Xăng tổng hợp: mô tả, đặc điểm, hiệu suất, phương pháp sản xuất

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Khoa học và tiến bộ cho phép bạn tạo ra những thứ chưa từng thấy trước đây, mà nhiều người thậm chí không thể nghĩ tới. Lấy ví dụ, một sự phát triển tương đối mới như xăng tổng hợp. Nhiều người biết rằng nhiên liệu này thu được bằng cách chưng cất từ dầu mỏ. Nhưng nó cũng có thể được tổng hợp từ than, gỗ, khí đốt tự nhiên. Việc sản xuất xăng tổng hợp tuy không thể thay thế hoàn toàn phương thức sản xuất thông thường nhưng vẫn đáng được nghiên cứu. Do đó, lịch sử của nó sẽ được xem xét, cũng như các cách để có được nó.

Giới thiệu

Thật khó tưởng tượng nền văn minh hiện đại không có nhiên liệu động cơ - dầu diesel, dầu hỏa, xăng. Ô tô, máy bay, tên lửa, phương tiện giao thông đường thủy làm việc cho họ. Nhưng lượng dầu trong ruột có hạn. Cách đây không lâu, người ta tin rằng nhân loại sẽ sớm chắc chắn phải đối mặt với tình trạng thiếu nhiên liệu. Nhưng hóa ra,nó không phải là tất cả đáng buồn. Các công nghệ mới đang được phát triển để khai thác các nguồn dự trữ khó thu hồi và các lựa chọn thay thế đang xuất hiện. Chúng ta cũng có thể đề cập đến năng lượng xanh và tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên (ô tô nhỏ hiện đại dễ dàng quản lý 4-6 lít nhiên liệu cho mỗi trăm km, mặc dù vào đầu thiên niên kỷ của chúng ta, chúng yêu cầu khoảng 10). Và nhiên liệu chất lượng cao, hóa ra, có thể được lấy từ các nguyên liệu thô khác nhau không phải dầu mỏ.

Tất cả bắt đầu như thế nào?

Chúng ta cần bắt đầu với những sự kiện đã diễn ra hơn 150 năm trước. Đó là thời điểm bắt đầu sản xuất dầu thương mại. Kể từ đó, nhân loại đã sử dụng hơn một nửa số nguyên liệu được gọi là nguyên liệu thô nhẹ. Ban đầu, dầu mỏ được sử dụng như một nguồn năng lượng nhiệt. Ở thời đại của chúng ta, cách làm này không hiệu quả về mặt kinh tế. Khi kỷ nguyên ô tô đến, các sản phẩm phân đoạn dầu trở nên phổ biến trong vai trò nhiên liệu động cơ. Đồng thời, càng cạn kiệt nguyên liệu thì việc tìm kiếm giải pháp thay thế càng trở nên có lợi hơn.

Dầu là gì? Đây là một hỗn hợp của các hydrocacbon, và cụ thể hơn là xycloalkanes. Họ là ai? Ankan đơn giản nhất được nhiều người biết đến là khí mêtan. Ngoài ra, trong dầu còn có các tạp chất nitơ và lưu huỳnh. Và nếu nó được xử lý một cách chính xác, thì bạn có thể nhận được rất nhiều nguyên liệu khác nhau. Ví dụ, lấy loại xăng nổi tiếng. Anh ta đại diện cho cái gì? Thực chất, đây là phần dầu có độ sôi thấp được tạo thành bởi các hydrocacbon mạch ngắn với lượngnguyên tử từ năm đến chín. Xăng là nhiên liệu chính cho ô tô chở khách cũng như máy bay nhỏ. Loại tiếp theo được đánh dấu là dầu hỏa. Nó nhớt và nặng hơn. Nó được hình thành từ các hydrocacbon trong đó có từ 10 đến 16 nguyên tử. Dầu hỏa được sử dụng trong động cơ và máy bay phản lực. Một phần thậm chí còn nặng hơn là dầu khí. Nó được sử dụng trong nhiên liệu diesel, một hỗn hợp với dầu hỏa.

Tìm kiếm khoa học cho một giải pháp thay thế

Mặc dù các phần chính thu được từ dầu, nhưng hóa ra các nguyên liệu carbon khác cũng có thể được sử dụng cho mục đích này. Vấn đề này đã được các nhà hóa học giải quyết sớm nhất vào năm 1926. Sau đó, các nhà khoa học Fischer và Tropsch đã phát hiện ra phản ứng khử của carbon monoxide dưới áp suất khí quyển. Người ta nhận thấy rằng hydrocacbon lỏng và rắn có thể được hình thành từ hỗn hợp khí với sự có mặt của chất xúc tác. Về thành phần hóa học, chúng gần giống với các sản phẩm thu được từ dầu mỏ. Kết quả của nghiên cứu hóa học được gọi là "khí tổng hợp". Nó hóa ra khá dễ dàng. Nhiều đến mức nó có thể được lặp lại ở nhà đối với bất kỳ người nào chưa học qua môn hóa học và vật lý ở trường. Nó được thu nhận bằng cách cho hơi nước đi qua than (đây là quá trình khí hóa của nó) hoặc bằng cách chuyển đổi khí tự nhiên thông thường (nó bao gồm chủ yếu là mêtan). Trong trường hợp thứ hai, chất xúc tác kim loại được sử dụng bổ sung. Cần lưu ý rằng khí tổng hợp có thể được tạo ra không chỉ từ metan và than đá. Một hướng đầy hứa hẹn hiện được coi là nghiên cứu về enzym vàchế biến nhiệt hóa chất thải nguyên liệu thực vật. Chúng ta cũng không nên quên về quá trình chuyển hóa khí sinh học, tức là các chất dễ bay hơi thu được từ quá trình phân hủy chất thải hữu cơ.

Ứng dụng đã phát triển như thế nào?

Đức Quốc xã xuất sắc trong vấn đề này. Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, nó gặp phải những vấn đề nghiêm trọng về nguồn cung cấp nhiên liệu. Do đó, toàn bộ khu phức hợp đã được tạo ra để chế biến than thành nhiên liệu lỏng. Và xăng tổng hợp của Đệ tam Đế chế đã đóng góp đáng kể vào việc trì hoãn khá mạnh sự sụp đổ của tình trạng khủng khiếp này. Sau đó người ta sử dụng phương pháp hóa lỏng than cho đến khi thu được nhiên liệu nhiệt phân. Vào cuối chiến tranh, Đức Quốc xã đã đạt được mức 100.000 thùng dầu tổng hợp mỗi ngày. Theo các thuật ngữ thông thường, con số này là hơn 130 tấn! Việc sử dụng than có hiệu quả do thành phần hóa học tương tự. Vì vậy, hàm lượng hydro trong đó là 8%, còn trong dầu là 15%. Nếu bạn tạo ra một chế độ nhiệt độ nhất định và bão hòa than bằng hydro với một thể tích đáng kể, thì than sẽ chuyển sang trạng thái lỏng. Quá trình này được gọi là quá trình hydro hóa. Ngoài ra, nó có thể được tăng tốc và tăng thể tích nếu sử dụng các chất xúc tác: sắt, thiếc, niken, molypden, nhôm và nhiều chất khác. Tất cả điều này giúp bạn có thể tách các phần nhỏ khác nhau và sử dụng chúng để xử lý thêm.

Xăng tổng hợp được sản xuất tại Đức. Sau Chiến tranh thế giới thứ hai, Nam Phi cũng làm theo. sau đóTrung Quốc, Úc và Hoa Kỳ bắt đầu tham gia. Cần lưu ý rằng chúng tôi cũng có tiềm năng phát triển khu vực này.

Về giảm và tăng

Ở Liên Xô, ngay cả trước khi Chiến tranh thế giới thứ hai bắt đầu, đã có những cuộc tìm kiếm khả năng khai thác xăng từ than nâu. Nhưng than ôi, không thể thu được kết quả phù hợp với sản xuất công nghiệp. Sau khi xung đột kết thúc, giá dầu giảm, và cùng với đó là nhu cầu về nhiên liệu tổng hợp biến mất. Hiện nay, do trữ lượng dầu giảm, khu vực này đang tái sinh. Việc sản xuất xăng tổng hợp ngày càng rộng rãi, thường gặp sự hỗ trợ của nhà nước. Ví dụ, ở Hoa Kỳ, các nhà sản xuất các loại nhiên liệu này có thể trông cậy vào trợ cấp của chính phủ. Bất chấp tất cả các điều kiện tiên quyết, nhiên liệu lỏng được sản xuất ở quy mô hạn chế. Thực tế là việc mở rộng các công suất hiện có bị hạn chế bởi chi phí cao, vượt quá đáng kể so với những gì thu được từ nguyên liệu thô thông thường. Ví dụ, xăng tổng hợp ở Đức có thể được tạo ra từ nước và carbon dioxide, nhưng chỉ trong một năm nữa là sẽ có giá một chiếc ô tô mới. Và tất cả vì chi phí lắp đặt cao. Hướng công việc chính là tìm kiếm các giải pháp kinh tế kỹ thuật. Ví dụ, vấn đề giảm áp suất để hóa lỏng than đang bỏ ngỏ. Bây giờ nó là cần thiết để tạo ra 300-700 bầu khí quyển và việc tìm kiếm được thực hiện để đạt được giá trị từ 100 trở xuống. Cũng có liên quan là các vấn đề về tăng năng suất của máy phát điện, phát triển các chất xúc tác mới (hiệu quả hơn). Có, và chúng ta không nên quên rằng không có quá nhiều than tự nhiên chất lượng cao. Do đó, việc thu được nó từ khí đốt được coi là có triển vọng hơn. Cơ hội ở đây là gì?

Sản xuất từ khí thiên nhiên

Điều này đặc biệt đúng do các vấn đề giao thông hiện có. Vì vậy, nếu bạn vận chuyển khí tự nhiên, thì chi phí này sẽ bằng 30-50% giá thành của sản phẩm cuối cùng. Do đó, việc xử lý nó ngay gần nơi chiết xuất thành xăng và dầu diesel chất lượng cao là rất phù hợp. Điều này đặt ra một số yêu cầu về tính nhỏ gọn của các cài đặt. Nếu các sản phẩm cuối cùng thu được thông qua giai đoạn metanol, thì quá trình như vậy sẽ thuận tiện do nó diễn ra trong một lò phản ứng duy nhất. Nhưng cần rất nhiều năng lượng, đó là lý do tại sao nhiên liệu tổng hợp đắt gấp đôi so với dầu. Một giải pháp thay thế cho phương pháp phổ biến này đã được đề xuất bởi Viện Tổng hợp Hóa dầu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Nó liên quan đến việc làm việc với một chất trung gian khác - đimetyl ete. Không khó để làm theo cách này nếu tỷ lệ cacbon monoxit trong khí tổng hợp thu được tăng lên. Việc sản xuất xăng tổng hợp trong trường hợp này là một loại nhiên liệu bổ sung và khá thân thiện với môi trường. Đặc biệt nó thể hiện tốt khi khởi động động cơ lạnh do số cetan cao. Và đối với việc sản xuất xăng, phương án này không tồi. Vì vậy, bạn có thể tạo ra nhiên liệu có chỉ số octan là 92. Xăng tổng hợp từ khí đốt tự nhiên đồng thời có ít tạp chất có hại hơn những tạp chất có thể tìm thấy trong xăng dầu. Việc lắp đặt do Viện Hàn lâm Khoa học Nga đề xuất đưa ra một sơ đồ hoạt động, theo đó, nhiệt độ phản ứng càng cao thì cànghiệu suất.

Bạn có thể tự mình làm tất cả không?

Mặc dù thực tế là năng lượng thay thế được coi là một ngành khoa học tương đối non trẻ, nhưng việc lặp lại những thành tựu của nó trong một hộ gia đình không phải là vấn đề. Do đó, có, hoàn toàn có thể tạo ra xăng tổng hợp bằng tay của chính bạn. Hơn nữa, với các điều kiện cụ thể để tồn tại, có thể dựa vào gỗ, than và khí sinh học. Ưu tiên cho cái nào trong số họ ở nhà - mọi người tự quyết định.

Đơn giản nhất, phù hợp nhất là câu hỏi làm thế nào để lấy xăng tổng hợp từ gỗ bằng tay của chính bạn. Nhiều người chỉ coi nó như một vật liệu xây dựng hoặc nguyên liệu thô cho đồ chơi. Nhưng điều đáng nhớ là ít nhất là rượu gỗ, và rõ ràng là có tiềm năng tồn tại. Làm thế nào để có được khí tổng hợp trong trường hợp này? Cần phải lấy gỗ (hoặc chất thải của nó, chính xác là gì không quan trọng). Tại nhà, bạn có thể chế tạo một thiết bị từ ba phần, mỗi phần sẽ thực hiện chức năng của nó. Ban đầu, cần đảm bảo sấy khô và gia nhiệt đến nhiệt độ 250-300 độ C. Sau đó đến lượt nhiệt phân. Ở đây nhiệt độ sẽ tăng lên 700 độ. Và công đoạn cuối cùng là tạo khí. Nó bắt đầu cải cách hơi nước. Quá trình diễn ra ở nhiệt độ 700-1000 độ. Kết quả là một khí tổng hợp rất tinh khiết. Không cần can thiệp bổ sung. Tiếp theo, chúng tôi sử dụng chất xúc tác và xăng tổng hợp đã sẵn sàng!

Làm từ than đá

Và một điểm nhỏ nữa mà trước đây chưa được đề cập - khi làm việc tại nhà, chắc chắn, các cài đặt sẽ khá lớn. Vì vậy, nó không được khuyến khích để đặt chúng trong một căn hộ. Nhưng tạo ra chúng trong nhà riêng của bạn hoặc gần nó là một điều rất thực tế.

Xăng tổng hợp có thể được lấy từ than đá thông qua ảnh hưởng của hơi nước. Khí hóa của nó là cách dễ nhất và khả thi nhất đối với điều kiện gia đình. Vậy hãy bắt đầu. Ban đầu, để đạt hiệu quả cao hơn và tăng tốc độ của quá trình, than phải được nghiền nhỏ. Sau đó, nó được bão hòa với hydro. Sau đó cần tạo nhiệt độ 400-500 độ C và áp suất 50-300 kg / cm2. Và chúng ta đang chờ đợi thời khắc chuyển sang trạng thái lỏng. Nếu không sử dụng dung môi, thì chỉ 5-8% tổng khối lượng của than sẽ trở nên như vậy. Sau đó đến lượt các chất xúc tác. Thích hợp cho than đá: molypden, niken, coban, thiếc, nhôm, sắt, cũng như các hợp chất của chúng. Bất kỳ loại nguyên liệu thô nào cũng có thể được sử dụng để khí hóa. Màu nâu, đá - mọi thứ sẽ làm được. Mặc dù chất lượng của nó ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi. Trước đây, việc chỉ định lượng carbon đã được đưa ra và con số này được gọi là 8%. Điều này không hoàn toàn đúng. Tùy thuộc vào thương hiệu và chất lượng, giá trị có thể dao động từ 4% đến 8%. Và đối với sự phù hợp tối thiểu của quá trình chế biến và tách xăng tiếp theo, cần phải đạt được giá trị 11% (tốt hơn 15%). Ban đầu, không phải thực tế là mọi thứ sẽ diễn ra. Đặc biệt nếu bạn bỏ qua các bài học vật lý vàhoá học. Tuy nhiên, xăng tổng hợp từ than có thể được sản xuất và sử dụng thành công.

Làm việc với khí sinh học

Đây là một cách tiếp cận khá bất thường và ngông cuồng, nhưng nó có hiệu quả. Vẻ đẹp của nó còn nằm ở việc làm nhiên liệu, nó có ứng dụng rộng rãi hơn chỉ là xăng tổng hợp. Đúng, nó chiếm rất nhiều không gian. Vì vậy, ví dụ, một mét khối khí sinh học tương đương với 0,6 lít xăng. Nếu bạn sử dụng nó không ở trạng thái nén, thì ngay cả khi đưa nó lên nhãn cầu trên một chiếc xe tải, bạn sẽ không thể lái xe hơn một trăm hoặc hai km. Do đó, làm thế nào để tổng hợp xăng mong muốn từ nó? Điều này có thể xảy ra do trên thực tế, nó là mêtan với các tạp chất nhỏ. Đó thực tế là những gì bạn cần. Tổng hợp, tuy nhiên, là một vấn đề. Rốt cuộc, một cái gì đó mới và đồng thời đơn giản đã không được phát minh ở đây. Đó là, chúng ta phải làm việc để tạo ra khí tổng hợp, và từ nó để đảm bảo sự hình thành của xăng. Điều này được thực hiện (theo sơ đồ phổ biến nhất) thông qua metanol. Mặc dù bạn có thể làm việc thông qua đimetyl ete. Khi nói đến methanol, bạn phải luôn nhớ rằng nó cực kỳ nguy hiểm. Tình hình phức tạp là nó có mùi rượu, và nhiệt độ sôi là 65 độ C. Nói chung, làm việc với tổng hợp nhiên liệu không phải là trò chơi của trẻ con. Vì vậy, sẽ không thừa để học hóa lý nếu không có sẵn những kiến thức này. Tóm lại, xăng tổng hợp thu được bằng cách chưng cất khí đốt và một bình ngưng. Phương pháp này tuy không nhanh nhưng nếu có nền tảng lý thuyết tốt thì không khó. Nhưng không có kiến thức thì không thể làm việc đượckhuyến khích. Xét cho cùng, metanol nguyên chất là nhiên liệu có trị số octan cao nhất, và do đó nguy hiểm. Và động cơ của một chiếc ô tô bình thường sẽ không "tiêu hóa" nó - nó không được thiết kế cho việc này.

Kết

Đó là cách lấy nhiên liệu tổng hợp. Cần lưu ý rằng đây không phải là đồ chơi, mà là một hoạt động dễ cháy. Do đó, nếu không có sự chuẩn bị lý thuyết thích hợp, người ta không nên tham gia vào một vấn đề như vậy. Rốt cuộc, đây sẽ là một sự vi phạm trực tiếp các quy tắc an toàn. Và chúng, cần được ghi nhớ, luôn được viết bằng máu.