Ученые Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук нашли простой и дешевый способ превращать природный газ в жидкое моторное топливо.

Сообщение об этой работе вызвало интерес во всем мире. Дело в том, что пока в мире добывают преимущественно ту нефть, до которой легко добраться. Когда она кончится, керосин и бензин вырастут в цене. Так что поиск новых способов получения горючего — дело весьма перспективное. Тем более что определенный опыт уже есть. В годы Второй мировой войны, например, Германия наладила производство моторного топлива из угля. Позже такое производство возникло в Южно-Африканской Республике (ЮАР). Производство оказалось вполне рентабельным, так что, казалось бы, этим путем можно пойти и другим странам. Но добыча угля — дело трудоемкое и опасное: каждый миллион тонн угля, добываемого, например, в Донбассе, стоит одной человеческой жизни.

Проще и дешевле производить моторное топливо из природного газа. Если превращать его в жидкое горючее, можно сэкономить половину всей добываемой на планете нефти, и каждый километр пути, проделанный автомобилем или самолетом, станет чуть не вдвое дешевле.

Собственно, для химиков здесь ничего нового нет. Известны многие рецепты изготовления бензина из бытового газа. Суть их в том, что метан нужно окислить.

Казалось бы, все просто, но, если вы попытаетесь сделать это известным всем способом — поджечь газ, — у вас получится тепло, углекислый газ и вода. И это логично: когда мы поджигаем газ, метан сначала распадается на водород и окись углерода, а затем они мгновенно сгорают, превращаясь в углекислый газ и воду.

Смесь водорода и окиси углерода ученые называют синтез-газом. Из него они умеют получать многие вещества, в том числе и моторное топливо.

И до сих пор синтез-газ получали с помощью дорогой аппаратуры и катализаторов. Другой путь — научиться прерывать реакцию окисления метана сразу же после первого этапа.

Эту задачу, собственно, и решали ученые Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук под руководством академика Н.А. Платэ и профессора Ю.А. Колбановского.

Как показали исследования, если провести реакцию за десятитысячные доли секунды при давлении 150 атм и температуре 1500 °C и успеть за это время давление и температуру сбросить до нормальных значений, то синтез-газ образуется без всяких катализаторов.

Но возможно ли это в принципе?

Еще тысячи лет назад аборигены Австралии добывали огонь с помощью бамбукового стаканчика. На дно его клали сухую траву, а затем втыкали в него точно пригнанную по диаметру палку. Давление воздуха в стаканчике быстро росло, поднималась температура, и трава вспыхивала. Процесс длился сотые доли секунды.

Давление достигало 20 атм, а температура — 400 °C (рис. 1).

Согласитесь, неплохо для примитивного устройства!

Тот же принцип инженер Рудольф Дизель использовал в XIX веке в своем знаменитом двигателе. В цилиндре его воздух сжимается до 170 атм и нагревается до 700 °C. В этот момент в него впрыскивается и сразу же вспыхивает мелко распыленное топливо. В цилиндре дизеля, кстати, могут воспламеняться даже угольная пыль и древесные опилки!

Можно вспомнить и американца К.С. Фалька, создавшего в 1906 г. устройство для изучения процессов, происходящих при быстром сжатии газов, в котором тяжелый поршень, падая, быстро сжимал газ до давления 500 атм (см. рис. 2).

Когда после этого газ подвергали анализу, в нем находили разнообразные следы химических реакций. Но как они возникали, при каких давлениях и температурах, определить точно не могли: после каждого падения поршень в цилиндре некоторое время прыгал, словно мячик, создавая при каждом своем прыжке новый скачок давления и температуры и новые химические продукты.

Для окисления метана до синтез-газа нужно было устройство, которое подвергало бы газ очень быстрому однократному сжатию. И, изучив существующие конструкции, ученые остановились на установке, которую создал в 1950 г. советский ученый Ю.Н. Рябинин (рис. 3).

Если в установке Фалька скорость поршня не превышала 5 м/с, то в установке Рябинина поршень как бы выстреливался из пневматической пушки со скоростью до 100 м/с. Давление газа достигало 12 000 атм, а температура — 10 000 °C (почти вдвое выше, чем на Солнце). Процесс же длился всего десятитысячные доли секунды.

Детали конструкции установки Рябинина таковы.

Выстрел производили сжатым газом из специального баллона. К началу работы порция этого газа при строго определенном давлении подавалась в отдельный сосуд — ресивер. В этот момент поршень отводили влево, а в полость цилиндра подавался исследуемый газ. Далее нажимали курок, клапан ресивера открывался, и выходящий из него газ толкал поршень. Но еще до того как поршень успевал долететь до дна цилиндра, открывался другой клапан и выпускал наружу находящийся в «стволе» толкающий газ. Благодаря этому поршень после сжатия порции исследуемого газа возвращался в исходное положение, а давление и температура возвращались к нормальным значениям.

Эту установку и выбрали для экспериментов ученые института им. Топчиева. Кроме превращения метана в синтез-газ, ученые исследовали тысячи других химических реакций, среди которых нашли немало полезных для производства.

Например, при быстром сжатии оказалось возможно синтезировать необходимые для народного хозяйства окислы азота и аммиак. Можно, оказалось, и, напротив, превращать сложные соединения в простые, что очень важно для… уничтожения боевых отравляющих веществ.

Сегодня этих ядовитых соединений в мире накоплены тысячи тонн. Вылить в воду или закопать их в шахты невозможно — отравят все вокруг. Единственный способ от них избавиться без вреда для природы и людей — разложить на простые, относительно безвредные составляющие. И это удается, если подвергать ядовитые вещества быстрому сжатию.

Для нужд промышленного производства установку Рябинина доработали, увеличив рабочий объем в тысячи раз и повысив «скорострельность» до десятков раз в секунду. То, что получилось, назвали импульсным химическим реактором (ИХР).

Схему ИХР вы видите на рисунке 4.

Он состоит из размещенных в цилиндре двух поршней на общем штоке. На крышках цилиндра расположены клапаны для впуска реагирующих веществ. Они открываются электромагнитами, которые получают сигналы от контактов, расположенных в том же штоке.

Итак, представим, что установка включена. В правую камеру реактора поступает рабочая смесь газов, например, метан и кислород. Поршень сжимает ее, и происходит вспышка. Все совершается столь быстро, что метан не успевает «догореть», и образуется синтез-газ.

После вспышки поршень начинает двигаться влево и открывает окно, через которое выходят продукты реакции. В этот момент в левой камере цилиндра открываются клапаны, и туда подается свежая смесь. Поршень, двигаясь по инерции, сжимает ее до воспламенения, повышая давление до сотен атмосфер, и все повторяется. При работе реактора попутно выделяется механическая энергия. Часть ее расходуется на сжатие, а избыток идет на выталкивание и сжатие газообразных продуктов реакции. Их направляют в турбину, где они совершают полезную работу и частично охлаждаются. А далее проходят через теплообменник, где охлаждаются водой.

А ИЛЬИН

Рисунки автора