将CO₂转化成醇的制作方法

专利名称：将CO₂转化成醇的制作方法
将CO2转化成醇相关申请的交叉引用该申请根据35U.S.C. § 119(e)要求美国临时专利申请号61/243，836 (代理人案号17528/002001)的优先权，所述美国临时专利申请的名称为“将CO2转化成替代燃料”，于2009年9月18日以Wayne S. Littleford的名义提出，将其公开内容通过引用以其全部内
容结合在本文中。
背景技术：
控制和减少二氧化碳(CO2)是增长的环境关注。一些专家相信，CO2释放到大气中促进被称为“全球变暖”的现象或“温室效应”，其中CO2在地球大气中产生隔热效果，从而将一些太阳日光辐射反射回地球并且缓慢升高全球温度。随着全球温度升高，一些专家相信地球环境可能经历动态的和潜在灾难性的改变。因此，全世界范围内包括美国内的国家 和地方政府已经制定法律和/或法规以控制CO2的产生和/或消费。另外，许多企业和个人正在采取步骤而在自愿基础上减少他们自己的“碳足迹”。CO2源自多种来源，所述来源中的许多涉及有机燃料诸如煤、天然气、汽油、燃料油和甲烷的燃烧。具体而言，用于产生电和/或热的燃烧过程是CO2的显著来源。这些燃烧过程中的许多过程需要和/或具有排放控制能力的形式。这种排放控制能力可以减少由燃烧过程产生的一种或多种污染物。设法控制的一些污染物包括但不限于二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和汞。发明概述通常，在一个方面中，本发明涉及一种将二氧化碳(CO2)转化成醇的方法。所述方法包括使来自燃烧过程的包含CO2的烟道气流与水雾接触以产生液体碳酸(H2CO3)和废水的混合物。所述方法还包括从混合物提取液体H2CO3并且加压液体H2CO3以产生加压的液体&0)3。所述方法还包括将加压的液体H2CO3与第一液体试剂在第一水解室中结合，从而从加压的液体H2CO3与第一液体试剂结合而产生醇。通常，在一个方面中，本发明涉及一种用于将二氧化碳(CO2)转化成醇的系统。所述系统包括接收系统，所述接收系统包括加压水喷雾阵列并且配置成使来自燃烧过程的包含CO2的烟道气流与水雾接触以产生液体碳酸(H2CO3)和废水的混合物。所述系统还包括酸分离系统，所述酸分离系统配置成从所述混合物中分离液体&0)3并且纯化液体H2CO3以产生纯化的液体H2C03。所述系统还包括酸转化系统，所述酸转化系统包括多个雾化泵、试剂储槽和多个水解室。酸转化系统配置成使用多个雾化泵中的第一个将纯化液体H2CO3加压以产生加压的液体&0)3并且将加压的液体&0)3与从试剂储槽提取的第一液体试剂在多个水解室的第一室中结合。酸转化系统进一步配置成从加压的液体H2CO3与第一液体试剂结合而产生第一伯醇。附图
简述图I显示根据本发明一个或多个实施方案的系统。图2显示根据本发明的一个或多个实施方案将CO2转化成醇的方法的流程图。
图3显示根据本发明的一个或多个实施方案用于从燃烧过程产生含有CO2的烟道气流的实例系统的单线图。图4显示根据本发明的一个或多个实施方案用于接收来自燃烧过程的烟道气流并且将来自烟道气的CO2转化成酸的实例系统的单线图。图5显示根据本发明的一个或多个实施方案的用于从废水分离酸并且纯化所述酸的实例系统的单线图。图6显示根据本发明的一个或多个实施方案的用于将纯化的酸转化成醇的实例系统的单线图。发明详述现在将参考附图详细地描述本发明的具体实施方案。为了一致性，多个附图中的相同要素由相同的附图标记表示。 在本发明实施方案的下列详述中，为了提供本发明的更充分理解而陈述许多具体细节。然而，对于本领域普通技术人员将是显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其它情况下，没有详细描述众所周知的特征以避免不必要地将所述描述
变复杂。通常，本发明的实施方案提供用于将CO2转化成醇。更具体而言，本发明的一个或多个实施方案提供用于从CO2流产生碳酸(H2CO3)并且将所述H2CO3与试剂结合而产生醇。本发明可以进一步提供用于从CO2流产生其它酸，包括但不限于硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)并且将那些其它酸与一种或多种试剂结合以产生一种或多种醇。全部管道和相关配件、泵、阀门及其它设备是由耐化学品的材料制成的，所述化学品在那些材料内输送、转换、加压、产生或以其它方式处理。如本文中所用，并且一种或多种“酸”可以指碳酸、硫酸和/或硝酸。本发明的实施方案可以用于为许多市场部门的加工和制造，包括但不限于食品加工和包装、纸浆和纸张、印刷、化学品和有关产品、橡胶、塑料、医院、大学、金属工业、药物制造、废水和污水处理、饮料、公用事业、焚化、钢铁、美容、织物生产、电子学和石油精炼。图I显示根据本发明一个或多个实施方案的CO2转化系统(100)。CO2转化系统(100)包括接收系统(110)、酸分离系统(120)和酸转化系统(170)。酸分离系统(120)包括酸槽(122)、滴滤池(124)、多袋过滤器系统(126)、多个换热器(例如，换热器I (130)、换热器X (134))、多个蒸汽分离器(例如，蒸汽分离器I (140)、蒸汽分离器Y (144))、多个蒸馏器(例如，蒸馏器I (150)、蒸馏器Z (154))、冷凝器(160)和一个或多个酸容纳槽(162)。酸转化系统(170)包括一个或多个雾化泵(172)、一个或多个水解室(174)、一个或多个醇储槽(176)和一个或多个试剂储槽(178)。关于下面的图I描述这些组件的每一个。本领域普通技术人员将理解，本发明的实施方案不局限于图I中所示的构造。对于图I中显示的每个组件，以及图I中暗示和描述但是没有显示的任何其它组件，可以配置成接收来自0)2转化系统(100)的一个组件(即，上游组件)的材料并且将材料(与接收的材料或以一些方式改变了的材料相同)发送到CO2转化系统(100)的另一个组件(即，下游组件)。在全部情况下，从上游组件接收的材料可以通过一系列管、泵、阀门和/或其它装置递送以控制与接收的材料有关的因素诸如接收的材料进入所述组件时的流速、温度和压力。另外，可以使用不同系列的管、泵、阀门和/或其它装置将液体酸递送到下游组件，以控制与发送的材料有关的因素诸如发送材料离开所述组件时的流速、温度和压力。在本发明的一个或多个实施方案中，CO2转化系统(100)的接收系统(110)配置成接收含有CO2的烟道气流。可以从使用化石燃料的燃烧过程获得烟道气流，所述化石燃料包括但不限于煤、燃料油、天然气、汽油和丙烷。在本发明的一个或多个实施方案中，在使用一种或多种化石燃料的情况下，使用锅炉加热水而产生热量和/或动力的过程中产生烟道气流。可以将烟道气流在由接收系统(110)接收以前调节。例如，可以将化学品加入到烟道气流或可以以一些方式调节烟道气流的温度。可以使用为了这样一种目的而设计的单独系统进行烟道气流的调节。关于图3，在下面描述用于调节烟道气流的接收系统(110)的实例。众所周知发电厂和大型工业装置应用中使用的污染消除装置用于从用煤燃烧的、油燃烧的、天然气燃烧的和化学过程锅炉产生的废气流除去例如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、氯化氢(HCl)、汞(Hg)、部分CO2和颗粒物质(例如，PM2. 5、PM10)。不仅从废气回收热量而且除去污染物的这样一种污染消除装置的实例公开在美国专利号6，344，177中， 将其通过参考结合于此。美国专利号6，344，177中描述的污染消除方法和污染消除装置(“COMPLY 2000 ”)使用喷雾技术与冷却和冷凝盘管一起实现目标污染物除去。(COMPLY2000是美国马萨诸塞州昆西的Eco Power Solutions (美国)公司的注册商标。)具体而言，关于COMPLY 2000，烟道气可以从燃烧过程接收并且可以与蒸汽或雾的加压云进行接触，所述蒸汽或雾的加压云对着烟道气的定向流(directional flow)直接喷雾，从而引起两个流动之间的压差。可以用蒸汽歧管或通常已知的喷雾装置产生蒸汽或雾。所述接触还可以将烟道气的湿度增加到约90%或95%相对湿度，而在同时保持高烟道气温度。该高RH(相对湿度)、高温和压差可以导致烟道气POC(燃烧产物)被吸收到细的水滴(直径5至10微米)中，从而保持高温值同时还将POC转化成湿的酸组合物。然后烟道气可以与热量回收(即，冷却)盘管进行接触，其中热的烟道气水滴与冷却剂在冷却盘管内交换热量以冷却所述热的湿润烟道气。烟道气可以经过冷却盘管并且以类似于蒸汽或雾的第一云的方式与蒸汽或雾的第二云进行接触。可以仅使用冷水用喷雾装置阵列产生所述雾。烟道气在与雾的第二云进行接触以后可以达到总饱和，从而甚至进一步冷却烟道气。烟道气然后可以与冷凝盘管进行接触，从而引起酸滴的湿膜被收集在盘管表面上。随着越来越多的液滴收集，可以形成流，从而向下流动到排水盘，在此收集的液体从COMPLY 2000单元中引导出到废水容纳设施。根据要实现的不同除去类型，烟道气过程可以改变。例如，为了除去NOx，事件顺序可以不同于除去SOxK需要的那些。下面关于实施例2更完全地描述COMPLY 2000。在本发明的一个或多个实施方案中，接收系统(110)配置成使用水雾阵列(112)将水雾施用到烟道气流(其包含CO2)以产生碳酸(H2CO3)和废水的混合物。混合物还可以包括其它酸，包括但不限于硫酸(H2SO4)和硝酸(HNO3)。混合物中的每一种酸可以处于液体形式。用水雾阵列(112)施用到烟道气流的水雾可以被加压并且分配在细液滴中。在这样一种情况下，可以发生反应，因为水雾阵列(112)中的分子具有“正确的”碰撞几何学和由对着烟道气流引导的高压喷雾器产生的充分能量，以产生显著的压差和同时在水滴和烟道气之间显著的温度差。因此，烟道气流中一些百分比(在COMPLY 2000的情况下至少十个百分比)的CO2可以经历下列反应C02+H20 — H2CO3 — HC03+H.在本发明的一个或多个实施方案中，接收系统(110)也是热量回收系统，其中捕获的热量可以用于与燃烧过程有关的其它目的。例如，在接收系统(110)中加热到高温的流体可以在换热器(如下所述)中使用以提高在不同过程诸如由酸分离系统(120)进行的过程中使用的不同流体的温度。在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)使用许多组件(如下所述)而从混合物中分离酸并且纯化所述酸(即，除去污染物)，之后将酸发送到酸转化系统(170)而转化成醇。例如，可以将酸分离系统(120)配置成从接收自接收系统(110)的酸和废水的混合物中分离液体碳酸并且纯化液体碳酸以产生纯化的液体碳酸。本领域技术人员将理解，纯化所述酸可以需要基本上除去杂质，而不是完全除去杂质。在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)的滴滤池(124)用于将混合物中的液体酸和废水相分离。滴滤池(124)可以由介质的固定床组成，所述介质包括但 不限于岩石、砾石、矿渣、聚氨酯泡沫、泥炭藓泥煤苔和塑料。在本发明的一个或多个实施方案中，混合物进入滴滤池(124)并且向下流动经过介质的固定床，从而引起微生物粘液的层或膜生长。微生物粘液可以覆盖介质床。可以通过搅拌滴滤池(124)中的环境而在滴滤池(124)中保持需氧条件。可以通过使用例如喷洒、扩散、强制通风或自然对流(例如，如果过滤器介质是多孔的)搅拌滴滤池(124)中的环境。在本发明的一个或多个实施方案中，使用滴滤池(124)从混合物除去液体酸包括由微生物粘液层将有机化合物同时吸收并且吸附在混合物内。混合物在介质上的扩散可以产生含有氧的溶解空气，所述粘液层需要所述氧用于有机化合物的生物化学氧化。在本发明的一个或多个实施方案中，生物化学氧化释放二氧化碳气、水和其它氧化终产物。随着粘液层变厚，空气渗透粘液层可以变得更加困难，其可以导致内部厌氧层形成。粘液层可以继续构造直到它最终丢弃，从而中断进入到处理的流出物中的更久生长，作为需要随后除去和处置的污泥。使用滴滤池(124)处理包括废水和酸的混合物是本领域众所周知的技术。也可以将滴滤池(124)描述为粗滤器、间歇过滤器、填充介质床过滤器、备选化粪系统(septicsystems)、渗滤器、附着生长工艺和固定膜工艺。在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)的多袋过滤器系统(126)通过使用容纳在容器中的裙式滤筒(pleated cartridge)的袋从物质中除去油及其它颗粒而纯化所述物质(例如，一种或多种液体酸)。所述物质可以是由含有液体酸的滴滤池(124)产生的污泥。其它固体可以是来自工业废水流的悬浮固体。在本发明的一个或多个实施方案中，多袋过滤器系统(126)提供常规的或分级的混合介质过滤器的双倍通过量效率。在正常操作条件下，过滤器可以在不使用另外化学品的情况下除去高达99%的悬浮固体和高达99%的不溶性烃。当捕获污染物并且流动受到限制时，真空压力可以建立并达到指定的设定点，在所述压力，自动触发压力再生循环。在所述再生循环中，可以清洁所述介质并且可以移动污染物。可以使用位于多袋过滤器系统(126)上的窥镜通过肉眼检查介质床而证实再生循环的完成。在本发明的一个或多个实施方案中，泵引导捕获的污染物通过回洗端口离开多袋过滤器系统(126)。
在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)的一个或多个酸容纳槽(162)用于在用酸分离系统(120)进行的过程期间收集并容纳一种或多种酸。例如，酸容纳槽(162)可以用于接收来自多袋过滤器系统(126)的混合物。另外，酸容纳槽(162)可以用于接收来自冷凝器(160)的液体酸，如下所述。在本发明的一个或多个实施方案中，单一的酸接收自每个冷凝器(160)并且储存在它自身的容纳槽(162)中。一个或多个不同的酸容纳槽(162)可以用于所述过程中的不同步骤。在本发明的一个或多个实施方案中，每个酸容纳槽(162)由耐它所储存的化学品的材料制成。每个酸容纳槽(162)还可以设计成在所述应用的机械参数(压力和温度，侵蚀性的及腐蚀性的)内运行，化学品(即，酸)将在所述机械参数下使用。每个酸容纳槽(162)可以受许多因素影响，所述因素包括但不限于热、冷、真空、压力和待储存的化学品的攻击性(酸性的/苛性的)。存在与用于酸容纳槽(162)的恰当材料的工程学和规格有关的短期和长期目标。虽然经济考虑可以是一种因素，但是酸容纳槽(162)的设计和它可以如何影响环境是决定性的。在本发明的一个或多个实施方案中，存在化学概貌和信息报告，其称作“MSDS”(材料安全性数据单表)，其由化学品制造商或销售商提供。可以认为MSDS 为设计酸容纳槽(162)的起始点。可以连同待储存在酸容纳槽(162)中的化学品的制造商一起设计酸容纳槽(162)，其中制造商可以提供关于与所述化学品相容的槽材料的一些经验。在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)的一个或多个换热器(例如，换热器I (130)、换热器X(134))用于将液体酸加热到高于液体酸沸点的温度。一个或多个所述换热器还可以设定低于水的沸点的温度。碳酸、硝酸和硫酸各自在170° F和185° F之间沸腾，其比水沸腾的212° F低得多。换言之，所述一个或多个换热器的每一个将流过它的液体酸的温度保持在大于185° F和小于212° F。在本发明的一个或多个实施方案中，一个或多个换热器可以使用由来自不同工艺中的流体的热量以加热液体酸。换热器(例如，换热器1(130)，换热器X(134))可以是用于从一种流体有效传热到另一种流体而建立的装置。在本发明的一个或多个实施方案中，所述流体的一种是液体酸，并且另一种流体是水。在换热器中，由实心壁分离两种流体以便所述两种流体不混合。为了效率，可以将换热器设计成将两种流体之间的实心壁的表面积最大化，同时使通过换热器两侧的流体流动的阻力最小化。还可以通过如下方法而影响换热器的性能在实心壁的一侧或两侧增加翅片或皱折，这增加表面积并且可以引导流体流动或诱导湍流。一种类型的换热器可以是板式换热器，所述板式换热器由多个薄的稍微分开的板组成，其具有用于传热的非常大的表面积和流体流动通路。在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)的一个或多个蒸汽分离器(例如，蒸汽分离器I (140)、蒸汽分离器Y (144))用于将蒸气形式的酸(即，气体形式的酸)与保持液体形式的酸分离。进入一个或多个蒸汽分离器的加热酸(来自换热器，温度高于212° F)可以引起加热酸的闪蒸，从而形成气体形式和液体形式的酸的混合物。在本发明的一个或多个实施方案中，将蒸汽分离器具体设计成使用喷嘴有效除去与液体混合的相对少量的蒸气，所述喷嘴排放物质(或者液体或者气体)以涡旋蒸汽分离器的容器内部的液体混合物。得到的压缩，与蒸汽分离器的内部挡板一起，分离蒸汽(气体形式的酸)，其可以升高到蒸汽分离器的上部室。从上部室，可以将气体形式的酸发送到蒸馏器(例如，蒸馏器I (150)、蒸馏器Z(154))。可以将保持在液体形式的酸再引导到换热器(例如，换热器1(130)、换热器乂(134))。蒸汽分离器还可以称为水分分离器。在本发明的一个或多个实施方案中，酸分离系统(120)的一个或多个蒸馏器(例如，蒸馏器I (150)、蒸馏器Z (154))用于分离每种蒸气形式的酸并独立蒸馏不同酸(例如，HN03、H2S04和H2CO3)的每一种。蒸气形式的酸可以接收自蒸汽分离器。每个蒸馏器可以是一个具有多个隔室的大容器，其中每个隔室容纳从酸蒸气分离的酸中的一种。蒸馏器还可以是一系列分开的蒸馏容器。在本发明的一个或多个实施方案中，蒸馏器确保已经从每一种蒸气形式的酸除去全部水，同 时也分离任何液体并将这些液体返回到酸容纳槽(162)。蒸馏器可以利用基于沸腾液体混合物中每种酸的挥发性差异而分离蒸气形式的酸的方法。使用蒸馏器的蒸馏可以是单元操作，或物理分离过程，并且不是化学反应。通常的误解是，对于在给定压力的液体混合物，混合物的每种成分都在对应于给定压力的沸点沸腾，并且每种组分的蒸气将分开并且纯地收集。然而，该误解未能适用，甚至在理想体系中也未能适用。蒸懼的理想化模型基本上由拉乌尔(Raoult)定律和道尔顿(Dalton)定律支配，并且假定获得气液平衡。拉乌尔定律假定，组分对总蒸气压有贡献，与它在混合物中的百分比和当它是纯的时的蒸气压成比例。换言之，分压等于摩尔分数乘以纯时的蒸气压。如果一个组分改变另一个组分的蒸气压，或如果组分的挥发性取决于它在混合物中的百分t匕，所述定律将失效。道尔顿定律指出，总蒸气压是混合物中每个单独组分的蒸气压之和。当加热多组分液体时，每个组分的蒸气压将升高，因而引起液体的总蒸气压升高。当总蒸气压达到液体周围的压力时，沸腾发生，并且液体在全部液体主体中转变成气体。这意味着，当组分相互可溶时，具有给定组成的混合物在给定压力具有一个沸点。该理论的推论是，较轻的组分决不纯净地“首先沸腾”。在沸点处，全部挥发性组分沸腾，但是对于单一组分，它在蒸气中的百分比与它的总蒸气压的百分比相同。较轻的组分具有较高的分压，并且因此在蒸气中浓缩。然而，较重的挥发性组分也具有(较小的)分压并且必然蒸发，即使所述挥发性组分在蒸气中较少地浓缩。实际上，通过改变混合物的组成，实现分批蒸馏和分馏。在分批蒸馏中，所述批蒸发，其改变混合物的组成。在分馏中，分馏柱中的液体越高含有轻质物越多并且在越低的温度沸腾。不可能通过蒸馏完全纯化组分的混合物，因为这将需要混合物中的每个组分都具有零分压。如果超纯产品是目标，则必须应用另外的化学分离。当双成分混合物蒸发并且另一个组分(例如，盐)基本上具有零分压时，所述过程被简化并在工程上称作蒸发。一旦每种酸在蒸馏器(例如，蒸馏器1(150)、蒸馏器2(154))中蒸馏，则可以将每种酸送到公用集管，所述酸在此再混合。从所述公用集管，可以将酸混合物送到冷凝器(160)。在本发明的一个或多个实施方案中，不存在公用集管，并且每种酸保持分开并且被送到它自身的单独冷凝器(160)。冷凝器(160)可以是一系列换热器，其在低于大气压的压力下将化学品从它的气态转变成它的液态。冷凝器(160)，有时也称为水冷却的冷凝器，可以由安装在钢壳体内部的连续管盘管组成。在本发明的一个或多个实施方案中，激冷的水流过冷凝器(160)的盘管，并且酸混合物在钢壳体内部排放而在盘管的外部冷凝。与冷凝器(160)关联的可以是激冷器(未显示)和冷却塔(未显示)以保证将充分的冷却提供给冷凝器，以便将酸气体转变成液体。激冷器是经由蒸气-压缩循环将热量从液体除去的机械。蒸气压缩水激冷器包括蒸气-压缩制冷循环的四个主要组件(压缩器、蒸发器、冷凝器和一些形式的计量)。将激冷的水泵送通过一种过程，诸如上述冷凝器(160)，在此然后将激冷的水引导回到激冷器。冷却塔是用于将工艺废热转移到大气的热量除去装置。冷却塔可以使用水的蒸发以除去工艺热量并且将工作流体冷却到接近湿球空气温度的温度。水冷却的激冷器(例如，激冷器)通常可以比空气冷却激冷器(例如，冷却塔)更加能量有效，原因在于，热量消耗到处于或接近湿球空气温度的温度的装置(例如，塔)和水。从冷凝器(160)，可以将液体酸送到酸容纳槽(162)或到酸转化系统(170)中的一个或多个酸储槽(176)，取决于液体酸是否需要进一步精炼。如果将酸送到一个或多个酸储槽(176)，则可以将每种酸从单独的冷凝器(160)送到单独的酸储槽(176)。在本发明的一个或多个实施方案中，CO2转化系统(100)的酸转化系统(170)将一种或多种液体酸转变成一种或多种醇。具体而言，酸转化系统(170)将试剂与液体酸在适当条件下混合以引起产生醇的化学反应。在本发明的一个或多个实施方案中，酸转化系统(170)的一个或多个雾化泵(172)用于将液体酸转化成一种或多种醇。单一雾化泵(172)可以用于单一液体酸。每个雾化泵(172)可以接收来自酸分离系统(120)的酸容纳槽(162)的液体酸并且将酸的压力增加到150磅/平方英寸(psi)。一旦达到压力，则雾化泵(172)可以将酸发送到水解室(174)。在一个或多个实施方案中，使用控制阀门(未显示)调节雾化泵(172)和水解室(174)之间的酸的压力和流动，以保持酸在水解室(174)中的均匀分布。在本发明的一个或多个实施方案中，酸转化系统(170)的一个或多个水解室(174)用于将液体酸转化成一种或多种醇。具体地，液体酸可以与液体试剂在水解室(174)中碰撞以产生醇。单一水解室可以用于单一液体酸。可以将碳酸均匀引导到水解室(174)中容纳的高压雾化喷嘴的阵列中。同样地，可以将液体试剂均匀引导到水解室(174)中容纳的不同的高压雾化喷嘴的阵列中。在本发明的一个或多个实施方案中，用于液体酸的高压雾化喷嘴的阵列和用于液体试剂的高压雾化喷嘴的阵列相互对着定向，以致当加压的流体从每个阵列释放时，将有加压的液体相互对着接触碰撞。细液滴在150psi相互进行接触，并且通过碰撞产生高破裂能，引起水解反应。在本发明的一个或多个实施方案中，水解反应结果是醇滴，其落到水解室底部并被送到醇储槽(176)。水解是化学过程，其中通过引入另外的分子而将某一分子分裂成两个部分。酸-碱-催化的水解是本领域已知的。酸-碱-催化的水解的一个实例是酰胺或酯的水解，其在亲核体(寻核剂(nucleus-seeking agent)诸如水或轻基离子)攻击酯或酰胺的羰基的碳时发生。在含水碱中，羟基离子是比偶极子诸如水更好的亲核体。在酸中，羰基变成质子化的，其导致容易得多的亲核攻击。两种水解的产物都是具有羧酸基团的化合物。使用多种材料诸如聚丙烯、丨nconel A686、Hastelloy C276或其它贵金属制造水解室。(Inconel是美国西弗吉尼亚州亨廷顿的亨廷顿合金公司(Huntington AlloysCorporation)的注册商标。Hastelloy是美国印地安那州科科莫的海恩斯国际公司(Haynes International, Inc.)的注册商标)。如上所述，水解室中容纳的是高压雾化喷嘴的两个阵列。每个阵列可以具有任意数目的喷嘴，并且每个喷嘴可以分配某一尺寸或尺寸范围的细液滴流。理想地，将每个液滴定尺寸以允许大的用于发生反应的表面积。在本发明的一个或多个实施方案中，阵列具有高达10个喷嘴，并且将所述阵列的每个喷嘴设计成、分配直径约为10微米的液滴。水解室也可以具有连接网络，从而容许将完工的液体引导到收集槽或一些其它过程。可以根据从水解室所用于的设施出现的具体应用将水解室定尺寸并制造。用于与液体酸碰撞的液体试剂可以储存在一个或多个试剂储槽(178)中。可以独立于本文中描述的过程提供液体试剂。从试剂储槽(178)，液体试剂可以引导通过高压泵(未显示)，将所述高压泵用于将液体试剂压力增加到150psi并且发送加压的液体试剂通过控制阀门(未显示)。控制阀门可以调节液体 试剂的压力和流动，以保持液体试剂在水解室(174)中的均匀分布。图2显示根据本发明的一个或多个实施方案将CO2转化成醇的方法的流程图。虽然顺序地介绍并描述了该流程图中的多个步骤，但是普通技术人员将理解，所述步骤的一些或全部可以以不同顺序执行，可以组合或省略，并且所述步骤的一些或全部可以平行地执行。另外，在本发明的一个或多个实施方案中，可以省略、重复和/或以不同顺序进行如下所述的一个或多个步骤。另外，本领域普通技术人员将理解，可以在进行该方法中包括图2中省略的另外步骤。因此，图2中所示步骤的具体安排不应该被解释为限制本发明的范围。参考图2，在步骤202中，包括CO2并且在燃烧过程期间产生的烟道气流与水雾进行接触以产生碳酸(H2CO3)和废水的混合物。混合物也可以包括其它酸，包括但不限于硫酸和硝酸。混合物也可以包括其它化学品和/或材料。在本发明的一个或多个实施方案中，碳酸及其它酸是以液体形式产生的。在步骤204中，从所述混合物中提取液体碳酸。也可以从所述混合物中提取其它酸(例如，硫酸和硝酸)。在本发明的一个或多个实施方案中，使用滴滤池从混合物提取碳酸及其它酸(“酸混合物”)。具体地，可以在具有介质的滴滤池中接收含有酸混合物的混合物，所述混合物在需氧条件下流动到所述介质上。混合物在需氧条件下在介质上流动可以导致微生物膜的层形成在所述介质上。另外，使用微生物膜的层，可以在滴滤池中从混合物除去包括酸混合物的污泥。在本发明的一个或多个实施方案中，将污泥接收在具有许多袋的多袋过滤器系统，其中每个袋包括容纳在容器中的褶式滤筒并且配置成从酸混合物除去油和粒子。可以在用滴滤池接收以后，由多袋过滤器系统接收污泥。备选地，可以由多袋过滤器系统接收混合物，以便从混合物中分离酸混合物。在本发明的一个或多个实施方案中，也可以将酸混合物接收在换热器中，所述换热器将酸混合物加热到高于酸混合物中的每一种酸的沸点(例如，用于碳酸的170° F)的温度，但是低于水的沸点(即，212° F)。当在高于它的沸点加热时，酸混合物中的每一种酸可以从液态转变成气态。可以首先由滴滤池和/或多袋过滤器系统接收由换热器接收的酸混合物。在本发明的一个或多个实施方案中，将可以包括废水、一种或多种液体形式的酸和一种或多种气体形式的酸的酸混合物从换热器送到蒸汽分离器。蒸汽分离器可以从废水和一种或多种液体形式的酸中除去所述一种或多种气体形式的酸。在本发明的一个或多个实施方案中，由蒸汽分离器从混合物除去的一种或多种气体形式的酸可以被送到蒸馏器，所述蒸馏器通过除去由蒸汽分离器没有从所述一种或多种气体形式的酸除去的任何残留的废水而纯化所述一种或多种气体形式的酸。蒸馏器可以将所述一种或多种气体形式的酸送到冷凝器，所述冷凝器将所述一种或多种气体形式的酸冷却到低于所述一种或多种气体形式的酸的每一种的沸点的温度。冷却所述一种或多种气体形式的酸可以将所述一种或多种气体形式的酸的每一种都转变成液体形式。在本发明的一种或多种实施方案，激冷器也将所述一种或多种气体形式的酸的每一种相互分离。蒸馏器也可以将所述一种或多种气体形式的酸的每一种单独地送到它自身的冷凝器，而不是将全部气体形式的酸的组合送到单一冷凝器。在本发明的一个或多个实施方案中，由滴滤池、多袋过滤器系统、冷凝器、蒸汽分离器、蒸馏器和/或换热器以任何顺序接收混合物和/或酸混合物。另外，可以由滴滤池、多袋过滤器系统、冷凝器、蒸汽分离器、蒸馏器和换热器的任何或全部多次接收混合物和/或酸混合物。 在步骤206中，将液体碳酸加压以产生加压的液体碳酸。在一个或多个实施方案中，将液体碳酸加压至150psi。可以使用泵加压液体碳酸。也可以加压其它酸，诸如硫酸和硝酸。在步骤208中，将加压的液体碳酸与液体试剂在水解室中结合。在本发明的一个或多个实施方案中，与加压的液体碳酸结合使用的液体试剂是氢化铝锂(LiAlH4)15氢化铝锂也可以在与碳酸结合时加压。其它液体试剂可以与加压的液体碳酸和/或与其它加压的液体酸(例如硝酸、硫酸)结合使用。在水解室中结合的酸和试剂可以各自首先发送通过控制阀门，所述控制阀门调节酸和/或试剂的压力和流动，以保持酸和/或试剂在水解室中的均匀分布。多种其它液体试剂可以与加压的液体酸结合使用。例如，乙醇是多用途溶剂，与水和许多有机溶剂可混溶，所述有机溶剂诸如乙酸、丙酮、苯、四氯化碳、氯仿、二乙醚、乙二醇、甘油，硝基甲烷、吡啶和甲苯。乙醇还与轻质脂肪族烃诸如戊烷和己烷以及与脂肪族氯化物诸如三氯乙烷和四氯乙烯可混溶。乙醇的与水的混溶性与长链醇(即，五个以上碳原子)的与水的混溶性形成对照，长链醇的水混溶性随着碳数增加而急剧减小。乙醇与烷烃的混溶性限于直到十一烷的烷烃。含有十二烷和更高级烷的混合物低于某一温度(对于十二烷，约为13°C )显示混溶性区。混溶性区趋于随着更高级烷而变得更宽，并且用于完全混溶性的温度增加。在步骤210中，由加压的液体碳酸和液体试剂结合而产生醇。在本发明的一个或多个实施方案中，所述醇是伯醇。所述醇也可以是仲醇或叔醇。产生的醇的类型可以取决于使用的加压的液体酸和液体试剂。当加压的液体碳酸与液体氢化铝锂结合时产生伯醇。具体地，所述反应产生下列伯醇HOCH2——(CH2) 8------CH2OH作为另一个实例，当加压的液体酸是硫酸并且液体试剂是烯烃时，可以产生仲醇(例如，RR' CH0H)和叔(例如，RR' R" C0H)醇。作为另一个实例，当加压的液体酸是硝酸并且液体试剂是R_0-H(醇)时，反应产生下列硝酸酯R0H+3HN03——RO—N02。醇可以是其中羟基官能团(-0H)结合到连接到另一个碳或氢原子的碳原子的任何有机化合物。其中，简单醇是无环醇，其通式是CnH2n+10H。在无环醇中普通的是乙醇(C2H5OH)，其是通常使用的醇并且是在醇饮料中存在的醇类型。通常用清晰的形容词描述其它醇，如以异丙醇(丙-2-醇)或木醇(甲基醇，或甲醇)。由国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)将后缀-醇指定为全部醇的化学名。乙醇是清澈的易燃液体，其在78. 4°C沸腾。乙醇可以用作工业溶剂、汽车燃料和化学工业中的原料。在美国和其它国家，由于对酒精消费的法律和税收限制，预定用于其它用途的乙醇经常含有使它味道差(诸如Bitrex)或有毒(诸如甲醇)的添加剂。该形式的乙醇一般已知为变性醇；当使用甲醇时，它可以称为甲基化酒精(“Meths”)或“消毒用酒
精。
最简单的醇是甲醇，CH3OH,其以前是由木材蒸馏获得的并且因此称作“木醇”。甲醇是在气味和性质上类似于乙醇的清澈液体，具有稍微较低的沸点(64.7°C)。甲醇主要用作溶剂、燃料和原料。不像乙醇，甲醇是非常毒性的。人类吮吸一口(少至IOml)甲醇可以通过破坏视神经而导致永久失明，并且30ml ( 一流体盎司)可以是潜在致命的。两种其它常用醇是丙醇和丁醇。类似乙醇，可以使用发酵工艺生产丙醇和丁醇。在丙醇和丁醇的情况下，但是，发酵剂是在纤维素上饲养的细菌(丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum))。对于乙醇,发酵剂(即，酵母)在糖上饲养如酵母。在IUPAC体系中烷烃链的名称去掉末端“e”并且添加“ol” (例如，“甲醇”和“乙醇”)。必要时，羟基的位置可以由烷烃名称和“醇”之间的数指示。例如，丙-I-醇是用于CH3CH2CH2OH的名称，并且丙-2-醇是用于CH3CH (OH) CH3的名称。有时，位置数可以写在IUPAC名称前，诸如I-丙醇和2-丙醇。如果更高优先的基团存在(诸如醛、酮或羧酸)，则可以需要使用前缀“羟基”诸如用于CH3COCH2OH的I-羟基-2-丙酮。IUPAC命名法可以用在科学出版物中和物质的精确鉴别可以是重要的地方。在其它不太正式的上下文中，经常用相应的烷基名称接着措辞“醇”来称呼醇(例如，甲基醇、乙基醇)。丙醇可以称作正丙醇或异丙醇，取决于羟基是否结合到丙烷链上的第一或第二碳。基于连接到带有羟基的碳原子的碳原子数，将醇分类为伯醇、仲醇和叔醇。每一种分类的醇可以具有通式。例如，伯醇的通式是RCH2OH ;仲醇的通式是RR' CHOH ;并且叔醇的通式是Rf R" C0H，其中R、R'和R"表示不同的烷基。乙醇和正丙醇是伯醇。异丙醇是仲醇。前缀仲_(或S-)和叔-(或t_)常规地显示为斜体并且可以在烷基名称前使用以将仲醇和叔醇分别与伯醇区别。例如，异丙醇有时称作仲-丙醇，并且叔醇(CH3)3COH(或在IUPAC命名法中2-甲基丙-2-醇)通常被称为叔-丁基醇或叔-丁醇。下列是常用醇的表。常用的醇
权利要求
1.一种将二氧化碳(CO2)转化成醇的方法，所述方法包括 使来自燃烧过程的包含CO2的烟道气流与水雾接触以产生液体碳酸(H2CO3)和废水的混合物； 从所述混合物中提取液体H2CO3 ； 将所述液体H2CO3加压以产生加压的液体H2CO3 ； 将所述加压的液体H2CO3与第一液体试剂在第一水解室中结合；和 从所述加压的液体H2CO3与所述第一液体试剂结合而产生所述醇。
2.权利要求I的方法，所述方法还包括 从所述水解室提取所述醇；和 使用所述醇作为燃料以在设施处产生动力。
3.权利要求I的方法，其中所述第一液体试剂是氢化铝锂(LiAlH4)。
4.权利要求I的方法，其中所述醇是伯醇。
5.权利要求I的方法，其中从所述混合物中提取所述液体H2CO3包括 将所述混合物接收在包含介质的滴滤池中，所述混合物在需氧条件下流动到所述介质上，导致微生物膜的层形成在所述介质上；和 使用所述微生物膜的层，从所述混合物中除去微生物杂质。
6.权利要求5的方法，其中从所述混合物中提取所述液体H2CO3还包括 将所述混合物接收在包括多个袋的多袋过滤器系统中，每个袋包括容纳在容器中的褶式滤筒并且配置成从所述混合物除去油和粒子。
7.权利要求6的方法，其中从所述混合物中提取所述液体H2CO3还包括 将所述混合物接收在换热器中； 将所述换热器中的混合物加热到第一和第二温度之间，其中第一温度是H2CO3的沸点并且其中所述第二温度是所述废水的沸点； 将液体H2CO3转化成蒸气H2CO3 ； 将来自所述换热器的混合物接收在蒸汽分离器中； 使用所述蒸汽分离器，从所述混合物中除去蒸气H2CO3 ； 将来自所述蒸汽分离器的蒸气H2CO3接收在蒸馏器中；和 使用所述蒸馏器，从所述蒸气H2CO3中除去所述废水。
8.权利要求7的方法，其中从所述混合物中提取所述蒸气H2CO3还包括 使用冷凝器，接收来自所述蒸馏器的蒸气H2CO3 ； 将蒸气H2CO3冷却到低于所述第一温度的第三温度；和 将所述蒸气H2CO3转化成液体H2CO3。
9.权利要求I的方法，其中所述混合物还包含液体硫酸(H2SO4)和液体硝酸(HNO3)。
10.权利要求9的方法，所述方法还包括 从所述混合物中将所述液体H2SO4和所述液体HNO3连同所述液体H2CO3 —起提取； 使用换热器，加热所述液体H2CO3、所述液体H2SO4和所述液体HNO3 ； 将所述液体H2CO3转化成蒸气H2CO3,将所述液体H2SO4转化成蒸气H2SO4,并且将所述液体HNO3转化成蒸气HNO3 ； 在蒸馏器中分离所述蒸气H2CO3、所述蒸气H2SO4和所述蒸气HNO3 ；将所述蒸气H2CO3，所述蒸气H2SO4和所述蒸气HNO3中的每一种分开冷凝以分别再产生液体H2CO3、所述液体H2SO4和所述液体HNO3 ； 分开加压所述液体H2CO3、所述液体H2SO4和所述液体HNO3中的每一种； 将加压的液体H2SO4与第二液体试剂在第二水解室中结合； 从所述加压的液体H2SO4与所述第二液体试剂结合而产生仲醇； 将加压的液体HNO3与第三液体试剂在第三水解室中结合；和 从所述加压的液体HNO3与所述第三液体试剂结合而产生叔醇。
11.一种将二氧化碳(CO2)转化成醇的系统，所述系统包括 接收系统，所述接收系统包括加压水喷雾阵列并且配置成 使来自燃烧过程的包含CO2的烟道气流与水雾接触以产生液体碳酸(H2CO3)和废水的混合物； 酸分尚系统，所述酸分尚系统配置成 从所述混合物中分离所述液体H2CO3 ;并且 纯化所述液体H2CO3以产生纯化的液体H2CO3 ;和酸转化系统，所述酸转化系统包括多个雾化泵、试剂储槽和多个水解室，所述酸转化系统配置成 使用所述多个雾化泵中的第一个将所述纯化的液体H2CO3加压以产生加压的液体H2CO3 ； 将所述加压的液体H2CO3与从所述试剂储槽提取的第一液体试剂在所述多个水解室的第一个室中结合；并且 从所述加压的液体H2CO3与所述第一液体试剂结合而产生第一伯醇。
12.权利要求11的系统，其中所述酸转化系统还包括醇储槽，以储存所述第一伯醇作为燃料使用，以在设施处产生动力。
13.权利要求11的系统，其中所述混合物还包括液体硫酸(H2SO4)和液体硝酸(HNO3)。
14.权利要求13的系统，其中所述酸分离系统进一步配置成 从所述混合物中分离所述液体H2SO4和所述液体HNO3 ； 纯化所述液体H2SO4和所述液体HNO3 ;和 将所述液体H2CO3、所述液体H2SO4和所述液体HNO3储存在分开的酸槽中。
15.权利要求14的系统，其中所述酸转化系统进一步配置成 使用所述多个雾化泵中的第二个加压所述纯化的液体H2SO4以产生加压的液体H2SO4 ； 将所述加压的液体H2SO4与第二液体试剂在所述多个水解室中的第二个中结合； 从所述加压的液体H2SO4与所述第二液体试剂结合而产生醇，其中所述醇是由仲醇和叔醇组成的组的一种； 使用所述多个雾化泵中的第三个加压所述纯化的液体HNO3以产生加压的液体HNO3 ； 将所述加压的液体HNO3与第三液体试剂在所述多个水解室中的第三个中结合；并且 从所述加压的液体HNO3与所述第三液体试剂结合而产生第二伯醇。
16.权利要求11的系统，其中所述酸分离系统还包括 滴滤池，所述滴滤池配置成接收来自所述接收系统的所述混合物并且从所述混合物中除去微生物杂质，其中所述滴滤池包含介质，所述混合物在需氧条件下流动到所述介质上，导致微生物膜的层形成在所述介质上。
17.权利要求16的系统，其中所述酸分离系统还包括多袋过滤器系统，所述多袋过滤器系统配置成接收来自所述滴滤池的所述混合物并且包括多个袋，每个袋包括容纳在容器中的褶式滤筒并且配置成从所述混合物中除去油和粒子。
18.权利要求17的系统，其中所述酸分离系统还包括 第一换热器，所述第一换热器配置成 接收来自所述多袋过滤器系统的所述混合物； 将所述混合物加热到第一和第二温度之间，其中所述第一温度是所述液体H2CO3的沸点并且其中所述第二温度是所述废水的沸点；并且将所述液体H2CO3转化成蒸气H2CO3 ； 第一蒸汽分离器，所述第一蒸汽分离器配置成 接收来自所述第一换热器的所述混合物；并且 除去所述蒸气H2CO3 ;和 第一蒸馏器，所述第一蒸馏器配置成 接收来自所述第一蒸汽分离器的所述蒸气H2CO3 ;并且 从所述蒸气H2CO3中除去所述废水。
19.权利要求18的系统，其中所述酸分离系统还包括冷凝器，所述冷凝器配置成 接收来自所述第一蒸馏器的所述蒸气H2CO3 ;并且 通过将蒸气H2CO3冷却到低于所述第一温度的第三温度而将所 述蒸气H2CO3转化成液体H2CO3。
20.权利要求19的系统，其中所述酸分离系统还包括 第二换热器，所述第二换热器配置成 接收来自所述冷凝器的所述液体H2CO3 ； 将所述液体H2CO3加热到所述第一和第二温度之间；并且 将所述液体H2CO3转化成蒸气H2CO3 ； 第二蒸汽分离器，所述第二蒸汽分离器配置成 接收来自所述第二换热器的所述混合物；并且 从所述混合物中除去所述蒸气H2CO3 ;和 第二蒸馏器，所述第二蒸馏器配置成接收来自所述第二蒸汽分离器的所述蒸气H2CO3 ;并且 从所述蒸气H2CO3中除去所述废水。
全文摘要
通常，在一个方面中，本发明涉及将二氧化碳(CO2)转化成醇的方法。所述方法包括使来自燃烧过程的包含CO2的烟道气流与水雾接触以产生液体碳酸(H2CO3)和废水的混合物。所述方法还包括从所述混合物中提取液体H2CO3并将液体H2CO3加压以产生加压的液体H2CO3。所述方法还包括将加压的液体H2CO3与第一液体试剂在第一水解室中结合，以从加压的液体H2CO3与第一液体试剂结合而产生醇。
文档编号C07B63/00GK102741205SQ201080052232
公开日2012年10月17日 申请日期2010年9月17日 优先权日2009年9月18日
发明者韦恩·S·里特福德 申请人:美国生态能源技术公司