XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Получение синтетического бензина
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Вот моя формула успеха: вставай раньше, работай больше и качай нефть.»
Пол Гетти,
американский промышленник, один из первых долларовых миллиардеров
Производством нефти, а точнее топлива, мы и займемся в нашем проекте.
Цель:
Сконструировать установку, позволяющую получить жидкое топливо из синтез-газа методом Фишера-Тропса
Задачи:
Изучить процесс синтеза Фишера-Тропса (условия протекания, катализатор, температура, давление).
Разработать установку для проведения синтеза.
Собрать установку.
Синтезировать бензин.
Проверить качество и состав продукта.
Методы работы:
Сбор информации
Обобщение информации
Анализ информации
Проведение экспериментов
Наблюдение за ходом эксперимента
Анализ полученных результатов
Предмет исследования: Синтез Фишера-Тропса.
Объект исследования: установка для проведения синтеза.
Искать информацию мы будем в интернет-источниках, а также в книгах по пиролизу древесины и нефтегазовой промышленности.
Мы считаем, что хорошо изучили процесс Фишера-Тропса, так как мы нашли информацию об условиях протекания процесса, а также катализаторах и сырье для процесса.
По-нашему мнению, наш вклад в изучение синтеза Фишера-Тропса является достаточно весомым, так как нам удалось провести 2 эксперимента с получением различных углеводородов данным способом. Тем самым мы установили, что этот процесс возможен на железном катализаторе, а конечный продукт зависит от температуры.
Мы считаем, процесс ещё до нас был изучен достаточно хорошо. В 20-х года прошлого века он был впервые осуществален немецкими химиками Францом Фишером и Хансом Тропсом. На настоящий момент известно 4 различных металлических катализатора для данного процесса, а также в интернете нами были найдены условия для проведения синтеза (давление и температура).
Актуальность:
В настоящее время природные месторождения углеводородов истощаются с катастрофической скоростью. Их хватит примерно на 50 - 100 лет. Чтобы избежать топливного кризиса, мы решили синтезировать бензин из возобновляемых ресурсов. Мы хотим проверить, возможно ли получать топливо из природных источников (в нашем случае из древесного угля).
Теоретическая часть
Чтобы получить бензин методом Фишера-Тропса, нам нужно знать, что это за процесс, и что у нас должно в итоге получиться.
2.1 Историческая справка
В 1920-е годы в Институте кайзера Вильгельма работали немецкие исследователи Франц Фишер и Ханс Тропс. Они-то и придумали это процесс, позже названный в их честь.
Позже это процесс нашел широкое применение в военной промышленности Германии. Эта страна богата углем, но бедна на нефтяные залежи. Тут-то и пригодился синтез Фишера-Тропса. Он позволял получать топливо из угля (а точнее из синтез-газа, получаемого из угля). Это позволило Германии создать одну из самых мощных танковых армий в Европе к середине XX века.
В настоящее время две компании коммерчески используют свои технологии, основанные на процессе Фишера—Тропса. Shell в Бинтулу использует природный газ в качестве сырья и производит преимущественно малосернистое дизельное топливо. В 1955 г. в Сасолбурге (ЮАР) фирма Sasol ввела в строй первый завод по выпуску жидкого топлива из угля методом Фишера—Тропса.[3]
2.2 Бензин – это…
Бензин — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от +33 до +205 °C. При производстве важно добиться правильного соотношения легких и тяжелых фракций, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточно высокую испаряемость при низких температурах, а с другой – не допустить перебоев в работе мотора из-за образования паровых пробок в топливопроводе, которые могут возникнуть вследствие интенсивного испарения большого количества легких фракций [1], [2].
Из вышесказанного можно сделать вывод, что бензин – это смесь легких углеводородов с температурой кипения от +33 до +205 . Таким требованиям удовлетворяют парафины и олефины с количеством атомов углерода от 5 до 12, то есть жидкие фракции углеводородов.
2.3 Химическая составляющая процесса
Так в чем же заключается этот синтез?
Синтез Фишера—Тропса можно рассматривать как восстановительную олигомеризацию оксида углерода:
Катализаторами служат переходные металлы VIII группы. Катализаторами служат переходные металлы VIII группы: наиболее активен рутений (Ru), затем кобальт (Co), железо (Fe), никель (Ni). Для увеличения реакционной каталитической поверхности их часто наносят на пористые инертные носители, такие, например, как силикагель и глинозём. В промышленности нашли применение только Fe и Co. Рутений слишком дорог, кроме того, его запасы на Земле слишком малы для использования в качестве катализатора в многотоннажных процессах. На никелевых катализаторах при атмосферном давлении образуется в основном метан (n=1), при повышении же давления в реакторе образуется летучий карбонил никеля, который уносится из реактора с продуктами реакции. [3].
Поскольку в конечном продукте нам нужно получить парафины, буду использовать в качестве катализатора чистое железо, по причине его доступности и относительной простоте условий реакции (давление примерно равно атмосферному, температура лежит в пределах 200-250 градусов).
Для синтеза Фишера-Тропса необходим синтез-газ. Есть несколько основных способов его получения:
Конверсия метана
Газификация угля
Мы будем использовать второй способ, так как с углем работать проще, чем с метаном, к тому же, мы не смогли купить последний.
2.4 Газификация.
Газифика́ция — преобразование органической части твёрдого или жидкого топлива в горючие газы при высокотемпературном (1000—2000 °C) нагреве с окислителем (кислород, воздух, водяной пар, CO2 или, чаще, их смесь). Полученный газ называют генераторным по названию аппаратов, в которых проводится процесс — газогенераторов.
Сырьём для процесса обычно служат каменный уголь, бурый уголь, горючие сланцы, торф, дрова, мазут, гудрон.
Совокупность процессов, протекающих в ходе газификации твёрдых горючих ископаемых — пиролиз, неполное горение, полное окисление — называют конверсией:
C + O2 → CO2 + 408,9 кДж/моль
C + ½O2 → CO + 123,2 кДж/моль
C + CO2 → 2CO — 161,5 кДж/моль
C + H2O → CO + H2 — 136,9 кДж/моль
CO + H2O → CO2 + H2 + 42,8 кДж/моль, кроме того, образуются продукты пиролиза.
Газогенератор — устройство для преобразования твёрдого или жидкого топлива в газообразную форму (газификации). Наиболее распространены газогенераторы, работающие на дровах, древесном угле, каменном угле, буром угле, коксе и топливных пеллетах. Газогенераторы, использующие в качестве топлива мазут и другие виды жидкого топлива, применяются значительно реже.
Обеспечивая более полное сгорание отходов деревообработки и сельскохозяйственного производства (опилки, лузга семечек и т. д.), использование газогенератора позволяет сократить выбросы в атмосферу.
Практическая часть
3.1 Разработка установки для проведения синтеза
Сначала мы сделали чертеж установки для того, чтобы в дальнейшем осуществить по нему сборку последней (Приложение 1)
Изучая информацию, перед нами встал вопрос о создании газогенератора. Будем использовать схему прямого процесса (Приложение 2), так как она проще всего в техническом плане. Генератор должен был выдержать температуру в 1000℃, иметь разъёмы для подключения трубок, вмещать достаточное количество угля, а также быть компактным. Для этого мы выбрали стальную коптильню.
Топливом для газогенератора будут выступать вода и уголь. Воду будем подавать с помощью бутылки с отверстием в крышке.
Реактором (Приложение 3) будет выступать стеклянная колба с порошком железа внутри. Порошок будет катализатором. Было выбрано именно железо, так как для проведения синтеза на данном катализаторе требуются относительно «мягкие» условия (давление равное атмосферному и температура в 250-300 ℃). Чтобы соединить её и генератор был изготовлен проводник из пластиковой бутылки. Чтобы крепить стык была использована строительная огнеупорная глина и термоклей.
Во время работ были соблюдены все меры предосторожности. Мы пользовались перчатками, защитными очками, халатами. Также, у нас имелся огнетушитель на случай ЧП. Также за ходом эксперимента наблюдал наш учитель по химии. Не пытайтесь повторить это!!!
3.2Эксперименты.
Всего нами было проведено 4 эксперимента с нашей установкой. Они все (кроме первого) проходили по следующему плану:
Поджигаем растопку внутри генератора.
Добавляем внутрь дрова.
С помощью газовой горелки и фена сжигаем часть дров для повышения температуры генератора.
Добавляем уголь, продолжая жечь дрова горелкой с помощью фена.
Как только температура достигнет рабочей (≈1000 ℃), закрываем генератор крышкой и добавляем через нижнее отверстие в активную зону (центральная часть напротив поддувала) воду.
Разогреваем реактор с помощью спиртовки, иногда используя горелку.
Продолжаем процесс до тех пор, пока продукт не соберется на дне реактора.
Охлаждаем генератор с помощью оставшейся воды.
Отфильтровываем получившийся продукт и собираем его в пробирку.
1 эксперимент (Приложение 4) отличался от остальных. Его целью было проверить, способен ли генератор с помощью дров и угля нагреться до 1000 ℃.
Как оказалось, это вполне возможно. Для того, чтобы примерно определить, как сильно разогрелся генератор, мы использовали веточку, трубочку из лабораторного стекла, а также железный гвоздь.
При внесении палочки в активную зону, она моментально загоралась. Это значит, что температура превышала 350 градусов (температура самовоспламенения дерева).
В активную зону мы поместили гвоздь и трубочку. Спустя минут 10 мы их извлекли. Трубочка превратилась в стеклянный «песок» и рассыпалась от обычного касания. Гвоздь же от пребывания внутри стал ярко-красным. Это свидетельствует о температуре среды примерно 900 -950 ℃. Это значит, что мы сможем создать условия для получения синтез-газа и проведения синтеза.
2 эксперимент (Приложение 5) проводился в кабинете химии. Он оказался неудачным, поскольку на 2 этапе весь кабинет наполнился дымом, и нам пришлось срочно прекращать опыт.
Целью третьего (Приложение 6) эксперимента было уже получение конечного продукта. Частично нам это удалось. В ходе опыта в колбе (Приложение 7) появилась коричневая жидкость, а на стенках образовался черный налет, который у нас не получилось отмыть. Предполагаем, что это были мазут и парафин соответственно (тяжелые фракции углеводородов). Такой результат нас не устроил, так как мы хотели получить более легкие фракции УВ. Предполагая, что мы перегрели пробирку мы провели ещё 1 эксперимент.
Конструкция установки в первых 3 опытах несколько отличалась от конечного варианта. В ней была другая система подачи воды, имелся холодильник для газа, система из трубок, соединяющая реактор и генератор, а также емкость для сбора продукта. Впоследствии эти детали были удалены за ненадобностью.
4 опыт (Приложение 8) проводился во дворе нашей школы. В процессе нам всё-таки удалось получить желанную светло-желтую жидкость внутри реактора. Чтобы её извлечь мы добавили в колбу немного спирта, затем раствор пропустили через фильтровальную бумагу. В результате у нас получилось примерно 15 мл продукта (Приложение 9).
3.3 Выводы по экспериментам:
Не стоит излишне усложнять установку. Чем она проще, тем меньше вероятность, что что-то пойдет не так.
Кипящий слой действительно необходим в реакторе, ибо он значительно повышает выход продукта (в 4 запуске у нас получилось не так много продукта)
Наша теория по синтезу оказалась верной, так как полученный продукт по физическим свойствам очень напоминает бензин.
3.4 Проверка продукта
В ходе последнего запуска нам удалось получить светло-желтую жидкость. Запах жидкости был как у машинного масла. Мы решили провести ряд опытов для определения чистоты продукта и его состава.
1 опыт
Он состоит в том, чтобы капнуть небольшое количество топлива на стекло и поджечь. Если бензин чистый, то после сгорания на стекле не должно остаться пятен, или они должны быть белыми.
Когда мы провели этот эксперимент, на стекле остались белые пятна с желтыми вкраплениями. Значит, в топливе присутствует незначительное количество примесей. При повторном проведении данного эксперимента, на стекле остались только белые пятна.
2 опыт
2 способ заключается в том, чтобы капнуть на салфетку (в моем случае фильтровальную бумагу) небольшое количество топлива и подождать, пока оно испарится. Если остаются темные пятна, значит продукт некачественный.
В нашем случае пятен не было видно даже при просвете фильтровальной бумаги.Нашу фильтровальную бумагу с виду было очень сложно отличить от чистой, что снова подтверждает чистоту моего продукта.
Когда мы проводили данный эксперимент, небольшое количество топлива через фильтровальную бумагу просочилось на парту. При высыхании пятно стало светло-белым, к тому же не смачивалось водой.
3 способ
3 способ заключается в проверке принадлежности нашего продукта к легким топливным фракция посредством сравнения его плотности с плотностью воды.
В пробирку мы добавили немного раствора топлива и налили небольшое количество воды. Спирт сразу же растворился с водой, а продукт был вытеснен на поверхность, где покрыл воду тонким слоем. Следовательно, наш продукт можно отнести к легким топливным фракциям.
3.5 Качественные реакции
Для того, чтобы узнать состав нашего бензина, мы будем использовать качественные реакции на разные классы органических веществ (Приложение 10).
Далее приведены результаты реакций (Приложение 11):
При добавлении раствора перманганата калия фиолетовая окраска реактива пропала, а в бензине появились маленькие коричневые «хлопья» [1].
При добавлении хлорида железа III никаких видимых изменений с раствором не произошло [2].
Для следующей качественной реакции мы прокалили медную проволоку до её почернения. При опускании почерневшей проволоки на ней незначительно появляется красный цвет [3].
Для этой качественной реакции мы приготовили раствор гидроксида меди II, смешав сульфат меди и гидроксид натрия. При добавлении продукта в эту смесь никаких видимых изменений с продуктом не произошло [4].
Когда мы добавили к бензину синий лакмус, цвет раствора не изменился [5].
Из полученных данных можно сделать следующие выводы:
Полученный продукт содержит в небольшом количестве предельные одноатомные спирты (покраснение медной проволоки).
Многоатомных спиртов и альдегидов в бензине нет (не реагирует с гидроксидом меди II).
Карбоновые кислоты в составе продукта также отсутствуют (синий лакмус не окрасил бензин в красный цвет).
Возможно присутствие небольшого количества аминов в нашем продукте (синий лакмус окрасил водный раствор в голубой цвет).
В продукте находятся непредельные углеводороды, такие как алкины и алкены.
По методу исключения продукт содержит алканы и бензолы.
4. Заключение
В ходе работы над данным проектом мы смогли разработать реактор и установку, с помощью которой возможно получить бензин фактически из угля и воды. Её устройство оказалось не очень сложным (колба с порошком и переходник из трубки).
В дальнейшем, возможно мы продолжим работу над данным проектом, ибо нам ещё есть куда расти. Можно попытаться увеличить выход продуктов реакции, путем доработки реактора. Можно сделать более герметичный генератор для снижения потерь газа. Также можно попытаться (если нам удастся повысить эффективность нашей установки) посчитать себестоимость продукта и рентабельность нашего проекта.
Мы ещё раз убедились, что химия – удивительная наука, и, зная её, можно творить чудеса (мы получили бензин из угля и воды, это ли не чудо?).
Над этим проектом я работал не один. Мне помогал Мазуренко Ярослав. его работа содержит часть со сборкой газогенератора и его испытаниями.
В заключении хотим сказать, что не стоит расстраиваться из-за неудач. Как говориться: «Если очень захотеть – можно в космос полететь».
5. Список литературы.
https://znanieavto.ru/toplivo/sostav-benzina-fizicheskie-i-ximicheskie-svojstva.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D0%BD
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%86%D0%B5%D1%81%D1%81_%D0%A4%D0%B8%D1%88%D0%B5%D1%80%D0%B0_%E2%80%94_%D0%A2%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%88%D0%B0
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%B8%D1%84%D0%B8%D0%BA%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80
https://okeydrive.ru/kak-proverit-kachestvo-benzina-v-domashnix-usloviyax/
Hutte: Справочник для инженеров, техников и студентов. Том 1. Издание пятнадцатое исправленное и дополненное. Перевод с 26 немецкого издания под общей редакцией В.К. Запорожец, С.И. Курбатова, С.Ф. Лебедева, Н.Л. Мануйлова. Ответственный редактор В.К. Запорожец. (Москва - Ленинград: ОНТИ НКТП СССР. Государственное научно-техническое издательство по машиностроению и металлообработке, 1933-34)
2. Рябов В. Д. Химия нефти и газа: учебное пособие. — М.: ИД «ФОРУМ», 2009. — 336 с.: ил. — (Высшее образование).
3. Кислицын А. Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А. Н. Кислицын. - М. : Лесн. пром-сть, 1990. – 311
Приложения.
1. (схема установки)
2 . (схема газогенератора) 3. (схема реактора)
4 . (1 запуск) 5. (2 запуск)
6. (3 запуск) 7. (4 запуск)
8. (результаты 3-го запуска) 9. (результаты 4-го запуска)
10. (качественные реакции органической химии)
11. (результаты качественных реакций)
[1] [2] [3]
[4] [5]