عملية بيرغيوس

عملية بيرغيوس هي طريقة لإنتاج الهيدروكربونات السائلة لاستخدامها كوقود اصطناعي عن طريق هدرجة الفحم البيتوميني عالي التطاير عند درجة حرارة وضغط مرتفعين. وقد طوّرها فريدريك بيرغيوس لأول مرة عام 1913. وفي عام 1931، مُنح بيرغيوس جائزة نوبل في الكيمياء لتطويره كيمياء الضغط العالي . ^{[ 1 ]}

طوّر فريدريك بيرغيوس هذه العملية خلال فترة تأهيله العلمي . وقد أسفرت تقنيةٌ لمعالجة المواد الكربونية بالكيمياء تحت ضغط ودرجة حرارة عاليتين عن حصوله على براءة اختراع عام 1913. في هذه العملية، تُنتَج الهيدروكربونات السائلة، المستخدمة كوقود اصطناعي ، عن طريق هدرجة الليغنيت (الفحم البني ) . وقد طوّر بيرغيوس هذه العملية قبل وقتٍ طويل من عملية فيشر-تروبش المعروفة . دعاه كارل غولدشميت لبناء مصنع صناعي في مصنعه، شركة Th. Goldschmidt AG (المعروفة الآن باسم Evonik Industries )، عام 1914. ^{[ 2 ]} لم يبدأ الإنتاج إلا عام 1919، بعد انتهاء الحرب العالمية الأولى ، عندما كان الطلب على الوقود في انخفاض. إلا أن المشاكل التقنية والتضخم والانتقادات المستمرة من فرانز جوزيف إميل فيشر ، التي تحولت إلى دعم بعد عرضٍ عملي للعملية، أدت إلى تباطؤ التقدم، فباع بيرغيوس براءة اختراعه لشركة BASF ، حيث عمل كارل بوش على تطويرها. قبل الحرب العالمية الثانية، تم بناء عدة مصانع بطاقة إنتاجية سنوية تبلغ 4 ملايين طن من الوقود الاصطناعي. وقد استُخدمت هذه المصانع على نطاق واسع خلال الحرب العالمية الثانية لتزويد ألمانيا بالوقود ومواد التشحيم. ^{[ 3 ]}

يُطحن الفحم طحنًا ناعمًا ويُجفف في تيار من الغاز الساخن. يُخلط المنتج الجاف مع الزيت الثقيل المُعاد تدويره من العملية. يُضاف عادةً عامل حفاز إلى الخليط. وقد طُوِّر عدد من العوامل الحفازة على مر السنين، بما في ذلك ثاني كبريتيد التنجستن أو الموليبدينوم ، وأوليات القصدير أو النيكل ، وغيرها. بدلاً من ذلك، قد يكون لكبريتيد الحديد الموجود في الفحم نشاط حفاز كافٍ للعملية، وهي عملية بيرجيوس الأصلية. ^{[ 4 ]} يُضخ الخليط إلى مفاعل . يحدث التفاعل عند درجة حرارة تتراوح بين 400 و 500 درجة مئوية (752 و932 درجة فهرنهايت) وضغط هيدروجين يتراوح بين 20 و70 ميجاباسكال (2900 إلى 10200 رطل لكل بوصة مربعة) . ينتج عن التفاعل زيوت ثقيلة، وزيوت متوسطة، وبنزين، وغازات. يمكن تلخيص التفاعل الإجمالي على النحو التالي:   

${\displaystyle n{\ce {C}}+(n-x+1){\ce {H2->C_{\mathit {n}}H}}_{2n-2x+2}}$(حيث x = درجات عدم التشبع )

يجب تثبيت الناتج المباشر من المفاعل بتمريره فوق عامل حفاز تقليدي للمعالجة الهيدروجينية. يتميز تيار الناتج بارتفاع نسبة الألكانات الحلقية والمركبات العطرية، وانخفاض نسبة الألكانات (البارافينات)، وانخفاض نسبة الألكينات (الأوليفينات) بشكل ملحوظ. يمكن توجيه الكسور المختلفة إلى عمليات معالجة إضافية ( التكسير ، إعادة التشكيل ) لإنتاج وقود اصطناعي ذي جودة عالية. عند تمريره عبر عملية مثل عملية بلاتفورمينغ ، تتحول معظم الألكانات الحلقية إلى مركبات عطرية، ويُعاد تدوير الهيدروجين المستخلص إلى العملية. يحتوي المنتج السائل الناتج من عملية بلاتفورمينغ على أكثر من 75% من المركبات العطرية، ويبلغ رقم ​​الأوكتان البحثي (RON) له أكثر من 105.

بشكل عام، يمكن تحويل حوالي 97% من الكربون المُدخل مباشرةً إلى العملية إلى وقود اصطناعي. مع ذلك، فإن أي كربون يُستخدم في توليد الهيدروجين سيُفقد على شكل ثاني أكسيد الكربون، مما يُقلل من كفاءة الكربون الإجمالية للعملية.

توجد بقايا من مركبات القطران غير المتفاعلة مختلطة برماد الفحم والمحفز. ولتقليل فقدان الكربون في تيار البقايا، من الضروري استخدام مادة خام منخفضة الرماد. عادةً، يجب ألا تتجاوز نسبة الرماد في الفحم 10% من وزنه. يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين اللازم للعملية من الفحم أو البقايا عن طريق إعادة تشكيل البخار . يبلغ الطلب النموذجي على الهيدروجين حوالي 80 كيلوغرامًا (180 رطلًا) لكل طن من الفحم الجاف الخالي من الرماد. بشكل عام، تشبه هذه العملية عملية الهدرجة. يكون الناتج على ثلاثة مستويات: الزيت الثقيل، والزيت المتوسط، والبنزين. يُهدرج الزيت المتوسط ​​للحصول على المزيد من البنزين، ويُعاد خلط الزيت الثقيل مع الفحم، ثم تُعاد العملية. وبهذه الطريقة، يُعاد استخدام الزيت الثقيل والزيت المتوسط ​​في هذه العملية أيضًا. 

أحدث تطورات عمل بيرغيوس هو محطة التسييل الهيدروجيني ثنائية المراحل في ويلسونفيل، ألاباما، والتي عملت خلال الفترة 1981-1985. في هذه المحطة، تم تحضير مستخلص الفحم تحت ضغط الحرارة والهيدروجين باستخدام فحم مطحون ناعماً ومذيب مانح معاد تدويره. عند تحلل جزيء الفحم، تتشكل جذور حرة يتم تثبيتها فوراً بامتصاص ذرات الهيدروجين من المذيب المانح. ثم ينتقل المستخلص إلى وحدة تكسير هيدروجيني محفزة ذات طبقة مميعة (وحدة زيت الهيدروجين) تُغذى بهيدروجين إضافي، مما يؤدي إلى تكوين هيدروكربونات ذات وزن جزيئي منخفض وفصل الكبريت والأكسجين والنيتروجين الموجودة أصلاً في الفحم. جزء من المنتج السائل هو المذيب المانح المهدرج الذي يُعاد إلى المرحلة الأولى. أما الجزء المتبقي من المنتج السائل فيتم تجزئته بالتقطير، مما ينتج عنه منتجات ذات نطاقات غليان مختلفة ومتبقي رمادي. تُرسل البقايا الرمادية إلى وحدة كير-ماكجي لإزالة الرماد باستخدام المذيبات الحرجة ، مما ينتج عنه منتج سائل إضافي ومادة غنية بالرماد تحتوي على فحم غير متفاعل وبقايا ثقيلة، والتي تُحوّل في المصانع التجارية إلى غاز لإنتاج الهيدروجين اللازم لتشغيل العملية. يمكن تعديل المعايير لتجنب تحويل أي من الفحم الداخل إلى المصنع إلى غاز بشكل مباشر. يمكن استخدام أنظمة تنقية سائلة كروماتوغرافية و/أو وحدة إزالة الرماد باستخدام مضاد المذيبات في تصميمات بديلة للمصنع. تشمل الأنواع النموذجية في المذيب المانح المركبات العطرية ذات الحلقات المندمجة (مثل رباعي هيدرونافثالين وما فوق) أو المركبات الحلقية غير المتجانسة المماثلة.

لم يعد استخدام عملية بيرغيوس لهدرجة الفحم  يُستخدم تجارياً على نطاق واسع. ^{[ 5 ]} وبدلاً من ذلك، تُستخدم عملية فيشر-تروبش البديلة في الغالب صناعياً، حتى على نطاق واسع جداً. 

استُخدمت عملية بيرغيوس على نطاق واسع من قبل شركة براباغ ، وهي شركة تابعة لكارتل ألمانيا النازية . وتعرضت المصانع التي تستخدم هذه العملية للقصف خلال حملة النفط في الحرب العالمية الثانية . ولا توجد حاليًا أي مصانع تُشغّل عملية بيرغيوس أو مشتقاتها تجاريًا. وكان أكبر مصنع تجريبي هو مصنع بوتروب في ألمانيا، الذي تبلغ طاقته الإنتاجية 200 طن يوميًا، والذي كانت تُشغّله شركة روهركول ، وقد توقف عن العمل في عام 1993. وتشير التقارير ^{[ 6 ]} إلى أن شركة صينية تُشيّد مصنعًا بطاقة إنتاجية تبلغ 4000 طن يوميًا. وكان من المتوقع أن يبدأ تشغيله في عام 2007، ^{[ 7 ]} ولكن لم يتم تأكيد ذلك حتى الآن.

مع اقتراب نهاية الحرب العالمية الثانية، بدأت الولايات المتحدة بتمويلٍ كبيرٍ لأبحاث تحويل الفحم إلى بنزين، بما في ذلك تمويل بناء سلسلة من المحطات التجريبية. وقد حظي المشروع بدعمٍ هائلٍ من التكنولوجيا الألمانية التي تم الاستيلاء عليها. ^{[ 8 ]} بُني أحد هذه المحطات باستخدام عملية بيرغيوس في لويزيانا، ميزوري، وبدأ تشغيله حوالي عام 1946. يقع هذا المصنع على ضفاف نهر المسيسيبي، وكان يُنتج البنزين بكميات تجارية بحلول عام 1948. أنتجت طريقة لويزيانا بنزين السيارات بسعرٍ أعلى قليلاً من سعر البنزين المشتق من البترول، ولكنه يُقارن به ^{[ 9 ]،} ولكنه يتميز بجودةٍ أعلى. أُغلق المصنع عام 1953 من قِبل إدارة أيزنهاور ، ويُزعم أن ذلك جاء بعد ضغوطٍ مكثفةٍ من قِبل صناعة النفط. ^{[ 9 ]}

• برنامج الوقود السائل الاصطناعي
• عملية فيشر-تروبش
• عملية كاريك
• وقود خليط الفحم والماء

• الأيام الأولى لأبحاث الفحم ، صفحة وزارة الطاقة الأمريكية