Синтетический бензин: описание, характеристика, показатели, способы производства
Наука и прогресс позволяют создавать невиданные ранее вещи, о которых многие и помыслить не могли. Взять, к примеру, такую относительно новую разработку, как синтетический бензин. Многим известно, что это топливо получается путем перегонки из нефти. Но ведь его можно синтезировать еще из угля, дерева, природного газа. Производство синтетического бензина хотя и не может в полном объеме заменить обычный путь получения, но все же заслуживает того, чтобы изучить тему. Поэтому будет рассмотрена его история, а также способы получения.
Вводная информация
Сложно представить современную цивилизацию без моторного топлива – дизеля, керосина, бензина. На них работают автомобили, самолеты, ракеты, водный транспорт. Но количество нефти в недрах ограничено. Еще не так давно считалось, что человечество скоро неизбежно столкнется с нехваткой горючего. Но оказалось, что не все так печально. Разрабатываются новые технологии, позволяющие добывать трудноизвлекаемые запасы, появляются альтернативные варианты. Можно упомянуть и о зеленой энергетике, и повышении эффективности использования ресурсов (современные малолитражки спокойно обходятся 4-6 литрами горючего на сто километров, хотя еще в начале нашего тысячелетия требовали около 10). Да и высококачественное топливо, как оказалось, можно получать из различного не нефтяного сырья.
Как все начиналось?
Необходимо начать с событий, происходивших больше, чем 150 лет назад. Именно тогда началась промышленная добыча нефти. С тех пор человечество израсходовало больше половины так называемого легкого сырья. Первоначально нефть использовалась как источник тепловой энергии. В наше время такой подход экономически не выгоден. Когда наступила автомобильная эра, то продукты фракционирования нефти получили распространение в роли моторного топлива. При этом, чем больше истощались запасы сырья, тем рентабельней становилось искать альтернативу.
Что такое нефть? Это смесь углеводородов, а если говорить конкретнее – циклоалканов. Что они собой представляют? Самый простой алкан известен многим как газ метан. Кроме этого, в нефти есть еще азотистые и сернистые примеси. И если ее правильно обработать, то можно получить множество различных материалов. Например, взять хорошо известный бензин. Что он собой представляет? По сути, это легкокипящая фракция нефти, формирующаяся короткоцепочечными углеводородами с количеством атомов от пяти до девяти. Бензин является основным видом топлива для легковых автомобилей, а также небольших самолетов. Следующий выделенный тип – керосин. Он более вязок и тяжелый. Формируется из углеводородов, в которых присутствует от 10 до 16 атомов. Используется керосин в реактивных самолетах и двигателях. Еще более тяжелой фракцией является газойль. Он используется в дизельном топливе, которое являет собой его смесь с керосином.
Научные поиски альтернативы
Хотя основные фракции и получают из нефти, оказалось, что можно для этой цели использовать и другое углеродное сырье. Эта задача была решена химиками еще в 1926 году. Тогда ученые Фишер и Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода в условиях атмосферного давления. Было выяснено, что в присутствии катализаторов из газовой смеси можно создавать жидкие и твердые углеводороды. По своему химическому составу они были близки к продуктам, получаемым из нефти. Результат химических изысканий получил название «синтез-газ». Получался он довольно легко. Настолько, что может быть повторен в домашних условиях любым человеком, который не прогуливал в школе химию и физику. Получали его благодаря пропусканию водного пара над углем (это его газификация) или путем конверсии обычного природного газа (он состоит, в основном, из метана). Во втором случае дополнительно еще использовались металлические катализаторы. Следует отметить, что синтез-газ можно создавать не только из метана и угля. Перспективным направлением сейчас считается работа над ферментативной и термохимической переработкой отходов растительного сырья. Не следует забывать также и о конверсии биогаза, то есть, летучих веществ, полученных благодаря разложению органических отходов.
Как развивалось применение?
Отличилась в этом плане нацистская Германия. Во время Второй мировой войны у нее были существенные проблемы в плане снабжения топливом. Поэтому были созданы целые комплексы, которые перерабатывали уголь в жидкое топливо. И синтетический бензин третьего рейха внес свой существенный вклад, довольно сильно отстрочив падение этого ужасного государства. Тогда использовался метод химического сжижения угля до тех пор, пока не получалось пиролизное топливо. К концу войны нацистской Германии удалось выйти на уровень в 100 тысяч баррелей синтетической нефти в день. В более привычных мерах это больше 130 тонн! Использование угля является целесообразным благодаря близкому химического составу. Так, в нем содержание водорода 8% тогда, как в нефти 15%. Если создать определенный температурный режим и насыщать уголь водородом в значительном объеме, то он перейдет в жидкое состояние. Этот процесс называет гидрогенизацией. К тому же, его можно ускорить и увеличить объемы, если использовать катализаторы: железо, олово, никель, молибден, алюминий и множество иных. Все это позволяет выделять различные фракции и использовать их для дальнейшей переработки.
Синтетический бензин в Германии производят и сейчас. После Второй мировой войны ее примеру последовала Южно-Африканская республика. Затем начали подключаться Китай, Австралия и США. Следует отметить, что и у нас есть потенциал для развития данной области.
О падении и взлете
В Советском Союзе еще до начала Второй мировой войны шли поиски возможной добычи бензина из бурого угля. Но, увы, получить результаты, пригодные для промышленного производства, не получилось. После окончаний конфликта цена на нефть упала, а вместе с ней отпала и потребность в синтетическом топливе. Теперь из-за уменьшения нефтяных запасов эта сфера переживает второе рождение. Производство синтетического бензина становится все более распространенным, часто встречает поддержку со стороны государства. К примеру, в США производители подобного топлива могут рассчитывать на государственные субсидии. Несмотря на все предпосылки, жидкое топливо производят в ограниченном масштабе. Дело в том, что расширение существующих мощностей ограничено высокой стоимость, которая значительно превышает то, что получается из обычного сырья. К примеру, синтетический бензин в Германии умеют делать из воды и углекислого газа, вот только за год он обойдется в новый автомобиль. И все из-за дороговизны установки. Главное направление работы – это поиск экономических технических решений. Например, открыт вопрос снижения давления для ожижения угля. Сейчас необходимо создавать 300-700 атмосфер, а поиск ведется для достижения значения в 100 и ниже. Также актуальны вопросы увеличения производительности генераторов, разработки новых катализаторов (более эффективных). Да, и не следует забывать о том, что качественного природного угля не так уж и много. Поэтому более перспективным считается его получение из газа. Какие здесь есть возможности?
Получение из природного газа
Этот особенно актуально в силу существующих транспортных проблем. Так, если перевозить природный газ, то траты на это будут составлять 30-50% от стоимости конечного продукта. Поэтому весьма актуальной является его переработка сразу же около место добычи в высококачественный бензин и дизельное топливо. Это выдвигает ряд требований к компактности установок. Если получать конечные продукты через стадию метанола, то такой процесс удобен благодаря тому, что происходит в одном реакторе. Но требуется много энергии, из-за чего синтетическое топливо получается дороже нефтяного в два раза. Альтернативу этому распространенному способу предложил Институт нефтехимического синтеза РАН. Он предполагает работу с другим промежуточным веществом – диметиловым эфиром. Работать таким образом не сложно, если увеличить долю окиси углерода в получаемом синтез-газе. Получение синтетического бензина в данном случае является дополнительно и довольно экологическим топливом. Особенно оно хорошо проявило себя при запуске холодных двигателей благодаря высокому цетановому числу. И для производства бензина этот вариант неплох. Так, можно сделать топливо с октановым числом 92. Синтетический бензин из природного газа при этом обладает меньшим количеством вредных примесей, нежели те, что можно найти в сделанном из нефти. Предложенная РАН установка предлагает схему работы, согласно которой, чем выше температура реакции, тем больше производительность.
А можно ли сделать это все своими руками?
Несмотря на то, что альтернативная энергетика считается относительно молодой наукой, повторить ее достижения в рамках одного домохозяйства – не проблема. Поэтому, да, создать синтетический бензин своими руками вполне возможно. Более того, учитывая специфику условий, в которых приходится существовать, есть возможность сделать ставку на древесину, уголь и биогаз. Кому из них отдать предпочтение в домашней обстановке – каждый решает сам.
Как наиболее простой, самым актуальным является вопрос того, как добыть своими руками синтетический бензин из древесины. Многие рассматривают ее исключительно как строительный материал или сырье для игрушек. Но стоит вспомнить хотя бы древесный спирт, и становится понятно, что потенциал существует. Как же получить синтез-газ в этом случае? Необходимо взять древесину (или ее отходы, что именно – не принципиально). В домашних условиях можно сделать устройство из трех частей, каждая из которых будет выполнять свою функцию. Первоначально необходимо обеспечить их сушку и нагревание до температуры в 250-300 градусов по Цельсию. Затем приходит черед пиролиза. Здесь температура должна вырасти до 700 градусов. И завершающий этап – газогенерация. На нем запускается паровой риформинг. Процесс протекает при температуре в 700-1000 градусов. В результате получается весьма чистый синтез-газ. Дополнительного вмешательства не требуется. Далее используем катализаторы, и синтетический бензин готов!
Делаем из угля
И еще один маленький момент, о котором не было упомянуто раньше, – при работе в домашних условиях установки, наверняка, будут получаться довольно большими. Поэтому размещать их в квартире не рекомендуется. А вот создать их в собственном доме или около него – дело вполне реальное.
Синтетический бензин может быть получен из угля в результате влияния пара. Его газификация – это самый простой и реализуемый способ для домашних условий. Итак, приступим. Первоначально для большей эффективности работы и увеличения скорости протекания процесса уголь необходимо измельчить. Затем осуществляется его насыщение водородом. Затем необходимо создать температуру в 400-500 градусов по Цельсию и давление в 50-300 кг/см2. И ждем момента перехода в жидкое состояние. Если не используется растворитель, то таким станет только 5-8% от всей массы угля. Затем приходит черед катализаторов. Для угля подходит: молибден, никель, кобальт, олово, алюминий, железо, а также их соединения. Для газификации можно использовать любой вид сырья. Бурый, каменный – все подойдет. Хотя его качество влияет на эффективность преобразования. Ранее приводилось обозначение количества углеродов и называлась цифра в 8%. Это не совсем верно. Зависимо от марки и качества, значение может колебаться от 4% до 8%. А для минимальной пригодности последующей обработки и выделения бензина необходимо добиться значения в 11% (лучше 15%). Первоначально, не факт, что все будет получаться. Особенно, если прогуливались уроки по физике и химии. Тем не менее синтетический бензин из угля можно успешно делать и использовать.
Работа с биогазом
Это довольно необычный и экстравагантный подход, тем не менее он работает. Прелесть его еще и в том, что он как топливо обладает более широким применением, нежели просто синтетический бензин. Правда, места занимает много. Так, к примеру, один кубический метр биогаза эквивалентен 0,6 литра бензина. Если использовать его не в сжатом состоянии, то даже взяв под завязку на грузовой автомобиль, не получиться проехать больше сотни-второй километров. Поэтому, как же синтезировать с него желаемый бензин? Это возможно благодаря тому, что он, по сути, является метаном с небольшими примесями. То есть практически то, что нужно. А вот синтез – это дело проблематичное. Ведь здесь что-то новое и одновременно простое не изобрели. То есть, приходится работать над созданием синтез-газа, а уже из него обеспечивать формирование бензина. Делается это (по наиболее распространенной схеме) через посредство метанола. Хотя можно работать и через диметиловый эфир. Если говорить о метаноле, то всегда необходимо помнить о том, что он чрезвычайно опасен. Усложняется ситуация тем, что он имеет запах спирта, а температуру кипения в 65 градусов по Цельсию. Вообще, работа с синтезом топлива – это не детская прогулка. Поэтому, не лишним будет подучить химию и физику, если этих знаний нет. Если вкратце – то синтетический бензин получается благодаря перегонке газа и конденсатору. Этот способ не быстр, но, если есть хорошая теоретическая подготовка – не сложен. Но без знаний работать не рекомендуется. Ведь чистый метанол – это самое высокооктановое топливо, поэтому опасное. Да и не «переварит» его двигатель обычной машины – не рассчитан на это.
Заключение
Вот и рассмотрено, как получить синтетическое топливо. Следует отметить, что это не игрушки, а огнеопасное занятие. Поэтому без должной теоретической подготовки заниматься таким делом не следует. Ведь это будет прямым нарушением правил безопасности. А они, следует помнить, всегда пишутся кровью.