Синтез жидкого топлива

С синтезом метанола тесно связано и решение другой крупнейшей проблемы современной химической технологии — синтез жидкого топлива. Заводы, производящие синтетическую нефть, помимо выработки жидкого горючего, являются своеобразными комбинатами по производству самого разнообразного химического сырья для химической промышленности в целом. Они дают сырье для производства моющих средств, смазок и масел, для производства пластических масс, растворителей и т. п.

В последнее время признается целесообразным создание заводов синтеза жидкого горючего в районах, лишенных нефтяных месторождений, но богатых дешевым твердым топливом. Что же представляет собой новая отрасль техники, связанная с синтезом жидкого горючего, с получением искусственного жидкого топлива из твердого? Существуют два пути получения жидкого топлива из твердого. Один из путей заключается в гидрогенизации твердого топлива (или продутов его полукоксования—смол), т. е. путем присоединения водорода к твердому топливу (в присутствии катализаторов). Присоединение в процессе разложения топлива при высокой температуре водорода под давлением к содержащемуся в твердом топливе углероду и превращает это твердое топливо в жидкие углеводороды.

Рис. 1. Схема получения синтетического бензина путем гидрогенизации угля.

Из смол помимо других продуктов можно получить 73—79% бензина, при гидрогенизации углей выход бензина достигает 60%. Для получения тонны бензина расходуется 2—2,3 т угля, 2000—2900 м3 водорода и др. (не считая расхода топлива на энергетические нужды).

Другой путь состоит в гидрогенизации газа — окиси углерода. По этому способу твердое топливо с помощью термохимического процесса вначале превращают в газообразные продукты — газифицируют. Затем к полученной при газификации, например угля, окиси углерода при повышенной температуре присоединяется водород, также полученный в процессе газификации угля. Пропуская смесь окиси углерода и водорода через специальные трубы с катализатором, получают синтетическое жидкое топливо — синтетический бензин. Принципиальная возможность перехода твердого топлива в жидкие углеводороды нефти была доказана еще в 1869 г. французским химиком М. Бертло. Однако после его работ сложилось мнение, что практически провести такой процесс невозможно, так как химические реактивы, с помощью которых Бертло осуществлял свой опыт по гидрированию твердого топлива, были слишком дороги и малодоступны. И только позже, в начале XX в., были найдены новые способы осуществления процессов гидрогенизации.

В начале XX в. в Петербурге была организована первая в мире химическая лаборатория по систематическому исследованию действия высоких углеводородов. Схема получения синтетического бензина путем гидрогенизации угля. Исследования этой лаборатории положили начало химической технологии высоких давлений во всем мире. В частности, была установлена полная практическая возможность превращения твердого топлива в жидкие углеводороды нефти, указаны условия протекания этого процесса, а также созданы предпосылки для реализации процесса гидрогенизации под давлением. Начиная с 1903—1904 гг. в результате исследований А. Е. Фаворского и его школы стало ясно, что при высоком давлении и при повышенной температуре водород присоединяется к углероду твердого топлива с образованием различных углеводородов. Таким же образом было установлено, что можно осуществить гидрогенизацию тяжелых нефтепродуктов, получая из них более легкие углеводороды, содержащие бензиновые фракции.

Практически это было осуществлено в промышленных масштабах в Германии, поскольку к концу первой мировой войны там резко выявилась нехватка бензина, получаемого путем прямой перегонки нефти. Германия не имела естественных источников нефти, поэтому немецкие инженеры и ученые приложили много сил для реализации в промышленных масштабах исследований по производству бензина из твердого топлива. В ходе первой мировой войны и особенно после ее окончания (к 1921 г.) по методу инженера Ф. Бергиуса, получившего еще в 1913 г. патент на производство жидкого горючего из угля, в Германии была создана технологическая схема каталитической гидрогенизации угля при воздействии на него водорода под высоким давлением и при высокой температуре (рис. 2).

Рис. 2. Схема получения бензина по способу Бергпуса.

В 1922—1926 гг. в результате исследований Ф. Фишера и Г. Тропша в Германии был осуществлен в промышленном масштабе и другой технологический процесс получения синтетического жидкого топлива из смеси окиси углерода и водорода под низким давлением. В результате этого процесса, как и при гидрогенизации твердого топлива, образуется сложная смесь жидких углеводородов, из которых в конечном счете (используя разгонку) получается синтетический бензин (рис. 3).

Рис. 3. Схема получения бензина по способу Фишера—Тропша.

На протяжении XX в. в ряде стран, особенно там, где ограничены запасы нефти, велись напряженные работы по развитию и усовершенствованию синтеза жидкого топлива. Однако понадобилось почти два десятилетия, чтобы процесс Бергиуса стал экономически выгоден в крупных промышленных масштабах.

Особое значение производство искусственного топлива получило во время второй мировой войны. В 1941 г. в одной лишь Германии действовало 20 заводов искусственного жидкого топлива. В 1941—1943 гг. ежегодное производство синтетического жидкого топлива в Германии составляло 600 тыс. т в год. В 1948 г. во всем мире на заводах гидрогенизации производилось до 6,5 млн. т бензина в год. Один из процессов получения искусственного жидкого топлива методом гидрогенизации угля можно представить следующим образом. Водород и угольная пыль, замешанная в пасту, с прибавлением каменноугольной смолы и катализатора, нагреваются, а затем поступают в реактор — стальной цилиндр, снабженный мешалкой.

Процесс идет при давлении 250—300 атм и температуре 400—600°, в результате образуется масло, из которого разгонкой получают бензин и некоторые другие продукты. Но получение горючего из смеси жидких углеводородов (естественного или искусственного происхождения) разгонкой есть лишь первая часть проблемы, поставленной всем ходом развития техники и, в частности, требованиями авиации и военного дела. Второй частью ее является получение такого высококачественного жидкого топлива, которое позволило бы коренным образом улучшить условия работы мотора и увеличить коэффициент его полезного действия. Для того чтобы решить эту проблему, в СССР, а также в других странах развернулась работа над улучшением антидетонационных свойств горючего. Известно, что пары бензина в смеси с воздухом при сильном сжатии в цилиндрах карбюраторных двигателей детонируют, т. е. взрываются, до того как через смесь этих паров с воздухом пропускается электрическая искра. Но для того, чтобы повысить мощность двигателя, не увеличивая его размеров и веса, необходимо повысить степень предварительного сжатия (или давления наддува — в авиадвигателях) горючей смеси в цилиндре двигателя до ее воспламенения искрой. На протяжении XX в. степень сжатия горючей смеси в двигателях возрастала. Если в 30-х годах степень сжатия в двигателях составляла 3 : 1, то сейчас она достигла соотношения 8:1. В результате в современных двигателях на единицу работы в основном расходуется вдвое меньше бензина, чем 20 лет назад. Двигатели с такой степенью сжатия потребовали нового бензина, ибо горючее, получаемое из нефти простой перегонкой и крекингом, в силу его низкого октанового числа неприменимо.

Применение двигателей с высокой степенью сжатия потребовало высокооктанового топлива. Что дает применение высокооктанового горючего, можно видеть на следующем примере: пробег автомобиля при замене бензина с октановым числом 85 бензином с октановым числом 100 при том же расходе горючего увеличивается на 35%, дальность полета самолета, работающего на топливе с октановым числом 100, увеличивается на 25% по сравнению с горючим с октановым числом 87 и т. п.

С появлением высокооктановых топлив появилась возможность изготовления двигателей с высоким коэффициентом полезного действия, сокращения расхода горючего на километр пути, а также уменьшения веса мотора при одновременном увеличении его мощности. Особенно большое значение это имело для авиации. Применение на самолетах двигателей, работающих на высокооктановом горючем, привело к увеличению радиуса действия самолетов, росту скорости, грузоподъемности и маневренности. Поэтому неудивительно, что уже в 1939 г. авиация имела в своем распоряжении высокооктановый бензин.

В течение последних 30 лет одним из главных направлений развития химии является получение высокооктанового горючего, т. е. создание жидкого горючего, стойкого к детонации. Исследования химиков в этой области шли в направлении всемерного улучшения качества получаемых из нефти бензинов при ее переработке и прибавлении к бензину прямой гонки специальных веществ, так называемых антидетонаторов, а также по пути создания синтетического топлива с высокими антидетонационными свойствами. Высокооктановое топливо, как правило, не является химически индивидуальным веществом. Оно состоит из обыкновенного бензина и добавок: антидетонатора (этиловой жидкости) и высокооктановых присадок. Этиловая жидкость (тетраэтилсвинец) добавляется в небольших количествах к легким моторным топливам, например к бензину, для повышения их устойчивости к детонации. Высокооктановые присадки — это индивидуальные углеводороды (изооктан, изогексая и некоторые другие), получаемые синтетически, т. е. так же как и тетраэтил свинец.

Кто же является основоположником химии изооктана, неогексана и других компонентов высокооктанового топлива? Общую принципиальную схему получения всех этих углеводородов разработали еще в третьей четверти XIX в. великий русский химик А. М. Бутлеров и его ученики М. Львов, В. Горяинов, А. Эльтеков и др. Свои теоретические исследования в области получения этих углеводородов, ставших сейчас важнейшими компонентами высокооктановых топлив, они широко публиковали как в русской, так и в иностранной научной литературе. Ныне, следуя путем, указанным А. М. Бутлеровым, получают такие углеводороды, как изобутан и изобутилен, смесь которых при опредеденных условиях образует изооктан, а также неогексан (впервые полученный В. Горяиновым в 1872 г.) и др., без которых нельзя себе мыслить современное горючее для двигателей внутреннего сгорания. Важно отметить в этой связи, что углеводороды, так называемые изопарафияы, открытые и изученные А. М. Бутлеровым и его учениками, служат горючим не только для двигателей внутреннего сгорания, не только облагораживают горючее для двигателей поршневого типа, но они являются прекрасным горючим и для реактивных двигателей. Это открывает перед техникой новые блестящие возможности. Ведь современные ракетные двигатели работают главным образом на углеводородах (и спиртах). Изооктан, например, как один из представителей этой плеяды углеводородов, можно получить различными путями, используя в качестве сырья отходящие газы, получаемые при гидрогенизации угля, или синтетический изобутиловый спирт и т. д. Но главная масса изооктана, так же как и других компонентов высокооктанового топлива, получается из газов крекинга нефти.