Ханс Тропш

Ханс Тропш (нем. Hans Tropsch; 7 октября 1889, Планкенварт, Австро-Венгрия — 8 октября 1935, Эссен, нацистская Германия) — австрийско-немецкий химик-органик, известный как один из соавторов процесса Фишера — Тропша, предназначенного для синтеза жидких углеводородов из синтез-газа (смеси CO и H₂). Внёс вклад в развитие химии угля и гетерогенного катализа.

Биография

Ранние годы и образование

Ханс Тропш родился 7 октября 1889 года в городе Планкенварт (ныне Планка, Чехия), входившем в состав Австро-Венгрии. В 1907 году поступил в Немецкий технический университет в Праге, где изучал химию. В 1913 году получил степень доктора технических наук (Dr. techn.) под руководством профессора Ганса Мейера. Его диссертация была посвящена химии терпенов.

Научная карьера

После окончания университета Тропш работал ассистентом в Высшей технической школе в Праге, а затем в 1916 году перешёл в Институт кайзера Вильгельма по исследованию угля (Kaiser-Wilhelm-Institut für Kohlenforschung) в Мюльхайм-ан-дер-Руре. Этот институт был основан в 1912 году и стал ведущим центром по изучению химии угля в Германии. Тропш возглавил там отдел органической химии.

В 1920-х годах Германия испытывала острую нехватку нефти, что стимулировало поиск технологий получения синтетического топлива из угля. Тропш совместно с Францем Фишером, директором института, начал систематические исследования каталитического гидрирования оксида углерода.

Открытие процесса Фишера — Тропша

В 1925 году Фишер и Тропш опубликовали работу, в которой описали синтез жидких углеводородов из смеси водорода и оксида углерода (синтез-газа) при атмосферном давлении с использованием железных и кобальтовых катализаторов. Этот процесс, названный впоследствии синтезом Фишера — Тропша, позволял получать бензин, дизельное топливо и смазочные масла из угля. В отличие от более раннего процесса Бергиуса (гидрогенизация угля под высоким давлением), метод Фишера — Тропша работал при низких давлениях (1–10 атм) и давал более широкий спектр продуктов.

Первоначально процесс был реализован на лабораторной установке, а к 1930-м годам началось его промышленное внедрение. В 1934 году в Германии был запущен первый завод по производству синтетического топлива по методу Фишера — Тропша (компания Ruhrchemie AG). К началу Второй мировой войны в Германии действовало девять таких заводов, производивших около 600 000 тонн топлива в год.

Последние годы

В 1928 году Тропш покинул Институт кайзера Вильгельма и перешёл на работу в компанию «Рурхеми» (Ruhrchemie AG) в Оберхаузене, где занимался внедрением синтеза в промышленность. В 1931 году он стал почётным профессором Берлинского технического университета. Однако из-за ухудшения здоровья (предположительно, туберкулёза) он отошёл от активной научной деятельности. Ханс Тропш скончался 8 октября 1935 года в Эссене, на следующий день после своего 46-летия.

Научные достижения

Синтез Фишера — Тропша

Основное открытие Тропша — каталитический синтез углеводородов из синтез-газа. Реакция в общем виде описывается уравнением:

n CO + (2n + 1) H₂ → CₙH₂ₙ₊₂ + n H₂O

В зависимости от условий (температура, давление, тип катализатора) можно получать различные фракции: от газообразных (метан) до твёрдых парафинов. Тропш установил, что наиболее эффективными катализаторами являются кобальт, никель и железо, нанесённые на носители (кремнезём, оксид алюминия). Он также разработал методы регенерации катализаторов и очистки синтез-газа от сернистых соединений, которые отравляют катализатор.

Другие работы

Помимо синтеза углеводородов, Тропш занимался исследованием:

• химии терпенов и камфоры;
• каталитического крекинга нефти;
• получения метанола из синтез-газа (совместно с Фишером);
• свойств оксидов железа как катализаторов.

Применение процесса

Промышленное использование

В 1930–1940-х годах технология Фишера — Тропша активно применялась в Германии для производства синтетического топлива из угля. После Второй мировой войны, с удешевлением нефти, интерес к процессу снизился, но вновь возрос в конце XX века в связи с ростом цен на нефть и стремлением к энергетической независимости. В настоящее время (на 2024 год) промышленные установки Фишера — Тропша работают в ЮАР (компания Sasol), Китае, Малайзии и Катаре. В России исследования по синтезу Фишера — Тропша ведутся в Институте нефтехимического синтеза РАН.

Современное значение

Процесс Фишера — Тропша рассматривается как один из ключевых методов получения синтетического топлива из угля, природного газа (GTL — Gas-to-Liquids) и биомассы (BTL — Biomass-to-Liquids). Он позволяет получать топливо с низким содержанием серы и ароматики, что соответствует современным экологическим стандартам.

Критика и ограничения

Основные недостатки процесса Фишера — Тропша:

• высокая энергоёмкость (требуется предварительная газификация угля или риформинг метана);
• большой расход воды (образуется как побочный продукт);
• низкая селективность по целевым фракциям (требуется дополнительная переработка);
• выделение CO₂ в процессе газификации.

С экологической точки зрения, использование угля для синтеза топлива приводит к значительным выбросам парниковых газов, что ставит под вопрос его применение в условиях борьбы с изменением климата.

Память

• В честь Ханса Тропша названа премия (Tropsch Award), присуждаемая за достижения в области химии угля и катализа.
• Его имя носит один из корпусов Института химии угля Общества Макса Планка (ранее — Институт кайзера Вильгельма) в Мюльхайме-ан-дер-Руре.
• В 2015 году в честь 125-летия со дня рождения Тропша был выпущен памятный плакат Немецким химическим обществом.

Источники

• Fischer, F., Tropsch, H. (1925). «Über die direkte Synthese von Erdöl-Kohlenwasserstoffen aus Kohlenoxyd und Wasserstoff». Brennstoff-Chemie, 6, 233–238.
• Storch, H. H., Golumbic, N., Anderson, R. B. (1951). The Fischer-Tropsch and Related Syntheses. New York: John Wiley & Sons.
• Pichler, H. (1967). «Hans Tropsch zum 100. Geburtstag». Erdöl und Kohle, 20(10), 723–724.
• Anderson, R. B. (1984). The Fischer-Tropsch Synthesis. Academic Press.
• «Hans Tropsch». MacTutor History of Mathematics Archive (University of St Andrews).