Главная Бизнес-план Синтетические жидкие углеводороды. Производство на основе синтез-газа синтетических моторных топлив по методу фишера-тропша

Синтетические жидкие углеводороды. Производство на основе синтез-газа синтетических моторных топлив по методу фишера-тропша

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.

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.

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Статья посвящена использованию синтез-газа в качестве альтернативного нефти сырья для производства искусственного жидкого топлива, углеводородов (синтез Фишера-Тропша) и альдегидов (гидроформилирование или оксо-синтез). Обсуждаются механизмы рассматриваемых реакций.

ВВЕДЕНИЕ

В 1926 году 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 H 2 в различных соотношениях, называемая синтез-газом, легко может быть получена как из угля, так и из любого другого углеродсодержащего сырья.

Следует отметить, что к моменту разработки синтеза Фишера-Тропша существовал другой способ получения жидкого топлива - не из синтез-газа, а непосредственно из угля прямой гидрогенизацией. В этой области значительных успехов добился также немецкий химик Ф. Бергиус, который в 1911 году получил из угля бензин. Справедливости ради подчеркнем, 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.

Промышленность искусственного жидкого топлива достигла наибольшего подъема в годы второй мировой войны. Достаточно сказать, что синтетическое топливо почти полностью покрывало потребности Германии в авиационном бензине. 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 (Организация стран - экспортеров нефти - Organization of Petroleum Exporting Countries) 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. Нет никаких сомнений, что в обозримом будущем использование синтез-газа будет играть ключевую роль не только и не столько для производства "угольных" топлив (здесь трудно пока конкурировать с нефтяным топливом), но прежде всего для целей органического синтеза. В настоящее время в промышленном масштабе по методу Фишера-Тропша получают бензин, газойль и парафины только в Южной Африке. На установках фирмы "Sasol" производят около 5 млн т в год жидких углеводородов.

Отражением интенсификации исследований по синтезам на основе СО и Н 2 является резкое возрастание публикаций, посвященных химии одноуглеродных молекул (так называемая С 1 -химия). С 1984 года начал издаваться международный журнал "C1-Molecule Chemistry". Таким образом, мы являемся свидетелями наступающего ренессанса в истории углехимии. Рассмотрим некоторые пути превращения синтез-газа, приводящие к получению как углеводородов, так и некоторых ценных кислородсодержащих соединений. Важнейшая роль в превращениях СО принадлежит гетерогенному и гомогенному катализу .

ПОЛУЧЕНИЕ СИНТЕЗ-ГАЗА

Первым способом получения синтез-газа была газификация каменного угля, которая была осуществлена еще в 30-е годы XIX века в Англии с целью получения горючих газов: водорода, метана, монооксида углерода. Этот процесс широко использовался во многих странах до середины 50-х годов XX века, а затем был вытеснен методами, основанными на использовании природного газа и нефти. Однако в связи с сокращением нефтяных ресурсов значение процесса газификации снова стало возрастать.

В настоящее время существуют три основных промышленных метода получения синтез-газа.

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

C + H 2 O = H 2 + CO.

Эта реакция является эндотермической, равновесие сдвигается вправо при температурах 900-1000°С. Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:

C + 1/2O 2 = CO.

2. Конверсия метана. Реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al 2 O 3) при повышенных температурах (800-900°С) и давлении:

CH 4 + H 2 O = CO + 3H 2 .

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 1300°С:

C n H 2n+2 + 1/2nO 2 = nCO + (n + 1)H 2 .

Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти - мазут.

Соотношение СО: Н 2 существенно зависит от применяемого способа получения синтез-газа. При газификации угля и парциальном окислении это соотношение близко к 1: 1, тогда как при конверсии метана соотношение СО: Н 2 составляет 1: 3. В настоящее время разрабатываются проекты подземной газификации, то есть газификации угля непосредственно в пласте. Интересно, что эта идея была высказана Д.И. Менделеевым более 100 лет назад. В перспективе синтез-газ будут получать газификацией не только угля, но и других источников углерода вплоть до городских и сельскохозяйственных отходов.

МОНООКСИД УГЛЕРОДА, КАРБОНИЛЫ МЕТАЛЛОВ И ПРАВИЛО 18 ЭЛЕКТРОНОВ

Многочисленные синтезы на базе монооксида углерода и водорода представляют громадный как практический, так и теоретический интерес, так как позволяют из двух простейших веществ получать ценнейшие органические соединения. И здесь определяющую роль играет катализ переходными металлами, которые способны активировать инертные молекулы СО и Н 2 . Активация молекул - это перевод их в более реакционноспособное состояние. Особо следует отметить, что в превращениях синтез-газа широкое развитие получил новый тип катализа - катализ комплексами переходных металлов или металлокомплексный катализ (см. статью О.Н. Темкина ).

Так ли инертна молекула СО? Представления об инертности монооксида углерода носят условный характер. Еще в 1890 году Монд получил из металлического никеля и монооксида углерода первое карбонильное соединение металла, летучую жидкость с температурой кипения 43°С - Ni(CO) 4 . Интересна история этого открытия, которое можно отнести к случайным. Монд, исследуя причины быстрой коррозии никелевых реакторов в производстве соды из NaCl, аммиака и СО 2 , нашел, что причиной коррозии является наличие в СО 2 примесей монооксида углерода, который реагировал с никелем с образованием тетракарбонила Ni(CO) 4 . Это открытие позволило Монду в дальнейшем разработать способы очистки никеля через получение летучего карбонила никеля и последующего его термического разложения снова до никеля и СО. Через 25 лет также случайно был открыт карбонил железа - Fe(CO) 5 . Когда на фирме BASF вскрыли давно забытый стальной баллон с СО, на дне его обнаружили желтую жидкость - пентакарбонил железа, который постепенно образовался в результате реакции металлического железа с СО под повышенным давлением. Поскольку карбонилы металлов являются весьма токсичными соединениями, поначалу отношение к ним химиков было весьма прохладным, однако в дальнейшем были открыты удивительные свойства, в том числе каталитические, которые определили их широкое применение, особенно в химии монооксида углерода. Отметим, что многие металлы в мелкодисперсном состоянии могут непосредственно вступать в реакцию с монооксидом углерода, но таким способом получают только карбонилы никеля и железа. Карбонилы других металлов получают при восстановлении их соединений в присутствии СО при высоких давлениях.

Состав карбонильных комплексов переходных металлов можно предсказать на основании правила 18 электронов, согласно которому комплекс будет стабильным, если сумма валентных электронов металла и электронов, предоставленных лигандом, в нашем случае СО, будет равна 18, так как при этом электронная конфигурация соответствует устойчивой конфигурации атомов благородных газов (криптона).

Молекула монооксида углерода имеет неподеленные пары электронов, при этом пара электронов на углероде может быть предоставлена для образования связи с металлом по донорно- акцепторному типу. В качестве примера рассмотрим структуру карбонилов железа и никеля Fe(CO) 5 и Ni(CO) 4 . Атомы железа и никеля имеют соответственно 8 и 10 валентных электронов, и для заполнения электронной оболочки атома до конфигурации атома благородного газа криптона недостает 10 и 8 электронов, и поэтому при образовании карбонилов атому железа должны предоставить электронные пары пять молекул СО, а атому никеля - четыре.

Переходные металлы, имеющие нечетное число валентных электронов, образуют биядерные карбонильные комплексы. Так, для кобальта, имеющего девять валентных электронов, до устойчивой электронной конфигурации не хватает девяти электронов. Одноядерные комплексы за счет принятия четырех пар от молекул СО будут иметь неспаренные электроны, и такие частицы радикального характера взаимодействуют друг с другом с образованием связи металл-металл, и в результате образуется димерный комплекс Со 2 (СО) 8 .

Взаимодействие или координация монооксида углерода с металлом приводит к перераспределению электронной плотности не только на СО, но и на металле, что существенно влияет на реакционную способность карбонильного комплекса. Наиболее распространен так называемый линейный тип координации СО:

При этом происходит не только s-взаимодействие за счет свободной пары электронов углерода, но и p-взаимодействие за счет передачи электронов с d-орбитали металла на энергетически доступные вакантные орбитали углерода:

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КЛЮЧЕВЫХ РЕАКЦИЯХ В КАТАЛИЗЕ

Отметим несколько важных ключевых реакций в металлокомплексном катализе. Это прежде всего реакции окислительного присоединения и восстановительного элиминирования. Окислительное присоединение - это реакции присоединения нейтральных молекул А-В, например H 2 или галогена, к металлическому центру комплекса. При этом металл окисляется, что сопровождается повышением его координационного числа:

где L - лиганд. Такое присоединение сопровождается расщеплением связи А-В.

Очень важна реакция окислительного присоединения молекулы водорода, в результате которой происходит ее активация. Широкую известность получила открытая Васко и Дилюцио реакция окислительного присоединения водорода к плоскоквадратному комплексу одновалентного иридия. В результате степень окисления иридия возрастает от I до III:

Реакция, обратная окислительному присоединению, называется восстановительным элиминированием, при этом степень окисления и координационное число металла уменьшаются на два.

Отметим также реакцию миграционного внедрения, которая заключается во внедрении ненасыщенных соединений по связи металл-углерод и металл-водород. Реакция внедрения СО является ключевой для многих процессов с участием синтез-газа:

Внедрение олефина - важнейшая реакция среди каталитических превращений олефинов: гидрирования, гидроформилирования и др.

СИНТЕЗ ФИШЕРА-ТРОПША

Синтез Фишера-Тропша может рассматриваться как реакция восстановительной олигомеризации монооксида углерода, при которой образуются углерод-углеродные связи, и в общем виде она представляет собой сложную комбинацию ряда гетерогенных реакций, которую можно представить суммарными уравнениями:

nCO + 2nH 2 = (CH 2) n + nH 2 O,
2nCO + nH 2 = (CH 2) n + nCO 2 .

Продуктами реакции являются алканы, алкены и кислородсодержащие соединения, то есть образуется сложная смесь продуктов, характерная для реакции полимеризации. Первичными продуктами синтеза Фишера-Тропша являются a- и b-олефины, которые превращаются в алканы в результате последующего гидрирования. Природа применяемого катализатора, температура, соотношение СО и Н 2 существенно сказываются на распределении продуктов. Так, при использовании железных катализаторов велика доля олефинов, тогда как в случае кобальтовых катализаторов, обладающих гидрирующей активностью, преимущественно образуются насыщенные углеводороды.

В настоящее время в качестве катализаторов синтеза Фишера-Тропша в зависимости от поставленных задач (повышение выхода бензиновой фракции, увеличение выхода низших олефинов и др.) используются как высокодисперсные железные катализаторы, нанесенные на оксиды алюминия, кремния и магния, так и биметаллические катализаторы: железо-марганцевые, железо-молибденовые и др.

За 70 лет с момента открытия синтеза не утихают споры по поводу механизма реакции. В настоящее время рассматриваются три различных механизма. Первый механизм, называемый карбидным, впервые предложенный Фишером и Тропшем и в дальнейшем нашедший поддержку у других исследователей, предполагает образование С-С-связей в результате олигомеризации метиленовых фрагментов на поверхности катализатора. На первой стадии происходит адсорбция СО и образуется поверхностный карбид, а кислород превращается в воду или СО 2:

На второй стадии поверхностный карбид гидрируется с образованием фрагментов СН x (х = 1-3):

Удлинение цепи происходит в результате реакции поверхностных метила и метилена и далее путем внедрения метиленовых групп идет рост цепи:

Стадия обрыва цепи происходит в результате десорбции алкена с поверхности катализатора:

Второй механизм, названный гидроксикарбеновым, предполагает также гидрирование координированного на металле СО с образованием поверхностных гидроксикарбеновых фрагментов, в результате конденсации которых и происходит образование С-С-связей:

Третий механизм, который можно назвать механизмом внедрения, предполагает образование С-С-связей в результате внедрения СО по связи металл-углерод (о способности СО к внедрению по связи металл-алкил говорилось выше):

Накоплен достаточно богатый экспериментальный материал, свидетельствующий в пользу того или иного варианта механизма, однако приходится констатировать, что к настоящему моменту невозможно сделать однозначный выбор между ними. Можно предположить, что в связи с большой важностью синтеза Фишера-Тропша исследования в этом направлении будут интенсивно продолжаться и мы станем свидетелями новых воззрений на механизмы протекающих реакций.

ГИДРОФОРМИЛИРОВАНИЕ ОЛЕФИНОВ

Одним из наиболее важных примеров промышленных процессов с участием синтез-газа является реакция гидроформилирования (оксо-синтез). В 1938 году Релен, исследуя механизм синтеза Фишера-Тропша, открыл эту замечательную реакцию, значение которой трудно переоценить. В этом процессе алкены в присутствии катализаторов, главным образом кобальтовых или родиевых, при давлениях свыше 100 атм и температурах 140-180°C взаимодействуют с синтез-газом и превращаются в альдегиды - важнейшие полупродукты в производстве спиртов, карбоновых кислот, аминов, многоатомных спиртов и др. В результате реакции гидроформилирования получаются альдегиды с прямой и разветвленной цепью, содержащие на один атом углерода больше, чем в исходной молекуле:

Наиболее ценными являются нормальные альдегиды, тогда как альдегиды изо-строения можно рассматривать как нежелательные побочные продукты. Мировое производство альдегидов по процессу гидроформилирования достигает 7 млн т в год, при этом около половины приходится на н-масляный альдегид, из которого получают н-бутиловый спирт. Альдольной конденсацией с последующим гидрированием получают 2-этилгексанол, используемый для производства пластификаторов поливинилхлорида.

В качестве катализаторов гидроформилирования наиболее широко используются карбонилы кобальта, в последнее время описано применение родиевых катализаторов, которые позволяют проводить процесс в более мягких условиях.

Механизм гидроформилирования основан на комбинации фундаментальных процессов, описанных выше: координации и внедрения олефинов и СО, окислительного присоединения и восстановительного элиминирования. В качестве примера рассмотрим механизм гидроформилирования этилена с использованием катализатора - октакарбонилдикобальта Со 2 (CO) 8 . Показано, что само гидроформилирование катализируется растворимым гидрокарбонилом кобальта НСо(СО) 4 , в который под действием водорода превращается Со 2 (СО) 8:

Co 2 (CO) 8 + H 2 = 2HCo(CO) 4

В результате диссоциации НСо(СО) 4 = HCo(СО) 3 + СО образуется координационно ненасыщенный интермедиат НСо(СО) 3 , на котором и координируется этилен. Далее происходит внедрение этилена по связи Сo-Н и образуется этилкобальтовый комплекс, затем - координация и внедрение СО по связи Со-С с образованием ацилкобальтового комплекса. Окислительное присоединение водорода к кобальту и последующее восстановительное элиминирование приводят к альдегиду, катализатор регенерируется, и процесс продолжается. Механизм гидроформилирования можно наглядно представить в виде каталитического цикла:

ПЕРСПЕКТИВЫ СИНТЕЗА КИСЛОРОДСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ

Огромное значение имеет освоенный в 20-е годы процесс получения из синтез-газа метанола - важнейшего продукта химической промышленности. В то же время прямой синтез других кислородсодержащих соединений из синтез-газа также представляется весьма привлекательным. Описано применение синтез-газа для получения спиртов состава С 1 -С 4 (низших спиртов), из которых затем дегидратацией получают низшие олефины. В 70-е годы были предложены катализаторы сложного состава, состоящие из оксидов меди, кобальта, хрома, ванадия, марганца и солей щелочных металлов, которые позволили получить из синтез-газа спирты нормального строения состава С 1 -С 4 при температуре 250°C и давлении всего 6 атм:

В литературе описано образование из синтез-газа самых различных кислородсодержащих соединений, например: ацетальдегида, уксусной кислоты, этиленгликоля и др.

Все эти реакции представляются вполне реальными. К сожалению, эти способы в настоящее время не могут конкурировать с уже освоенными промышленными процессами, поскольку протекают в очень жестких условиях и с небольшой селективностью. Можно надеяться, что поиски новых эффективных методов промышленного использования синтез-газа будут интенсивно продолжаться, и нет сомнения, что у этой области большое будущее.

ЛИТЕРАТУРА

1. Катализ в C 1 -химии / Под ред. Л. Кайма. Л.: Химия, 1987. 296 с.

2. Караханов Э.А Что такое нефтехимия // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 2. c. 65-73.

3. Харитонов Ю.Я. Комплексные соединения // Там же. № 1. c. 48-56.

4. Темкин О.Н. Каталитическая химия // Там же. c. 57-65

Процесс получения углеводородов на основе оксида углерода и водорода на железных и кобальтовых катализаторах разработан в 1923 году Фишером и Тропшем.

Химизм процесса

Получение углеводородных смесей из оксида углерода и водорода представляет собой комплекс сложных параллельных и последовательных реакций. Первой стадией процесса является совместная хемосорбция оксида углерода и водорода на поверхности катализатора, в результате чего образуется первичный поверхностный комплекс. В результате дальнейшего ступенчатого присоединения углеводородных фрагментов происходит рост углеводородной цепи. Основные направления процесса можно представить схемой:

СО + Н 2 → C n H 2 n +2 + C n H 2 n + H 2 O + Q

CO + H 2 → C n H 2n+2 + CО 2 + Q

Таким образом в результате синтеза образуется смесь парафиновых и олефиновых углеводородов, воды и СО 2 .

Синтез Фишера-Тропша протекает в присутствии катализаторов, содержащих металлы VIII группы Периодической системы – никель, кобальт, железо с добавками оксидов некоторых других металлов (тория, магния, циркония, титана). Выход и состав продуктов реакции определяется видом катализатора и условиями проведения процесса. Реакция является экзотермической. Помимо образования углеводородов в процессе синтеза в небольших количествах получаются органические кислородсодержащие соединения, главным образом спирты С 1 -С 6 . Промышленные катализаторы современного процесса Фишера-Тропша часто состоят из железа, нанесенного на оксид алюминия, диоксид кремния или кизельгур, и содержат в качестве промоторов соли щелочных металлов.

Применяют также Со-катализаторы, в качестве носителей осажденных кобальтовых катализаторов применяют природные и синтетические алюмосиликаты и цеолиты. На кобальтовых катализаторах образуются смеси, состоящие преимущественно из парафиновых углеводородов нормального строения (80%) с примесью нормальных алкенов (15%) с числом атомов углерода 1-100 и небольшого количества разветвленных алканов, алкенов и кислородсодержащих соединений (5%). Процесс протекает при температуре 170-200 о С и давлении 0,1-1,0 МПа. В присутствии железных катализаторов синтезы углеводородов из оксида углерода и водорода осуществляются в более жестких условиях: температуре в реакторе 200-235 о С, давлении 3-4 МПа. В результате образуются углеводородные смеси с большим содержанием олефинов (до 50%) и кислородсодержащих соединений.

Одной из нежелательных побочных реакций является диспропорционирование оксида углерода:

2СО → C + CO 2

что приводит к отложению углерода на поверхности катализатора и часто является причиной дезактивации последнего.

Дизельное топливо можно получать как в ходе синтеза Фишера-Тропша непосредственно, так и в результате крекинга образующихся в процессе углеводородов выше С 19 и олигомеризации алкенов С 3 -С 8 . Бензины, получаемые на железных катализаторах, имеют лучшие моторные характеристики, чем бензины, производимые на кобальтовых катализаторах. Однако при применении кобальтовых катализаторов образуется много дорогостоящих высокомолекулярных восков, что улучшает экономические показатели процесса.

Основным недостатком ФТ- синтеза является его низкая селективность. Смесь продуктов, полученная этим методом, включает 25-30% метана, 15-20% углеводородов С 2 -С 4 и только 24-45% жидких углеводородов. Одной из важнейших проблем при совершенствовании процесса является организация переработки в топливные фракции или другие ценные продукты образующихся легких углеводородов. К недостаткам процесса следует также отнести дороговизну катализаторов, сложность их регенерации, низкую производительность.

Технологическое оформление процесса

В промышленности реализованы: технология в стационарном слое катализатора, в потоке взвешенного катализатора, в жидкой фазе с суспендированным катализатором.

Принципиальная технологическая схема высокопроизводительного синтеза Фишера-Тропша на железном катализаторе.

1 – реактор; 2 – мультициклон; 3 – теплообменник; 4 – конденсатор; 5 – сборник парафина; 6 – сборник высококипящих угледоводоров; 7 – сборник легких углеводородов; 8 – сборник реакционной воды.

Потоки: I – синтез-газ; II – питательная вода; III – пар; IV – циркулирующий газ; V – остаточный газ; VI – щелочь.

Исходный синтез-газ смешивают в соотношении 1:2,5 с циркулирующим газом, компримируют до 2,5 МПа и через теплообменник вводят в реактор в количестве 500-700 куб. м. на 1 куб м. катализатора в час. В реактор загружают 40 куб. м. железного катализатора. Катализатор работает непрерывно в течение 9-12 месяцев с постепенным повышением температуры с 220 до 250 о С, обеспечивая конверсию синтез-газа 65-73%. Производительность одного реактора – 250 т./сут. углеводородов С 2 и выше.

В реакторах этого типа получают в основном насыщенные углеводороды, в том числе и высокомолекулярные твердые парафины типа церезина.

Принципиальная технологическая схема синтеза Фишера-Тропша в газовой фазе в потоке взвешенного катализатора.

1 – подогреватель; 2 – реактор; 3 – холодильник; 4 – колонна-сепаратор; 5 – конденсатор; 6 – разделительная колонна; 7 – колонна для промывки бензина; 8 – колонна для промывки газа.

Потоки: I – синтез-газ; II – ввод свежего катализатора; III – суспензия катализатора; IV – циркулирующее масло; V – вода; VI – вода и водорастворимые продукты; VII – тяжелое масло; VIII – бензин; IX – отходящий газ.

Синтез-газ вводят в реактор вместе с катализатором. Синтез проводят при температуре 310-350 о С и давлении 2-3 МПа. Продукты реакции и катализатор поступают в колонну-сепаратор, оборудованную циклонами для отделения катализатора. Отвод тепла осуществляют при помощи двух холодильников, через которые циркулирует масло. Срок службы катализатора 42-45 суток.

Отличительной особенностью процесса в потоке взвешенного «увеличенного» катализатора является высокое содержание олефинов во фракции выше С 3 (60-85%).

В смесях, получаемых в реакторах со взвешенным слоем катализатора, может содержаться значительное количество ценных побочных продуктов – кислородсодержащих соединений (спирты, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны).

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА

Метанол является ценным крупнотоннажным продуктом, находящим широкое применение в различных отраслях промышленности.

Объем потребления метанола в мире непрерывно возрастает. В настоящее время его мировое производство превышает 20 млн. т/год.

Традиционным потребителем метанола является производство формальдегида (в первую очередь, его водного раствора - формалина), который получают окислительной конверсией метанола. На долю формальдегида приходится половина производимого метанола.

Потребителями метанола являются производства различных мономеров (например, метилметакрилата и диметилтерефталата), метилтретбутилового эфира (МТБЭ), метилгалогенидов, метиламинов, ионообменных смол, уксусной кислоты. Метанол также широко используется как растворитель и экстрагент.

Одной из новых областей применения метанола является использование его в качестве моторного топлива взамен ставшего дефицитным и весьма дорогим бензина.

Метанол либо добавляют к бензину в количестве до 5%, либо используют целиком вместо бензина. Однако метанол обладает более низкой теплотворной способностью и является весьма токсичным, что, вероятно, будет сдерживать его применение.

Метанол – ядовитая бесцветная жидкость со сладковатым запахом.

Метанол в числе других кислородсодержащих соединений впервые был получен из оксида углерода и водорода в 1913 г. Для этой цели использовали железные катализаторы, которые однако быстро покрывались углеродом и дезактивировались. Применение цинк-хромовых катализаторов позволило устранить этот недостаток. Было установлено, что оксид цинка не чувствителен к сере, соединения которой обычно содержатся в синтез-газе и отравляют металлические катализаторы.

Реакция образования метанола идет с выделением тепла и уменьшением объема, поэтому ей благоприятствуют низкие температуры и высокие давления. При синтезе метанола протекают следующие реакции:

СO+2H 2 → CH 3 OH –ΔН 25 = 110,8 кДж/моль (1)

СO+H 2 O → CO 2 +H 2 –ΔН 25 = 41 кДж/моль (2)

CO 2 +3H 2 → CH 3 OH+H 2 O –ΔН 25 = 60,4 кДж/моль (3)

С повышением температуры степень превращения СО заметно снижается.

Условия проведения реакции определяются катализатором. Если катализатор обладает такой высокой активностью, что уже при низкой температуре достигается высокая степень превращения СО, то синтез метанола можно осуществлять уже при давлении 5 МПа. В противном случае, то есть при применении менее активного катализатора, работающего при более высокой температуре, необходимо давление ~30 МПа. Катализаторы, обычно применяемые в промышленности, проявляют активность только при высоких температурах (360-380 о С), т.е. в условиях термодинамически неблагоприятных. В промышленности наибольшее распространение получили цинк-хромовые катализаторы, а в последние годы – медьсодержащие катализаторы, достаточно активные при температуре 220-270 о С.

При управлении селективностью синтеза метанола необходимо учитывать, что протекание этой реакции гораздо менее термически благоприятно, чем протекание таких побочных реакций, как образование углеводородов, высших спиртов, диметилового эфира. Эти реакции можно подавить варьированием состава катализатора.

В зависимости от применяемых катализаторов (а, следовательно, условий синтеза) различают два варианта превращения синтез-газа в метанол: синтезы при высоком и низком давлении.

При высоком давлении применяют катализаторы на основе оксида цинка, характеризующиеся низкой чувствительностью к сере, промотированные оксидами хрома (межкристаллический промотор – располагающийся вне кристаллической решетки ZnO) или оксидами железа, кальция, магния (внутрикристаллические промоторы – располагающиеся внутри кристаллической решетки ZnO).

Реакторы высокого давления представляют собой цельнокованные аппараты колонного типа, для эффективного теплоотвода используют реакторы полочного типа с промежуточным вводом холодного газа и выносным или встроенным теплообменником. Обычное число полок 5-6, для пуска агрегата применяют встроенный электронагреватель или специальную трубчатую печь.

Наиболее эффективными каталитическими системами, работающими при низком давлении, являются медьсодержащие оксидные катализаторы. Однако медьсодержащие катализаторы отличаются высокой чувствительностью к примесям сернистых соединений, почти всегда содержащимся в синтез-газе. Если при синтезе на цинк-хромовых катализаторах допустимо содержание сероводорода в синтез-газе выше 100 ррm, то для медных катализаторов этот показатель не может превышать 1 ppm.

При низком давлении используют полочные реакторы, аналогичные тем, что применяются при высоком давлении, или реакторы трубчатого типа, в которых катализатор загружен в трубки, а тепло реакции отводится кипящей водой, циркулирующей в межтрубном пространстве реактора и связанной с паросборником, так как при съеме тепла генерируется водяной пар. При использовании трубчатого реактора не требуется пусковой нагреватель, реактор в пусковой период разогревается водяным паром из сети, что является преимуществом реактора этого типа. В то же время достоинством полочного реактора является простота конструкции и легкость загрузки и выгрузки катализатора.

Природный газ отделяют от тяжелых углеводородов и компримируют в турбокомпрессоре 1 до 2,5 МПа, после чего направляют на очистку и далее в блок конверсии метана 3. Туда же поступает водяной пар. К метану добавляют небольшое количество СО 2 . Конверсия метана осуществляется при температуре 850-860 °С. После печей конверсии синтез-газ поступает в котел-утилизатор 4, где генерируется пар высокого давления (12 МПа), который затем перегревается и поступает на турбины - привод компрессоров 1 и 11. Если конверсии подвергают тяжелое жидкое сырье, то блок очистки располагается после конверсии, а необходимость в компрессоре 1 отпадает. В последнем случае конверсию проводят при давлении 5,8 МПа, а синтез-газ после очистки не нуждается в дополнительной компрессии и поступает в циркуляционный компрессор 11.

Синтез-газ, полученный из природного газа, направляют на доохлаждение с целью конденсации воды. Далее синтез-газ дожимается в турбокомпрессоре 12 до 5-5,5 МПа, смешивается с циркуляционным газом и через теплообменник 6, обогреваемый горячим реакционным газом, поступает в два параллельно работающих реактора синтеза метанола 7.

Технологическая схема синтеза метанола под низким давлением:

1,11,12- компрессоры; 2 - блок очистки; 3-блок конверсии метана; 4 - котел-утилизатор; 5 - блок очистки и доохлаждення синтез-газа; 6- теплообменник; 7 - реакторы синтеза метанола; 8-паросборник; 9 - холодильник; 10- газосепаратор в. д.

Реакторы трубчатого типа охлаждаются циркулирующей в межтрубном пространстве водой. Пар направляется в паросборник 8 , куда подается и химически очищенная вода. Конденсат из паросборника вновь поступает в реакторы 7, а водяной пар высокого давления направляется на перегрев и используется в турбинах. Продукты реакции направляются через теплообменник 6 , где отдают свое тепло синтез-газу, в конденсатор-холодильник 9 и в газосепаратор 10 для отделения метанола от циркуляционного газа. Последний поступает на прием циркуляционного компрессора 11 и вновь направляется в систему синтеза. Часть газа отдувают для удаления поступающих в систему инертных примесей (главным образом метана и азота). Метанол-сырец из газосепаратора 10 направляется на ректификацию.

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. Синтез-газ - устойчивое выражение, появившееся еще в XIX веке, которым начали обозначать тогда продукт углехимии, представляющий собой смесь оксида углерода (угарного газа) и водорода. Так как из этой газовой смеси можно получать при помощи разных реакций самые разные синтетические продукты, а тут такое название, синтез-газ. Оно такое абсолютно на всех языках. Некоторые сокращают. Англичане говорят syngas . В русском технологическом языке такой традиции нет.

В 1919 году немецкие ученые обнаружили, что если использовать в качестве катализаторов металлы 8-й группы, то при температурах в районе 200 °C (плюс-минус 100 °C) можно получать смеси жидких углеводородов. Сразу было понятно, что это большое открытие и оно позволяет получать углеводородное топливо не из нефти. Для Германии после Первой мировой войны это было особенно важно. Страна находилась, как бы сейчас сказали, под жесткими санкциями. Своей нефти в Германии не было. А уж когда к власти в этой стране пришли нацисты и начали готовиться к войне, стимул стал чрезвычайно острым. Поэтому эти работы были очень серьезно поддержаны германским правительством. В результате в 1919 году было сделано открытие, а в 1934 году уже работал первый промышленный завод, а в 1938-м - еще четыре. И во время Второй мировой войны значительная часть потребностей Германии, а заодно и Японии в топливе удовлетворялась эрзац-топливом, полученным по методу Фишера - Тропша. Скорее всего, из-за этого печального факта эти замечательные ученые так Нобелевскую премию и не получили: слишком хорошо сработали.

Надо сказать, что процесс в том виде, в каком он был изобретен, в каком он был внедрен в промышленность Германии в 1930-е годы, сегодня не смог бы получить одобрения ни одной компании, ни одной группы по одобрению бизнес-планов: он был отвратителен, побочных реакций протекало на этих катализаторах огромное количество, сотни. В результате этих побочных реакций получалось большое количество продуктов. Классический завод первого поколения производил 74 продукта, то есть это целый химический город. Это очень много. И ведь каждый продукт нужно отделить, очистить, привести в продаваемую форму. А среди этих форм - стиральный порошок, мыло, растворители, чистящие средства, всевозможные пластификаторы для полимеров - все это очень нужные вещи. Но представьте себе, что перед вами как перед государственным деятелем или как перед бизнесменом стоит задача получить бензин, дизельное топливо, а тут на вас навешивают еще 71 продукт.

Это тяжело, во все это нужно вкладывать деньги. Поэтому ничего удивительного в том нет, что сразу после поражения Германии и Японии во Второй мировой войне эта промышленность умерла, потому что она не могла никак конкурировать с обычной нефтеперегонкой. Тем более в мире начался нефтяной бум, была открыта дешевая нефть Ближнего Востока, а за ней и другие доступные нефтяные месторождения. Одно, правда, было исключение, очень интересное, а именно: группа немецких ученых переехала в Южно-Африканскую Республику, а Южная Африка, отделившись, как тогда англичане полагали, незаконно от Британской империи, попала в ситуацию вновь политических санкций, эмбарго, тем более там стали развиваться такие неприятные вещи, как апартеид против черного населения, ухудшился доступ к нефтяным ресурсам, и поэтому правительство учредило компанию «Южноафриканская синтетическая нефть». Эта компания живет и здравствует по сей день. Она обеспечила в 1950-е годы развертывание промышленности синтетического топлива и процесса Фишера - Тропша на новом уровне в Южной Африке.

Это было второе поколение этого процесса, уже более интересное, не такое медленное, порождающее не так много побочных продуктов, как первое. Там даже тип химических реакторов был другой. Если в первом поколении применялись кожухотрубные реакторы, то есть катализатор в виде гранул насыпался внутрь реакционных труб и через эти трубы пропускался газ, то во втором поколении уже применялся так называемый кипящий слой. Кстати, гранулы кипели, поддерживаемые очень мощным потоком сырьевого газа снизу. Существенно лучше было это второе поколение, но вновь, как видите, мотивация для того, чтобы оно применялось, была чисто политическая. Был бы у Южно-Африканского Союза нормальный доступ к нефти, никогда бы они этим не занимались. Однако сохранилась компетенция, сохранился научно-технический потенциал и даже перешел на новый уровень.

Третье поколение технологий появилось в связи с нефтяным мировым кризисом 1973 года.

Арабские страны наложили нефтяное эмбарго против стран Запада, и здесь уже интересный эффект: западный мир, где немалую роль уже играли тогда транснациональные корпорации, использовал не государственный механизм, а именно эти корпорации как мотор для нового развития этих технологий. Крупные нефтяные компании изучили опыт южноафриканской компании Sasol и в течение 1970-х - начала 1980-х годов срочно создали третье поколение этих технологий. Это поколение царствует в промышленности по сей день. Оно очень интересное. Количество побочных продуктов у него уменьшилось: оно оставляет около 30, а в лучших своих проявлениях всего-навсего 14. Оно любопытно тем, что катализаторы, которые используются в технологиях третьего поколения, производят не смесь относительно легких и жидких углеводородов, как это делали первое и второе поколения, а так называемые воски, твердые парафины, то есть такие длинноцепочечные углеводороды, что они не являются жидкими в обычных условиях, они твердые, как свечка. Собственно говоря, в том числе и для свечек их используют. Это порождает некоторые дополнительные проблемы, потому что эти твердые вещества надо подвергать дальнейшей обработке, гидрокрекингу, рвать эти слишком длинные цепочки. Но в общетехнологическую логику, которую выстроили авторы технологии третьего поколения, все это прекрасно укладывается. И лидерами этих технологий оказались голландская компания Shell и все та же южноафриканская компания Sasol . Им принадлежат три завода в Южной Азии, где на сегодняшний день наиболее дешевый и доступный газ. И они прекрасно работают.

Очень любопытно, что все это время, пока в Южной Африке развивалось второе поколение, а на Западе - третье, в Советском Союзе 40 лет успешно работал завод первого поколения в Новочеркасске, привезенный по репарациям из Германии. Он до сих пор существует, хотя был остановлен в 1994 году. Хорошо бы из него сделать музей. Так вот, технологии третьего поколения все еще уступают нефтеперерабатывающим заводам - уже немного, но уступают. При наличии выбора у здравого инвестора будет всегда только одно решение: делать бензин или дизельное топливо из нефти. И вот в начале XXI века ряд научных групп в разных странах, в том числе у нас, начал работать над реализацией четвертого поколения, которое отличается тем, что каждая гранула катализатора в нем - это не просто носитель активного металла, а это самая настоящая многофункциональная фабрика, которая делает всё: она делает первичный синтез Фишера - Тропша, получает воск, проводит разбиение на части, группирует по фракциям и получает настоящее последнее топливо. Уже в 2016–2017 годах запланированы к пуску первые небольшие промышленные заводы этого четвертого поколения. И надо сказать, что и в третьем, и в четвертом поколении, так как продукт синтетический и топливо получается разбиением длинных цепочечных молекул, а для того, чтобы катализатор работал, нужно очистить газ от всевозможных примесей, синтетическая нефть получается, как говорят, премиального качества: без ядовитых примесей, без технологически тяжелых компонентов, без смол. И такой продукт является, как я полагаю, будущим отечественного и мирового транспорта и энергетики на весьма долгие годы.