Что такое пиролиз? Какое значение он имеет для современной химической промышленности? Будем вместе разбираться в данном вопросе.
О пиролизе углеводородов
Итак, что такое пиролиз? Определение данного процесса предполагает термическое разложение органического соединения без наличия кислорода. Подвергаются такому распаду нефтепродукты, уголь, древесина. После завершения процесса образуется синтез-газ, а также другие конечные продукты.
Особенности процесса
Реакция пиролиза осуществляется при температуре от 800 до 900 градусов. Именно этот процесс считают основным вариантом образования этилена. Данный непредельный углеводород является важным исходным сырьем для получения разнообразных органических соединений: бензола, дивинила, пропилена.
Пиролиз древесины
Рассуждая над тем, что такое пиролиз, отметим, что впервые эта химическая технология переработки нефтегазового сырья была запатентована А. А. Летним в 1877 году. Что такое пиролиз древесины? Эта реакция осуществляется при температуре порядка 500 градусов. Она связана с образованием таких важных компонентов химического производства, как уксусная кислота, древесный уголь, смола, ацетон. Учитывая, что наша страна является «кладовой» лесов, в России функционируют крупные комбинаты по проведению процесса пиролиза древесины.
Пиролиз мусора
Пиролиз отходов является специальным проектом, связанным с уничтожением бытового мусора. Сложность проведения пиролиза пластмасс, шин, разнообразных органических отходов связана с тем, что предполагается иная технология, существенно отличающаяся от процесса переработки иных твердых материалов.
В составе многих отходов есть сера, хлор, фосфор, которые после окисления (образования оксидов) приобретают свойства летучести. Продукты пиролиза представляют угрозу для окружающей среды.
При взаимодействии хлора с органическими веществами, образующимися после завершения процесса разложения, происходит выброс прочных ядовитых соединений, таких как диоксины. Для того чтобы улавливать подобные продукты из выделяющегося дыма, необходима специальная установка пиролиза. Подобная процедура предполагает существенные материальные затраты.
Для европейских стран большое экологическое значение имеет проблема утилизации старых автомобильных шин, резиновых деталей, которые отработали свой эксплуатационный срок. В связи с тем что природное нефтяное сырье является невосполнимым видом полезных ископаемых, необходимо применять в максимальном объеме вторичные ресурсы.
Из бытового и строительного мусора можно получать огромное количество разнообразных веществ органического и неорганического состава, поэтому так важно развивать данное промышленное направление.
Полимеры и автомобильные шины являются отличным ценным сырьем. После его переработки путем низкотемпературного пиролиза можно получать жидкие фракции насыщенных углеводородов (синтетическую нефть), горючий газ, углеродистый остаток, а также металлический корд. При сжигании тонны резиновых шин происходит выделение в атмосферу порядка 270 кг сажи, а также около 450 кг токсичных газообразных веществ.
Синтез-газ
Это смесь водорода и оксида углерода (2). В промышленных объемах ее получают при проведении паровой конверсии метана, газификации угля, окислении метана, переработке органических отходов. В зависимости от того, по какой технологии получают синтез-газ, соотношение в нем угарного газа и водорода может варьироваться в диапазоне от 1:1 до 1:3.
Среди основных областей применения данного сырья особое место занимает изготовление метанола, а также синтез Фишера-Тропша. Под ним понимают химическую реакцию, которая происходит при наличии катализатора. Заключается она в преобразовании угарного газа и водорода в разнообразные жидкие углеводороды. В основном в качестве катализаторов (ускорителей) данного взаимодействия выбирают кобальт и железо.
Специфичность данного процесса в возможности производства синтетических материалов для применения их в виде смазочного синтетического масла либо топлива.
Специфика получения
Как выглядит химизм реакции? Попробуем выяснить, что это. Определение пиролиза было рассмотрено выше, теперь остановимся на особенностях химического процесса. Способ Фишера-Тропша подразумевает взаимодействие метана с кислородом. Продуктами взаимодействия являются угарный газ и водород. В результате реакции получаем углеводороды ряда алканов и водяной пар. Именно образующиеся углеводородные продукты после очистки используют для создания синтетической нефти.
Значение пиролиза
Угарный газ и газообразный водород образуются при частичном окислении древесного топлива и каменного угля. Значимость подобного процесса заключается в образовании из твердого сырья (углеводородных отходов либо угля) водорода или жидких углеводородов.
При неокислительном пиролизе твердых отходов в настоящее время в химической промышленности производят синтез-газ. Некоторое его количество применяют и в виде автомобильного топлива, не подвергая последующей переработке по реакции Фишера-Тропша. При необходимости использования жидкого топлива аналогичного парафинам и смазке применяется упрощенная химическая технология.
Если нужно увеличить количество выпускаемого водорода, с помощью изменения объема водяного пара смещают в данном уравнении химическое равновесие. В таком случае после завершения взаимодействия образуется водород и углекислый газ.
Совершенствование технологии
После открытия, сделанного в 1920 году немецкими исследователями Гансом Тропшом и Францем Фишером, технология неоднократно модернизировалась, совершенствовалась. Постепенно количество синтетического топлива, созданного путем пиролиза, достигло в Германии 124 тысяч баррелей за сутки. Такой показатель существовал в 1944 году.
Современность
В наше время существуют две крупные компании, которые применяют в своей технологии процесс Фишера-Тропша. Большая часть дизельного топлива ЮАР производится путем пиролиза, последующего окисления образующих продуктов.
Особое внимание данная химическая технология приобрела после того, как ученые стали искать способы получения дизельных малосернистых веществ, способных наносить минимальный ущерб окружающей среде. Например, американские компании в настоящее время в качестве исходного сырья выбирают кокс или уголь, получая жидкие углеводороды высокого качества.
Несмотря на то что процесс пиролиза является проработанной технологией, которую можно использовать в крупных масштабах, он связан с довольно высокими материальными затратами на ремонт и эксплуатацию установки. Для многих производителей это является сдерживающим фактором, ведь наблюдается тенденция снижения мировых цен на нефть.
Заключение
Мировые запасы каменного угля достаточно велики. Они могут быть использованы в виде источника топлива в связи с существенным истощением нефти. Аналитики, занимающиеся нефтегазовой отраслью, убеждены, что именно путем пиролиза можно производить качественные углеводороды. Они отмечают, что получаемое топливо не только имеет более высокие экологические показатели по сравнению с нефтяным топливом, но и вполне приемлемо для потребителей по ценовому диапазону. В случае сочетания синтеза Фишера-Тропша и газификации биомассы можно вести речь о перспективном способе изготовления возобновляемого варианта автомобильного топлива.
Синтетическое сырье, получаемое путем пиролиза угля, является конкурентоспособным только при стоимости нефти больше 40 долларов за баррель. Для производства подобной смеси углеводородов необходимы инвестиции в диапазоне от семи до девяти миллиардов долларов за восемьдесят тысяч баррелей синтетического топлива. Технологии, связанные с процессом пиролиза, признаны у экологов одними из самых безопасных для окружающей среды. Именно поэтому в последнее время многие развитые страны уделяют большое внимание разработке новых способов получения углеводородного топлива, которое бы позволило им отойти от традиционного нефтяного сырья. Благодаря инновациям и совершенствованию технологической цепочки процесс пиролиза стал существенно дешевле и доступнее для получения качественных жидких углеводородов. Образованные продукты применяют не только в качестве топлива, но и для создания разнообразных органических веществ.