Техника и человек в 2000 году

Рис. 8. Коксование и гидрирование угля. Диаграмма иллюстрирует крупное значение гидрирования угля: налево — результат коксования; направо — результат современных методов.
Для угольного хозяйства до сих пор важное значение имел процесс, совершавшийся между 350° и 500°. Этот метод называется коксованием при низкой температуре, причем, как сказано, получается деготь и сырой газ. В качестве твердого остатка получается так называемый полукокс, содержащий еще соединения азота и 10 % летучих составных частей угля. При дальнейшей обработке этого полукокса с помощью более высокой температуры при 800° выделяется аммиак и водород, а при 1000°— только водород.
Чтобы исследовать уголь в отношении содержания побочных продуктов, Мюльгеймский институт, как и вообще в технике, пользуется так называемым перегонным аппаратом, состоящим из алюминиевой реторты, в которой равномерно нагревается наполняющий ее уголь. В этот аппарат вводятся небольшие количества угля, последний нагревается и получающийся деготь собирается в стеклянный сосуд и взвешивается. В целях еще более точного исследования дегтя пользуются вращающимся барабаном или вращающейся печью.
В первую очередь для извлечения высокоценных побочных продуктов обращаются к каменноугольному дегтю. Самыми главными составными частями его являются искусственная нефть и фенолы. Использование добываемой при этом искусственной нефти будет полным лишь в том случае, если перегонка будет осуществляться по методам, применяемым и в нефтяной промышленности. Труднее было проникнуть в сущность фенолов. Посредством открытого в Мюльгеймском институте метода фенолы путем нагревания с водородом до 750° в вылуженном изнутри железном аппарате при обыкновенном давлении могут быть превращены в бензол и толуол, давая весьма значительный выход этих веществ. По методу, применяемому обществом «Тетралин», возможно с помощью катализатора, в данном случае тонко измельченного никеля с водородом, превращать фенолы при незначительном давлении в моторное топливо, так называемый циклагексаноль.
Полукокс, продукт первичного коксования, также содержит еще все азотистые вещества угля, которые поддаются превращению как в газ, так и в масла.
Здесь уместно дать краткий обзор применения побочных продуктов, согласно таблице, составленной Эмилем Фишером:
Применение побочных продуктов.
1. Сера: сельское хозяйство и химическая промышленность.
2. Аммиак: сельское хозяйство.
3. Составные части дегтя: получение энергии в нефтяных моторах или в нефтяных турбинах.
4. Сырой газ: для химической переработки.
Применение основных продуктов.
1. Полукокс: а) топливо; б) для брикетирования; в) для сжигания в форме угольной пыли.
2. Генераторн. газ, получ. при газификации полукокса: а) для отопления, б) для газовых машин, в) для электрических элементов с горючим материалом, г) для термоэлементов, д) превращение газов в масла или химические продукты, напр., с помощью электрического разряда.
Из числа упомянутых здесь методов получения нефти из угля, описание которых заимствовано из статьи проф. Фишера в «Прусских ежегодниках» (185-й т.), огромное значение приобрела за последние годы бергинизация [4]. В 1913 г. проф. Бергиус в Гейдельберге занялся проблемой извлечения из угля его высокоценных элементов— различных масел. Он исходил из того факта, что минеральные масла (нефть, бензин) представляют собою соединение углерода и водорода. Из химии же известно, что синтез этих двух химических элементов представляет большие трудности. После неустанных попыток проф. Бергиус добился своей цели, и в настоящее время европейское угольное хозяйство стоит перед крупным переворотом, вызванным превращением угля в нефть. В Маннгейме-Рейнау были достигнуты путем упорной неустанной работы первые успехи. Проф. Бергиус пытался обрабатывать уголь при 150 атм. давления и 450° Ц. Таким путем он открыл возможность добывания масла из угля. Одновременно ученый открыл также, что получающийся в результате его процесса остаточный уголь способен не только выделять водород, как при коксовании, но при соответствующих условиях и поглощать его. Его задача теперь заключалась в том, чтобы сделать возможным химическое расщепление угля путем связывания водорода, одновременно избегая процесса коксования. После долгих усилий ему удалось химически связать углерод с водородом. Преимущество этого нового метода заключается главным образом в том, что для превращения угля в жидкое состояние могут применяться и малоценные сорта угля, что можно только приветствовать, принимая во внимание перепроизводство бурого угля в европейских угольных шахтах.
Химическая основа разжижения угля по методу Бергиуса заключается в следующем: известно, что уголь является смесью углеводорода с распыленным углеродом. Если теперь заставить водород вступить в подобную смесь, то происходят два явления: 1) тяжелые углеводороды угля ложатся как бы пластами на водород, превращаясь при этом в более легкие, насыщенные углеводороды; 2) углерод угля соединяется при высокой температуре с вводимым водородом в новые углеводороды, представляющие собою маслянистую смесь, что и означает разжижение угля.
Рис. 9. Превращение угля в нефть (гидрирование). Схематическое изображение установки для гидрирования угля по методу Бергиуса: а) пресс, Ь) нагнетательный сосуд, с) реакционный сосуд, в котором происходит разжижение угля, g) водородный насос, через который газ нагнетается в сосуд. Получаемые продукты направляются затем через трубопровод d) в холодильник, е) в приемник, ft) газ отделяется от жидкости. В газометре, i) собираются отпадающие углеводороды. Полученная нефть вытекает из приемника f).
Технически процесс бергинизации проводится, приблизительно, следующим образом: сосуд, в котором происходит реакция, представляет собою толстостенный котел, испытанный на давление в несколько сот атмосфер. В этом котле находится второй котел с тонкими стенками. Промежуточное пространство между внешним и внутренним котлами служит для нагревания до температуры в 400–500° Ц. С этой целью в промежуточное пространство нагнетаются под большим давлением сильно нагретые газы, причем указанное давление должно быть равно давлению внутри тонкостенного котла. Перегретые газы, отдав часть своего тепла, выходят из котла, конденсируются и снова, будучи нагреты, нагнетаются в промежуточное пространство между котлами. В разжижатель вдавливается паста из масла (продукта угля) и углерода, а также водород под давлением в 150 атм., и вся смесь равномерно размешивается. При этом процессе происходят упомянутые химические реакции, причем уголь превращается в кашеобразную маслянистую жидкость, которая затем покидает аппарат через вентиль вместе со смесью газообразных углеводородов.
Рис. 10. Реакционный сосуд длиной в восемь метров, в котором доктору Бергиусу удалось добиться разжижения угля.
Основную трудность при этом методе представляло получение водорода. Первоначально Бергиус добывал последний путем нагревания под высоким давлением воды и железных стружек в железных трубах. Но этот способ отличался кропотливостью и требовал больших издержек. В настоящее время — и это очень важно для экономичности всего метода — пользуются газообразными углеводородами, которые, как уже сказано, после процесса улетучиваются из разжижателя, т. е., иными словами, выделяющийся при превращении угля в нефть ценный водород улавливается и затем снова поступает в работу. Кроме того пользуются водородом из коксовальных газов, который, не требуя дополнительной очистки, довольно быстро вступает в реакцию с углем. Итак, весь необходимый для гидрирования водород добывается из самого угля.