Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Процесс Фишера-Тропша

Введение

углеводород катализатор технологический

История знает немало примеров, когда в силу острой необходимости рождались новые оригинальные подходы к решению давно существующих жизненно важных проблем. Так, в предвоенной Германии, лишенной доступа к нефтяным источникам, назревал жесткий дефицит топлива, необходимого для функционирования мощной военной техники. Располагая значительными запасами ископаемого угля, Германия была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была успешно решена усилиями превосходных химиков, из которых, прежде всего, следует упомянуть Франца Фишера, директора Института кайзера Вильгельма по изучению угля.

В 1926 году была опубликована работа Франца Фишера и Ганса Тропша «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении» . В ней сообщалось, что при восстановлении водородом монооксида углерода при атмосферном давлении в присутствии различных катализаторов (железо-оксид цинка или кобальт-оксид хрома) при 270єС получаются жидкие и даже твердые гомологи метана.

Так возник знаменитый синтез углеводородов из монооксида углерода и водорода, называемый с тех пор синтезом Фишера-Тропша (ФТ). Смесь CO и H 2 в различных соотношениях, называемая синтез-газом, может быть получена как из угля, так и из любого другого углеродсодержащего сырья. После изобретения процесса германскими исследователями было сделано множество усовершенствований и исправлений и название «Фишер-Тропш» сейчас применяется к большому количеству сходных процессов.

Справедливости ради следует отметить, что синтез Фишера-Тропша возник не на пустом месте - к тому времени существовали научные предпосылки, которые базировались на достижениях органической химии и гетерогенного катализа. Еще в 1902 году П. Сабатье и Ж. Сандеран впервые получили метан из СО и H 2 . В 1908 году Е. Орлов открыл, что при пропускании монооксида углерода и водорода над катализатором, состоящим из никеля и палладия, нанесенных на уголь, образуется этилен .

Первый промышленный реактор был пущен в Германии в 1935 году, использовался Co-Th осажденный катализатор. В 1930-40-е годы на основе технологии Фишера-Тропша было налажено производство синтетического бензина (когазин-I, или синтин) с октановым числом 40ч55, синтетической высококачественной дизельной фракции (когазин-II) с цетановым числом 75ч100 и твердого парафина. Сырьем для процесса служил уголь, из которого газификацией получали синтез-газ, а из него углеводороды. Промышленность искусственного жидкого топлива достигла наибольшего подъема в годы второй мировой войны. К 1945 г. в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера-Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн. т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла. В Германии синтетическое топливо почти полностью покрывало потребности немецкой армии в авиационном бензине. Годовое производство синтетического топлива в этой стране достигло более 124 000 баррелей в день, т.е. около 6,5 миллионов тонн в 1944 году .

После 1945 года в связи с бурным развитием нефтедобычи и падением цен на нефть отпала необходимость синтеза жидких топлив из СО и Н 2 . Наступил нефтехимический бум. Однако в 1973 году разразился нефтяной кризис - нефтедобывающие страны ОПЕК (Organization of Petroleum Exporting Countries, Организация стран-экспортеров нефти) резко повысили цены на сырую нефть, и мировое сообщество вынуждено было осознать реальную угрозу истощения в обозримые сроки дешевых и доступных нефтяных ресурсов. Энергетический шок 70-х годов возродил интерес ученых и промышленников к использованию альтернативного нефти сырья, и здесь первое место, бесспорно, принадлежит углю. Мировые запасы угля огромны, они, по различным оценкам, более чем в 50 раз превосходят нефтяные ресурсы, и их может хватить на сотни лет .

Кроме этого, в мире имеется значительное количество источников углеводородных газов (как непосредственно залежи природного газа, так и попутный нефтяной газ), которые по тем или иным причинам не используются по экономическим причинам (значительная удаленность от потребителей и, как следствие, большие затраты на транспортировку в газообразном состоянии). Однако мировые запасы углеводородов иссякают, потребности в энергии растут, и в этих условиях расточительное использование углеводородов недопустимо, о чем свидетельствует неуклонный рост мировых цен на нефть с начала 21 века.

В этих условиях синтез Фишера-Тропша снова приобретает актуальность.

1. Химизм процесса

1.1 Основные реакции образования углеводородов

Суммарные реакции синтеза углеводородов из оксидов углерода и водорода в зависимости от катализатора и условий процесса можно представить разными уравнениями, но все они сводятся к двум основным . Первая основная реакция - собственно синтез Фишера-Тропша:

(1)

Вторая основная реакция - равновесие водяного газа. Этот процесс особенно легко протекает на железных катализаторах как вторичный:

(2)

С учетом этой вторичной реакции для ФТ-синтеза на железных катализаторах получается суммарное уравнение:

(3)

Реакции (1) и (3) при стехиометрическом, исчерпывающем превращении позволяют получить максимальный выход 208,5 г углеводородов на 1 м 3 смеси CO + Н 2 при образовании только олефинов.

Реакция (2) может подавляться при низких температурах, малом времени контакта, циркуляции синтез-газа и удалении воды из циркулирующего газа, так что синтез может протекать частично по уравнению (1) с образованием воды и частично по уравнению (3) с образованием СO 2 .

Из уравнения (1) при удвоенном превращении по уравнению (2) получается суммарное уравнение синтеза углеводородов из СО и Н 2 O по Кёльбелу-Энгельгардту:

(4)

Стехиометрический выход равен 208,5 г [-СН 2 -] на 1 м 3 смеси СО + Н 2 .

Образование углеводородов из СО 2 и Н 2 обусловлено уравнением (1) и реакцией, обратной (2):

(5)

Стехиометрический выход 156,25 г. [-СН 2 -] на 1 м 3 смеси СO 2 + Н 2 .

В общем виде уравнения выглядят следующим образом:

Для синтеза парафинов

(6)

(7)

(8)

(9)

Для синтеза олефинов

(10)

(11)

(12)

(13)

1.2 Побочные реакции

Нежелательными реакциями следует считать гидрирование СО в метан, разложение СО и окисление металла водой или диоксидом углерода.

Метан образуется в присутствии кобальтовых и никелевых катализаторов:

(14)

Стехиометрический выход 178,6 г СН 4 на 1 м 3 смеси СО + Н 2 . Вода, образующаяся при этом, конвертируется затем (особенно на железных катализаторах) в присутствии СО в смесь СО 2 + Н 2 , поэтому суммарная реакция образования метана иная:

(15)

Стехиометрический выход 178,6 г СН 4 на 1 м 3 смеси СО + Н 2 . При температурах выше 300°С метан образуется также при гидрировании СО 2 по суммарному уравнению:

(16)

Стехиометрический выход 142,9 г СН 4 на 1 м 3 смеси СO 2 + H 2 . Процесс синтеза осложняется образованием углерода по реакции Будуара:

(17)

ФТ-синтез может быть направлен в сторону преимущественного образования спиртов или альдегидов, которые при синтезе углеводородов образуются как побочные продукты. Основные уравнения в случае спиртов следующие

(18)

(19)

(20)

а альдегиды образуются так:

(21)

(22)

Уравнения для других продуктов, образующихся в небольшом количестве (кетоны, карбоновые кислоты, эфиры), опущены.

1.3 Механизм реакций

Гидрирование оксида углерода в процессе ФТ представляет собой комплекс сложных, параллельных и последовательных реакций. Первая стадия - одновременная хемосорбция оксида углерода и водорода на катализаторе. Оксид углерода в этом случае соединяется углеродным атомом с металлом, вследствие чего ослабляется связь С-О и облегчается взаимодействие СО и водорода с образованием первичного комплекса. С этого комплекса и начинается рост углеводородной цепи («начало цепи»). В результате дальнейшего ступенчатого присоединения поверхностного соединения, несущего один углеродный атом, углеродная цепочка удлиняется («рост цепи»). Рост цепи заканчивается в результате десорбции, гидрирования или взаимодействия растущей цепочки с продуктами синтеза («обрыв цепи»).

Основные продукты этих реакций - насыщенные и ненасыщенные углеводороды алифатического ряда, а побочные продукты - спирты, альдегиды и кетоны. Реакционноспособные соединения (ненасыщенные углеводороды, альдегиды, спирты и др.) могут при последующих реакциях встраиваться в растущие цепи или образовывать поверхностный комплекс, дающий начало цепи. В дальнейшем реакции между образующимися продуктами приводят к кислотам, эфирам и т.д. Реакции дегидроциклизации, протекающие при более высоких температурах синтеза, приводят к ароматическим углеводородам. Не следует исключать также протекание крекинга или гидрокрекинга более высококипящих углеводородов, первично образовавшихся и десорбированных с катализатора, если они снова адсорбируются на нем.

Механизм реакции, несмотря на десятилетия его изучения, в деталях остается неясен . Впрочем, эта ситуация типична для гетерогенного катализа. Наиболее признанным является механизм с ростом на конце цепи . Молекулы или атомы, переходящие в возбужденное состояние при одновременной хемосорбции оксида углерода и водорода на катализаторе, реагируют с образованием енольного первичного комплекса (схема А 1), который также дает начало цепи. Рост цепи (схема А 2) начинается с отщепления молекулы Н 2 O от двух первичных комплексов (с образованием С-С-связи) и отрыва атома С от атома металла в результате гидрирования. Образовавшийся комплекс С 2 , присоединяя один первичный комплекс, выделяет молекулу Н 2 O и в результате гидрирования освобождается от металла. Так, путем конденсации и гидрирования происходит ступенчатый рост цепи на каждый последующий С-атом. Начало цепи можно изобразить так:

Схема А 1

Рост цепи у крайних С-атомов идет так:

Схема А 2

и так далее до:

Другая возможность состоит в том, что первоначально связь Me-С в первичном адсорбционном комплексе частично гидрируется, а затем образовавшееся соединение конденсируется с первичным комплексом, что ведет к наращиванию цепи по схеме (А 3) или по схеме (А 4) и в результате образуется вторичный метилразветвленный адсорбционный комплекс:

Схема А 3

Схема А 4

Десорбция первичного адсорбционного комплекса, всегда содержащего гидроксигруппу, приводит к альдегидам, а при последующих реакциях - к спиртам, кислотам и эфирам:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Углеводороды могут образоваться в результате дегидратации или расщепления адсорбционных комплексов:

Схема А 5

Начало цепи могут также дать спирты и альдегиды после их адсорбции на катализаторе в фенольной форме

или олефины, которые, вероятно, после взаимодействия с водой связаны в енольной форме на катализаторе.

В качестве еще одной возможности роста цепи рассматривается полимеризация СН 2 -групп. При гидрировании первичного комплекса образуются НО-СН 2 - и СН 2 -поверхностные комплексы:

Схема Б

Гидрированный поверхностный комплекс взаимодействует с аналогичным комплексом с отщеплением воды (Б 1):

Схема Б 1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Точно так же образовавшиеся поверхностные комплексы могут взаимодействовать с первичным, негидрированным комплексом (с образованием С 2 -аддитивного комплекса по схеме Б 2) или реагировать с комплексом после его гидрирования (по схеме Б 1):

Схема Б 2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цепь может расти и путем полимеризации первично образовавшихся СН 2 -групп по схеме В (с изменением заряда на Me):

Схема В

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вклад полимеризации в процесс роста цепи зависит от соотношения скоростей конденсации и полимеризации.

2. Катализаторы

ФТ-синтез начинается с одновременной хемосорбции СО и Н 2 на атомах металла. Для образования такой хемосорбционной связи особенно пригодны переходные металлы с 3d- и 4f-электронами или их соединения внедрения (карбиды, нитриды и т.д.). Катализаторами служат металлы VIII группы: наиболее активен Ru, затем Co, Fe, Ni. Для увеличения поверхности их часто наносят на пористые носители, например, силикагель и глинозем. В промышленности нашли применение только Fe и Co. Рутений слишком дорог, кроме того, его запасы на Земле слишком малы для использования в качестве катализатора в многотоннажных процессах. На никелевых катализаторах при атмосферном давлении образуется в основном метан, при повышении же давления никель образует летучий карбонил и вымывается из реактора .

Кобальтовые катализаторы были первыми катализаторами, используемыми в промышленности (в Германии, а затем во Франции и Японии в 1930-1940-е годы). Типичными для их работы являются давление 1ч50 атм и температура 180ч250°С. В этих условиях образуются, главным образом, линейные парафины. Кобальт обладает значительной гидрирующей активностью, поэтому часть СО неизбежно превращается в метан. Эта реакция резко ускоряется с повышением температуры, поэтому кобальтовые катализаторы не могут использоваться в высокотемпературном процессе ФТ.

Железные катализаторы с середины 1950-х годов используются на заводах синтеза ФТ в ЮАР. По сравнению с кобальтовыми они гораздо более дешевы, работают в более широком интервале температур (200ч360°С), и позволяют получать более широкий спектр продуктов: парафины, низшие б-олефины, спирты. В условиях синтеза ФТ железо катализирует реакцию водяного газа, что позволяет эффективно использовать получаемый из угля синтез-газ, в котором соотношение СО: Н 2 ниже стехиометрического 1: 2. Железные катализаторы имеют более низкое сродство к водороду по сравнению с кобальтовыми, поэтому метанирование не является для них большой проблемой. Однако в силу той же низкой гидрирующей активности поверхность железных контактов быстро зауглероживается. Кобальтовые контакты способны работать без регенерации значительно дольше. Еще одним недостатком железных контактов является их ингибирование водой. Поскольку вода является продуктом синтеза, конверсия СО за один проход невысока. Для достижения высокой степени превращения необходимо организовывать рецикл газа .

И железные, и кобальтовые катализаторы крайне чувствительны к отравлению серой. Поэтому синтез-газ должен быть предварительно очищен от серы, по крайней мере, до уровня 2 мг/м 3 . Остаточная сера адсорбируется поверхностью катализатора, так что в итоге продукты синтеза ФТ практически ее не содержат. Это обстоятельство делает синтетическое дизельное топливо, полученное по технологии ФТ, весьма привлекательным ввиду современных жестких экологических требований к транспорту.

При воздействии различных агентов на свежеприготовленные катализаторы группы железа изменяется состав и структура катализаторов, появляются фазы, действительно активные в ФТ-синтезе. В то время как число таких фаз в случае кобальта и никеля относительно небольшое, для железа их много, поэтому каталитическая система усложняется. Железо образует с углеродом или другими металлоидами (азот, бор и т.д.) соединения внедрения различного состава, не утрачивая при этом «металлического» характера, необходимого для ФТ-сннтеза.

Многие исследования подтвердили, что железные катализаторы в ходе ФТ-синтеза изменяются по фазовому составу, степени окисления и углеродным структурам внедрения. Железо восстановленного катализатора к началу синтеза переходит в карбид Fe 2 C (карбид Хэгга). Одновременно, но медленнее, образуется оксид Fe 3 O 4 , доля которого (в расчете на исходное железо) постоянно повышается, в то время как содержание карбида Fe 2 C в зависимости от времени работы и температуры меняется мало. Содержание свободного углерода возрастает с увеличением времени синтеза. В условиях эксплуатации фазовый состав катализатора находится в равновесии с составом реакционной смеси и только в малой степени зависит от способа его приготовления или предварительной обработки (восстановление, карбидирование) .

В работе Бартоломью показано, что на Co- и Ni - катализаторах СО гидрируется в метан по двум маршрутам, каждый из которых связан с определенными участками на поверхности . А.Л. Лапидус с сотрудниками выдвинули двухцентровую модель Co-катализатора синтеза ФТ. Согласно этим представлениям, центрами первого типа являются кристаллиты металлического Со. На них СО адсорбируется диссоциативно и затем гидрируется в метан. На этих же центрах происходит реакция диспропорционирования CO, приводящая к зауглероживанию катализатора. Центры второго типа представляют собой границу между металлическим Со и оксидной фазой на поверхности катализатора. Они ответственны за рост углеводородной цепи. Оксид углерода адсорбируется на СоO в слабосвязанной ассоциативной форме, затем перемещается на носитель, где образует с водородом поверхностные комплексы типа CH x O. Эти комплексы взаимодействуют друг с другом, образуя полимерные структуры на поверхности. Их гидрирование на СоO дает углеводороды.

Два типа адсорбции СО на поверхности обнаруживаются по спектру термопрограммированной десорбции (ТПД) СО, в котором центрам первого типа отвечает пик с T max в области 250-350°С, центрам второго - T max < 250°C. По соотношению площадей пиков можно судить о доле каждого из типов центров и, соответственно, предсказывать каталитическое действие контакта.

Эксперименты показали хорошую корреляцию между выходом углеводородов и количеством центров слабосвязанной адсорбции СО на поверхности контакта .

Оксидная фаза Со-катализаторов обычно формируется в процессе их предварительной термообработки (прокаливания и / или восстановления) вследствие взаимодействия оксидного носителя (SiO 2 , Al 2 O 3 и др.), оксида кобальта и промотора. Катализаторы, не содержащие оксидной фазы, не способны катализировать образование жидких углеводородов из СО и Н 2 , поскольку не имеют на своей поверхности центров полимеризации.

Таким образом, оксидная фаза катализаторов синтеза ФТ играет определяющую роль в образовании жидких углеводородов, и для создания эффективных катализаторов этого процесса необходимо особое внимание уделять подбору носителя и проведению предварительной термообработки катализатора. Воздействуя на активную часть катализатора путем предварительной термообработки, приводящей к усилению взаимодействия активной фазы с носителем, или вводя в состав катализатора модифицирующие оксидные добавки, можно усилить полимеризационные свойства катализатора и, следовательно, увеличить селективность реакции в отношении образования жидких углеводородов.

Промоторы по принципу действия подразделяются на две группы - структурные и энергетические.

В качестве структурных промоторов используются трудно восстанавливаемые оксиды тяжелых металлов, например Аl 2 О 3 , ThO 2 , MgO и СаО. Они способствуют образованию развитой поверхности катализатора и препятствуют рекристаллизации каталитически активной фазы. Подобную функцию выполняют и носители - кизельгур, доломит, диоксид кремния (в форме свежеосажденного геля гидроксида или силиката калия).

Энергетические промоторы, которые также называют химическими, электронными или активирующими добавками, согласно электронному механизму реакции, увеличивают ее скорость и влияют на селективность. В качестве энергетических промоторов могут действовать также химически активные структурные промоторы. Энергетические промоторы (особенно щелочи) значительно влияют и на текстуру катализатора (поверхность, распределение пор).

В качестве энергетических промоторов для железных катализаторов (независимо от способа получения) чаще всего используют карбонаты щелочных металлов. Железным катализаторам, получаемым разными способами, соответствует неодинаковая оптимальная концентрация щелочной добавки. Осажденные катализаторы не должны содержать более 1% К 2 СО 3 (в расчете на Fe); для определенных осажденных катализаторов оптимум составляет 0,2% К 2 СО 3 (отклонение в 0,1% заметно влияет на активность и селективность). Для плавленых катализаторов указана оптимальная концентрация? 0,5% К 2 О.

К промоторам, обусловливающим и структурное, и энергетическое влияние, можно отнести медь. Медь облегчает восстановление железа, причем этот процесс в зависимости от количества меди может протекать при температуре, более низкой (вплоть до 150°С), чем без добавки. Далее эта добавка при сушке гидроксида железа (II и III) способствует окислению его до Fe 2 O 3 . Медь благоприятствует образованию соединений железа с углеродом и вместе со щелочью ускоряет восстановление железа, образование карбида и углерода. На селективность ФТ-синтеза медь не влияет .

3. Факторы, влияющие на процесс

3.1 Качество сырья

Выход и состав продуктов ФТ-синтеза в значительной степени зависит от соотношения СО: Н 2 в исходном синтез-газе. Это соотношение в свою очередь существенно зависит от применяемого способа получения синтез-газа. В настоящее время существуют три основных промышленных метода получения последнего.

1. Газификация угля. Процесс основан на взаимодействии угля с водяным паром:

Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах 900ч1000єС. Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:

2. Конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni/Al 2 O 3) при повышенных температурах (800ч900єС) и давлении:

В качестве сырья вместо метана может быть использовано любое углеводородное сырье.

3. Парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 1300єС:

Способ также применим к любому углеводородному сырью.

При газификации угля и парциальном окислении соотношение СО: Н 2 близко к 1: 1, тогда как при конверсии метана оно составляет 1: 3 .

В целом, можно отметить следующие закономерности :

- в случае исходной смеси, обогащенной водородом, получаются предпочтительно парафины, причем термодинамическая вероятность их образования уменьшается в ряду метан > низкомолекулярные н-алканы > высокомолекулярные н-алканы;

- синтез-газ с высоким содержанием оксида углерода ведет к образованию олефинов и альдегидов, а также способствует отложению углерода. Вероятность образования алкенов уменьшается в ряду высокомолекулярные н-олефины > низкомолекулярные н-олефины.

3.2 Температура

ФТ-синтез - сильно экзотермическая реакция. Образующееся тепло составляет до 25% от теплоты сгорания синтез-газа. Скорость синтеза и одновременно выход продукта с единицы объема катализатора за единицу времени повышаются с увеличением температуры. Однако скорость побочных реакций при этом также возрастает. Поэтому верхняя температура ФТ-синтеза ограничена в первую очередь нежелательным метано- и коксообразованием . Особенно сильное увеличение выхода метана при повышении температуры наблюдается для Co катализаторов.

Как правило, процесс проводится при температуре 190ч240°C (низкотемпературный вариант, для Co и Fe катализаторов) или 300ч350°C (высокотемпературный вариант, для Fe катализаторов) .

3.3 Давление

Так же, как при повышении температуры, с ростом давления растет и скорость реакций. Кроме этого, повышение давления в системе способствует образованию более тяжелых продуктов. Типичными значениями давлений для промышленных процессов являются 0,1ч5 МПа. Так как повышенное давление позволяет увеличить производительность синтеза, для экономической эффективности процесс проводят при давлении 1,2ч4 МПа.

Совместное влияние температуры и давления, а также природы катализатора на выход различных продуктов удовлетворяет распределению Андерсона-Шульца-Флори (ASF), описываемому формулой

где P n - массовая доля углеводорода с углеродным номером n;

б=k 1 /(k 1 +k 2), k 1 , k 2 - константы скорости роста и обрыва цепи соответственно.

Метан (n=1) всегда присутствует в большем количестве, чем предписывается распределением ASF, поскольку образуется независимо по реакции прямого гидрирования. Величина б снижается с ростом температуры и, как правило, возрастает с ростом давления. Если в реакции образуются продукты разных гомологических рядов (парафины, олефины, спирты), то распределение для каждого из них может иметь свою величину б. Распределение ASF накладывает ограничения на максимальную селективность по любому углеводороду или узкой фракции .

Графически распределение ASF представлено на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

3.4 Объемная скорость

Повышение объемной скорости (или уменьшение времени контакта) газа не благоприятствует реакциям, протекающим с более низкой скоростью. К ним принадлежат реакции, идущие на поверхности катализатора, - отщепление кислорода, гидрирование олефинов и рост углеродной цепи. Поэтому с уменьшением среднего времени контакта в продуктах синтеза повышается количество спиртов, олефинов и соединений с короткой цепью (газообразные углеводороды и углеводороды из интервала выкипания бензиновой фракции) .

4. Разновидности технологических схем

Главной технической проблемой синтеза Фишера-Тропша является необходимость съема большого количества теплоты, выделяющейся в результате сильно экзотермических химических реакций. Конструкция реактора во многом определяется также видом продуктов, для получения которых он предназначен. Существуют несколько разновидностей конструкции реакторов для ФТ-синтеза, которые определяют ту или иную технологическую схему процесса.

4.1 Схема с многотрубным реактором и стационарным слоем катализатора

В таких реакторах протекает низкотемпературный процесс в газовой фазе. Конструкция многотрубного реактора представлена на рисунке 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Многотрубные реакторы просты в эксплуатации, не создают проблем с отделением катализатора, могут использоваться для получения продуктов любого состава. Однако они имеют целый ряд недостатков: сложность в изготовлении, большая металлоемкость, сложность процедуры перегрузки катализатора, значительный перепад давления по длине, диффузные ограничения на крупных зернах катализатора, сравнительно невысокий теплоотвод .

Одна из возможных технологических схем высокопроизводительного ФТ-синтеза в многотрубном реакторе представлена на рисунке 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технологические параметры представлены в таблице 1, состав получаемых продуктов - в таблице 2.

Таблица 1 - Условия работы промышленных установок газофазного синтеза Фишера-Тропша на стационарном слое катализатора

Таблица 2 - Типичный состав углеводородов, получаемых в промышленных синтезах Фишера-Тропша на стационарном слое катализатора

Характеристика	Значение
Состав продукта (средние данные), % масс.
углеводороды:
Степень превращения смеси СО + Н 2 , %
Выход углеводородов С 2+ , г на 1 м 3 смеси СО + Н 2

4.2 Схема с псевдоожиженным слоем катализатора

Реакторы с кипящим слоем обеспечивают хороший теплоотвод и изотермическое протекание процесса. Диффузные ограничения в них минимальны за счет высокой линейной скорости газа и использования мелкодисперсного катализатора. Однако такие реакторы сложно вывести на рабочий режим. Проблемой является отделение катализатора от продуктов. Отдельные узлы подвергаются сильной эрозии. Принципиальным ограничением реакторов с кипящим слоем является невозможность получения в них тяжелых парафинов . На рисунке 4 представлена технологическая схема ФТ-синтеза в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора.

Рисунок 4. Схема процесса Фишера-Тропша в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора:

1, 3 - подогреватели; 2 - генератор синтез-газа; 4 - теплообменники; 5 - промывная колонна; 6 - реактор; 7 - циклон; 8 - сепаратор.

Технологические параметры процесса при работе по рассматриваемой схеме представлены в таблице 3, состав получаемых продуктов - в таблице 4.

Таблица 3 - Условия работы промышленной установки синтеза Фишера-Тропша в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора

Таблица 4 - Типичный состав углеводородов, получаемых в реакторе с псевдоожиженным слоем катализатора

4.3 Схема с циркулирующим взвешенным порошкообразным катализатором

Данная схема также относится к высокотемпературному процессу Ф-Т. Технологическая схема процесса Фишера-Тропша в потоке взвешенного порошкообразного катализатора приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема ФТ-синтеза в потоке взвешенного порошкообразного катализатора:

1 - печь; 2 - реактор; 3 - холодильники; 4 - колонна-сепаратор для промывки маслом; 5 - конденсатор; 6 - разделительная колонна; 7 - колонна для промывки получаемого бензина; 8 - колонна для промывки газа.

Технологические параметры синтеза в случае проведения процесса в потоке взвешенного порошкообразного катализатора представлены в таблице 5, состав получаемых продуктов - в таблице 6.

Таблица 5 - Условия работы промышленных установок синтеза Фишера-Тропша в потоке взвешенного порошкообразного катализатора

Таблица 6 - Типичный состав углеводородов, получаемых на установке синтеза Фишера-Тропша в потоке взвешенного порошкообразного катализатора

4.4 Схема с барботажным (slurry) реактором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реактор барботажного типа, который также называют пузырьковым (slurry), считается наиболее эффективным для синтеза ФТ. В этом аппарате синтез-газ проходит снизу вверх через слой высококипящего растворителя, в котором суспензирован мелкодисперсный катализатор. Подобно реакторам с кипящим слоем, в пузырьковом реакторе обеспечиваются эффективный массообмен и теплоотвод. В то же время в нем возможно получение тяжелых продуктов, как в трубчатом аппарате . На рисунке 6 представлена схема работы такого реактора.

Технологическая схема с применением барботажного реактора представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Схема ФТ-синтеза в барботажном реакторе:

1 - компрессор; 2 - расходомеры;.3 - диафрагмы; 4 - пробоотборники; 5 - реактор: 6 - паросборник; 7 - теплообменник; 8 - продуктовые емкости; 9 - разделительные емкости; 10 - насосы; 11 - холодильник; 12 - установка для выделения СО 2 ; 13 - фильтр; 14 - аппарат для приготовления катализаторной суспензии; 15 - центрифуга; 16 - емкость для масла.

На примере данной схемы можно отметить большую технологическую гибкость синтеза ФТ, когда варьируя качеством сырья и технологическими показателями можно получать продукт требуемого фракционного состава (таблица 7).

Таблица 7 - Состав продуктов при различных режимах ведения ФТ-синтеза в барботажном реакторе

Показатели	Получение разных продуктов
	с низкой мол. массой	со средней мол. массой	с высокой мол. массой
Выход суммарного продукта С 3+ , г на 1 м 3 смеси СО+Н 2

Значения технологических параметров для рассматриваемой схемы приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Условия работы промышленных установок синтеза Фишера-Тропша с барботажным реактором

Параметр	Значение
Давление, МПа
Температура,°С
Соотношение Н 2: СО в исходном газе
Объемная скорость, ч -1
Степень превращения СО смеси СО + Н 2 , %	89ч92
Выход углеводородов С 1+ , г на 1 м 3 смеси СО + Н 2

Для получения низкомолекулярных углеводородов применяются более высокие температура и объемная скорость, но пониженное давление. Если же требуются высокомолекулярные парафины, то указанные параметры соответственно меняют .

5. Современные производства

Сравнительно невысокие мировые цены на нефть, незначительно колеблющиеся около $20 (в пересчете на стоимость доллара США 2008 года) после второй мировой войны до 70-х годов 20 века , долгое время делали строительство крупных производств, основанных на синтезе Фишера-Тропша, нерентабельными. Многотоннажные производства синтетических углеводородов из синтез-газа существовали и развивались лишь в ЮАР, однако и это было обусловлено не экономической выгодой, а политической и экономической изоляцией страны при режиме апартеида. И в настоящее время заводы компании Sasol (South African Coal, Oil and Gas Corporation) остаются одними из самых производительных в мире .

В современных условиях предприятия, использующие процесс ФТ, способны рентабельно работать при цене на нефть более $40 за баррель. В случае, если по технологической схеме предусматривается улавливание и хранение либо утилизация углекислого газа, образующегося при синтезе, эта цифра возрастает до $50ч55 . Так как мировые цены на нефть не опускались ниже этих отметок с 2003 года , строительство крупных предприятий по производству синтетических углеводородов из синтез-газа не заставило себя ждать. Примечательно, что большинство проектов осуществляется в Катаре, богатым природным газом.

Ниже описаны крупнейшие действующие и строящиеся предприятия GTL (Gas to liquid, «газ в жидкость»), основанные на синтезе ФТ.

5.1 Sasol 1, 2, 3. PetroSA

Южноафриканской компанией Sasol накоплен огромный опыт в промышленном применении синтеза ФТ. Первый пилотный завод Sasol 1 был пущен в 1955 году, сырьем для которого служит синтез-газ, получаемый методом газификации угля. Ввиду действия торговых эмбарго в отношении ЮАР в 50-х - 80-х годах 20 века, для обеспечения страны энергоносителями в 1980 и 1984 годах были введены в строй два более крупных производства - Sasol 2 и Sasol 3 .

Помимо этого компания Sasol является лицензиаром процесса GTL для южноафриканской государственной нефтяной компании PetroSA. Ее предприятие, также известное как Mossgas, работает с 1992 года. Сырьем является природный газ, добываемый в открытом море .

На протяжении многолетней эксплуатации производств Sasol инженеры компании стремились улучшить технологию синтеза, в работе были опробованы все четыре типа реакторов, описанных в разделе 4, начиная с многотрубных реакторов, работающих при атмосферном, а позже при повышенном давлении, и заканчивая барботажными реакторами.

Предприятия Sasol поставляют на рынок как моторные топлива, так и сырье для нефтехимии (олефины, спирты, альдегиды, кетоны и кислоты, а также фенол, крезолы, аммиак и серу) .

5.2 Oryx

Данное предприятие введено в эксплуатацию в 2007 году в Катаре. Лицензиаром выступили совместно компании Sasol и Chevron, сформировав международное совместное предприятие Sasol Chevron Limited.

Исходный природный газ подвергается паровому риформингу, после чего полученный синтез-газ подается в барботажный реактор, где проходит низкотемпературный ФТ-синтез. Продукты синтеза подвергаются гидроочистке и гидрокрекингу.

Товарными продуктами являются экологически чистое дизельное топливо (менее 5 ppm серы, менее 1% ароматических углеводородов, цетановое число около 70), а также нафта, используемая как сырье для пиролиза .

5.3 SMDS

Компания Shell в 1993 году ввела в эксплуатацию свой завод Shell MDS (Middle Distillate Synthesis, синтез средних дистиллятов) в Малайзии. В основе процесса лежит современная модификация процесса ФТ. Синтез-газ для проведения реакции ФТ получают парциальным окислением природного газа. Процесс осуществляется в многотрубных реакторах, заполненных высокопроизводительным катализатором. Продукты синтеза (преимущественно высокомолекулярные алканы) подвергаются гидрокрекингу и гидроизомеризации.

Производство направлено на получение высококачественных синтетических дизельного топлива и керосина, а также парафинов .

5.4 Pearl

Предприятие Pearl включает в себя крупнейшее в мире производство GTL, созданное компанией Shell совместно с Qatar Petroleum. Первая очередь комплекса пущена в мае 2011 года, выход на полную мощность запланирован на 2012 год . Технологический процесс, в общем, является развитием технологий, используемых на заводе SMDS. Цепочка процессов идентична: природный газ, добытый на шельфовых месторождениях, подвергается частичному окислению с получением смеси Н 2 и СО; затем синтез-газ претерпевает превращения в многотрубных реакторах (24 аппарата) в парафины с длинной цепью. Последние в результате гидрокрекинга и разделения дают товарные продукты: моторные топлива, нафту (сырье для нефтехимии), а также в роли побочных продуктов базовые смазочные масла и парафины .

5.5 Escravos

Данный GTL-проект, осуществляемый в Нигерии, изначально разрабатывался совместно Sasol и Chevron Corporation, как и Oryx. Однако из-за существенно возросших затрат на осуществление проекта Sasol покинул его. В настоящий момент предприятие строится с участием Chevron Nigeria Limited и Nigerian National Petroleum Company. Ввод в эксплуатацию завода запланирован на 2013 год. Исходным сырьем является природный газ. Собственно ФТ-синтез будет осуществляться в барботажных реакторах. Отличительной чертой технологической схемы является использование фирменного процесса ISOCRACKING компании Chevron, благодаря которому крекируются до легких и средних дистиллятов и облагораживаются синтетические парафины - продукты ФТ-синтеза.

Товарной продукцией являются моторные топлива (в первую очередь дизельное), нафта, а также кислородосодержащие продукты - метанол и диметиловый эфир .

В таблицу 9 сведена общая информация об описанных выше производствах синтетических углеводородов .

Таблица 9 - Современные мощности GTL в мире

Компания	Разработчик технологии	Место расположения	Мощность, баррелей / сутки
		Сасолбург, ЮАР
		Секунда, ЮАР
Petro SA (бывший Mossgas)		Моссел Бей, ЮАР
		Бинтулу, Малайзия
		Эскравос, Нигерия	34000 (проект)
		Рас Лаффан, Катар
		Рас Лаффан, Катар

Кроме этого, перспективным является строительство заводов ФТ-синтеза в Алжире (до 33 тыс. баррелей в день) и Иране (до 120 тыс. баррелей в день).

Имеется информация о совместной разработке Sasol и норвежской Statoil установок, расположенных на морских платформах или даже плавучих заводов по переработке природного и попутного газа в жидкие углеводороды. Однако про осуществление этого проекта ничего не известно .

Разработан базовый проект и ведутся дальнейшие переговоры по строительству в Узбекистане завода GTL. На нем планируется перерабатывать метан, производимый Шуртанским газохимическим комплексом, по технологии компаний Sasol и Petronas .

Компании ExxonMobil, Syntroleum, ConocoPhillips занимаются исследованиями в области GTL-процессов, однако, эти фирмы пока имеют в своем распоряжении лишь пилотные установки, используемые для исследовательских целей .

Заключение

Синтез Фишера-Тропша позволяет получать из природных горючих ископаемых, используемых в настоящее время преимущественно как топливо для тепло- и электростанций (уголь, природный газ) или вовсе сжигаемых на факелах либо выбрасываемых в атмосферу (попутный нефтяной газ), высококачественные моторные топлива и ценное сырье для последующего химического синтеза. Преимущественно по первому пути идет развитие технологий компании Shell, процессы же фирмы Sasol сочетают оба направления. На рисунке 8 представлены возможные варианты переработки первичных продуктов ФТ-синтеза.

Рисунок 8. Направления переработки синтетических углеводородов.

Качество получаемого в процессе ФТ по технологии Sasol Chevron дизельного топлива представлено в таблице 10 .

Таблица 10 - Характеристика синтетического ДТ

Характеристика	Синтетическое ДТ	Требования стандарта
Плотность при 15єС, кг/м 3
Температура выкипания 95% фракции, єС
Кинематическая вязкость при 40єС, мм 2 /с
Температура вспышки, єС
Цетановое число
Температура помутнения

Удачный либо неудачный опыт эксплуатации современных GTL-производств, в первую очередь Pearl - самого современно и крупного GTL-предприятия - вероятно определит будущее развитие технологии и заводов, использующих процесс ФТ. У GTL-технологии, помимо нестабильных цен на нефть, есть другие существенные проблемы.

Первая из них - очень высокая капиталоемкость. По расчетам, вложение в завод производительностью 80 тыс. баррелей синтетических углеводородов в день, исходным сырьем для которого является уголь, составляют от $7 млрд. до $9 млрд. Для сравнения: НПЗ такой же производительности обойдется в $2 млрд. Большая часть капитальных затрат (60ч70%) приходится на комплекс получения синтез-газа . Реальные цифры подтверждают расчеты: затраты на возводимый в Нигерии Escravos GTL с запланированных $1,7 млрд. поднялись до $5,9 млрд. Строительство Pearl GTL обошлось Shell в $18-19 млрд. Осуществление в Катаре грандиозного проекта по строительству GTL-завода мощностью 154 тыс. баррелей в сутки синтетических углеводородов было отклонено фирмой-разработчиком Exxon Mobil. В проект планировалось инвестировать $7 млрд., чего явно оказалось бы недостаточно. Однако компания объяснила отказ от проекта «перераспределением ресурсов» в пользу строительства газоперерабатывающего предприятия Barzan, также расположенного в Катаре .

Другой весомой проблемой является влияние на экологию. Как показано в разделе 1, в процессе ФТ образуется диоксид углерода, который является парниковым газом. Как считается, выбросы СО 2 являются причиной глобальных климатических изменений, и количество выбрасываемого диоксида углерода ограничивается квотами на выбросы парниковых газов. В цепочке добыча-переработка-потребление для синтетических моторных топлив выбросы углекислого газа примерно вдвое превышают таковые для нефтяных топлив . Существуют различные технологии по утилизации углекислого газа (от хранения в подземных резервуарах до закачки в газо- или нефтеносный пласт), но они существенно удорожают и без того недешевые GTL-проекты. Однако стоит отметить, что другие вредные выбросы от непосредственно сгорания синтетических топлив в ДВС на 10ч50% ниже, чем для нефтяных топлив (таблица 11) .

Таблица 11 - Вредные выбросы при сгорании синтетического и традиционного ДТ

К экологической же проблеме можно отнести потребность в большом количестве воды для осуществления газификации угля, если последний используется в качестве исходного сырья. Зачастую климат в странах, богатых углем, но бедных нефтью, является засушливым. Однако на второй стадии GTL-производства - собственно синтез ФТ - вода является побочным продуктом, который после очистки можно использовать в технологическом процессе. Такая методика используется на заводе Pearl. Так как для получения синтез-газа на этом предприятии вода не нужна, она используется для выработки пара высокого давления при охлаждении реакторов ФТ. Получаемый водяной пар приводит компрессоры и электрогенераторы .

Рынок GTL является растущим рынком. Основными факторами, движущими этот рынок, являются настоятельная потребность в монетизации трудно утилизируемых другими способами (трубопроводным транспортом или сжижением) больших запасов природного, попутного нефтяного газа и газа угольных месторождений на фоне все возрастающей мировой потребности в жидких углеводородах и ужесточающихся требованиях к экологическим характеристикам углеводородного топлива. Освоение GTL-технологий является хорошей рыночной возможностью для тех стран и компаний, которые располагают большими запасами природного или попутного газа и угля. GTL-производства могут не конкурировать, а дополнять такие направления в отрасли, как LNG (Liquefied natural gas, сжиженный природный газ), производства экологически чистых топлив, высококачественных базовых масел.

Список использованных источников

1. Химические вещества из угля. Пер. с нем. /Под ред. И.В. Калечица - М.: Химия, 1980. - 616 с, ил.

2. Караханов Э.А. Синтез-газ как альтернатива нефти. II. Метанол и синтезы на его основе // Соросовский образовательный журнал. - 1997. - №12. - С. 68.

3. The Early Days of Coal Research [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.fe.doe.gov/aboutus/history/syntheticfuels_history.html

4. Процесс Фишера - Тропша [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Процесс_Фишера_-_Тропша

5. Обзор катализаторов синтеза Фишера-Тропша [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/letter.php? n_id=7026&cat_id=5&page_id=1

6. Dry M.E. Applied Catalysis A: General. - 2004. - №276, - Р. 1.

7. 11. Сторч Г., Голамбик Н., Голамбик Р. Синтез углеводородов из окиси углерода и водорода. - М.: И.Л., 1954. - С. 257.

8. Lee W.H., Bartolomew C.H.J. Catal. - 1989. - №120. - Р. 256.

9. Wisam Al-Shalchi. Gas to liquids technology (GTL). - Baghdad - 2006.

10. Нефть [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Нефть

11. Matthew Dalton. Big Coal Tries to Recruit Military to Kindle a Market. // The Wall Street Journal. - 2007. - Sept. 11.

12. Explore Sasol - Sasol history [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sasol.com/sasol_internet/frontend/navigation.jsp? navid=700006&rootid=2

13. The PetroSA GTL Refinery & LTFT Technology Development [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.petrosa.co.za/

14. Oryx GTL [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.oryxgtl.com/Englishv3/index.html

15. Shell MDS Technology and Process [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.shell.com.my/home/content/mys/products_services/solutions_for_businesses/smds/process_technology/

16. Inside Shell"s Bintulu GTL Plant [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.consumerenergyreport.com/2010/11/14/inside-shells-bintulu-gtl-plant/

17. First cargo of Pearl GTL products ship from Qatar [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.shell.com/home/content/media/news_and_media_releases/2011/first_cargo_pearl_13062011.html

18. Gas-to-liquids (GTL) processes [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.shell.com/home/content/innovation/meeting_demand/natural_gas/gtl/process/

19. Escravos Gas-to-Liquids Project, Niger Delta [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hydrocarbons-technology.com/projects/escravos/

20. Обзор рынка GTL [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.newchemistry.ru/letter.php? n_id=5331

21. Узбекистан развивает сотрудничество с компаниями «Сасол» и «Петронас» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.anons.uz/article/politics/5042/

22. Жемчужина GTL [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.rupec.ru/blogs/? ID=3048

23. Exxon Mobil, Qatar Unplug GTL Project [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.imakenews.com/lng/e_article000760746.cfm? x=b96T25P, bd1Rfpn

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Изучение жидкофазного окисления насыщенных углеводородов. Процесс распада промежуточных гидроперекисей на радикалы. Процесс окисления солями металлов переменной валентности. Механизм воздействия состава радикалов на скорость сложной цепной реакции.

реферат , добавлен 13.03.2010


Общее понятие о катализаторах. Современные тенденции в разработке и использовании новых катализаторов гидрирования. Разновидности дегидрирующего действия катализаторов. Процесс дегидрирования и природа активной поверхности катализаторов дегидрирования.

курсовая работа , добавлен 21.10.2014


Изучение основных функций, свойств и принципа действия катализаторов. Значение катализаторов в переработке нефти и газа. Основные этапы нефтепереработки, особенности применения катализаторов. Основы приготовления твердых катализаторов переработки нефти.

реферат , добавлен 10.05.2010


В органическом синтезе в реакциях гидрирования участвуют любые молекулы, имеющие ненасыщенные связи. Синтезы Фишера-Тропша. Обратная гидрированию реакция - процесс дегидрирования в промышленном органическом синтезе и в процессах нефтепереработки.

реферат , добавлен 28.01.2009


Исследование возможности применения синтез–газа в виде альтернативного нефти сырья, его роль в современной химической технологии. Получение метанола, суммарная реакция образования. Продукты синтеза Фишера–Тропша. Механизм гидроформилирования олефинов.

реферат , добавлен 27.02.2014


Восстановление СО на гетерогенных металлосодержащих катализаторах приводит к образованию различных продуктов – СН4. Синтезы углеводородов по Фишеру-Тропшу и метанола. Реакции образования углеводородов из СО и Н2 являются экзотермическими процессами.

реферат , добавлен 28.01.2009


История исследования реакций между аминокислотами и сахарами. Механизм образования меланоидинов, предложенный Дж. Ходжем. Факторы, влияющие на реакцию меланоидинообразования. Применение ингибирования для подавления реакции потемнения в пищевых продуктах.

реферат , добавлен 19.03.2015


Обоснование метода производства хлорной кислоты, факторы, влияющие на его выбор. Характеристика исходного сырья и готового продукта. Описание необходимого оборудования. Порядок и этапы проведения технологических расчетов, механизм составления баланса.

курсовая работа , добавлен 05.02.2017


Понятие биологических катализаторов, действие ферментов в живых системах и их классификация. Факторы, влияющие на активность биологических катализаторов. Вещества, называющиеся коферментами. Кинетика ферментативного катализа, уравнение Михаэлиса-Ментена.

презентация , добавлен 03.04.2014


Сущность алканов (насыщенных углеводородов), их основные источники и сферы применения. Строение молекул метана, этана, пропана и бутана. Особенности промышленных и лабораторных методов синтеза алканов. Механизм галогенирования, горения и пиролиза.

Синтез Ф.Фишера-Г.Тропша можно рассматривать как восстановитель­ную олигомеризацию оксида углерода на гетерогенных катализаторах, ведущую к образованию смеси различных алкенов и алканов.

В качестве катализаторов использовались кобальт, железо, рутений, промотированные различными добавками. Состав продуктов зависит от природы катализатора, условий реакции и изменяется в очень широких пределах. При взаимодействии СО и Н 2 на кобальте, осажденном на ки­зельгуре и содержащем в качестве промоторов диоксид тория ТhО 2 и МgO, при 200°С и давлении 1-1,5 МПА (10-15 атм) получается около 80% парафинов нормального строения, 15% неразветвленных алкенов и около 5% разветвленных алканов. Получающаяся смесь углеводородов состоит из 45% низкого качества бензина, 23% дизельного топлива, 3% машинного масла и 27% высших твердых парафинов. Во время второй мировой войны этим способом в Германии и Японии осуществлялся синтез моторного топ­лива. Общая мощность производства в 1943-1944 годах достигала 1 млн тонн в год. Более дешевые и доступные железные катализаторы активны и стабильны в широком интервале температур и давлений. На осажденных железных катализаторах, содержащих SiO 2 , К 2 О и медь, получают смесь бензина (32%), 20% дизельного топлива и высших парафинов (48%), причем их соотношение меняется с изменением температуры. Бензин, получаемый на железных катализаторах, имеет лучшие моторные характеристики, чем бензин, производимый на кобальтовых катализаторах. Для получения высокомолекулярных парафинов ("полиметилена") - линейных алканов с молярной массой до 10 6 эффективным оказался мелкодисперсный рутений

при 150-200 о и давлении до 1000-2000 атм. Твердый парафин, называемый церезином, находит ограниченное применение в микробиологической и медицинской промышленности.

После окончания второй мировой войны установки по производству бензина и дизельного топлива по Фишеру-Тропшу в Европе и Японии были демонтированы из-за высокой себестоимости угля как источника топлива и высокой себестоимости процесса Фишера-Тропша. В настоящее время промышленное производство бензина и дизельного топлива этим мето­дом осуществляется только в Южной Африке, не имеющей собственных неф­тяных ресурсов и доступа к мировым источникам нефти. Добыча нефти, со­гласно предварительным оценкам, достигнет апогея в начале XXI столетия и затем начнет непрерывно уменьшаться. В перспективе добыча угля должна превзойти добычу нефти, и синтез углеводородов различных классов станет базироваться на угле. Несомненно, однако, что техно­логия получения жидкого топлива из угля в будущем будет принципиально иной, чем в процессах Фишера-Тропша.

28.8.3. Производство метанола

Производство метанола на основе синтез-газа впервые было осу­ществлено в Германии в начале 1920-х годов.

Первоначально в качестве катализатора использовали смесь ZnO и Cr 2 O 3 , а саму реакцию проводили при 350-400° и высоком давлении до 300 атм. Это обеспечивало 10-15%-ную конверсию синтез-газа в метанол, в резуль­тате рециркуляции выход может быть повышен до 85%. Условия проведения процесса и аппаратура в этом случае такие же, как и при синтезе амми­ака, поэтому производства метанола и аммиака часто объединяют (азотно-туковые заводы).

В 1960 году фирма ICI разработала процесс, где в качестве ката­лизатора используется смесь CuO и ZnO, нанесенная на глинозем.

В настоящее время основное количество метанола получают каталитическим гидрированием СО при низком давлении на медно-цинковом катализаторе.

Традиционные, давно сформировавшиеся направления использования метанола заключаются в получении формальдегида, метиламинов, метилхлорида, метил-трет -бутилового эфира, диметилтерефталата. Около 40% производимого метанола превращают в формальдегид в результате дегид­рирования или окисления.

Дегидрирование метанола эндотермично, а окисление сопровождается вы­делением тепла, поэтому в промышленности, как правило, объединяют оба эти процесса. Смесь воздуха и метанола, взятого с большим из­бытком, пропускают над серебром при 600-650°. Газы, вы­шедшие из реактора, охлаждают и растворяют в воде. Метанол отделя­ют и рециркулируют, выход формальдегида составляет 86-90%. Формаль­дегид получают в виде 37%-ного раствора в воде. Формальдегид находит применение в производстве феноло-формальдегидных смол.

При взаимодействии метанола в аммиаком при 350-500 о С и давлении 20 атм в присутствии Аl 2 O 3 происходит образование смеси метил-, диметил- и триметиламина.

Метилхлорид образуется при взаимодействии метанола и хлороводорода в газовой фазе при 300 о С в присутствии ZnCl 2 или CuCl 2 как катали­затора.

Производство диметилтерефталата и метил-трет -бутилового эфира описа­но в других разделах этой главы.

В последние двадцать лет отчетливо проявляется большой и все возрастающий интерес к метанолу как исходному реагенту для самых разнообразных химических превращений. Этот интерес вызван тем, что он дешев и может быть получен практически из любого углеродсодержащего источника - нефти, газа, угля, торфа и даже бытового мусора, которые можно превратить в смесь СО и Н 2 . Из метанола в промышленных условиях может быть получено большое число практически важных ве­ществ с применением как гетерогенного, так и в особенности гомоген­ного катализа. Перечислим только некоторые наиболее перспективные направления производства на основе метанола. Это производства уксус­ной кислоты, уксусного ангидрида, этанола, этиленгликоля, метилметакрилата, метилформиата, диметилформамида, некоторых видов топлива и т.д. Некоторые из них уже эксплуатируются в промышленном масштабе, другие находятся в стадии внедрения, а остальные разрабатываются большим числом исследовательских групп и найдут применение, по-види­мому, в недалеком будущем. Возможно, в XXI столетии метанол, наряду с этиленом, станет одним из главных полупродуктов крупнотоннажного органического синтеза.

Процесс получения

Процесс Фишера – Тропша описывается следующим химическим уравнением

CO + 2 H 2 ----> --CH 2 -- + H 2 O

2 CO + H 2 ----> --CH 2 -- + CO 2 . Смесь монооксида углерода и водорода называется синтез-газ или сингаз. Получаемые углеводороды очищают для получения целевого продукта - синтетической нефти.

После войны взятые в плен германские учёные участвовали в операции «Скрепка» продолжая работать над синтетическими топливами в США в Бюро горной промышленности США.

Впервые синтез углеводородов из смеси СО и Н 2 был осуществлён в начале XX века : Сабатье и Сандеренсом был синтезирован метан , Е. И. Орловым - этилен . В 1913 г компания BASF взяла патент на получение смесей углеводородов и спиртов из синтез-газа над подщелоченными Co-Os катализаторами (в дальнейшем это направление вылилось в создание процесса синтеза метанола). В 1923 г немецкие химики Ф.Фишер и Г.Тропш, сотрудники компании Ruhrchemie, сообщили о получении кислородсодержащих продуктов из синтез-газа над Fe катализаторами, а в 1926 г - углеводородов. Первый промышленный реактор был пущен в Германии в 1935 г, использовался Co-Th осажденный катализатор. В 1930-40-е гг на основе технологии Фишера – Тропша было налажено производство синтетического бензина (когазин-I, или синтин) с октановым числом 40-55, синтетической высококачественной дизельной фракции (когазин-II) с цетановым числом 75-100 и твёрдого парафина. Сырьем для процесса служил уголь, из котоого газификацией получали синтез-газ, а из него углеводороды. К 1945 г в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера – Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн.т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла.

В годы после второй мировой войны синтезу ФТ уделяли большое внимание во всём мире, поскольку считалось, что запасы нефти подходят к концу, и надо искать ей замену. В 1950 г был пущен завод в Браунсвилле (Техас) на 360 тыс. т/г. В 1955 г южноафриканская компания Sasol построила собственное производство, существующее и развивающееся до сих пор. В Новочеркасске с 1952 работала установка мощностью около 50 тыс. т/г, использующая вывезенное из Германии оборудование. Сырьем служил сначала уголь донецкого бассейна, а затем природный газ. Немецкий Co-Th катализатор был со временем заменён на оригинальный, Co-Zr. На заводе была установлена колонна точной ректификации, так что в ассортимент продукции завода входили индивидуальные углеводороды высокой чистоты, в том числе α-олефины с нечетным углеродным номером. Установка работала на Новочеркасском заводе синтетических продуктов вплоть до 1990-х годов и была остановлена по экономическим причинам.

Все эти предприятия в значительной степени заимствовали опыт немецких химиков и инженеров, накопленный в 30-40-е годы.

Открытие обширных месторождений нефти в Аравии, Северном море, Нигерии, Аляске резко снизило интерес к синтезу ФТ. Почти все существующие заводы были закрыты, единственное крупное производство сохранилось в ЮАР. Активность в этой области возобновилась к 1990-м годам.

В 1990 г компания Exxon запустила опытную установку на 8 тыс. т/г с Co катализатором. В 1992 г южноафриканская компания Mossgas построила завод мощностью 900 тыс. т/г. В отличие от технологии Sasol, в качестве сырья здесь использовался природный газ с шельфового месторождения. В 1993 году компания Shell запустила завод в Бинтулу (Малайзия) мощностью 500 тыс. т/г, используя Co-Zr катализатор и оригинальную технологию «средних дистиллятов». Сырьем служит синтез-газ, получаемый парциальным окислением местного природного газа. В настоящее время Shell строит завод по той же технологии, но на порядок большей мощности в Катаре. Свои проекты в области синтеза ФТ разной степени проработки имеют также компании Chevron , Conoco , , ENI , Statoil , Rentech, Syntroleum и другие.

Научные основы процесса

Синтез ФТ можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию оксида углерода:

nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nН 2 О

nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nН 2 О

Тепловой эффект значителен, 165 кДж/моль СО.

Катализаторами служат металлы VIII группы: наиболее активен Ru, затем Co, Fe, Ni. Для увеличения поверхности их часто наносят на пористые носители, так силикагель и глинозём. В промышленности нашли применение только Fe и Co. Рутений слишком дорог, кроме того, его запасы на Земле слишком малы для использования в качестве катализатора в многотоннажных процессах. На никелевых катализаторах при атмосферном давлении образуется в основном метан (n=1), при повышении же давления никель образует летучий карбонил и вымывается из реактора.

Побочными реакциями синтеза углеводородов из СО и Н 2 являются:

• гидрирование оксида углерода до метана : СО + 3Н 2 → СН 4 + Н 2 О + 214 кДж/моль
• реакция Белла – Будуара (диспропорционирование СО): 2СО → СО 2 + С
• равновесие водяного газа: СО + Н 2 О ↔ СО 2 + Н 2

Последняя реакция имеет особое значение для катализаторов на основе железа, на кобальте она почти не протекает. На железных катализаторах, кроме того в значительных количествах образуются кислородсодержащие соединения - спирты и карбоновые кислоты.

Типичными условиями проведения процесса являются: давление от 1 атм (для Co катализаторов) до 30 атм, температура 190-240 °C (низкотемпературный вариант, для Co и Fe катализаторов) или 320-350 °C (высокотемпературный вариант, для Fe).

Механизм реакции, несмотря на десятилетия его изучения, в деталях остаётся неясен. Впрочем, эта ситуация типична для гетерогенного катализа.

Термодинамические закономерности для продуктов синтеза ФТ таковы:

1. Возможно образование из СО и H 2 углеводородов любой молекулярной массы, вида и строения кроме ацетилена .
2. Вероятность образования углеводородов уменьшается в ряду: метан > другие алканы > алкены . Вероятность образования нормальных алканов уменьшается, а нормальных алкенов повышается с увеличением длины цепи.
3. Повышение общего давления в системе способствует образованию более тяжелых продуктов, а увеличение парциального давления водорода в синтез-газе благоприятствует образованию алканов.

Реальный состав продуктов синтеза углеводородов из СО и Н 2 существенно отличается от равновесного. В большинстве случаев распределение продуктов по молекулярной массе в стационарных условиях описывается формулой p(n) = n(1-α)²α n-1 , где p(n) - массовая доля углеводорода с углеродным номером n, α = k 1 /(k 1 +k 2), k 1 , k 2 - константы скорости роста и обрыва цепи, соответственно. Это т. н. распределение Андерсона – Шульца – Флори (ASF distribution). Метан (n=1) всегда присутствует в большем количестве, чем предписывается распределением ASF, поскольку образуется независимо по реакции прямого гидрирования. Величина α снижается с ростом температуры и, как правило, возрастает с ростом давления. Если в реакции образуются продукты разных гомологических рядов (парафины, олефины, спирты), то распределение для каждого из них может иметь свою величину α. Распределение ASF накладывает ограничения на максимальную селективность по любому углеводороду или узкой фракции. Это вторая, после теплосъема, проблема синтеза ФТ.

Использование

В настоящее время две компании коммерчески используют свои технологии, основанные на процессе Фишера – Тропша. Shell в Бинтулу, Малазия , использует природный газ в качестве сырья и производит, преимущественно, малосернистое дизельное топливо . Sasol в Южной Африке использует уголь в качестве сырья для производства разнообразных товарных продуктов из синтетической нефти. Процесс и сегодня используется в ЮАР для производства большей части дизельного топлива страны из угля компанией Sasol. Процесс использовался в ЮАР для удовлетворения потребностей в энергии во время изоляции при режиме апартеида . Внимание к этому процессу возобновилось в процессе поиска путей получения малосернистых дизельных топлив для уменьшения наносимого дизельными двигателями вреда окружающей среде. Маленькая американская компания Rentech в настоящее время сфокусировалась на преобразовании заводов по производству азотистых удобрений от использования в качестве сырья природного газа к использованию угля или кокса и жидких углеводородов в качестве побочного продукта.

В сентябре 2005 губернатор Эдвард Ренделл заявил о создании предприятия Waste Management and Processors Inc. - использующее технологии, лицензированные у Shell и Sasol. Будет построена фабрика, использующая синтез Фишера – Тропша для переработки так называемого бросового углерода (остатков от угледобычи) в малосернистое дизельное топливо на участке около города Mahanoy на северо-западе Филадельфии . Штат Пенсильвания взял на себя обязательство покупать значительный процент продукции завода и, вместе с Департаментом энергетики США (DoE), предложил более 140 миллионов долларов налоговых льгот. Прочие добывающие уголь штаты также разрабатывают подобные планы. Губернатор штата Монтана Бриан Швейцер (Brian Schweitzer) предложил построить завод, который будет использовать процесс Фишера – Тропша для превращения угольных запасов штата в топливо, чтобы уменьшить зависимость США от импорта нефти .

В начале 2006 года в США рассматривались проекты строительства 9 заводов по непрямому сжижению угля суммарной мощностью 90 – 250 тыс. баррелей в день.

Китай планирует инвестировать 15 млрд долл. до 2010-2015 гг. в строительство заводов по производству синтетического топлива из угля. Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) заявила, что суммарная мощность заводов по сжижению угля достигнет 16 млн тонн синтетического топлива в год, что составляет 5 % от потребления нефти в 2005 году и 10 % импорта нефти.

Технологии переработки угля в жидкое топливо порождают множество вопросов со стороны экологов. Наиболее серьёзной является проблема выбросов углекислого газа. Последние работы Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии США (National Renewable Energy Laboratory) показали, что в полном цикле выбросы парниковых газов для произведённых из каменного угля синтетических топлив примерно вдвое выше своего основанного на бензине эквивалента. Выбросы прочих загрязнителей также сильно увеличились, тем не менее, многие из них могут быть собраны в процессе производства. Захоронение углерода было предложено в качестве способа уменьшения выбросов оксида углерода. Закачка C O 2 в нефтяные пласты позволит увеличить добычу нефти и увеличить срок службы месторождений на 20-25 лет, однако использование данной технологии возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50-55 долл. за баррель. Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды, уровень которого составляет от 5 до 7 галлонов на каждый галлон полученного топлива.

История знает немало примеров, когда в силу острой необходимости рождались новые оригинальные подходы к решению давно существующих жизненно важных проблем. Так, в предвоенной Германии, лишенной доступа к нефтяным источникам, назревал жесткий дефицит топлива, необходимого для функционирования мощной военной техники. Располагая значительными запасами ископаемого угля, Германия была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была успешно решена усилиями превосходных химиков, из которых прежде всего следует упомянуть Франца Фишера, директора Института кайзера Вильгельма по изучению угля.

В 1926 г. была опубликована работа Ф. Фишера и Г. Тропша «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении», в которой сообщалось, что при восстановлении водородом монооксида углерода при атмосферном давлении в присутствии различных катализаторов (железо — оксид цинка или кобальт — оксид хрома) при 270°С получаются жидкие и даже твердые гомологи метана.

Так возник знаменитый синтез углеводородов из монооксида углерода и водорода, называемый с тех пор синтезом Фишера-Тропша. Смесь CO и H2 в различных соотношениях, называемая синтез-газом, легко может быть получена как из угля, так и из любого другого углеродсодержащего сырья.

Франц Фишер родился 19 марта 1877 г. в предместье Фрейберга — Брейзгау. Он изучал химию в высших учебных заведениях Мюнхена, Фрейберга и Гиссена. После окончания учебы вначале был ассистентом у А. Муассана в Париже, а затем у В. Оствальда в Лейпциге. И наконец, проработав один год у Эмиля Фишера в Берлинском университете, Фишер начал преподавать в Горной академии во Фрейберге. Сдав там экзамены на право чтения курса химии, он стал приват-доцентом академии. После того как Эмиль Фишер вновь вернулся в Берлин, Франц Фишер в 1908 г. стал профессором, а спустя три года — заведующим кафедрой электрохимии в Высшей технической школе, находившейся в пригороде Берлина Шарлоттенбурге.

В 1913 г. Франц Фишер был приглашен учредителями Общества кайзера Вильгельма на должность директора Института исследования угля, организованного при этом обществе, в городе Мюльгейме (Руре). Этот институт был создан в результате реализации многочисленных и хорошо обоснованных предложений Франца Фишера в правление общества. В Институте исследования угля Франц Фишер познакомился с Гансом Тропшем (1916 г.).

Ганс Тропш родился 9 октября 1889 г. в городе План (Богемия, ныне территория Чехии). После завершения высшего химического образования в Праге в 1907—1913 гг. он защитил диссертацию и получил ученую степень доктора-инженера. Проработав несколько лет на различных химических предприятиях, Ганс Тропш стал ассистентом в Институте исследования угля, возглавляемого Францем Фишером. В последующие годы Тропш занимал различные должности на предприятиях химической промышленности. В 1920 г. он вновь вернулся в Институт исследования угля в Мюльгейме, где и проработал до 1928 г. В эти годы Фишер и Тропш осуществили выдающуюся научно-техническую разработку — создали способ получения углеводородов.

Хотя исследователи завершили лабораторную стадию работы уже в 1925 г., лишь спустя девять лет было создано многотоннажное химическое производство этих продуктов. В 1928 г. Ганс Тропш организовал при Пражском университете Институт исследования угля, директором которого он оставался до 1931 г. Затем он переехал в США, где стал научным консультантом огромного нефтяного концерна в Чикаго и одновременно профессором Чикагского университета. В 1935 г., тяжело больной, Ганс Тропш вернулся в Германию и вскоре после возвращения в возрасте всего сорока шести лет скончался.

Задолго до того, как Фишер и Тропш начали исследования процесса синтеза углеводородов в 1922 г., этим вопросом интересовалось немало других химиков. Так, в 1902 г. Сабатье и Сандеран получили из оксида углерода и водорода при помощи каталитического синтеза метан и воду. В 1913 г. в лаборатории БАСФ при использовании других катализаторов и повышенного давления была получена смесь насыщенных и ненасыщенных углеводородов и других органических соединений.

Фишер и Тропш позднее также осуществили реакцию оксида углерода с водородом при повышенном давлении (100 атм), но применяли щелочные катализаторы на основе железа. При этом Фишер и Тропш получили реакционную смесь, в которой содержалось довольно мало углеводородов. В основном она состояла из спиртов, кетонов и органических кислот. Ученые назвали эту смесь синтолом.

Глубоко изучив особенности процесса получения синтола, Фишер и Тропш обратили особое внимание на зависимость состава реакционной смеси от природы используемых катализаторов, температуры и давления. На основании полученных результатов им удалось разработать более эффективный процесс получения углеводородов.

Они сумели провести реакцию оксида углерода с водородом в присутствии смешанных катализаторов на основе металлов группы железа (железо, кобальт, никель с определенными добавками) при нормальном давлении и благоприятной температуре таким образом, что получили в качестве продуктов процесса лишь углеводороды и воду. Смесь углеводородов состояла главным образом из бензиновой и средней нефтяной фракций. Так Фишер и Тропш заложили физикохимические основы способа совместной газификации.

Примерно одновременно с работами Фишера и Тропша в лабораториях Имперского общества по производству красителей проводилось исследование способа получения синтетического горючего. Работавшие там химики и технологи исходили из принципов проведения промышленного синтеза аммиака и провели гидрирование угля при высокой температуре. По этому методу, патент на который взял в 1913 г. приват-доцент Высшей технической школы в Ганновере Фридрих Бергиус, в 1927 г. впервые было организовано многотоннажное промышленное производство.

Если при получении смеси углеводородов по способу Бергиуса исходным продуктом был бурый уголь, то в методе совместной газификации — каменный уголь. Поэтому способом совместной газификации вскоре заинтересовались владельцы каменноугольных шахт, расположенных в Руре.

В лабораториях компании «Акционерное общество по ожижению и облагораживанию каменного угля» были разработаны основы многотоннажного промышленного процесса совместной газификации. В 1934 г. начался выпуск синтетического топлива по этому методу сразу на нескольких крупных предприятиях, расположенных в Рурской области.

Поскольку в этом процессе вместо богатого водой коксового газа может применяться также и водяной газ, полученный при газификации бурого угля, установки совместной газификации впоследствии возникли и рядом с предприятиями, расположенными вблизи месторождений бурого угля в средней части Германии.

От завершения основополагающих исследовательских работ до создания производства по данному методу прошло девять лет. Это было связано с поиском катализаторов, которые, прежде всего, не подвергались бы отравлению; определенную роль в задержке с внедрением метода в промышленность сыграл и мировой экономический кризис. На медленное развитие новых синтетических способов получения горючего оказало также влияние то обстоятельство, что долгое время синтетические продукты стоили значительно дороже, нежели соответствующие вещества, полученные из природного сырья.

Акционеры «Имперского общества по производству красителей» восприняли способ производства углеводородов по методу Фишера и Тропша в качестве серьезного конкурента. Лишь после длительных переговоров между представителями обоих концернов было достигнуто соглашение.

В 1937 г. Франц Фишер вместе с Гельмутом Пихлером разработали метод синтеза углеводородов при среднем давлении. Ученые использовали катализаторы на основе соединений железа, высокие температуры и давление около 10 атм. Эти эксперименты имели большое значение для организации многотоннажного химического производства углеводородов. В результате осуществления этого процесса в качестве основных продуктов получились бензин с высоким октановым числом и парафины.

Франц Фишер, защитивший докторскую диссертацию по изучению процессов, протекающих в аккумуляторах, был одним из наиболее крупных физико-химиков, которые во всемирно известной лаборатории Вильгельма Оствальда исследовали каталитические процессы. Основываясь на результатах работ Оствальда, Сабатье, Сандерана и Митташа, Фишер значительно расширил область промышленного применения гетерогенно-каталитических реакций. Благодаря работам Фишера и Тропша Институт исследования угля стал широко известен во всем мире.

В опубликованных с 1917 по 1937 г. двенадцати томах сборников трудов института были помещены статьи его сотрудников, изучавших синтез топлива и другие вопросы практического использования угля. С 1920 г. Фишер принимал также активное участие в издании журнала «Химия горючих веществ», занявшего значительное место в специальной химической литературе. Свыше трех десятилетий Фишер был директором Института исследования угля в Мюльгейме. Лишь в 1944 г. он ушел на пенсию, а 1 декабря 1947 г. скончался в Мюнхене.

Франц Фишер и Ганс Тропш видели свою главную задачу в том, чтобы найти новые источники сырья и разработать пути усовершенствования уже существовавших методов их использования. Если вспомнить, что коэффициент, составлявший при использовании угля в качестве топлива 15%, при гидрировании угля увеличивался почти до 90%, нетрудно увидеть, сколь велика экономическая эффективность метода. Разработка процесса промышленного синтеза углеводородов по методу Фишера-Тропша явилась огромным научно-техническим достижением.

Производство смеси углеводородов по методу совместной газификации постоянно росло, поскольку она широко использовалась в качестве топлива для автомобилей и самолетов. Росту потребности в синтетическом топливе также способствовало переоборудование двигателей морских кораблей с угля на нефть, начавшееся с 1914 г. Некоторые мирные отрасли экономики тоже нуждались в модификации методов получения искусственного топлива, предложенных Фишером и Тропшем, а также Бергиусом. Но внедрение этих методов в промышленность преследовало главным образом военные цели.

Уже в XXI веке Пентагон провел успешные испытания стратегического бомбардировщика B-52 Stratofortress, который использовал в качестве топлива не традиционный керосин, а альтернативное топливо, выработанное из природного газа. Топливо называется FT, оно создано по технологии германских химиков Франца Фишера (Franz Fischer) и Ганса Тропша (Hans Tropsch), которые сделали это изобретение еще в 1930-е годы (германские войска во Вторую мировую войну активно использовали «синтетический бензин», произведенный именно по технологии Фишера и Тропша).

B-52 совершил свой первый полет в 1954 г., в 1955 г. он поступил на вооружение ВВС США (US Air Force). Последний из 744 бомбардировщиков был произведен в 1962 г. За это время серьезно изменились стратегическая обстановка (B-52 был разработан для ядерной войны с СССР и его союзниками) и экономические реалии. За время одного полета бомбардировщик использует 47 тыс. галлонов (177,9 кубических метров) топлива. В середине 1950-х гг. один галлон авиационного топлива стоил примерно $0,25.

Однако за десятилетия нефть серьезно подорожала, в результате один вылет B-52 ныне обходится более $200 тыс. Несмотря на то что вооруженные силы США активно применяли B-52 в начальный период войн в Ираке и Афганистане, потребность в этом самолете постепенно уменьшается. В начале октября 2006 г. Конгресс США US Congress одобрил план сокращения флота B-52 с 94 имеющихся до 56 в течение двух лет — одной из причин этого была как раз «прожорливость» ветерана «холодной войны» (стоимость одного бомбардировщика в ценах 1998 г. составляет $53,4 млн).

Летом 2006 г. Боевое командование ВВС США сообщило, что в 2018 г. планирует принять на вооружение новый бомбардировщик, который заменит не только B-52, но и более современный «самолет-невидимку» B-1 Lancer. Одной из причин этого названа относительная уязвимость имеющихся моделей, которые не могут преодолевать насыщенные системы ПВО без поддержки истребителей. Министерство обороны США планирует к 2016 г. производить половину авиационного топлива из альтернативных источников энергии. Топливо FT разработала и производит компания Syntroleum, которая указывает, что оно может производиться не только из газа, но и из угля. Начаты опыты применения FT для заправки армейских автомобилей и бронетехники.

Видимо, история по-прежнему будет пополняться примерами, когда в силу необходимости придут новые оригинальные подходы к решению давно существующих проблем.

Франц Фишер и Ганс Тропш видели свою главную задачу в том, чтобы найти новые источники сырья и разработать пути усовершенствования уже существовавших методов их использования.

Синтез Фишера - Тропша - это химический процесс, который является ключевой стадией самого современного способа получения синтетических топлив. Почему говорят именно «синтез» или «процесс» и избегают слова «реакция»? Именами ученых, в данном случае Франца Фишера и Ганса Тропша, называют обычно отдельные реакции. Дело в том, что как таковой реакции Фишера - Тропша нет. Это комплекс процессов. Только основных реакций в этом процессе три, а насчитывают их не менее одиннадцати. В целом синтез Фишера - Тропша - это превращение так называемого синтез-газа в смесь жидких углеводородов. Химик Владимир Мордкович о способах получения синтетического топлива, новых типах катализаторов и реакторе Фишера - Тропша.

Владимир Мордкович - доктор химических наук, кафедра физики и химии наноструктур МФТИ, заведующий отделом новых химических технологий и наноматериалов ТИСНУМ, научный директор компании «Инфра Технологии».

Комментарии: 0

Сланцевый природный газ (англ. shale gas) - природный газ, добываемый из горючих сланцев и состоящий преимущественно из метана. Горючий сланец - твердое полезное ископаемое органического происхождения. Сланцы в основном образовались 450 миллионов лет тому назад на дне моря из растительных и животных остатков.

Александра Пошибаева

Сегодня есть две основные гипотезы образования нефти: неорганическая (абиогенная) и органическая (биогенная, и ее также называют осадочно-миграционной). Сторонники неорганической концепции считают, что нефть образовалась из углерода и водорода по процессу Фишера - Тропша на больших глубинах, при огромных давлениях и температурах выше тысячи градусов. Нормальные алканы могут образоваться из углерода, водорода в присутствии катализаторов, однако в природе отсутствуют такие катализаторы. Помимо этого, в нефтях содержится огромное количество изопренанов, циклических углеводородов-биомаркеров, которые по процессу Фишера - Тропша образоваться не могут. О поиске новых месторождений нефти, неорганической теории ее происхождения и роли прокариот и эукариот в образовании углеводородов рассказывает химик Александра Пошибаева.

Андрей Бычков

Углеводороды сегодня являются энергетической основой нашей цивилизации. Но надолго ли хватит месторождений горючих ископаемых и что делать после их истощения? Как и других полезных ископаемых, нам придется разрабатывать сырье с меньшим содержанием полезного компонента. Как сделать нефть, из какого сырья? Будет ли это выгодно? Уже сегодня мы имеем много экспериментальных данных. В лекции будут обсуждены вопросы о процессах образования нефти в природе и показаны новые экспериментальные результаты. Обо всем этом вам расскажет Бычков Андрей Юрьевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор РАН, профессор кафедры геохимии в МГУ.

Елена Наймарк

Американские ученые научились получать оптические изомеры соединений на основе альдегидов, осуществив наконец важную реакцию, над которой химики работали многие годы. В эксперименте они объединили два катализатора, работающие по разным принципам. В результате совместного действия этих катализаторов образуются две активных органических молекулы, которые объединяются в требуемое вещество. На примере этой реакции показана возможность синтеза целого класса биологически важных органических соединений.

Елена Наймарк

Последователи Стэнли Миллера, поставившего в 50-х годах знаменитые опыты по имитации синтеза органики в первичной атмосфере Земли, вновь обратились к результатам старых экспериментов. Оставшиеся от тех лет материалы они исследовали новейшими методами. Выяснилось, что в экспериментах, имитировавших вулканические выбросы парогазовой смеси, синтезировался широкий спектр аминокислот и других органических соединений. Их разнообразие оказалось больше, чем это представлялось в 50-е годы. Этот результат акцентирует внимание современных исследователей на условиях синтеза и накопления первичной высокомолекулярной органики: синтез мог активизироваться в районах извержений, а вулканические пеплы и туфы могли стать резервуаром биологических молекул.

Королёв Ю. М.

О том, как учёные пытаются разгадать тайну происхождения нефти, а точнее, нефтяных углеводородов, мы попросили рассказать Ю.М. Королёва - ведущего научного сотрудника Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева. Он более тридцати лет изучает рентгенографический фазовый состав ископаемых углеводородных минералов и их превращение под действием времени и температуры.

Родкин М. В.

Спор о биогенном (органическом) или абиогенном происхождении нефти особенно интересен для российского читателя. Во-первых, углеводородное сырьё - один из основных источников дохода в бюджете страны, а во-вторых, российские учёные - признанные лидеры многих направлений в этом старом, но всё ещё не закрытом научном споре.

Александр Марков

В космосе обнаружены разнообразные органические вещества, однако о механизмах их формирования известно немного. Астрофизики и химики из Франции, Дании и Мексики экспериментально показали, что в условиях, имитирующих ранние стадии формирования планетных систем, в водяном льду с примесью метанола и аммиака под действием ультрафиолетового излучения образуются всевозможные углеводы, включая рибозу - важнейшую составную часть РНК. Авторы предполагают, что химический процесс, приводящий к синтезу этих углеводов, схож с автокаталитической реакцией Бутлерова, хотя и не нуждается в присутствии двухвалентных ионов металлов.

Елена Наймарк

Миру РНК предшествовало время предбиологического синтеза, когда рождались так или иначе необходимые для репликации молекулы - нуклеотиды, белки, липиды. Прежде химики рассматривали процессы их синтеза по отдельности. Теперь в лаборатории Джона Сазерленда найден путь, который приводит к синтезу сразу большого набора биологических молекул. Нет нужды гадать, что было раньше, РНК или белки, - вероятно, они синтезировались одновременно в едином каскаде химических реакций; в начале его появляется цианистый водород и сероводород с металлическими катализаторами. Эту сеть реакций авторы назвали цианосульфидным протометаболизмом. С выходом в свет нового исследования можно говорить о поворотной точке в науке о происхождении жизни.

Дмитрий Грищенко

О добыче сланцевой нефти и газа пишут много и часто. На лекции попробуем разобраться что же представляет из себя данная технология, какие экологические проблемы с ней связаны, а какие - лишь плод воображения журналистов и защитников природы.