процесс Бергиуса
Фридрих Бергиус

Процесс Бергиуса — это метод производства жидких углеводородов для использования в качестве синтетического топлива путем гидрогенизации высоколетучего битуминозного угля при высокой температуре и давлении. Впервые он был разработан Фридрихом Бергиусом в 1913 году. В 1931 году Бергиус был удостоен Нобелевской премии по химии за разработку химии высокого давления . [1]

Процесс

Уголь тонко измельчается и высушивается в потоке горячего газа. Сухой продукт смешивается с тяжелой нефтью, переработанной из процесса. Обычно в смесь добавляется катализатор . За эти годы было разработано несколько катализаторов, включая дисульфид вольфрама или молибдена , олеат олова или никеля и другие. В качестве альтернативы, сульфид железа, присутствующий в угле, может иметь достаточную каталитическую активность для процесса, что и было исходным процессом Бергиуса. [2]

Смесь закачивается в реактор . Реакция происходит при температуре от 400 до 500 °C и давлении водорода от 20 до 70 МПа . В результате реакции получаются тяжелые масла, средние масла, бензин и газы. Общую реакцию можно резюмировать следующим образом:

н С + ( н − х + 1 ) ЧАС 2 ⟶ С н ЧАС 2 н − 2 х + 2 {\displaystyle n{\ce {C}}+(n-x+1){\ce {H2->C_{\mathit {n}}H}}_{2n-2x+2}} (где x = степень ненасыщенности )

Непосредственный продукт из реактора должен быть стабилизирован путем пропускания его через обычный катализатор гидроочистки. Поток продукта содержит много циклоалканов и ароматических соединений, мало алканов (парафинов) и очень мало алкенов (олефинов). Различные фракции могут быть переданы на дальнейшую обработку ( крекинг , риформинг ) для получения синтетического топлива желаемого качества. При прохождении через такой процесс, как платформинг , большая часть циклоалканов преобразуется в ароматические соединения, а извлеченный водород возвращается в процесс. Жидкий продукт из платформинга будет содержать более 75% ароматических соединений и иметь исследовательское октановое число (RON) более 105.

В целом, около 97% входного углерода, подаваемого непосредственно в процесс, может быть преобразовано в синтетическое топливо. Однако любой углерод, используемый при производстве водорода, будет потерян в виде диоксида углерода, что снизит общую углеродную эффективность процесса.

Остаток нереакционноспособных смолистых соединений смешивается с золой от угля и катализатора. Чтобы минимизировать потери углерода в потоке остатков, необходимо иметь малозольное сырье. Обычно уголь должен иметь <10% золы по весу. Водород, необходимый для процесса, также может быть получен из угля или остатка путем парового риформинга . Типичное потребление водорода составляет ~80 кг [ требуется цитата ] водорода на тонну сухого беззольного угля. Как правило, этот процесс похож на гидрогенизацию. Выход бывает трех уровней: тяжелое масло, среднее масло, бензин. Среднее масло гидрогенизируется, чтобы получить больше бензина, а тяжелое масло снова смешивается с углем, и процесс перезапускается. Таким образом, фракции тяжелого масла и среднего масла также повторно используются в этом процессе.

Последним достижением Бергиуса является двухступенчатая установка гидроожижения в Уилсонвилле, штат Алабама , которая работала в 1981-85 гг. Здесь угольный экстракт готовился под воздействием тепла и давления водорода с использованием тонко измельченного угля и рециркулируемого донорного растворителя. По мере расщепления угольной молекулы образуются свободные радикалы, которые немедленно стабилизируются путем поглощения атомов H из донорного растворителя. Затем экстракт поступает в каталитический гидрокрекинг с кипящим слоем (установка H-Oil), питаемый дополнительным водородом, образуя углеводороды с более низкой молекулярной массой и отщепляя серу, кислород и азот, изначально присутствовавшие в угле. Часть жидкого продукта представляет собой гидрогенизированный донорный растворитель, который возвращается на стадию I. Оставшаяся часть жидкого продукта фракционируется путем перегонки, в результате чего получаются продукты с различным диапазоном кипения и зольный остаток. Зольный остаток поступает в установку Kerr-McGee CSDA, которая дает дополнительный жидкий продукт и высокозольный материал, содержащий непрореагировавший уголь и тяжелый остаток, который на коммерческой установке будет газифицирован для получения H2, необходимого для питания процесса. Параметры можно регулировать, чтобы избежать прямой газификации любого угля, поступающего на установку. Альтернативные версии конфигурации установки могут использовать LC-очистку и/или установку обеззоливания антисольвентом. Типичными видами в донорном растворителе являются конденсированные ароматические соединения (тетрагидронафталин и выше) или аналогичные гетероциклы.

История

Фридрих Бергиус разработал этот процесс во время своей абилитации . Методика химии углеродсодержащих субстратов при высоком давлении и высокой температуре была запатентована в 1913 году. В этом процессе жидкие углеводороды, используемые в качестве синтетического топлива, производятся путем гидрогенизации лигнита (бурого угля) . Он разработал этот процесс задолго до общеизвестного процесса Фишера-Тропша . Карл Гольдшмидт пригласил его построить промышленную установку на своем заводе Th. Goldschmidt AG (теперь известном как Evonik Industries ) в 1914 году. [3] Производство началось только в 1919 году, после окончания Первой мировой войны , когда потребность в топливе уже снижалась. Технические проблемы, инфляция и постоянная критика Франца Йозефа Эмиля Фишера , который изменился на поддержку после личной демонстрации процесса, замедлили прогресс, и Бергиус продал свой патент BASF , где над ним работал Карл Бош . Перед Второй мировой войной было построено несколько заводов с годовой мощностью 4 млн тонн синтетического топлива. Эти заводы широко использовались во время Второй мировой войны для снабжения Германии горючим и смазочными материалами. [4]

Использовать

Руины угольного элеватора на заводе синтетического бензина времен Второй мировой войны ( полиция IG Farben Industrie , Польша )

Гидрогенизация угля больше не используется в коммерческих целях. [5]

Процесс Бергиуса широко использовался Brabag , картельной фирмой нацистской Германии . Заводы, которые использовали этот процесс, подвергались бомбардировкам во время Нефтяной кампании Второй мировой войны . В настоящее время нет ни одного завода, эксплуатирующего процесс Бергиуса или его производные в коммерческих целях. Крупнейшим демонстрационным заводом был завод производительностью 200 тонн в день в Боттропе , Германия, эксплуатируемый Ruhrkohle , который прекратил работу в 1993 году. Есть сообщения [6] о строительстве китайской компанией завода производительностью 4000 тонн в день. Ожидалось, что он будет введен в эксплуатацию в 2007 году, [7] но нет никаких подтверждений того, что это было достигнуто.

Ближе к концу Второй мировой войны Соединенные Штаты начали активно финансировать исследования по переработке угля в бензин, включая деньги на строительство ряда пилотных установок. Проекту чрезвычайно помогли захваченные немецкие технологии. [8] Один завод, использующий процесс Бергиуса, был построен в Луизиане, штат Миссури , и начал работу около 1946 года. Расположенный вдоль реки Миссисипи, этот завод производил бензин в коммерческих количествах к 1948 году. Метод луизианского процесса производил автомобильный бензин по цене немного выше, чем бензин на основе нефти, но сопоставимый с ним [9], но более высокого качества. [ необходима цитата ] Завод был закрыт в 1953 году администрацией Эйзенхауэра , предположительно после интенсивного лоббирования со стороны нефтяной промышленности. [9]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Бергиус, Фридрих (21 мая 1932 г.). "Химические реакции под высоким давлением" (PDF) . Нобелевский фонд . Получено 2009-01-23 .
  2. ^ Такао Канеко, Фрэнк Дербишир, Эйитиро Макино, Дэвид Грей, Масааки Тамура и Кэцзян Ли «Сжижение угля» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2012, Wiley-VCH, doi :10.1002/14356007.a07_197.pub2
  3. ^ "Degussa Geschichte - Фридрих Бергиус" . Проверено 10 ноября 2009 г.
  4. ^ Стрэнджес, Энтони Н. (1984). «Фридрих Бергиус и подъем немецкой индустрии синтетического топлива». Isis . 75 (4). История научного общества: 643–667. doi : 10.1086/353647. JSTOR  232411. S2CID  143962648.
  5. ^ Hower, James (2016). «Уголь». Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера . С. 1–63. doi :10.1002/0471238961.0315011222151818.a01.pub3. ISBN 978-0-471-48494-3.
  6. ↑ [1] Архивировано 19 марта 2005 г. на Wayback Machine .
  7. ^ Первое в Китае предприятие по сжижению угля должно облегчить импортное бремя, ОБНОВЛЕНО: 10:28, 24 января 2005 г., People's Daily Online
  8. ^ Дэниел Сперлинг, Новые виды транспортного топлива: стратегический подход к технологическим изменениям , стр. 43–44, Издательство Калифорнийского университета, 1990 ISBN 0520069773 . 
  9. ^ ab Энергетическая политика в Америке с 1945 года
Викискладе есть медиафайлы, связанные с процессом Бергиуса .
  • Первые дни исследований угля, веб-страница Министерства энергетики США
Получено с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bergius_process&oldid=1224641508"