Projekt chemie Benzin

Benzin

Der Weg des "Schwarzen Goldes" vom

Erdinneren bis zur Zapfsäule

1. Kapitel: Einleitung

Benzin ist ein Sammelbegriff für ein Gemisch aus ca. 150 verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Der Name stammt aus dem Arabischen. Ursprünglich wurde Benzin nach dem Benzoeharz aus Südostasien benannt. Dies ist ein Baumharz, welches mindestens 90% Ethanol- lösliche Bestandteile enthält. Das Benzoeharz wird zu Herstellung von kosmetischen Artikeln wie Parfum oder Tinkturen verwendet.

Benzin hat zwischen 5 und 12 Kohlenstoffatomen. Aufgrund der ständig wechselnden Zusammensetzungen kann man beim Benzin keine genaue Dichte beziehungsweise keinen genauen Siedepunkt angeben. Das gewöhnliche Benzin für den Hausgebrauch ist eine klare, leicht verdunstende, sehr feuergefährliche Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit ist leicht brennbar und entwickelt einen sehr eigenartigen Geruch. Wegen der vielen Zusammensetzungen von Benzin unterscheidet man mehrere Arten von Benzin:

1.   Petrolether

2.   Siedegrenzenbenzine

3.   Testbenzine

4.   Wetterlampenbenzin

5.   FAM Normalbenzin

6.   Petroleum

Weitere Bezeichnungen von Benzin sind Trivialnamen. Sie beziehen sich lediglich auf ihren Nutzen. Zum Beispiel Wundbenzin, Lackbenzin, Waschbenzin usw.

Benzin hat einen sehr hohen Brennwert. Ein Kilogramm Benzin liefert bei der Verbrennung ca. 42 MJ. (10000 kcal).

In Wasser ist Benzin unlöslich und aufgrund der geringeren Dichte schwimmt es auf der Wasseroberfläche. Seine Dichte ist zwischen 0,72 Vol % und 0,76 Vol % anzusiedeln. Benzin löst sich in reinem Alkohol oder in reinem Ether sehr gut auf.

Benzin ist ein gutes Lösungsmittel für Fette, Öle und Harze. Ebenso ist Benzin durch seine Eigenschaften aber auch ein sehr gefährlicher Brennstoff. Es ist daher in die Gefahrenklasse G3 eingestuft.

Der Siedepunkt von gewöhnlichem Benzin liegt zwischen 80°C und 130°C. Ein großer Nachteil von Benzin ist, daß es sich bei unruhiger Lagerung oder in fließendem zustand sehr leicht statisch aufladen und somit entzünden kann.

Bei der Verwendung von Benzin als Treibstoff in Motoren wird eine künstliche Explosion herbeigeführt. Das Benzin wird mit Luft angereichert und entzündet. Ein Benzin-Luft Gemisch ist in den Grenzen von 0,6 Vol % bis 7,6 Vol % explosionsfähig.

2. Kapitel: Erdöl

Erdöl ist eine Bezeichnung die vom Beginn des 19. Jahrhunderts herrührt. Damals wurden alle der Erde entstammenden brennbaren Flüssigkeiten Erdöl genannt. Ein weiterer Name für dieses Naturprodukt ist auch Rohöl.

Erdöl ist gelb bis schwarz gefärbt und hat je nach Beimengungen einen neutralen bis stechenden Geruch. Unangenehm riechendes Erdöl ist meist mit Schwefelverbindungen vermengt. Man nennt ein solches Öl saures Öl. Schwefelarmes Öl hingegen wird süßes Öl genannt.

Die durchschnittliche Dichte von Rohöl liegt zwischen 0,65 und 1,02. Der mittlere Heizwert von einem Kilogramm Erdöl beträgt ca. 38-46 MJ (9000 - 11000 kcal.).

Erdöl ist in Ethanol schwer löslich, aber sonst in Ether, Benzol, Chloroform und Tetrachlormethan sehr gut löslich.

Erdöl enthält vorwiegend Bestandteile von vergärten Meeresorganismen. Es besteht daher chemisch gesehen Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff.

Die folgende Grafik stellt die Zusammensetzung eines durchschnittlichen Erdöls dar. Das dargestellte Erdöl enthält 85% Kohlenstoff, 11% Wasserstoff, 3% Sauerstoff, 1% Schwefel und 1% Stickstoff.

Erdöl entsteht prinzipiell nur unter hohem Druck und unter Luftabschluß. Organisches Material häuft sich in flachen Mulden oder flachen Gewässern an und wird von Sand und Schotter bedeckt. Schließlich wird das organische Material mit Hilfe von  Bakterien, Enzymen und Katalysatoren nach und nach zersetzt.

Die aktuelle Vorstellung der Erdölentstehung wird auf der folgenden Abbildung beschrieben.

Erdöl hat sich ursprünglich vorwiegend in Küstenregionen am Rand von Kettengebirgen gebildet. In Randmeeren und ruhigen Meeresbuchten ist das Wasser der tiefen Stellen sauerstoffarm und schwefelreich. In diesem Wasser gehen die Organismen zugrunde und werden durch die Sauerstoffarmut vor Verwesung geschützt. Außerdem wird das Eindringen von Fäulnisbakterien aus dem Süßwasserfluß durch den Salzgehalt des Meereswassers verhindert. Der Faulschlamm, oder in der Fachsprache auch Sapropel genannt, sammelt sich am Meeresgrund an und wird von Gestein und Sand verschüttet.

Die ältesten Erdöllager sind vor ca. 2 Mrd. Jahren entstanden. Die heute wichtigsten Erdöllagerstätten haben sich vor 500 - 100 Mio. Jahren gebildet.

Die ursprünglichen erdöltragenden Schichten sind nach den heutigen Ansichten fast nur Tonablagerungsschichten. Dennoch sind fast 60% des Erdölvorrates der Welt in Sandsteinzonen lokalisiert. Da Erdöl in Sandsteinschichten aber nicht entstehen kann, ist es fragwürdig wie sich das Rohöllager dort befinden kann. Sandstein ist porös und luftdurchlässig. Aus diesem Grund kann Erdöl unter Sandstein nicht entstehen. Es würde zu viel Sauerstoff in die fossilen Schichten eindringen und daher eine vollständige Zersetzung der Organismen einsetzen. Das unter einer Tonschichte entstandene Erdöl muß daher unter hohem Druck in beziehungsweise unter den Sandstein gepreßt worden sein.

Die Exploration und Prospektion von Erdölfeldern ist die Aufgabe von Geologen. Diese Fachleute bedienen sich modernster Technik um Rohöllagerstätten zu finden. Luftbilder (Photogrammetrie), Schweremessung(Gravimetrie), Seismographie und Probebohrungen gehören zu den Mitteln der Geologen. Schätzungsweise werden auf der Welt jedes Jahr 60000 Probebohrungen vorgenommen die bis zu 8 km Tiefe erreichen können.

Es wird in der heutigen Zeit immer wichtiger bessere Methoden zu erfinden um Rohöl zu suchen. Der Erdölkonsum steigt jährlich an doch die uns bekannten Ressourcen werden jedes Jahr knapper.

Je effizienter die Methoden werden um so genauer kann man nach Erdöl suchen.

Beispielsweise beliefen sich im Jahr 1988 die uns bekannten förderbaren Ressourcen auf 135 Mio. Tonnen Erdöl.

Beim gegenwärtigen Verbrauch würden diese aber in 42 (!!!) Jahren verbraucht sein. Ohne Neufunde oder ohne bessere und effizientere Ausbeutungsmöglichkeiten der Ölfelder wird das Schwarze Gold sehr bald rar sein.

3. Kapitel: Erdölgewinnung

Nur in wenigen Fällen sickert oder sprudelt Erdöl von selbst aus der Erde. Deshalb muß man das kostbare Rohöl aus der Erdkruste pumpen. Zu diesem Zweck werden die ölreichen Schichten der Erde mit Hilfe von Bohrtürmen erschlossen.

Ölfelder die unter dem Meer liegen werden sofern sie eine Tiefe von 1000 Meter nicht überschreiten mit Bohrinseln erschlossen. Bei einer Tiefe von mehr als 1000 Metern wird die Ölquelle mit Hilfe von Bohrschiffen erschlossen.

Bei der Erdölgewinnung werden riesige Bohrköpfe in das Erdinnere getrieben um eine Verbindung des Ölfeldes zur Erdoberfläche herzustellen. Oft ist der Bohrweg bis zur erdölhaltigen Schichte mehrere Kilometer lang.

Die Spitze eines Erdölbohrers ist aus speziellem Stahl der mit Industriediamanten bearbeitet wurde um den harten Bedingungen standzuhalten. Um den Diamantbohrkopf eines Erdölbohrers in betriebsfähiger Temperatur zu halten werden Bohrspülmittel eingesetzt. Diese Flüssigkeit wird in das Bohrloch geleert um den Bohrer vor der hohen Temperatur und vor dem hohen Druck in der Erdkruste zu schützen. In einem durchschnittlichen Bohrloch von 8000 Meter Tiefe herrscht eine Umgebungstemperatur von 270°C und ein Druck von 1700 bar.

Wenn der Bohrer nun auf eine ölhaltige Schichte stößt gibt es mehrere Möglichkeiten das Erdöl zu Tage zu fördern. Es gibt hier drei verschiedene Arten der Rohölförderung.

Die Primärförderung ist der Status der Erdölquelle solange das Rohöl von selbst aus dem Bohrloch sickert. In diesem Fall befindet sich meistens über der Ölschichte eine Erdgasblase die das Rohöl nach oben treibt(siehe Bohrturm B).

Bei der Sekundärförderung handelt es sich um eine Ölquelle bei der das Rohöl nicht von selbst an die Erdoberfläche sickert. In diesem Fall kann man durch Einpressen von Erdgas oder Wasser die Ausbeute der Ölquelle entscheidend verbessern (siehe Bohrturm A+B oder D+E).

Wenn man nun den Betrag der Ausbeute in Prozent ausdrückt, so erhält man einen traurigen Wert. Die Ausbeute der Primärförderung und die Ausbeute der Sekundärförderung ergeben zusammen nur 30% der Rohölquelle. Um den Ertrag zu steigern muß man Verfahren der Tertiärförderung anwenden. Hierbei wird das erdölführende Gestein erhitzt. Diese Methode nennt man Wärmeflutung. Es werden heißes Wasser, Wasserdampf oder organische Lösungsmittel in das Bohrloch gepreßt um das Erdöl unter hohem Druck vor sich herzuschieben. Eine weitere Methode der Tertiärförderung ist das chemische Fluten oder Alkalifluten. Bei dieser Methode wird Natronlauge in das Bohrloch gepumpt, um als Treibmittel für das Rohöl zu wirken.

4. Kapitel: Erdöldestillation

Das erbohrte Rohöl wird nach der Gewinnung in großen Tanks wochenlang gelagert, um das Wasser vom Öl zu trennen. Wenn sich das Wasser schließlich am Boden der Tanks abgesetzt hat wird das Öl in anderen Tanks mit Demulgatoren behandelt, um eventuelle Emulsionen zu brechen.

Die Gase, die sich während der Lagerung in den Tanks bilden, werden noch vor Ort abgesaugt, um als Treibgase wiederverwendet zu werden.

Wenn das Schwarze Gold schließlich mittels Pipelines, Tankwagen und Tankschiffen in die Raffinerie gebracht wird, beginnt der Prozeß der Benzinerzeugung.

Das Rohöl wird durch fraktionelle Destillation in seine einzelnen Bestandteile zerlegt und auf chemische und physikalische Wege gereinigt.

Oft wird Erdöl vor der fraktionellen Destillation katalytisch entschwefelt. Bei diesem Vorgang wird unter hohem Druck Wasserstoff in einen Tank mit Rohöl eingeblasen. Dabei reagiert Wasserstoff mit Schwefel aus dem Erdöl zu Schwefelwasserstoff.

Auf der folgenden Abbildung ist die fraktionelle Destillation schematisch dargestellt.

Typische Produkte der fraktionellen Destillation sind zum Beispiel Benzin, Dieselöl und Kerosin. Weitere Produkte der Erdöldestillation sind in der folgenden Tabelle nach der Anzahl der Kohlenstoffatome aufgelistet.

Das folgende Diagramm schlüsselt die Erdölförderung der Welt im 20 Jahrhundert auf.

5. Kapitel: Benzingewinnung

Momentan gibt es weltweit neun verschiedene Verfahren Benzin zu gewinnen. Die zwei hauptsächlichen Methoden sind die Destillation von Erdöl und das Kracken von Erdöl.

Bei der Destillation von Erdöl werden die verschiedenen Flüssigkeiten des Erdöls zwischen 40°C und 200°C verdampft und einzeln wieder verflüssigt. In speziellen Destillationskolonnen werden die einzelnen Flüssigkeiten unter Luftabschluß mittels fraktioneller Destillation in die vier verschiedenen Benzinarten zerlegt. Petrolether, Leichtbenzin, Mittelbenzin (Motorenbenzin) und Schwerbenzin (Testbenzin).

Beim Kracken von Erdöl gibt es zwei Verfahrensarten. Das thermische und das katalythische Kracken.

Beim thermischen Krackverfahren erhitzt man Rohöl unter einem Druck von 70 bar bis zu einer Temperatur von 800°C. Es tritt dadurch eine Fragmentierung der verschiedenen Bestandteile auf die durch den Einsatz von Katalysatoren wie Aluminiumoxid begünstigt wird.

Die katalythische Krackmethode hat die thermische Methode heute allerdings zum Großteil verdrängt. Bei der katalythischen Krackmethode werden als Katalysatoren vor allem Zeolithe eingesetzt, die Isomerisierungen, Cyclisierungen und Spaltungen fördern. Deshalb haben die Crackbenzine höhere Oktanzahlen, als die Benzine, die bei thermischen Verfahren entstehen.

Da beim Kracken nicht genug Wasserstoffatome vorhanden sind,  entstehen auch ungesättigte Verbindungen. Ein Reaktionsbeispiel:                                                                                         H  H

 H H H H H H H H H               H H H   H H H                                   H         C

-C-C-C-CXC-C-C-C-C-  ®   -C-C-C + C-C-C- ®   -C-C-C-H + C  C

 H H H H H H H H H               H H H   H H H                                   H    H

                                                            Radikale

langkettiges Alkan                 kurzkettiges Alkan                            Alken

Aus diesen ungesättigten Verbindungen wird deshalb Kunststoff, Alkohol oder synthetischer Kautschuk hergestellt.

Weiters kann Benzin auch noch durch die Polymerisation von Olefinen, durch Verarbeitung von Erdgas, durch Schwehlung aus Kohle, durch Kohlehydrierung, durch Kohleextraktion und durch Verarbeitung von Methanol hergestellt werden.

6. Kapitel: Alternative Herstellungsmethoden

Da man Benzin zwar auf mannigfaltige Möglichkeiten herstellen kann, ist man doch gezwungen, immer neue Wege der Herstellung zu finden. Einer dieser Wege ist die Fischer-Tropsch-Synthese. 1925 haben zwei deutsche Chemiker ein Verfahren entwickelt mit dem man aus Kohle Benzin gewinnen kann. Bei dem sogenannten Kogasinverfahren wird ein Synthesegas mit Hilfe von Katalysatoren in Kohlenwasserstoffe umgewandelt. Das Schema der Reaktionsgleichung sieht folgendermaßen aus:

n CO + 2 n H₂ ® (CH₂)n + n H₂O

Das Prinzip dieser Reaktion beruht auf der Verflüssigung von Kohle. Das Produkt der Fischer-Tropsch-Synthese enthält 12% Flüssiggas, 50 % Benzin, 15% Kogasin I, 12% Kogasin II, 8% Paraffingatsch und 3% Paraffin.

Problematisch bei dieser Herstellungsmethode ist nur, daß auch die Kohleressoucen begrenzt sind. Aufgrund der geringen Benzinausbeute der Fischer-Tropsch-Synthese wird dieses Verfahren nur sehr selten angewendet. Derzeit ist in Südafrika die weltweit einzige aktive Anlage. Doch immerhin ist ein Anstoß gegeben um neue Technologien zu entwickeln. Beispielsweise wird zur Zeit an Projekten gearbeitet Benzin aus Mikroalgen oder aus pflanzlichen Abfällen zu erzeugen.

7. Kapitel: Beimengungen

Benzin wird in den Raffinerien in mehreren Qualitäten erzeugt. Vorwiegend werden die drei gängigen Benzinarten hergestellt. Normalbenzin, Superbenzin und Super Plus Benzin. Gemessen wird der Unterschied der Benzinarten in der Oktanzahl.

Die Oktanzahl ist eine Meßzahl für die Klopffestigkeit von Motorkraftstoffen. Als Klopfen werden etwaige Nebengeräusche bei der Kraftstoffverbrennung im Motor bezeichnet. Das Klopfphänomen kann nur bei langkettigen Alkanen entstehen, bei denen die Hauptkette unverzweigt ist. Da Benzin sehr klopffreudig ist, hat es die Oktan Zahl 0. Um das überaus motorschädliche Klopfen zu verhindern wurde ein identer Kraftstoff entwickelt, der sehr klopffest ist. Es handelt sich hierbei um 2,2,4 Trimethylpentan, oder auch Isooctan genannt.

Aufgrund seiner hohen Klopffestigkeit hat Isooctan die Oktanzahl 100.

Um bei der Verbrennung im Motor höchst mögliche Qualität des Treibstoffes zu garantieren, wird der Motorkraftstoff Benzin aus den zwei oben erwähnten Kohlenwasserstoffen gemischt. So ergibt zum Beispiel eine Mischung von 95 Teilen Isooctan und 5 Teilen Oktan eine Oktanzahl von 95.

Ein anderer Weg die Oktanzahl zu erhöhen ist das Reformieren. Dies ist ein Veredelungsverfahren in der Petrochemie. Bei diesem Vorgang werden Erdölprodukte, insbesondere Schwerbenzine, in Aromaten und Isoparaffine umgewandelt. Der Zweck des Reformierens ist die Erhöhung der Oktanzahl der Motorkraftstoffe. Im Gegensatz zum Cracken werden die Moleküle nicht gespalten, sondern isomerisiert, umgelagert und dehydriert. Die älteren thermischen Reformingverfahren sind heute durch katalythische Verfahren verdängt worden. Als Katalysatoren verwendet man Multi-Edelmetalle bei einer Temperatur von 490°C - 540°C und einem Druck von 8 - 40 bar.

Platforming ist ebenfalls ein Verfahren zur Erhöhung der Oktanzahl von Straight-run-Benzinen. Diese werden bei 455°C - 480°C und 35 - 55 bar Bruchteile von Minuten über einen Platinkatalysator geleitet, wobei Dehydrierungen von Naphthenen, Cyclisation, Spaltung und Isomerisation von Paraffinen, Entschwefelung und Erhöhung der Oktanzahl auf 85 - 95 eintreten.

Die in Österreich vorgeschriebenen Oktanzahlen sind für Normalbenzin 91 ROZ, für Superbenzin 95 ROZ und für Super Plus Benzin 98 ROZ.

Normalbenzin und Superbenzin sind in Österreich seit 1988 unverbleite Kraftstoffe. Super Plus Benzin wird mit Bleitetraethyl angereichert um eine noch höhere Klopffestigkeit und einen noch höheren Verbrennungsgrad zu erlangen. In Österreich ist der Bleigehalt von Benzin auf maximal 0.15 Gramm pro Liter festgelegt.

Die Bezeichnung ROZ nach der Oktanzahl bedeutet Research Oktanzahl. Es gibt weiters auch noch die Bezeichnung MOZ (Motor Oktanzahl). Üblicherweise wird jedoch auf den Tankstellen die höhere Reseach Oktanzahl angegeben.

Um die verschiedenen Motorkraftstoffe auch optisch zu unterscheiden werden ihnen bestimmte Farbstoffe beigemengt. So ist Normalbenzin zum Beispiel grün, Superbenzin rot, Diesel klar, und Heizöl gelb. Dies erleichtert die Unterscheidung und die Kontrolle der Behörden. So könnte man zum Beispiel mit einem Dieselfahrzeug chemisch identisches Heizöl-leicht tanken. Das Heizöl hat dieselben Eigenschaften wie Dieselöl, ist jedoch nicht so hochqualitativ gereinigt und daher wesentlich billiger. Durch die geringere Reinheit des Heizöls ist daher die Luftverschmutzung um ein vielfaches höher. Aus diesen Gründen ist der Gebrach von Heizöl als Treibstoff in Dieselfahrzeugen in Österreich gesetzlich verboten.

8. Kapitel: Verwendung

Der Hauptverwendungszweck des Benzins ist der Verbrauch als Motorkraftstoff. Im Verbrennungsraum der Motoren wird Benzin unter Luftzufuhr verbrannt. Eine schematisierte Gleichung der Benzinverbrennung ist unten dargestellt.

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ ® 16 CO₂ + 18 H₂O

Durch die freiwerdende Verbrennungswärme dehnt sich die Luft im Zylinder des Motors stark aus. Diese Eigenschaft läßt sich durch mechanische Konstruktionen zum Antrieb nutzen.