Производство искусственной нефти.
Производство искусственной нефти
Искусственно синтезированная нефть возможна, но все же.
Истощение природных нефтяных месторождений грозит человечеству не тотальным дефицитом моторного топлива, а его подорожанием до тех пор, пока его использование станет экономически невыгодным. Временным выходом из положения будет синтез веществ, по химическому составу похожих на бензин, керосин и дизельное топливо из сырья, с большим содержанием углерода. Это, то же, не космическая технология. Синтез-газ, представляющий собой смесь монооксида углерода (СО) и водорода (Н2), пропускают над катализатором. В зависимости от условий и соотношения концентраций монооксида углерода и водорода, можно получать жидкие и даже твердые углеводороды, которые по свойствам мало отличаются от продуктов ректификации нефти (фракционирования). Эта технология уже отпраздновала свое 80-ти летие, если считать от 1926 года, когда немецкие ученые Ф.Фишер и Г.Тропш, на практике, синтезировали высокомолекулярные углеводороды из синтез-газа. Их успех так велик, что во время Второй Мировой Войны, синтетическое топливо, полученное по этой технологии, почти полностью покрывало потребности немецкой авиации. Подобные работы, и весьма успешно, велись в довоенном Советском Союзе, но до практического производства дело не дошло. В настоящее время, эти технологии имеют возможность для своего «второго рождения».
Существует принципиальное отличие между крекингом с перегонкой и синтезом топлива. В случае крекинга-перегонки высокомолекулярные составляющие, под действием высокой температуры, превращаются в низкомолекулярные и разделяются по температурному принципу. Таким образом, в бензин попадают все химические соединения с определенной температурой конденсации (кипения). Химический состав и свойства не учитываются.
Совершенно другая ситуация в случае синтеза топлива. При синтезе, из простых соединений получаются высокомолекулярные. Это позволяет «строить» углеводороды с заранее известными свойствами, содержащие определенное количество атомов углерода в молекулах. То есть, отдельно А-76, и отдельно АИ-92. При необходимости можно синтезировать А-98, А-99, А-100 и так далее. Кроме того, возможно синтезировать углеводороды, которых нет в природной нефти. К примеру, полимеры.
Синтез – это очень перспективная и хорошая технология. Но она нуждаются в углероде - элементе Таблицы Менделеева, с атомарным весом равным 12. Являясь основой всего живого, он также, как нас убеждают с экранов телевизоров, является причиной «глобального потепления». Но не будем о политике, но самые умные могли бы собирать углекислый газ, который тяжелее воздуха и преобразовывать его в бензин. Вернемся к реальности.
В двадцатых годах прошлого столетия, два немецких химика Франц Фишер и Ганс Тропш, осуществили промышленный процесс, который описывается следующими химическими уравнениями.
CO + 2 H2 → −CH2− + H2O
2 CO + H2 → −CH2− + CO2
Где, «−CH2−» это «кирпичик» из которого строятся высокомолекулярные соединения.
Более точно, этот процесс можно описать в таком виде:
nCO + (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2О + Q
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2О + Q
Здесь Q = 165 кДж/моль СО, это тепло, которое вырабатывается в результате реакции.
В дополнение к основной реакции, происходят побочные реакции:
СО + 3Н2 → СН4 + Н2О
2СО → СО2 + С
СО + Н2О ↔ СО2 + Н2
В результате химических реакций, вместе с углеводородами, образуется вода и углекислый газ. В дополнение, в результате побочных реакций, вырабатывается метан, углекислый газ и водород.
Все это хорошо, но как это делается на практике?
На практике, синтез-газ, под давлением от 1 до 30 атм, непрерывно подается реактор, нагретую емкость заполненную катализатором. Для низкотемпературных катализаторов на основе кобальта и железа, температура от 190 до 240 градусов Цельсия, для высокотемпературных, на основе железа, от 320 до 350. Хотелось бы предположить, что с реактора выходит чистый бензин, но это не так. На выходе реактора мы получаем смесь разных углеводородов, продукты побочных реакций и не прореагировавший синтез-газ. Регулируя давление, температуру в реакторе и концентрацию водорода в синтез газе изменяют ход реакции и добиваются максимального выхода по конкретной группе углеводородов. Результатом химической реакции, после отделения газов и ..., является синтетическая «сырая нефть», которая при последующей переработке разделяется на различные виды топлива.
Кроме процесса Фишера-Тропша, существуют другие методы получения моторных топлив. Например, над Cu-Zn-Cr-катализатором синтез-газ превращается в метанол, а дальше, над цеолитным катализатором, в бензин. Многофункциональный цеолитный катализатор позволяет получить бензин в одну стадию. Cu-Zn-Al-(Cr)-катализатор позволяет получить диметиловый эфир, который на цеолитном катализаторе превращается в бензин. Для получения низших спиртов используют модифицированные кобальтовые или Zn-Cr-катализаторы. Все эти методы объединяет то, что они используют синтез-газ, который получается методом парокислородной газификации твердых органических соединений.