个必须要解决的问题。在影响氯化铝升华速率的可能因素中,温度是最为重要的一个条件。前人的文献中仅见到Philipp Gross 明确指出三氯化铝的升华温度选择为120℃^[5] ,真空技术网的另外位投稿作者王平艳在操作步骤中提到三氯化铝升华温度为183℃^[18] 。本文研究了在一定的其他条件下,温度对氯化铝升华速率的影响规律。

1、升华实验

1.1、实验设备

　　使用专门为研究真空碳热还原-卤化-歧化生产铝的工艺特别设计的三段式加热的真空实验炉,如图1 所示。使得氯化铝挥发研究实验条件与生产铝工艺研究条件基本一致。

图1 　真空炉示意图

　　真空泵功率:0.25kW 　抽速:1L/s 　石墨管内径:25mm

1.2、实验原料

　　无水氯化铝:为分析纯化学试剂

1.3、实验方法

　　把5g无水三氯化铝加入到最下端的石墨筒中,抽真空至1Pa时,对最下端石墨件升温至一定的温度,保温一定的时间,停止加热,降温至70℃左右,取出未升华挥发的无水三氯化铝,称重。

　　由于氯化铝具有强烈的吸水性,附着在石墨件内壁的氯化铝会吸收空气中的水分,影响下次的实验。下次实验前需对石墨件在真空条件下升温至300℃加热处理,使吸水后的氯化铝分解、石墨件上吸附的水分挥发。

2、实验结果与讨论

2.1、三氯化铝在真空条件下的挥发规律

　　无水三氯化铝在常压下的升华温度为183℃,真空条件下其升华温度降低。我们计算了在不同的温度下三氯化铝的蒸汽压如表1。

表1 　无水三氯化铝在不同温度下的蒸汽压

　　当体系的真空度达到三氯化铝的蒸汽压时,开始升华。从表1 可见,温度越低,蒸汽压越低。所以真空度越高,开始升华的温度越低。真空炉中,无水三氯化铝在稍高于室温条件后即开始升华,高于50℃后升华速度加快。我们在不同的温度下进行实验,所得结果如图2所示。80℃保温10min ,升华出去的氯化铝为52 % ,130 ℃保温10min ,升华出去的氯化铝达68% ,180℃保温10min,挥发量已接近80%。所以,在进行歧化法炼铝的研究时,氯化铝的升华温度应保持在80 ℃左右,根据所需氯化铝流量的大小适当提高或降低升华温度。但不应该高于130℃、低于50℃。还应注意氯化铝升华时,随着时间的延长,升华速率降低。在130 ℃、180 ℃、220 ℃下延长升华时间为60min、120min 时都不能使三氯化铝升华挥发完全,残余三氯化铝的质量都为0.5g。

图2 　残余物的质量随升华时间的变化