碳回收工程二氧化碳工业制乙醇过程

1、碳回收工程（二氧化碳工业制乙醇过程）作者：江铃控股有限公司 潘俊真任何化学反应都是可逆的， 当化学反应处于平衡状态时， 化学反应的反应方向取决于外 界条件对化学反应的影响。 因此，要形成自然条件下化学反应过程中的逆反应，我们首先要找到该化学反应的平衡点，并在该平衡点下创造有利于逆反应进行的条件。以下请允许我利用一个简单的化学反应方程式， 乙醇燃烧的化学反应加以分析说明， 乙醇燃烧的化学方程式 如下：CHQH + 30.点燃一29 f +3"。+ Q一、平衡点状态假设如果我们要找到这个化学方程式的平衡点，那么我们需要始终保证该化学反应的初态 和终态不变，因此我们假设该反应在一个恒温、定

2、压且不与外界发生热交换的容器内进行。1、我们假设在该容器中有 0.001mol乙醇和0.003mol的氧气，环境温度为 100度，气压为 100KPa （一个标准大气压），同时设该容器此时的体积为110ml （根据标准大气压和常温下气体体积为22.4L/mol换算而来，对于常温下的液态物质可能有一定误差）。我们已知乙醇的燃烧热值为1366.8kJ/mol （1366.8kJ/46g ）。因此我们的初态 为46mg乙醇（其物质的量为0.001mol） , 96mgM气（其物质的量为0.003mol）, 气体的体积约为140ml,气体压力为100KPa（一个标准大气压），气体的温度为 100 度（

3、373KJ 。2、气体状态分析根据已知，如果这部分可燃混合气完全燃烧将产生热量约为： 1.34KJ。由于 假设条件下这部分物质处在密闭容器中且不与外界发生热交换。那么，反应产生的这部分热量将不对外做功只对混合气体本身做工。气体膨胀对外做工有如下公式：在假设条件下，由于条件为定压可参考 W2等式对该问题进行计算。因此，在乙醇燃烧的化学反应条件下，由于乙醇燃烧释放了 1.34KJ的能量, 根据W=P*XV有：1.34KJ=1*10 5Pa*A VAV=0.0134nf >>140ml故在化学反应的终态，气体（理想气体）的状态为：气压100KPa体积0.0134m3,温度：373K,成分

4、：水蒸气和二氧化碳（实际上物质化学反应前后混合气体物质的量发生了变化由0.004mol变成了 0.005mol ,其对气体的压强会产 生一定的变化，但由于此处为绝热条件下的气体状态分析， 可以理解为气体稳定 状态的最终结果）。3、乙醇燃烧反应的平衡点由于在整个气态变化的过程中，燃烧产生的热量被气体的体积变化（气体势能）完全 吸收，同时PV/T=Co因此，我们可以通过这一个假设的气体状态去寻找任何一个现实生活 中有的气体状态，在这些状态下乙醇燃烧的化学反应是处于平衡状态的。在这个平衡状态下，我们可以改变外界条件，让化学反应沿着我们需要的方向进行。4、实际情况由于为了保证燃烧在整个反应中是闭环的（

5、物质和能量都没有散失），我们在理想气体状态下对整个过程进行了抽象分析，气体体积由110ml变为0.0134m3 ,压强不变的情况 下，体积变化率为123倍，此时由于分子势能以及温度（分子动能）等现实情况 这个变化可能现实生活中并不存在，但我们可以以此推导出现实存在的状态！ 二、二氧化碳和水生成乙醇的逆反应1、让体积变化减少10倍当体积降低10被之后，体积变化率为12.3倍，分子距离在12.3倍下势能 降低不大，由于PV/T为一个常数，P增大10倍，这个状态是存在的。那么只要 我们让二氧化碳和水蒸气的混合气达到这个条件，并且这个条件是处于乙醇燃烧 反应的平衡点上，那么二氧化碳和水的逆反应就有了产

6、生的条件。2、乙醇燃烧正向反应的化学平衡解释让我们再次回到化学反应方程式：CHQH + 3a点燃一 2CO. f +3"。+ Q在自然条件下，我们的环境温度为 293K,压强为100KPa,由于上述化学反应方程式的正向反应是释放热量的。让我们来看一下这个热量释放的能量密度：46mg的乙醇就可以产生1.37KJ的热量，气体周围的温度可以瞬间升到上千度， 此时我们的大自然在这个气压和温度 下相当于对该反应的极大的冷却机构， 热量不断散失，化学反应不断往正向反应并且十分剧 烈！让我们再次进行一个假设！如过我们将一份的乙醇和三份的氧气至于完全密闭的容器中，并给它燃烧的温度条件，在该容器不发生

7、爆破的情况下，结果会是如何呢？结果就是由于温度不能及时散失， 气体压强急剧上升， 燃烧只能进行一小部分就被迫中止！ 是没有足够 的氧气吗？不是！是因为任何化学反应都是可逆的， 外部条件抑制了反应的继续进行！ 所以, 在长期的生活体验中，我们始终认为乙醇燃烧是自然的，而二氧化碳和水结合是不可能的，那是以为我们习惯性的以我们生存的自然条件作为该化学反应的边界条件。实际上，通过平衡状态的等效分析（系统的嫡不发生任何改变）。我们是可以在现有的技术基础上创造处这个化学反应的逆条件的！3、逆反应的条件通过等效分析我们找到了一个可能的逆条件（其实只要保证平衡假设中终态的气体PV/T为有一个常数，这个条件有无

8、数中，我只列举其中现在最可能实现工程化生产的）！当气体压力为1MPa,温度为373K （100度）以上时，我们将二氧化碳和水蒸气置入其中，最终形 成的物质状态就是我们的平衡点，这些物质最后可以仍然是水和二氧化碳，也可能是乙醇和氧气，但是请记住，当化学反应逆向进行时，他是需要吸热的，需要大量吸热（46g乙醇的制取需要1370KJ的热量，也就是你要将1.37度的电能放入这46g的乙醇当中）。所以如果 你创造了逆反应产生的条件，但是你不能满足这个反应热能的吸收需求，这个化学反应也不会进行，接下来我要做的就是：发明这个方法，记得不要走开哦！4、化学反应进行方向在化学反应进彳T方向图（P恒定）中，我们有

9、 A、B、C、D四个状态（见下图图示）， 他们分别是：A、常温常压下，乙醇被点燃释放热量形成高温时的状态；B、（E）混合气系统内总嫡不变的假设状态（我们可以由此推导出适合工业生产的状态， 包括）C常温下反应后要达到的稳定状态，成分为二氧化碳和水；D、在平衡状态时（气体成分为二氧化碳和水蒸气）强制给以高温和（同时适当提高压 力），在温度“势能”的作用下促进反应向乙醇合成的方向进行，合成后强加的高温（能量）被分子结构吸收；合成乙醇后的稳定气体状态。T1500K373K293K三、从二氧化碳到乙醇的工业化生产1、为什么选择乙醇进行分析其实我们至少有如下四种化学反应（包括甲醇燃烧，此处未列方程式）可以

10、选择。但是:当氢气燃烧时从化学反应方程式可知：3份气体产生2份气体（1MPa, 373K条件下，或者气体水为气态的化学平衡条件下）；当甲烷燃烧时3份气体产生3份气体；当甲醇燃烧时 5份气体产生6份气体；当乙醇燃烧时 4份气体产生5份气体。也就是说乙醇进行逆反应时， 气体体积减少的比例最大，为 1.25倍（有利于压强的降低）。所以，如果我们增大平衡点 时气体的压强，最容易产生的将是乙醇。并且，乙醇分子量大，在实际工业生产中我们更容 易实现收集和利用。2、如何工业生产为了确保大家能更好的理解，请大家想象自己正置身汽车发动机的燃烧室 中，发动机燃烧室的高温高压就是我们的 “自然条件”。在这个“自然条

11、件”下, 我们放入2: 3的二氧化碳和水，但是我们的物质状态仍然是比较稳定的（需要 吸收能量），比如：水依然是水，二氧化碳依然是二氧化碳，只有ppm级的乙醇或者甲醇、甲烷、氧气等物质产生。因为，在这个状态下发生制取乙醇的化学反 应还有一个重要的条件没有产生，那就是瞬间吸收大量的热量！ 那么我们要将气体再加热到几千度吗？那样的话需要耗费的能耗将急剧上升，我们的制取的乙醇（其实应该是多种产品的混合物，为了方便描述和理解，此处暂 时只说乙醇）固定的能量，比我们花费的能量要大的多，那么将失去实现该反应 的意义。但是，我们十分需要这个反应，因为它不但可以实现碳排放的回收，还 能产生我们急需的新能源物质，

12、我们怎样最好的来实现他呢？答案就是：放电！气体斗犬态373K,1.5MPa好了，我们现在的自然条件是乙醇燃烧化学平衡点状态下（且提高了一定的压力） 的生成物，他们分别是水和二氧化碳，同时水和二氧化碳结合生产乙醇需要吸收巨大的能量：1366.8kJ/mol。当我们利用火花塞放电时，此时在放电周围将出现瞬间高温对这两种物质加 热，为了重新回到自然状态，水和二氧化碳将结合进行降温，同时降压。只要我们不断的让混合气冲入保证容器内的压力，同时采用许多个火花塞进行放电，那么久会不断有乙醇和氧气产生。由于起初产生的乙醇气体和氧气比较稀薄，在加上“自然条件”下他们已经失去反应的条件，所以他们不会重新生产二氧化

13、碳。但是当乙醇和氧气的浓度增大时就会抑制反应的进行，同时也有可能产生臭氧和它物质。所以我们要对气体进行脱氧，并在适当时候将混合气体排出分离出乙醇。 3、微观分析也许有人会问，你说生成乙醇就会生成乙醇呀？那么我们来探讨一下火花塞周围的微观 物质状态。由于气体的压强和温度时均匀的，在火花塞周围的气体的状态也同样是1.5MPa,373K。当电火花产生时，由于热量不能及时被整个容器内的气体吸收，我们其实可以将蓝色圆圈内的火花塞周围的气体看成是一个密闭的状态，他们处在一个虚拟的“密闭容器”中，这个密闭容器内的状态将是：1.5MPa、1200K（火花塞周围温度一般在 900度左右，特殊的可以到达1500度，我们取中间值，如果需要我们还可以更大的提高放电值），这个状态远远高于产生逆反应的条件。在自然界中我们其实有类似的情况，那就是雷电时空气中十分稳定存在的两种气体能够结合成氮氧化合物，这也是因为在闪电周围（微观）形成了极限条件。而我们这个人造的极限条件要比这个反应所需条件高5-6倍，所以这个逆反应的进行时必然的！4、模型的风险修正该模型的一处风险就是，也许我们可以得到1.5MPa、373k条件下的二氧化碳（这个条件只是其中一种情况，实际情况需要更多实验来确定），但是此时的水永远不是气态我们怎么办？如果那样的话我们只能让二氧化碳先存在与容器中，然后在