Синтетическое горючее – триумф высоких технологий. Топливо эфир


Альтернативное топливо. Когда исчезнет нефть

Сегодня по Земле передвигается почти миллиард автомобилей, каждую неделю в баках машин сгорает  50 млн. тонн бензина.  Прогнозы экспертов не утешительны –  при таком расточительстве природные запасы нефти иссякнут уже через 30 лет.

— Для России это не так актуально, — говорит Валерий Дятлов к.х.н., доцент Российского химико-технологического университета им. Д. М. Менделева. – В России есть много природного газа, а для других стран это очень важно. Россия, естественно, в стороне не останется, поэтому нужно искать новые источники углеводородного сырья, которые могли бы ее (нефть) заменить в той или иной степени.

Первые самоходные экипажи приводились в движение паровым двигателем, топливом для которого были дрова или уголь. С появлением двигателя внутреннего сгорания паровые машины конкуренции не выдержали. Автомобили на бензине и дизеле заметно выигрывали в мощности и скорости, но сегодня спустя сотню лет инженеры и экологи все больше задумываются не о прогрессе, начавшемся  с использованием нефтяного топлива, а о его последствиях. Настало время искать замену бензину и дизелю.

Рисунок 1 — Первые самоходные экипажи

Живой росток поглощает из воздуха углекислый газ СО2  и влагу из осадков Н2О, в результате образуются углеводы – соединения из углерода, кислорода и водорода. Когда растения начинают разлагаться, оно претерпевает ряд сложных превращений, в том числе происходит преобразование органических остатков, обогащенных углеводами в углеводород.

Валерий Дятлов к.х.н., доцент Российского химико-технологического университета им. Д. М. Менделева: «Все что вы видите вокруг себя, все живое обязательно в своем составе имеет  соединение углерода и водорода».

Нефть – это взвесь, состоящая из сотен веществ, 90%  которых углеводороды. Продукты ее переработки (бензин, дизель, солярка) обеспечивают автомобили энергией благодаря своему углеводородному происхождению, вернее горючим свойствам, которыми обладают все эти вещества.

— Для поиска таких источников далеко ходить не надо, — говорит Валерий Дятлов, — надо просто обратиться к природе, и просто искать источник, которые до сегодняшнего дня мы игнорировали. Вполне возможно сейчас нам придется ими воспользоваться.

ЛЕГКИЕ ГАЗЫ

Газы – легкие или летучие углеводороды, их горючие свойства используются очень широко. Машины на таком топливе появились еще в 80-е годы прошлого века.

— Углеводородные газы являются отличным топливом для автотранспорта, — считает Юрий Панов, д.т.н., доцент Московского автомобильно-дорожного технического университета, — Наибольшее распространение в настоящее время получил пропан-бутан, потому что он может храниться в баллоне в сжиженном состоянии.

Пропан-бутан – сжиженный углеводородный газ. Получают его в основном при перегонке нефти, разделении сырой горючей жидкости на фракции.

Юрий Панов: «За счет того, что молекула углеводородных газов имеет более короткое строение, поэтому имеется возможность более полного сгорания. Пропан, бутан, метан имеют очень высокое октановое число без добавления антидетонационных присадок, без которых невозможен современный бензин».

Октановое число  — основная характеристика бензинового топлива, показатель  его стойкости к самовозгоранию при сжатии, чем выше октановое число, тем больше детонационная стойкость бензина, а работа двигателя  стабильнее и эффективнее.

Перевод автомобиля на пропан занимает около суток. У машины фактически появляется второй топливный бак. Температура выхлопов в газовом топливе значительно выше чем в бензиновом, по этой причине раньше быстро выходили из строя детали не рассчитаны на такой сильный нагрев. Сейчас эта проблема решается изменением времени воспламенения рабочей смеси в цилиндре. Смесь поджигается раньше, чем происходит ее полное сжатие, а после сгорания остывает, чтобы не нанести вреда системам автомобиля.  Современное газовое оборудование прошивается в бортовой компьютер, он сам определяет, когда именно нужно выставить момент зажигания.

Рисунок 2 — Газовый баллон в багажнике автомобиля

Внешне автомобиль на газу выглядит вполне традиционно. Разница не видна не только под капотом, но и в багажнике, куда устанавливается баллон с газом.  Его прячут под обивкой в углублении запасного колеса, но проехать на таком баллоне можно всего 350 км – в 2 раза меньше, чем на автомобиле с полным баком бензина.

До сих пор к такому непривычному топливу относятся с опаской, ведь, смешавшись с воздухом, пропан становится взрывоопасен.

Владимир Кипнис, главный инженер сети газозаправочных станций, рассказывает: «Газ гораздо менее опасен, чем бензин. Раньше были очень несовершенные газовые системы, в которых происходили утечки, в салоне пахло газом – вот это всем не нравилось. И в народе ходили страшилки «что там взорвалось, там загорелось». На самом деле это полная ерунда».

При правильной эксплуатации  пропан безвреден. Баллон для газа сделан из прочной стали, толщина стенок 3 мм, чтобы повредить его нужно приложить колоссальные усилия. Для большей безопасности на баллон устанавливают мультиклапан, даже в случае минимального повреждения он надежно перекроет выход газа.

В молекуле пропана 8 атомов водорода и 3 атома углерода, в молекуле метана атом углерода всего один. Метан – простейший углеводород, основной компонент природного газа. Метан иначе известен как болотный газ, он образуется в качестве гниения ила в стоячих водоемах. Для использования в двигателях метан не нужно перерабатывать, только охладить и сжать под давлением, правда, давление должно быть очень высоким.

Юрий Панов, д.т.н., доцент Московского автомобильно-дорожного технического университета: «Для хранения метана требуются толстостенные баллоны давлением на 200 атм. В связи с чем эти баллоны получаются прочнее и тяжелее, чем пропан-бутановые».

Стальной метановый баллон рассчитанный на такое давление весит 100кг., установить такой на легковой автомобиль большая проблема, поэтому на метане могут ездить только грузовики и автобусы. Кроме того, очень низкое количество заправок на метане, что сдерживает применение метана по отношению к пропан-бутану.

Рисунок 3 — Машина на метане

Минус газового топлива – высокая чувствительность к чистоте воздуха. Воздушные фильтры на автомобилях забиваются очень быстро, на бензине фильтр нужно менять через 20-30 тыс. км. Пробега, а на газе – максимум через 10 тыс. км. Если этого не делать из-за недостатка воздуха смесь в цилиндре будет прогорать плохо, это заметно скажется на ходовых характеристиках.

В отличие от бензина газовое топливо почти не дает вредных выбросов. Однако повсеместный переход на такое горючее не решит главной проблемы. Ведь и пропан, и бутан происходят из недр земли, а значит рано или поздно их запасы могут исчерпаться. Им тоже придется искать замену, как когда-то нефти, либо создать технологию позволяющую создавать газы в промышленных масштабах без использования природных ресурсов. Но уже сейчас ученые предлагают реальную альтернативу природным видам топлива.

БИОДИЗЕЛЬ

Масло – то самое, на котором жарят картошку и добавляют в салаты. Как в любом другом растительном продукте в масле присутствуют углеводороды, правда, в не большом количестве. Не многие знают, что изобретатель двигателя внутреннего сгорания в своих первых установка использовал вовсе не бензин. Сам Дизель в своих первых дизельных моторах использовал не нефть, а именно растительное масло.

Получить из масла топливо поможет не сложная химическая реакция: любое масло смешивается со спиртом и катализатором – щелочью, это может быть сода или средство для прочистки труб из ближайшего хозяйственного магазина. Оптимальная температура реакции 40 градусов, получившийся раствор сначала мутнеет, а потом становится прозрачным. В процессе реакции смесь расслаивается на две фракции: на дно оседает вязкая жидкость – глицерин, сверху остается биодизель. Кстати, если не добавлять спирт и увеличить температуру в результате такой реакции получится обычное мыло. Из каждой тонны нефти в бензин превращается всего половина. Из тонны растительного масла можно получить 1000 литров биодизеля.

У нас до сих пор не используется примерно 80% земель пригодных под сельское хозяйство, с этой точки зрения перспективы у нас очень широкие. Если нужно будет, мы сможем заменить 50% минерального топлива на продукты из возобновляемого сырья.

Для производства биодизеля не обязательно нужно свежее масло, превратить в топливо можно использованное, и даже жир после жарка мяса или птицы. В таком случае берут отработанное растительное масло и добавляют метанол. Через час мутная смесь станет прозрачной, из темного масла получится прозрачный, как вода, биодизель.

Рисунок 4 — Биодизель в банке

Характеристики у биодизеля практические такие, как и у топлива, но главное главная причина здесь экологичность. Действительно, в сравнении с топливом биодизель выигрывает по чистоте выхлопа, углекислого газа при его сгорании вырабатывается меньше, чем потребило растение-сырье за всю свою жизнь.

Беда дизеля (обыкновенного) заключается в том, что там есть сера и другие различные примеси, которые отравляют окружающую среду. В биодизели этого нет, нет и совершенного других продуктов, которые после сжигания могут нанести вред природе.

Полученный из отработанного масла биодизель будет испытан на настоящем двигателе. Экспериментальная установка полностью имитирует моторную систему автомобиля со всеми нагрузками и сопротивлением. Емкость с жидкостью – своеобразный топливный бак, в него и заливают биодизель.

Сейчас биодизель используют в виде добавок к обычному топливу. Для полного перехода на биодизель необходимо, в первую очередь, изменение характеристик топливно-подающей аппаратуры, она должна быть настроена на большие объемы подачи, так как энергосодержание в биотопливе меньше чем в дизельном топливе. Во-вторых, температура застывания масла выше чем у дизельного топлива, поэтому для использования в таких регионах как наш необходимо проводить дополнительные меры.

Рисунок 5 — Круговорот биодизеля

Главный плюс биодизеля – производство из полностью восстановляемого сырья, но этим достоинством обладают и другие виды альтернативного топлива.

БИОЭТАНОЛ

Во время Великой Отечественной войны во всей стране не хватало топлива. Бензин шел в самолеты, солярка – в танки, а гражданским машинам ездить было не на чем. И тогда придумали устройство, позволяющее получать энергию из дров – газогенераторы. Из древесины, угля и воды образовывался синтез газ, который сгорал в двигателе и заставлял его работать. Снова необходимые соединения углерода и кислорода для получения энергии. Мощность двигателя при этом существенно падала (в 2-3 раза), поэтому сейчас вряд ли кто будет ездить на дровах. В связи с этим более разумно делать из поленьев спирт, которым можно заправлять автомобиль как жидким топливом.

Дрова, стружки и опилки можно превратить в жидкое топливо, главное чтобы сырье содержало углерод и водород. В древесине таким соединением является целлюлоза, она становится топливом в результате брожения. Сырье измельчают, очищают, выделяют из него целлюлозу, заливают водным раствором с ферментами, гидролизуют ее до глюкозы, добавляют дрожжи, чтобы смесь начала бродить, затем дрожжи удаляют, а из жидкости дестиляцией выделяют спирт.

Технический спирт – великолепное топливо, октановое число у него выше, чем у бензина. Кроме всего прочего в молекуле такого вещества уже есть атом кислорода, поэтому для его сжигания требуется меньше кислорода, чем для сжигания углеводородного топлива.

Рисунок 6 — Биоэталон

Биоэталон можно прямо сейчас налить в бак обычной машины и ездить не хуже чем на бензине, разве что иногда может появляться слабый запах алкоголя. Температура сгорания спирта ниже, чем у бензина, и расход такого топлива больше. Если на 10 литрах бензина можно проехать сотню километров, то на 10 литрах спирта – всего 70-ть.

Он абсорбируют воду из атмосферы, и в результате может происходить расслаивание в бензобаке. После чего может замерзать и это сложность его использования как моторного топлива. Чтобы биоэтанол стал универсальным топливом и не замерзал в холодное время года, ученые предложили превратить его в бензин. Оказывается, это вполне возможно.

Переработка биоэтанола происходит в специальной установке. Он находится здесь в специальной емкости и с помощью насоса передается в реактор, где при действии катализатора путем конверсии этанол превращается в продукты, представляющие собой углеводороды и водную часть, которая обычно затрачивается при фотосинтезе.

Рисунок 7 — Биоэтанол производство

Углеводородная часть по своему составу повторяет бензин с октановым числом 96, чтобы залить такой бензин в бак никаких переделок не требуется, не нужны и различные присадки, без которых обычное топливо не обходится. Без специальных добавок обычный бензин может засорить карбюратор и фильтры, а горючее из биоэтанола поддерживает чистоту в топливной системе автомобиля без дополнительных присадок.

Одно из самых токсичных веществ попадающих в атмосферу с выхлопами бензина – окись серы. В спиртовом бензине серы нет, а значит и выброса вредного вещества не происходит. Самое главное здесь нет практически бензола — 0,1%. Это очень важно для топлива, которое используется в автомобилях, так как бензол – это токсическое соединение и по нему жестко регламентируется топливо.

Чтобы получать такой бензин технический спирт надо получать в огромных объемах. Для этого требуется очень много сырья, это не обязательно дерево или древесные отходы. Биоэтанол можно получить из другого любого биосырья, например, из топинамбура, производство которого можно наладить в любой момент в достаточных количествах, необходимых для производства биоэтанола. Кроме этого можно использовать отходы крупных мегаполисов то, что выбрасывается, из мусора  тоже можно выделять углеродсодержащую часть.

ДИМЕТИЛОВЫЙ ЭФИР

Из древесных стружек можно получить не только биоэтанол, но и еще один вид альтернативного топлива – древесный или диметиловый эфир.

Обычный аэрозольный баллончик – такой можно встретить в любом магазине с бытовой химией, раньше они наполнялись фреоном, а сейчас диметилэфиром. Он создает избыточное давление в баллончике и вытесняет активный состав. То, что диметиловый эфир может быть топливом, выяснилось практически случайно. Человек набрал диметилового эфира, принес домой и заправил им газонокосилку, и она прекрасно стала работать.

Рисунок 8 — Диметиловый эфир

Диметиловый эфир в чистом виде является газом, он может производиться как из природного газа, так и из биомассы. Он имеет такие свойства, как пропан-бутан, его закачивают в баллоны пропан-бутан до давления 5 атм., и у него все те же свойства и та же аппаратура.

Изначально для его производства использовали только древесный спирт – метанол, но несколько лет назад российские ученые смогли получить диметилэфир напрямую из синтез газа, того соединения, который заставляет работать генераторные двигатели.

На выходе из реактора получают диметиловый эфир в газовой фазе, который потом анализируется на графической колонке и выводится на экран монитора компьютера, где мы видим сколько получили конечного продукта. Уникальность в том, что метанол образуется прямо в реакторе и весь процесс проходит быстрее.

Два атома углерода, шесть водорода и один атом кислорода – все как в спирте, только кислород идет не в паре с атомом водорода, а в порядке строгой очереди. Это уже газообразное вещество – диметиловый эфир.

У эфира есть серьезные преимущества перед традиционным топливом, в отличие от дизеля он не замерзает. Диметиловый эфир позволяет решить проблему запуска, на Севере кто-то без санкций начальства заправил вертолет и оказалось, что взлетать стало легче, не надо ничего разогревать. Температура кипения -25 градусов.

Диметиловый эфир может не только заменить дизельное топливо. Российские ученые разработали уникальный метод, позволяющий производить из эфира синтетический бензин. Первые образцы такого топлива получили в Европе еще в 50-е годы прошлого века. Технология превращения угля в синтетический бензин заключалась в длительной цепочке химических реакций. Для поддержания реакций требовалось огромное количество энергии, поэтому новое топливо получилось вдвое дороже обычного. Ученые Московского института нефтехимического синтеза решили эту проблему.

Мы превращаем диметиловый эфир в углеводороды бензинного ряда, проделана большая работа, были подобраны катализаторы, условия и получили именно тот бензин, который практически можно заливать в автомобили. Как и в других видах топлива, в синтетическом бензине нет серы. Кроме этого в нем практически не содержится бензол – токсичный канцероген.

В зависимости от используемой каталитической системы возможно получение смеси углеводородов, другими словами, жидкого топлива различного состава, как бензиновые фракции, так и дизельные и более тяжелых фракций, которые традиционным способом получают из нефти.

Получение обычного бензина требует больших заводских мощностей. Перегонка нефти, крегин, реформинг – сложные названия в полной мере отражают сложность самих процессов. А синтетический бензин можно производить на небольших модульных установках, которые представляют собой два последовательно соединенных реактора. Первый предназначим для получения диметилового эфира из синтез газа. После того как реакционная смесь прошла через первый реактор, она без промежуточного разделения подается в «голову» второго реактора, на выходе из которого образуется синтетический бензин.

Рисунок 9 — Технология синтетического топлива

Попутными продуктами получения жидкого топлива будут газа – легкие углеводороды – метан, пропан и бутан, которые также можно использовать как горючее.

Научно-исследовательские центры всего мира все больше времени уделяют разработкам альтернативного вида топлива, которые не будет вредить атмосфере, позволит автомобилям сохранить мощность, а автомобилистам сэкономить бюджет. Но главное избавит мир от нефтяной зависимости, ведь углеводородное топливо можно производить и без нефти.

Понравилось это:

Нравится Загрузка...

Похожее

neftegas.wordpress.com

Синтетическое топливо - это... Что такое Синтетическое топливо?

Сравнение синтетического топлива и обычного дизельного топлива. Синтетическое топливо заметно чище из за отсутствия серы и примесей

Синтетическое топливо — углеводородное топливо которое отличается от обычного топлива процессом производства, то есть получаемое путем переработки исходного материала, который до переработки имеет неподходящие для потребителя характеристики.

Как правило этот термин относится к жидкому топливу полученному из твердого топлива (угля, опилок, сланцев) либо из газообразного топлива.

Такие процессы, как например процесс Фишера — Тропша, использовались государствами не имеющими доступа к жидкому топливу.

История

NYMEX цены на нефть West Texas Intermediate

Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени удовлетворяла свои нужды в топливе за счет создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Аналогично этому Южная Африка с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена Апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать несмотря на международные санкции.

В США производители такого топлива часто получают государственные субсидии и поэтому иногда такие компании производят «синтетическое топливо» путем смеси угля с биологическими отходами производства. Такие методы получения государственных субсидий подвергаются критике со стороны «зелёных», как пример злоупотребления корпорациями особенностей налоговой системы. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы и поэтому оно смешивается с обычным дизельным топливом для уменьшения в такой смеси уровня серы, что необходимо для маркетирования дизельного топлива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к качеству топлива (например в Калифорнии).

« Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведется поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300—700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе. »

Сейчас использование технологии Фишера – Тропша возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50-55 долл. за баррель.[1]

Нетрадиционная нефть

Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. Битумы содержат значительно больше водорода чем уголь и поэтому производство жидкого топлива из битума может быть гораздо проще и может стоить существенно меньше чем производство жидкого топлива методом Фишера — Тропша. Горючий сланец это полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Битуминозные пески Ориноко (нефтеносные пески Ориноко) являются депозитами нетрадиционной нефти в виде горючих сланцев в районе реки Ориноко в Венесуэле, которая течет к венесуэльско-бразильской границе и впадает в Атлантический океан. Битуминозные пески Ориноко считаются одним из двух крупнейших месторождений нетрадиционной нефти (второе, Битуминозные пески Атабаски, расположенно в Канаде).

«По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 миллиардов тонн сланцевой смолы (искусственной нефти), то есть в 4 раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти» Э. П. Волков, академик РАН. [2]

Общие потенциальные ресурсы горючих сланцев в мире оценены в 650 трлн т (26 трлн т сланцевой смолы). Основные ресурсы — около 430—450 трлн т (24-25 трлн т сланцевой смолы) сосредоточены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер.

Спирты

В последнее время растет роль спиртов, как топлива (метанол — в топливных элементах, этанол и смеси с ним — в двигателях внутреннего сгорания).

Этанол

Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограничено в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40 % своих потребностей в топливе за счёт спирта[4], благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.

Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или за счёт фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).[5]

Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.[6]

Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы — самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и по крайней мере в ближайшем будущем. Но в связи с увеличивающимися потребностями человечества в ресурсах нельзя точно утверждать, что синтез целлюлозы будет самым масштабным и в будущем, например и через 50 лет. Для сравнения производство стали во всем мире на 2009 год составило 1,3 млрд т, а мировая добыча нефти на 2006 год составляла 3,8 млрд т в год.

По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.

Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд л.

В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.[7]

По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.[8]

Метанол

Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, а также высокоуровневые смеси в транспортных средства, предназначенных для использование метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal[9]). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след»[10], чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.

Бутиловый спирт

Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода.

В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.

Твердое и газообразное топливо

Briquette Uganda 1.jpg

В некоторых странах третьего мира дрова и древесный уголь до сих пор являются основным топливом доступным населению для отопления и готовки пищи (так живет около половины мирового населения) [11]. Это во многих случаях приводит к вырубке лесомассивов, что в свою очередь приводит к опустыниванию и эрозии почвы. Одним из способов уменьшения зависимости населения от источников древесины предлагается внедрение технологии брикетирования отходов сельского хозяйства или бытового мусора в топливные брикеты. Такие брикеты получают прессованием кашицы полученной смешиванием отходов с водой на несложном рычажном прессе с последующей сушкой. Такая технология однако очень трудоемка и предполагает наличие источника дешевой рабочей силы. Менее примитивным вариантом получения брикетов является использование для этого гидравлических прессовальных машин.

Некоторые газообразные топлива можно считать вариантами синтетического топлива, хотя такое определение может быть спорно поскольку двигатели используещие такое топливо нуждаются в серьёзной модификации. Одним из широко обсуждаемых вариантов уменьшения вклада автотранспортных средств в накопление углекислоты в атмосфере считается использование водорода в качестве топлива. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар. В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. Поскольку водород необходимо получать с использованием либо электроэнергии либо окислением других углеводородных топлив, то экологические и тем более экономические преимущества такого топлива весьма спорны.

Полная статья Водородная энергетика.

Диметиловый эфир

Диметиловый эфир получ. дегидратацией метанола при 300—400 °C и 2-3 МПа в присутствии гетерогенных катализаторов — алюмосиликатов — степень превращения метанола в диметиловый эфир — 60 % или цеолитов — селективность процесса близка к 100 %.Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Цетановое число диметилового дизеля более 55, при том что у классического нефтяного 38-53. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

Теплота сгорания ДМЭ около 30 МДж/кг, у классических нефтяных топлив — около 42 МДж/кг. Одна из особенностей применения ДМЭ — его более высокая окисляющая способность (благодаря содержанию кислорода), чем у классического топлива.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания Shanghai Automotive.

См. также

Литература

Примечания

dvc.academic.ru

Синтетическое горючее – триумф высоких технологий

Мы уже рассказывали нашим читателям о технологии GTL (газ в жидкость) по переработке природного и попутного газа в синтетическое топливо. Но это не единственная технология получения синтетической нефти. Сегодня мы расскажем более подробно о подобных технологиях, а также о том, какую роль в них играют высокоэффективные катализаторы.

Без нефтяного моторного топлива – бензина, керосина, дизельного топлива – современную цивилизацию представить себе просто невозможно. На нём работают двигатели автомобилей, самолётов, ракет. Однако запасы нефти в недрах земли ограничены, и ещё не так давно многие эксперты считали, что человечество неизбежно столкнётся со всеобщей нехваткой моторного горючего. Но оказалось, что впадать в отчаяние рано: закат нефтяной эры если и наступит, то очень не скоро. Разрабатываются новейшие технологии, которые позволят добывать не только легкодоступные углеводороды, но и трудноизвлекаемые запасы нефти и газа. Кроме того, есть серьёзная альтернатива: учёные разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья.

Вспомним, что промышленная добыча нефти началась более 150 лет назад. За прошедшие с тех пор полтора века человечество уже израсходовало более половины запасов так называемой лёгкой нефти. Вначале нефть использовалась в качестве источника тепловой энергии, теперь это стало экономически невыгодно. С наступлением автомобильной эры продукты фракционирования нефти в основном применяются в качестве моторного топлива. Чем больше истощаются запасы нефтяных месторождений, тем рентабельней становится производство синтетической нефти.

Что можно получить из нефти

Нефть – это смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Простейший алкан – газ метан. Кроме метана нефть содержит и некоторые сернистые и азотистые примеси. Например, бензин – легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5–9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолётов. Керосины более вязкие и тяжёлые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10–16 атомами углерода. Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолётов и ракетных двигателей. Газойль – более тяжёлая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Истощение природных нефтяных месторождений вовсе не грозит человечеству тотальным дефицитом моторного топлива. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья ненефтяного происхождения. Химики решили эту задачу ещё в 1926 году, когда немецкие учёные Ф. Фишер и Г. Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода (СО) при атмосферном давлении. Оказалось, что в присутствии катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения водорода и монооксида углерода в газовой смеси жидкие и даже твёрдые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти. Смесь монооксида углерода и водорода, получившую название «синтез-газ», довольно легко получить из природного сырья: пропусканием водяного пара над углём (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) водяным паром в присутствии металлических катализаторов. Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путём разложения органических отходов, так называемого биогаза.

Горючее – из угля и газа

Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени удовлетворяла свои нужды в топливе за счёт создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Южно-Африканская Республика с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать, несмотря на международные санкции.

Технологии производства синтетической нефти из угля активно развиваются компанией Sasol в ЮАР. Метод химического сжижения угля к состоянию пиролизного топлива был использован ещё в Германии во время Великой Отечественной войны. Немецкая установка уже к концу войны производила 100 тыс. баррелей (0,1346 тыс. т) синтетической нефти в день. Использование угля для производства синтетической нефти целесообразно из-за близкого химического состава природного сырья. Содержание водорода в нефти составляет 15%, а в угле – 8%. При определённых температурных режимах и насыщении угля водородом уголь в значительном объёме переходит в жидкое состояние (процесс гидрогенизации). Гидрогенизация угля увеличивается при введении катализаторов: молибдена, железа, олова, никеля, алюминия и др. Предварительная газификация угля с введением катализатора позволяет выделять различные фракции синтетического топлива и использовать для дальнейшей переработки.

Sasol на своих производствах применяет две технологии: «уголь в жидкость» – CTL (coal-to-liquid) и «газ в жидкость» – GTL (gas-to-liquid). Sasol развивает производства синтетической нефти во многих странах мира, например, заявлено о строительстве заводов синтетической нефти в Китае, Австралии и США. Первый завод Sasol был построен в промышленном городе ЮАР Сасолбурге, первым заводом по производству синтетической нефти в промышленных масштабах стал Oryx GTL в Катаре в городе Рас-Лаффан, компания запустила в эксплуатацию завод Secunda CTL в ЮАР, участвовала в проектировании завода Escravos GTL в Нигерии совместно с Chevron.

Работы по получению бензина из бурого угля до войны велись и в Советском Союзе, но до промышленного производства дело не дошло. В послевоенные годы цены на нефть упали, и потребность в синтетическом бензине и других топливных углеводородах на какое-то время отпала. Теперь же в связи с уменьшением нефтяных запасов планеты исследования в этой области химии переживают своё «второе рождение».

В США производители такого топлива часто получают государственные субсидии, иногда такие компании производят «синтетическое топливо» путём смеси угля с биологическими отходами производства. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы и поэтому оно смешивается с обычным дизельным топливом для уменьшения в такой смеси уровня серы, что необходимо для маркетирования и продажи такого топлива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к качеству топлива (например, в Калифорнии).

Синтетическое жидкое топливо и газ из твёрдых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведётся поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300–700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.

Весьма интересно, что ряд учёных считают, что у метанола хорошие перспективы заменить ископаемое топливо и биотопливо.

Наша справка

Экономика метанола – это гипотетическая энергетическая экономика будущего, при которой ископаемое топливо будет заменено метанолом. В 2005 году лауреат Нобелевской премии Джордж Ола опубликовал свою книгу Oil and Gas: The Methanol Economy, в которой обсудил шансы и возможности экономики метанола. В книге он рассказывает о перспективах синтеза метанола из углекислого газа (CO2) или метана.

Биотопливо – бразильский фактор

Питьевой спирт этанол может использоваться как топливо для ракетных двигателей и двигателей внутреннего сгорания прямо в чистом виде. Его недостаток – высокая гигроскопичность, потому он используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Этанол получают в странах Латинской Америки из целлюлозосодержащей биомассы – сахарного тростника, например, и называют биотопливом.

Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40% своих потребностей в топливе за счёт спирта благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.

Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов, что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу, или за счёт фуражных и пищевых культур , что приводит к росту цен на продовольствие.

Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур коэффициент EROEI (отношение полученной энергии к потраченной) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5.

Выгоднее всего получать биотопливо из сахарного тростника и пальмового масла. У сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла – 9.

Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд. литров.

В 2007 году японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.

По ориентировочным оценкам, мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья – наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.

По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту количества респираторных заболеваний и астмы.

Синтетическая нефть – перспективы и технологии

Если сопоставить эти тенденции с тем фактом, что качественного природного угля на планете осталось не так уж много, то неудивительно, что первостепенное внимание учёных привлекает природный и попутный газ, огромное количество которого при нефтедобыче просто уходит в атмосферу. Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50% стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты значительно снизит объём капиталовложений, затрачиваемых на его переработку.

Существующие технологии позволяют перерабатывать природный газ в высококачественные бензин и дизельное топливо через стадию образования метанола. Производство по такой схеме довольно удобно, поскольку все реакции протекают в одном реакторе. Но эта цепочка химических превращений требует больших затрат энергии. В результате полученный синтетический бензин в 1,8–2,0 раза дороже «нефтяного».

Есть и более рентабельные схемы. Можно получать синтетический бензин не через стадию образования метанола, а из другого промежуточного вещества – диметилового эфира (ДМЭ). Это нетрудно сделать, увеличив долю окиси углерода в синтез-газе. Важно то, что ДМЭ можно использовать как экологически чистое топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он хорош тем, что полностью укладывается в рамки самых жёстких европейских требований по содержанию твёрдых частиц в автомобильных выхлопах. По теплотворной способности ДМЭ уступает традиционному дизельному топливу – пропану и бутану, но его цетановое число (характеристика воспламеняемости) гораздо выше: для обычного дизельного топлива оно 40–55, а для ДМЭ – 55–60. Так что преимущество ДМЭ перед дизельным топливом при запуске холодного двигателя очевидно. Кроме того, для горения ДМЭ необходимо меньше кислорода, чем для горения дизельного топлива.

В присутствии специально разработанных катализаторов ДМЭ превращается в очень неплохой бензин с октановым числом 92. Вредных примесей в нём меньше, чем в нефтяном топливе. Такой синтетический бензин вполне конкурентоспособен даже на европейском рынке. Новый способ получения синтетического топлива намного экономичнее и эффективнее классического «метанольного». Российскими учёными из ряда институтов РАН созданы экспериментальные генераторы синтез-газа, представляющие собой немного модифицированный дизельный двигатель. На входе – природный газ метан, который в генераторе превращается в синтез-газ. Далее синтез-газ в присутствии специально разработанных катализаторов преобразуется в топливные углеводороды. Поворотом крана можно запустить производство необходимого конечного продукта и по желанию получить на выходе метанол, ДМЭ, смесь углеводородов, аналогичных дизельному топливу, синтетический бензин. Экономическую выгоду от промышленного внедрения такого процесса трудно переоценить.

Чем выше температура реакции превращения метана в синтез-газ, тем выше производительность реактора. Обычные технологии не могут справиться с задачей проведения реакции при высоких температурах. Тут на помощь приходят ракетные технологии. Одной из наиболее перспективных разработок последних лет можно назвать высокотемпературный генератор синтез-газа, созданный при участии Института нефтехимического синтеза РАН в Приморске на опытном полигоне ракетно-космической корпорации «Энергия». Генератор создан по образу и подобию ракетного двигателя, поэтому его оболочка устойчива к воздействию высоких температур. Полученный в реакторе синтез-газ последовательно преобразовывается по новой эффективной схеме, описанной выше, в ДМЭ и бензин.

Катализаторы творят чудеса

Мы уже рассказывали нашим читателям о катализаторах – веществах, которые сами не участвуют в химических реакциях, но ускоряют их. Катализаторы позволяют добиваться совершенно удивительных эффектов. Например – получать синтетическое топливо из углекислого газа. Углекислый газ (CO2) является соединением со стабильной молекулой, которая имеет слабую химическую активность. Для того чтобы сделать углекислый газ сырьём для производства синтетического топлива, нужно расщепить молекулу и получить молекулу угарного газа (CO), достаточно активного химического вещества, которое можно использовать для получения метана, метанола или других видов альтернативного топлива. Исследования, произведённые различными учёными, показали, что для расщепления молекул углекислого газа могут использоваться катализаторы на основе золотой фольги, но они малоэффективны. Помимо этого золотой катализатор воздействует и на молекулы воды, что приводит к появлению нежелательных побочных водородосодержащих соединений. Учёным из американского университета Брауна (Brown University) удалось успешно решить проблему, создав высокоэффективный катализатор на основе золотых наночастиц строго определённых размеров и формы.

Производя исследования работы золотых катализаторов, учёные обнаружили, что ключевую роль в каталитических процессах играют атомы золота, расположенные на краях острых золотых граней. Кроме этого, огромную роль в выборочном действии катализатора играла длина граней. Дальнейшие исследования привели учёных к созданию многогранных золотых наночастиц, размер которых составлял точно восемь нанометров. Катализатор с такими наночастицами показал 90%-ный уровень расщепления молекул углекислого газа на атом кислорода и молекулу угарного газа.

В лабораториях РН-ЦИР учёные ОАО «НК «Роснефть» успешно работают по исследованию эффективных способов получения синтетической нефти с применением современных катализаторов. 

lgz.ru

СИНТЕТИЧЕСКИЙ БЕНЗИН | Наука и жизнь

Без нефтяного моторного топлива - бензина, керосина, дизельного топлива - современную цивилизацию представить себе просто невозможно. На нем работают двигатели автомобилей, самолетов, ракет. Однако запасы нефти в недрах земли ограничены, и совсем скоро человечество столкнется со всеобщей нехваткой бензина. Но впадать в отчаяние рано: закат нефтяной эры вовсе не означает гибель современной цивилизации. Альтернатива нефтяным моторным топливам есть: ученые разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья. Об этом шла речь в докладе вице-президента РАН, директора Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН академика Николая Альфредовича Платэ "Некоторые аспекты создания экологически чистых топлив XXI века", с которым он выступил в июле текущего года на Первом московском международном химическом саммите. Саммит организован Российским союзом химиков, компанией "RCC Group" и Российским союзом промышленников и предпринимателей и был посвящен проблемам и перспективам развития химической и нефтехимической промышленности.

Генератор получения синтез-газа из природного газа, построенный в Институте высоких температур РАН совместно с Институтом нефтехимического синтеза РАН.

Генератор синтез-газа.

Вице-президент РАН, директор Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН академик Николай Альфредович Платэ в дни работы Первого московского международного химического саммита.

Смесь окиси углерода и водорода (синтез-газ), из которого в промышленности синтезируют топливные углеводороды, можно получить пропусканием водяного пара через раскаленный кокс (газификация угля) и конверсией природного газа - метана.

Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья.

Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ).

Схема химического реактора для получения синтез-газа при горении смеси метана и воздуха при высоких температурах. Подобные реакторы конструируются по принципу ракетного двигателя.

Промышленная добыча нефти началась более 150 лет назад. За прошедшие с тех пор полтора века человечество уже израсходовало более половины нефтяных запасов. Вначале нефть использовалась в качестве источника тепловой энергии, теперь это стало экономически невыгодно. С наступлением автомобильной эры продукты фракционирования нефти в основном применяются в качестве моторного топлива. К 2010 году запасы нефтяных месторождений в значительной степени истощатся, соответственно возрастет стоимость добычи нефти и мир вплотную столкнется с проблемой использования альтернативных (ненефтяных) источников получения бензина и других видов топлива.

По своему химическому составу нефть - смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Кроме того, она содержит метан и некоторые сернистые и азотистые примеси. Бензин - легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5-9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолетов. Керосины более вязкие и тяжелые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10-16 атомами углерода. Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолетов и ракетных двигателей. Газойль - более тяжелая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Истощение природных нефтяных месторождений вовсе не грозит человечеству тотальным дефицитом моторного топлива. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья ненефтяного происхождения. Химики решили эту задачу еще в 1926 году, когда немецкие ученые Ф. Фишер и Г. Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода (СО) при атмосферном давлении. Оказалось, что в присутствии катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения водорода и монооксида углерода в газовой смеси жидкие и даже твердые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти. Смесь монооксида углерода и водорода, получившую название "синтез-газ", довольно легко получить из природного сырья: пропусканием водяного пара над углем (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) водяным паром в присутствии металлических катализаторов. Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путем разложения органических отходов, так называемого биогаза.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

Интересно, что во время Второй мировой войны синтетическое топливо, полученное из угля, практически полностью покрывало потребности немецкой авиации. Работы по получению бензина из бурого угля до войны велись и в Советском Союзе, но до промышленного производства дело не дошло. В послевоенные годы цены на нефть упали, и потребность в синтетическом бензине и других топливных углеводородах на какое-то время отпала. Теперь же в связи с уменьшением нефтяных запасов планеты исследования в этой области химии переживают свое "второе рождение".

Качественного природного угля на планете осталось не так уж много. Внимание ученых привлек природный и попутный газ, огромное количество которого при нефтедобыче просто уходит в атмосферу. Производство синтетического жидкого топлива из природного газа очень выгодно экономически, поскольку газ трудно транспортировать: на его перевозку обычно затрачивается от 30 до 50% стоимости готового продукта. Превращение газа прямо на месторождении в жидкие компоненты значительно снизит объем капиталовложений, затрачиваемых на его переработку.

Существующие технологии позволяют перерабатывать природный газ в высококачественные бензин и дизельное топливо через стадию образования метанола. Производство по такой схеме довольно удобно, поскольку все реакции протекают в одном реакторе. Но эта цепочка химических превращений требует больших затрат энергии. В результате полученный синтетический бензин в 1,8-2,0 раза дороже "нефтяного".

Российские ученые из московского Института нефтехимического синтеза РАН разработали более рентабельную схему. Они предлагают получать синтетический бензин не через стадию образования метанола, а из другого промежуточного вещества - диметилового эфира (ДМЭ). Это нетрудно сделать, увеличив долю окиси углерода в синтез-газе. Важно то, что ДМЭ можно использовать как экологически чистое топливо для двигателей внутреннего сгорания. Он хорош тем, что полностью укладывается в рамки самых жестких европейских требований по содержанию твердых частиц в автомобильных выхлопах. По теплотворной способности ДМЭ уступает традиционному дизельному топливу - пропану и бутану, но его цетановое число гораздо выше: для обычного дизельного топлива оно 40-55, а для ДМЭ - 55-60. Так что преимущество ДМЭ перед дизельным топливом при запуске холодного двигателя очевидно. Кроме того, для горения ДМЭ необходимо меньше кислорода, чем для горения дизельного топлива.

В присутствии специально разработанных катализаторов ДМЭ превращается в очень неплохой бензин с октановым числом 92. Вредных примесей в нем меньше, чем в нефтяном топливе. Такой синтетический бензин вполне конкурентоспособен даже на европейском рынке. Новый способ получения синтетического топлива намного экономичнее и эффективнее классического "метанольного". В Институте высоких температур совместно с Институтом нефтехимического синтеза РАН создан генератор синтез-газа, представля ющий собой немного модифицированный дизельный двигатель. На входе - природный газ метан, который в генераторе превращается в синтез-газ. Далее синтез-газ в присутствии специально разработанных катализаторов преобразуется в топливные углеводороды. Поворотом крана можно запустить производство необходимого конечного продукта и по желанию получить на выходе метанол, ДМЭ, смесь углеводородов, аналогичных дизельному топливу, синтетический бензин. Экономическую выгоду от промышленного внедрения такого процесса трудно переоценить.

Чем выше температура реакции превращения метана в синтез-газ, тем выше производительность реактора. Обычные технологии не могут справиться с задачей проведения реакции при высоких температурах. Тут на помощь приходят ракетные технологии. Наиболее перспективной разработкой последних лет можно назвать новый высокотемпературный генератор синтез-газа, созданный при участии Института нефтехимического синтеза РАН в Приморске на опытном полигоне ракетно-космической корпорации "Энергия". Генератор создан по образу и подобию ракетного двигателя, поэтому его оболочка устойчива к воздействию высоких температур. Полученный в реакторе синтез-газ последовательно преобразовывается по новой эффективной схеме, описанной выше, в ДМЭ и бензин.

Моторные топлива, полученные из природного газа, не дороже продуктов переработки нефти, а по качеству даже их превосходят. Так что после окончательного истощения нефтяных месторождений "пробки" на дорогах не уменьшатся.

Иллюстрация "Генератор синтез-газа". Генератор синтез-газа для окисления природного газа при высоких температурах, построенный на опытном полигоне ракетно-космической корпорации "Энергия" в Приморске при участии Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН по технологии, используемой при строительстве ракетных двигателей.

Иллюстрация "Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья". Получение моторного топлива из ненефтяного углеводородного сырья: угля, биомассы, биогаза и природного газа. Схемы переработки сырья близки: на первой стадии происходит превращение в синтез-газ (смесь монооксида углерода и водорода), затем синтез-газ перерабатывают в метанол (традиционная схема) или в диметиловый эфир (ДМЭ) (схема, разработанная в Институте нефтехимического синтеза РАН), которые превращаются в моторное топливо (бензин, дизельное топливо).

Иллюстрация "Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ)". Синтетический бензин, полученный по традиционной схеме промышленной переработки природного газа в топливные углеводороды через стадию образования метанола, в два раза дороже "нефтяного". Процесс синтеза топливных углеводородов через диметиловый эфир (ДМЭ), разработанный в Институте нефтехимического синтеза РАН, намного эффективнее и экономичнее традиционной "метанольной" схемы производства синтетических моторных топлив.

www.nkj.ru

Синтетическое топливо

Синтетическое топливо — углеводородное топливо, которое отличается от обычного топлива процессом производства, то есть, получаемое путем переработки исходного материала, который до переработки имеет неподходящие для потребителя характеристики.

Как правило, этот термин относится к жидкому топливу, полученному из твердого топлива (угля, опилок, сланцев) либо из газообразного топлива. Такие процессы, как, например, процесс Фишера — Тропша, использовались государствами, не имеющими доступа к жидкому топливу.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Нетрадиционная нефть
  • 3 Спирты
    • 3.1 Этанол
    • 3.2 Метанол
    • 3.3 Бутиловый спирт
  • 4 Твердое и газообразное топливо
    • 4.1 Диметиловый эфир
  • 5 См. также
  • 6 Ссылки
  • 7 Примечания

История

NYMEX цены на нефть West Texas Intermediate

Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени, до 50% в отдельные годы, удовлетворяла свои нужды в топливе за счет создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо.Аналогично этому, Южная Африка с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена Апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать несмотря на международные санкции.

В США производители такого топлива часто получают государственные субсидии и поэтому иногда такие компании производят «синтетическое топливо» путем смеси угля с биологическими отходами производства. Такие методы получения государственных субсидий подвергаются критике со стороны «зелёных», как пример злоупотребления корпорациями особенностей налоговой системы. Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы и поэтому оно смешивается с обычным дизельным топливом для уменьшения в такой смеси уровня серы, что необходимо для маркетирования дизельного топлива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к качеству топлива (например в Калифорнии).

Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведется поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300—700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.

Сейчас использование технологии Фишера – Тропша возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50-55 долл. за баррель.

Нетрадиционная нефть

Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. Битумы содержат значительно больше водорода чем уголь и поэтому производство жидкого топлива из битума может быть гораздо проще и может стоить существенно меньше чем производство жидкого топлива методом Фишера — Тропша. Горючий сланец - это полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Битуминозные пески Ориноко (нефтеносные пески Ориноко) являются депозитами нетрадиционной нефти в виде горючих сланцев в районе реки Ориноко в Венесуэле, которая течет к венесуэльско-бразильской границе и впадает в Атлантический океан. Битуминозные пески Ориноко считаются одним из двух крупнейших месторождений нетрадиционной нефти (второе, Битуминозные пески Атабаски, расположено в Канаде).

«По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 миллиардов тонн сланцевой смолы (искусственной нефти), то есть в 4 раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти»

Э. П. Волков, академик РАН.

Спирты

В последнее время растет роль спиртов, как топлива (метанол — в топливных элементах, этанол и смеси с ним — в двигателях внутреннего сгорания).

Топливо Плотностьэнергии смесь воздухас топливом Удельнаяэнергиясмеси воздуха

с топливом

Удельная теплотаиспарения Октановое число (RON) Октановое число (MON)
Бензин 32 МДж/л 14.6 2.9 МДж/кг воздух 0.36 МДж/кг   91-99   81-89
Бутанол-1 29.2 МДж/л 11.1 3.2 МДж/кг воздух 0.43 МДж/кг   96   78
Этанол 19.6 МДж/л   9.0 3.0 МДж/кг воздух 0.92 МДж/кг 107   89
Метанол 16 МДж/л   6.4 3.1 МДж/кг воздух 1.2 МДж/кг 106 92

Этанол

Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограниченно в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40 % своих потребностей в топливе за счёт спирта, благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.

Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или за счёт фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).

Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.

Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы — самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и по крайней мере в ближайшем будущем. Но в связи с увеличивающимися потребностями человечества в ресурсах нельзя точно утверждать, что синтез целлюлозы будет самым масштабным и в будущем, например и через 50 лет. Для сравнения производство стали во всем мире на 2009 год составило 1,3 млрд т, а мировая добыча нефти на 2006 год составляла 3,8 млрд т в год.

По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.

Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд л.

В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.

По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.

Метанол

Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемом в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средствах, а также высокоуровневые смеси в транспортных средствах, предназначенных для использование метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след», чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.

Бутиловый спирт

Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода.

В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.

Твердое и газообразное топливо

В некоторых странах третьего мира дрова и древесный уголь до сих пор являются основным топливом доступным населению для отопления и готовки пищи (так живет около половины мирового населения) . Это во многих случаях приводит к вырубке лесомассивов, что в свою очередь приводит к опустыниванию и эрозии почвы. Одним из способов уменьшения зависимости населения от источников древесины предлагается внедрение технологии брикетирования отходов сельского хозяйства или бытового мусора в топливные брикеты. Такие брикеты получают прессованием кашицы полученной смешиванием отходов с водой на несложном рычажном прессе с последующей сушкой. Такая технология однако очень трудоемка и предполагает наличие источника дешевой рабочей силы. Менее примитивным вариантом получения брикетов является использование для этого гидравлических прессовальных машин.

Некоторые газообразные топлива можно считать вариантами синтетического топлива, хотя такое определение может быть спорно поскольку двигатели используещие такое топливо нуждаются в серьёзной модификации. Одним из широко обсуждаемых вариантов уменьшения вклада автотранспортных средств в накопление углекислоты в атмосфере считается использование водорода в качестве топлива. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар. В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. Поскольку водород необходимо получать с использованием либо электроэнергии либо окислением других углеводородных топлив, то экологические и тем более экономические преимущества такого топлива весьма спорны.

Полная статья Водородная энергетика.

Диметиловый эфир

Диметиловый эфир получают дегидратацией метанола при 300—400 °C и 2-3 МПа в присутствии гетерогенных катализаторов — алюмосиликатов — степень превращения метанола в диметиловый эфир — 60 % или цеолитов — селективность процесса близка к 100 %. Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Цетановое число диметилового дизеля более 55, при том что у классического нефтяного 38-53. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

Теплота сгорания ДМЭ около 30 МДж/кг, у классических нефтяных топлив — около 42 МДж/кг. Одна из особенностей применения ДМЭ — его более высокая окисляющая способность (благодаря содержанию кислорода), чем у классического топлива.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания Shanghai Automotive.

См. также

  • Экономика метанола — гипотетическая энергетическая экономика будущего, при которой ископаемое топливо будет заменено метанолом.
  • Сухая перегонка
  • GTL (англ. Gas-to-liquids — газ в жидкости) — процесс преобразования природного газа в высококачественные, не содержащие серу моторные топлива и другие, более тяжёлые, углеводородные продукты.
  • Гидролизное производство
  • Биотопливо
  • Глобальная энергия
  • Royal Dutch Shell-Основные проекты
  • Солнечная печь — представляет собой простейшее устройство для использования солнечного света для приготовления пищи без использования топлива или электроэнергии

Ссылки

  • НЕФТЬ И АВТОСТРОЕНИЕ — Спирт и продукты оргсинтеза // vestnik.com, 2002
  • Процесс производства топливных брикетов на экструдере ЕВ-350 (видео)

Примечания

  1. ↑ Peter W. Becker. The Role of Synthetic Fuel In World War II Germany, implications for today? (англ.). Air University Review, July-August 1981. — «Still, between 1938 and 1943, synthetic fuel output underwent a respectable growth from 10 million barrels to 36 million. The percentage of synthetic fuels compared to the yield from all sources grew from 22 percent to more than 50 percent by 1943. ... At the peak of their synthetic fuel production in 1943, when half of their economy and their armed forces ran on synthetic fuel, the Germans produced 36,212,400 barrels of fuel a year»  Проверено 24 мая 2015.
  2. ↑ Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды, уровень которого составляет от 5 до 7 галлонов на каждый галлон полученного топлива.
  3. ↑ ТОРЖЕСТВЕННОЕ ВРУЧЕНИЕ ПРЕЗИДЕНТОМ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДМИТРИЕМ МЕДВЕДЕВЫМ ПРЕМИЙ «ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ». Э. П. Волков., 2008, стр 10
  4. ↑ Internal Combustion Engines, Edward F. Obert, 1973
  5. ↑ Коммерческая биотехнология | Спирт вместо бензина: бразильский эксперимент
  6. ↑ От биотоплива пока больше вреда, чем пользы // Алексей Гиляров
  7. ↑ http://www.worldwatch.org/system/files/EBF008_1.pdf
  8. ↑ Морские водоросли в качестве биологического топлива. 22 марта группа японских ученых опубликовала детали плана по массовому производству этанола из культивируемых морских водорослей
  9. ↑ Авто@Mail.Ru
  10. ↑ Energy Citations Database (ECD) — — Document #6329346
  11. ↑ en:Carbon footprint
  12. ↑ YouTube — Fuel Briquettes
  Основные виды органического топлива Ископаемое Возобновляемоеи биологическое Искусственное
Нефть  и нефтепродукты  Нефть • Мазут • М-40 • Пиронафт • Гудрон • Петролейный эфир • Газовый конденсат • Дизельное топливо • Газойль • Лигроин • Керосин • Бензин • Газолин
Природные газы  Природный газ • Компримированный природный газ • Сжиженный природный газ • Сжиженные углеводородные газы • Нефтяные газы • Угольный газ • Газовые гидраты • Сланцевый газ
Угли и сланец  Бурый уголь • Каменный уголь • Антрацит • Горючий сланец • Сапропелиты • Каменноугольный кокс
Торф  Торф • Торфяной кокс
Валежник • Дрова • Кизяк • Навоз • Древесный уголь • Этанол • Биодизель • Биоэтанол • Бутанол-1 • Метанол • Свалочный газ • Болотный газ • Биогаз • Биоводород
Доменный газ • Светильный газ • Коксовый газ • Трет-бутилметиловый эфир • Синтез-газ • Синтетическое топливо • Генераторный газ • Водород • Водоугольное топливо • Пековый кокс

Синтетическое топливо Информация о

Синтетическое топливоСинтетическое топливо

Синтетическое топливо Информация Видео

Синтетическое топливо Просмотр темы.

Синтетическое топливо что, Синтетическое топливо кто, Синтетическое топливо объяснение

There are excerpts from wikipedia on this article and video

www.turkaramamotoru.com

Моторное топливо из метана

Моторное топливо из метана

Проблема получения моторных топлив из альтернативного сырья - природного или попутного газа, угля и др. - издавна привлекала внимание специалистов. Ведь запасы нефти рано или поздно иссякнут. Поэтому усилия ряда лабораторий были направлены на разработку методов получения синтетического моторного топлива.

В последнее время эти изыскания получили дополнительный стимул из-за ужесточения требований к чистоте автомобильного выхлопа. Искушение создать новое топливо (или добавку к нему), обеспечивающее чистый или хотя бы "облагороженный" выхлоп, было столь же велико, сколь и трудно реализуемо.

Метан, как химическое сырье, может стать базой для производства большинства органических соединений, ныне получаемых из нефти, в том числе и крупнотоннажных производств топлив для транспорта и энергетики. Правда, современные методы переработки этого природного сырья пока недостаточны для реализации его потенциала, так как в результате их использования получают продукты, себестоимость которых выше аналогов нефтяного происхождения. Однако исследования и разработки последних лет, по-видимому, позволят не только ликвидировать это отставание, но и приведут к появлению продуктов более дешевых, чем их аналоги нефтяного происхождения.

Природный газ как химическое соединение достаточно инертен. Вот почему первая стадия его переработки - превращение в более реакционно-способный синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода), далее каталитическими методами преобразуемый в моторное топливо. Существуют различные способы получения синтез-газа: паровая или углекислотная конверсия и окисление воздухом или чистым кислородом. Альтернативные пути дальнейшей переработки синтез-газа - так называемый синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Первый из них приводит к получению некоего эквивалента нефти - смеси углеводородов, для которых требуется дальнейшая переработка. На втором базируется крупнотоннажное производство (мировые мощности близки к 30 млн. т), хорошо освоенное промышленностью. Его главный недостаток - неблагоприятная термодинамика, препятствующая образованию нужного соединения в значительной концентрации. Это обусловливает необходимость многократной циркуляции газовой смеси через реактор и влечет за собой значительный расход электроэнергии. В итоге растет себестоимость бензина, получаемого из метанола.

В нашем институте при участии специалистов из других организаций реализован ряд проектов, позволяющих повысить эффективность и снизить затраты на переработку природного газа и другого углеродосодержащего сырья в более ценные энергоносители. Применительно к первой стадии получения синтез-газа доктор химических наук Ю. А. Колбановский предложил решения, основанные на сжигании природного газа в модифицированных дизельных и компрессионных двигателях, работающих в необычном режиме. Идея была реализована в 1998 г. в промышленной установке мощностью 10000 м 3 синтез-газа в 1 ч.

Два очевидных преимущества делают данный процесс привлекательным для удаленных регионов страны. Прежде всего, в нем в качестве сырья может выступать природный газ низкого давления, в том числе поднимающийся из скважин, не пригодных к эксплуатации в обычных условиях. Кроме того, для окисления исходного сырья подходит воздух, а двигатель может быть использован одновременно и для осуществления химической реакции, и по прямому назначению - для получения электроэнергии. Однако заметим: применение воздуха приводит к высокому содержанию азота в синтез-газе (50-60%), что неблагоприятно сказывается на его дальнейшей переработке.

Интерес представляет разработанный кандидатом технических наук В. Н. Кубиковым совместно с коллегами аппарат для окисления природного газа кислородом - генератор синтез-газа, выполненный с учетом опыта конструирования ракетных двигателей. Производительность единицы объема такой установки, кстати, имеющей небольшие размеры, в десятки и сотни раз превышает возможности промышленных аналогов. Впрочем, и она не лишена недостатков: использование в технологии кислорода требует значительных инвестиций на его получение. Правда, в этом случае синтез-газ, в отличие от вырабатываемого по схеме предыдущего варианта, не содержит балластный азот, что, разумеется, играет положительную роль на стадии получения и особенно выделения конечного продукта - бензина или диметилового эфира.

Подчеркнем: все перечисленные процессы основаны на окислении метана при высоких температурах с доведением смеси до состава, близкого к равновесному. При этом резко уменьшается рабочий объем аппаратов, но появляется и негативная "черта": состав синтез-газа становится труднорегулируемым параметром. Наиболее доступным, по- видимому, является соотношение Н 2 /СО=1,5 -1,6. Коррекция состава при этом возможна, однако приводит к ухудшению экономических показателей.

Сотрудники нашего института детально изучили и процессы, протекающие на второй стадии, - синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Это привело, в частности, к пересмотру общепринятых представлений о механизме и закономерностях последнего, вплоть до составляющих химических реакций. Как было показано в нашей лаборатории кандидатом химических наук Г. И. Лин и другими, вошедшая в школьные учебники реакция СО+2Н 2 =СН 3 ОН на самом деле не протекает, а синтез метанола осуществляется в результате превращений диоксида углерода СО 2 +3Н 2 =СН 3 ОН+Н 2 О. Исходя из этого, мы разработали новые физико-химические основы процесса как такового, а потом предложили технологию получения нужного продукта, позволяющую вдвое увеличить производительность единицы объема реакторов.

И все же применительно к общей схеме переработки природного (попутного) газа синтез метанола остается слабым звеном из-за указанных выше термодинамических ограничений. Поэтому предпочтительным является синтез диметилового эфира, при котором эти ограничения практически исчезают. Действительно, тогда сначала по приведенной выше реакции образуется метанол, а затем он превращается в диметиловый эфир: 2СН 3 ОН=СН 3 ОСН 3 +Н 2 О. Если эти реакции протекают одовременно, то метанол непрерывно выводится из системы и не накапливается в значительных количествах. Так удается обойти пресловутые термодинамические ограничения.

Последующие исследования показали: диметиловый эфир (ДМЭ) является прекрасным сырьем для синтеза бензина, превосходящим метанол. В итоге возник альтернативный путь превращения синтез-газа в бензин, в котором обе стадии характеризуются более высокой эффективностью, чем в традиционном варианте. Наконец, совсем недавно было обнаружено, что ДМЭ - весьма перспективное дизельное топливо, а также конкурент сжиженного газа как энергоносителя для газотурбинных установок. Тем самым ДМЭ выдвинулся в ряд потенциально крупнотоннажных продуктов, масштабы потребления которых в перспективе могут оказаться сопоставимыми с таковыми для столь распространенных энергоносителей, как бензин и дизельное топливо.

ДМЭ в нормальных условиях - газ (температура кипения - 24,9 о С) и легко сжижается под давлением (5 атм. при 20 о С, 8 атм. - при 38 о С). Мало того, он нетоксичен - используется как наполнитель в аэрозольных упаковках. Однако быстро деградирует в атмосфере, поэтому может служить хладоагентом, заменителем фреонов, вызывающих опасения экологов. По физическим свойствам ДМЭ близок к традиционным пропан-бутановым смесям. Хотя по энергоемкости он в 1,5 раза (на единицу массы) уступает традиционному дизельному топливу, по остальным показателям его превосходство несомненно. Так, наиболее важная его характеристика - цетановое число - у ДМЭ составляет 55-60 против 40-55 для обычного дизельного топлива, а температура воспламенения - соответственно 235 и 250 о С. Присутствие в составе ДМЭ атома кислорода обеспечивает бездымное горение топлива, превосходный холодный пуск двигателя. Снижается уровень шума. Главное же преимущество ДМЭ как дизельного топлива - экологически чистый выхлоп. Низкое содержание оксидов азота обеспечивает выполнение наиболее жестких мировых экологических требований EVRO-3 и ULEV вообще без очистки выхлопа.

Адаптация автотранспорта к новому топливу, согласно оценкам зарубежных и отечественных специалистов, не встречает принципиальных препятствий. Серьезные затруднения возникают лишь в связи с необходимостью создания соответствующей инфраструктуры, ибо существующая сегодня (для пропан-бутановых смесей) может выполнить эту роль лишь частично.

В настоящее время ДМЭ получают дегидратацией метанола на оксиде алюминия и других катализаторах при объеме товарного производства около 150 тыс. т. в год. Но недавно фирмы Mobil (США) и Haldor Topsoe (Дания) осуществили процесс прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа. Затем аналогичную разработку (жидкофазный процесс) выполнили фирма NKK (Япония) и наш институт с участием специалистов из других организаций (газофазный процесс). В последнем варианте процесс проходит под давлением 5-10 М Па и характеризуется весьма высокой эффективностью, что особенно наглядно при сравнении его с близким по технологии синтезом метанола. Например, если в первом случае в каталитическом реакторе превращается 60-80% оксидов углерода, то во втором - всего 15-20%. Соответственно резко возрастает производительность единицы объема реактора, что приводит к улучшению всех технико-экономических показателей. Процесс настолько эффективен, что в нем может быть использован "бедный" синтез-газ, получаемый при окислении природного газа воздухом и содержащий 50- 60% азота и всего 10-15% оксида углерода.

В итоге прямой синтез ДМЭ из синтез-газа по разным оценкам оказывается на 5 -20% экономичнее синтеза эквивалентного количества метанола.

Правда, высокая эффективность процесса прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа обусловливает выделение значительного количества тепла. Это требовало тщательной проработки инженерных решений. И В. Кубиков с соавторами создали специальный аппарат, обеспечивающий интенсивный отвод тепла из зоны реакции.

Осуществлена и последующая стадия получения бензина. Г. И. Лин с другими сотрудниками нашей лаборатории совместно с коллективом лаборатории, руководимой доктором химических наук Е. С. Мортиковым (Институт органической химии РАН), проведен синтез высокооктанового бензина непосредственно из синтез-газа через ДМЭ. Важно, что это моторное топливо также имеет экологические показатели, превышающие характерные для обычного бензина. Например, при октановом числе 92-93 в нем практически отсутствуют вредные примеси (бензол, дурол, изодурол), а низкое содержание непредельных углеводородов (~1%) обеспечивает хорошую стабильность.

Результаты проведенных исследований были реализованы в опытно- промышленной установке. В настоящее время на ней идут пуско- наладочные работы.

Значимость достигнутых результатов в перспективе выходит за рамки рассматриваемой проблемы. В первую очередь это относится к прямому синтезу ДМЭ из синтез-газа. Важной особенностью данного процесса является то, что в нем можно использовать синтез-газ в широком интервале составов; соотношение Н 2 /СО, которое в синтезе метанола должно быть выше 2, в синтезе ДМЭ может варьировать в широких пределах, в том числе 1:1. Именно такой или близкий к нему состав имеет синтез-газ, который можно получить из угля, древесных остатков и других источников углерода. Таким образом, двигаясь дальше по намеченному нами пути, можно создавать производства моторных топлив из разнообразных, в том числе возобновляемых сырьевых источников.

Доктор химических наук А. Я. РОЗОВСКИЙ, заведующий лабораторией кинетики Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

kocmi.ru

Синтез диметилового эфира - экологически чистого дизельного топлива

Актуальность работы. В настоящее вре­мя диметиловый эфир (Ch4-O-Ch4, ДМЭ) - это единственное синтетическое топливо, которое обеспечит полную замену традиционного ди­зельного топлива. Топливо, предлагаемое в ка­честве альтернативного, должно отвечать не­скольким требованиям [1-3]. Во-первых, это наличие и доступность сырьевых ресурсов (в будущем предпочтительно будет использовать­ся топливо, вырабатываемое из возобновляемых источников). Во-вторых, технология и оборудо­вание для производства топлива в коммерческих объемах должны обеспечивать максимально низкую его стоимость, в том числе, в процессе транспортировки, хранения и распределения. В-третьих, топливо должно обеспечить автомо­билю высокие потребительские качества, в част­ности, мощность и экономические параметры двигателя. И, наконец, топливо должно быть экологически безопасным при производстве, транспортировке, хранении, заправке и сжига­нии в двигателях. Моторные топлива, получае­мые из природного газа, не содержат аромати­ческих углеводородов, серы и характеризуются полнотой сгорания. ДМЭ, кроме преимуществ топлива, синтезированного из природного газа, характеризуется также высоким цетановым чис­лом (55-60, у нефтяного дизельного топлива -40-55) и отсутствием сажи и оксидов азота в вы­хлопных газах, что очень важно с экологической точки зрения. В настоящее время общественный транспорт Швеции и Дании полностью переве­ден на ДМЭ. Аналогичные мероприятия в сфе­ре грузового автотранспорта проводит Япония. Помимо использования его как замены сжижен­ного нефтяного газа для домашнего и индустри­ального использования, ДМЭ также рассматри­вается в Китае как альтернативное дизтопливо для грузовых, автобусных двигателей и как эко­логически чистое топливо для электростанций. Согласно проведенным исследованиям, смесь ДМЭ со сжиженным нефтяным газом в пропор­ции 1:4 не требует переделки существующего оборудования для использования его конечным потребителем.

Существует несколько способов получения ДМЭ. Например, в лаборатории ДМЭ препара­тивно получают действием h3SO4 на метанол. В промышленности ДМЭ получают из синтез-га­за - при давлении 1-3 МПа и температуре 800-9000C, в результате реакции, кроме ДМЭ, обра­зуются также метанол и метилформиат. Наибо­лее перспективно получать ДМЭ дегидратацией метанола, именно так его получают в Германии и Японии [4-6].

Загрязнение атмосферы от транспорта, ра­ботающего на традиционном углеводородном топливе, составляет 60-70%. Результаты анали­за воздуха вблизи транспортного потока (до 2 тыс. автомобилей в час) некоторых магистра­лей Алматы показали, что концентрация ок­сидов азота и углерода в воздухе на тротуаре превышает допустимую в 2-5 раз. Наблюдается негативная тенденция ухудшения экологиче­ской обстановки в Заилийском Алатау, где фор­мируется подавляющая часть ресурсов чистой воды. Требования к выбросам вредных веществ автотранспортными средствами, эксплуатируе­мыми на территории Казахстана, ужесточают­ся. Так, Постановлением Правительства Респу­блики Казахстан от 29 декабря 2007 г. №1372 указано о поэтапном переходе на Европейские стандарты токсичных выбросов автомобилями и с 01.01.2009 г. в Республике Казахстан введен стандарт Евро-2.

В связи с этим, разработка катализаторов и технологии синтеза ДМЭ из природного сырья Казахстана представляет огромный научный и практический интерес, а изучение этого процес­са в настоящее время является особенно акту­альным из-за острой необходимости в мире мо­торного топлива и защиты окружающей среды.

Целью работы являлась разработка поли­функциональных катализаторов синтеза димети-лового эфира.

 Материалы и методы исследований

Для изучения превращения метанола в ДМЭ использовалась проточная установка. Процесс изучали при атмосферном давлении, блочный металлический катализатор помещали в квар­цевый реактор с внутренним диаметром 10 мм. Реактор обогревался электрической печью. Тем­пературу измеряли при помощи хромель-алюме-левой термопары и варьировали от 150 до 450оС. В систему подавался инертный газ (аргон) для предотвращения взрывоопасности. Газовую смесь подавали в реактор из баллонов при по­мощи кранов тонкой регулировки. Метанол в смеси с аргоном или воздухом подавали в реак­тор с помощью плунжерного насоса, объемная скорость подачи метанола составляла 1,0-1,5 ч-1. Анализ продуктов проводили на хроматографах Кристалл 2000М и Chrom 3700. Удельную по­верхность катализаторов определяли на прибо­ре Accusorb по адсорбции жидкого азота. Перед экспериментом все образцы катализаторов про­дували аргоном при температуре 2000C в тече­ние 2-х часов.

Результаты исследований и их обсуждение

В работе исследована каталитическая актив­ность синтетического цеолита (NaY) с мольным соотношением SiO2/A12O3=5,1, нанесенного на блочный носитель совместно с оксидом алю­миния. Катионные формы цеолита получены ионным обменом из водных растворов нитра­тов соответствующих переходных металлов, с дальнейшим разложением нитратов при 5000C в течение 4-х часов. Выявлено, что катализаторы на основе NaY, промотированные оксидами ко­бальта, меди и никеля, в реакции дегидратации метанола обладают значительно большей деги­дратирующей способностью, чем исходный NaY (Рисунок 1). Самой активной является оксидная форма цеолита NiNaY - выход ДМЭ при 250­ 2600C составлял 78%, что связано, по-видимому, с большой подвижностью кислорода в молеку­ле оксида никеля. Помимо целевого продукта, ДМЭ, при низких температурах опыта (150­2000C) обнаружены метилформиат и диметил-формиат, в наибольшем количестве - на исход­ном NaY (до 15-20% суммарно), в наименьшем количестве - на NiNaY (до 4-5%).

Дегидратирующая способность переходных металлов, нанесенных на NaY

Изучена активность и стабильность (в тече­ние 7 часов) цеолитсодержащих катализаторов на основе HY, модифицированных редкоземель­ными металлами (La-Y, Ce-Y, Nd-Y). Установле­но, что присутствие редкоземельных элементов в катализаторе стабилизирует его активность. Результаты исследований катализаторов пред­ставлены в таблице.

Все катализаторы этой серии показали высо­кую селективность в данной реакции, при этом на основе La-Y селективность по ДМЭ наибольшая (97,4%). У катализатора, приготовленного на осно­ве цеолита HY, дегидратирующая эффективность после 7-часовой эксплуатации снизилась с 87,5% до 46,2%; в то же время, у катализатора, модифи­цированного La, активность в превращении мета­нола в ДМЭ уменьшилась всего на 3 % - с 92,2% до 89,4%, селективность уменьшилась от 97,4 до 93,3%. Катализаторы на основе Ce-Y и Nd-Y также оказались высокостабильными катализаторами.

Каталитическая активность катализаторов с различной активной фазой в реакции получения ДМЭ

 Заключение

Таким образом, изучена реакция получения ДМЭ из метанола в проточной установке при ат­мосферном давлении, впервые в процессе полу­чения диметилового эфира в качестве носителя катализаторов использованы блочные металли­ческие носители с сотовой структурой каналов, обладающие высокой теплоотдачей и низким га­зодинамическим сопротивлением. Разработаны высокоэффективные стабильные катализаторы на основе цеолитов, которые позволят получать ДМЭ из метанола. 

 Литература

  1. Справочник нефтехимика / Под ред.С.К.Огородникова. - Т.2. - Л., 1978. - С.249-251.
  2. Тер-Мкртичьян Г.Г., Лукшо В.А.. Новый этап - диметиловый эфир. Отечественные разработки нового двигателя далеко опережают исследования США и Японии // Независимая газета. - М., 2007. -    10 апреля. - С.4.
  3. Васильев В. Диметиловый эфир. Надежды конструкторов, водителей и экологов // Основные сред­ства. - 2007. - №1. - С.18-20.
  4. Розовский А.Я. Проблемы переработки природного (попутного) газа в моторные топлива // Ката­лиз в промышленности. - 2001. - №1. - С.23-31.
  5. Розовский А.Я. Новое топливо из природного газа // Интернет-журнал «Путь в науку». - 2005.-    №1.
  6. Розовский А. Я. Диметиловый эфир и бензин из природного газа // Российский химический жур­нал. - 2003. - №47. - С.53-61.

Фамилия автора: М.М. Тельбаева, А. Гильмундинов,Б.Е. Шимшиков

articlekz.com


Смотрите также