Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2003 № 12
Собственно, для химиков здесь ничего нового нет. Известны многие рецепты изготовления бензина из бытового газа. Суть их в том, что метан нужно окислить.
Казалось бы, все просто, но, если вы попытаетесь сделать это известным всем способом — поджечь газ, — у вас получится тепло, углекислый газ и вода. И это логично: когда мы поджигаем газ, метан сначала распадается на водород и окись углерода, а затем они мгновенно сгорают, превращаясь в углекислый газ и воду.
Смесь водорода и окиси углерода ученые называют синтез-газом. Из него они умеют получать многие вещества, в том числе и моторное топливо.
И до сих пор синтез-газ получали с помощью дорогой аппаратуры и катализаторов. Другой путь — научиться прерывать реакцию окисления метана сразу же после первого этапа.
Эту задачу, собственно, и решали ученые Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук под руководством академика Н.А. Платэ и профессора Ю.А. Колбановского.
Как показали исследования, если провести реакцию за десятитысячные доли секунды при давлении 150 атм и температуре 1500 °C и успеть за это время давление и температуру сбросить до нормальных значений, то синтез-газ образуется без всяких катализаторов.
Но возможно ли это в принципе?
Еще тысячи лет назад аборигены Австралии добывали огонь с помощью бамбукового стаканчика. На дно его клали сухую траву, а затем втыкали в него точно пригнанную по диаметру палку. Давление воздуха в стаканчике быстро росло, поднималась температура, и трава вспыхивала. Процесс длился сотые доли секунды.
Давление достигало 20 атм, а температура — 400 °C (рис. 1).
Согласитесь, неплохо для примитивного устройства!
Тот же принцип инженер Рудольф Дизель использовал в XIX веке в своем знаменитом двигателе. В цилиндре его воздух сжимается до 170 атм и нагревается до 700 °C. В этот момент в него впрыскивается и сразу же вспыхивает мелко распыленное топливо. В цилиндре дизеля, кстати, могут воспламеняться даже угольная пыль и древесные опилки!
Можно вспомнить и американца К.С. Фалька, создавшего в 1906 г. устройство для изучения процессов, происходящих при быстром сжатии газов, в котором тяжелый поршень, падая, быстро сжимал газ до давления 500 атм (см. рис. 2).
Когда после этого газ подвергали анализу, в нем находили разнообразные следы химических реакций. Но как они возникали, при каких давлениях и температурах, определить точно не могли: после каждого падения поршень в цилиндре некоторое время прыгал, словно мячик, создавая при каждом своем прыжке новый скачок давления и температуры и новые химические продукты.
Для окисления метана до синтез-газа нужно было устройство, которое подвергало бы газ очень быстрому однократному сжатию. И, изучив существующие конструкции, ученые остановились на установке, которую создал в 1950 г. советский ученый Ю.Н. Рябинин (рис. 3).
Если в установке Фалька скорость поршня не превышала 5 м/с, то в установке Рябинина поршень как бы выстреливался из пневматической пушки со скоростью до 100 м/с. Давление газа достигало 12 000 атм, а температура — 10 000 °C (почти вдвое выше, чем на Солнце). Процесс же длился всего десятитысячные доли секунды.
Детали конструкции установки Рябинина таковы.
Выстрел производили сжатым газом из специального баллона. К началу работы порция этого газа при строго определенном давлении подавалась в отдельный сосуд — ресивер. В этот момент поршень отводили влево, а в полость цилиндра подавался исследуемый газ. Далее нажимали курок, клапан ресивера открывался, и выходящий из него газ толкал поршень. Но еще до того как поршень успевал долететь до дна цилиндра, открывался другой клапан и выпускал наружу находящийся в «стволе» толкающий газ. Благодаря этому поршень после сжатия порции исследуемого газа возвращался в исходное положение, а давление и температура возвращались к нормальным значениям.
Эту установку и выбрали для экспериментов ученые института им. Топчиева. Кроме превращения метана в синтез-газ, ученые исследовали тысячи других химических реакций, среди которых нашли немало полезных для производства.
Например, при быстром сжатии оказалось возможно синтезировать необходимые для народного хозяйства окислы азота и аммиак. Можно, оказалось, и, напротив, превращать сложные соединения в простые, что очень важно для… уничтожения боевых отравляющих веществ.
Сегодня этих ядовитых соединений в мире накоплены тысячи тонн. Вылить в воду или закопать их в шахты невозможно — отравят все вокруг. Единственный способ от них избавиться без вреда для природы и людей — разложить на простые, относительно безвредные составляющие. И это удается, если подвергать ядовитые вещества быстрому сжатию.
Для нужд промышленного производства установку Рябинина доработали, увеличив рабочий объем в тысячи раз и повысив «скорострельность» до десятков раз в секунду. То, что получилось, назвали импульсным химическим реактором (ИХР).
Схему ИХР вы видите на рисунке 4.
Он состоит из размещенных в цилиндре двух поршней на общем штоке. На крышках цилиндра расположены клапаны для впуска реагирующих веществ. Они открываются электромагнитами, которые получают сигналы от контактов, расположенных в том же штоке.
Итак, представим, что установка включена. В правую камеру реактора поступает рабочая смесь газов, например, метан и кислород. Поршень сжимает ее, и происходит вспышка. Все совершается столь быстро, что метан не успевает «догореть», и образуется синтез-газ.
После вспышки поршень начинает двигаться влево и открывает окно, через которое выходят продукты реакции. В этот момент в левой камере цилиндра открываются клапаны, и туда подается свежая смесь. Поршень, двигаясь по инерции, сжимает ее до воспламенения, повышая давление до сотен атмосфер, и все повторяется. При работе реактора попутно выделяется механическая энергия. Часть ее расходуется на сжатие, а избыток идет на выталкивание и сжатие газообразных продуктов реакции. Их направляют в турбину, где они совершают полезную работу и частично охлаждаются. А далее проходят через теплообменник, где охлаждаются водой.
А.ИЛЬИН
Рисунки автора
ДОСЬЕ ЭРУДИТА
Растения-детективы
В лондонских и парижских магазинах, торгующих цветами, возник повышенный спрос на некоторые виды комнатных растений. Особым успехом пользуются 200 разновидностей гардении, которые, как недавно выяснилось, могут выступить в роли спасателей и даже детективов.
Все началось с того, что престарелая Альма Дайсон стала испытывать у себя дома сильные головные боли, усталость и впадать в состояние летаргии. Домашний врач посчитал эту болезнь гриппом и прописал пациентке постельный режим.
Однако шла неделя за неделей, а болезнь не прекращалась. Альма уже с трудом поднимала голову и готовилась к худшему. Доктора не находили объяснения недугу старушки до тех пор, пока не обратили внимание на то, что стоящая в комнате гардения из зеленой постепенно стала пугающе желтой. Знающие люди пояснили: виною окись углерода.
Как выяснилось, отравляющий газ без цвета и запаха распространяла неисправная газовая колонка. Старушку быстро поставили на ноги. А в целях безопасности в домах с газом рекомендуют теперь завести растение из семейства гардений.
Заодно появились сведения, что и многие другие растения могут служить индикаторами опасности. Скажем, в Мексике обнаружен кактус, реагирующий даже на ничтожные дозы диоксина и ряда других вредных химических веществ. А в джунглях Амазонки, говорят, отыскали целое семейство растений, у которых нюх не хуже, чем у собак.
Ботаники тут же выдвинули гипотезу о возможности искусственного выведения растений, способных распознавать определенные вещества — например, наркотики или взрывчатку. При появлении в воздухе даже ничтожных примесей этих веществ цветы растений тут же закрываются. Работникам спецслужб остается соответствующим образом реагировать на предупреждение.
Луна согревает Землю
Ученые, долгие годы считавшие Солнце главным «виновником» циклических климатических изменений на нашей планете, сегодня вынуждены признать, что есть еще один мощный источник воздействия на климат Земли. Это — наш спутник Луна. По утверждению американских и британских исследователей, именно она вызвала похолодание на планете 500 лет назад. А теперь в течение ближайших нескольких сотен лет будет способствовать «подогреву Земли», отодвинув на второй план даже пресловутый «парниковый эффект».
В частности, как считает Чарльз Киллинг из Калифорнийского университета в Сан-Диего, Луна «включает» и «отключает» такой естественный терморегулятор нашей планеты, как приливы и отливы. Именно ее движение, по версии ученого, объясняет интригующие климатические колебания с периодом в 1500–1800 лет.
