精品文檔碳回收工程（二氧化碳工業制乙醇過程）作者：江鈴控股有限公司 潘俊真任何化學反應都是可逆的，當化學反應處于平衡狀態時，化學反應的反應方向取決于外界條件對化學反應的影響。因此，要形成自然條件下化學反應過程中的逆反應，我們首先要找到該化學反應的平衡點，并在該平衡點下創造有利于逆反應進行的條件。以下請允許我利用一個簡單的化學反應方程式，乙醇燃燒的化學反應加以分析說明，乙醇燃燒的化學方程式如下：1、 平衡點狀態假設 如果我們要找到這個化學方程式的平衡點，那么我們需要始終保證該化學反應的初態和終態不變，因此我們假設該反應在一個恒溫、定壓且不與外界發生熱交換的容器內進行。1、 我們假設在該容器中有0.001mol乙醇和0.003mol的氧氣，環境溫度為100度，氣壓為100KPa（一個標準大氣壓），同時設該容器此時的體積為110ml（根據標準大氣壓和常溫下氣體體積為22.4L/mol換算而來，對于常溫下的液態物質可能有一定誤差）。我們已知乙醇的燃燒熱值為1366.8kJ/mol（1366.8kJ/46g）。因此我們的初態為46mg乙醇（其物質的量為0.001mol），96mg氧氣（其物質的量為0.003mol），氣體的體積約為140ml，氣體壓力為100KPa（一個標準大氣壓），氣體的溫度為100度（373K）。2、 氣體狀態分析根據已知，如果這部分可燃混合氣完全燃燒將產生熱量約為：1.34KJ。由于假設條件下這部分物質處在密閉容器中且不與外界發生熱交換。那么，反應產生的這部分熱量將不對外做功只對混合氣體本身做工。氣體膨脹對外做工有如下公式：在假設條件下，由于條件為定壓可參考W2等式對該問題進行計算。因此，在乙醇燃燒的化學反應條件下，由于乙醇燃燒釋放了1.34KJ的能量，根據W=P*V有：1.34KJ=1*10Pa*VV=0.0134m140ml故在化學反應的終態，氣體（理想氣體）的狀態為：氣壓100KPa，體積0.0134m，溫度：373K,成分：水蒸氣和二氧化碳（實際上物質化學反應前后混合氣體物質的量發生了變化由0.004mol變成了0.005mol，其對氣體的壓強會產生一定的變化，但由于此處為絕熱條件下的氣體狀態分析，可以理解為氣體穩定狀態的最終結果）。3、 乙醇燃燒反應的平衡點 由于在整個氣態變化的過程中，燃燒產生的熱量被氣體的體積變化（氣體勢能）完全吸收，同時PV/T=C。因此，我們可以通過這一個假設的氣體狀態去尋找任何一個現實生活中有的氣體狀態，在這些狀態下乙醇燃燒的化學反應是處于平衡狀態的。在這個平衡狀態下，我們可以改變外界條件，讓化學反應沿著我們需要的方向進行。4、 實際情況由于為了保證燃燒在整個反應中是閉環的（物質和能量都沒有散失），我們在理想氣體狀態下對整個過程進行了抽象分析，氣體體積由110ml變為0.0134m，壓強不變的情況下，體積變化率為123倍，此時由于分子勢能以及溫度（分子動能）等現實情況這個變化可能現實生活中并不存在，但我們可以以此推導出現實存在的狀態！2、 二氧化碳和水生成乙醇的逆反應1、讓體積變化減少10倍當體積降低10被之后，體積變化率為12.3倍，分子距離在12.3倍下勢能降低不大，由于PV/T為一個常數，P增大10倍，這個狀態是存在的。那么只要我們讓二氧化碳和水蒸氣的混合氣達到這個條件，并且這個條件是處于乙醇燃燒反應的平衡點上，那么二氧化碳和水的逆反應就有了產生的條件。2、 乙醇燃燒正向反應的化學平衡解釋 讓我們再次回到化學反應方程式：在自然條件下，我們的環境溫度為293K,壓強為100KPa，由于上述化學反應方程式的正向反應是釋放熱量的。讓我們來看一下這個熱量釋放的能量密度：46mg的乙醇就可以產生1.37KJ的熱量，氣體周圍的溫度可以瞬間升到上千度，此時我們的大自然在這個氣壓和溫度下相當于對該反應的極大的冷卻機構，熱量不斷散失，化學反應不斷往正向反應并且十分劇烈！讓我們再次進行一個假設！如過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，在該容器不發生爆破的情況下，結果會是如何呢？結果就是由于溫度不能及時散失，氣體壓強急劇上升，燃燒只能進行一小部分就被迫中止！是沒有足夠的氧氣嗎？不是！是因為任何化學反應都是可逆的，外部條件抑制了反應的繼續進行！所以，在長期的生活體驗中，我們始終認為乙醇燃燒是自然的，而二氧化碳和水結合是不可能的，那是以為我們習慣性的以我們生存的自然條件作為該化學反應的邊界條件。實際上，通過平衡狀態的等效分析（系統的熵不發生任何改變）。我們是可以在現有的技術基礎上創造處這個化學反應的逆條件的！3、 逆反應的條件通過等效分析我們找到了一個可能的逆條件（其實只要保證平衡假設中終態的氣體PV/T為有一個常數，這個條件有無數中，我只列舉其中現在最可能實現工程化生產的）！當氣體壓力為1MPa，溫度為373K（100度）以上時，我們將二氧化碳和水蒸氣置入其中，最終形成的物質狀態就是我們的平衡點，這些物質最后可以仍然是水和二氧化碳，也可能是乙醇和氧氣，但是請記住，當化學反應逆向進行時，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的乙醇當中）。所以如果你創造了逆反應產生的條件，但是你不能滿足這個反應熱能的吸收需求，這個化學反應也不會進行，接下來我要做的就是：發明這個方法，記得不要走開哦！4、化學反應進行方向在化學反應進行方向圖（P恒定）中，我們有A、B、C、D四個狀態（見下圖圖示），他們分別是：A、 常溫常壓下，乙醇被點燃釋放熱量形成高溫時的狀態；B、 (E)混合氣系統內總熵不變的假設狀態（我們可以由此推導出適合工業生產的狀態，包括）C、 常溫下反應后要達到的穩定狀態，成分為二氧化碳和水；D、 在平衡狀態時（氣體成分為二氧化碳和水蒸氣）強制給以高溫和（同時適當提高壓力），在溫度“勢能”的作用下促進反應向乙醇合成的方向進行，合成后強加的高溫（能量）被分子結構吸收；合成乙醇后的穩定氣體狀態。T通過高溫是反應向逆方向進行1500KDAE373K平衡狀態，任何混合狀態均不產生化學移動B溫度勢能促使正反應進行C293K0.134mV反應進行方向圖3、 從二氧化碳到乙醇的工業化生產1、為什么選擇乙醇進行分析其實我們至少有如下四種化學反應（包括甲醇燃燒，此處未列方程式）可以選擇。但是：當氫氣燃燒時從化學反應方程式可知：3份氣體產生2份氣體（1MPa，373K條件下，或者氣體水為氣態的化學平衡條件下）；當甲烷燃燒時3份氣體產生3份氣體；當甲醇燃燒時5份氣體產生6份氣體；當乙醇燃燒時4份氣體產生5份氣體。也就是說乙醇進行逆反應時，氣體體積減少的比例最大，為1.25倍（有利于壓強的降低）。所以，如果我們增大平衡點時氣體的壓強，最容易產生的將是乙醇。并且，乙醇分子量大，在實際工業生產中我們更容易實現收集和利用。2、 如何工業生產為了確保大家能更好的理解，請大家想象自己正置身汽車發動機的燃燒室中，發動機燃燒室的高溫高壓就是我們的“自然條件”。在這個“自然條件”下，我們放入2：3的二氧化碳和水，但是我們的物質狀態仍然是比較穩定的（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級的乙醇或者甲醇、甲烷、氧氣等物質產生。因為，在這個狀態下發生制取乙醇的化學反應還有一個重要的條件沒有產生，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？那樣的話需要耗費的能耗將急劇上升，我們的制取的乙醇（其實應該是多種產品的混合物，為了方便描述和理解，此處暫時只說乙醇）固定的能量，比我們花費的能量要大的多，那么將失去實現該反應的意義。但是，我們十分需要這個反應，因為它不但可以實現碳排放的回收，還能產生我們急需的新能源物質，我們怎樣最好的來實現他呢？答案就是：放電！ 氣體狀態373K,1.5MPa好了，我們現在的自然條件是乙醇燃燒化學平衡點狀態下（且提高了一定的壓力）的生成物，他們分別是水和二氧化碳，同時水和二氧化碳結合生產乙醇需要吸收巨大的能量：1366.8kJ/mol。當我們利用火花塞放電時，此時在放電周圍將出現瞬間高溫對這兩種物質加熱，為了重新回到自然狀態，水和二氧化碳將結合進行降溫，同時降壓。只要我們不斷的讓混合氣沖入保證容器內的壓力，同時采用許多個火花塞進行放電，那么久會不斷有乙醇和氧氣產生。由于起初產生的乙醇氣體和氧氣比較稀薄，在加上“自然條件”下他們已經失去反應的條件，所以他們不會重新生產二氧化碳。但是當乙醇和氧氣的濃度增大時就會抑制反應的進行，同時也有可能產生臭氧和它物質。所以我們要對氣體進行脫氧，并在適當時候將混合氣體排出分離出乙醇。3、 微觀分析也許有人會問，你說生成乙醇就會生成乙醇呀？那么我們來探討一下火花塞周圍的微觀物質狀態。由于氣體的壓強和溫度時均勻的，在火花塞周圍的氣體的狀態也同樣是1.5MPa，373K。當電火花產生時，由于熱量不能及時被整個容器內的氣體吸收，我們其實可以將藍色圓圈內的火花塞周圍的氣體看成是一個密閉的狀態，他們處在一個虛擬的“密閉容器”中，這個密閉容器內的狀態將是：1.5MPa、1200K(火花塞周圍溫度一般在900度左右，特殊的可以到達1500度，我們取中間值，如果需要我們還可以更大的提高放電值)，這個狀態遠遠高于產生逆反應的條件。在自然界中我們其實有類似的情況，那就是雷電時空氣中十分穩定存在的兩種氣體能夠結合成氮氧化合物，這也是因為在閃電周圍（微觀）形成了極限條件。而我們這個人造的極限條件要比這個反應所需條件高5-6倍，所以這個逆反應的進行時必然的！4、 模型的風險修正該模型的一處風險就是，也許我們可以得到1.5MPa、373k條件下的二氧化碳（這個條件只是其中一種情況，實際情況需要更多實驗來確定），但是此時的水永遠不是氣態我們怎么辦？如果那樣的話我們只能讓二氧化碳先存在與容器中，然后在火花塞放電時將水以霧狀噴入，這樣整個反應速率將降低許多。另外一種方法就是適當的提高氣體溫度和降低氣體壓力，尋找一個最適合的反應點。4、 工業流程圖好了，寫到這里本論文也就差不多結