Процесс получения углеводородов на основе оксида углерода и водорода на железных и кобальтовых катализаторах разработан в 1923 году Фишером и Тропшем.
Химизм процесса
Получение углеводородных смесей из оксида углерода и водорода представляет собой комплекс сложных параллельных и последовательных реакций. Первой стадией процесса является совместная хемосорбция оксида углерода и водорода на поверхности катализатора, в результате чего образуется первичный поверхностный комплекс. В результате дальнейшего ступенчатого присоединения углеводородных фрагментов происходит рост углеводородной цепи. Основные направления процесса можно представить схемой:
СО + Н 2 → C n H 2 n +2 + C n H 2 n + H 2 O + Q
CO + H 2 → C n H 2n+2 + CО 2 + Q
Таким образом в результате синтеза образуется смесь парафиновых и олефиновых углеводородов, воды и СО 2 .
Синтез Фишера-Тропша протекает в присутствии катализаторов, содержащих металлы VIII группы Периодической системы – никель, кобальт, железо с добавками оксидов некоторых других металлов (тория, магния, циркония, титана). Выход и состав продуктов реакции определяется видом катализатора и условиями проведения процесса. Реакция является экзотермической. Помимо образования углеводородов в процессе синтеза в небольших количествах получаются органические кислородсодержащие соединения, главным образом спирты С 1 -С 6 . Промышленные катализаторы современного процесса Фишера-Тропша часто состоят из железа, нанесенного на оксид алюминия, диоксид кремния или кизельгур, и содержат в качестве промоторов соли щелочных металлов.
Применяют также Со-катализаторы, в качестве носителей осажденных кобальтовых катализаторов применяют природные и синтетические алюмосиликаты и цеолиты. На кобальтовых катализаторах образуются смеси, состоящие преимущественно из парафиновых углеводородов нормального строения (80%) с примесью нормальных алкенов (15%) с числом атомов углерода 1-100 и небольшого количества разветвленных алканов, алкенов и кислородсодержащих соединений (5%). Процесс протекает при температуре 170-200 о С и давлении 0,1-1,0 МПа. В присутствии железных катализаторов синтезы углеводородов из оксида углерода и водорода осуществляются в более жестких условиях: температуре в реакторе 200-235 о С, давлении 3-4 МПа. В результате образуются углеводородные смеси с большим содержанием олефинов (до 50%) и кислородсодержащих соединений.
Одной из нежелательных побочных реакций является диспропорционирование оксида углерода:
2СО → C + CO 2
что приводит к отложению углерода на поверхности катализатора и часто является причиной дезактивации последнего.
Дизельное топливо можно получать как в ходе синтеза Фишера-Тропша непосредственно, так и в результате крекинга образующихся в процессе углеводородов выше С 19 и олигомеризации алкенов С 3 -С 8 . Бензины, получаемые на железных катализаторах, имеют лучшие моторные характеристики, чем бензины, производимые на кобальтовых катализаторах. Однако при применении кобальтовых катализаторов образуется много дорогостоящих высокомолекулярных восков, что улучшает экономические показатели процесса.
Основным недостатком ФТ- синтеза является его низкая селективность. Смесь продуктов, полученная этим методом, включает 25-30% метана, 15-20% углеводородов С 2 -С 4 и только 24-45% жидких углеводородов. Одной из важнейших проблем при совершенствовании процесса является организация переработки в топливные фракции или другие ценные продукты образующихся легких углеводородов. К недостаткам процесса следует также отнести дороговизну катализаторов, сложность их регенерации, низкую производительность.
Технологическое оформление процесса
В промышленности реализованы: технология в стационарном слое катализатора, в потоке взвешенного катализатора, в жидкой фазе с суспендированным катализатором.
Принципиальная технологическая схема высокопроизводительного синтеза Фишера-Тропша на железном катализаторе.
1 – реактор; 2 – мультициклон; 3 – теплообменник; 4 – конденсатор; 5 – сборник парафина; 6 – сборник высококипящих угледоводоров; 7 – сборник легких углеводородов; 8 – сборник реакционной воды.
Потоки: I – синтез-газ; II – питательная вода; III – пар; IV – циркулирующий газ; V – остаточный газ; VI – щелочь.
Исходный синтез-газ смешивают в соотношении 1:2,5 с циркулирующим газом, компримируют до 2,5 МПа и через теплообменник вводят в реактор в количестве 500-700 куб. м. на 1 куб м. катализатора в час. В реактор загружают 40 куб. м. железного катализатора. Катализатор работает непрерывно в течение 9-12 месяцев с постепенным повышением температуры с 220 до 250 о С, обеспечивая конверсию синтез-газа 65-73%. Производительность одного реактора – 250 т./сут. углеводородов С 2 и выше.
В реакторах этого типа получают в основном насыщенные углеводороды, в том числе и высокомолекулярные твердые парафины типа церезина.
Принципиальная технологическая схема синтеза Фишера-Тропша в газовой фазе в потоке взвешенного катализатора.
1 – подогреватель; 2 – реактор; 3 – холодильник; 4 – колонна-сепаратор; 5 – конденсатор; 6 – разделительная колонна; 7 – колонна для промывки бензина; 8 – колонна для промывки газа.
Потоки: I – синтез-газ; II – ввод свежего катализатора; III – суспензия катализатора; IV – циркулирующее масло; V – вода; VI – вода и водорастворимые продукты; VII – тяжелое масло; VIII – бензин; IX – отходящий газ.
Синтез-газ вводят в реактор вместе с катализатором. Синтез проводят при температуре 310-350 о С и давлении 2-3 МПа. Продукты реакции и катализатор поступают в колонну-сепаратор, оборудованную циклонами для отделения катализатора. Отвод тепла осуществляют при помощи двух холодильников, через которые циркулирует масло. Срок службы катализатора 42-45 суток.
Отличительной особенностью процесса в потоке взвешенного «увеличенного» катализатора является высокое содержание олефинов во фракции выше С 3 (60-85%).
В смесях, получаемых в реакторах со взвешенным слоем катализатора, может содержаться значительное количество ценных побочных продуктов – кислородсодержащих соединений (спирты, карбоновые кислоты, альдегиды, кетоны).
ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА
Метанол является ценным крупнотоннажным продуктом, находящим широкое применение в различных отраслях промышленности.
Объем потребления метанола в мире непрерывно возрастает. В настоящее время его мировое производство превышает 20 млн. т/год.
Традиционным потребителем метанола является производство формальдегида (в первую очередь, его водного раствора - формалина), который получают окислительной конверсией метанола. На долю формальдегида приходится половина производимого метанола.
Потребителями метанола являются производства различных мономеров (например, метилметакрилата и диметилтерефталата), метилтретбутилового эфира (МТБЭ), метилгалогенидов, метиламинов, ионообменных смол, уксусной кислоты. Метанол также широко используется как растворитель и экстрагент.
Одной из новых областей применения метанола является использование его в качестве моторного топлива взамен ставшего дефицитным и весьма дорогим бензина.
Метанол либо добавляют к бензину в количестве до 5%, либо используют целиком вместо бензина. Однако метанол обладает более низкой теплотворной способностью и является весьма токсичным, что, вероятно, будет сдерживать его применение.
Метанол – ядовитая бесцветная жидкость со сладковатым запахом.
Метанол в числе других кислородсодержащих соединений впервые был получен из оксида углерода и водорода в 1913 г. Для этой цели использовали железные катализаторы, которые однако быстро покрывались углеродом и дезактивировались. Применение цинк-хромовых катализаторов позволило устранить этот недостаток. Было установлено, что оксид цинка не чувствителен к сере, соединения которой обычно содержатся в синтез-газе и отравляют металлические катализаторы.
Реакция образования метанола идет с выделением тепла и уменьшением объема, поэтому ей благоприятствуют низкие температуры и высокие давления. При синтезе метанола протекают следующие реакции:
СO+2H 2 → CH 3 OH –ΔН 25 = 110,8 кДж/моль (1)
СO+H 2 O → CO 2 +H 2 –ΔН 25 = 41 кДж/моль (2)
CO 2 +3H 2 → CH 3 OH+H 2 O –ΔН 25 = 60,4 кДж/моль (3)
С повышением температуры степень превращения СО заметно снижается.
Условия проведения реакции определяются катализатором. Если катализатор обладает такой высокой активностью, что уже при низкой температуре достигается высокая степень превращения СО, то синтез метанола можно осуществлять уже при давлении 5 МПа. В противном случае, то есть при применении менее активного катализатора, работающего при более высокой температуре, необходимо давление ~30 МПа. Катализаторы, обычно применяемые в промышленности, проявляют активность только при высоких температурах (360-380 о С), т.е. в условиях термодинамически неблагоприятных. В промышленности наибольшее распространение получили цинк-хромовые катализаторы, а в последние годы – медьсодержащие катализаторы, достаточно активные при температуре 220-270 о С.
При управлении селективностью синтеза метанола необходимо учитывать, что протекание этой реакции гораздо менее термически благоприятно, чем протекание таких побочных реакций, как образование углеводородов, высших спиртов, диметилового эфира. Эти реакции можно подавить варьированием состава катализатора.
В зависимости от применяемых катализаторов (а, следовательно, условий синтеза) различают два варианта превращения синтез-газа в метанол: синтезы при высоком и низком давлении.
При высоком давлении применяют катализаторы на основе оксида цинка, характеризующиеся низкой чувствительностью к сере, промотированные оксидами хрома (межкристаллический промотор – располагающийся вне кристаллической решетки ZnO) или оксидами железа, кальция, магния (внутрикристаллические промоторы – располагающиеся внутри кристаллической решетки ZnO).
Реакторы высокого давления представляют собой цельнокованные аппараты колонного типа, для эффективного теплоотвода используют реакторы полочного типа с промежуточным вводом холодного газа и выносным или встроенным теплообменником. Обычное число полок 5-6, для пуска агрегата применяют встроенный электронагреватель или специальную трубчатую печь.
Наиболее эффективными каталитическими системами, работающими при низком давлении, являются медьсодержащие оксидные катализаторы. Однако медьсодержащие катализаторы отличаются высокой чувствительностью к примесям сернистых соединений, почти всегда содержащимся в синтез-газе. Если при синтезе на цинк-хромовых катализаторах допустимо содержание сероводорода в синтез-газе выше 100 ррm, то для медных катализаторов этот показатель не может превышать 1 ppm.
При низком давлении используют полочные реакторы, аналогичные тем, что применяются при высоком давлении, или реакторы трубчатого типа, в которых катализатор загружен в трубки, а тепло реакции отводится кипящей водой, циркулирующей в межтрубном пространстве реактора и связанной с паросборником, так как при съеме тепла генерируется водяной пар. При использовании трубчатого реактора не требуется пусковой нагреватель, реактор в пусковой период разогревается водяным паром из сети, что является преимуществом реактора этого типа. В то же время достоинством полочного реактора является простота конструкции и легкость загрузки и выгрузки катализатора.
Природный газ отделяют от тяжелых углеводородов и компримируют в турбокомпрессоре 1 до 2,5 МПа, после чего направляют на очистку и далее в блок конверсии метана 3. Туда же поступает водяной пар. К метану добавляют небольшое количество СО 2 . Конверсия метана осуществляется при температуре 850-860 °С. После печей конверсии синтез-газ поступает в котел-утилизатор 4, где генерируется пар высокого давления (12 МПа), который затем перегревается и поступает на турбины - привод компрессоров 1 и 11. Если конверсии подвергают тяжелое жидкое сырье, то блок очистки располагается после конверсии, а необходимость в компрессоре 1 отпадает. В последнем случае конверсию проводят при давлении 5,8 МПа, а синтез-газ после очистки не нуждается в дополнительной компрессии и поступает в циркуляционный компрессор 11.
Синтез-газ, полученный из природного газа, направляют на доохлаждение с целью конденсации воды. Далее синтез-газ дожимается в турбокомпрессоре 12 до 5-5,5 МПа, смешивается с циркуляционным газом и через теплообменник 6, обогреваемый горячим реакционным газом, поступает в два параллельно работающих реактора синтеза метанола 7.
Технологическая схема синтеза метанола под низким давлением:
1,11,12- компрессоры; 2 - блок очистки; 3-блок конверсии метана; 4 - котел-утилизатор; 5 - блок очистки и доохлаждення синтез-газа; 6- теплообменник; 7 - реакторы синтеза метанола; 8-паросборник; 9 - холодильник; 10- газосепаратор в. д.
Реакторы трубчатого типа охлаждаются циркулирующей в межтрубном пространстве водой. Пар направляется в паросборник 8 , куда подается и химически очищенная вода. Конденсат из паросборника вновь поступает в реакторы 7, а водяной пар высокого давления направляется на перегрев и используется в турбинах. Продукты реакции направляются через теплообменник 6 , где отдают свое тепло синтез-газу, в конденсатор-холодильник 9 и в газосепаратор 10 для отделения метанола от циркуляционного газа. Последний поступает на прием циркуляционного компрессора 11 и вновь направляется в систему синтеза. Часть газа отдувают для удаления поступающих в систему инертных примесей (главным образом метана и азота). Метанол-сырец из газосепаратора 10 направляется на ректификацию.
Смесь монооксида углерода и водорода называется синтез-газ или сингаз, также применяется термин «водяной газ».
Смесь получаемых углеводородов очищают для получения целевого продукта - синтетического бензина. Получение более тяжелых топлив методом Фишера - Тропша экономически невыгодно из-за быстрого отравления катализатора .
После войны взятые в плен германские учёные участвовали в операции «Скрепка», продолжая работать над синтетическими топливами в Бюро горной промышленности США.
Впервые синтез углеводородов из смеси СО и Н 2 был осуществлён в начале XX века : Сабатье и Сандеренсом был синтезирован метан , Е. И. Орловым - этилен . В 1913 г компания BASF взяла патент на получение смесей углеводородов и спиртов из синтез-газа над подщелоченными Co-Os катализаторами (в дальнейшем это направление вылилось в создание процесса синтеза метанола). В 1923 г немецкие химики Ф. Фишер и Г. Тропш, сотрудники компании Ruhrchemie, сообщили о получении кислородсодержащих продуктов из синтез-газа над Fe катализаторами, а в 1926 г - углеводородов. Первый промышленный реактор был пущен в Германии в 1935 г, использовался Co-Th осажденный катализатор. В 1930-40-е гг на основе технологии Фишера - Тропша было налажено производство синтетического бензина (когазин-I, или синтин) с октановым числом 40-55, синтетической высококачественной дизельной фракции (когазин-II) с цетановым числом 75-100 и твёрдого парафина. Сырьём для процесса служил уголь, из которого газификацией получали синтез-газ, а из него углеводороды. К 1945 г в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера - Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла.
В годы после второй мировой войны синтезу ФТ уделяли большое внимание во всём мире, поскольку считалось, что запасы нефти подходят к концу, и надо искать ей замену. В 1950 г был пущен завод в Браунсвилле (Техас) на 360 тыс. т/г. В 1955 г южноафриканская компания Sasol построила собственное производство, существующее и развивающееся до сих пор. В Новочеркасске с 1952 работала установка мощностью около 50 тыс. т/г, использующая вывезенное из Германии оборудование. Сырьём служил сначала уголь донецкого бассейна, а затем природный газ. Немецкий Co-Th катализатор был со временем заменён на оригинальный, Co-Zr. На заводе была установлена колонна точной ректификации, так что в ассортимент продукции завода входили индивидуальные углеводороды высокой чистоты, в том числе α-олефины с нечетным углеродным номером. Установка работала на Новочеркасском заводе синтетических продуктов вплоть до 1990-х годов и была остановлена по экономическим причинам.
Все эти предприятия в значительной степени заимствовали опыт немецких химиков и инженеров, накопленный в 30-40-е годы.
Открытие обширных месторождений нефти в Аравии, Северном море, Нигерии, Аляске резко снизило интерес к синтезу ФТ. Почти все существующие заводы были закрыты, единственное крупное производство сохранилось в ЮАР. Активность в этой области возобновилась к 1990-м годам.
В 1990 г компания Exxon запустила опытную установку на 8 тыс. т/г с Co катализатором. В 1992 г южноафриканская компания Mossgas построила завод мощностью 900 тыс. т/г. В отличие от технологии Sasol, в качестве сырья здесь использовался природный газ с шельфового месторождения. В 1993 году компания Shell запустила завод в Бинтулу (Малайзия) мощностью 500 тыс. т/г, используя Co-Zr катализатор и оригинальную технологию «средних дистиллятов». Сырьём служит синтез-газ, получаемый парциальным окислением местного природного газа. В настоящее время Shell строит завод по той же технологии, но на порядок большей мощности в Катаре. Свои проекты в области синтеза ФТ разной степени проработки имеют также компании Chevron , Conoco , , ENI , Statoil , Rentech , Syntroleum и другие.
Научные основы процесса
Синтез ФТ можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию оксида углерода:
Типичными условиями проведения процесса являются: давление от 1 атм (для Co катализаторов) до 30 атм, температура 190-240 °C (низкотемпературный вариант синтеза, для Co и Fe катализаторов) или 320-350 °C (высокотемпературный вариант, для Fe).
Механизм реакции, несмотря на десятилетия его изучения, в деталях до сих пор остаётся неясен. Впрочем, эта слабая изученность реакций типична для гетерогенного катализа.
Термодинамические закономерности для продуктов синтеза Фишера - Тропша таковы:
- Возможно образование из СО и H 2 углеводородов любой молекулярной массы, вида и строения кроме ацетилена , образование которого энергетически невыгодно.
- Вероятность образования углеводородов уменьшается в ряду: метан > другие алканы > алкены . Вероятность образования нормальных алканов уменьшается, а нормальных алкенов повышается с увеличением длины цепи.
- Повышение общего давления в системе способствует образованию более тяжелых продуктов, а увеличение парциального давления водорода в синтез-газе благоприятствует образованию алканов.
Реальный состав продуктов синтеза углеводородов из СО и Н 2 существенно отличается от равновесного. В большинстве случаев распределение продуктов по молекулярной массе в стационарных условиях описывается формулой p(n) = n(1-α)²α n-1 , где p(n) - массовая доля углеводорода с углеродным номером n, α = k 1 /(k 1 +k 2), k 1 , k 2 - константы скорости роста и обрыва цепи, соответственно. Это т. н. распределение Андерсона - Шульца - Флори (ASF distribution). Метан (n=1) всегда присутствует в большем количестве, чем предписывается распределением ASF, поскольку образуется независимо по реакции прямого гидрирования. Величина α снижается с ростом температуры и, как правило, возрастает с ростом давления. Если в реакции образуются продукты разных гомологических рядов (парафины , олефины , спирты), то распределение для каждого из них может иметь свою величину α. Распределение ASF накладывает ограничения на максимальную селективность по любому углеводороду или узкой фракции. Это вторая проблема после проблемы отведения тепла реакции в синтезе Фишера - Тропша.
Синтезы на основе оксида углерода и водорода .
| Процесс | Катализатор | Носитель катализатора | Температура, °С | Давление, МПа | Продукт |
| Синтез метана | Ni | ThO 2 или MgO | 250-500 | 0,1 | Метан |
| Синтез высших углеводородов | Co, Ni | ThO 2 , MgO, ZrO 2 | 150-200 | 0,1-1 | Смесь парафинов и олефинов с длиной углеродной цепи С1-С100 |
| Синтез высших углеводородов и кислородсодержащих соединений | Fe | Cu, NaOH (KOH), Al 2 O 3 , SiO 2 | 200-230 | 0,1-3 | Преимущественно парафины и олефины в смеси с кислородсодержащими соединениями |
| Синтез парафинов | Со | TiO 2 , ZrO 2 , ThO 2 , MgO | 190-200 | 1 | Преимущественно твердые парафины с температурой плавления 70-98°С |
| Ru | MgO | 180-200 | 10-100 | Высокомолекулярные парафины | |
| Изосинтез | ZrO 2 , ThO 2 , Al 2 O 3 | K 2 CO 3 | 400-450 | 10 | Парафины и олефины преимущественно изостроения |
| ThO 2 | - | 350-500 | 10-100 | Изопарафины и ароматические углеводороды | |
| Синтез метанола | ZnO, Cr 2 O 3 , CuO | - | 200-400 | 5-30 | Метанол |
| Синтез высших спиртов | Fe, Fe-Cr, Zn-Cr | Al 2 O 3 , NaOH | 180-220, 380-490 | 1-3, 15-25 | Метанол и высшие спирты |
Использование
Во времена Третьего Рейха в Германии был построен ряд предприятий по производству энергоносителей из угля, залежи которого в больших количествах находятся на территории страны. В основном производство базировалось на разработанном в 1913 году процессе , для процесса Фишера - Тропша были выделены менее значительные мощности. До конца Второй мировой войны было реализовано в общем мощностей для производства до 4,275 миллионов тонн в год с помощью первого и до 1,55 тонн в год с помощью последнего процесса. Обе отрасли оказались неконкурентоспособными по сравнению с нефтедобывающей и были остановлены по окончании войны. Исследования возобновились во время нефтяного кризиса в 70-х годах 20-го века. Возникло предприятие в городе Боттроп, однако в конце 80-х цена за нефть упала до 20 долларов за баррель и из-за нерентабельности пришлось вновь остановить разработки .
В настоящее время две компании коммерчески используют свои технологии, основанные на процессе Фишера - Тропша. Shell в Бинтулу, Малайзия , использует природный газ в качестве сырья и производит, преимущественно, малосернистое дизельное топливо . В 1955 году в г. Сасолбурге (ЮАР) фирма Sasol ввела в строй первый завод по выпуску жидкого топлива из угля методом Фишера-Тропша. Уголь поступает непосредственно из угольных копей по транспортеру для получения синтез-газа. Затем были построены заводы Sasol-2 и Sasol-3. Процесс использовался для удовлетворения потребностей в энергии во время изоляции при режиме апартеида . Внимание к этому процессу возобновилось в процессе поиска путей получения малосернистых дизельных топлив для уменьшения наносимого дизельными двигателями вреда окружающей среде. В настоящее время в ЮАР производят этим методом 5-6 млн т/год углеводородов. Однако процесс является убыточным и дотируется государством как национальное достояние . Производство в ЮАР ориентируется не столько на производство моторного топлива, сколько на получение отдельных более ценных фракций, например, низших олефинов.
Маленькая американская компания Rentech в настоящее время сосредоточилась на преобразовании заводов по производству азотистых удобрений от использования в качестве сырья природного газа к использованию угля или кокса и жидких углеводородов в качестве побочного продукта.
В сентябре 2005 губернатор Эдвард Ренделл заявил о создании предприятия Waste Management and Processors Inc. - использующее технологии, лицензированные у Shell и Sasol. Будет построена фабрика, использующая синтез Фишера - Тропша для переработки так называемого бросового углерода (остатков от угледобычи) в малосернистое дизельное топливо на участке около города Mahanoy на северо-западе Филадельфии . Штат Пенсильвания взял на себя обязательство покупать значительный процент продукции завода и, вместе с Департаментом энергетики США (DoE), предложил более 140 миллионов долларов налоговых льгот. Прочие добывающие уголь штаты также разрабатывают подобные планы. Губернатор штата Монтана Бриан Швейцер (Brian Schweitzer) предложил построить завод, который будет использовать процесс Фишера - Тропша для превращения угольных запасов штата в топливо, чтобы уменьшить зависимость США от импорта нефти .
В начале 2006 года в США рассматривались проекты строительства 9 заводов по непрямому сжижению угля суммарной мощностью 90 - 250 тыс. баррелей в день.
Напишите отзыв о статье "Процесс Фишера - Тропша"
Примечания
Отрывок, характеризующий Процесс Фишера - Тропша
Не обращая на Балашева внимания, унтер офицер стал говорить с товарищами о своем полковом деле и не глядел на русского генерала.Необычайно странно было Балашеву, после близости к высшей власти и могуществу, после разговора три часа тому назад с государем и вообще привыкшему по своей службе к почестям, видеть тут, на русской земле, это враждебное и главное – непочтительное отношение к себе грубой силы.
Солнце только начинало подниматься из за туч; в воздухе было свежо и росисто. По дороге из деревни выгоняли стадо. В полях один за одним, как пузырьки в воде, вспырскивали с чувыканьем жаворонки.
Балашев оглядывался вокруг себя, ожидая приезда офицера из деревни. Русские казаки, и трубач, и французские гусары молча изредка глядели друг на друга.
Французский гусарский полковник, видимо, только что с постели, выехал из деревни на красивой сытой серой лошади, сопутствуемый двумя гусарами. На офицере, на солдатах и на их лошадях был вид довольства и щегольства.
Это было то первое время кампании, когда войска еще находились в исправности, почти равной смотровой, мирной деятельности, только с оттенком нарядной воинственности в одежде и с нравственным оттенком того веселья и предприимчивости, которые всегда сопутствуют началам кампаний.
Французский полковник с трудом удерживал зевоту, но был учтив и, видимо, понимал все значение Балашева. Он провел его мимо своих солдат за цепь и сообщил, что желание его быть представленну императору будет, вероятно, тотчас же исполнено, так как императорская квартира, сколько он знает, находится недалеко.
Они проехали деревню Рыконты, мимо французских гусарских коновязей, часовых и солдат, отдававших честь своему полковнику и с любопытством осматривавших русский мундир, и выехали на другую сторону села. По словам полковника, в двух километрах был начальник дивизии, который примет Балашева и проводит его по назначению.
Солнце уже поднялось и весело блестело на яркой зелени.
Только что они выехали за корчму на гору, как навстречу им из под горы показалась кучка всадников, впереди которой на вороной лошади с блестящею на солнце сбруей ехал высокий ростом человек в шляпе с перьями и черными, завитыми по плечи волосами, в красной мантии и с длинными ногами, выпяченными вперед, как ездят французы. Человек этот поехал галопом навстречу Балашеву, блестя и развеваясь на ярком июньском солнце своими перьями, каменьями и золотыми галунами.
Балашев уже был на расстоянии двух лошадей от скачущего ему навстречу с торжественно театральным лицом всадника в браслетах, перьях, ожерельях и золоте, когда Юльнер, французский полковник, почтительно прошептал: «Le roi de Naples». [Король Неаполитанский.] Действительно, это был Мюрат, называемый теперь неаполитанским королем. Хотя и было совершенно непонятно, почему он был неаполитанский король, но его называли так, и он сам был убежден в этом и потому имел более торжественный и важный вид, чем прежде. Он так был уверен в том, что он действительно неаполитанский король, что, когда накануне отъезда из Неаполя, во время его прогулки с женою по улицам Неаполя, несколько итальянцев прокричали ему: «Viva il re!», [Да здравствует король! (итал.) ] он с грустной улыбкой повернулся к супруге и сказал: «Les malheureux, ils ne savent pas que je les quitte demain! [Несчастные, они не знают, что я их завтра покидаю!]
Но несмотря на то, что он твердо верил в то, что он был неаполитанский король, и что он сожалел о горести своих покидаемых им подданных, в последнее время, после того как ему ведено было опять поступить на службу, и особенно после свидания с Наполеоном в Данциге, когда августейший шурин сказал ему: «Je vous ai fait Roi pour regner a maniere, mais pas a la votre», [Я вас сделал королем для того, чтобы царствовать не по своему, а по моему.] – он весело принялся за знакомое ему дело и, как разъевшийся, но не зажиревший, годный на службу конь, почуяв себя в упряжке, заиграл в оглоблях и, разрядившись как можно пестрее и дороже, веселый и довольный, скакал, сам не зная куда и зачем, по дорогам Польши.
Увидав русского генерала, он по королевски, торжественно, откинул назад голову с завитыми по плечи волосами и вопросительно поглядел на французского полковника. Полковник почтительно передал его величеству значение Балашева, фамилию которого он не мог выговорить.
– De Bal macheve! – сказал король (своей решительностью превозмогая трудность, представлявшуюся полковнику), – charme de faire votre connaissance, general, [очень приятно познакомиться с вами, генерал] – прибавил он с королевски милостивым жестом. Как только король начал говорить громко и быстро, все королевское достоинство мгновенно оставило его, и он, сам не замечая, перешел в свойственный ему тон добродушной фамильярности. Он положил свою руку на холку лошади Балашева.
– Eh, bien, general, tout est a la guerre, a ce qu"il parait, [Ну что ж, генерал, дело, кажется, идет к войне,] – сказал он, как будто сожалея об обстоятельстве, о котором он не мог судить.
– Sire, – отвечал Балашев. – l"Empereur mon maitre ne desire point la guerre, et comme Votre Majeste le voit, – говорил Балашев, во всех падежах употребляя Votre Majeste, [Государь император русский не желает ее, как ваше величество изволите видеть… ваше величество.] с неизбежной аффектацией учащения титула, обращаясь к лицу, для которого титул этот еще новость.
Лицо Мюрата сияло глупым довольством в то время, как он слушал monsieur de Balachoff. Но royaute oblige: [королевское звание имеет свои обязанности:] он чувствовал необходимость переговорить с посланником Александра о государственных делах, как король и союзник. Он слез с лошади и, взяв под руку Балашева и отойдя на несколько шагов от почтительно дожидавшейся свиты, стал ходить с ним взад и вперед, стараясь говорить значительно. Он упомянул о том, что император Наполеон оскорблен требованиями вывода войск из Пруссии, в особенности теперь, когда это требование сделалось всем известно и когда этим оскорблено достоинство Франции. Балашев сказал, что в требовании этом нет ничего оскорбительного, потому что… Мюрат перебил его:
– Так вы считаете зачинщиком не императора Александра? – сказал он неожиданно с добродушно глупой улыбкой.
Балашев сказал, почему он действительно полагал, что начинателем войны был Наполеон.
– Eh, mon cher general, – опять перебил его Мюрат, – je desire de tout mon c?ur que les Empereurs s"arrangent entre eux, et que la guerre commencee malgre moi se termine le plutot possible, [Ах, любезный генерал, я желаю от всей души, чтобы императоры покончили дело между собою и чтобы война, начатая против моей воли, окончилась как можно скорее.] – сказал он тоном разговора слуг, которые желают остаться добрыми приятелями, несмотря на ссору между господами. И он перешел к расспросам о великом князе, о его здоровье и о воспоминаниях весело и забавно проведенного с ним времени в Неаполе. Потом, как будто вдруг вспомнив о своем королевском достоинстве, Мюрат торжественно выпрямился, стал в ту же позу, в которой он стоял на коронации, и, помахивая правой рукой, сказал: – Je ne vous retiens plus, general; je souhaite le succes de vorte mission, [Я вас не задерживаю более, генерал; желаю успеха вашему посольству,] – и, развеваясь красной шитой мантией и перьями и блестя драгоценностями, он пошел к свите, почтительно ожидавшей его.
Балашев поехал дальше, по словам Мюрата предполагая весьма скоро быть представленным самому Наполеону. Но вместо скорой встречи с Наполеоном, часовые пехотного корпуса Даву опять так же задержали его у следующего селения, как и в передовой цепи, и вызванный адъютант командира корпуса проводил его в деревню к маршалу Даву.
Даву был Аракчеев императора Наполеона – Аракчеев не трус, но столь же исправный, жестокий и не умеющий выражать свою преданность иначе как жестокостью.
В механизме государственного организма нужны эти люди, как нужны волки в организме природы, и они всегда есть, всегда являются и держатся, как ни несообразно кажется их присутствие и близость к главе правительства. Только этой необходимостью можно объяснить то, как мог жестокий, лично выдиравший усы гренадерам и не могший по слабости нерв переносить опасность, необразованный, непридворный Аракчеев держаться в такой силе при рыцарски благородном и нежном характере Александра.
Балашев застал маршала Даву в сарае крестьянскои избы, сидящего на бочонке и занятого письменными работами (он поверял счеты). Адъютант стоял подле него. Возможно было найти лучшее помещение, но маршал Даву был один из тех людей, которые нарочно ставят себя в самые мрачные условия жизни, для того чтобы иметь право быть мрачными. Они для того же всегда поспешно и упорно заняты. «Где тут думать о счастливой стороне человеческой жизни, когда, вы видите, я на бочке сижу в грязном сарае и работаю», – говорило выражение его лица. Главное удовольствие и потребность этих людей состоит в том, чтобы, встретив оживление жизни, бросить этому оживлению в глаза спою мрачную, упорную деятельность. Это удовольствие доставил себе Даву, когда к нему ввели Балашева. Он еще более углубился в свою работу, когда вошел русский генерал, и, взглянув через очки на оживленное, под впечатлением прекрасного утра и беседы с Мюратом, лицо Балашева, не встал, не пошевелился даже, а еще больше нахмурился и злобно усмехнулся.
Заметив на лице Балашева произведенное этим приемом неприятное впечатление, Даву поднял голову и холодно спросил, что ему нужно.
Предполагая, что такой прием мог быть сделан ему только потому, что Даву не знает, что он генерал адъютант императора Александра и даже представитель его перед Наполеоном, Балашев поспешил сообщить свое звание и назначение. В противность ожидания его, Даву, выслушав Балашева, стал еще суровее и грубее.
– Где же ваш пакет? – сказал он. – Donnez le moi, ije l"enverrai a l"Empereur. [Дайте мне его, я пошлю императору.]
Балашев сказал, что он имеет приказание лично передать пакет самому императору.
– Приказания вашего императора исполняются в вашей армии, а здесь, – сказал Даву, – вы должны делать то, что вам говорят.
И как будто для того чтобы еще больше дать почувствовать русскому генералу его зависимость от грубой силы, Даву послал адъютанта за дежурным.
Балашев вынул пакет, заключавший письмо государя, и положил его на стол (стол, состоявший из двери, на которой торчали оторванные петли, положенной на два бочонка). Даву взял конверт и прочел надпись.
– Вы совершенно вправе оказывать или не оказывать мне уважение, – сказал Балашев. – Но позвольте вам заметить, что я имею честь носить звание генерал адъютанта его величества…
Даву взглянул на него молча, и некоторое волнение и смущение, выразившиеся на лице Балашева, видимо, доставили ему удовольствие.
– Вам будет оказано должное, – сказал он и, положив конверт в карман, вышел из сарая.
Через минуту вошел адъютант маршала господин де Кастре и провел Балашева в приготовленное для него помещение.
Балашев обедал в этот день с маршалом в том же сарае, на той же доске на бочках.
На другой день Даву выехал рано утром и, пригласив к себе Балашева, внушительно сказал ему, что он просит его оставаться здесь, подвигаться вместе с багажами, ежели они будут иметь на то приказания, и не разговаривать ни с кем, кроме как с господином де Кастро.
После четырехдневного уединения, скуки, сознания подвластности и ничтожества, особенно ощутительного после той среды могущества, в которой он так недавно находился, после нескольких переходов вместе с багажами маршала, с французскими войсками, занимавшими всю местность, Балашев привезен был в Вильну, занятую теперь французами, в ту же заставу, на которой он выехал четыре дня тому назад.
На другой день императорский камергер, monsieur de Turenne, приехал к Балашеву и передал ему желание императора Наполеона удостоить его аудиенции.
Четыре дня тому назад у того дома, к которому подвезли Балашева, стояли Преображенского полка часовые, теперь же стояли два французских гренадера в раскрытых на груди синих мундирах и в мохнатых шапках, конвой гусаров и улан и блестящая свита адъютантов, пажей и генералов, ожидавших выхода Наполеона вокруг стоявшей у крыльца верховой лошади и его мамелюка Рустава. Наполеон принимал Балашева в том самом доме в Вильве, из которого отправлял его Александр.
Несмотря на привычку Балашева к придворной торжественности, роскошь и пышность двора императора Наполеона поразили его.
Граф Тюрен ввел его в большую приемную, где дожидалось много генералов, камергеров и польских магнатов, из которых многих Балашев видал при дворе русского императора. Дюрок сказал, что император Наполеон примет русского генерала перед своей прогулкой.
После нескольких минут ожидания дежурный камергер вышел в большую приемную и, учтиво поклонившись Балашеву, пригласил его идти за собой.
Балашев вошел в маленькую приемную, из которой была одна дверь в кабинет, в тот самый кабинет, из которого отправлял его русский император. Балашев простоял один минуты две, ожидая. За дверью послышались поспешные шаги. Быстро отворились обе половинки двери, камергер, отворивший, почтительно остановился, ожидая, все затихло, и из кабинета зазвучали другие, твердые, решительные шаги: это был Наполеон. Он только что окончил свой туалет для верховой езды. Он был в синем мундире, раскрытом над белым жилетом, спускавшимся на круглый живот, в белых лосинах, обтягивающих жирные ляжки коротких ног, и в ботфортах. Короткие волоса его, очевидно, только что были причесаны, но одна прядь волос спускалась книзу над серединой широкого лба. Белая пухлая шея его резко выступала из за черного воротника мундира; от него пахло одеколоном. На моложавом полном лице его с выступающим подбородком было выражение милостивого и величественного императорского приветствия.
Он вышел, быстро подрагивая на каждом шагу и откинув несколько назад голову. Вся его потолстевшая, короткая фигура с широкими толстыми плечами и невольно выставленным вперед животом и грудью имела тот представительный, осанистый вид, который имеют в холе живущие сорокалетние люди. Кроме того, видно было, что он в этот день находился в самом хорошем расположении духа.
Он кивнул головою, отвечая на низкий и почтительный поклон Балашева, и, подойдя к нему, тотчас же стал говорить как человек, дорожащий всякой минутой своего времени и не снисходящий до того, чтобы приготавливать свои речи, а уверенный в том, что он всегда скажет хорошо и что нужно сказать.
– Здравствуйте, генерал! – сказал он. – Я получил письмо императора Александра, которое вы доставили, и очень рад вас видеть. – Он взглянул в лицо Балашева своими большими глазами и тотчас же стал смотреть вперед мимо него.
Очевидно было, что его не интересовала нисколько личность Балашева. Видно было, что только то, что происходило в его душе, имело интерес для него. Все, что было вне его, не имело для него значения, потому что все в мире, как ему казалось, зависело только от его воли.
– Я не желаю и не желал войны, – сказал он, – но меня вынудили к ней. Я и теперь (он сказал это слово с ударением) готов принять все объяснения, которые вы можете дать мне. – И он ясно и коротко стал излагать причины своего неудовольствия против русского правительства.
Судя по умеренно спокойному и дружелюбному тону, с которым говорил французский император, Балашев был твердо убежден, что он желает мира и намерен вступить в переговоры.
– Sire! L"Empereur, mon maitre, [Ваше величество! Император, государь мой,] – начал Балашев давно приготовленную речь, когда Наполеон, окончив свою речь, вопросительно взглянул на русского посла; но взгляд устремленных на него глаз императора смутил его. «Вы смущены – оправьтесь», – как будто сказал Наполеон, с чуть заметной улыбкой оглядывая мундир и шпагу Балашева. Балашев оправился и начал говорить. Он сказал, что император Александр не считает достаточной причиной для войны требование паспортов Куракиным, что Куракин поступил так по своему произволу и без согласия на то государя, что император Александр не желает войны и что с Англией нет никаких сношений.
– Еще нет, – вставил Наполеон и, как будто боясь отдаться своему чувству, нахмурился и слегка кивнул головой, давая этим чувствовать Балашеву, что он может продолжать.
Высказав все, что ему было приказано, Балашев сказал, что император Александр желает мира, но не приступит к переговорам иначе, как с тем условием, чтобы… Тут Балашев замялся: он вспомнил те слова, которые император Александр не написал в письме, но которые непременно приказал вставить в рескрипт Салтыкову и которые приказал Балашеву передать Наполеону. Балашев помнил про эти слова: «пока ни один вооруженный неприятель не останется на земле русской», но какое то сложное чувство удержало его. Он не мог сказать этих слов, хотя и хотел это сделать. Он замялся и сказал: с условием, чтобы французские войска отступили за Неман.
Наполеон заметил смущение Балашева при высказывании последних слов; лицо его дрогнуло, левая икра ноги начала мерно дрожать. Не сходя с места, он голосом, более высоким и поспешным, чем прежде, начал говорить. Во время последующей речи Балашев, не раз опуская глаза, невольно наблюдал дрожанье икры в левой ноге Наполеона, которое тем более усиливалось, чем более он возвышал голос.
– Я желаю мира не менее императора Александра, – начал он. – Не я ли осьмнадцать месяцев делаю все, чтобы получить его? Я осьмнадцать месяцев жду объяснений. Но для того, чтобы начать переговоры, чего же требуют от меня? – сказал он, нахмурившись и делая энергически вопросительный жест своей маленькой белой и пухлой рукой.
Синтез Фишера - Тропша - это химический процесс, который является ключевой стадией самого современного способа получения синтетических топлив. Почему говорят именно «синтез» или «процесс» и избегают слова «реакция»? Именами ученых, в данном случае Франца Фишера и Ганса Тропша, называют обычно отдельные реакции. Дело в том, что как таковой реакции Фишера - Тропша нет. Это комплекс процессов. Только основных реакций в этом процессе три, а насчитывают их не менее одиннадцати. В целом синтез Фишера - Тропша - это превращение так называемого синтез-газа в смесь жидких углеводородов. Синтез-газ - устойчивое выражение, появившееся еще в XIX веке, которым начали обозначать тогда продукт углехимии, представляющий собой смесь оксида углерода (угарного газа) и водорода. Так как из этой газовой смеси можно получать при помощи разных реакций самые разные синтетические продукты, а тут такое название, синтез-газ. Оно такое абсолютно на всех языках. Некоторые сокращают. Англичане говорят syngas . В русском технологическом языке такой традиции нет.
В 1919 году немецкие ученые обнаружили, что если использовать в качестве катализаторов металлы 8-й группы, то при температурах в районе 200 °C (плюс-минус 100 °C) можно получать смеси жидких углеводородов. Сразу было понятно, что это большое открытие и оно позволяет получать углеводородное топливо не из нефти. Для Германии после Первой мировой войны это было особенно важно. Страна находилась, как бы сейчас сказали, под жесткими санкциями. Своей нефти в Германии не было. А уж когда к власти в этой стране пришли нацисты и начали готовиться к войне, стимул стал чрезвычайно острым. Поэтому эти работы были очень серьезно поддержаны германским правительством. В результате в 1919 году было сделано открытие, а в 1934 году уже работал первый промышленный завод, а в 1938-м - еще четыре. И во время Второй мировой войны значительная часть потребностей Германии, а заодно и Японии в топливе удовлетворялась эрзац-топливом, полученным по методу Фишера - Тропша. Скорее всего, из-за этого печального факта эти замечательные ученые так Нобелевскую премию и не получили: слишком хорошо сработали.
Надо сказать, что процесс в том виде, в каком он был изобретен, в каком он был внедрен в промышленность Германии в 1930-е годы, сегодня не смог бы получить одобрения ни одной компании, ни одной группы по одобрению бизнес-планов: он был отвратителен, побочных реакций протекало на этих катализаторах огромное количество, сотни. В результате этих побочных реакций получалось большое количество продуктов. Классический завод первого поколения производил 74 продукта, то есть это целый химический город. Это очень много. И ведь каждый продукт нужно отделить, очистить, привести в продаваемую форму. А среди этих форм - стиральный порошок, мыло, растворители, чистящие средства, всевозможные пластификаторы для полимеров - все это очень нужные вещи. Но представьте себе, что перед вами как перед государственным деятелем или как перед бизнесменом стоит задача получить бензин, дизельное топливо, а тут на вас навешивают еще 71 продукт.
Это тяжело, во все это нужно вкладывать деньги. Поэтому ничего удивительного в том нет, что сразу после поражения Германии и Японии во Второй мировой войне эта промышленность умерла, потому что она не могла никак конкурировать с обычной нефтеперегонкой. Тем более в мире начался нефтяной бум, была открыта дешевая нефть Ближнего Востока, а за ней и другие доступные нефтяные месторождения. Одно, правда, было исключение, очень интересное, а именно: группа немецких ученых переехала в Южно-Африканскую Республику, а Южная Африка, отделившись, как тогда англичане полагали, незаконно от Британской империи, попала в ситуацию вновь политических санкций, эмбарго, тем более там стали развиваться такие неприятные вещи, как апартеид против черного населения, ухудшился доступ к нефтяным ресурсам, и поэтому правительство учредило компанию «Южноафриканская синтетическая нефть». Эта компания живет и здравствует по сей день. Она обеспечила в 1950-е годы развертывание промышленности синтетического топлива и процесса Фишера - Тропша на новом уровне в Южной Африке.
Это было второе поколение этого процесса, уже более интересное, не такое медленное, порождающее не так много побочных продуктов, как первое. Там даже тип химических реакторов был другой. Если в первом поколении применялись кожухотрубные реакторы, то есть катализатор в виде гранул насыпался внутрь реакционных труб и через эти трубы пропускался газ, то во втором поколении уже применялся так называемый кипящий слой. Кстати, гранулы кипели, поддерживаемые очень мощным потоком сырьевого газа снизу. Существенно лучше было это второе поколение, но вновь, как видите, мотивация для того, чтобы оно применялось, была чисто политическая. Был бы у Южно-Африканского Союза нормальный доступ к нефти, никогда бы они этим не занимались. Однако сохранилась компетенция, сохранился научно-технический потенциал и даже перешел на новый уровень.
Третье поколение технологий появилось в связи с нефтяным мировым кризисом 1973 года.
Арабские страны наложили нефтяное эмбарго против стран Запада, и здесь уже интересный эффект: западный мир, где немалую роль уже играли тогда транснациональные корпорации, использовал не государственный механизм, а именно эти корпорации как мотор для нового развития этих технологий. Крупные нефтяные компании изучили опыт южноафриканской компании Sasol и в течение 1970-х - начала 1980-х годов срочно создали третье поколение этих технологий. Это поколение царствует в промышленности по сей день. Оно очень интересное. Количество побочных продуктов у него уменьшилось: оно оставляет около 30, а в лучших своих проявлениях всего-навсего 14. Оно любопытно тем, что катализаторы, которые используются в технологиях третьего поколения, производят не смесь относительно легких и жидких углеводородов, как это делали первое и второе поколения, а так называемые воски, твердые парафины, то есть такие длинноцепочечные углеводороды, что они не являются жидкими в обычных условиях, они твердые, как свечка. Собственно говоря, в том числе и для свечек их используют. Это порождает некоторые дополнительные проблемы, потому что эти твердые вещества надо подвергать дальнейшей обработке, гидрокрекингу, рвать эти слишком длинные цепочки. Но в общетехнологическую логику, которую выстроили авторы технологии третьего поколения, все это прекрасно укладывается. И лидерами этих технологий оказались голландская компания Shell и все та же южноафриканская компания Sasol . Им принадлежат три завода в Южной Азии, где на сегодняшний день наиболее дешевый и доступный газ. И они прекрасно работают.
Очень любопытно, что все это время, пока в Южной Африке развивалось второе поколение, а на Западе - третье, в Советском Союзе 40 лет успешно работал завод первого поколения в Новочеркасске, привезенный по репарациям из Германии. Он до сих пор существует, хотя был остановлен в 1994 году. Хорошо бы из него сделать музей. Так вот, технологии третьего поколения все еще уступают нефтеперерабатывающим заводам - уже немного, но уступают. При наличии выбора у здравого инвестора будет всегда только одно решение: делать бензин или дизельное топливо из нефти. И вот в начале XXI века ряд научных групп в разных странах, в том числе у нас, начал работать над реализацией четвертого поколения, которое отличается тем, что каждая гранула катализатора в нем - это не просто носитель активного металла, а это самая настоящая многофункциональная фабрика, которая делает всё: она делает первичный синтез Фишера - Тропша, получает воск, проводит разбиение на части, группирует по фракциям и получает настоящее последнее топливо. Уже в 2016–2017 годах запланированы к пуску первые небольшие промышленные заводы этого четвертого поколения. И надо сказать, что и в третьем, и в четвертом поколении, так как продукт синтетический и топливо получается разбиением длинных цепочечных молекул, а для того, чтобы катализатор работал, нужно очистить газ от всевозможных примесей, синтетическая нефть получается, как говорят, премиального качества: без ядовитых примесей, без технологически тяжелых компонентов, без смол. И такой продукт является, как я полагаю, будущим отечественного и мирового транспорта и энергетики на весьма долгие годы.
Синтез Ф.Фишера-Г.Тропша можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию оксида углерода на гетерогенных катализаторах, ведущую к образованию смеси различных алкенов и алканов.
В качестве катализаторов использовались кобальт, железо, рутений, промотированные различными добавками. Состав продуктов зависит от природы катализатора, условий реакции и изменяется в очень широких пределах. При взаимодействии СО и Н 2 на кобальте, осажденном на кизельгуре и содержащем в качестве промоторов диоксид тория ТhО 2 и МgO, при 200°С и давлении 1-1,5 МПА (10-15 атм) получается около 80% парафинов нормального строения, 15% неразветвленных алкенов и около 5% разветвленных алканов. Получающаяся смесь углеводородов состоит из 45% низкого качества бензина, 23% дизельного топлива, 3% машинного масла и 27% высших твердых парафинов. Во время второй мировой войны этим способом в Германии и Японии осуществлялся синтез моторного топлива. Общая мощность производства в 1943-1944 годах достигала 1 млн тонн в год. Более дешевые и доступные железные катализаторы активны и стабильны в широком интервале температур и давлений. На осажденных железных катализаторах, содержащих SiO 2 , К 2 О и медь, получают смесь бензина (32%), 20% дизельного топлива и высших парафинов (48%), причем их соотношение меняется с изменением температуры. Бензин, получаемый на железных катализаторах, имеет лучшие моторные характеристики, чем бензин, производимый на кобальтовых катализаторах. Для получения высокомолекулярных парафинов ("полиметилена") - линейных алканов с молярной массой до 10 6 эффективным оказался мелкодисперсный рутений
при 150-200 о и давлении до 1000-2000 атм. Твердый парафин, называемый церезином, находит ограниченное применение в микробиологической и медицинской промышленности.
После окончания второй мировой войны установки по производству бензина и дизельного топлива по Фишеру-Тропшу в Европе и Японии были демонтированы из-за высокой себестоимости угля как источника топлива и высокой себестоимости процесса Фишера-Тропша. В настоящее время промышленное производство бензина и дизельного топлива этим методом осуществляется только в Южной Африке, не имеющей собственных нефтяных ресурсов и доступа к мировым источникам нефти. Добыча нефти, согласно предварительным оценкам, достигнет апогея в начале XXI столетия и затем начнет непрерывно уменьшаться. В перспективе добыча угля должна превзойти добычу нефти, и синтез углеводородов различных классов станет базироваться на угле. Несомненно, однако, что технология получения жидкого топлива из угля в будущем будет принципиально иной, чем в процессах Фишера-Тропша.
28.8.3. Производство метанола
Производство метанола на основе синтез-газа впервые было осуществлено в Германии в начале 1920-х годов.
Первоначально в качестве катализатора использовали смесь ZnO и Cr 2 O 3 , а саму реакцию проводили при 350-400° и высоком давлении до 300 атм. Это обеспечивало 10-15%-ную конверсию синтез-газа в метанол, в результате рециркуляции выход может быть повышен до 85%. Условия проведения процесса и аппаратура в этом случае такие же, как и при синтезе аммиака, поэтому производства метанола и аммиака часто объединяют (азотно-туковые заводы).
В 1960 году фирма ICI разработала процесс, где в качестве катализатора используется смесь CuO и ZnO, нанесенная на глинозем.
В настоящее время основное количество метанола получают каталитическим гидрированием СО при низком давлении на медно-цинковом катализаторе.
Традиционные, давно сформировавшиеся направления использования метанола заключаются в получении формальдегида, метиламинов, метилхлорида, метил-трет -бутилового эфира, диметилтерефталата. Около 40% производимого метанола превращают в формальдегид в результате дегидрирования или окисления.
Дегидрирование метанола эндотермично, а окисление сопровождается выделением тепла, поэтому в промышленности, как правило, объединяют оба эти процесса. Смесь воздуха и метанола, взятого с большим избытком, пропускают над серебром при 600-650°. Газы, вышедшие из реактора, охлаждают и растворяют в воде. Метанол отделяют и рециркулируют, выход формальдегида составляет 86-90%. Формальдегид получают в виде 37%-ного раствора в воде. Формальдегид находит применение в производстве феноло-формальдегидных смол.
При взаимодействии метанола в аммиаком при 350-500 о С и давлении 20 атм в присутствии Аl 2 O 3 происходит образование смеси метил-, диметил- и триметиламина.
Метилхлорид образуется при взаимодействии метанола и хлороводорода в газовой фазе при 300 о С в присутствии ZnCl 2 или CuCl 2 как катализатора.
Производство диметилтерефталата и метил-трет -бутилового эфира описано в других разделах этой главы.
В последние двадцать лет отчетливо проявляется большой и все возрастающий интерес к метанолу как исходному реагенту для самых разнообразных химических превращений. Этот интерес вызван тем, что он дешев и может быть получен практически из любого углеродсодержащего источника - нефти, газа, угля, торфа и даже бытового мусора, которые можно превратить в смесь СО и Н 2 . Из метанола в промышленных условиях может быть получено большое число практически важных веществ с применением как гетерогенного, так и в особенности гомогенного катализа. Перечислим только некоторые наиболее перспективные направления производства на основе метанола. Это производства уксусной кислоты, уксусного ангидрида, этанола, этиленгликоля, метилметакрилата, метилформиата, диметилформамида, некоторых видов топлива и т.д. Некоторые из них уже эксплуатируются в промышленном масштабе, другие находятся в стадии внедрения, а остальные разрабатываются большим числом исследовательских групп и найдут применение, по-видимому, в недалеком будущем. Возможно, в XXI столетии метанол, наряду с этиленом, станет одним из главных полупродуктов крупнотоннажного органического синтеза.
Процесс получения
Процесс Фишера – Тропша описывается следующим химическим уравнением
CO + 2 H 2 ----> --CH 2 -- + H 2 O
2 CO + H 2 ----> --CH 2 -- + CO 2 . Смесь монооксида углерода и водорода называется синтез-газ или сингаз. Получаемые углеводороды очищают для получения целевого продукта - синтетической нефти.
После войны взятые в плен германские учёные участвовали в операции «Скрепка» продолжая работать над синтетическими топливами в США в Бюро горной промышленности США.
Впервые синтез углеводородов из смеси СО и Н 2 был осуществлён в начале XX века : Сабатье и Сандеренсом был синтезирован метан , Е. И. Орловым - этилен . В 1913 г компания BASF взяла патент на получение смесей углеводородов и спиртов из синтез-газа над подщелоченными Co-Os катализаторами (в дальнейшем это направление вылилось в создание процесса синтеза метанола). В 1923 г немецкие химики Ф.Фишер и Г.Тропш, сотрудники компании Ruhrchemie, сообщили о получении кислородсодержащих продуктов из синтез-газа над Fe катализаторами, а в 1926 г - углеводородов. Первый промышленный реактор был пущен в Германии в 1935 г, использовался Co-Th осажденный катализатор. В 1930-40-е гг на основе технологии Фишера – Тропша было налажено производство синтетического бензина (когазин-I, или синтин) с октановым числом 40-55, синтетической высококачественной дизельной фракции (когазин-II) с цетановым числом 75-100 и твёрдого парафина. Сырьем для процесса служил уголь, из котоого газификацией получали синтез-газ, а из него углеводороды. К 1945 г в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера – Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн.т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла.
В годы после второй мировой войны синтезу ФТ уделяли большое внимание во всём мире, поскольку считалось, что запасы нефти подходят к концу, и надо искать ей замену. В 1950 г был пущен завод в Браунсвилле (Техас) на 360 тыс. т/г. В 1955 г южноафриканская компания Sasol построила собственное производство, существующее и развивающееся до сих пор. В Новочеркасске с 1952 работала установка мощностью около 50 тыс. т/г, использующая вывезенное из Германии оборудование. Сырьем служил сначала уголь донецкого бассейна, а затем природный газ. Немецкий Co-Th катализатор был со временем заменён на оригинальный, Co-Zr. На заводе была установлена колонна точной ректификации, так что в ассортимент продукции завода входили индивидуальные углеводороды высокой чистоты, в том числе α-олефины с нечетным углеродным номером. Установка работала на Новочеркасском заводе синтетических продуктов вплоть до 1990-х годов и была остановлена по экономическим причинам.
Все эти предприятия в значительной степени заимствовали опыт немецких химиков и инженеров, накопленный в 30-40-е годы.
Открытие обширных месторождений нефти в Аравии, Северном море, Нигерии, Аляске резко снизило интерес к синтезу ФТ. Почти все существующие заводы были закрыты, единственное крупное производство сохранилось в ЮАР. Активность в этой области возобновилась к 1990-м годам.
В 1990 г компания Exxon запустила опытную установку на 8 тыс. т/г с Co катализатором. В 1992 г южноафриканская компания Mossgas построила завод мощностью 900 тыс. т/г. В отличие от технологии Sasol, в качестве сырья здесь использовался природный газ с шельфового месторождения. В 1993 году компания Shell запустила завод в Бинтулу (Малайзия) мощностью 500 тыс. т/г, используя Co-Zr катализатор и оригинальную технологию «средних дистиллятов». Сырьем служит синтез-газ, получаемый парциальным окислением местного природного газа. В настоящее время Shell строит завод по той же технологии, но на порядок большей мощности в Катаре. Свои проекты в области синтеза ФТ разной степени проработки имеют также компании Chevron , Conoco , , ENI , Statoil , Rentech, Syntroleum и другие.
Научные основы процесса
Синтез ФТ можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию оксида углерода:
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nН 2 О
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nН 2 О
Тепловой эффект значителен, 165 кДж/моль СО.
Катализаторами служат металлы VIII группы: наиболее активен Ru, затем Co, Fe, Ni. Для увеличения поверхности их часто наносят на пористые носители, так силикагель и глинозём. В промышленности нашли применение только Fe и Co. Рутений слишком дорог, кроме того, его запасы на Земле слишком малы для использования в качестве катализатора в многотоннажных процессах. На никелевых катализаторах при атмосферном давлении образуется в основном метан (n=1), при повышении же давления никель образует летучий карбонил и вымывается из реактора.
Побочными реакциями синтеза углеводородов из СО и Н 2 являются:
- гидрирование оксида углерода до метана : СО + 3Н 2 → СН 4 + Н 2 О + 214 кДж/моль
- реакция Белла – Будуара (диспропорционирование СО): 2СО → СО 2 + С
- равновесие водяного газа: СО + Н 2 О ↔ СО 2 + Н 2
Последняя реакция имеет особое значение для катализаторов на основе железа, на кобальте она почти не протекает. На железных катализаторах, кроме того в значительных количествах образуются кислородсодержащие соединения - спирты и карбоновые кислоты.
Типичными условиями проведения процесса являются: давление от 1 атм (для Co катализаторов) до 30 атм, температура 190-240 °C (низкотемпературный вариант, для Co и Fe катализаторов) или 320-350 °C (высокотемпературный вариант, для Fe).
Механизм реакции, несмотря на десятилетия его изучения, в деталях остаётся неясен. Впрочем, эта ситуация типична для гетерогенного катализа.
Термодинамические закономерности для продуктов синтеза ФТ таковы:
- Возможно образование из СО и H 2 углеводородов любой молекулярной массы, вида и строения кроме ацетилена .
- Вероятность образования углеводородов уменьшается в ряду: метан > другие алканы > алкены . Вероятность образования нормальных алканов уменьшается, а нормальных алкенов повышается с увеличением длины цепи.
- Повышение общего давления в системе способствует образованию более тяжелых продуктов, а увеличение парциального давления водорода в синтез-газе благоприятствует образованию алканов.
Реальный состав продуктов синтеза углеводородов из СО и Н 2 существенно отличается от равновесного. В большинстве случаев распределение продуктов по молекулярной массе в стационарных условиях описывается формулой p(n) = n(1-α)²α n-1 , где p(n) - массовая доля углеводорода с углеродным номером n, α = k 1 /(k 1 +k 2), k 1 , k 2 - константы скорости роста и обрыва цепи, соответственно. Это т. н. распределение Андерсона – Шульца – Флори (ASF distribution). Метан (n=1) всегда присутствует в большем количестве, чем предписывается распределением ASF, поскольку образуется независимо по реакции прямого гидрирования. Величина α снижается с ростом температуры и, как правило, возрастает с ростом давления. Если в реакции образуются продукты разных гомологических рядов (парафины, олефины, спирты), то распределение для каждого из них может иметь свою величину α. Распределение ASF накладывает ограничения на максимальную селективность по любому углеводороду или узкой фракции. Это вторая, после теплосъема, проблема синтеза ФТ.
Использование
В настоящее время две компании коммерчески используют свои технологии, основанные на процессе Фишера – Тропша. Shell в Бинтулу, Малазия , использует природный газ в качестве сырья и производит, преимущественно, малосернистое дизельное топливо . Sasol в Южной Африке использует уголь в качестве сырья для производства разнообразных товарных продуктов из синтетической нефти. Процесс и сегодня используется в ЮАР для производства большей части дизельного топлива страны из угля компанией Sasol. Процесс использовался в ЮАР для удовлетворения потребностей в энергии во время изоляции при режиме апартеида . Внимание к этому процессу возобновилось в процессе поиска путей получения малосернистых дизельных топлив для уменьшения наносимого дизельными двигателями вреда окружающей среде. Маленькая американская компания Rentech в настоящее время сфокусировалась на преобразовании заводов по производству азотистых удобрений от использования в качестве сырья природного газа к использованию угля или кокса и жидких углеводородов в качестве побочного продукта.
В сентябре 2005 губернатор Эдвард Ренделл заявил о создании предприятия Waste Management and Processors Inc. - использующее технологии, лицензированные у Shell и Sasol. Будет построена фабрика, использующая синтез Фишера – Тропша для переработки так называемого бросового углерода (остатков от угледобычи) в малосернистое дизельное топливо на участке около города Mahanoy на северо-западе Филадельфии . Штат Пенсильвания взял на себя обязательство покупать значительный процент продукции завода и, вместе с Департаментом энергетики США (DoE), предложил более 140 миллионов долларов налоговых льгот. Прочие добывающие уголь штаты также разрабатывают подобные планы. Губернатор штата Монтана Бриан Швейцер (Brian Schweitzer) предложил построить завод, который будет использовать процесс Фишера – Тропша для превращения угольных запасов штата в топливо, чтобы уменьшить зависимость США от импорта нефти .
В начале 2006 года в США рассматривались проекты строительства 9 заводов по непрямому сжижению угля суммарной мощностью 90 – 250 тыс. баррелей в день.
Китай планирует инвестировать 15 млрд долл. до 2010-2015 гг. в строительство заводов по производству синтетического топлива из угля. Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) заявила, что суммарная мощность заводов по сжижению угля достигнет 16 млн тонн синтетического топлива в год, что составляет 5 % от потребления нефти в 2005 году и 10 % импорта нефти.
Технологии переработки угля в жидкое топливо порождают множество вопросов со стороны экологов. Наиболее серьёзной является проблема выбросов углекислого газа. Последние работы Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии США (National Renewable Energy Laboratory) показали, что в полном цикле выбросы парниковых газов для произведённых из каменного угля синтетических топлив примерно вдвое выше своего основанного на бензине эквивалента. Выбросы прочих загрязнителей также сильно увеличились, тем не менее, многие из них могут быть собраны в процессе производства. Захоронение углерода было предложено в качестве способа уменьшения выбросов оксида углерода. Закачка C O 2 в нефтяные пласты позволит увеличить добычу нефти и увеличить срок службы месторождений на 20-25 лет, однако использование данной технологии возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50-55 долл. за баррель. Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды, уровень которого составляет от 5 до 7 галлонов на каждый галлон полученного топлива.
