Benzín z uhlí – jehož zařízení vyrobila 20 milionů. litrů benzínu ročně k Hitlerovi — DRIVE2

V tomto článku budeme analyzovat první nastavení Fischer-Tropsch. Jak se Třetí říši prakticky podařilo vyrobit benzin z plynového generátorového plynu (neboli syntézního plynu) získaného z uhlí. Schéma a princip činnosti zařízení.

Vstup
Válka požírá zdroje a nejvyhledávanějším zdrojem, základem válečného hospodářství, je ropa (benzín, nafta, letecké palivo). I když Hitlerovi pomáhala věda a Říše dostala 20 milionů litrů paliva Impérium s využitím technologie Fischer-Tropsch z nekvalitního hnědého uhlí stále pociťovalo nedostatek benzinu, nafty a leteckého paliva pro svou mnohamilionovou armádu. Z tohoto důvodu se odehrála bitva o Stalingrad. Říše potřebovala kavkazskou ropu, ale aby ji získala, nemohlo si velení Wehrmachtu dovolit být obklíčeno, což by se nevyhnutelně stalo, kdyby za sebou nechali Stalingrad.
Pojďme zjistit, jak se k tomuto benzínu dostali, a podrobně se podíváme na instalace první generace, které dnes byly modernizovány na 4. generaci a úspěšně produkují stovky milionů litrů benzínu, nafty a dalších uhlovodíků po celém světě.

Některé teorie
Každý ví, jak se benzín získává z ropy – v podstatě se „vaří“ v uzavřených nádobách. Stejně tak dnes můžete olej zašpinit vyvařením starých pneumatik v uzavřených sudech (tzv. retorty) nad ohněm. Nebo běžný domovní odpad. Ano, slyšeli jste dobře, pokud dáte odpadky (jakýkoli domácí odpad z popelnice) do uzavřeného sudu (hermeticky ho uzavřete) a zapálíte pod ním oheň, můžete získat tekutý, špinavý olej. Samozřejmě, že tento „olej“ bude špinavý a k jeho destilaci na čisté palivo je zapotřebí mnoho jednotek zařízení a čištění a nakonec bude výtěžek čistého paliva velmi malý a bude vynaloženo velké množství energie, elektrické i tepelné (plyn pro udržení procesu). Zařízení bude objemné a drahé. Proto se ve světě vedou války o kvalitní ropu, ze které je možné destilovat benzín a naftu s co nejnižšími náklady.

První, kdo jde cestou katalýzy spíše než „vaření“
Frans Fischer a Hans Tropsch, kteří ve dvacátých letech dvacátého století pracovali na problému získávání benzínu, se vydali jinou cestou – získat benzín a naftu nikoli „vařením“ surovin, ale katalýzou. Jak v tomto případě probíhá proces?
Surovinou pro získání benzínu je tuhé palivo – a může to být jakékoli palivo, které může hořet (existují určitá omezení týkající se vlhkosti a obsahu popela v palivu, stejně jako množství uhlíku v jeho složení – to je podrobně popsáno v Tannerově trojúhelníku).

Toto pevné palivo se nejprve zplyňuje v plynových generátorech, přeměňuje se na syntézní plyn a následně tento syntézní plyn prochází drceným katalyzátorem z určitého železa a plyn se přeměňuje na benzín a naftu, která je velmi čistá – čistší než na čerpacích stanicích.
Nezaměňujte generátor plynu s pyrolýzními kotli – jedná se o zcela odlišná zařízení. Plyn, který se vyrábí, se nazývá syntézní plyn nebo plyn generátoru plynu.
Podstatou zplyňování je, že 20 % paliva jednoduše shoří a v této době se 80 % paliva přemění na syntézní plyn v důsledku spalovacího tepla prvního. Stručně řečeno, tento proces funguje takto: odebíráme kouř z ohně (spalování paliva v plynovém generátoru probíhá stejně jako při běžném ohni) a vedeme ho zpět přes žhavé uhlí, a když se tak děje v uzavřené nádobě bez nasávání vzduchu zvenčí, stává se kouř hořlavým plynem. Je to tak jednoduché (není snadné vypočítat zařízení pomocí vzorců a poté tento plyn vyčistit).

Tímto způsobem získáme následující množství syntézního plynu z následujících paliv:
Palivové dřevo – 2.2m3
Dřevěné uhlí cca 5m3
Hnědé uhlí asi 3.5 m3 (v závislosti na vlhkosti a obsahu popela v uhlí)
Uhlí cca 4.7m3
Domovní odpad cca 1.5m3
Rašelina 2.2m3
Feces cca 2m3

Vzhledem k tomu, že Německo mělo a má velká ložiska hnědého uhlí a jeho těžba v té době (stejně jako dnes) byla postavena na průmyslový základ, je jednodušší vyrábět benzín z hnědého uhlí. Pokud by existovala průmyslová těžba neomezeného množství dřeva, vytěžilo by se ze dřeva více než uhlí. Mimochodem, je snazší a levnější z něj extrahovat syntézní plyn, protože ve dřevě není síra, ale v uhlí je síra a čištění uhlí od síry je další průmyslová zařízení pro čištění od organické síry a sirovodíku. Síra a kyslík zabíjejí Fischer-Tropschův katalyzátor, protože jsou to katalytické jedy.

Vzít jakékoli hořlavé palivo, které má nízkou cenu, nebo odpad, za jehož odstranění a zničení lidé platí peníze, jako jsou například odpadky nebo výkaly z městských septiků, a přeměnit je na benzín a naftu je mnohem zajímavější než extrahovat je z ropy – spalování, které, jak víme, je totéž jako „spalování bankovek“ slovy Mendělejeva.

Vědci, kteří bojovali ve svých laboratořích po desetiletí, našli kovy schopné katalytické reakce – pouze 4 kovy jsou vhodné pro přeměnu syntézního plynu na benzín, z nichž 2 byly zamítnuty a dva se stále používají – železo a kobalt (nikl a ruthenium byly zamítnuty).

Vědci si lámali hlavu a takto vypadal první přístroj na získávání kapalných uhlovodíků.

Vidíte srdce závodu, kde probíhá přeměna přeměněného uhlí na syntézní plyn, syntézní plyn na benzín a naftu (na celý závod se podíváme později). Na trubky jsou navlečeny plechy o tloušťce 1.5 mm, vzdálenost mezi trubkami je malá. Proč se to dělá takto a proč právě takto?

Faktem je, že když se syntézní plyn přemění na benzín (když jej profoukneme práškovým katalyzátorem nebo kuličkami s naneseným práškem), uvolní se energie rovnající se 30 % energie získané při zapálení plynu. Každá krychle plynu tak během přeměny vyprodukovala asi 600 kcal/Nm3. Pokud by tento proces zůstal bez chlazení, teplota by dosáhla téměř 1500 stupňů Celsia. A teplota musela být kolem 210 stupňů Celsia, aby proces proběhl tak, jak má. Z tohoto důvodu byla do potrubí přiváděna pára, která odváděla přebytečné teplo. Fischer sám experimentálně určil, že při takovém uspořádání by vzdálenost mezi deskami neměla být větší než 10 mm, ale udělal to 7 mm. Pára se musela dodávat po 5 kg na každý litr získaného benzínu (zde všechny takto získané kapalné uhlovodíky nazývám benzínem a dále stejně). Potrubí bylo odebráno s průměrem o něco menším než vodovodní potrubí v našich bytech s tloušťkou stěny 4 mm, aby neprasklo tlakem, který mohl dosáhnout 30 atmosfér.

Jeden takový reaktor produkoval 1.9 tuny benzínu za den a uvolnil asi 6000 kg páry.
Z jedné kostky syntézního plynu se podařilo vymáčknout 160 g benzínu. Pokud vezmeme v úvahu, že 1 kg hnědého uhlí vyprodukoval cca 3.7 m3 plynu, můžeme spočítat ekonomiku.
Reaktor byl 5 metrů dlouhý a až 3.5 metru vysoký. Šířka reaktoru je 2m. Do reaktoru byly najednou vloženy asi 3 tuny katalyzátoru na bázi železa. Hmotnost takové instalace dosáhla 50 tun.

Takto probíhal proces katalýzy na molekulární úrovni v tomto uspořádání (zelené kuličky jsou železo, nebo přesněji železný katalyzátor, červené jsou kyslík, bílé jsou vodík, šedé jsou uhlík):

V dalších článcích se budeme zabývat dalšími aspekty technologie.

Líbil se vám článek? Podporujte domácí vědu.

Ne každý Evropan nebo vlastně žádná země na světě se může pochlubit velkými zásobami ropy. Uhlovodíkové palivo ve formě benzínu nebo motorové nafty se však aktivně používá ve všech zemích. Mnohem častější jsou přitom ložiska hnědého a černého uhlí, odkud se zrodila myšlenka na výrobu motorové nafty a benzínu z uhlí. V tomto článku se podíváme na to, jak se to dělá ve výrobě a zda lze něco podobného zorganizovat v soukromé domácnosti.

Jak se získává benzín z uhlí?

Stojí za zmínku, že zpracování uhlí pro získání různých druhů motorového paliva není vůbec mýtus. Navíc existují dvě osvědčené metody, které byly v praxi zavedeny na začátku minulého století.

V té době nacistické Německo, usilující o dobytí celé Evropy, využívalo těchto metod k zásobování své vojenské techniky palivem, protože nemělo žádná vlastní ropná ložiska. Země přitom disponovala ložisky hnědého uhlí, ze kterého se ve dvou desítkách továren vyráběl syntetický benzin a motorová nafta.

Pro odkaz. Obě metody byly vynalezeny různými německými vědci na začátku 20. století a byly podle toho pojmenovány.

Jak se ukazuje, uhlí se svým chemickým složením příliš neliší od ropy. Mají společný základ – hořlavé sloučeniny uhlíku a vodíku, jen podíl vodíku v ropě je výrazně větší. Pokud se podaří vyrovnat množství vodíku v uhlí s ropou, pak se výroba kapalného paliva stane realitou. Zde jsou způsoby, jak problém vyřešit:

• hydrogenace, jinak známá jako zkapalňování (Bergiusův proces).
• zplyňování s následnou syntézou paliva (Fischer-Tropschův proces).

Abychom pochopili, zda bude možné zavést těžbu benzínu doma, je nutné získat obecnou představu o těchto chemicko-technologických procesech, o kterých bude pojednáno níže.

Proces hydrogenace

K úspěšnému provedení procesu a získání až 800 kg kapalného paliva z 1 tuny suroviny se používá hnědé nebo černé uhlí. Hlavní podmínkou pro dosažení efektivních výsledků je přítomnost 35 % těkavých látek v uhlí. Před zpracováním se melou na práškovou frakci a poté se suší. Poté se uhelná frakce smíchá s topným olejem nebo těžkými oleji za vzniku suroviny ve formě pasty.

Během procesu destruktivní hydrogenace technologie zahrnuje přímé přidávání chybějícího vodíku do uhlí.

K tomu se surovina umístí do speciálního autoklávu a zahřeje se. Tlak uvnitř nádoby dosahuje 200 barů a teplota dosahuje 500 °C. Kromě toho musí být v zóně chemické reakce přítomny látky – katalyzátory a rozpouštědla. Podle této metody probíhá výroba benzinu z uhlí v autoklávu ve 2 stupních:

• kapalná fáze;
• parní fáze.

V nádobě za vysokého tlaku a vysoké teploty probíhá několik složitých chemických reakcí. Abychom příběh nezatěžovali konkrétními pojmy, vysvětlíme jednoduchými slovy: v autoklávu se uhlí nasytí vodíkem a složité organické sloučeniny se rozloží na jednoduché. Výsledkem je, že po čisticích operacích získáváme na výstupu syntetickou motorovou naftu nebo benzín. To závisí na podmínkách procesu a stupni přeměny směsi uhlí a oleje. Než však palivo opustí zařízení, předchází mu řada dalších operací:

• centrifugace;
• polokoksování;
• destilace.

Jak vidíte, takto složitou výrobu není možné založit vlastníma rukama. Hlavním problémem je vybavení, je nepravděpodobné, že to zvládnete sami. Vezměte si například autokláv, kde je tlak vyšší než v kyslíkových lahvích. A obecně taková výroba představuje nebezpečí výbuchu a požáru.

Získávání benzínu zplynováním

Tato metoda, kterou vynalezli němečtí vědci F. Fischer a G. Tropsch, zahrnuje výrobu motorové nafty a benzínu předběžným zplyňováním uhelné suroviny. K tomu dochází ve velkém kontejneru – reaktoru o teplotě do 350 °C a tlaku maximálně 30 Bar. I když zde podmínky nejsou tak přísné jako při hydrogenaci, jejich realizace není o nic jednodušší. Například proto, že přehřátá vodní pára musí být pod vysokým tlakem profukována vrstvou uhlí, což znamená, že nelze použít výkonný parní kotel.

Po zplynování vzniká na výstupu z reaktoru tzv. syntézní plyn složený z vodíku a obyčejného oxidu uhelnatého (CO). Mimochodem, syngas lze použít přímo jako plynné palivo bez dalšího zpracování.

Vzniklé plyny vstupují do druhého reaktoru, kde dochází ke konečnému zpracování uhlí na kapalné palivo. Jsou tam umístěny i katalytické látky. V průmyslu lze pro tento účel použít různé sloučeniny, ale kterákoli z nich nutně obsahuje železo, nikl nebo kobalt. Aniž bychom zacházeli do složitosti chemie, poznamenáváme, že výstup z druhého reaktoru je palivo, které musí ještě projít procesem krakování. Tedy dělení na benzín a naftu z uhlí.

Vedlejšími produkty reakce jsou různé látky a parafín. Mezi emitovanými těkavými látkami má největší podíl oxid uhličitý, který je považován za velký problém při výrobě paliva touto metodou. Katalyzátor také poměrně rychle ztrácí aktivitu, takže je třeba jej neustále aktualizovat. Tyto faktory, stejně jako řada méně významných důvodů, vedou k vysokým nákladům na produkt. S cenami ropy 50 dolarů za barel je Fischer-Tropschův proces výroby benzínu z uhlí považován za nerentabilní.

Existuje ještě jeden způsob zplyňování uhlí – termický. Je to podobné jevu pyrolýzy, protože se provádí zahříváním suroviny v nádobě zvenčí a za nepřítomnosti kyslíku. Další věcí je, že k rozkladu tuhého paliva na plyny dochází při teplotě 1200 °C, a to vyžaduje odpovídající vybavení. Pozitivní stránkou tepelné metody je, že část pyrolýzních plynů se používá k ohřevu suroviny a druhá část se používá k syntéze benzinu. To snižuje náklady na energii, protože uhlí se může během rozkladu zahřívat.

Pro odkaz. Na internetu můžete najít popisy různých instalací, pomocí kterých můžete získat benzín ze zemního plynu doma. Nejprve se přemění na syntézní plyn a poté se zpracuje na kapalné palivo. I když uvážíme, že tato podomácku vyrobená zařízení jsou funkční, zplyňování uhlí je mnohem obtížnější.

Závěry

Navzdory skutečnosti, že těžba motorového paliva z černého a hnědého uhlí je docela možná a již dlouho testována ve výrobě, je stěží možné ji organizovat doma. Samozřejmě se vždy najde pár řemeslníků – nadšenců, kteří rádi dosahují svých cílů a budou schopni syntetizovat benzín vlastníma rukama. K tomu je ale potřeba detailně nastudovat technologii a dost si pohrát s vybavením, nemluvě o nebezpečí požáru.

Pro širokou škálu majitelů domů a automobilových nadšenců není získávání motorové nafty a benzínu z uhlí dostupné. A pokud k problematice přistupujete z ekonomického hlediska, je také nerentabilní. V tuto chvíli, dokud se neobjeví nové vynálezy a vývoj na toto téma, je jednodušší a spolehlivější používat běžný, „ropný“ benzín.