Получение искусственного жидкого топлива

 

В настоящее время основу топливно-энергетического баланса составляют нефть и природный газ, т.е. углеводороды, которые сами являются и отличным сырьем для производства органических продуктов – из нефти и газа производится более 95 % органических материалов. Но запасы органического топлива не беспредельны, это – невозобновляемое топливо и невозобновляемое сырье. Поэтому со всей очевидностью встает вопрос о пересмотре топливно-энергетического баланса в сторону других топлив, и, прежде всего угля, так как его запасы более значительны (табл.8).

Таблица 8. Мировые ресурсы ископаемого топлива

Топливо	Ресурсы, млрд. тут
Пригодные к эксплуатации	по прогнозам
Природный газ	72,1 (6,75 %)	360,0 (4,9 %)
Газоконденсат	72,1 (6,75 %)	36,9 (0,5 %)
Нефть	122,0 (11,4 %)	565,0 (7,7 %)
Битуминозные сланцы	54,0 (5,05 %)	500,0 (6,7 %)
Уголь	813,0 (77,1 %)	5900,0 (80,2 %)
В С Е Г О	1068,2	7364,6

 

Но прежде чем перейти к проблеме искусственного жидкого топлива, получаемого из угля, немного поговорить о жидком топливе, и в связи с этим, о переработке нефти.

Нефть и продукты ее переработки широко используются в народном хозяйстве, нефть - важнейшее жидкое топливо. Процессы переработки нефти известны давно. Еще в середине XIX века получали из нефти керосин (для освещения), а остальное сжигали как топливо. Развитие автомобильного, а затем и авиационного транспорта способствовало увеличению спроса на бензин, что привело к разработке новых методов переработки нефти.

Нефть в основном (90-98 %) состоит из углерода и водорода, немного в ней кислорода (0,1-1,0 %), немного серы (до 3 %), немного азота (до 0,4 %). Теплотворная способность нефти около 44000 кДж/кг, температура кипения обычно ниже 100⁰С, а температура застывания колеблется от –20 до +20⁰С. Нефть – сложная смесь углеводородов. Кроме углеводородной в нефти имеется небольшая неуглеводородная часть и минеральные примеси. Углеводородная часть нефти состоит из парафиновых, нафтеновых и ароматических углеводородов, причем по молекулярной массе эти углеводороды обладают очень широким спектром: от газообразных парафинов типа СН₄ до твердых высокомолекулярных растворенных в нефти полициклических полиметиленовых углеводородов.

Прежде всего, нефть разгоняют (предварительно, естественно, чистят), получают такие фракции (табл.9).

 

Таблица 9. Первоначальная (прямая) разгонка нефти

Фракция	Температура отбора, ^0С	Выход, %
Бензиновая	До 170	14,5
Лигроиновая	160 – 200	7,5
Керосиновая	200 – 300	18,0
Соляровая	300 – 350	5,0
Остаток (мазут)		55,0

 

Выход бензина при прямой гонке зависит от состава нефти и колеблется от 3 до 20 %. Бензин прямой гонки состоит в основном из парафиновых и нафтеновых углеводородов. Октановое число таких бензинов изменяется в пределах от 50 до 78. Добавка этиловой жидкости позволяет получать из них бензины с октановым числом до 95. Вакуумной разгонкой мазута получают различные смазочные масла (веретенное, машинное, цилиндровое) и остаток – гудрон (до 30 %). Разогнанные продукты в дальнейшем подвергают дополнительной переработке: в основном, это различные виды крекинга, особенно термический и каталитический крекинг. Причем есть такие разновидности крекинга, как каталитический риформинг (который в свою очередь разделяется на платформинг и гидроформинг). Это все различные виды каталитического крекинга (различные катализаторы, различные температуры, различные давления, различные среды).

Проведение вторичных процессов позволяет повысить выход бензина до 45–50 %, а также получать сырье для нефтехимической промышленности – газообразные и жидкие олефины, индивидуальные ароматические углеводороды.

Важное свойство бензина, которое характеризует его способность противостоять преждевременному воспламенению в камере сгорания – детонационная стойкость. Стук в двигателе указывает обычно на то, что произошло опережающее взрывное воспламенение, и энергия расходуется бесполезно. Детонация приводит к перегреву двигателя, неполному сгоранию топлива, дымлению отработанных газов, падению мощности, прогару поршней и выводу двигателя из строя. Эксплуатировать двигатель при наличии детонации нельзя. Склонность топлива к детонации зависит от его углеводородного состава, а также от конструктивных и эксплуатационных факторов.

Октановое число есть показатель детонационной стойкости топлива, численно равный содержанию (в % об.) изооктана в смеси его с н-гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна топливу, испытуемому в стандартных условиях. Так, топливо с октановым числом 90 по своей детонационной стойкости эквивалентно смеси, состоящей из 90 % (об.) изооктана и 10 % (об.) н-гептана. По эмпирической шкале октановое число для н-гептана равно 0, а для изооктана – равно 100. Правда, сейчас уже найдены эталоны, превосходящие по детонационной стойкости изооктан, и в настоящее время октановая шкала расширена до 120.

Октановое число зависит от состава топлива (бензина): увеличению октанового числа способствует присутствие в топливе изопарафинов и ароматики. Для увеличения октанового числа к бензину добавляют антидетонаторы, наиболее эффективными и дешевыми антидетонацион-ными присадками являются органические соединения свинца — тетраэтилсвинец (ТЭС) и тетраметилсвинец. Наиболее широко используется ТЭС, он применяется в виде этиловой жидкости, в состав которой входят галогенуглеводороды (бромистый этил, дибромэтан, дибромпропан), способствующие удалению из камеры сгорания твердых продуктов сгорания ТЭС, содержащих свинец.

Механизм действия ТЭС можно представить следующим образом. В двигателе при повышенных температурах ТЭС диссоциирует с образованием свинца и углеводородов: Pb(C₂H₅)₄ Pb+4C₂H_5. Окисляясь, свинец образует диоксид PbO_2.. Последний, взаимодействуя с первичными продуктами окисления углеводородов – пероксидами, накопление которых в рабочей смеси обусловливает детонационное сгорание, разрушает их с образованием малоактивных продуктов окисления и оксида свинца и тем самым предотвращает детонацию:

RCH₂OOH + PbO₂ RCHO + PbO + H₂O + 0,5O₂.

Оксид свинца образует с галогенуглеводородами (которые входят в состав этиловой жидкости) летучие продукты, выносимые из двигателя вместе с отработанными газами. Свинец, содержащийся в выхлопных газах, наносит огромный вред окружающей среде. В 1 кг товарного этилированного бензина А-76 может содержаться до 0.24 г свинца. При его сгорании в атмосферу попадает почти 0.2 г свинца. Однако выпуск этилированного бензина в России продолжается. Объем его производства составляет около 30 %. Но от его использования в развитых странах отказались еще в середине 90-х.

Разработаны менее токсичные антидетонаторы, например, метилцикло-пентадиенилтрикарбонилмарганец СН₃С₅Н₄Мn(СО)₃, димер карбонил-циклопентадиенилникель [Ni(CO)(C₅H₄)]₂, ферроцен Fe(C₅H₅)₂ и некоторые др. К сожалению, эти антидетонаторы образуют твердый нагар на стенках цилиндров в значительно бо́льших количествах, чем ТЭС. Сейчас на смену ТЭС приходят новые высокооктановые антидетонаторы, например, такие как метил- трет -бутиловый эфир и метил- трет -амиловый эфир. Применение этих соединений, получаемых на базе изобутана, изопентана и метанола, не только позволяет повысить октановое число автобензина и улучшить состав выхлопных газов, но и обеспечить экономию нефти.

В конце 70-х годов во многих странах значительное развитие получили работы по созданию новых процессов производства искусственных жидких топлив из угля и горючих сланцев.

Производство искусственного жидкого топлива (ИЖТ) сейчас еще очень дорого. Поэтому в настоящее время нигде в мире, кроме ЮАР, нет промышленных установок его получения. Однако из-за постоянного роста цен на нефть и понижения себестоимости угля при открытом способе его добычи можно предполагать, что в недалеком будущем производство ИЖТ все же будет рентабельным и сможет конкурировать с нефтепереработкой.

Начало существования проблемы ИЖТ можно отнести к началу ХХ века, когда определился главный и весьма емкий потребитель жидкого топлива – транспортные и силовые ДВС, число и мощность которых постоянно нарастали. Мировое потребление нефтяного топлива в это время достигало примерно 50 млн т в год. При этом выделялась крайняя неравномерность географического распределения нефтяных ресурсов – до 90 % мировой добычи нефти концентрировалось в России и США. Все остальные страны были вынуждены ввозить нефтепродукты из этих двух стран, либо применять низкокачественные заменители, которые получались сухой перегонкой твердого топлива (т.е. угля, сланцев, древесины). В это же время уже известные запасы угля в несколько десятков раз превосходили запасы нефти, да и отличались они более равномерным распределением. Поэтому в начале ХХ века идеи о крупно-масштабном получении из твердых горючих ископаемых жидкого топлива, равноценного нефтяному, буквально носились в воздухе.

К моменту зарождения проблемы уже существовали и определенные предпосылки для ее решения. Они базировались на достижениях таких наук, как геохимия, органическая химия, катализ. В довольно упрощенном и несколько модернизированном виде существо этих предпосылок можно представить следующим образом.

Главное отличие нефти и жидких нефтяных топлив (бензина, керосина) от твердых горючих ископаемых состоит в повышенном содержании в них водорода. Точнее даже сказать, в более высоком соотношении водород/углерод (т.е. Н/С). Одновременно с этим в жидком топливе более низкое содержание кислорода, азота, серы и отсутствуют твердые минеральные вещества ("зола"). В частности соотношение Н/С у сырой нефти в 2-5 раз больше, чем у каменного угля, а кислорода в нефти меньше, чем в угле примерно раз в 100. Важно отметить также, что с увеличением соотношения Н/С понижается температура кипения топлива, что свидетельствует о снижении молекулярной массы вещества. Следовательно, чтобы получить легкокипящее жидкое топливо из твердых горючих ископаемых, необходимо провести разукрупнение молекул исходного сырья, увеличить в нем относительное содержание водорода, удалить кислород, азот, серу и зольные минеральные вещества.

Для достижения этих целей представлялись возможными три пути:

первый путь – перераспределение имеющегося в исходном топливе водорода с тем, чтобы в итоге получить два продукта: один будет обогащен водородом и подобен жидким нефтяным топливам по соотношению Н/С и молекулярной массе, второй продукт будет твердым и будет беден водородом с повышенным содержанием углерода;

второй путь – гидрогенизация твердого топлива (т.е. присоединение к органической массе твердого топлива такого количества водорода, чтобы в итоге соотношение Н/С стало характерным для жидких топлив);

третий путь – газификация твердого топлива (т.е. превращение органической массы твердого топлива в простейшие молекулы, например, СО, СО₂, Н₂, из которых затем и синтезируют жидкие углеводороды).

Первый путь был реализован в известных с начала XIX в. процессах сухой перегонки твердых горючих ископаемых: коксование (температура около 1000⁰, выход жидких углеводородов 4,5% от веса угля) и полукоксование (температура 500-600⁰, выход около 10 %). Однако выход жидких продуктов в этих процессах очень низкий, да и получались из них, как правило, низкокачественные суррогаты нефтяных топлив.

А что касается двух других путей (гидрогенизации и газификации), то эти процессы к началу ХХ в. не были осуществлены даже и в лабораторных условиях.

В области гидрогенизации первых успехов добился немецкий химик Фридрих Бергиус – он в 1911 г. получил в лабораторных условиях из углей жидкие углеводородные продукты, в том числе и бензин. В 1913 г. в Германии, а годом позже и во Франции, ему был выдан патент на открытие. В патенте утверждалось, что при нагревании угля в течение 12-15 ч при температуре около 400⁰С и давлении водорода 20 Мпа можно получить 85 % летучих веществ и растворимых продуктов; расход водорода при этом составлял примерно 10 %.

Работы в этом направлении бурно развивались, и к 1940 г. в мире уже функционировало около 20 заводов деструктивной гидрогенизации. Освоение этого процесса в промышленном масштабе потребовало преодоления разнообразных и весьма серьезных технических трудностей. Например, освоение способов получения дешевого водорода, обеспечение надежной работы аппаратуры в условиях высоких температур и давлений и т.п.

В области газификации угля первые результаты в лабораторном масштабе были получены в 1923-1926 гг. немецкими химиками Францем Фишером и Гансом Тропшем. В 1936 г. в Германии начал работать первый завод, а к 1940 г. в мире работало уже 15 заводов, на которых производилось ИЖТ из продуктов газификации углей. Более быстрое освоение синтеза Фишера-Тропша было обусловлено его относительной простотой в сравнении с гидрогенизацией (однократное пропускание исходной газовой смеси через слой стационарного зернистого катализатора с конденсацией жидких продуктов). Синтез осуществлялся при атмосферном давлении и более низких температурах (примерно 200⁰С). Конечно, и в этом методе были свои трудности (необходимость получения газовой смеси строго определенного состава 1СО + 2Н₂, ее тонкой очистки от сернистых соединений и др.).

В СССР в 30-е годы тоже развивались работы по ИЖТ. Накопленный к 1939 г. научно-технический задел по проблеме ИЖТ явился основанием для принятия решения о создании промышленности ИЖТ на основе гидрогенизации твердого топлива, в первую очередь в восточных районах, а также на основе синтеза ИЖТ из газа.

Наибольшего подъема промышленность ИЖТ достигла в период 1940-1943 гг., когда годовой объем его производства во всем мире оценивался величиной 7-8 млн т (это составляло около 2 % нефтедобычи тех лет). В этот период в мире работало 48 крупных заводов ИЖТ, в основном в ряде промышленно развитых стран, не обладавших собственными нефтересурсами (Германия, Япония, Италия, Англия, Франция и др.). Наиболее развитая промышленность ИЖТ существовала в Германии, на ее долю приходилось более половины существовавших в мире заводов, около ²/₃ общего объема производства ИЖТ. По разным оценкам, в этот период (война) ИЖТ покрывало от 50 до 75 % потребности Германии в жидком топливе вообще и почти 100 % потребности в авиабензине.

Получаемое во всех странах ИЖТ было в 3-5 раз дороже нефтяного, произведенного из местной или даже привозной нефти. Дороговизна ИЖТ в конечном итоге была обусловлена большим расходом сырья (включая, конечно, и производство водорода). На 1 т суммарного жидкого продукта в зависимости от вида угля его расход составил: при полукоксовании – 12-20 т, при гидрогенизации – 7-8 т, при газификации – 6-7 т.

Необходимо отметить, что три указанных метода не конкурировали, а дополняли друг друга (так, например, полукоксовая смола стала вскоре сырьем для гидрогенизации, потому что при обычной перегонки этих смол получалось моторное топливо низкого качества).

 

После 1945 г. в условиях мирного времени ИЖТ вступило в открытую экономическую конкуренцию с нефтяным топливом и проиграла эту борьбу. Наступил период свертывания промышленности ИЖТ, хотя ее история в послевоенные годы и не была сплошным отступлением. Предпринимались энергичные попытки усовершенствования производства ИЖТ, особенно на базе газификации.

Интерес к проблеме ИЖТ возобновился после 1973 г., когда начался быстрый рост цен на сырую нефть и обозначилась реальная угроза истощения нефтяных ресурсов за обозримый срок. Это истощение дешевых и доступных нефтяных ресурсов обозначилось в связи с огромным и резко возрастающим объемом нефтедобычи.

Запасы нефти в недрах Земли ограничены, затраты на ее добычу и транспортирование постоянно возрастают. Разведанные, извлекаемые современными способами запасы нефти оцениваются сейчас в 225 млрд т. При современном уровне годовой добычи нефти в мире около 3 млрд т сроки исчерпания этих запасов могут быть исчислены в 75 лет (некоторые же эксперты считают, что запасов нефти хватит только на 40-50 лет). Правда, если будут разработаны и освоены более эффективные способы извлечения нефти из пласта, то этот срок может увеличиться в 2 раза. Кроме того, могут возрасти и разведанные запасы. А что касается угля, то его запасы (по различным современным оценкам) в 50-100 раз превышают запасы нефти, да и распределены они географически более равномерно. Вот эти два обстоятельства (большие запасы и более равномерная распределенность) постоянно были в числе причин интереса к замене нефти углем, т.е. всегда стимулировали проблему ИЖТ.

По прогнозам известной международной организации ОПЕК истощение мировых запасов нефти произойдет, в основном, во второй половине XXI века, например, в Венесуэле – к 2070 г., в Иране – к 2071 г., в Саудовской Аравии – к 2082 г., и только в Ираке – к 2116 г. (в России запасы нефти исчерпаются к 2021 г., а запасы газа – к 2083 г.). Наибольшими запасами природного газа обладает Иран – его запасы исчерпаются только в XXIV веке.

Таблица 10. Доказанные запасы природного газа

Регион	Доказанные запасы при­родного газа, трлн. м^3	Доля, %
Ведущие 20 стран	134,1	77,9
в том числе
Россия	47,6	27,7
Иран	26,6	15,5
США	5,3	3,1
Китай	25,8	15,0
Всего в мире	172,1

 

Сейчас Россия занимает первое место в мире по доказанным запасам природного газа на 1 января 2004 г. (табл. 10).

Из всех трех путей получения ИЖТ наибольший интерес представляет газификация угля с последующим синтезом из СО и Н₂ жидких углеводородов (этот процесс называется процессом Фишера-Тропша или синтезом Фишера-Тропша).

Для газификации могут быть использованы любые виды твердого топлива: торф, низкосортные угли, отходы лесоматериалов и др. При газификации в реакторах – газогенераторах органическая масса топлива превращается в генераторный газ при взаимодействии с окислительным дутьем – воздухом, водяным паром, кислородом. Применяя различные виды дутья, можно получить генераторный газ заданного состава. В реальных условиях работы газогенераторов (900-1000⁰С, 0,1 Мпа) равновесие основных реакций полностью смещено в сторону конечных продуктов (синтез-газа). Для газификации применяют газогенераторы с кипящим слоем мелко измельченного топлива.

Процесс Фишера-Тропша основан на газификации угля с получением синтез-газа (т.е. смеси СО и Н₂), затем из синтез-газа получают жидкие углеводороды, из которых можно приготовить бензин, дизельное топливо и др. жидкие продукты.

Процесс получения синтез-газа можно описать двумя реакциями:

Н₂О + С «Н₂ + СО - 133100 кДж/кг-моль,

2Н₂О + С «2Н₂ + СО₂ - 90000 кДж/кг-моль.

Обе эти реакции протекают с большим поглощением тепла, поэтому для организации непрерывного процесса к водяному пару необходимо добавлять кислород. Тогда за счет тепла окислительных реакций происходит компенсация тепла, необходимого для восстановления углекислого газа и воды:

С + О₂ «СО₂ + 396000 кДж/кг-моль,

2С + О₂ «2СО + 219600 кДж/кг-моль,

2СО + О₂ «2 СО₂ + 572000 кДж/кг-моль.

Чтобы несколько снизить содержание СО и повысить содержание Н₂ газовую смесь подвергают конверсии с водяным паром:

СО + Н₂О «Н₂ + СО_2.

А уже затем синтез-газ пропускают в реактор, где при температуре 180-200⁰С и давлении, близком к атмосферному, в присутствии катализаторов происходит образование углеводородов:

Со - катализатор

пСО + (2п+1)Н₂ С_пН_2п+2 + пН₂О,

пСО + 2пН₂ С_пН_2п + пН₂О.

Fe – катализатор

2пСО + (п+1)Н₂ С_пН_2п+2 + пСО₂

2пСО + пН₂ С_пН_2п + пСО₂

 

Синтез углеводородов по Фишеру-Тропшу сопровождается образованием побочных продуктов (альдегидов, спиртов и др.).

Процесс Фишера-Тропша все время модифицируется и улучшается. Например, главное отличие так называемого "Мобил-процесса" заключается в том, что синтез жидкого топлива здесь идет через промежуточное образование метанола (из синтез-газа получается метанол, а затем из метанола получают жидкие углеводороды – в основном бензин). В 80-е годы фирма "Юнион карбайд" разработала новый цеолит- содержащий катализатор для непосредственной конверсии синтез-газа в моторное топливо. Преимущества этого катализатора заключаются в значительно больших выходах моторного топлива по сравнению с показателями обычного процесса Фишера-Тропша. Разработанный катализатор на носителе обладает повышенной стойкостью к истиранию и не обнаруживает значительных признаков дезактивации после трехмесячной работы.

 

Из всего сказанного выше видно, что производство ИЖТ из твердого топлива вполне осуществимо в промышленных масштабах. Сейчас еще трудно сказать, каким путем будет развиваться его производство: деструктивной гидрогенизацией угля или синтезом по Фишеру-Тропшу, так как в последнем случае добавляется стадия газификации углей, имеющая невысокий КПД. Поэтому выбор схемы получения ИЖТ может быть сделан исходя из конкретных условий, стоимости и качества угля, обеспеченности энергией и др.

Принципиальная (функциональная) схема процесса Фишера-Тропша выглядит так:

воздух

азот

уголь кислород

водяной неочищ. очищенный продукты

пар синтез-газ синтез-газ (жидкие углеводороды)

побочные газы горючий

продукты очистки газ

газификации

 

1 – разделение воздуха с целью получения кислорода для газификации угля, 2 – газификация угля с получением синтез-газа, 3 – очистка синтез-газа от СО₂, Н₂S и др. примесей, 4 – синтез с получением жидких углеводородов и побочного продукта (горючий газ).

 

Как мы уже отмечали, в настоящее время промышленность ИЖТ есть в ЮАР. Еще в 1957 г. там было закончено строительство завода производительностью 260 тыс. т/год для получения жидкого топлива из синтез-газа. Сырьем служил дешевый бурый уголь, который добывался на близлежащем месторождении открытым способом, добыча которого была полностью механизирована. Применение усовершенствованной технологии синтеза, высокопроизводительных методов очистки газов газификации, а также полное использование всех отходов дало возможность компании снизить себестоимость продукции. В 1980 г. закончена постройка второго завода производительностью 1,7-2,2 млн т жидких продуктов.

В начале 2006 года в США рассматривались проекты строительства 9 заводов по непрямому сжижению угля суммарной мощностью 90— 250 тыс. баррелей в день. В штатах, добывающих уголь, разрабатываются планы строительства завода, который будет использовать процесс Фишера-Тропша для превращения угольных запасов штата в жидкое топливо, чтобы уменьшить зависимость США от импорта нефти.

КНР планирует инвестировать 15 млрд долл. до 2010—2015гг. в строительство заводов по производству синтетического топлива из угля. 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.

Мы говорили о получении ИЖТ только из твердого топлива. Но работы по синтезу ИЖТ ведутся сейчас в разных направлениях. Например, в конце ХХ в. все больше приобретал значение как сырье для производства высокооктановых бензинов метанол. Это связано с разработкой новых сверхвысоко-кремнеземистых кристаллических цеолитных катализаторов (СВК-цеолиты). Эти катализаторы имеют строго определенный размер пор и высокое содержание кремния. Мольное соотношение SiO₂:Al₂O₃ = 12-140. Такие цеолиты могут быть активированы металлами предпочтительно II, IY, Y и YIII групп периодической системы элементов, причем некоторые металлы обладают синергическими свойствами. Эти СВК-катализаторы способны воздействовать на такие реакции, как дегидратация спиртов, гидрирование и дегидрирование, изомеризация и гидроизомеризация, алкилирование ароматических углеводородов олефинами, образование ароматических углеводородов из олефинов или непосредственно из окиси углерода и водорода. Все указанные реакции в какой-то мере имеют место при синтезе бензина из метанола, поэтому образующиеся бензины имеют высокое октановое число (до 98).

В последние годы ХХ в. усилился интерес к промышленному использованию углеводородных нефтяных газов в качестве сырья для получения моторных топлив. И уже недавно сообщалось, что в России решена проблема получения бензина из углеводородного газового сырья – разработана экологически чистая технология получения синтетического моторного топлива с большим выходом конечного продукта (на 90 % и выше получается чистый бензин).

Истощение энергоресурсов привело к необходимости изыскания новых видов и источников энергии. К таким новым источникам энергии относится водород. Использование водорода в качестве источника энергии определяется целым рядом преимуществ: 1) широкое распространение водорода (в литосфере 17 атомов на 100 атомов) и практически неисчерпаемые запасы воды как источника водорода; 2) высокое энергосодержание (в 3,5 раза превышающее энергосодержание нефти); 3) простота и дешевизна транспортировки (передача водорода дешевле передачи электроэнергии); 4) экологическая чистота продуктов сгорания. В условиях России наиболее рациональным путем получения дешевого водорода является конверсия природного газа, так как получение водорода другими методами, например, из каменного угля или нефти экономически проигрывает.

Глава 3

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В современной химической промышленности непрерывно возникают новые и совершенствуются существующие производства. При этом должны решаться вопросы экологической чистоты этих производств. Большое значение в реализации этих проблем принадлежит разработке эффективного оборудования, машин и аппаратов. Номенклатура оборудования, используемого в настоящее время в химико-технологических процессах, насчитывает свыше 12 тысяч наименований и типоразмеров. Это аппараты и установки для разделения жидких неоднородных смесей (фильтры, центрифуги, центробежные сепараторы, отстойники и др.), тепло- и массообменные аппараты (теплообменники, испарители, колонны, сушилки, экстракторы, кристаллизаторы и т. п.), устройства для измельчения, классификации и дозировки материалов, смесители, оборудование для переработки полимеров, аппараты для разделения воздуха, холодильные установки, газоочистное и пылеулавливающее оборудование, компрессоры, насосы, арматура и т.д. Достаточно отметить, что одна лишь установка для производства этилена и пропилена содержит до 40 различных колонн, 205 теплообменников, 50 емкостных аппаратов, печи пиролиза, компрессорные установки, большое количество насосов, арматуры, различных коммуникаций, контрольно-измерительных приборов средств автоматики, связанных в единую технологическую линию.

При большом разнообразии типов и конструкций химических аппаратов большей частью они состоят из следующих основных стандартных и унифицированных элементов: корпус (цельный или собранный), крышка, днище, штуцеры для ввода и вывода рабочих сред или присоединения к аппарату различных устройств, люк-лаз и смотровые окна, опоры, внутренние устройства, конструкция которых определяется технологическим назначением аппарата и строповые устройства для монтажа. Конструктивное оформление этих элементов, для большей части аппаратов одинаковое, определяется соответствующей нормативно-технической документацией.

Современный уровень производства требует проектирования и изготовления химических машин и аппаратов высокого качества. Это возможно при оптимальном сочетании следующих показателей: надежности, назначения, технологичности, транспортабельности, стандартизации и унификации, безопасности. Кроме того, учитывают эргономические, эстетические, патентно-правовые, экологические и экономические показатели.

Условия работы химического оборудования, характеризуемые часто высокими рабочими параметрами (температурой, давлением, концентрацией и коррозионной активностью рабочих сред) определяют следующие требования к машинам и аппаратам химической промышленности.

1. Механическая прочность, определяющая способность конструкции выдерживать рабочие нагрузки.

2. Устойчивость – способность конструкции сохранять в рабочем состоянии свою первоначальную форму.

3. Срок службы аппарата или машины – продолжительность его эксплуатации.

4. Герметичность – способность конструкции не пропускать находящуюся в них под давлением среду.

5. Конструктивное совершенство – простота устройства, обслуживания, ремонта, соответствие эргономическим, экологическим, эстетическим и патентно-правовым показателям; безопасность при эксплуатации.

6. Технологичность конструкции - простота и невысокая трудоемкость изготовления, применение в конструкции стандартных и унифицированных элементов.

7. Надежность – свойство аппарата сохранять во времени функциональные возможности при требуемых параметрах.

8. Экономичность – минимальная стоимость проектирования, изготовления и эксплуатации.

9. Конкурентоспособность - хороший товарный вид и соответствие требованиям мировых стандартов и другие.

Указанные требования взаимосвязаны, поэтому необходимо их оптимальное сочетание.

Исходя, из вышесказанного следует, что специфические условия эксплуатации химического оборудования, характеризуемые широким диапазоном рабочих давлений и температур при коррозионном воздействии среды, будут предопределять выбор материала, из которого изготовляют данную конструкцию. Отсюда следует, что создание и производство новых химических материалов, развитие технологии их переработки радикальным образом влияет на повышение надежности и долговечности машин и оборудования, снижения их материалоемкости, энергоемкости и трудоемкости изготовления, а также на экономию черных, цветных и редких металлов.

Требования к конструкционным материалам:

1) высокая коррозионная стойкость материалов в рабочих средах при рабочих параметрах;

2) высокая механическая прочность при заданных рабочих давлении, температуре и дополнительных нагрузках;

3) хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических характеристик сварных соединений;

4) относительно низкая стоимость и недефицитность материалов.