碳回收工程(二氧化碳工業(yè)制乙醇過(guò)程)

1、碳回收工程（二氧化碳工業(yè)制乙醇過(guò)程）作者：江鈴控股有限公司潘俊真任何化學(xué)反應(yīng)都是可逆的，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)處于平衡狀態(tài)時(shí)， 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)方向取決于外界條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。 因此，要形成自然條件下化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的逆反應(yīng)，我們首先要找到該化學(xué)反應(yīng)的平衡點(diǎn)，并在該平衡點(diǎn)下創(chuàng)造有利于逆反應(yīng)進(jìn)行的條件。以下請(qǐng)?jiān)试S我利用一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)方程式，乙醇燃燒的化學(xué)反應(yīng)加以分析說(shuō)明，乙醇燃燒的化學(xué)方程式如下：CHQH + 3a，一點(diǎn)燃一 2CO. f +3"。+ Q一、平衡點(diǎn)狀態(tài)假設(shè)如果我們要找到這個(gè)化學(xué)方程式的平衡點(diǎn)，那么我們需要始終保證該化學(xué)反應(yīng)的初態(tài) 和終態(tài)不變，因此我們假設(shè)該反應(yīng)在一個(gè)恒溫、定壓且

2、不與外界發(fā)生熱交換的容器內(nèi)進(jìn)行。1、我們假設(shè)在該容器中有 0.001mol乙醇和0.003mol的氧氣，環(huán)境溫度為 100度，氣壓為 100KPa （一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），同時(shí)設(shè)該容器此時(shí)的體積為110ml （根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和常溫下氣體體積為22.4L/mol換算而來(lái)，對(duì)于常溫下的液態(tài)物質(zhì)可能有一定誤差）。9 / 8我們已知乙醇的燃燒熱值為1366.8kJ/mol （1366.8kJ/46g ）。因此我們的初態(tài) 為46mg乙醇（其物質(zhì)的量為0.001mol） , 96mgM氣（其物質(zhì)的量為0.003mol）, 氣體的體積約為140ml,氣體壓力為100KPa（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓），氣體的溫度為 100

3、 度（373K）。2、氣體狀態(tài)分析根據(jù)已知，如果這部分可燃混合氣完全燃燒將產(chǎn)生熱量約為： 1.34KJ。由于 假設(shè)條件下這部分物質(zhì)處在密閉容器中且不與外界發(fā)生熱交換。 那么，反應(yīng)產(chǎn)生 的這部分熱量將不對(duì)外做功只對(duì)混合氣體本身做工。氣體膨脹對(duì)外做工有如下公式：在假設(shè)條件下，由于條件為定壓可參考 W2等式對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。因此，在乙醇燃燒的化學(xué)反應(yīng)條件下，由于乙醇燃燒釋放了 1.34KJ的能量, 根據(jù)W=P*XV有：1.34KJ=1*10 5Pa*A VAV=0.0134mf >>140ml故在化學(xué)反應(yīng)的終態(tài)，氣體（理想氣體）的狀態(tài)為：氣壓100KPq體積0.0134m3,溫度：373

4、K,成分：水蒸氣和二氧化碳（實(shí)際上物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)前后混合氣體物質(zhì)的量發(fā)生了變化由0.004mol變成了 0.005mol ,其對(duì)氣體的壓強(qiáng)會(huì)產(chǎn) 生一定的變化，但由于此處為絕熱條件下的氣體狀態(tài)分析， 可以理解為氣體穩(wěn)定 狀態(tài)的最終結(jié)果）。3、乙醇燃燒反應(yīng)的平衡點(diǎn)由于在整個(gè)氣態(tài)變化的過(guò)程中，燃燒產(chǎn)生的熱量被氣體的體積變化（氣體勢(shì)能）完全 吸收，同時(shí)PV/T=Co因此，我們可以通過(guò)這一個(gè)假設(shè)的氣體狀態(tài)去尋找任何一個(gè)現(xiàn)實(shí)生活 中有的氣體狀態(tài)，在這些狀態(tài)下乙醇燃燒的化學(xué)反應(yīng)是處于平衡狀態(tài)的。在這個(gè)平衡狀態(tài)下，我們可以改變外界條件，讓化學(xué)反應(yīng)沿著我們需要的方向進(jìn)行。4、實(shí)際情況由于為了保證燃燒在整個(gè)反應(yīng)中是

5、閉環(huán)的（物質(zhì)和能量都沒(méi)有散失），我們?cè)诶硐霘怏w狀態(tài)下對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了抽象分析，氣體體積由110ml變?yōu)?.0134m3 ,壓強(qiáng)不變的情況 下，體積變化率為123倍，此時(shí)由于分子勢(shì)能以及溫度（分子動(dòng)能）等現(xiàn)實(shí)情況 這個(gè)變化可能現(xiàn)實(shí)生活中并不存在，但我們可以以此推導(dǎo)出現(xiàn)實(shí)存在的狀態(tài)！ 二、二氧化碳和水生成乙醇的逆反應(yīng)1、讓體積變化減少10倍當(dāng)體積降低10被之后，體積變化率為12.3倍，分子距離在12.3倍下勢(shì)能 降低不大，由于PV/T為一個(gè)常數(shù)，P增大10倍，這個(gè)狀態(tài)是存在的。那么只要 我們讓二氧化碳和水蒸氣的混合氣達(dá)到這個(gè)條件，并且這個(gè)條件是處于乙醇燃燒 反應(yīng)的平衡點(diǎn)上，那么二氧化碳和水的逆反應(yīng)

6、就有了產(chǎn)生的條件。2、乙醇燃燒正向反應(yīng)的化學(xué)平衡解釋讓我們?cè)俅位氐交瘜W(xué)反應(yīng)方程式：CHQH + 3a點(diǎn)燃一 2CO. f +3"。+ Q在自然條件下，我們的環(huán)境溫度為 293K,壓強(qiáng)為100KPa,由于上述化學(xué)反應(yīng)方程式的正向反應(yīng)是釋放熱量的。讓我們來(lái)看一下這個(gè)熱量釋放的能量密度：46mg的乙醇就可以產(chǎn)生1.37KJ的熱量，氣體周圍的溫度可以瞬間升到上千度， 此時(shí)我們的大自然在這個(gè)氣壓和溫度 下相當(dāng)于對(duì)該反應(yīng)的極大的冷卻機(jī)構(gòu)， 熱量不斷散失，化學(xué)反應(yīng)不斷往正向反應(yīng)并且十分劇 烈！讓我們?cè)俅芜M(jìn)行一個(gè)假設(shè)！如過(guò)我們將一份的乙醇和三份的氧氣至于完全密閉的容器中，并給它燃燒的溫度條件，在該容

7、器不發(fā)生爆破的情況下，結(jié)果會(huì)是如何呢？結(jié)果就是由于溫度不能及時(shí)散失， 氣體壓強(qiáng)急劇上升， 燃燒只能進(jìn)行一小部分就被迫中止！ 是沒(méi)有足夠 的氧氣嗎？不是！是因?yàn)槿魏位瘜W(xué)反應(yīng)都是可逆的， 外部條件抑制了反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行！ 所以, 在長(zhǎng)期的生活體驗(yàn)中，我們始終認(rèn)為乙醇燃燒是自然的，而二氧化碳和水結(jié)合是不可能的，那是以為我們習(xí)慣性的以我們生存的自然條件作為該化學(xué)反應(yīng)的邊界條件。實(shí)際上，通過(guò)平衡狀態(tài)的等效分析（系統(tǒng)的嫡不發(fā)生任何改變）。我們是可以在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)造處這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的逆條件的！3、逆反應(yīng)的條件通過(guò)等效分析我們找到了一個(gè)可能的逆條件（其實(shí)只要保證平衡假設(shè)中終態(tài)的氣體PV/T為有一個(gè)常數(shù)，這個(gè)

8、條件有無(wú)數(shù)中，我只列舉其中現(xiàn)在最可能實(shí)現(xiàn)工程化生產(chǎn)的）！當(dāng)氣體壓力為1MPa,溫度為373K （100度）以上時(shí)，我們將二氧化碳和水蒸氣置入其中，最終形 成的物質(zhì)狀態(tài)就是我們的平衡點(diǎn)，這些物質(zhì)最后可以仍然是水和二氧化碳，也可能是乙醇和氧氣，但是請(qǐng)記住，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)逆向進(jìn)行時(shí)，他是需要吸熱的，需要大量吸熱（46g乙醇的制取需要1370KJ的熱量，也就是你要將1.37度的電能放入這46g的乙醇當(dāng)中）。所以如果 你創(chuàng)造了逆反應(yīng)產(chǎn)生的條件，但是你不能滿足這個(gè)反應(yīng)熱能的吸收需求，這個(gè)化學(xué)反應(yīng)也不會(huì)進(jìn)行，接下來(lái)我要做的就是：發(fā)明這個(gè)方法，記得不要走開(kāi)哦！4、化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行方向在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)彳T方向圖（P恒定）中

9、，我們有 A、B、C、D四個(gè)狀態(tài)（見(jiàn)下圖圖示）， 他們分別是：A、常溫常壓下，乙醇被點(diǎn)燃釋放熱量形成高溫時(shí)的狀態(tài)；B、（E）混合氣系統(tǒng)內(nèi)總嫡不變的假設(shè)狀態(tài)（我們可以由此推導(dǎo)出適合工業(yè)生產(chǎn)的狀態(tài)， 包括）C常溫下反應(yīng)后要達(dá)到的穩(wěn)定狀態(tài)，成分為二氧化碳和水；D、在平衡狀態(tài)時(shí)（氣體成分為二氧化碳和水蒸氣）強(qiáng)制給以高溫和（同時(shí)適當(dāng)提高壓 力），在溫度“勢(shì)能”的作用下促進(jìn)反應(yīng)向乙醇合成的方向進(jìn)行，合成后強(qiáng)加的高溫（能量）被分子結(jié)構(gòu)吸收；合成乙醇后的穩(wěn)定氣體狀態(tài)。T1500K373K293K三、從二氧化碳到乙醇的工業(yè)化生產(chǎn)1、為什么選擇乙醇進(jìn)行分析其實(shí)我們至少有如下四種化學(xué)反應(yīng)（包括甲醇燃燒，此處未列方程

10、式）可以選擇。但是:當(dāng)氫氣燃燒時(shí)從化學(xué)反應(yīng)方程式可知：3份氣體產(chǎn)生2份氣體（1MPa, 373K條件下，或者氣體水為氣態(tài)的化學(xué)平衡條件下）；當(dāng)甲烷燃燒時(shí)3份氣體產(chǎn)生3份氣體；當(dāng)甲醇燃燒時(shí) 5份氣體產(chǎn)生6份氣體；當(dāng)乙醇燃燒時(shí) 4份氣體產(chǎn)生5份氣體。也就是說(shuō)乙醇進(jìn)行逆反應(yīng)時(shí)， 氣體體積減少的比例最大，為1.25倍（有利于壓強(qiáng)的降低）。所以，如果我們?cè)龃笃胶恻c(diǎn)時(shí)氣體的壓強(qiáng)，最容易產(chǎn)生的將是乙醇。并且，乙醇分子量大，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中我們更容 易實(shí)現(xiàn)收集和利用。2、如何工業(yè)生產(chǎn)為了確保大家能更好的理解，請(qǐng)大家想象自己正置身汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室 中，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的高溫高壓就是我們的 “自然條件”。在這個(gè)“自

11、然條件”下, 我們放入2: 3的二氧化碳和水，但是我們的物質(zhì)狀態(tài)仍然是比較穩(wěn)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級(jí)的乙醇或者甲醇、甲烷、氧氣等物質(zhì)產(chǎn)生。因?yàn)?，在這個(gè)狀態(tài)下發(fā)生制取乙醇的化學(xué)反 應(yīng)還有一個(gè)重要的條件沒(méi)有產(chǎn)生，那就是瞬間吸收大量的熱量！ 那么我們要將氣體再加熱到幾千度嗎？那樣的話需要耗費(fèi)的能耗將急劇上升，我們的制取的乙醇（其實(shí)應(yīng)該是多種產(chǎn)品的混合物，為了方便描述和理解，此處暫 時(shí)只說(shuō)乙醇）固定的能量，比我們花費(fèi)的能量要大的多，那么將失去實(shí)現(xiàn)該反應(yīng) 的意義。但是，我們十分需要這個(gè)反應(yīng)，因?yàn)樗坏梢詫?shí)現(xiàn)碳排放的回收，還 能產(chǎn)生我們急需的新能源物

12、質(zhì)，我們?cè)鯓幼詈玫膩?lái)實(shí)現(xiàn)他呢？答案就是：放電！氣體斗犬態(tài)373K,1.5MPa好了，我們現(xiàn)在的自然條件是乙醇燃燒化學(xué)平衡點(diǎn)狀態(tài)下（且提高了一定的壓力） 的生成物，他們分別是水和二氧化碳，同時(shí)水和二氧化碳結(jié)合生產(chǎn)乙醇需要吸收巨大的能量：1366.8kJ/mol。當(dāng)我們利用火花塞放電時(shí)，此時(shí)在放電周圍將出現(xiàn)瞬間高溫對(duì)這兩種物質(zhì)加 熱，為了重新回到自然狀態(tài)，水和二氧化碳將結(jié)合進(jìn)行降溫，同時(shí)降壓。只要我們不斷的讓混合氣沖入保證容器內(nèi)的壓力，同時(shí)采用許多個(gè)火花塞進(jìn)行放電，那么久會(huì)不斷有乙醇和氧氣產(chǎn)生。由于起初產(chǎn)生的乙醇?xì)怏w和氧氣比較稀薄，在加上“自然條件”下他們已經(jīng)失去反應(yīng)的條件，所以他們不會(huì)重新生產(chǎn)二

13、氧化碳。但是當(dāng)乙醇和氧氣的濃度增大時(shí)就會(huì)抑制反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)也有可能產(chǎn)生臭氧和它物質(zhì)。所以我們要對(duì)氣體進(jìn)行脫氧，并在適當(dāng)時(shí)候?qū)⒒旌蠚怏w排出分離出乙醇。 3、微觀分析也許有人會(huì)問(wèn)，你說(shuō)生成乙醇就會(huì)生成乙醇呀？那么我們來(lái)探討一下火花塞周圍的微觀 物質(zhì)狀態(tài)。由于氣體的壓強(qiáng)和溫度時(shí)均勻的，在火花塞周圍的氣體的狀態(tài)也同樣是1.5MPa,373K。當(dāng)電火花產(chǎn)生時(shí)，由于熱量不能及時(shí)被整個(gè)容器內(nèi)的氣體吸收，我們其實(shí)可以將藍(lán)色圓圈內(nèi)的火花塞周圍的氣體看成是一個(gè)密閉的狀態(tài)，他們處在一個(gè)虛擬的“密閉容器”中，這個(gè)密閉容器內(nèi)的狀態(tài)將是：1.5MPa、1200K（火花塞周圍溫度一般在 900度左右，特殊的可以到達(dá)1500度，我們?nèi)≈虚g值，如果需要我們還可以更大的提高放電值），這個(gè)狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于產(chǎn)生逆反應(yīng)的條件。在自然界中我們其實(shí)有類似的情況，那就是雷電時(shí)空氣中十分穩(wěn)定存在的兩種氣體能夠結(jié)合成氮氧化合物，這也是因?yàn)樵陂W電周圍（微觀）形成了極限條件。而我們這個(gè)人造的極限條件要比這個(gè)反應(yīng)所需條件高5-6倍，所以這個(gè)逆反應(yīng)的進(jìn)行時(shí)必然的！4、模型的風(fēng)險(xiǎn)修正該模型的一處風(fēng)險(xiǎn)就是，也許我們可以得到1.5MPa、373k條件下的二氧化碳（這個(gè)條件只是其中一種情況，實(shí)際情況需要更多實(shí)驗(yàn)來(lái)確定），但是此時(shí)的水永遠(yuǎn)不是氣態(tài)我們?cè)趺崔k？如果那樣的話我們只能讓二氧化碳先存在與容器中，然后在