Katalizator za Fischer-Tropschov proces (varijante) i način njegove pripreme. Fischer-Tropschov proces Postoje informacije o zajedničkom razvoju Sasola i norveškog Statoila postrojenja smještenih na offshore platformama ili čak plutajućim postrojenjima za preradu ugljikovodika.
Fischer-Tropschova sinteza
Tehnologija proizvodnje sintetičkog goriva iz plina ugljikovodika GTL (gas-to-liquid, tj. “gas-to-liquid”) počela se razvijati 20-ih godina prošlog stoljeća zahvaljujući izumu Fischer-Tropschove reakcije sinteze. U to vrijeme, u Njemačkoj bogatoj ugljenom, ali siromašnoj naftom, bilo je akutno pitanje proizvodnje tekućeg goriva. Otkako su njemački istraživači Franz Fischer i Hans Tropsch izumili proces, napravljena su mnoga poboljšanja i revizije, a naziv "Fischer-Tropsch" sada se primjenjuje na veliki broj sličnih procesa. GTL tehnologija, kao takva, stara je gotovo stotinu godina, a razvijala se dugi niz godina kao prisilna alternativa proizvodnji nafte za zemlje bez pristupa nafti. Razvoj GTL-a odvijao se u fazama, kroz generacije. Prva generacija GTL-a zaslužna je za njemački ersatz benzin koji je bio nadaleko poznat tijekom Velikog domovinskog rata. Drugi se razvio u Južnoj Africi kao odgovor na međunarodni embargo. Treće - u zapadnim zemljama nakon energetske krize 1973. Sa svakom novom generacijom tehnologije smanjivali su se kapitalni troškovi, povećavao se prinos motornog goriva po toni sirovina, a nusproizvoda je bilo sve manje.
Razvoj tehnologije prerade prirodnog plina u sintetičku naftu posebno je važan za Rusiju iz nekoliko razloga. Prvo, zbog prisutnosti velikih nalazišta plina u Sibiru. Tehnologija omogućuje preradu plina izravno na gradilištu i korištenje postojećih naftovoda za transport, što je ekonomski isplativije. Drugo, GTL omogućuje iskorištavanje pratećih plinova iz naftnih polja, kao i rafinerijskih otpuhnih plinova koji se obično spaljuju “na svijeću”. Treće, motorna goriva dobivena ovom tehnologijom superiornija su od naftnih analoga u smislu radnih i ekoloških pokazatelja.
Fischer-Tropschova sinteza je kemijski proces, što je ključna faza moderan način dobivanje sintetičkih goriva. Zašto kažu "sinteza" ili "proces", a izbjegavaju riječ "reakcija"? Imena znanstvenika, u u ovom slučaju Franz Fischer i Hans Tropsch obično se nazivaju individualnim reakcijama. Činjenica je da ne postoji Fischer-Tropsch reakcija kao takva. Ovo je kompleks procesa. U tom procesu postoje samo tri glavne reakcije, a ima ih najmanje jedanaest. Općenito, Fischer-Tropschova sinteza je pretvorba tzv. sinteznog plina u smjesu tekućih ugljikovodika. Sintetski plin je stabilan izraz koji se pojavio još u 19. stoljeću, a koji je tada počeo označavati proizvod kemije ugljena, koji je mješavina ugljičnog monoksida ( ugljikov monoksid) i vodik. Budući da je iz ove plinske smjese moguće različitim reakcijama dobiti niz sintetskih proizvoda, evo i naziva, sintezni plin. Tako je u apsolutno svim jezicima. Neki smanjuju. Englezi kažu sintetički plin. Ne postoji takva tradicija u ruskom tehnološkom jeziku.
Godine 1919. njemački su znanstvenici otkrili da ako se metali Grupe 8 koriste kao katalizatori, smjese tekućih ugljikovodika mogu se dobiti na temperaturama oko 200 °C (plus ili minus 100 °C). Odmah je bilo jasno da se radi o velikom otkriću koje je omogućilo dobivanje ugljikovodičnih goriva ne iz nafte. Za Njemačku nakon Prvog svjetskog rata to je bilo posebno važno. Država je bila, kako bi se sada reklo, pod strogim sankcijama. Njemačka nije imala svoju naftu. A kada su nacisti došli na vlast u ovoj zemlji i počeli se pripremati za rat, poticaj je postao izuzetno akutan. Stoga je te radove vrlo ozbiljno poduprla njemačka vlada. Kao rezultat toga, 1919. dolazi do otkrića, a 1934. već radi prvi industrijski pogon, a 1938. još četiri. A tijekom Drugog svjetskog rata značajan dio potreba za gorivom Njemačke, a istodobno i Japana, bio je zadovoljen ersatz gorivom dobivenim Fischer-Tropsch metodom. Najvjerojatnije, zbog ove tužne činjenice, ovi divni znanstvenici nikada nisu dobili Nobelovu nagradu: radili su previše dobro.
Mora se reći da proces u obliku u kojem je izmišljen, u kojem je uveden u njemačku industriju 1930-ih, danas nije mogao dobiti odobrenje nijedne tvrtke ili grupe za odobravanje poslovnih planova: bio je odvratan, ogroman broj nuspojava koje su se dogodile na ovim katalizatorima, stotine. Kao rezultat ovih nuspojava pokazalo se veliki broj proizvoda. Klasična tvornica prve generacije proizvodila je 74 proizvoda, odnosno cijeli je to kemijski grad. To je mnogo. Uostalom, svaki proizvod mora biti odvojen, očišćen i doveden u prodajni oblik. A među tim oblicima su prašak za pranje, sapun, otapala, sredstva za čišćenje, sve vrste plastifikatora za polimere - sve su to vrlo potrebne stvari. Ali zamislite da se vi kao državnik ili kao poslovni čovjek suočite sa zadatkom nabave benzina, dizelskog goriva, a zatim vam se dodjeljuje još 71 proizvod.
Teško je, treba uložiti novac u sve ovo. Stoga ne čudi da je odmah nakon poraza Njemačke i Japana u Drugom svjetskom ratu ova industrija zamrla jer ni po čemu nije mogla konkurirati klasičnoj preradi nafte. Štoviše, počeo je naftni bum u svijetu, otkrivena je jeftina nafta s Bliskog istoka, a zatim i druga dostupna naftna polja. Postojala je, međutim, jedna iznimka, vrlo zanimljiva, naime: skupina njemačkih znanstvenika preselila se u Južnoafričku Republiku, a Južna Afrika, odvojivši se, kako su tada Britanci vjerovali, ilegalno od Britanskog Carstva, našla se u tamo se počela razvijati situacija opet političkih sankcija, embarga, posebno takvih neugodnih stvari kao što je apartheid protiv crnog stanovništva, pristup naftnim izvorima se pogoršao, pa je vlada osnovala tvrtku South African Synthetic Petroleum Company. Ova tvrtka je živa i zdrava do danas. U 1950-ima je osigurao razvoj industrije sintetičkih goriva i Fischer-Tropsch procesa na novoj razini u Južna Afrika.
Ovo je bila druga generacija ovog procesa, zanimljivija, ne tako spora i ne proizvodi toliko nusproizvoda kao prva. Čak je i tip kemijskih reaktora tamo bio drugačiji. Ako su u prvoj generaciji korišteni školjkasto-cijevni reaktori, odnosno katalizator u obliku granula sipan je unutar reakcijskih cijevi i kroz te cijevi je prolazio plin, onda je u drugoj generaciji fluidizirani sloj tzv. već korišten. Usput, granule su ključale, podržane vrlo snažnim protokom sirovog plina odozdo. Ova druga generacija bila je znatno bolja, ali opet, kao što vidite, motivacija za njezino korištenje bila je čisto politička. Da je Južnoafrička unija imala normalan pristup nafti, to nikada ne bi učinila. No, očuvana je stručnost, sačuvan je znanstveni i tehnički potencijal, pa čak i prešao na novu razinu.
Treća generacija tehnologija pojavila se u vezi s globalnom naftnom krizom 1973.
Arapske su zemlje uvele naftni embargo protiv zapadnih zemalja, a tu je zanimljiv učinak: zapadni svijet, u kojem su transnacionalne korporacije već tada igrale značajnu ulogu, nije koristio državni mehanizam, već te korporacije kao motor za novu razvoj ovih tehnologija. velika naftne kompanije proučavao iskustvo jedne južnoafričke tvrtke Sasol a tijekom 1970-ih i ranih 1980-ih hitno je stvorena treća generacija ovih tehnologija. Ova generacija vlada industrijom do danas. Vrlo je zanimljivo. Broj nusproizvoda se smanjio: ostaje oko 30, au svojim najboljim manifestacijama samo 14. Zanimljivo je da katalizatori koji se koriste u tehnologijama treće generacije ne proizvode mješavinu relativno lakih i tekućih ugljikovodika, kao što je to učinio prva i druga generacija, te takozvani voskovi, čvrsti parafini, odnosno tako dugolančani ugljikovodici koji u normalnim uvjetima nisu tekući, oni su čvrsti, kao svijeća. Naime, koriste se i za svijeće. To stvara neke dodatne probleme jer te krutine moraju biti dodatno obrađene, hidrokrekirane, da bi se razbili ti predugi lanci. Ali sve se to savršeno uklapa u opću tehnološku logiku koju su izgradili autori tehnologije treće generacije. Pokazalo se da su predvodnici ovih tehnologija nizozemska tvrtka Ljuska i još uvijek ista južnoafrička tvrtka Sasol. Posjeduju tri tvornice u južnoj Aziji, gdje je plin daleko najjeftiniji i najdostupniji. I rade odlično.
Vrlo je zanimljivo da je sve to vrijeme, dok se druga generacija razvijala u Južnoj Africi, a treća na Zapadu, tvornica prve generacije u Novočerkasku, dopremljena kao reparacija iz Njemačke, uspješno radila u Sovjetskom Savezu 40 godina. Postoji i danas, iako je prekinut 1994. godine. Bilo bi lijepo od toga napraviti muzej. Dakle, tehnologije treće generacije su još uvijek inferiorne u odnosu na rafinerije nafte - već malo, ali inferiorne. Uz mogućnost izbora, razuman investitor uvijek će imati samo jednu odluku: od nafte proizvoditi benzin ili dizel gorivo. I početkom 21. stoljeća niz znanstvenih grupa u različite zemlje, uključujući i našu, počela je raditi na implementaciji četvrte generacije, koja se ističe po tome što svaka granula katalizatora u njoj nije samo nositelj aktivnog metala, već je to prava multifunkcionalna tvornica koja radi sve: obavlja primarna Fischer-Tropsch sinteza , prima vosak, rastavlja ga na dijelove, grupira u frakcije i dobiva pravo posljednje gorivo. Već u 2016.–2017. planirano je pokretanje prvih malih industrijskih pogona ove četvrte generacije. I valja reći da je i u trećoj i u četvrtoj generaciji, budući da je proizvod sintetski, a gorivo se dobiva razbijanjem molekula dugog lanca, a da bi katalizator radio, potrebno je plin pročistiti od svih vrsta nečistoća, dobiva se sintetičko ulje, kako kažu, vrhunske kvalitete: bez toksičnih nečistoća, bez tehnološki teških komponenti, bez smola. A takav proizvod je, vjerujem, budućnost domaćeg i svjetskog prometa i energetike za dugi niz godina.
Povijest poznaje mnogo primjera kada su se, zbog hitne potrebe, rodili novi originalni pristupi rješavanju davno postojećih vitalnih problema. Tako je u predratnoj Njemačkoj, lišenoj pristupa izvorima nafte, nastajala velika nestašica goriva potrebnog za funkcioniranje moćne vojne tehnike. Imajući značajne rezerve fosilnog ugljena, Njemačka je bila prisiljena tražiti načine da ga pretvori u tekuće gorivo. Taj je problem uspješno riješen zalaganjem vrsnih kemičara, od kojih prije svega treba spomenuti Franza Fischera, ravnatelja Instituta za istraživanje ugljena Kaiser Wilhelm.
Godine 1926. objavljen je rad F. Fischera i G. Tropscha "O izravnoj sintezi naftnih ugljikovodika pri običnom tlaku", u kojem je objavljeno da kada se ugljikov monoksid reducira vodikom pri atmosferskom tlaku u prisutnosti različitih katalizatora (željezo - cink oksid ili kobalt - krom oksid) na 270°C dobivaju se tekući pa čak i čvrsti homolozi metana.
Tako je nastala poznata sinteza ugljikovodika iz ugljičnog monoksida i vodika, od tada nazvana Fischer-Tropschova sinteza. Mješavina CO i H2 u različitim omjerima, nazvana sintezni plin, može se lako dobiti iz ugljena ili bilo koje druge sirovine koja sadrži ugljik.
Franz Fischer rođen je 19. ožujka 1877. godine u predgrađu Freiberga - Breisgau. Studirao je kemiju na sveučilištima u Münchenu, Freibergu i Giessenu. Nakon diplome najprije je radio kao asistent A. Moissana u Parizu, a potom W. Ostwalda u Leipzigu. Konačno, nakon što je godinu dana radio s Emilom Fischerom na Sveučilištu u Berlinu, Fischer je počeo predavati na Rudarskoj akademiji u Freibergu. Položivši tamo ispite za pravo predavača kemijskog kolegija, postao je privatnim docentom na akademiji. Nakon što se Emil Fischer vratio u Berlin, Franz Fischer postao je profesor 1908., a tri godine kasnije - šef katedre za elektrokemiju na Visokoj tehničkoj školi, koja se nalazi u berlinskom predgrađu Charlottenburg.
Godine 1913. osnivači Društva Kaiser Wilhelm pozvali su Franza Fischera na mjesto direktora Instituta za istraživanje ugljena, koji je organiziralo ovo društvo, u gradu Mülheimu (Ruhr). Ovaj je institut nastao kao rezultat provedbe brojnih i dobro utemeljenih prijedloga Franza Fischera upravi društva. U Institutu za istraživanje ugljena, Franz Fischer je upoznao Hansa Tropscha (1916.).
Hans Tropsch rođen je 9. listopada 1889. u gradu Plan (Bohemija, sada teritorij Češke). Nakon završenog visokog kemijskog obrazovanja u Pragu 1907-1913. Obranio je disertaciju i stekao stupanj doktora tehničkih znanosti. Nakon nekoliko godina rada u raznim kemijskim tvornicama, Hans Tropsch postaje asistent na Institutu za istraživanje ugljena, koji vodi Franz Fischer. Sljedećih godina Tropsch je obnašao razne dužnosti u kemijskoj industriji. Godine 1920. vratio se u Institut za istraživanje ugljena u Mülheimu, gdje je radio do 1928. Tijekom tih godina Fischer i Tropsch izveli su izvanredan znanstveni i tehnički razvoj - stvorili su metodu za proizvodnju ugljikovodika.
Iako su istraživači već 1925. završili laboratorijsku fazu rada, tek devet godina kasnije stvorena je velika kemijska proizvodnja ovih proizvoda. Godine 1928. Hans Tropsch organizira Institut za istraživanje ugljena na Sveučilištu u Pragu, čiji je direktor ostao do 1931. Zatim se preselio u SAD, gdje je postao znanstveni savjetnik golemog naftnog koncerna u Chicagu i istodobno vrijeme profesor na Sveučilištu u Chicagu. Godine 1935., teško bolestan, Hans Tropsch vratio se u Njemačku i umro ubrzo nakon povratka u dobi od samo četrdeset šest godina.
Davno prije nego što su Fischer i Tropsch počeli istraživati proces sinteze ugljikovodika 1922., mnogi drugi kemičari bili su zainteresirani za ovo pitanje. Tako su Sabatier i Sunderan 1902. godine katalitičkom sintezom dobili metan i vodu iz ugljičnog monoksida i vodika. Godine 1913. u laboratoriju BASF-a uz pomoć drugih katalizatora i povišenog tlaka dobivena je smjesa zasićenih i nezasićenih ugljikovodika i drugih organskih spojeva.
Fischer i Tropsch kasnije su također izveli reakciju ugljičnog monoksida s vodikom na visoki krvni tlak(100 atm), ali su korišteni alkalni katalizatori na bazi željeza. U isto vrijeme, Fischer i Tropsch dobili su reakcijsku smjesu koja je sadržavala dosta ugljikovodika. Uglavnom se sastojao od alkohola, ketona i organskih kiselina. Znanstvenici su ovu smjesu nazvali sintol.
Duboko proučavajući značajke procesa proizvodnje sintola, Fischer i Tropsch obratili su posebnu pozornost na ovisnost sastava reakcijske smjese o prirodi korištenih katalizatora, temperaturi i tlaku. Na temelju svojih rezultata uspjeli su razviti učinkovitiji proces za proizvodnju ugljikovodika.
Uspjeli su provesti reakciju ugljičnog monoksida s vodikom u prisutnosti mješovitih katalizatora na bazi metala skupine željeza (željezo, kobalt, nikal s određenim dodacima) pri normalnom tlaku i povoljnoj temperaturi na način da su dobili samo ugljikovodike i vodu kao proizvod procesa. Mješavina ugljikovodika sastojala se uglavnom od benzina i srednje naftnih frakcija. Tako su Fischer i Tropsch postavili fizikalno-kemijske temelje metode ko-gasifikacije.
Otprilike istodobno s radom Fischera i Tropscha, u laboratorijima Imperial Dye Society provedeno je istraživanje metode za proizvodnju sintetičkog goriva. Kemičari i tehnolozi koji su tamo radili polazili su od principa industrijske sinteze amonijaka i provodili hidrogenizaciju ugljena na visokim temperaturama. Koristeći ovu metodu, za koju je 1913. patentirao Friedrich Bergius, privatni docent Visoke tehničke škole u Hannoveru, 1927. prvi je put organizirana velika industrijska proizvodnja.
Ako je kod proizvodnje smjese ugljikovodika Bergiusovom metodom početni proizvod bio mrki ugljen, onda je kod metode ko-gasifikacije to bio kameni ugljen. Stoga su se vlasnici rudnika ugljena koji se nalaze u Ruhru ubrzo zainteresirali za metodu zajedničkog rasplinjavanja.
U laboratorijima tvrtke " Dioničko društvo o ukapljivanju i poboljšanju ugljena”, razvijeni su temelji industrijskog procesa ko-plinjanja velikih razmjera. Godine 1934., proizvodnja sintetičkog goriva ovom metodom započela je u nekoliko velikih poduzeća u regiji Ruhr.
Budući da ovaj proces također može koristiti vodeni plin dobiven rasplinjavanjem smeđeg ugljena umjesto plina iz koksne peći bogatog vodom, naknadno su se također pojavila postrojenja za kogasifikaciju u blizini postrojenja koja se nalaze blizu naslaga smeđeg ugljena u središnjoj Njemačkoj.
Od završetka temeljnih istraživački rad Prošlo je devet godina prije nego što je stvorena proizvodnja ovom metodom. To je bilo zbog potrage za katalizatorima koji ne bi bili otrovani na prvom mjestu; Određenu ulogu u kašnjenju uvođenja metode u industriju odigrala je i svjetska gospodarska kriza. Na spor razvoj novih sintetskih metoda za proizvodnju goriva utjecala je i činjenica da dugo vremena sintetički proizvodi bili su mnogo skuplji od odgovarajućih tvari dobivenih iz prirodnih sirovina.
Dioničari Imperial Dye Company smatrali su Fischer i Tropsch metodu proizvodnje ugljikovodika ozbiljnom konkurencijom. Tek nakon dugotrajnih pregovora predstavnika oba koncerna postignut je dogovor.
Godine 1937. Franz Fischer je zajedno s Helmutom Pichlerom razvio metodu za sintezu ugljikovodika pri srednjem tlaku. Znanstvenici su koristili katalizatore na bazi spojeva željeza, visoke temperature i tlak od oko 10 atm. Ti su pokusi bili od velike važnosti za organizaciju velike kemijske proizvodnje ugljikovodika. Kao rezultat ovog procesa dobiveni su visokooktanski benzin i parafini kao glavni proizvodi.
Franz Fischer, koji je obranio doktorsku disertaciju o proučavanju procesa koji se odvijaju u baterijama, bio je jedan od najistaknutijih fizikalnih kemičara koji su proučavali katalitičke procese u svjetski poznatom laboratoriju Wilhelma Ostwalda. Na temelju rezultata rada Ostwalda, Sabatiera, Sunderana i Mittascha, Fischer je značajno proširio opseg industrijske primjene heterogenih katalitičkih reakcija. Zahvaljujući radu Fischera i Tropscha, Institut za istraživanje ugljena postao je nadaleko poznat u cijelom svijetu.
Dvanaest svezaka zbirki radova Instituta, objavljenih od 1917. do 1937., sadržavalo je članke njegovih djelatnika koji su proučavali sintezu goriva i druga pitanja. praktičnu upotrebu ugljen Od 1920. Fischer je također prihvatio aktivno sudjelovanje u izdanju časopisa “Chemistry of Combustible Substances” koji je zauzeo značajno mjesto u stručnoj kemijskoj literaturi. Više od tri desetljeća Fischer je bio direktor Instituta za istraživanje ugljena u Mülheimu. Tek 1944. odlazi u mirovinu, a 1. prosinca 1947. umire u Münchenu.
Franz Fischer i Hans Tropsch svoj su glavni zadatak vidjeli u pronalaženju novih izvora sirovina i razvoju načina za poboljšanje postojećih metoda njihova korištenja. Sjetimo li se da je koeficijent, koji je iznosio 15% kod korištenja ugljena kao goriva, porastao na gotovo 90% kod hidrogenizacije ugljena, lako je vidjeti kolika je ekonomska učinkovitost metode. Razvoj procesa industrijske sinteze ugljikovodika Fischer-Tropsch metodom bio je veliko znanstveno i tehnološko postignuće.
Proizvodnja mješavine ugljikovodika metodom ko-gasifikacije u stalnom je porastu jer se naširoko koristi kao gorivo za automobile i zrakoplove. Pretvorbe motora također su pridonijele rastućoj potražnji za sintetičkim gorivima morski brodovi od ugljena do nafte, koji je započeo 1914. Neki miroljubivi sektori gospodarstva također su morali modificirati metode za proizvodnju umjetnog goriva koje su predložili Fischer i Tropsch, kao i Bergius. Ali uvođenje ovih metoda u industriju imalo je uglavnom vojne ciljeve.
Već u 21. stoljeću Pentagon je uspješno testirao strateški bombarder B-52 Stratofortress, koji kao gorivo nije koristio tradicionalni kerozin, već alternativno gorivo proizvedeno od prirodnog plina. Gorivo se zove FT, stvoreno je pomoću tehnologije njemačkih kemičara Franza Fischera i Hansa Tropscha, koji su ovaj izum napravili još 1930-ih (njemačke trupe u II. svjetski rat aktivno korišteni “sintetički benzin” proizveden upravo po Fischer i Tropsch tehnologiji).
B-52 izveo je svoj prvi let 1954. i ušao u službu američkog ratnog zrakoplovstva 1955. godine. Posljednji od 744 bombardera proizveden je 1962. Tijekom tog vremena, strateško okruženje (B-52 je dizajniran za nuklearni rat sa SSSR-om i njegovim saveznicima) i ekonomska stvarnost značajno su se promijenile. Tijekom jednog leta bombarder potroši 47 tisuća galona (177,9 kubičnih metara) goriva. Sredinom 1950-ih. Jedan galon zrakoplovnog goriva košta otprilike 0,25 dolara.
Međutim, tijekom desetljeća nafta je ozbiljno porasla, zbog čega jedan let B-52 sada košta više od 200 tisuća dolara, unatoč činjenici da su američke oružane snage aktivno koristile B-52 početno razdoblje ratova u Iraku i Afganistanu, potreba za ovim zrakoplovom postupno se smanjuje. Početkom listopada 2006. američki Kongres odobrio je plan smanjenja flote B-52 s 94 postojeća na 56 u roku od dvije godine - jedan od razloga za to bila je upravo "proždrljivost" veterana " hladnog rata(Cijena jednog bombardera u cijenama iz 1998. iznosi 53,4 milijuna dolara).
U ljeto 2006. Borbeno zapovjedništvo američkih zračnih snaga objavilo je da planira u 2018. isporučiti novi bombarder koji bi zamijenio ne samo B-52, već i moderniji nevidljivi zrakoplov B-1 Lancer. Jedan od razloga za to je relativna ranjivost postojećih modela, koji ne mogu savladati zasićene sustave protuzračne obrane bez potpore lovaca. Američko ministarstvo obrane planira do 2016. godine proizvoditi polovicu zrakoplovnog goriva iz alternativnih izvora energije. FT gorivo je razvio i proizveo Syntroleum, što ukazuje da se može proizvoditi ne samo iz plina, već i iz ugljena. Započeli su pokusi korištenja FT-a za punjenje vojnih vozila i oklopnih vozila.
Očigledno, povijest će se i dalje nadopunjavati primjerima kada će se iz nužde pojaviti novi originalni pristupi rješavanju dugo postojećih problema.
Franz Fischer i Hans Tropsch svoj su glavni zadatak vidjeli u pronalaženju novih izvora sirovina i razvoju načina za poboljšanje postojećih metoda njihova korištenja.
Fischer-Tropschova sinteza je kemijski proces koji je ključni korak u najmodernijoj metodi za proizvodnju sintetičkih goriva. Zašto kažu "sinteza" ili "proces", a izbjegavaju riječ "reakcija"? Pojedinačne reakcije obično se nazivaju po znanstvenicima, u ovom slučaju Franzu Fischeru i Hansu Tropschu. Činjenica je da ne postoji Fischer-Tropsch reakcija kao takva. Ovo je kompleks procesa. U tom procesu postoje samo tri glavne reakcije, a ima ih najmanje jedanaest. Općenito, Fischer-Tropschova sinteza je pretvorba tzv. sinteznog plina u smjesu tekućih ugljikovodika. Kemičar Vladimir Mordkovich o metodama proizvodnje sintetskog goriva, novim vrstama katalizatora i Fischer-Tropsch reaktoru.
Vladimir Mordkovich - doktor kemijskih znanosti, Odjel za fiziku i kemiju nanostruktura na MIPT-u, voditelj Odjela za nove kemijske tehnologije i nanomaterijale na TISNUM-u, znanstveni direktor tvrtke Infra Technologies.
| Komentari: 0 |
Prirodni plin iz škriljevca (eng. shale gas) je prirodni plin koji se vadi iz uljnog škriljevca i sastoji se uglavnom od metana. Uljni škriljevac je čvrsti mineral organskog porijekla. Škriljavci su uglavnom nastali prije 450 milijuna godina na morskom dnu od biljnih i životinjskih ostataka.
Aleksandra Pošibaeva
Danas postoje dvije glavne hipoteze za nastanak nafte: anorganska (abiogena) i organska (biogena, koja se naziva i sedimentno-migracijska). Zagovornici anorganskog koncepta smatraju da je nafta nastala iz ugljika i vodika kroz Fischer-Tropschov proces na velikim dubinama, pri enormnim pritiscima i temperaturama iznad tisuću stupnjeva. Normalni alkani mogu nastati iz ugljika i vodika u prisutnosti katalizatora, ali takvi katalizatori ne postoje u prirodi. Osim toga, ulja sadrže veliku količinu izoprenana, cikličkih ugljikovodika-biomarkera, koji se ne mogu formirati Fischer-Tropschovim procesom. Kemičarka Alexandra Poshibaeva govori o potrazi za novim nalazištima nafte, anorganskoj teoriji njezina nastanka i ulozi prokariota i eukariota u stvaranju ugljikovodika.
Andrej Bičkov
Ugljikovodici su danas energetska osnova naše civilizacije. Ali koliko dugo će trajati naslage fosilnih goriva i što učiniti nakon što se iscrpe? Kao i druge minerale, morat ćemo razvijati sirovine s nižim sadržajem korisnih komponenti. Kako napraviti ulje, od kojih sirovina? Hoće li ovo biti od koristi? Već danas imamo mnogo eksperimentalnih podataka. Predavanje će obraditi pitanja o procesima nastanka nafte u prirodi i pokazati nove eksperimentalne rezultate. O svemu tome govorit će vam Andrej Jurijevič Bičkov, doktor geoloških i mineraloških znanosti, profesor Ruske akademije znanosti, profesor Odsjeka za geokemiju Moskovskog državnog sveučilišta.
Elena Naimark
Američki znanstvenici naučili su dobiti optičke izomere spojeva na bazi aldehida, konačno provodeći važnu reakciju na kojoj su kemičari radili mnogo godina. U eksperimentu su kombinirali dva katalizatora koji rade na različitim principima. Kao rezultat zajedničkog djelovanja ovih katalizatora nastaju dvije aktivne organske molekule koje se spajaju i tvore željenu tvar. Koristeći ovu reakciju kao primjer, demonstrira se mogućnost sintetiziranja cijele klase biološki važnih organskih spojeva.
Elena Naimark
Sljedbenici Stanleya Millera, koji je 50-ih godina proveo poznate pokuse simulacije sinteze organske tvari u primarnoj atmosferi Zemlje, opet su se okrenuli rezultatima starih pokusa. Pregledali su materijale preostale iz tih godina koristeći najnovije metode. Ispostavilo se da je u eksperimentima koji su simulirali vulkanske emisije mješavine pare i plina sintetiziran širok raspon aminokiselina i drugih organskih spojeva. Pokazalo se da je njihova raznolikost veća nego što se zamišljalo 50-ih godina. Ovaj rezultat usmjerava pozornost modernih istraživača na uvjete sinteze i akumulacije primarnih visokomolekularnih organskih tvari: sinteza bi se mogla aktivirati u područjima erupcija, a vulkanski pepeo i tufovi mogli bi postati rezervoar bioloških molekula.
Korolev Yu.
Pitali smo Yu.M. kako znanstvenici pokušavaju razotkriti misterij porijekla nafte, točnije naftnih ugljikovodika. Korolev - vodeći istraživač na Institutu za petrokemijsku sintezu nazvan. A.V. Topčijeva. Više od trideset godina proučava rendgenski fazni sastav fosilnih ugljikovodičnih minerala i njihovu transformaciju pod utjecajem vremena i temperature.
Rodkin M.V.
Za ruskog čitatelja posebno je zanimljiva rasprava o biogenom (organskom) ili abiogenom podrijetlu nafte. Prvo, ugljikovodične sirovine su jedan od glavnih izvora prihoda u proračunu zemlje, a drugo, ruski znanstvenici su priznati lideri u mnogim područjima u ovom starom, ali još uvijek nezavršenom znanstvenom sporu.
Aleksandar Markov
U svemiru su otkrivene razne organske tvari, ali malo se zna o mehanizmima njihova nastanka. Astrofizičari i kemičari iz Francuske, Danske i Meksika eksperimentalno su pokazali da, pod uvjetima koji simuliraju rane faze formiranja planetarni sustavi, u vodenom ledu pomiješanom s metanolom i amonijakom, pod utjecajem ultraljubičastog zračenja, nastaju sve vrste ugljikohidrata, uključujući ribozu, najvažniju komponentu RNK. Autori sugeriraju da je kemijski proces koji vodi do sinteze ovih ugljikohidrata sličan Butlerovoj autokatalitičkoj reakciji, iako ne zahtijeva prisutnost dvovalentnih metalnih iona.
Elena Naimark
Svijetu RNK prethodilo je vrijeme predbiološke sinteze, kada su rođene molekule neophodne za replikaciju - nukleotidi, proteini, lipidi. Ranije su kemičari razmatrali procese njihove sinteze odvojeno. Sada, u laboratoriju Johna Sutherlanda, pronađen je put koji vodi do sinteze velikog skupa bioloških molekula odjednom. Nema potrebe pogađati što je bilo prvo, RNA ili proteini - vjerojatno su sintetizirani istovremeno u jednoj kaskadi kemijske reakcije; u početku se pojavljuje cijanovodik i sumporovodik s metalnim katalizatorima. Autori su ovu mrežu reakcija nazvali cijanosulfidni protometabolizam. S objavom nove studije možemo govoriti o prekretnici u znanosti o podrijetlu života.
Dmitrij Griščenko
Mnogo se i često piše o proizvodnji nafte i plina iz škriljevca. Na predavanju ćemo pokušati dokučiti što je to tehnologija, koji su ekološki problemi povezani s njom, a koji su samo plod mašte novinara i ekologa.
Fischer-Tropschova metoda za pretvaranje metana u teže ugljikovodike razvijena je 1923. godine i implementirana u njemačkoj industriji 1940-ih.
Gotovo svo zrakoplovno gorivo u ovoj zemlji tijekom Drugog svjetskog rata proizvedeno je pomoću Fischer-Tropscheve sinteze iz ugljena. Kasnije je ovaj način proizvodnje motornih goriva napušten, jer je gorivo dobiveno preradom nafte donedavno bilo ekonomski isplativije.
Pri proizvodnji tekućeg goriva baziranog na Fischer-Tropsch sintezi, različiti spojevi ugljika (zemni plin, ugljen i mrki ugljen, teške frakcije nafte, drvni otpad) pretvaraju se u sintezni plin (mješavina CO i H2), a zatim se pretvara u sintetičku "sirovu naftu" - sintetičku naftu. Ovo je mješavina ugljikovodika, koja se tijekom naknadne obrade dijeli na razne vrste praktički ekološki prihvatljivo gorivo, bez nečistoća sumpornih i dušikovih spojeva. Dovoljno je dodati 10% umjetnog goriva običnom dizelskom gorivu kako bi produkti izgaranja dizelskog goriva počeli odgovarati ekološkim standardima.
Čini se da je pretvorba plina u skupe fine proizvode organske sinteze još učinkovitija.
Pretvorba plina u motorno gorivo može se općenito smatrati pretvorbom metana u teže ugljikovodike:
2nSN4 + 1/2nO2 = Sn N2n + nN2 O
Iz materijalne bilance bruto reakcije proizlazi da maseni prinos konačnog proizvoda ne smije biti veći od 89%.
Reakcija nije izravno izvediva. Pretvorba plina u tekuće gorivo (CLF) prolazi kroz nekoliko tehnoloških faza (slika 17). U ovom slučaju, ovisno o konačnom proizvodu koji treba dobiti, odabire se jedna ili druga opcija procesa.
Fischer-Tropsch sinteza se može smatrati reakcijom reduktivne oligomerizacije ugljičnog monoksida u kojoj nastaju veze ugljik-ugljik, a općenito je složena kombinacija većeg broja heterogenih reakcija koje se mogu prikazati sažetim jednadžbama:
nCO + 2nH2 > (CH2)n + nH2 O,
2nCO + nH2 > (CH2)n + nCO2.
Riža. 17.
Produkti reakcije su alkani, alkeni i spojevi koji sadržavaju kisik, odnosno nastaje složena smjesa produkata karakteristična za reakciju polimerizacije. Primarni produkti Fischer-Tropschove sinteze su a- i b-olefini, koji se pretvaraju u alkane kao rezultat naknadne hidrogenacije. Priroda korištenog katalizatora, temperatura i omjer CO i H2 značajno utječu na distribuciju proizvoda. Tako je pri korištenju željeznih katalizatora velik udio olefina, dok kod kobaltnih katalizatora s hidrogenirajućom aktivnošću pretežno nastaju zasićeni ugljikovodici.
Trenutno, kao katalizatori Fischer-Tropschove sinteze, ovisno o ciljevima (povećanje prinosa benzinske frakcije, povećanje prinosa nižih olefina itd.), koriste se visoko dispergirani željezni katalizatori na oksidima aluminija, silicija i magnezija i bimetalni katalizatori. : željezo-mangan, željezo-molibden itd.
U 70 godina od otkrića sinteze ne jenjavaju polemike oko mehanizma reakcije. Trenutno se razmatraju tri različita mehanizma. Prvi mehanizam, nazvan karbidni mehanizam, koji su prvi predložili Fischer i Tropsch, a kasnije podržali i drugi istraživači, uključuje stvaranje C-C veza kao rezultat oligomerizacije fragmenata metilena na površini katalizatora. U prvoj fazi adsorbira se CO i nastaje površinski karbid, a kisik se pretvara u vodu ili CO2:
U drugoj fazi površinski karbid se hidrogenira uz stvaranje CHx fragmenata (x = 1-3):
Produljenje lanca nastaje kao rezultat reakcije površinskog metila i metilena, a zatim lanac raste uvođenjem metilenskih skupina:
Faza prekida lanca javlja se kao rezultat desorpcije alkena s površine katalizatora.
Drugi mehanizam, nazvan hidroksikarben, također uključuje hidrogenaciju CO koordiniranu na metalu uz stvaranje površinskih fragmenata hidroksikarbena, kao rezultat kondenzacije kojih dolazi do stvaranja C-C veza:
Treći mehanizam, koji se može nazvati mehanizmom umetanja, uključuje stvaranje C-C veza kao rezultat uvođenja CO u vezu metal-ugljik (sposobnost CO da se umetne u vezu metal-alkil je raspravljena gore):
Nagomilao prilično bogato eksperimentalni materijal, ukazujući u korist jedne ili druge verzije mehanizma, međutim, mora se reći da je u ovom trenutku nemoguće napraviti jasan izbor između njih. Može se pretpostaviti da će se zbog velike važnosti Fischer-Tropschove sinteze istraživanja u tom smjeru intenzivno nastaviti te da ćemo svjedočiti novim pogledima na mehanizme odvijanja reakcija.
