[发明专利]二氧化碳和水反应合成甲醇工艺及装置

说明书

本发明所属领域是二氧化碳与水反应合成甲醇工艺及装置。

利用二氧化碳和水反应合成甲醇，开发未来燃料及化工原料的竞争十分激烈。目前，利用二氧化碳和水反应合成甲醇的工艺及装置都在探索阶段，世界上只有美国、日本、英国、苏联等国家开展此项研究，实验室中都取得了一定的成果。特别是美国的芝加哥气体研究所，他们应用钌及砷化镓作电极，利用电催化效应使水和二氧化碳反应合成甲醇。虽然，他们取得较好的效果，但还有许多不足：一是电极材料价格昂贵，表面活性不易控制，二是产率不易控制，反应速度较慢。国内，目前只进行过理论研究和分析。

参考资料：“世界发明”86年12期“燃料化工学报”88年1期US4067795，US4565831，US4476249，GB2140801。

本发明的目的是：选择容易得到的电极材料及催化剂，通过电催化、超声波等多种物理、化学效应，来加快反应速度，降低反应压力，提高工艺控制的可靠性。

本发明的原理：二氧化碳气体加压溶于水，形成少量碳酸和气水混合体，使水中含有大量的微粒气泡。水中还含有大量的粉末碳粒和少量的助剂。气水混合体通过反应电极及催化剂层时，发生化学反应合成甲醇，其反应式：

在水中的二氧化碳和助剂存在下，超声波的强空化效应，使水也分解产生氢气和氧气，同时使催化剂上的反应物快速脱离催化剂。

镍基催化剂在电流的存在下，其表面活性很高，使水分解，同时，吸附氢气和一氧化碳、二氧化碳生成甲醇，特别是水中的水合离子，它具有很强的还原性、它可加快水的分解和甲醇的合成。综合利用各种物理的、化学的效应，使二氧化碳和水反应快速合成甲醇。

按此原理在实验室中得到证明原理是可行的，实验室中得到了约95%-100%的甲醇，反应条件：催化剂：镍基催化剂、电流：25-50mA/cm²，压力：7-25kg/cm²、瓶装二氧化碳、助剂：硫酸钠，温度：小于200℃。

结构简图中：1-第一反应电极及催化剂层，2-第二反应电极及催化剂层，3-第三反应电极及催化剂层，4-第四反应电极及催化剂层、5-超声波发生器、6-热电偶、7-热电偶、8-壳体、9-压力表。

本发明的基本工艺流程：

其中的气体清洗是指二氧化碳气体压缩前需清洗精制。

使用的催化剂成分：Ni 15-35%、Fe 20-35%、Cu 10-25%、Zn 10-20%、O₂5-10%，Ti、Co少量、稀土元素15-25%、AL 5-10%。

此工艺流程的工作过程是将净化后的二氧化碳气体加压7-25kg/cm²与水混合进入反应器。气水混合物通过第一反应电极及催化剂层，发生氧化还原反应生成氧离子，氧离子和碳粒反应生成一氧化碳，同时，碳粒与水反应生成氢离子和一氧化碳;第二反应电极及催化剂层的使水分解生成氢离子，水合离子，氢离子与一氧化碳、二氧化碳在电极及催化剂表面合成甲醇。同理，第三，第四反应电极及催化剂层也产生氢离子，水合离子，氢离子与二氧化碳，一氧化碳反应生成甲醇。电极及催化剂得到的电流是50-100mA/cm²，温度：小于200℃。

同时，超声波空化效应，使反应物快速脱离催化剂表面，也使水分解，此时超声波的频率是50-500KHZ。超声波的空化效应提高了催化剂的活性，加速了反应速度。

反应器中，超声波发生器5置于电极及催化剂层1、2与电极及催化剂层3、4之间，热电偶6置于电极及催化剂层1、2之间，热电偶7于电极及催化剂3、4之间。

此工艺流程简单，反应器制造容易，反应压力低，且操作控制容易。使用的二氧化碳气体可以从水泥厂、化肥厂、火力发电站等有二氧化碳的地方提取，利用二氧化碳生产甲醇，即解决了环境污染问题，又解决了化工原料的紧张。采用此工艺流程生产成本很低，设备投资少，建设周期短，经济效果好。