Szénkémia

A szénkémia (a szénkémia vagy a karbonátion kémia is ) a szén korszerűsítésének egy alszakaszára utal , amelyben a szénből a benne lévő értékes anyagokhoz szállított anyagból gazdaságos vagy gáz- vagy folyékony tüzelőanyagokat kell átvinni. A szénkémiai folyamatok közé tartoznak a gáztalanító eljárások, például az füstölés és kokszolás , a gázosítási folyamatok és a szén cseppfolyósításának folyamatai .

sztori

A szénkémia első kezdetei a XVI. Abban az időben, nagy mennyiségű szenet a kohászat a vasérc szükséges: Az olvadás egy tonna vas volt szükség 30 tonna szenet. A kunyhók körüli erdőket gyakran nem használták fenntarthatóan , hanem kivágták őket . Volt egy kevés fát . Ezért tanulmányozták a kőszén használatát . A folyékony és szilárd kisebb komponensek tartalma megnehezítette a tiszta szén használatát. A szén kezdetben kezelt , mint a fa faszén cölöpök make koksz .

Mintegy 1684, John Clayton felfedezték , hogy a szén gáz volt éghető. Felfedezését a Royal Society filozófiai tranzakcióiban írta le 1735 -ben.

Az elején a 18. században, Abraham Darby fejlesztette a folyamat kokszolható kőszén egy kokszolókemence . A zárt kemencék 1756 -os feltalálásával határozottan javítani lehetett a kokszgyártáson.

1785 -ben Jan Piter Minckelers szénből készült gázzal megvilágította a Leuveni Egyetem előadótermét . A rendkívül viszkózus kőszénkátrányt hamarosan lezárásra használták a hajógyártásban . A 19. század elején megalakultak a szénkémiai termékek első ipari szerkezetei. A Freiberg (Sachsen) az első utcai lámpa működtethető gázzal 1811 ; 1812 -ben megnyílt az első gázmű Londonban . 1860 -ban már 320 gázmű volt Németországban. A gázt világításra, háztartásban, energiaellátásra és a vegyipar alapanyagaként használták fel.

A melléktermékek terméket kokszot kapunk nagy mennyiségben. Az elgázosítási koksz levegővel és a vízgőz előállított víz-gáz , amelyet összekeverünk a kokszolókemence gázok. A vegyipar növekvő igényével a hidrogént és szén-monoxidot tartalmazó gázok iránt Németországban számos nagyszabású gázosítási eljárást fejlesztettek ki . Fritz Winkler 1926 körül kifejlesztette a fluidágyas gázosítást a BASF -nél; A Lurgi nyomás alatti gázosítást 1930 -ban fejlesztették ki . Húsz évvel később a betöltött áramlású gázosító Koppers-Totzek (→ Koppers-Totzek reaktor ) után következett.

Mindkét világháborúban a hazai szén fontos volt Németország számára, mint a vegyipari termékek alapanyaga, valamint az üzemanyagok, például a benzin és a dízel előállítása . Az NDK-ban ezt széles körben folytatták az 1990-es újraegyesítésig a Leuna-művekben ( Leuna közelében , Szász-Anhalt), magas költségekkel és jelentős gazdasági veszteségekkel.

A második világháború előtt a szénfinomítás volt a szerves vegyi alapanyagok kitermelésének szokásos folyamata . Jelentőségük meredeken csökkent az olcsóbb és könnyebben feldolgozható nyersolaj megjelenésével . Az 1970-es volt két olajár válságok (1973-1974 és 1979); ezt követően a valódi olajár 2005 körül egészen viszonylag olcsó volt.

A szénkémia folyamata

A szénkémia gáztalanító, gázosító és cseppfolyósító folyamatokra osztható. Amikor a szilárd tüzelőanyagokat levegő hiányában hevítik, azok lebomlanak, lehasítják a folyékony és gáznemű termékeket, és szilárd maradékot, a kokszt . A leggyakrabban használt gáztalanító eljárás a kőszén kokszolása.

Kokszolás

Szűkebb értelemben a kokszolás a kőszén magas hőmérsékletű kokszolása , amely 1150 ° C-ig ér véget. Az eljárástól függően a kokszolás fő terméke vagy az előállított koksz, amelyet elsősorban vaskivonásban , kohászatban és öntödei technológiában használnak, vagy a kokszkemence -gázok. A kokszolókemencében keletkező gázok aránya és összetétele a felhasznált szenetől és a folyamat körülményeitől függ. A fiatalabb szenek előnyösek a gáz előállítására.

A kokszolást több hőmérsékleti tartományra lehet osztani. A pre-gáztalanító kerül sor akár hőmérséklet kb. 350 ° C-on A folyamatok kezdetben fizikai jellegűek, és a szén szárításából, valamint a nitrogén , az oxigén és a metán deszorpciójából állnak . Körülbelül 250 ° C -tól a termikus lebomlás könnyű paraffinok és aromák felszabadulásával kezdődik .

A középső gáztalanítás 350 ° C és 425 ° C közötti hőmérséklet -tartományban történik, ezalatt további paraffinok és aromák szabadulnak fel. Ezenkívül a szén műanyag lesz, és felpuffad.

A következő fő gáztalanítási folyamat során a gáz nagy részét nyerik, nafténeket , paraffinokat, aromás és fenolokat szabadítva fel. A szén újra megszilárdul, és megkezdődik a félkoksz képződése. Körülbelül 850 ° C -tól a szénhidrogének összetevőikre, szénre és hidrogénre bomlanak . A gáztalanítás utáni 1000 ° C-ig ammónia szabadul fel, és az alkének aromás vegyületekké polimerizálódnak . Miután az ammónia és a kátrány és a benzol már elkülönítjük, a gázt visszavezetjük a folyamatba , mint fűtőgáz .

A céltermék függvényében megkülönböztetünk kokszoló és gázképző kemencéket. A kokszolókemencék a termelt gáz nagy részét saját energiaellátásukra használják fel, míg a gáztermelő kemencéket más folyamatokból származó sovány gázokkal fűtik.

Parázsló

A barnaszén , a lignin , a tőzeg és az olajpala 450-600 ° C -on karbonizálódik . A termékek füstölgő koksz, valamint füstölgő kátrány és olaj. A kapott koksz hidrogénben gazdagabb, mint a magas hőmérsékletű koksz.

Szénhidrát

1913 -ban Friedrich Bergiusnak először sikerült kísérletet tennie arra, hogy a szenet 400-500 ° C hőmérsékleten és 100-200 bar hidrogénnyomású autoklávban végzett hidrogénezéssel olajává alakítsa. 1925 -ben Matthias Piernek sikerült optimalizálnia a Bergius -folyamatot katalizátorok, például ón -oxalát és vas -sók használatával. Már 1931 -ben üzembe helyezték a Leuna -művekben évente 100 000 tonna kapacitású vizsgálóberendezést . A következő években, egészen a második világháború végéig tizenkét, 4 millió tonna kapacitású hidrogénezőművet építettek Németországban.

A háború befejezése után a folyamatok gazdaságtalanok voltak az olaj könnyű hozzáférhetősége miatt . Csak az olajválság nyomán épült újra két kis tesztlétesítmény Németországban.

Szén gázosítás

A széngázosítási eljárásokat rögzített ágyas , fluidizált ágyas vagy beáramló gázosító gázként végezzük . A folyamatok eltérnek a felhasznált szén szemcseméretétől, amelynek mérete jelentősen hozzájárul az eljárás összköltségéhez. A rögzített ágyas eljárásban durva szemcsés, jellemzően 6–40 mm-es szemcseméret használható. A fluidágyas eljáráshoz 1-8 mm közötti szemcseméret szükséges, a füstgázpor -eljáráshoz pedig 0,1 mm -nél kisebb szemcseméret szükséges. A szemcseméret mellett fontosak a felhasznált szenek kémiai tulajdonságai, például a hamutartalom és a sütési kapacitás.

A szén gázosítását autoterm folyamatként hajtják végre vízgőzzel, levegővel vagy oxigénnel. Az endoterm vízgázreakcióhoz szükséges energiát a szén egy részének elégetésével biztosítják. Mész- vagy bázikus alkáli -sókat adnak a szénhez, hogy csökkentsék a gáz kéntartalmát . A szénkémia első lépése a vízgáz reakció: erre a célra az izzításig hevített szenet gőzzel gázzá alakítják, majd szén -monoxidmá és hidrogénné alakítják át .

${\ displaystyle \ mathrm {C \ + \ H_ {2} O \ \ rightleftharpoon \ CO \ + \ H_ {2}} \ qquad \ Delta H_ {R} = + 131 \ \ mathrm {kJ / mol} \,}$

A használt szén típusától függően különböző szénelgázítási technikákat alkalmaznak. Az egyik legrégebbi folyamat a Fritz Winkler által a Winkler generátorban kifejlesztett fluid ágyas gázosítás . Az eljárás alkalmas lignitre, és 850 és 1100 ° C közötti hőmérséklet -tartományban kerül végrehajtásra.

A Lurgi túlnyomásos gázeljárásban a szenet vagy a lignitet megnövelt nyomáson ellenáramban gázosítják . A hőmérsékletnek 1000 ° C alatt kell lennie, hogy elkerülje a hamu cseppfolyósodását . Az eljárást vagy folyamatosan, vagy ciklikus folyamatban hajtják végre, levegőt és vizet felváltva. Ez az eljárás nagy mennyiségű gáztalanító terméket állít elő, mint például benzin, olajok, kátrány és fenolok melléktermékként.

A Koppers-Totzek eljárás során , amely minden típusú szénre alkalmas, a szenet egyáramban gázosítják magas, 1500 és 1600 ° C közötti hőmérsékleten. Ehhez a szenet nagyon finomra kell őrölni. A magas hőmérséklet miatt nem keletkezik metán vagy magasabb szénhidrogének. A Koppers-Totzek gázosítóval a szenet a levegővel vagy az oxigénnel és a vízgőzzel együtt vezetik be a gázképzőbe. A levegő használata sovány gázokhoz vezet , amelyeket fűtésre használnak. Tiszta oxigént használnak generálására szintézis gáz . A Koppers-Totzek folyamat várakozási ideje a többi folyamathoz képest rövid. A hamu egy része salak formájában keletkezik, vagy a nyersgázzal együtt a gázképzőből távozik.

Acetilén előállítása

Acetilén kapjuk a kalcium-karbid által hidrolízissel . Az ipari kalcium -karbid -gyártás Svájcban, Norvégiában és Németországban (Rheinfelden) kezdődött a 19. század végén.

A kalcium -karbid előállításához a szenet gyors mésszel reagáltatják elektromos kemencében 2000 ° C feletti hőmérsékleten. A kapott karbidot vízzel reagáltatva acetilénné és kalcium -hidroxiddá alakítják át .

Követési kémia

Gáztalanító termékek

A koksz mellett a gáztalanítás során nyert nyersanyagok elsősorban acetilén , benzol és naftén. Amellett, hogy acetilént tüzelőanyagként használnak, HCl hozzáadásával vinil -klorid szintézisére is használható. A nafténeket főként festékek , cserzőanyagok , dekalin és faanyag -tartósítószerek alapanyagaként használják . A használata naftalin előállításához ftálsavanhidrid már szinte teljesen helyébe a katalitikus oxidációja o- xilol .

Szintézisgáz kémia

A két komponens szén-monoxid és hidrogén arányától függően a kapott gázkeveréket különböző folyamatokban lehet használni: egyrészt olyan eljárásokban, mint a Fischer-Tropsch szintézis , amely széles szénhidrogén-bázist vagy specifikus szén-monoxidot szolgáltat hidrogénezések, amelyek szelektíven állítanak elő egyedi termékeket, például metanolgyártást . Ha ezeket a termékeket további szintézisgázzal vagy más bázikus vegyi anyagokkal, például ammóniával reagáltatjuk , köztes termékek széles skáláját állíthatjuk elő, például ecetsavanhidridet , acetaldehidet , glikolokat , metil -acetátot , ecetsavat és sok más komponenst.

Fischer-Tropsch reakció

A Fischer-Tropsch reakció egy szintézis reakció CO / H ₂ -Különböző vas - vagy kobalt - katalizátorok a paraffinok , olefinek és alkoholok . A reakció már légköri nyomáson megy végbe; a magasabb nyomás az alkén felé tolja az egyensúlyt. A reakciót 160-200 ° C hőmérsékleten hajtjuk végre. A legfontosabb reakcióegyenletek a következők:

${\ displaystyle \ mathrm {n \, CO + (2n + 1) \, H_ {2} \ rightarrow C_ {n} H_ {2n + 2} + n \, H_ {2} O}}$( Alkánok )

${\ displaystyle \ mathrm {n \, CO + (2n) \, H_ {2} \ rightarrow C_ {n} H_ {2n} + n \, H_ {2} O}}$ (Alkenes)

${\ displaystyle \ mathrm {n \, CO + (2n) \, H_ {2} \ rightarrow C_ {n} H_ {2n + 1} OH + (n-1) \, H_ {2} O}}$( Alkoholok )

Az alkánok adott esetben tovább feldolgozhatók hagyományos finomítói eljárásokkal. A keletkező alkoholok bizonyos része nyersanyagként használható felületaktív anyagok előállítására.

Metanol előállítás és melléktermékek

Manapság a metanolt ipari méretekben állítják elő szintézisgázból, szén-monoxid-hidrogén keverékből 1: 2 arányban az alacsony vagy közepes nyomású eljárásban. A kapott nyers metanol részben szennyezett melléktermékekkel.

${\ displaystyle \ mathrm {CO + 2 \, H_ {2} \ rightarrow CH_ {3} OH}}$

A metanol gazdag kémia. Szén-monoxid és szén-monoxid-hidrogén keverékekkel történő átalakítással sokféle másodlagos termék állítható elő. Például a metanolt szén -monoxiddal reagáltatva ecetsavvá alakíthatjuk át.

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} OH + CO \ jobbra nyíl CH_ {3} COOH}}$

Az ecetsavat metanollal végzett észterezéssel metil -acetáttá lehet alakítani, amely viszont szén -monoxiddal reagálva ecetsavanhidridet képez.

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} COOH + CH_ {3} OH \ jobbra nyíl CH_ {3} COOCH_ {3} + H_ {2} O}}$

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} COOCH_ {3} + CO \ jobbra nyíl CH_ {3} COOOCCH_ {3}}}$

A metanolt szilícium-dioxid-alumínium katalizátorokon végzett dehidratálással dimetil-éterré alakíthatjuk át.

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ CH_ {3} OH \ jobbra nyíl CH_ {3} OCH_ {3} + H_ {2} O}}$

A megfelelő eljárási feltételek és katalizátorok, például a ZSM-5 kiválasztásával a metanol petrolkémiai anyagok és energiaforrások széles skálájává alakítható át olyan eljárásokban, mint a metanol-benzin (MtG), a metanol-olefinek (MtO) vagy a metanol- aromás vegyületek (MtA) konvertálnak.

Az ecetsav -anhidrid és a metil -acetát szén -monoxiddal és hidrogénnel történő szénhidrogén -karbonilezésével etilidén -diacetát állítható elő, amely 170 ° C körüli savas katalízissel ecetsav felszabadulásával vinil -acetáttá alakítható.

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} COOOCCH_ {3} + CH_ {3} COOCH_ {3} + CO + H_ {2} \ jobbra nyíl CH_ {3} C (OCOCH_ {3}) _ {2} + CH_ { 3} COOH}}$

${\ displaystyle \ mathrm {CH_ {3} C (OCOCH_ {3}) _ {2} \ jobbra nyíl CH_ {2} CHOCOCH_ {3} + CH_ {3} COOH}}$

Etilén-glikol

Az etilénglikolt közvetlenül szén-monoxid-hidrogén keverékből lehet előállítani ródium katalizátorokon, nagy nyomáson.

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ CO + 3 \ H_ {2} \ jobbra nyíl HIGH_ {2} CH_ {2} OH}}$

acetilén

Az acetilénnek kiterjedt kémiája van. Ez lehet átalakítani a benzol vagy ciklooktatetraén ciklizálásával fölött fémkatalizátorok . A Reppe kémia az acetilén reakciójával foglalkozik számos érdekes származékkal, például akrilsavval .

Elemzési módszer

A felhasznált szén, valamint a különböző termékek és melléktermékek elemzési módszerei változatosak és többnyire a DIN szabványokban vannak leírva.

Számos elemzési módszert alkalmaznak annak értékelésére, hogy a szén alkalmas -e a különböző folyamatokra. Fontos paraméter a víz, a hamu és az illékony anyagok tartalma. Ezeket az úgynevezett azonnali elemzés határozza meg. A szén egyéb fontos paraméterei a dilatomer teszt, a tágulási fok, a sütési képesség száma és a menetnyomás.

A kapott kokszt többek között öngyulladási hőmérséklete, dob szilárdsága és porozitása miatt vizsgálják.

A hamuolvasztási magatartás minőségi kijelentést tesz a várható salakosodási problémákról.

irodalom

• Karl-Heinz Schmidt, Ingo Romey, Fritz Mensch: Szén, kőolaj, földgáz: kémia és technológia. Vogel Verlag, Würzburg 1981, ISBN 3-8023-0684-8 , ISBN 978-3-8023-0684-6 .
• Walter Buschmann : Koksz, gáz, szénkémia. A szénfinomítás története és reprezentációs hagyománya. Klartext Verlag, Essen 1993, ISBN 3-88474-028-8 , ISBN 978-3-88474-028-6 .

web Linkek

• Szénkémia archívum
• Fischer-Tropsch Archívum ; Kiterjedt dokumentumgyűjtemény a Fischer-Tropsch-perről
• Benjamin Steininger: A 20. századi bőségszaru In: „Project 100 Years of Present” (kiadó: House of World Cultures ), 2017. november 29: „Benjamin Steininger, a Beauty of Oil csoport kultúra- és médiateoretikusa elmagyarázza az egyesülést. A szén az 1920-as évek óta a petrolkémiai iparban tevékenykedik, és felvázolja messzemenő következményeit a második világháborútól napjainkig. "

Egyéni bizonyíték

1. ↑ ^{a b} kokszolási technológia és vasolvasztás. ( Emlékanyag az eredetiről 2014. január 6 -tól az Internet Archívumban ) Információ: Az archív link automatikusan be lett szúrva, és még nincs ellenőrizve. Kérjük, ellenőrizze az eredeti és az archív linket az utasítások szerint, majd távolítsa el ezt az értesítést. @1@ 2Sablon: Webachiv / IABot / www.ruhrgebiet-regionalkunde.de
2. ↑ John Clayton: Kísérlet a szénszellemmel kapcsolatban, tiszteletbeli levél részeként. Boyle, Esq; John Clayton, DD, a késői tiszteletes, DD Közli a jobb tiszteletes, Isten istenatyja, Robert Lord, Corke püspök, a jobbhoz. John Earl of Egmont, FRS In: Philosophical Transactions . szalag 41 , nem. 452-461 , 1739, pp. 59–61 , doi : 10.1098 / rstl.1739.0006 (ingyenes teljes szöveg). 
3. ^ Walter T. Layton: A gázvilágítás felfedezője: Jegyzetek John Clayton tiszteletes életéről és munkájáról, DD, 1657-1725. London 1926.
4. ↑ Általános információk a gázról.
5. ↑ Herbert Diehl, Josef Jessenberger: A szén finomításának módjai I. rész: A szén gázosítása . In: Fizika korunkban . szalag 14 , nem. 5 , 1983, pp. 146–156 , doi : 10.1002 / piuz.19830140505 . 
6. ↑ ^{a b c d} Szén, kőolaj, földgáz: kémia és technológia ; szerző: Karl-Heinz Schmidt, Ingo Romey, Fritz Mensch, 256 oldal, Vogel Verlag (1981), ISBN 3-8023-0684-8 .
7. ↑ Energiaforrások elérhetősége és ellátása ( Memento , 2013. május 12, az Internet Archívumban ) (PDF; 62 kB), a BMWi Energiaforrások Munkacsoportjának rövid jelentése, III.
8. ↑ Világ motorolaj. In: Spiegel Online. 1973. december 24 -én, a Spiegel.de -től, hozzáférés 2017. február 11 -én.
9. ↑ Energia - az összeg háromszorosa. In: Spiegel Online. 1980. február 4, a Spiegel.de -től, hozzáférés 2017. február 11 -én.
10. ↑ E. Rebhan (szerk.): Energia kézikönyv: Energia előállítása, átalakítása és felhasználása . Springer, Berlin / Heidelberg 2002, ISBN 978-3-540-41259-5 , p. 113 ( korlátozott előnézet a Google Könyvkeresőben). 
11. ^ Fritz Brandt: Üzemanyagok és égésszámítás. Vulkan-Verlag GmbH, 1999, ISBN 978-3-8027-5801-0 ( korlátozott előnézet a Google könyvkeresőben).