CN116459781A - 一种co2转化制取甲酸的反应装置及其方法 - Google Patents

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CN116459781A CN202310232678.1A CN202310232678A CN116459781A CN 116459781 A CN116459781 A CN 116459781A CN 202310232678 A CN202310232678 A CN 202310232678A CN 116459781 A CN116459781 A CN 116459781A
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陆诗建
刘玲
康国俊
陈思铭
孙文坛
牛皓
杨菲
任雪峰
倪中海
闫新龙
朱佳媚
王全德
刘滋武
王瑞玉
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China University of Mining and Technology CUMT
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Jiangsu Carbon Capture Environmental Protection Research Institute Co ltd
China University of Mining and Technology CUMT
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Abstract

本发明公开了一种CO2转化制取甲酸的反应装置及其方法，包括支撑底板、安装支架、混合罐体、混合机构、摇摆驱动机构和往复驱动机构；安装支架滑动设于支撑底板上；安装支架包括基板和两端的侧立板，混合罐体转动设于两组侧立板之间，混合机构转动安装在混合罐体顶端，并对混合罐体内物料进行搅拌；摇摆驱动机构与混合罐体传动连接，摇摆驱动机构驱动混合罐体前后摇摆动作；往复驱动机构设于支撑底板一侧并与摇摆驱动机构、安装支架传动连接，往复驱动机构驱动安装支架沿着支撑底板往复运动。本发明的反应装置采用高度集成的动力传输结构，提高动力传输的协调性、集成度和自动化程度，高效的实现混合罐体在制备甲酸的反应效率。

Description

一种CO2转化制取甲酸的反应装置及其方法
技术领域
本发明涉及甲酸制备技术领域，尤其涉及一种CO2转化制取甲酸的反应装置及其方法。
背景技术
甲酸是一种有机物，也是一种最简单的羧酸，其化学式为HCOOH，甲酸是一种无色而有刺激性气味的液体。通常将水、碳水化合物类生物质、CO2与NaOH导入反应设备内进行混合反应并通过蒸馏制得甲酸。
当前所使用的反应设备还存在一定的不足：现有反应设备在使用时存在混合效率与混合均匀性较差的缺陷，从而导致混合时间过长且无法保障后续反应的充分性。
针对上述问题，发明人提出一种CO2转化制取甲酸工艺及设备用于解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种CO2转化制取甲酸的反应装置及其方法，提高甲酸的制备效率。
技术方案：本发明所述的一种CO2转化制取甲酸的反应装置，包括：
支撑底板；
安装支架，所述安装支架横向滑动设于支撑底板上；所述安装支架包括基板以上设于底板两端的侧立板；
混合罐体，所述混合罐体转动设于两组侧立板之间；
混合机构，所述混合机构转动安装在所述混合罐体顶端，并对混合罐体内物料进行搅拌；
摇摆驱动机构，所述摇摆驱动机构设于侧立板一侧并与混合罐体传动连接，所述摇摆驱动机构驱动混合罐体前后摇摆动作；
往复驱动机构，所述往复驱动机构设于支撑底板一侧并与摇摆驱动机构、安装支架传动连接，所述往复驱动机构驱动安装支架沿着支撑底板往复运动。
优选的，所述混合机构包括搅拌轴以及与搅拌轴传动连接的混料驱动电机；
所述搅拌轴靠近混料驱动电机一端固定套装第一齿轮，且搅拌轴靠近混合罐体一端转动套接有第二齿轮，所述第二齿轮下侧固定连接有套装在搅拌轴上的转动套环，且转动套环底端固定套接有转动支架；
所述混合罐体顶端固定设有位于第一齿轮外周的U型导环，且U型导环内侧转动安装有驱动齿圈，所述驱动齿圈与第一齿轮啮合传动连接；
所述混合罐体顶端位于U型导环内转动设有支撑轴，所述支撑轴上固定套接有第三齿轮与第四齿轮，所述第三齿轮与驱动齿圈啮合传动连接，所述第四齿轮与第二齿轮啮合传动连接；
所述第二齿轮通过转动套环驱动转动支架沿着搅拌轴相对转动。
优选的，所述搅拌轴伸入混合罐体内，且沿着搅拌轴轴向分层固定套接有多个固定套环，所述固定套环外圆周阵列分布多个第一混合板；
所述转动支架靠近混合罐体内壁圆周向对称多根纵向杆，且沿着纵向杆垂直分布有多根第二混合板，所述第二混合板与第一混合板沿着纵向呈交错分层分布。
优选的，所述摇摆驱动机构包括固定连接在侧立板外侧的支撑托架以及支撑托架上固定设置的摇摆驱动电机；
所述混合罐体两侧设有转动支撑在侧立板上的支撑耳轴，其一所述支撑耳轴固定套装有驱动齿轮；
所述侧立板位于驱动齿轮上方设有横轴，所述横轴上设有转动轴套，所述转动轴套圆周向沿着同一轴线设有扇形齿轮、驱动转板，所述扇形齿轮与驱动齿轮传动连接；所述驱动转板上沿着其长度方向开设有导槽；
所述摇摆驱动电机轴端沿着径向设有驱动推板，所述驱动推板外端设有卡入导槽内的导杆，所述导杆带动驱动转板沿着横轴摆动。
优选的，所述往复驱动机构包括对应设于侧立板外侧的第一轴承座以及转动设于第一轴承座内的立轴，所述立轴两端分设有第一锥齿轮、第二锥齿轮；
与驱动齿轮对应的支撑耳轴套装有第一侧齿轮，所述第一侧齿轮与第一锥齿轮啮合连接；
所述基板一端固定设有两组第二轴承座以及转动设有第二轴承座之间的横向转轴，所述横向转轴固定设有第二侧齿轮和两组滚动齿轮，所述第二侧齿轮与第二锥齿轮啮合连接；
所述支撑底板顶面平行设有两组导向齿条，所述滚动齿轮分别与导向齿条啮合连接。
优选的，所述支撑底板顶面沿着其长度方向平行设有两根导向滑轨，所述导向滑轨上滑动卡装有导向滑块，所述导向滑块顶端固定连接在基板底面。
优选的，所述混合罐体底端设有出料管，所述出料管前端设有放料的控制阀门。
优选的，所述混料驱动电机为步进电机或伺服电机。
优选的，所述摇摆驱动电机为步进电机或伺服电机。
一种CO2转化制取甲酸方法，包括以下步骤：
步骤1：在混合罐体中加容量40%的水，并按照摩尔比量将碳水化合物类生物质∶CO2∶NaOH=3∶10∶10的原料导入混合罐体内；
步骤2：将混合罐体中原料进行充分混合，并在反应温度200℃、压力10Mpa、酸度pH=8的条件下下反应100 min，使得CO2被碳水化合物类生物质还原成甲酸，然后按照甲酸的沸点进行蒸馏分离得到甲酸。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：
1、本发明的反应装置，集成度和自动化程度高，可提高甲酸的制备效率；
2、混料罐体顶端设置的混合机构，通过混料驱动电机驱动搅拌轴和转动支架做共轴转动，从而能够使得第一混合板与第二混合板做水平面内的剪切运动，有效提高反应物料的混合效率与混合均匀性，进而能够缩短反应物料混料时间，且能够保障后续反应的充分性；
3、混料罐体一侧配合设置的摇摆驱动机构，摇摆驱动电机可驱动扇形齿轮与驱动齿轮配合做循环往复摆动，进而能够带动混合罐体做循环往复摆动，进一步提高反应物料的混合效率与混合均匀性；此外，通过精确控制混合罐体的摆动倾角实现罐体内料渣的排放；
4、安装支架底端配合设有往复驱动机构，往复驱动机构可推动安装支架沿着支撑底板往复水平移动，进而通过安装支架带动混合罐体做循环往复移动，可进一步提高物料的混合效率与混合均匀性。
附图说明
图1为本发明的第一视角立体结构示意图；
图2为图1中混合罐体内混合机构结构示意图；
图3为本发明的第二视角立体结构示意图；
图4为图1中A处放大结构示意图；
图5为图2中B处放大结构示意图；
图6为图2中C处放大结构示意图；
图7为图3中D处放大结构示意图；
图8为图3中E处放大结构示意图。
附图标记：
1、支撑底板；11、导向滑轨；12、导向滑块；
2、安装支架；21、基板；22、侧立板；
3、混合罐体；31、出料管；32、控制阀门；
4、混合机构；41、混料驱动电机；42、支腿；43、支撑轴；44、搅拌轴；45、固定套环；46、第一混合板；47、第一齿轮；48、第二齿轮；49、转动套环；410、转动支架；411、第二混合板；412、U型导环；413、驱动齿圈；414、第三齿轮；415、第四齿轮；416、固定支杆；417、电机支座；
5、摇摆驱动机构；51、横轴；52、摇摆驱动电机；53、转动轴套；54、扇形齿轮；55、驱动转板；56、导槽；57、驱动推板；58、导杆；59、支撑耳轴；510、驱动齿轮；511、L型支架；512、固定撑板；
6、往复驱动机构；61、第一轴承座；62、立轴；63、第一锥齿轮；64、第一侧齿轮；65、第二锥齿轮；66、横向转轴；67、第二侧齿轮；68、滚动齿轮；69、导向齿条；610、第二轴承座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-8，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-3所示，本发明的一种CO2转化制取甲酸的反应装置，反应装置包括支撑底板1，支撑底板1顶面沿着其长度方向平行设有两根导向滑轨11，导向滑轨11上滑动卡装有导向滑块12。支撑底板1上方横向滑动连接有安装支架2，安装支架2包括基板21以上设于底板两端的侧立板22，导向滑块12顶端固定连接在基板21底面。安装支架2通过导向滑轨11与导向滑块12的配合，可对安装支架2在支撑底板上移动调节起到了限位及导向作用。安装支架2的两组侧立板22之间转动设于混合罐体3，混合罐体3能够调节反应物料的反应时间、压强以及温度等反应参数，此为现有技术，此处不做过多赘述。混合罐体3底端设有出料管31，出料管31前端设有放料的控制阀门32，通过出料管31与控制阀门32的配合使用为后续混合物的导出提供便利，混合罐体3顶端设有进料管，从而便于将原料导入混合罐体3内。
如图2和图6所示，混合罐体3顶端转动安装有混合机构4，混合机构4包括搅拌轴44以及与搅拌轴传动连接的混料驱动电机41，混料驱动电机41为步进电机或伺服电机。混料驱动电机41的一侧固定安装有对称分布的固定支杆416，固定支杆416的顶端固定连接有电机支座417，混料驱动电机41固定安装在电机支座417内，通过固定支杆416与电机支座417的配合使用，为混料驱动电机41的安装提供了稳定支撑。搅拌轴44伸入混合罐体3内，且沿着搅拌轴44轴向分层固定套接有多个固定套环45，固定套环45外圆周阵列分布多个第一混合板46。搅拌轴44靠近混料驱动电机41一端固定套装第一齿轮47，且搅拌轴44靠近混合罐体3一端转动套接有第二齿轮48，第二齿轮48下侧固定连接有套装在搅拌轴上的转动套环49，且转动套环49底端固定套接有转动支架410，第二齿轮48、转动套环49和转动支架410与搅拌轴44不连接，但可与搅拌轴44做同轴转动；转动支架410靠近混合罐体内壁圆周向对称多根纵向杆，且沿着纵向杆垂直分布有多根第二混合板411，第二混合板411与第一混合板46沿着纵向呈交错分层分布，当搅拌轴44和转动支架410同轴转动过程中，能够使得第一混合板与第二混合板做水平面内的剪切运动，有效提高反应物料的混合效率与混合均匀性，进而能够缩短反应物料混料时间，且能够保障后续反应的充分性。
如图5所示，混合罐体3顶端固定设有位于第一齿轮47外周的U型导环412，U型导环412通过其圆周向设置的多个支腿42固定支撑在混合罐体3的顶端，U型导环412内侧转动安装有驱动齿圈413，驱动齿圈413与第一齿轮47啮合传动连接，搅拌轴44转动时即可带动第一齿轮47转动，第一齿轮47可啮合带动驱动齿圈413沿着U型导环412。混合罐体3顶端位于U型导环412内转动设有支撑轴43，支撑轴43上固定套接有第三齿轮414与第四齿轮415，第三齿轮414与驱动齿圈413啮合传动连接，第四齿轮415与第二齿轮48啮合传动连接；当驱动齿圈413转动时可驱动第三齿轮414转动，第三齿轮414可带动第四齿轮415转动进而带动第二齿轮48转动，第二齿轮48可带动转动套环49和转动支架410沿着搅拌轴44做同轴旋转，从而实现对第一混合板46和第二混合板411的驱动。
如图4和图7所示，摇摆驱动机构5，摇摆驱动机构5设于侧立板22一侧并与混合罐体3传动连接，摇摆驱动机构5驱动混合罐体3前后摇摆动作。摇摆驱动机构5包括固定连接在侧立板22外侧的支撑托架以及支撑托架上固定设置的摇摆驱动电机52，摇摆驱动电机52为步进电机或伺服电机。支撑托架包括两组L型支架511以及L型支架511顶端固定安装有固定撑板512，摇摆驱动电机52固定安装在固定撑板512上，支撑托架可为摇摆驱动电机52的稳定安装提供了保障。混合罐体3两侧设有转动支撑在侧立板22上的支撑耳轴59，其一支撑耳轴59固定套装有驱动齿轮510；侧立板22位于驱动齿轮510上方设有横轴51，横轴51上设有转动轴套53，转动轴套53圆周向沿着同一轴线设有扇形齿轮54、驱动转板55，扇形齿轮54与驱动齿轮510传动连接；驱动转板55上沿着其长度方向开设有导槽56；摇摆驱动电机52轴端沿着径向设有驱动推板57，驱动推板57外端设有卡入导槽56内的导杆58，导杆58带动驱动转板55沿着横轴51摆动。
工作时，摇摆驱动电机52将带动驱动推板57转动，进而带动导杆58沿着导槽56内壁滚动，使得驱动转板55沿着横轴51做循环往复摆动，从而能够带动转动轴套53做循环往复转动，进而能够带动扇形齿轮54做循环往复摆动，进一步能够带动驱动齿轮510做循环往复转动，从而驱动支撑耳轴59带动混合罐体3做循环往复摆动，进一步提高反应物料的混合效率与混合均匀性。
如图7-8所示，支撑底板1一侧设有与摇摆驱动机构5、安装支架2传动连接往复驱动机构6，往复驱动机构6包括对应设于侧立板22外侧的第一轴承座61，第一轴承座内转动设有立轴62，立轴62两端分设有第一锥齿轮63、第二锥齿轮65；与驱动齿轮510对应的支撑耳轴59套装有第一侧齿轮64，第一侧齿轮64与第一锥齿轮63啮合连接；基板21一端固定设有两组第二轴承座610以及转动设有第二轴承座之间的横向转轴66，横向转轴66固定设有第二侧齿轮67和两组滚动齿轮68，第二侧齿轮67与第二锥齿轮65啮合连接；支撑底板1顶面平行设有两组导向齿条69，滚动齿轮68分别与导向齿条69啮合连接。
工作时，支撑耳轴59将带动第一侧齿轮64与第一锥齿轮63啮合传动，进而能够带动立轴62往复转动，立轴62能够带动第二锥齿轮65与第二侧齿轮67啮合传动，从而驱动横向转轴66及其上的两组滚动齿轮68循环往复转动，滚动齿轮68沿着导向齿条69进行循环往复滚动，从而能够驱动安装支架2及其上的混合罐体3沿着支撑底板做水平向的循环往复移动，进而能够进一步提高反应物料的混合效率与混合均匀性。
实施例2：
一种CO2转化制取甲酸方法，包括以下步骤：
步骤1：在混合罐体3中加容量40%的水，并按照摩尔比量将碳水化合物类生物质∶CO2∶NaOH=3∶10∶10的原料导入混合罐体3内；
步骤2：将混合罐体3中原料进行充分混合，并在反应温度200℃、压力10Mpa、酸度pH=8的条件下下反应100 min，使得CO2被碳水化合物类生物质还原成甲酸，然后按照甲酸的沸点进行蒸馏分离得到甲酸。
本发明的反应装置的工作原理或工作方法：
工作时，用户可通过进料管向混合罐体3内导入配比量的水、碳水化合物类生物质、CO2与NaOH，随后可将混料驱动电机41与摇摆驱动电机52打开，此时混料驱动电机41驱动搅拌轴44转动，从而能够带动第一齿轮47与固定套环45和第一混合板46转动，且在第一齿轮47转动的同时将带动驱动齿圈413和第三齿轮414转动，第三齿轮414带动支撑轴43和第四齿轮415转动，且在第四齿轮415转动的同时将带动第二齿轮48进行反向转动，从而能够带动转动套环49和转动支架410进行反向转动，进而带动第二混合板411进行反向转动，使得第二混合板411与第一混合板46做同轴反向转动，有效提高反应物料的混合效率与混合均匀性，缩短混合时间，且能够保障后续反应的充分性；
与此同时，摇摆驱动电机52将带动驱动推板57和导杆58转动，进而能够使导杆58沿着导槽56的内壁滚动，带动驱动转板55沿着横轴51做循环往复摆动，从而能够带动转动轴套53和扇形齿轮54做循环往复摆动，扇形齿轮54带动驱动齿轮510转动，从而通过支撑耳轴59驱动混合罐体3做循环往复摆动，进而能够再次提高物料的混合效率与混合均匀性；
在此期间，支撑耳轴59将带动第一侧齿轮64与第一锥齿轮63啮合传动，进而能够带动立轴62往复转动，立轴62能够带动第二锥齿轮65与第二侧齿轮67啮合传动，从而驱动横向转轴66及其上的两组滚动齿轮68循环往复转动，滚动齿轮68沿着导向齿条69进行循环往复滚动，从而能够驱动安装支架2及其上的混合罐体3沿着支撑底板做水平向的循环往复移动，进一步提高物料的混合效率与混合均匀性。在物料混合均匀后可将混料驱动电机41与摇摆驱动电机52关闭，并将混合罐体3调制合适温度、压强条件下反应100分钟，当反应结束后可将反应物导出并通过蒸馏分离得到甲酸。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，包括：
支撑底板（1）；
安装支架（2），所述安装支架（2）横向滑动设于支撑底板（1）上；所述安装支架（2）包括基板（21）以上设于底板两端的侧立板（22）；
混合罐体（3），所述混合罐体（3）转动设于两组侧立板（22）之间；
混合机构（4），所述混合机构（4）转动安装在所述混合罐体（3）顶端，并对混合罐体（3）内物料进行搅拌；
摇摆驱动机构（5），所述摇摆驱动机构（5）设于侧立板（22）一侧并与混合罐体（3）传动连接，所述摇摆驱动机构（5）驱动混合罐体（3）前后摇摆动作；
往复驱动机构（6），所述往复驱动机构（6）设于支撑底板（1）一侧并与摇摆驱动机构（5）、安装支架（2）传动连接，所述往复驱动机构（6）驱动安装支架（2）沿着支撑底板（1）往复运动。
2.根据权利要求1所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述混合机构（4）包括搅拌轴（44）以及与搅拌轴传动连接的混料驱动电机（41）；
所述搅拌轴（44）靠近混料驱动电机（41）一端固定套装第一齿轮（47），且搅拌轴（44）靠近混合罐体（3）一端转动套接有第二齿轮（48），所述第二齿轮（48）下侧固定连接有套装在搅拌轴上的转动套环（49），且转动套环（49）底端固定套接有转动支架（410）；
所述混合罐体（3）顶端固定设有位于第一齿轮（47）外周的U型导环（412），且U型导环（412）内侧转动安装有驱动齿圈（413），所述驱动齿圈（413）与第一齿轮（47）啮合传动连接；
所述混合罐体（3）顶端位于U型导环（412）内转动设有支撑轴（43），所述支撑轴（43）上固定套接有第三齿轮（414）与第四齿轮（415），所述第三齿轮（414）与驱动齿圈（413）啮合传动连接，所述第四齿轮（415）与第二齿轮（48）啮合传动连接；
所述第二齿轮（48）通过转动套环（49）驱动转动支架（410）沿着搅拌轴（44）相对转动。
3.根据权利要求2所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述搅拌轴（44）伸入混合罐体（3）内，且沿着搅拌轴（44）轴向分层固定套接有多个固定套环（45），所述固定套环（45）外圆周阵列分布多个第一混合板（46）；
所述转动支架（410）靠近混合罐体内壁圆周向对称多根纵向杆，且沿着纵向杆垂直分布有多根第二混合板（411），所述第二混合板（411）与第一混合板（46）沿着纵向呈交错分层分布。
4.根据权利要求1所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述摇摆驱动机构（5）包括固定连接在侧立板（22）外侧的支撑托架以及支撑托架上固定设置的摇摆驱动电机（52）；
所述混合罐体（3）两侧设有转动支撑在侧立板（22）上的支撑耳轴（59），其一所述支撑耳轴（59）固定套装有驱动齿轮（510）；
所述侧立板（22）位于驱动齿轮（510）上方设有横轴（51），所述横轴（51）上设有转动轴套（53），所述转动轴套（53）圆周向沿着同一轴线设有扇形齿轮（54）、驱动转板（55），所述扇形齿轮（54）与驱动齿轮（510）传动连接；所述驱动转板（55）上沿着其长度方向开设有导槽（56）；
所述摇摆驱动电机（52）轴端沿着径向设有驱动推板（57），所述驱动推板（57）外端设有卡入导槽（56）内的导杆（58），所述导杆（58）带动驱动转板（55）沿着横轴（51）摆动。
5.根据权利要求4所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述往复驱动机构（6）包括对应设于侧立板（22）外侧的第一轴承座（61）以及转动设于第一轴承座内的立轴（62），所述立轴（62）两端分设有第一锥齿轮（63）、第二锥齿轮（65）；
与驱动齿轮（510）对应的支撑耳轴（59）套装有第一侧齿轮（64），所述第一侧齿轮（64）与第一锥齿轮（63）啮合连接；
所述基板（21）一端固定设有两组第二轴承座（610）以及转动设有第二轴承座之间的横向转轴（66），所述横向转轴（66）固定设有第二侧齿轮（67）和两组滚动齿轮（68），所述第二侧齿轮（67）与第二锥齿轮（65）啮合连接；
所述支撑底板（1）顶面平行设有两组导向齿条（69），所述滚动齿轮（68）分别与导向齿条（69）啮合连接。
6.根据权利要求5所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述支撑底板（1）顶面沿着其长度方向平行设有两根导向滑轨（11），所述导向滑轨（11）上滑动卡装有导向滑块（12），所述导向滑块（12）顶端固定连接在基板（21）底面。
7.根据权利要求1所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述混合罐体（3）底端设有出料管（31），所述出料管（31）前端设有放料的控制阀门（32）。
8.根据权利要求2所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述混料驱动电机（41）为步进电机或伺服电机。
9.根据权利要求4所述的CO2转化制取甲酸的反应装置，其特征在于，所述摇摆驱动电机（52）为步进电机或伺服电机。
10.一种CO2转化制取甲酸方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的反应装置，包括以下步骤：
步骤1：在混合罐体（3）中加容量40%的水，并按照摩尔比量将碳水化合物类生物质∶CO2∶NaOH=3∶10∶10的原料导入混合罐体（3）内；
步骤2：将混合罐体（3）中原料进行充分混合，并在反应温度200℃、压力10Mpa、酸度pH=8的条件下下反应100 min，使得CO2被碳水化合物类生物质还原成甲酸，然后按照甲酸的沸点进行蒸馏分离得到甲酸。
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