CC BY
246Ж ИСТОРИЯ
Синтол Фишера и Тропша
Краткие истории из жизни великих химиков
История знает немало примеров, когда в силу острой необходимости рождались новые оригинальные подходы к решению давно существующих жизненно важных проблем. Так, в предвоенной Германии, лишенной доступа к нефтяным источникам, назревал жесткий дефицит топлива, необходимого для функционирования мощной военной техники. Располагая значительными запасами ископаемого угля, Германия была вынуждена искать пути его превращения в жидкое топливо. Эта проблема была успешно решена усилиями превосходных химиков, из которых прежде всего следует упомянуть Франца Фишера, директора Института кайзера Вильгельма по изучению угля.
В 1926 г. была опубликована работа Ф. Фишера и Г. Тропша «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении», в которой сообщалось, что при восстановлении водородом монооксида углерода при атмосферном давлении в присутствии различных катализаторов (железо — оксид цинка или кобальт — оксид хрома) при
270°С получаются жидкие и даже твердые гомологи метана.
Так возник знаменитый синтез углеводородов из монооксида углерода и водорода, называемый с тех пор синтезом Фишера-Тропша. Смесь CO и H2 в различных соотношениях, называемая синтез-газом, легко может быть получена как из угля, так и из любого другого углеродсодержащего сырья.
Франц Фишер родился 19 марта 1877 г. в предместье Фрейберга — Брейзгау. Он изучал химию в высших учебных заведениях Мюнхена, Фрейберга и Гиссена. После окончания учебы вначале был ассистентом у А. Муассана в Париже, а затем у В. Оствальда в Лейпциге. И наконец, проработав один год у Эмиля Фишера в Берлинском университете, Фишер начал преподавать в Горной академии во Фрейберге. Сдав там экзамены на право чтения курса химии, он стал приват-доцентом академии. После того как Эмиль Фишер вновь вернулся в Берлин, Франц Фишер в 1908 г. стал профессором, а спустя три года — заведующим кафедрой электрохимии в Высшей технической школе, находившейся в пригороде Берлина Шарлоттенбурге.
В 1913 г. Франц Фишер был приглашен учредителями Общества
50 ГАЗОХИМИЯ НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ 2008
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.GA7OHIMIYA.RU
жзл Ж
кайзера Вильгельма на должность директора Института исследования угля, организованного при этом обществе, в городе Мюльгейме (Руре). Этот институт был создан в результате реализации многочисленных и хорошо обоснованных предложений Франца Фишера в правление общества. В Институте исследования угля Франц Фишер познакомился с Гансом Тропшем (1916 г.).
Ганс Тропш родился 9 октября 1889 г. в городе План (Богемия, ныне территория Чехии). После завершения высшего химического образования в Праге в 1907-1913 гг. он защитил диссертацию и получил ученую степень доктора-инженера. Проработав несколько лет на различных химических предприятиях, Ганс Тропш стал ассистентом в Институте исследования угля, возглавляемого Францем Фишером. В последующие годы Тропш занимал различные должности на предприятиях химической промышленности. В 1920 г. он вновь вернулся в Институт исследования угля в Мюльгейме, где и проработал до 1928 г. В эти годы Фишер и Тропш осуществили выдающуюся научно-техническую разработку — создали способ получения углеводородов. Хотя исследователи завершили лабораторную стадию работы уже в 1925 г., лишь спустя девять лет было создано многотоннажное химическое производство этих продуктов. В 1928 г. Ганс Тропш организовал при Пражском университете Институт исследования угля, директором которого он оставался до 1931 г. Затем он переехал в США, где стал научным консультантом огромного нефтяного концерна в Чикаго и одновременно профессором Чикагского университета. В 1935 г., тяжело больной, Ганс Тропш вернулся в Германию и вскоре после возвращения в возрасте всего сорока шести лет скончался.
Задолго до того, как Фишер и Тропш начали исследования процесса синтеза углеводородов в 1922 г., этим вопросом интересовалось немало других химиков. Так, в 1902 г. Сабатье и Сандеран получили из оксида углерода и водорода при помощи каталитического синтеза метан и воду. В 1913 г. в лаборатории БАСФ при использовании других катализаторов и повышенного давления была получена смесь насыщенных и ненасыщенных углеводородов и других органических соединений.
Фишер и Тропш позднее также осуществили реакцию оксида углерода с водородом при повышенном давлении (100 атм), но применяли щелочные катализаторы на основе железа. При этом Фишер и Тропш получили реакционную смесь, в которой содержалось довольно мало углеводородов. В основном она состояла из спиртов, кетонов и органических кислот. Ученые назвали эту смесь синтолом.
Глубоко изучив особенности процесса получения синтола, Фишер и Тропш обратили особое внимание на зависимость состава реакционной смеси от природы используемых катализаторов, температуры и давления. На основании полученных результатов им удалось разработать более эффективный процесс получения углеводородов. Они сумели провести реакцию оксида углерода с водородом в присутствии смешанных катализаторов на основе металлов группы железа (железо, кобальт, никель с определенными добавками) при нормальном давлении и благоприятной температуре таким образом, что получили в качестве продуктов процесса лишь углеводороды и воду. Смесь углеводородов состояла главным образом из бензиновой и средней нефтяной фракций. Так Фишер и Тропш заложили физикохимические основы способа совместной газификации.
Примерно одновременно с работами Фишера и Тропша в лабораториях Имперского общества по производству красителей проводилось исследование способа получения синтетического горючего. Работавшие там химики и технологи исходили из принципов проведения промышленного синтеза аммиака и провели гидрирование угля при высокой температуре. По этому методу, патент на который взял в 1913 г. приват-доцент Высшей технической школы в Ганновере Фридрих Бергиус, в 1927 г. впервые было организовано многотоннажное промышленное производство.
Если при получении смеси углеводородов по способу Бергиуса исходным продуктом был бурый уголь, то в методе совместной газификации — каменный уголь. Поэтому способом совместной газификации вскоре заинтересовались владельцы каменноугольных шахт, расположенных в Руре.
В лабораториях компании «Акционерное общество по ожижению и
облагораживанию каменного угля» были разработаны основы многотоннажного промышленного процесса совместной газификации. В 1934 г. начался выпуск синтетического топлива по этому методу сразу на нескольких крупных предприятиях, расположенных в Рурской области.
Поскольку в этом процессе вместо богатого водой коксового газа может применяться также и водяной газ, полученный при газификации бурого угля, установки совместной газификации впоследствии возникли и рядом с предприятиями, расположенными вблизи месторождений бурого угля в средней части Германии.
От завершения основополагающих исследовательских работ до создания производства по данному методу прошло девять лет. Это было связано с поиском катализаторов, которые, прежде всего, не подвергались бы отравлению; определенную роль в задержке с внедрением метода в промышленность сыграл и мировой экономический кризис. На медленное развитие новых син-
ФРАНЦ ФИШЕР (слева)____________________
Родился 19 марта 1877 г. в предместье Фрейберга — Брейзгау. Он изучал химию в высших учебных заведениях Мюнхена, Фрейберга и Гиссена.
После окончания учебы вначале был ассистентом у А. Муассана в Париже, а затем у Вильгельма Оствальда в Лейпциге. В 1908 г. стал профессором, а спустя три года — заведующим кафедрой электрохимии в Высшей технической школе, находившейся в пригороде Берлина Шарлоттенбурге.
ГАНС ТРОПШ (справа)____________________
Родился 9 октября 1889 г. в городе План (Богемия, ныне территория Чехии). После завершения высшего химического образования в Праге в 1907-1913 гг. он защитил диссертацию и получил ученую степень доктора-инженера.
НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ 2008 ГАЗОХИМИЯ 51
Ж ИСТОРИЯ
тетических способов получения горючего оказало также влияние то обстоятельство, что долгое время синтетические продукты стоили значительно дороже, нежели соответствующие вещества, полученные из природного сырья.
Акционеры «Имперского общества по производству красителей» восприняли способ производства углеводородов по методу Фишера и Тропша в качестве серьезного конкурента. Лишь после длительных переговоров между представителями обоих концернов было достигнуто соглашение.
В 1937 г. Франц Фишер вместе с Гельмутом Пихлером разработали метод синтеза углеводородов при среднем давлении. Ученые использовали катализаторы на основе соединений железа, высокие температуры и давление около 10 атм. Эти эксперименты имели большое зна-
чение для организации многотоннажного химического производства углеводородов. В результате осуществления этого процесса в качестве основных продуктов получились бензин с высоким октановым числом и парафины.
Франц Фишер, защитивший докторскую диссертацию по изучению процессов, протекающих в аккумуляторах, был одним из наиболее крупных физико-химиков, которые во всемирно известной лаборатории Вильгельма Оствальда исследовали каталитические процессы. Основываясь на результатах работ Оствальда, Сабатье, Сандерана и Митташа, Фишер значительно расширил область промышленного применения гетерогенно-каталитических реакций. Благодаря работам Фишера и Тропша Институт исследования угля стал широко известен во всем мире. В опубликованных с 1917 по 1937 г. двенадцати томах сборников трудов института были помещены статьи его сотрудников, изучавших синтез топлива и другие вопросы практического использования угля. С 1920 г. Фишер принимал также активное участие в издании журнала «Химия горючих веществ», занявшего значи-
тельное место в специальной химической литературе. Свыше трех десятилетий Фишер был директором Института исследования угля в Мюльгейме. Лишь в 1944 г. он ушел на пенсию, а 1 декабря 1947 г. скончался в Мюнхене.
Франц Фишер и Ганс Тропш видели свою главную задачу в том, чтобы найти новые источники сырья и разработать пути усовершенствования уже существовавших методов их использования. Если вспомнить, что коэффициент, составлявший при использовании угля в качестве топлива 15%, при гидрировании угля увеличивался почти до 90%, нетрудно увидеть, сколь велика экономическая эффективность метода. Разработка процесса промышленного синтеза углеводородов по методу Фишера-Тропша явилась огромным научно-техническим достижением.
Производство смеси углеводородов по методу совместной газификации постоянно росло, поскольку она широко использовалась в качестве топлива для автомобилей и самолетов. Росту потребности в синтетическом топливе также способствовало переоборудование двигателей морских кораблей с угля на нефть, начавшееся с 1914 г. Некоторые мирные отрасли экономики тоже нуждались в модификации методов получения искусственного топлива, предложенных Фишером и Тропшем, а также Бергиусом. Но внедрение этих методов в промышленность преследовало главным образом военные цели.
Уже в XXI веке Пентагон провел успешные испытания стратегического бомбардировщика B-52 Stratofortress, который использовал в качестве топлива не традиционный керосин, а альтернативное топливо, выработанное из природного газа. Топливо называется FT, оно создано по технологии германских химиков Франца Фишера (Franz Fischer) и Ганса Тропша (Hans Tropsch), которые сделали это изобретение еще в 1930-е годы (германские войска во Вторую мировую
войну активно использовали «синтетический бензин», произведенный именно по технологии Фишера и Тропша).
B-52 совершил свой первый полет в 1954 г., в 1955 г. он поступил на вооружение ВВС США (US Air Force). Последний из 744 бомбардировщиков был произведен в 1962 г. За это время серьезно изменились стратегическая обстановка (B-52 был разработан для ядерной войны с СССР и его союзниками) и экономические реалии. За время одного полета бомбардировщик использует 47 тыс. галлонов (177,9 кубических метров) топлива. В середине 1950-х гг. один галлон авиационного топлива стоил примерно $0,25.
Однако за десятилетия нефть серьезно подорожала, в результате один вылет B-52 ныне обходится более $200 тыс. Несмотря на то что вооруженные силы США активно применяли B-52 в начальный период войн в Ираке и Афганистане, потребность в этом самолете постепенно уменьшается. В начале октября 2006 г. Конгресс США US Congress одобрил план сокращения флота B-52 с 94 имеющихся до 56 в течение двух лет — одной из причин этого была как раз «прожорливость» ветерана «холодной войны» (стоимость одного бомбардировщика в ценах 1998 г. составляет $53,4 млн).
Летом 2006 г. Боевое командование ВВС США сообщило, что в 2018 г. планирует принять на вооружение новый бомбардировщик, который заменит не только B-52, но и более современный «самолет-невидимку» B-1 Lancer. Одной из причин этого названа относительная уязвимость имеющихся моделей, которые не могут преодолевать насыщенные системы ПВО без поддержки истребителей. Министерство обороны США планирует к 2016 г. производить половину авиационного топлива из альтернативных источников энергии. Топливо FT разработала и производит компания Syntroleum, которая указывает, что оно может производиться не только из газа, но и из угля. Начаты опыты применения FT для заправки армейских автомобилей и бронетехники.
Видимо, история по-прежнему будет пополняться примерами, когда в силу необходимости придут новые оригинальные подходы к решению давно существующих проблем. РХ
Франц Фишер и Ганс Тропш видели свою главную задачу в том, чтобы найти новые источники сырья и разработать пути усовершенствования уже существовавших методов их использования
52 ГАЗОХИМИЯ НОЯБРЬ-ДЕКАБРЬ 2008
