Синтетическое моторное топливо

Нефть и природный газ, как невозобновляемые природные ресурсы, по прогнозам могут быть исчерпаны уже в первой половине XX I века. Альтернативным источником получения органического жидкого моторного топлива, сырьевой базой органического синтеза должен стать уголь. Способы получения синтетического моторного топлива на основе угля развивались интенсивно в первой половине XX века в Германии, богатой углем, но не имевшей собственной нефти и газа и вынужденной заниматься этой проблемой. После некоторого затишья разработка, анализ и внедрение оптимальных методов получения углеводородов из угля станут, несомненно, одной из важнейших, актуальных и стратегических задач XXI века в области химии.

Гидрогенизация угля (процесс Бергиуса)

Метод деструктивной гидрогенизации угля, разработанный в 1924 г. Ф. Бергиусом (концерн «Фарбениндустри»), был осуществлен им в крупных масштабах в 1927 г. на заводах Лейна. При высоких температурах (400-500 °С) ископаемые угли расщепляются, идет крекинг. В присутствии водорода и катализаторов продукты крекинга, содержащие непредельные и ароматические углеводороды, гидрируются с образованием жидких алканов.

Процесс осуществляют в две стадии. Сначала тщательно измельченный уголь смешивают с тяжелыми маслами до образования пасты, добавляют железный катализатор и гидрируют под давлением 25-70 МПа. Образовавшийся продукт перегоняют и фракции с т. кип. выше 325 °С (тяжелые масла) вновь подвергают гидрогенизации. Более низкокипящие продукты гидрирования превращают в бензин, пропуская их над катализатором (Mo-Zn-Mg-Аl₂О₃) или (WS₂ – NiS – Al₂O₃ ) при температуре 400°С и давлении 20- 30 МПа. Процесс непрерывный.

Из 3,6 тонны угля получают 0,8 тонны бензина и дизельного топлива, а также 0,2 тонны сжиженного газа. В 1943 г. в Германии было получено таким способом около 4 млн тонн бензина, но этот метод не мог экономически конкурировать с получением моторного топлива из нефтяного сырья, и производство моторного топлива из угля было прекращено. Однако в последние годы процессу Бергиуса уделяется большое внимание в связи с перспективой переориентации химической промышленности на угольное сырье.

В 1902 г. П. Сабатье, пропуская над мелкораздробленным никелем смесь оксида углерода и водорода, получил метан:

Исследуя эту реакцию, Фишер и Тропш в 1923 г. получила смесь углеводородов, состоящую в основном (на 80%) из н-алканов. Реакция идет при 200 °С, давлении 1-1,5 МПа, над катализаторами, содержащими восстановленные никель, кобальт и железо на кизельгуре. Реакция, возможно, идет с промежуточным образованием карбена, который далее при полимеризации и дает н-алкан:

Фирмой «Рурхеми» было построено восемь заводов, производивших на основе процесса Фишера – Тропша 500 тысяч тонн бензина в 1944 г. Однако, как и процесс Бергиуса, этот способ получения моторного топлива был экономически неконкурентоспособен с обычными процессами на основе нефти, но в настоящее время интерес к нему также быстро растет.

Синтез алканов на основе метанола

Модификацией процесса Фишера – Тропша является синтез алканов через промежуточное получение метанола (процесс Mobil Oil). Смесь СО и Н₂, называемую синтез-газом (генераторным газом), получают газификацией угля при высоких температурах (1000-2000 °С) в присутствии окислителей (O₂, воздух, водяной пар, СO₂).

Газификации обычно подвергают низкосортные угли с большим содержанием балласта (минеральные примеси, влага), в результате образуется высококалорийное топливо, достаточно чистое экологически (при сжигании идет незначительное загрязнение окружающей среды). Однако основной областью применения синтез-газа является органический синтез. На основе синтез-газа получают метан, высшие алканы (процесс Фишера – Тропша), парафины, изоалканы, алкены, высшие спирты и т. д. Самым крупнотоннажным является производство метанола (в год более 20 млн тонн в мире).

Превращение метанола в высокооктановое топливо осуществляют на цеолитах в псевдоожиженном слое катализатора или одноступенчато в трубчатых реакторах (Lurgi-L).

Процесс Mobil Oil более эффективен по сравнению с процессом Фишера – Тропша (62% против 58%), а получаемый бензин дешевле (15,6 цента за литр против 20,7).