Вода как сырье для топлива

Производство индивидуальных ароматических углеводородов (бензола и толуола).

Данное производство осуществляют на установке Л Г-35-8/ЗООБ, сырьем которой служит фракция 62-105°С. В отличие от установки каталитического риформинга, работающей на получение высокооктановых компонентов автобензина, это производство имеет в своем составе дополнительные блоки, имеющие специфическое назначение: блок селективного гидрирования непредельных углеводородов (догидрирования), блок экстракции с регенерацией растворителя и блок ректификации экстракта на индивидуальные ароматические углеводороды.
Селективное гидрирование непредельных углеводородов. В составе установки ароматизации имеется отдельный блок, основной частью которого является реактор догидрирования, заполненный алюмоплатиновым катализатором с низким содержанием платины АН-10, АП-15 или ГО-1. Назначение этого блока — гидрирование непредельных углеводородов в составе ароматизированного катализата (обычно до 1,5%). Температура гидрирования 180-22СГС, объемная скорость 5-7 ч

‘, давление 1,4-2,0 МПа. При нормальной работе блока гидрируются только олефино-вые углеводороды, концентрация ароматических углеводородов в катализате остается неизменной. При этом разность температуры на входе в реактор и выходе из него не должна превышать 6- !0°С, в противном случае это будет свидетельствовать о снижении селективности гидрирования. Обычно это наблюдается в конце цикла работы катализатора. Характеристика катализаторов селективного гидрирования приведена в табл.

Таблица Характеристика катализаторов селективного гидрирования

Источник

Водородное топливо

LH2 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо

В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО₂).

В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.

Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH₂).

Водород

Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H₂).

Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H₂O).

Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.

Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.

Есть другие технологии:

использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы.

Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначатьцветом, хотя правильнее — по углеродному следу.

Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.

Если взять 1 моль H₂ (2 г) и 0,5 моль O₂ (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению

после завершения реакции образуется 1 моль H₂O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.

Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.

1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.

1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.

Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.

Получение водорода

1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H₂O → H2↑ + 2NaOH + Cl2

2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

Конверсия с водяным паром: CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂ (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH₄ + O₂ ⇄ 2CO + 4H₂

4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

6.Взаимодействие кальция с водой:

8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H₃O + + 2e — → H₂↑ + 2H₂O

Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Химические свойства

Молекулы водорода Н_₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca + Н₂ = СаН₂ и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.

Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:

Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).

Реакция восстановления противоположна реакции окисления.

Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

С галогенами образует галогеноводороды:

F₂ + H₂ → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl₂ + H₂ → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Источник

Синтетическое жидкое топливо в Германии: прошлый опыт и новые технологии

На территории Германии имеются нефтяные месторождения, однако их объем весьма ограничен. Вследствие этого страна серьезно зависит от поставок импортной нефти и нефтепродуктов, что может угрожать национальной безопасности. В отдаленном прошлом проблема зависимости решалась при помощи производства синтетических жидких топлив из доступного сырья. Теперь же технологии схожего назначения предлагаются для улучшения экологии.

Старые технологии

Поиски альтернативных способов получения жидкого топлива для замены нефтепродуктов начались в десятых годах XX в. Первую технологию, пригодную для массового использования, в 1913 г. предложил будущий нобелевский лауреат Фридрих Бергиус. Двумя годами позже он построил и запустил первый завод, использующий новый процесс. Впоследствии права на использование метода «бергинизации» приобрели более крупные предприятия.

Процесс Бергиуса предусматривал использование в качестве сырья угля или лигнита. Измельченное сырье перемешивалось с набором специальных добавок и катализаторов, и из него делали суспензию. Последняя перемешивалась с водородом, так же получаемым с использованием угля, а затем подавалась в химические реакторы, где поддерживались температуры до 450-485°C и давление до 500-700 атм.

На выходе образовывалась синтетическая сырая нефть – смесь газойля, дизельного топлива, нескольких газов и других компонентов. Такой промежуточный продукт затем перерабатывали, выделяя средние и тяжелые масла, бензин и газы.

В 1926 г. химики Франц Фишер и Ханс Тропш предложили альтернативную технологию, имевшую свои преимущества. Так, она позволяла использовать в качестве сырья как каменный, так и бурый уголь, имевшийся у Германии в больших количествах. К концу двадцатых т.н. процесс Фишера–Тропша был освоен разными предприятиями и давал стране необходимое топливо. При этом предлагались разные способы совершенствования технологии.

Процесс Фишера–Тропша начинался с выработки т.н. синтез-газа или водяного газа – смеси угарного газа и водорода. Его получали путем обработки измельченного угля перегретым водяным паром. Синтез-газ можно было получать и другими способами. Он мог сразу использоваться в двигателях внутреннего сгорания. Также путем смешения с другими веществами синтез-газ превращали в жидкое топливо. Технология позволяла получать разные виды горючего, но экономически оправданным был только синтетический бензин.

Процессы на практике

Процесс Бергиуса использовался в промышленности с середины десятых годов, а через 10-12 лет началось внедрение метода Фишера–Тропша. Обе технологии в исходном и доработанном виде неплохо показывали себя и вносили определенный вклад в обеспечение народного хозяйства и армии жидким горючим. Однако доля синтетических бензинов и масел в общем потреблении Германии до определенного времени оставалась незначительной. В тот период страна полагалась на закупки иностранной нефти и нефтепродуктов.

Ситуация стала меняться с приходом к власти нацистов. В 1936 г. была принята программа развития производств синтетического топлива. Планировалось построить несколько новых заводов, работающих по двум основным процессам. Они должны были увеличить общий выпуск горючего, снизив потребности в импорте. К работам привлекли все крупные организации из состава конгломерата IG Farben.

Первые заводы новой постройки заработали в 1938 г., они использовали «бергинизацию». В 1939-м запустили несколько заводов на методе Фишера–Тропша. Уже в 1940 г. выпуск нового топлива вышел на уровень 70-80 тыс. баррелей в день. Этого хватало для покрытия трети потребностей страны на тот момент. В дальнейшем показатели отрасли увеличивались. Их пик пришелся на 1944 г., когда 25 заводов вместе выработали 5,7 млн т топлива. При этом производство не отличалось экономичностью. Рекордный годовой выпуск горючего потребовал израсходовать порядка 60 млн т угля.

Вместе с производством росла потребность в рабочих руках. С 1941 г. эту проблему решали за счет рабского труда. Рабочими заводов становились военнопленные и узники концлагерей. Нацисты даже не думали улучшать условия труда или соблюдать технику безопасности. В результате значительная часть подневольных работников погибла от отравлений и травм, а прочие подорвали здоровье.

В мае 1944 г. британская авиация начала регулярные удары по заводам и хранилищам синтетического топлива в Германии и на оккупированных территориях. Бомбардировки в течение нескольких месяцев нанесли непоправимый ущерб отрасли, а также внесли свой вклад в ухудшение положения нацистов. Весной 1945 г. остававшиеся предприятия по выпуску синтетических топлив прекратили работу. Страны-победители запретили восстанавливать это производство.

Экологические цели

В послевоенный период обе Германии получили доступ к зарубежной нефти и могли получать ее в необходимых количествах. Также были разведаны и освоены собственные месторождения. Все это в целом закрыло нужды ФРГ и ГДР в жидком топливе, а также позволило в течение многих лет даже не вспоминать о производстве синтетических горючих.

Впрочем, технологии синтеза вновь привлекли внимание, но не по экономическим причинам. Теперь они должны поспособствовать улучшению экологической ситуации. Немецкая некоммерческая группа Atmosfair при содействии федерального министерства окружающей среды, компании Siemens и ряда других организаций разработала и реализовала проект «зеленого» завода по выпуску авиационного керосина. Предприятие построено в коммуне Верльте (Нижняя Саксония) и на днях начало работу.

Завод должен использовать усовершенствованный процесс Фишера-Тропша. В качестве сырья для производства синтетической нефти применяется углекислый газ из атмосферы и из биогазовой установки. Водород будут добывать путем электролиза из воды местных водоемов. Электроэнергию предприятие получает от ближайшей ветроэлектростанции. Полученную сырую нефть перегонят в авиационный керосин.

К началу 2022 г. завод Atmosfair должен выйти на проектную мощность – порядка 8 баррелей керосина в сутки. Такое топливо будет стоить ок. 5 евро за литр, значительно больше «простого» керосина. Однако авторы проекта напирают на его экологические преимущества. Они указывают, что сырье и энергия для производства топлива берутся из окружающей среды. Благодаря этому при сгорании керосина в атмосферу выбрасывается столько же углерода, сколько было использовано на стадии производства. Баланс веществ не изменяется, что полезно для природы.

В Atmostar считают, что в дальнейшем новое синтетическое топливо станет экономически выгодным. Однако для этого необходимо ввести дополнительные налоги на ископаемое горючее, чтобы оно подорожало до необходимого уровня. В таких условиях синтетический керосин станет конкурентоспособным и привлечет инвесторов. Также будет возможным расширение производства, в т.ч. с выпуском новых видов продукции.

Нужды и выгоды

Таким образом, за прошедший век с небольшим Германия накопила большой научный и технологический опыт в сфере производства синтетического жидкого топлива и замены традиционных нефтепродуктов. В отдаленном прошлом необходимость в таких технологиях фактически пропала, но теперь их предлагается возродить, причем на новой базе и с иным идеологическим обоснованием.

Последние новости об экологически чистом заводе представляют определенный интерес, но вряд ли привлекут внимание покупателей топлива или инвесторов. Несмотря на все оригинальные идеи, керосин от Atmosfair экономически невыгоден и не способен конкурировать с топливом из ископаемой нефти.

Ситуация может измениться в его пользу только при введении новых несправедливых ограничений, способных ударить по уже существующим предприятиям и их клиентам. Станет ли Германия жертвовать сложившейся промышленностью и инфраструктурой ради актуальных экологических идей – покажет время.

Источник