微波在化学反应中的应用-完全版.doc

虽然不是一个这敏感的技术，我依然不敢让外资独享，如不幸出现那种情况，民族老板都得下课！因为它比现在所知的几种技术都先进太多了。静静地等待一位真正的企业家出现，当然，我会给你巨额优惠。微波在化学反应中的应用高能化学微波作为一种能量，能够大幅度地加快一大批化学反应的速度，从而给一些化工生产带来革命性的改变。应当给这一新概念一个全新的定位高能化学。为了给支撑这一新概念经得起推敲的理由，需要详细叙述微波这一作用被发现及应用的过程。且要揭示这一作用的原理。原理的发现始于氯乙酸的制造过程。氯乙酸生产中，催化剂不论加硫、磷、醋酐或直接加乙酰氯，都是为了获得乙酰氯这一最终的催化剂，所以有关原理的论述就从乙酰氯说起。乙酰氯因有羰基的致活作用，可使碳上的氢依次被氯取代，生成氯乙酰氯：CI2+CH3COCI=CICH2COCI+HCI氯乙酰氯被醋酸酸解，则得到氯乙酸和返回一个乙酰氯。CICH2COCI+CH3COOH=CICH2COOH+CH3COCI这就是氯乙酸的产生过程乙酰氯和氯乙酰氯周而复始地循环。但是氯乙酰氯的结构中仍然有羰基，碳上的氢还具有被氯取代的可能，(这个原理可参照乙醛的氯化总是最终得到三氯乙醛）如果氯乙酰氯存在的时间够长，就有可能生成二氯乙酰氯，后者再酸解就生成二氯乙酸。（方程式略）这就是二氯乙酸的生成过程。微波可以压缩氯乙酰氯的存在时间，从而杜绝了二氯乙酸的生成。微波为什么能够缩短氯乙酰氯存在的时间，还要从一个简单的计算说起。从化工词典查得二氯乙酸的比重是1.5634，这是常温下的数值，在80时比重设为1.4634，这不是实际测量值，但是误差不会很大，不影响分析结果。一氯乙酸在80时的比重是1.35(生产时，以这一比重作为氯化终点）。醋酸常温下比重是1.049，80时的比重设定为1。（这误差不大）另根据方程式计算，1克醋酸生成氯乙酸后的重量是1.575克，同样1克醋酸生成二氯乙酸后的重量是2.15克。则： 1.5751.351.167 得出1克醋酸生成一氯乙酸的80时体积是1.167毫升。2.151.46341.469 得出1克醋酸生成二氯乙酸80时的体积是1.469毫升。两个得数都减去醋酸原来的一毫升就是反应后的体积增加值，则一克醋酸生成一氯乙酸体积增加了0.167个单位，这是一个氯原子增加的。而一克醋酸生成二氯乙酸体积增加了0.469个单位。这是两个氯原子增加的。除以2得0.2345就是一个氯原子增加的体积。我们看，同样一个氯原子，在一氯乙酸中增加的体积要少于在二氯乙酸中的增加值。这就是所谓空间阻隔效应。当醋酸的甲基上有了一个氯原子之后，再上第二个氯，由于氯原子半径大，第一个氯必须挪一挪位置，即改变键角，两个氯原子之间多出一个空洞，所以多增了体积。改变键角要消耗一定的能量，可从有关资料上查出每摩尔的生成热一氯乙酸要大于二氯乙酸，就是这个原因。多消耗能量就一定消耗时间因时间和能量等价。（等价这个问题另作研究）。或者说，能量的转移一定要消耗时间。微波是如何改变反应时间的呢？根据微波的数据知道，微波的频率是2450106赫兹，即在微波的作用下，所有极性分子每秒钟都旋转这么多圈，可以看做是共振。因为只有共振才能把微波的能量有效地传递给极性分子，微波对氯气、氢气、二氧化碳等非极性分子不起作用。我用醋酸和氯乙酰氯反应生成氯乙酸和乙酰氯的反应来验证微波的作用。醋酸和氯乙酰氯各取10毫升，在电炉上加热，80时完成反应。在家用微波炉中加热，70就可以完成反应。微波炉的功率是800瓦。用1800瓦的工业微波加热，53就可以完成反应。如果微波的功率加大只是缩短了反应的时间而没有降低反应温度，则说明微波无作用。现在它降低了反应温度，可以使我们对于化学反应有一个重新的认识，化学反应就是分子间的破坏性碰撞。微波使极性分子的运动空前加速，都可以达到因运动而快速升温的程度，使得分子间碰撞的破坏力空前增加，这是微观世界的现象，我们肉眼观察不到，但可以观察宏观世界的灾难性碰撞来想象其裂度。比如道路车祸，赛车车祸等。这些车的速度还达不到因运动而快速升温的程度，飞机也达不到，我们所看到的和微波升温速度有得一比的就是陨石和回收的人造航天器。我们可以从微波的升温速度来反推极性分子由微波加速的运动速度是多么的惊人，这真是微观世界的风暴。前面提到微波对单质气体等非极性分子不起作用，但是微波把能量加到另一方的极性分子上，这些气体分子碰到上面破坏力同样可观。所以，微波助力的化学反应当之无愧地可以称之为高能化学。宏观世界里，人们处处在防止碰撞，想方设法在避免碰撞造成的破坏，长期以来收效甚微。反过来要想碰坏就太容易了，所以我们提高碰撞力可做到事半功倍的效果。而微波对于改变键角不起任何作用。当乙酰氯吸收氯气成为氯乙酰氯后，具备了和醋酸反应的能力，马上被醋酸吃掉，因微波把这些反应都变得很快。想生成二氯却因受键角要改变而拖累，被成功地屏蔽了。总结：要想得到氯乙酸必须经过氯乙酰氯这个结构，这个结构又能产生二氯乙酸，微波的作用是使这一结构的存在时间接近于零，从而使二氯乙酸的生成量接近于零。于是，氯乙酸的各种消耗达到方程式计算的水平，对环境的污染接近于零，简化了制造后的提纯过程。使这项生产实现了现代化。接下来，我阐述一下高能化学的妙用反应时间为什么缩短。微波的频率是2450106赫兹，这个数值就是24亿5千万次每秒，为了计算方便且认为是25亿次每秒。那么，微波作用下的分子25亿分之一秒转一圈（共振）。则分子转过900角的时间是100亿分之一秒。那么，两个分子碰撞的时间以及完成一次化学反应的时间不会超过百亿分之一秒。（分子在碰撞的同时完成了化学反应，可以认为完成一次化学反应的时间等同与碰撞的时间，在此我们借助微波的频率了解了两个分子完成一次反应的大概用时即不大于百亿分之一秒。）它的倒数，就表示一个分子每秒钟可以反应100亿次。即1010次，如果我们把一次碰撞时间分为在路上行进以及实施碰撞的时间两部分，假设路上行进耗时99%，碰撞时间占1%，则每秒的单个分子反应次数下降为108次。这时，我们假设醋酸的分子个数是1%，氯乙酸的分子个数是99%。（就是反应后期）看这么少的醋酸是否还可以有效完成反应。这时假定有一个氯乙酰氯分子要找这一个醋酸分子完成反应，它每秒的碰撞总次数是108次，且其碰撞氯乙酸和醋酸的次数概率之比是991，则其碰撞醋酸的次数是每秒106次。因醋酸从微波获得了足够的能量，每一次碰撞都是有效碰撞，都能顺利发生反应。如果没有微波，氯乙酰氯在越过众多氯乙酸分子后，已是强弩之末，轻轻碰了一下，并没有发生反应。从这个分析结果看，只要各种原材料的计量足够精确，工业品可以比试剂更纯。从实际应用看，用醋酐作催化剂，由于醋酐吸收氯气的速度慢于乙酰氯，不用微波时，在醋酐全部变成乙酰氯之前，由于氯气不能全部吸收，会有氯气进入尾气，玻璃冷凝器变绿。如果用上微波，冷凝器就绝不会变绿。由此证明，所有吃氯的企业都可以用微波。传统工艺，在氯化结束时，料液中既有醋酸又有氯乙酰氯，用上微波，绝不会出现这种情况。曾经有一个工人师傅跟我说，如果剩下一个氯乙酰氯分子去找一个醋酸分子是否会太难了。我说算一算看。咱们假定5000升料液在氯化终了还残存60克醋酸，也就是1摩尔醋酸，分子个数是6.021023个，除以5000得出每升有醋酸分子1.2041020个。每毫升有醋酸分子1.2041017个，这比全世界人口都多。应当是不出针尖大的地方就有1个或多个醋酸分子，根据前面的计算，这一个氯乙酰氯分子每秒碰撞醋酸分子的次数可达成千上万次，完成反应一点问题都没有。所以说，只要计量足够精确，工业品的纯度可以超过试剂。2012年下半年至13年我在中原某地搞完了新法生产氯乙酸的全部生产试验。发现了很多问题并都有了很好的解决方案，可以上实际用于生产的设备了，该厂正在筹措资金准备上生产线。不过该厂资金困难，这个小厂只有20多名工人，还拖欠了3个月的工资。所以筹资也只能慢慢等待。很多的人在听到我所保证的技术指标后，马上会问这么高的指标能实现吗？这很正常，我想用下面的推理来释疑，希望你认真体会。我要先温习一下数学归纳法：和自然数有关的命题，假如代入第一个自然数成立，我们则假定自然数是N时也成立，那么只要证明自然数是N1时也成立，则这个命题对于所有的自然数成立。我们下面所讨论的化工问题虽不属于数学归纳法，但其思维方法有其相似可借鉴之处，请听我道来。我们可假定在微波助力下二氯乙酸的生成概率为零，看一看是何结果？ 那一定是在微波的控制区能把氯气消耗的干干净净，不然出了微波区仍有氯气单质，就一定会生成二氯乙酸。这就保证了氯气一丁点也不会进入尾气，我在生产装置的设计中用的是钢衬氟管道和阀门，杜绝了跑冒滴漏，更不会有泄漏。（其实即使有泄漏也只会是纯氯化氢）氯气既没有跑也没有生成二氯，其用量必定是方程式计算量。为什么是，只看醋酸残留，若残留为痕量，则氯气消耗一定等于方程式计算量。再说醋酸残留。上文已把醋酸残留接近于零的原因说到了。今天再从另一个角度加以说明：出了微波氯化区氯气残留为零，同为反应物，既然氯气可以为零醋酸当然可以为零。只不过氯气残留为零表现在过程中而醋酸残留为零表现在氯化最后。微波的运用极像磨快了的手术刀，刀刃越锋利切得越齐。我们生活中也常把这一类现象叫做一刀切。微波功率越大就相当于刀越锋利。在这篇文章中我先假设二氯为零，跟着作了类似数学归纳法式的推导，这些推论一经确立起来，就不容置疑，因其像数学一样严密。关于二氯为零在上文已经说的很透彻。这里我还可以从另一个角度进行推导，同样也是成立的。我在上文中曾经推导出完成一次化学反应的时间低于百亿分之一秒。这一结论是可信的，这反映了微观世界的普遍现象：就是快。比如，从网上得知，超级计算机运算一次仅需280万亿分之一秒；电视机成像原理是靠电子逐行扫描来完成等。都是微观世界运动飞快的例子。我所设计的氯化反应器有一定的容积和长度，经检验，氯气通过它耗时约5秒，如果反应结果二氯为零，则在5秒内必须把氯气吃得干干净净，这样出了反应器因无氯气才不会产生新的二氯，因微波的作用只要料液足够消耗完氯气应不成问题。 前文根据微波的频率我们知道一个分子同另一个分子完成一次化学反应的时间不会超过百亿分之一秒。我们可以把这一个时间定为一个制造周期，且经过掐表测量，氯气流过氯化反应器的时间约5秒钟，现根据这些数据来描述氯乙酸制造过程中微观的运动状态，就可以明白为什么二氯一定是零。我们假定每秒供给的氯气是一摩尔，（每秒1摩尔相当于1小时通氯255.6公斤）5秒钟一共是5摩尔，反应一个周期是百亿分之一秒，为什么把一个反应周期定为百亿分之一秒，因为百亿分之一秒就可以完成一次反应过程。就有一定数量的新分子被制造出来。现在我们知道：在我们通氯之前锅中只有醋酸和乙酰氯，这时通入氯气，过了百亿分之一秒后出现了非常少量的氯乙酰氯，这百亿分之一秒产生了多少氯乙酰氯呢？我们可以估算一下，5摩尔氯气用5秒钟生成5摩尔氯乙酰氯，共565克，这个数除以5百亿。就是每一个生产周期的平均产生量0.0000000113克。这个量比痕量还要小几个数量级，（我把万分之一克定为痕量，即0.0001克）因为痕量可以在精密天平上称出来，上面这个量0.0000000113克是称不出来的。诚然，氯化不是匀速，平均值这样小，即使有峰值，还能多大？由于微波的存在氯乙酰氯以及醋酸都具有很大的能量，新产生的氯乙酰氯也可能同时或稍后即完全反应变成氯乙酸和乙酰氯，这时间不会超过百亿分之一秒，这里我们要摒弃教科书关于化学反应是一个分子碰撞的概率很低的概念，而是每一次碰撞都可以发生反应的新理念。如果氯乙酰氯要二次氯化生成二氯乙酸，需要改变键角而耗时较长。所以二氯为零。也就是说，氯乙酰氯存在的时间近似于零，没机会生成二氯。它在第一个百亿分之一秒生成了一个比痕量还小几个数量级的的氯乙酰氯，相当于用铅笔在纸上画了一条淡到看不见的痕迹的量，在接下来的百亿分之一秒又被抹去，因为微波把所有的反应都进行得很彻底，不管这量是如何之小。这如何还有二氯。不经过氯乙酰氯肯定造不出氯乙酸，但是从二氯的角度看，感觉氯乙酰氯根本就没有出现过。微波的加入不仅使每次的碰撞力度增加了，而且一定增加了单位时间的碰撞次数，所以反应速度空前加快。北京化工大学的张教授说微波就是微观搅拌，可见此言不虚。接下来的问题就变成了设计一个足够容积的反应器的问题即要保证在反应器中把氯气消耗完，这太简单了。容积足够且又可以被微波穿透即可！我以前的工作正是在反复地做着各种样式的反应器，经过失败的历练，积累了丰富的经验，也正是这一过程，步步引领我的认识把理论深入到今天这个深度。跟谁合作，这些经验可以共同分享，造一个合格的反应器已经不是问题。正如经验告诉我们，失败是成功之母，一次充分的技术答辩可以化解您心中的所有疑虑。 我们这个实验为什么风险小？就因为我们把微观世界看得清清楚楚！看得清楚事情就变得特简单。想一想那些通过正交试验法所做的试验，其结果在试验者的心目中总也不敢确定，因不明了微