Чтение онлайн

Наиболее целесообразным способом извлечения из угля ценных веществ, особенно масел, являлся способ разложения угля при сухой перегонке. Если при нагревании угля медленно повышать температуру, необходимую для сушки, то при этом процессе имеют место следующие явления: при 100° появляется водяной пар, при 330° — углекислота и сернистый водород, при 500° — сырой газ и деготь, при 800° — аммиак и водород и при 1 000° — водород. При этом методе, разумеется, самое главное в том, чтобы располагать соответствующим высокоценным углем, который обеспечивает получение соответственно ценных побочных продуктов.

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.

Свыше 80 % германского каменного угля, а также большинство сортов бурого угля является пригодным материалом для этого метода. Обычно неохотно применяемые мелкий уголь и угольная пыль как раз здесь встречаются с распростертыми объятиями. Как известно, в рудниках скопляются сплошь и рядом огромные количества малоценных углей, которые не находят себе сбыта. При 400–500 атм. давления в течение одного часа в котле, емкостью, примерно, в 1 000 л, перерабатывается до 800 кг угля.

Об экономическом значении нового метода высказался сам проф. Бергиус в 1926 г. в Берлине в докладе на тему: «Какое влияние может оказать добывание искусственной нефти на нефтяное хозяйство». Бергиус исходил из современного состояния нефтяного хозяйства, которое характеризуется неслыханным расцветом автомобильного транспорта и беспрерывным ростом применения нефти в морском транспорте. Те опасные свойства нефти, благодаря которым она является хорошим источником энергии нестационарных (подвижных) машин, сообщают ей также характер военного материала первостепенной важности. Это обстоятельство в сочетании с тем фактом, что Европа весьма обделена этим важным ископаемым, логически толкает Англию к определенной нефтяной политике, налагающей на нее различные финансовые жертвы. Нефтяное хозяйство Англии пользуется государственной поддержкой, но все же только крупнейшие чрезвычайно сильные предприятия в состоянии взять на себя риск, сопряженный с промышленным добыванием нефти. Поэтому подлинными представителями нефтяного хозяйства являются крупные концерны; но положение может измениться, если наступит предсказываемое геологами истощение нефтяных залежей, и усложнение условий добычи повысит цену на нефть. Время поэтому подумать об открытии новой сырьевой базы для будущего добывания нефти. Если рассмотреть распределение топливных ресурсов на земном шаре, то единственным, с точки зрения химии, мыслимым исходным сырьем для получения нефти является уголь. Применявшиеся до сего времени методы коксования и перегонки не удовлетворяют задаче разрешения вопроса о нефти во всем ее объеме; ибо добывание нефти, обремененное добыванием кокса или полукокса, экономически совершенно нежизнеспособно. Уголь поэтому необходимо превращать в нефть в максимальном размере — задача, которую способен разрешить лишь метод гидрирования. Первые лабораторные опыты над гидрированием угля начались уже 13 лет тому назад. Процесс гидрирования основан на легко понятном и для неспециалиста явлении, заключающемся в том, что минеральный уголь, который нагревают приблизительно до 400° Ц под высоким давлением на него водорода, жадно поглощает этот водород, так что из твердого угля получаются жидкие углеводороды. Удалось также найти способ дешево получать необходимый водород из газа самой реакции. Эти газы — так называемые низшие углеводороды — при высокой температуре расщепляются, и путем введения водяного пара получается газовая смесь, которая после надлежащей очистки обладает достаточно высокой концентрацией водорода. Преимуществом способа Бергиуса является то, что он не нуждается, как это имеет место при получении синтетического аммиака, в химически чистом водороде.