Sintētiskais benzīns: apraksts, īpašības, veiktspēja, ražošanas metodes

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Zinātne un progress ļauj radīt vēl neredzētas lietas, par kurām daudzi pat iedomāties nevarēja. Ņemiet, piemēram, tādu salīdzinoši jaunu izstrādi kā sintētiskais benzīns. Daudzi cilvēki zina, ka šo degvielu iegūst, destilējot no naftas. Bet to var arī sintezēt no oglēm, koksnes, dabasgāzes. Lai gan sintētiskā benzīna ražošana nevar pilnībā aizstāt parasto ražošanas ceļu, tomēr ir vērts izpētīt. Tāpēc tiks apskatīta tā vēsture, kā arī veidi, kā to iegūt.

Ievads

Mūsdienu civilizāciju grūti iedomāties bez motordegvielas – dīzeļdegvielas, petrolejas, benzīna. Viņiem strādā automašīnas, lidmašīnas, raķetes, ūdens transports. Bet eļļas daudzums zarnās ir ierobežots. Ne tik sen tika uzskatīts, ka drīz cilvēce neizbēgami saskarsies ar degvielas trūkumu. Bet izrādījās,tas nemaz nav tik skumji. Tiek izstrādātas jaunas tehnoloģijas grūti atgūstamo rezervju iegūšanai, un parādās alternatīvas iespējas. Var minēt arī zaļo enerģiju un resursu izmantošanas efektivitātes paaugstināšanu (mūsdienu mazie auto viegli tiek galā ar 4-6 litriem degvielas uz simts kilometriem, lai gan mūsu tūkstošgades sākumā tiem vajadzēja ap 10). Un kvalitatīvu degvielu, kā izrādījās, var iegūt no dažādām izejvielām, kas nav naftas.

Kā tas viss sākās?

Mums jāsāk ar notikumiem, kas notika pirms vairāk nekā 150 gadiem. Toreiz sākās komerciālā naftas ražošana. Kopš tā laika cilvēce ir iztērējusi vairāk nekā pusi no tā sauktajām vieglajām izejvielām. Sākotnēji eļļa tika izmantota kā siltumenerģijas avots. Mūsu laikā šī pieeja nav ekonomiski izdevīga. Kad pienāca automobiļu laikmets, eļļas frakcionēšanas produkti kļuva plaši izplatīti motordegvielas lomā. Tajā pašā laikā, jo vairāk izejvielu tika iztērētas, jo izdevīgāk kļuva meklēt alternatīvu.

Kas ir eļļa? Tas ir ogļūdeņražu un, konkrētāk, cikloalkānu maisījums. Kas viņi ir? Vienkāršākais alkāns daudziem ir zināms kā metāna gāze. Turklāt eļļā ir slāpekļa un sēra piemaisījumi. Un, ja tas tiek pareizi apstrādāts, jūs varat iegūt daudz dažādu materiālu. Piemēram, ņemiet labi zināmo benzīnu. Ko viņš pārstāv? Faktiski šī ir zemas viršanas temperatūras eļļas frakcija, ko veido īsas ķēdes ogļūdeņraži ar daudzumuatomi no pieciem līdz deviņiem. Benzīns ir galvenā degviela vieglajām automašīnām, kā arī mazām lidmašīnām. Nākamais izceltais veids ir petroleja. Tas ir viskozāks un smagāks. Tas veidojas no ogļūdeņražiem, kuros ir no 10 līdz 16 atomi. Petroleja tiek izmantota reaktīvo lidmašīnu un dzinēju ražošanā. Vēl smagāka frakcija ir gāzeļļa. To izmanto dīzeļdegvielā, kas ir maisījums ar petroleju.

Zinātniski meklēt alternatīvu

Lai gan galvenās frakcijas tiek iegūtas no naftas, izrādījās, ka šim nolūkam var izmantot arī citas oglekļa izejvielas. Šo problēmu ķīmiķi atrisināja jau 1926. gadā. Tad zinātnieki Fišers un Tropšs atklāja oglekļa monoksīda reducēšanas reakciju atmosfēras spiedienā. Tika konstatēts, ka no gāzu maisījuma katalizatoru klātbūtnē var veidoties šķidrie un cietie ogļūdeņraži. Pēc ķīmiskā sastāva tie bija tuvi no naftas iegūtiem produktiem. Ķīmiskās izpētes rezultātu sauca par "sintēzes gāzi". Tas izrādījās diezgan viegli. Tik ļoti, ka mājās to var atkārtot jebkurš cilvēks, kurš skolā nav izlaidis ķīmiju un fiziku. To ieguva, laižot ūdens tvaikus pāri akmeņoglēm (tā ir tās gazifikācija) vai pārvēršot parasto dabasgāzi (tā galvenokārt sastāv no metāna). Otrajā gadījumā papildus tika izmantoti metāla katalizatori. Jāpiebilst, ka sintēzes gāzi var izveidot ne tikai no metāna un oglēm. Par daudzsološu virzienu tagad tiek uzskatīts darbs pie fermentatīvās unaugu izejvielu atkritumu termoķīmiskā apstrāde. Nedrīkst aizmirst arī par biogāzes, tas ir, organisko atkritumu sadalīšanās rezultātā iegūto gaistošo vielu pārveidi.

Kā ir attīstījusies lietojumprogramma?

Nacistiskā Vācija šajā ziņā izcēlās. Otrā pasaules kara laikā viņai bija ievērojamas problēmas ar degvielas piegādi. Tāpēc tika izveidoti veseli kompleksi, kas ogles pārstrādāja šķidrā kurināmā. Un Trešā Reiha sintētiskais benzīns deva savu ievērojamo ieguldījumu, diezgan spēcīgi atliekot šīs briesmīgās valsts krišanu. Pēc tam tika izmantota ogļu ķīmiskās sašķidrināšanas metode, līdz tika iegūta pirolīzes degviela. Līdz kara beigām nacistiskajai Vācijai izdevās sasniegt 100 000 barelu sintētiskās naftas dienā. Pierastākā izteiksmē tas ir vairāk nekā 130 tonnas! Ogļu izmantošana ir lietderīga līdzīgā ķīmiskā sastāva dēļ. Tātad ūdeņraža saturs tajā ir 8%, savukārt eļļā tas ir 15%. Ja izveidojat noteiktu temperatūras režīmu un ievērojamā apjomā piesātināsiet ogles ar ūdeņradi, tad tās nonāks šķidrā stāvoklī. Šo procesu sauc par hidrogenēšanu. Turklāt to var paātrināt un palielināt apjomu, ja tiek izmantoti katalizatori: dzelzs, alva, niķelis, molibdēns, alumīnijs un daudzi citi. Tas viss ļauj izolēt dažādas frakcijas un izmantot tās tālākai apstrādei.

Sintētiskais benzīns tagad tiek ražots Vācijā. Pēc Otrā pasaules kara Dienvidāfrika sekoja šim piemēram. TadĶīna, Austrālija un ASV sāka pievienoties. Jāpiebilst, ka arī mums ir šīs jomas attīstības potenciāls.

Par krišanu un celšanos

Padomju Savienībā jau pirms Otrā pasaules kara sākuma tika meklēta iespēja iegūt benzīnu no brūnoglēm. Bet diemžēl nebija iespējams iegūt rūpnieciskai ražošanai piemērotus rezultātus. Pēc konflikta beigām naftas cena kritās, un līdz ar to zuda arī nepieciešamība pēc sintētiskās degvielas. Tagad naftas rezervju samazināšanās dēļ šī teritorija piedzīvo atdzimšanu. Sintētiskā benzīna ražošana kļūst arvien izplatītāka, bieži vien saņemot valsts atbalstu. Piemēram, ASV šādu degvielu ražotāji var rēķināties ar valsts subsīdijām. Neskatoties uz visiem priekšnosacījumiem, šķidrā degviela tiek ražota ierobežotā apjomā. Fakts ir tāds, ka esošo jaudu paplašināšanu ierobežo augstās izmaksas, kas ievērojami pārsniedz to, ko iegūst no parastajām izejvielām. Piemēram, sintētisko benzīnu Vācijā var izgatavot no ūdens un ogļskābās gāzes, bet jau pēc gada tas maksās par jaunu auto. Un tas viss augsto uzstādīšanas izmaksu dēļ. Galvenais darba virziens ir ekonomiski tehnisko risinājumu meklēšana. Piemēram, ir atklāts jautājums par spiediena samazināšanu ogļu sašķidrināšanai. Tagad ir jāizveido 300-700 atmosfēras, un meklēšana tiek veikta, lai sasniegtu vērtību 100 un zemāku. Tāpat aktuāli ir jautājumi par ģeneratoru produktivitātes paaugstināšanu, jaunu katalizatoru (efektīvāku) izstrādi. Jā, un nevajadzētu aizmirst, ka nav tik daudz augstas kvalitātes dabisko ogļu. Tāpēc daudzsološāk tiek uzskatīts to iegūt no gāzes. Kādas ir iespējas šeit?

Ražots no dabasgāzes

Tas jo īpaši attiecas uz esošajām transporta problēmām. Tātad, ja transportējat dabasgāzi, tad tās izmaksas būs 30-50% no galaprodukta izmaksām. Tāpēc ļoti aktuāla ir tā apstrāde tieši ieguves vietas tuvumā kvalitatīvā benzīnā un dīzeļdegvielā. Tas izvirza vairākas prasības iekārtu kompaktumam. Ja galaprodukti tiek iegūti caur metanola stadiju, tad šāds process ir ērts ar to, ka tas notiek vienā reaktorā. Taču ir nepieciešams daudz enerģijas, tāpēc sintētiskā degviela ir divreiz dārgāka par naftu. Alternatīvu šai izplatītajai metodei piedāvāja Krievijas Zinātņu akadēmijas Petroķīmiskās sintēzes institūts. Tas ietver darbu ar citu starpproduktu - dimetilēteri. Šādā veidā strādāt nav grūti, ja tiek palielināts oglekļa monoksīda īpatsvars iegūtajā sintēzes gāzē. Sintētiskā benzīna ražošana šajā gadījumā ir papildu un videi draudzīga degviela. Īpaši labi tas sevi parādīja, iedarbinot aukstus dzinējus, pateicoties augstajam cetānskaitlim. Un benzīna ražošanai šī iespēja nav slikta. Tātad, jūs varat ražot degvielu ar oktānskaitli 92. Sintētiskajam benzīnam no dabasgāzes tajā pašā laikā ir mazāk kaitīgu piemaisījumu nekā tiem, kas atrodami no naftas ražotajiem. Krievijas Zinātņu akadēmijas piedāvātā iekārta piedāvā darbības shēmu, saskaņā ar kuru, jo augstāka reakcijas temperatūra, jo vairāksniegums.

Vai visu vari izdarīt pats?

Neskatoties uz to, ka alternatīvā enerģija tiek uzskatīta par salīdzinoši jaunu zinātni, tās sasniegumus atkārtot vienas mājsaimniecības ietvaros nav problēmu. Tāpēc, jā, ir pilnīgi iespējams izveidot sintētisko benzīnu ar savām rokām. Turklāt, ņemot vērā eksistences apstākļu specifiku, var paļauties uz koksni, oglēm un biogāzi. Kuram no tiem dot priekšroku mājās – katrs izlemj pats.

Kā vienkāršākais, aktuālākais ir jautājums par to, kā ar savām rokām iegūt sintētisko benzīnu no koka. Daudzi to uzskata tikai par būvmateriālu vai rotaļlietu izejvielu. Bet der atcerēties vismaz koksnes spirtu, un kļūst skaidrs, ka potenciāls pastāv. Kā šajā gadījumā iegūt sintēzes gāzi? Ir jāņem koksne (vai tās atkritumi, kas tieši nav svarīgi). Mājās jūs varat izgatavot ierīci no trim daļām, no kurām katra pildīs savu funkciju. Sākotnēji ir jānodrošina to žāvēšana un sildīšana līdz 250-300 grādu temperatūrai pēc Celsija. Tad nāk pirolīzes kārta. Šeit temperatūrai vajadzētu paaugstināties līdz 700 grādiem. Un pēdējais posms ir gāzes ražošana. Tas sāk tvaika reformēšanu. Process notiek 700-1000 grādu temperatūrā. Rezultāts ir ļoti tīra sintēzes gāze. Papildu iejaukšanās nav nepieciešama. Tālāk mēs izmantojam katalizatorus, un sintētiskais benzīns ir gatavs!

Izgatavot no oglēm

Un vēl viens mazs nieciņš, kas iepriekš netika minēts - strādājot mājās, instalācijas, protams, izrādīsies diezgan lielas. Tāpēc nav ieteicams tos ievietot dzīvoklī. Taču to izveide savās mājās vai tās tuvumā ir ļoti reāla lieta.

Sintētisko benzīnu var iegūt no oglēm, iedarbojoties ar tvaiku. Tā gazifikācija ir vienkāršākais un vispiemērotākais veids mājas apstākļos. Tātad sāksim. Sākotnēji, lai palielinātu efektivitāti un palielinātu procesa ātrumu, ogles ir jāsadrupina. Tad tas ir piesātināts ar ūdeņradi. Tad nepieciešams izveidot temperatūru 400-500 grādi pēc Celsija un spiedienu 50-300 kg/cm2. Un mēs gaidām pārejas brīdi uz šķidru stāvokli. Ja neizmanto šķīdinātāju, tad par tādu kļūs tikai 5-8% no kopējās ogļu masas. Tad nāk katalizatoru kārta. Piemērotas akmeņoglēm: molibdēns, niķelis, kob alts, alva, alumīnijs, dzelzs, kā arī to savienojumi. Gazifikācijai var izmantot jebkura veida izejvielas. Brūns, akmens - viss derēs. Lai gan tā kvalitāte ietekmē konversijas efektivitāti. Iepriekš tika norādīts oglekļa daudzuma apzīmējums un skaitlis tika saukts par 8%. Tā nav gluži taisnība. Atkarībā no zīmola un kvalitātes vērtība var svārstīties no 4% līdz 8%. Un, lai benzīna turpmākā apstrāde un atdalīšana būtu minimāla, ir jāsasniedz 11% vērtība (labāk par 15%). Sākotnēji ne to, ka viss izdosies. It īpaši, ja izlaidāt fizikas stundas unķīmija. Tomēr sintētisko benzīnu no oglēm var veiksmīgi izgatavot un izmantot.

Darbs ar biogāzi

Šī ir diezgan neparasta un ekstravaganta pieeja, taču tā darbojas. Tā skaistums slēpjas arī tajā, ka tam kā degvielai ir plašāks pielietojums nekā tikai sintētiskajam benzīnam. Tiesa, tas aizņem daudz vietas. Tā, piemēram, viens kubikmetrs biogāzes ir līdzvērtīgs 0,6 litriem benzīna. Ja jūs to neizmantojat saspiestā stāvoklī, tad pat kravas automašīnas acīs jūs nevarēsit nobraukt vairāk par simts vai diviem kilometriem. Tāpēc, kā no tā sintezēt vēlamo benzīnu? Tas ir iespējams tāpēc, ka patiesībā tas ir metāns ar nelieliem piemaisījumiem. Tas ir praktiski tas, kas jums nepieciešams. Tomēr sintēze ir problemātiska. Galu galā kaut kas jauns un tajā pašā laikā vienkāršs šeit nav izdomāts. Tas ir, mums ir jāstrādā pie sintēzes gāzes radīšanas un no tās, lai nodrošinātu benzīna veidošanos. Tas tiek darīts (saskaņā ar visizplatītāko shēmu), izmantojot metanolu. Lai gan jūs varat strādāt caur dimetilēteri. Runājot par metanolu, vienmēr jāatceras, ka tas ir ārkārtīgi bīstams. Situāciju sarežģī fakts, ka tajā ir spirta smaka, un viršanas temperatūra ir 65 grādi pēc Celsija. Kopumā darbs ar degvielas sintēzi nav bērnu spēle. Tāpēc nebūs lieki mācīties ķīmiju un fiziku, ja šīs zināšanas nebūs pieejamas. Īsāk sakot, sintētisko benzīnu iegūst, destilējot gāzi un kondensatoru. Šī metode nav ātra, bet, ja ir labs teorētiskais pamatojums, tas nav grūti. Bet bez zināšanām strādāt nav iespējamsieteicams. Galu galā tīrs metanols ir degviela ar augstāko oktānskaitli, un tāpēc tā ir bīstama. Un parastas automašīnas dzinējs to "nesagremos" - tas nav tam paredzēts.

Secinājums

Tā var iegūt sintētisko degvielu. Jāpiebilst, ka tās nav rotaļlietas, bet gan uzliesmojoša darbība. Tāpēc bez pienācīgas teorētiskās sagatavošanās nevajadzētu iesaistīties šādā jautājumā. Galu galā tas būtu tiešs drošības noteikumu pārkāpums. Un tie, jāatceras, vienmēr ir rakstīti ar asinīm.