Рассказ об искусственной нефти

Боевое задание

Это было в 1918 году. В городах и деревнях Советской России на стенах домов еще белели листовки с обращением В. И. Ленина: «Социалистическое отечество в опасности!» Все туже сжималось кольцо вражеской блокады вокруг молодой Советской республики. Не хватало угля. Останавливались заводы. Отрезанная от Баку республика осталась без нефти.

В один из летних дней 1918 года профессор Московского университета Николай Дмитриевич Зелинский получил от командования Красной Армии срочное боевое задание. Нужно было помочь зарождавшейся советской авиации, помочь фронту.

На старых, изношенных самолетах, рискуя жизнью, красные летчики сражались как герои. Каждый из них самоотверженно вступал в бой с несколькими самолетами врага — новенькими английскими машинами. Но одного мужества было мало: часто самолеты не могли подняться в воздух: не хватало бензина и смазки. Летчики, как могли, сами выходили да этого положения. В дело шли керосин, касторка... За самолетами в воздухе тянулись черные дымные хвосты. Случалось, что над расположением белых войск моторы отказывали, самолеты терпели аварии... И вот военное ведомство обратилось за помощью к известному русскому химику Н. Д. Зелинскому.

Единственным сырьем, которое мог использовать ученый для получения бензина, были мазут, соляровое масло и, частично, керосин. Используя эти тяжелые части нефти, профессор Зелинский сумел получить авиационный бензин высокого качества. Лучшие представители передовой русской науки помогли Зелинскому в этом важном деле. Летом 1918 года в лаборатории МГУ начались первые опыты, а уже в декабре бензин был испытан в аэродинамической лаборатории «дедушки русской авиации» Н. Е. Жуковского.

Советские самолеты получили первоклассное горючее. По своим качествам оно было лучше обычного «природного» бензина. В чем же заключался секрет этого удивительного превращения? Как удалось Н. Д. Зелинскому получить бензин из тяжелых нефтяных отходов?

Обычный метод получения бензина прост. Если подогревать нефть, то из нее испаряются самые легкие вещества — газы и бензин. Медленнее испаряется керосин, и, наконец, при высокой температуре закипают самые тяжелые фракции нефти — мазут и смолы. Из килограмма нефти при этом способе так называемой простой разгонки получают всего сто граммов бензина.

Правда, уже тогда, в 1918 году, в промышленности использовался нефтеперегонный аппарат, сконструированный замечательным русским инженером В. Г. Шуховым. Еще в 1891 году, сильно нагревая нефть под большим давлением без доступа воздуха, Шухов расщепил сложные молекулы нефти на более простые. А из таких сравнительно простых молекул и состоит бензин. В результате выход бензина увеличился почта в пять раз. Около половины всей обрабатываемой нефти можно было теперь превратить в бензин.

Метод Шухова, который до сих пор является основным методом переработки нефти, в начале века быстро перехватили американские дельцы. Они объявили его американским изобретением и присвоили ему английское название «крекинг» (то-естъ расщепление).

Ни простую разгонку, ни метод Шухова, для которых нужна была нефть, Зелинский использовать ее мог. Он еще раз внимательно изучил химический состав тяжелых нефтяных масел. Химики знали, что в нефть, так же как в каменный уголь и древесину, входят соединения нескольких веществ: углерода, водорода, кислорода и азота. Главные вещества, из которых состоит топливо — углеводороды, соединения углерода и водорода. Нефть почти целиком состоит из углеводородов самого различного состава и строения. Ученые заметили, что чем больше в топливе водорода, тем больше оно выделяет тепла при горении, или, как говорят, обладает большей калорийностью.

Нефть и каменный уголь содержат одинаковое количество углерода — около 87%. Но водорода в нефти — 12%, а в угле — всего 5%. Вот почему нефть горит жарче, чем уголь. Еще большей теплотворной способностью, чем нефть, обладает бензин: в него входит 16% водорода.

При расщеплений сложных нефтяных молекул по методу Шухова одновременно происходило другое интересное явление: к «осколкам» распавшихся молекул присоединялись атомы водорода. Получалось так, что часть молекул теряла водород и превращалась в тяжелые масла — смолы. Другая часть насыщалась этим водородом, образуя молекулы бензина и других легких фракций. Происходило своеобразное перераспределение водорода внутри вещества. Это явление и использовал Н. Д. Зелинский для получения бензина из нефтяных отходов.

Ученый внес в колбу, где нагревались нефтяные масла, несколько граммов хлористого алюминия. Реакция разложения нефтяных молекул пошла удивительно быстро. В присутствии хлористого алюминия сложные молекулы распадались при значительно меньшей температуре — 150°. Так впервые в химии нефти был попользован катализатор — вещество, которое ускоряет реакцию, но само в соединения не вступает.

В присутствии катализатора сложные молекулы нефти распадались иначе, чем при нагревании под давлением в аппарате Шухова. В отличие от горючего, полученного другими способами, бензин Зелинского почти не содержал углеводородов, молекулы которых имеют форму прямых «цепочек». И в этом прежде всего заключался секрет его качества. Дело в том, что бензин, содержащий много таких углеводородов, в цилиндрах двигателя детонирует, взрывается преждевременно и быстро выводит мотор из строя.

Насыщение молекул водородом назвали гидрогенизацией (от латинского слова «гидрогениум» — водород). «Оводороживание» топлива и широкое использование катализаторов, начатое академиком Н. Д. Зелинским, приобрели впоследствии огромную роль в производстве жидкого топлива.

Жидкий уголь

Огромны нефтяные ресурсы Советского Союза. Почти половина мировых запасов нефти находится на территории нашей страны. Море нефти — 80 млн. т — будет добыто в 1962 году.

Запасы нефти в СССР таковы, что даже при самых огромных размерах добычи нефти их хватит на много сотен лет. И все же у нас все шире развивается производство искусственного жидкого топлива. Его получают из каменного угля, горючих сланцев и других видов твердого топлива. Директивы XIX съезда партии по пятому пятилетнему плану подчеркивают необходимость «развить производство искусственного жидкого топлива».

Почему же так настойчиво расширяется в нашей стране производство искусственного жидкого топлива?

Жидкое топливо по сравнению с твердым топливом обладает многими преимуществами. Оно выделяет больше тепла. Его легче перевозить и удобнее подавать к печам. При сгорании оно не оставляет золы.

Но нефть не только источник жидкого топлива. Нефть — ценнейшее сырье для химической промышленности. Поэтому расходовать естественную нефть надо как можно рациональнее.

Взглянем на карту ископаемых и нефтяных месторождений. Среди мировых запасов топлива всего две тысячные доли процента—10 млрд.т— приходится на нефть. Месторождения нефти редкими каплями затерялись в море угля. 96% мировых запасов топлива — это уголь. Уголь есть всюду, в любой Советской республике, на юге и в Сибири. Его не надо, как нефть, перевозить издалека. Кстати, о перевозках. Если, например, доставлять бакинскую нефть в Иркутск, она будет стоить в два с половиной раза дороже, чем в Баку. Производить жидкое топливо в местах, удаленных от нефтяных районов, значит сократить расходы на перевозку, разгрузить транспорт. Это значит сделать еще более мощной энергетическую базу советских республик, осуществить принцип социалистического размещения производительных сил.

Так сама жизнь поставила вопрос о получений жидкого топлива из угля.

Уголь и нефть — родные братья. Оба они состоят из смеси самых различных углеводородов. Их молекулы можно сравнить с домами. Оной отличаются друг от друга размерами, «конструкцией», но все они сложены из одинаковых кирпичей. Такими «кирпичами» для большинства жидких углеводородов являются молекулы обыкновенного болотного газа — метана. В каждой из молекул метана четыре атома водорода связаны с одним атомом углерода.

Соединяясь в сложные кольца или длинные цепи, молекулы метана могут образовать газообразные, жидкие и твердые углеводороды. Если соединить между собой больше четырех молекул метана, можно получить жидкое топливо, бензин, керосин, смазочные масла. Начиная с соединения в четырнадцать молекул метана, идут твердые вещества — парафины. В их молекулы зачастую входят десятки углеродных атомов. Если разложить парафин, можно получить вещества с более легкими молекулами. Так из каждой молекулы вазелина — одного из парафинов — при расщеплении получаются яре молекулы бензина.

Но парафины есть не только в нефти. Их можно получить и из угля. При сухой перегонке угля, когда уголь разлагают на составные части, нагревая его без доступа воздуха, выделяются смолы, удивительно похожие на те тяжелые нефтяные масла, из которых получил бензин Н. Д. Зелинский. Это сходство словно подсказывало химикам мысль подвергнуть уголь такой же обработке, что и нефть.

Мысль насытить водородом уголь дала плодотворные результаты. Гидрогенизация угля в настоящее время — основной метод получения искусственного жидкого топлива.

При гидрогенизации мелко размолотый угольный порошок смешивается с тяжелыми маслами-смолами, также полученными из угля. Эту густую пасту специальные насосы подают в подогреватель. Сюда же нагнетается водород. Нагретая смесь идет в реактор — огромную стальную камеру высотой в пятиэтажный дом. Она весит около 100 т и обладает исключительной прочностью: ей приходится выдерживать давление до 700 атмосфер при температуре 500°.

Молекулы угля, попав в камеру, распадаются. К «осколкам» молекул в местах разрыва присоединяется водород.

Уголь перешел в жидкое состояние.

Для сжижения угля имеет значение не только соотношение между углеродом и водородом, но и размеры и строение новых молекул. Поэтому сложные реакции разложения и соединения едут в присутствии катализаторов. Обычно это окись железа, которая »в виде порошка замешивается в угольную пасту.

Продукт гидрогенизации — своеобразную искусственную нефть — подвергают дальнейшей переработке. Пары легких фракций при охлаждении конденсируются, сгущаются. Их пока немного. Основной продукт первичной гидрогенизации — средние и тяжелые масла. Чтобы «облагородить» их, превратить в легкие фракции, их направляют в следующую камеру – реактор. Здесь процесс гидрогенизации продолжается, но уже при меньшем давлении и температуре. В результате из каждой тонны угля, прошедшей через, камеры, получается до 800 кг искусственного жидкого топлива или газов.

Куда же идут остальные 200 кг?

Сюда входят минеральная часть угля и самые тяжелые масла и смолы. Часть тяжелых масел даже после вторичной гидрогенизации остается в виде густых смол. Но и эти отходы используются до конца. На них замешивают новую порцию угольной пасты. Таким образом, в конечном счете вся органическая часть угля переходит в жидкое топливо.

Так получают моторное топливо непосредственно из угля.

Лучше, чем в природе

Еще в конце прошлого века Н. Д. Зелинский обратил внимание на разницу в строении молекул нефти. Большинство молекул высококачественной бакинской нефти представляет собой замкнутые кольца углеродных атомов, к которым по бокам присоединены атомы водорода. От такого циклического строения молекул и зависит прежде всего высокое качество топлива. Грозненская нефть содержит меньше нафтенов — циклических углеводородов. В ней преобладают молекулы метанового ряда, растянутые в виде цепочек атомов. Бензин, полученный из грозненской нефти, при сжатии в цилиндрах двигателей, детонировал, самопроизвольно взрывался гораздо раньше того момента, когда между электродами свечи проскакивала запальная искра.

Много хлопот доставило это явление и химикам и моторостроителям, которые всегда стремились увеличить мощность моторов. Мощность и коэффициент полезного действия двигателя зависит прежде всего от того, насколько сильно поршни в цилиндре сжимают горючую смесь. Степень сжатия (то-есть отношение объема всего цилиндра к объему предельно сжатой в цилиндре горючей смеси) – одна из важнейших характеристик двигателя. Чем больше степень сжатия, тем мощнее и экономичнее двигатель. Если, например, повысить степень сжатия у автомобильного мотора с 5,25 до 10,3, то автомобиль, двигаясь со скоростью 40 км/час, будет расходовать горючего вдвое меньше и пройдет на одном баке бензина вдвое большее расстояние.

Самолет, у которого степень сжатия в цилиндрах увеличена, взлетает с меньшего разбега, быстрее поднимается на большую высоту, поднимает больше груза, летит дальше и расходует меньше бензина.

Но вот беда: пары обычного бензина не выдерживают большого сжатия и детонируют. Двигатель быстро перегревается, начинает стучать, словно вот-вот развалится. Мощность его резко падает.

При детонаций прогорают поршневые кольца и днище поршня, разрушаются подшипники.

Детонация — смертельный враг мотора. Много сил приложили ученые, чтобы одолеть его. Они стали подбирать для двигателей бензины с высокими антидетонационными свойствами.

Эти свойства горючего оценивают по так называемому октановому числу. Если говорят, что октановое число горючего — 60, это значит, что его детонационные свойства такие же, как у смеси, содержащей 60% изооктана и 40% гептана. Эти два вещества были взяты за эталон не случайно: изооктан очень хорошо противостоит детонации (его октановое число поэтому было приравнено к 100), а гептан, наоборот, детонирует легче всех других жидких углеводородов (его октановое число приняли за 0).

Получилась своеобразная шкала, по которой можно узнать, как детонирует, высок ли качеством тот или другой сорт бензина.

Чем выше октановое число бензина, тем сильнее можно сжимать в цилиндрах горючую смесь, не опасаясь детонации, тем мощнее и экономичнее двигатель. Первое время самолетные двигатели работали на бензине с октановым числом 50 —55. Использование в авиации бензина с октановым числом 87 позволило повысить мощность моторов на 30—35%, Появление 100-октанового бензина помогло поднять мощность двигателей еще на 15 – 30%. Другими словами современные двигатели стали почти вдвое мощнее, чем «старинные» моторы с таким нее объемом цилиндров.

Казалось бы, качества 100-октановото бензина — это предел, установленный самой природой. Но этот предел, как и немало других, сумела перешагнуть наука, вооруженная передовой техникой. Современные самолеты летают на бензине с октановым числом намного выше 100. Нет в мире нефти, в которой бы содержался бензин столь высокого качества. Такой бензин можно получить лишь искусственным путем — путем синтеза.

Синтез углеводородов давно был заманчивой целью для многих поколений химиков. Академик Н. Д. Зелинский в 1931 году писал: «Когда химик знакомится со строением нефтяных углеводородов и изучает их свойства, он не может не удивляться, насколько легко природа создала эти удивительные формы, которые так трудно приготовить синтетически».

В наши дни высококачественное жидкое топливо получают из низкокачественных бензинов и газов путем перестройки прямых цепочек в ветвистые и кольчатые структуры.

Жидкое топливо из газов

Трудно представить, что из таких простых веществ как угарный газ (то-есть окись углерода) и водород, можно получить сложные органические соединения, самые разнообразные сорта жидкого топлива.

Для получения жидкого топлива нужно иметь смесь этих газов, в которой на каждую часть окиси углерода приходилось бы две части водорода. Такую смесь получают в специальных аппаратах — газогенераторах. Через слой раскаленного кокса продувают смесь водяного пара и воздуха. Кислород воздуха, соединяясь с углеродом, образует угарный газ. Этот процесс называют газификацией угля. При разложении молекул воды выделяется водород. Смесь водорода и угарного газа направляют в холодильники. Отсюда так называемый водяной газ идет в реактор. При температуре 200° под воздействием наиболее активных катализаторов — кобальта или никеля — окись углерода и водород вступают в химическое соединение. Из большого числа легких газовых молекул образуются сложные тяжелые вещества.

Катализаторы не только способствуют образованию простых соединений углерода и водорода, но и влияют на дальнейшее усложнение — полимеризацию молекул: углеродные атомы соединяются в цепи, кольца, обрастают атомами водорода. Заново возникают самые разнообразные углеводороды — от легких газов (начиная от метана) до твердых, высокоплавких парафинов, содержащих в каждой молекуле до 100 атомов углерода. Примерно 60% первоначально взятой газовой смеси переходит в жидкое топливо. Это и есть искусственно приготовленная нефть, мало чем отличающаяся от обычной, природной нефти.

Войдем в цех, где происходит синтез горючего. Железные аппараты окружены сложными переплетениями толстых труб. В цехе тихо и безлюдно. Специальные приборы автоматически управляют процессом, сами записывают температуру и давление. Интересно, что процесс образования жидкого топлива идет при обычном атмосферном 'давлении и температуре всего около 200°. При синтезе топлива из газов не нужна дорогостоящая аппаратура для создания больших давлений и температур. Это выгодно отличает синтез от гидрогенизации угля.

Из продуктов синтеза в результате разгонки выходит до 45% бензина и около 25% дизельного топлива.

Советская промышленность выпускает сейчас сотни тысяч дизельных моторов, работающих на смесях из высококипящего тяжелого нефтяного топлива.

Все больше становится могучих 25-тонных грузовиков — самосвалов, кораблей-теплоходов, экскаваторов и других машин, на которых установлены дизели. Увеличивается автомобильный и тракторный парк.

Непрерывно растет и производство искусственного дизельного топлива.

Если при синтезе повысить давление до 10 - 12 атмосфер, бензина получается меньше. Зато образуется больше тяжелых углеводородов. Дизельного топлива выходит уже не 25, а 35%.

Так химики управляют процессами, получая топливо нужного сорта.

Преимущества этого способа открывают ему большие перспективы. Жидкое топливо может быть получено из любого, даже самого низкосортного бурого угля.

Предварительная газификация топлива делает возможным получение бензина из горючих сланцев и даже торфа, не говоря уже об использовании для этой цели природного газа. В 1951 — 1955 годах строятся новые заводы для производства синтетического жидкого топлива из каменного угля, сланцев и торфа. Только в Эстонской ССР на базе местных сланцев выпуск такого топлива за пятилетку увеличится на 80%.

С.Гущев
Рис. Б, Дашкова и А.Катковского
журнал "Техника - молодежи" №7, 1954 год