Фридрих Бергиус

Фридрих Бергиус (нем. Friedrich Bergius; 11 октября 1884, Гольдшмиден, Силезия — 30 марта 1949, Буэнос-Айрес, Аргентина) — немецкий химик-технолог, лауреат Нобелевской премии по химии 1931 года (совместно с Карлом Бошем) за разработку и внедрение методов высокого давления в химической промышленности. Наиболее известен как создатель процесса гидрогенизации угля (процесс Бергиуса) для получения жидкого топлива.

Биография

Ранние годы и образование

Фридрих Бергиус родился в семье владельца химического завода в Гольдшмидене (ныне Злоторыя, Польша). После окончания гимназии в Бреслау (Вроцлав) изучал химию в университетах Бреслау и Лейпцига. В 1907 году защитил докторскую диссертацию в Лейпцигском университете под руководством Артура Рудольфа Ганча. Тема диссертации была посвящена концентрированным серным кислотам.

Научная карьера

После защиты диссертации Бергиус работал в Институте физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма в Берлине-Далеме, а затем в Ганноверском техническом университете. В 1911 году он начал собственные исследования в области химии высоких давлений, которые впоследствии стали основой его главного открытия.

В 1914 году Бергиусу удалось впервые осуществить прямое гидрирование угля при высоком давлении (100–200 атм) и температуре (400–500 °C), получив смесь жидких углеводородов. В 1915 году он запатентовал этот процесс.

Промышленная реализация

В 1916 году Бергиус основал собственную компанию «Bergius AG» для коммерциализации своей технологии. В 1921 году совместно с концерном BASF (на тот момент часть IG Farben) началось строительство первого опытно-промышленного завода по гидрогенизации угля в городе Райнфельден. Процесс Бергиуса стал основой для создания в Германии в 1930-1940-х годах сети заводов по производству синтетического топлива, что имело стратегическое значение для экономики Третьего рейха в условиях нехватки природной нефти.

Нобелевская премия

В 1931 году Фридрих Бергиус совместно с Карлом Бошем был удостоен Нобелевской премии по химии «за заслуги по введению и применению методов высокого давления в химии». Бергиус получил премию за разработку процесса гидрогенизации угля, а Бош — за каталитический синтез аммиака (процесс Габера — Боша).

Эмиграция и последние годы

С приходом к власти национал-социалистов в 1933 году Бергиус, несмотря на своё арийское происхождение, столкнулся с политическим давлением из-за связей с еврейскими учёными и критики режима. В 1937 году он эмигрировал в Австрию, а после аншлюса — в Швейцарию. В 1941 году переехал в Аргентину, где работал консультантом в Министерстве промышленности. Умер в Буэнос-Айресе в 1949 году.

Процесс Бергиуса

Суть метода

Процесс Бергиуса — это метод прямого гидрирования угля (или тяжёлых нефтяных остатков) под высоким давлением водорода (200–700 атм) и температуре (400–500 °C) с использованием катализаторов (оксиды железа, молибдена, никеля). В результате получается смесь жидких углеводородов, близкая по составу к сырой нефти, которая затем может быть переработана в бензин, дизельное топливо и другие продукты.

Химическая основа

Реакция заключается в разрыве углерод-углеродных связей в макромолекулах угля и присоединении водорода к образовавшимся радикалам. Упрощённо процесс можно представить как: \[ C_xH_y + H_2 \rightarrow C_nH_{2n+2} + C_mH_{2m} + ... \] где исходный уголь (с высоким содержанием углерода и низким — водорода) превращается в более лёгкие углеводороды.

Технологическая схема

1. Подготовка сырья: уголь измельчается в пыль и смешивается с катализатором и тяжёлым маслом-носителем (рецикловым продуктом) для образования пасты.
2. Гидрирование: паста подаётся в реактор высокого давления, куда одновременно впрыскивается водород. Реакция протекает в несколько стадий.
3. Разделение продуктов: после реактора смесь охлаждается, и лёгкие фракции (бензин, керосин) отделяются от тяжёлых остатков.
4. Переработка: тяжёлый остаток частично возвращается в цикл, частично может быть подвергнут вторичному гидрированию или коксованию.

Преимущества и недостатки

• Преимущества: возможность получения жидкого топлива из угля — сырья, запасы которого значительно превышают запасы нефти; высокая степень конверсии (до 90%).
• Недостатки: высокое энергопотребление, большие капитальные затраты на оборудование высокого давления, необходимость производства большого количества водорода (обычно из природного газа или угля), образование значительного количества твёрдых отходов.

Применение и значение

В Германии (1930–1945)

В рамках программы по обеспечению топливной независимости в Третьем рейхе было построено 12 заводов по процессу Бергиуса. К 1944 году они обеспечивали около 90% потребностей люфтваффе в авиационном бензине и значительную часть дизельного топлива для армии и флота. После поражения Германии технология была частично демонтирована и вывезена в СССР и США.

В мире (после 1945)

После Второй мировой войны интерес к процессу Бергиуса снизился из-за открытия крупных месторождений нефти на Ближнем Востоке. Однако в периоды нефтяных кризисов (1970-е, 2000-е) к технологии возвращались. В настоящее время (по состоянию на 2020-е годы) промышленное применение ограничено: несколько заводов работают в Китае и ЮАР (последняя использует модифицированный процесс Фишера — Тропша, а не Бергиуса).

Современные модификации

Современные версии процесса Бергиуса (например, технология «Direct Coal Liquefaction» компании Shenhua Group в Китае) используют более эффективные катализаторы и улучшенные реакторы, что позволяет снизить давление до 150–200 атм и повысить выход целевых продуктов.

Критика и ограничения

Основные критические замечания в адрес процесса Бергиуса связаны с его экологичностью: высокий выброс CO₂ (при производстве водорода и сжигании угля), образование токсичных отходов и значительное водопотребление. Кроме того, экономическая эффективность процесса сильно зависит от мировых цен на нефть: при низких ценах на нефть производство синтетического топлива из угля становится нерентабельным.

Интересные факты

• Бергиус был одним из первых, кто применил принцип «химии высоких давлений» в промышленности, что впоследствии привело к созданию многих других процессов (синтез метанола, гидроочистка нефти).
• В 1931 году Нобелевский комитет отметил, что работы Бергиуса и Боша «открыли новую эру в химической технологии».
• Бергиус владел несколькими патентами на способы получения сахара из древесины (гидролиз целлюлозы), но этот метод не получил широкого распространения.

Источники

• Nobel Lectures, Chemistry 1922–1941. Elsevier Publishing Company, 1966.
• Friedrich Bergius. «Die Anwendung hoher Drücke bei chemischen Vorgängen und eine Nachbildung des Entstehungsprozesses der Kohle». Habilitationsschrift, 1913.
• James A. Kent. «Riegel's Handbook of Industrial Chemistry». Springer, 2007.
• Anthony N. Stranges. «Friedrich Bergius and the Development of the Hydrogenation of Coal». Annals of Science, 1985.
• Г. А. Голубев, В. И. Калинников. «Химия и технология переработки угля». Москва, «Химия», 2007.