温室气体CO2的化学利用方案设计开题报告

1. 研究目的与意义

全球工业化进程的加快使二氧化碳排放量越来越大并给环境带来危害，因此世界各国十分重视开发相应的二氧化碳回收以及净化和再利用技术。而二氧化碳又是含碳化合物1的最终氧化物，它在自然界的储量非常丰富，是最大的碳源，大气中以及地壳中以碳酸盐形式存在的二氧化碳的碳含量，是目前地球上已探明煤和石油储量的1000倍以上，是一种廉价的碳资源。大气中二氧化碳含量的增加也导致了地球上热量难以及时释放，使地球表面温度升高，从而严重影响了生态系统的原有平衡，导致了温室效应和气候问题。在这种情况下，降低大气中的二氧化碳含量已经是迫在眉睫，而起途径主要有这么几条：①开发新能源，降低化石和生物质的燃烧利用；②二氧化碳捕集并进行地质封存；③二氧化碳的化学利用。在这几种途径中，短时期内，新能源不可能替代化石燃料，二氧化碳的地质封存技术及后期影响还有待于研究，而对二氧化碳的化学转化研究已有了长足进展，未来二氧化碳的化学利用将是降低二氧化碳排放量的一个重要途径。

火力发电厂是二氧化碳排放大户，排放量约占总量的50%。该研究利用二氧化碳和环氧丙烷合成10万吨/年碳酸丙烯酯，有效提高了资源的综合利用水平,同时利用二氧化碳合成碳酸丙烯酯，还能够减少二氧化碳气体排放量、减少地球温室效应，对解决日趋严重的地球发热问题，具有十分重要的现实意义。碳酸丙烯酯是一种高效溶剂和优良抽提剂，性质稳定、无毒、纯的溶剂对碳钢设备没有腐蚀，它对高分子化合物具有良好的溶解能力。目前最受人重视的是用来脱除天然气、石油裂解气、油田气、合成氨变换气中的二氧化碳和硫化氢，效果显著。在电子工业上可作高能电池及电容器的优良介质，在高分子工业上可作聚合物的溶剂和增塑剂等。也可以作油性溶剂以及烯烃和芳烃的萃取剂。在纺织工业上可用作合成纤维的助剂和固定剂、纺丝溶剂或水溶剂染料颜料分散剂；此外，它还是一种用途极其广泛的有机合成原料和中间体，如酯交换法生产碳酸二甲酯的原料。

碳的捕集、储存及利用（ccs）技术可以在源头捕集co₂并将其封储在存储设备中，有效提高了资源的综合利用水平,同时利用二氧化碳合成碳酸丙烯酯，还能够减少二氧化碳气体排放量、减少地球温室效应，对解决日趋严重的地球发热问题，具有十分重要的现实意义。

2. 国内外研究现状分析

co₂是污染环境的废气，但是从另一个层面上看，co₂是一种相当宝贵的资源。目前co₂气体主要用作生产尿素、碳酸氢铵、纯碱等的原料。除此以外，还可用于生产工业及食品级液体co₂、干冰、饮料添加剂、食品防腐剂、冷冻剂、灭火剂以及染料、医药、香精工业中的中间体等。co₂作为惰性气体还可用于气体保护焊接、油田开采以及铸造成型等方面。但由于co₂具有较高的热力学稳定性，限制了它的应用。lackner和sachs发现：利用先进的碳捕集和碳埋存技术，完全可以既满足世界日益增长的能源需求，又不会对地球气候造成威胁。他们认为这是制定未来任何一个解决方案的关键部分。综合能源消耗、经济增长以及大气动力学数据，他们发现：利用碳捕集和碳埋存系统，仅花费世界生产总值的0.1％－0.3％就可以阻止二氧化碳水平到增长到500ppm。此外，他们还研究了其他一些大规模的解决办法，包括太阳能、清洁煤技术以及核能，而且也发现混合发动机作为另外一种有效减少二氧化碳排放技术具有广泛的应用前景。所以，综合起来看，一个控制全球二氧化碳浓度的项目总体的费用还不到全世界总产值的1％。

二氧化碳在各领域都可以利用：㈠物理利用（1）用作惰性气体 co₂可用用电弧焊接, 灭火材料, 灭菌气体等（2）用作冷却剂 co₂可用为原子能反应堆的冷却剂、食品的冷却冷冻, 也可应用于低温粉碎(如废轮胎经液态co₂ 处理后易粉碎, 以回收橡胶) 、冷配合、金属冷处理、管道冷却技术、低温手术、干冰用于人工降雨等。（3）用作压力剂co₂可用作粉末灭火剂的压出剂、喷枪喷射剂、呼救船的气源、碳酸饮料、鲜啤酒压出剂、混凝土破碎。（4）用作临界萃取剂 超临界萃取已成为一门新兴的分离技术, 它是利用流体处于超临界状态时具有很强的溶解能力而粘度又很低的性质来萃取分离某些物质的方法。利用co₂提取茶叶中咖啡因、大蒜油及用于食用油和香料的抽提等。（5）用作清洗剂超临界co₂可以用为一种清洗剂清除半导体晶片上的光刻胶,可对光学零件、电子器件、精密机械零件进行清洗。液态co₂可用于衣物的干洗,以取代能致癌和污染地下水的传统全氯乙烯干洗剂,在美国用液态co₂的干洗机已很普遍。（6）用于提高石油采收率 提高石油采收率(enhanced oil recovery简称eor),近来在发达国家推广运用较快,将高压co₂注入油田后,与油、水相混,当油与水内溶解大量的co₂时,它们的粘度、密度和压缩性都得到改善, 有助于提高采收率,特别是经过一次采油及二次采油后的衰老油井, 通过压入co₂对残留在井下的石油可进行第三次开采。美国west texas 油田采用此法使原油增产10万桶/d。据估测目前国外用于石油开采的co₂量约占其使用总量的35%。（7）其他co₂可用作泡沫材料的发泡剂; co₂可使烟气中水分蒸发、细胞膨胀、提高香烟等级。用co₂代替ar用于转炉炼钢吹炼气(此技术在日本已广泛应用),可大幅度降低炼钢成本。 ㈡生物利用 （1）用作气肥co₂可用覆盖植物的气肥,能提高光合作用的效率,使产品早熟,产量提高。（2）用作果蔬保鲜剂co₂是国际上广泛应用的现代化保鲜方法,通过注入高浓度co₂,降低o₂含量,以抑制果蔬中微生物呼吸和病菌发生,因不含化学防腐剂且使水果储藏时间变长而深受人们欢迎。（3）其他co₂还可用作呼吸促进剂、灭杀害虫、柿子脱涩、co₂培菌等。㈢化学利用 （1）传统应用 传统的化学应用主要是合成尿素;苯酚羧化的科尔比反应，用co₂与金属或金属氧化物反应生成mgco₃、na₂co₃、nahco₃、caco₃、k₂co₃、baco₃ 等无机材料,以及其它一些化工产品,如白炭黑、轻质氧化镁等。（2）合成醇co₂在催化剂条件下加h₂制得醇,如在cuo、zno、cr₂o₃与al₂o₃组成的混合催化剂条件下co₂与h₂反应生成甲醇。在kci、mo、sio₂组成的混合催化剂条件下,co₂与h ₂合成乙醇、丙醇。最近我国王常有教授研制出了在cu-co -zn -al催化剂作用下co₂加h₂合成高级醇。（3）合成有机酸 co₂在钯的络合物催化剂作用下, 在叔胺存在条件下与h₂及h₂o作用可合成甲酸；co₂和甲烷合成醋酸；co₂与乙烯发生氢醛化反应合成丙酸。（4）合成酯co₂与环氧丙烷加压反应可制得碳酸丙烯酯。（5）合成胺co₂在cu/ al₂o₃催化剂条件下与h₂、nh₃反应可转化成胺类。（6）共聚 把co₂作为单体合成高聚合物已引起人们广泛的兴趣, 如在特殊的催化剂条件下,co₂与环氧化物共聚成高分子量的聚碳酸酯件下通过共聚可制得聚酯、聚酮、聚醚。

（7）合成液态烃和汽油

3. 研究的基本内容与计划

设计内容：利用工段中，储存的co₂又作为原料与环氧丙烷（po）通过输送泵按比例输送到混合缓冲罐充分混合，混合后的液态通过换热器，使反应物的温度达到150℃。然后进入装有ki/γ-al2o3催化剂的固定床列管式反应器中进行反应，最终生成碳酸丙烯酯。

主要反应方程式：c₃h₆o co₂→c₄h₆o₃

反应后的产物经过冷凝器冷却后，进入到闪蒸罐中进行提纯。经过提纯后的碳酸丙烯酯纯度为99.8%（质量百分数），为纯品级，回收环氧丙烷（po）和co₂再利用。

4. 研究创新点

利用ASPEN仿真模拟软件，催化剂消耗成本低，产量收率高