ベルギウス過程

ベルギウス法は、揮発性の高い瀝青炭を高温高圧下で水素化することにより、合成燃料として使用される液体炭化水素を製造する方法である。1913年にフリードリヒ・ベルギウスによって初めて開発された。1931年、ベルギウスは高圧化学の開発によりノーベル化学賞を受賞した。^[1]

石炭は細かく粉砕され、高温ガス流で乾燥される。乾燥生成物は、プロセスからリサイクルされた重油と混合される。通常、混合物には触媒が加えられる。長年にわたり、二硫化タングステンやモリブデン、スズやニッケル オレイン酸など、多くの触媒が開発されてきた。あるいは、石炭中に存在する硫化鉄が、元々のベルギウス法であったプロセスに十分な触媒活性を持つ可能性がある。^[2]

混合物は反応器に送り込まれます。反応は 400 ～ 500 °C、20 ～ 70 MPaの 水素圧で起こります。反応により重質油、中質油、ガソリン、ガスが生成されます。全体の反応は次のようにまとめることができます。

${\displaystyle n{\ce {C}}+(n-x+1){\ce {H2->C_{\mathit {n}}H}}_{2n-2x+2}}$（ここでxは不飽和度）

反応器からの直接生成物は、従来の水素化処理触媒に通して安定化させる必要があります。生成物ストリームは、シクロアルカンと芳香族が多く、アルカン（パラフィン）が少なく、アルケン（オレフィン）が非常に少ないです。さまざまな部分をさらなる処理（クラッキング、リフォーミング）に渡すことで、望ましい品質の合成燃料を出力できます。プラットフォーム化などのプロセスを通過すると、ほとんどのシクロアルカンが芳香族に変換され、回収された水素がプロセスにリサイクルされます。プラットフォーム化からの液体生成物には、75%を超える芳香族が含まれ、リサーチオクタン価（RON）は105を超えます。

全体として、プロセスに直接投入される入力炭素の約 97% が合成燃料に変換されます。ただし、水素の生成に使用される炭素は二酸化炭素として失われるため、プロセス全体の炭素効率は低下します。

石炭と触媒からの灰と混ざった非反応性のタール状化合物の残留物があります。残留ストリームでの炭素の損失を最小限に抑えるには、低灰分の供給が必要です。通常、石炭の灰分は重量で 10% 未満にする必要があります。プロセスに必要な水素は、石炭または残留物から水蒸気改質によって生成することもできます。通常の水素需要は、乾燥した無灰石炭 1 トンあたり約 80 kg ^{[要出典] の}水素です。一般的に、このプロセスは水素化に似ています。出力は、重油、中間油、ガソリンの 3 つのレベルです。中間油は、より多くのガソリンを得るために水素化され、重油は再び石炭と混合され、プロセスが再開されます。このように、重油と中間油の留分もこのプロセスで再利用されます。

ベルギウスの研究の最新の展開は、 1981年から85年まで稼働していたアラバマ州ウィルソンビルの2段階水素化液化プラントです。ここでは、細かく粉砕した石炭とリサイクル供与溶媒を使用して、熱と水素圧の下で石炭抽出物が作られました。石炭分子が分解されると、フリーラジカルが形成され、供与溶媒からH原子が吸収されてすぐに安定化します。抽出物は次に、追加の水素が供給された触媒沸騰床水素化分解装置（H-オイルユニット）に送られ、低分子量の炭化水素が形成され、石炭にもともと含まれていた硫黄、酸素、窒素が分離されます。液体生成物の一部は水素化された供与溶媒で、ステージIに戻されます。液体生成物の残りは蒸留によって分留され、さまざまな沸点範囲の生成物と灰の残留物が生成されます。灰残渣は Kerr-McGee CSDA ユニットに送られ、そこで追加の液体製品と、未反応の石炭と重質残渣を含む高灰分物質が生成されます。商用プラントでは、この高灰分物質をガス化して、プロセスに必要な H2 を生成します。パラメータを調整して、プラントに入る石炭が直接ガス化されるのを回避できます。プラント構成の代替バージョンでは、LC ファイニングやアンチソルベント脱灰ユニットを使用できます。ドナー溶媒の一般的な種は、縮合環芳香族 (テトラヒドロナフタレン以上) または類似の複素環です。

フリードリヒ・ベルギウスは大学教授職時代にこの方法を開発しました。炭素含有基質の高圧高温化学技術は、1913年に特許として取得されました。この方法では、褐炭を水素化することで合成燃料として使用される液体炭化水素が生成されます。彼はこの方法を、一般に知られているフィッシャー・トロプシュ法よりかなり前に開発しました。カール・ゴールドシュミットは1914年に彼の工場であるTh. Goldschmidt AG（現在のエボニック インダストリーズ）に工業プラントを建設するよう彼を招きました。 ^[3]生産が開始されたのは、燃料の需要がすでに減少し始めていた第一次世界大戦が終わった後の1919年になってからでした。技術的な問題、インフレ、そしてフランツ・ヨーゼフ・エミール・フィッシャーによる絶え間ない批判（この方法を個人的に実証した後は支持に転じた）により進歩は遅く、ベルギウスは特許をBASFに売却し、そこでカール・ボッシュが開発に取り組みました。第二次世界大戦前には、年間400万トンの合成燃料を生産できる工場がいくつか建設されました。これらの工場は第二次世界大戦中にドイツに燃料と潤滑油を供給するために広く使用されました。^[4]

石炭水素化はもはや商業的には利用されていない。^[5]

ベルギウス法は、ナチスドイツのカルテル企業であるブラバグによって広く使用されていました。この法を採用した工場は、第二次世界大戦の石油作戦中に爆撃の標的となりました。現在、ベルギウス法またはその派生製品を商業的に稼働させている工場はありません。最大の実証工場は、ドイツのボトロップにあるルールケーレ社が運営する1日200トンの工場でしたが、1993年に操業を停止しました。中国企業が1日4000トンの生産能力を持つ工場を建設しているという報告があります^{[6] 。2007年に稼働開始する予定でしたが[7]}、これが達成されたという確認はありません。

第二次世界大戦の終わりごろ、米国は石炭をガソリンに変換する研究に多額の資金を投入し始め、一連のパイロットプラントを建設する資金も投入した。このプロジェクトは、ドイツから奪取した技術によって大いに助けられた。^[8] ベルギウス法を使用するプラントがミズーリ州ルイジアナに建設され、1946年頃に稼働を開始した。ミシシッピ川沿いに位置するこのプラントは、1948年までに商業的な量のガソリンを生産していた。ルイジアナ法では、石油ベースのガソリンよりもわずかに高いが同等の価格で自動車用ガソリンを生産したが^[9]、品質はより高かった。^{[要出典]この施設は、石油業界による激しいロビー活動の末に}アイゼンハワー政権によって1953年に閉鎖されたとされている。^[9]

• 合成液体燃料プログラム
• フィッシャー・トロプシュ法
• カリック法
• 石炭水スラリー燃料

ウィキメディア・コモンズには、ベルギウス・プロセスに関連するメディアがあります。

• 石炭研究の黎明期、米国エネルギー省のウェブページ