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Treibstoffgewinnung durch Cracken - Referat
Treibstoffgewinnung durch Cracken
Inhaltsverzeichnis:
Der richtige Treibstoff
Benzin
Diesel
Erdöldestillation
Cracken/Crackverfahren
Katalytisches Cracken
Versuch: Katalytisches Cracken von Paraffinöl
Materialien
Aufbau
Durchführung
Beobachtung
Auswertung
Beispiel einer möglichen Crackreaktion
Thermisches Cracken
Produkte des Crackens
Qualität der Treibstoffe
Oktanzahl
Klopffestigkeit
Quellen
Bücherquellen
Internetquellen
Der richtige Treibstoff
Oftmals fragt man sich, wenn man an der Tankstelle steht: „Wieso kann ich mit meinem Auto nur Benzin tanken und nicht auch Diesel? Was ist denn dabei der Unterschied?“
Die Antwort darauf ist, dass es verschiedene Motoren gibt. Für den Otto-Motor benötigen wir Benzin und für den Diesel-Motor benötigen wir Diesel-Treibstoff. Der Grund liegt dabei in der unterschiedlichen Funktionsweise dieser Motoren. Um dies zu verstehen, müssen die Treibstoffe erst einmal auf molekularer Ebene betrachtet und die Funktionsweise der Motoren erklärt werden.
Benzin
Benzin ist ein Gemisch aus unterschiedlich großen Kohlenwasserstoffmolekülen und besitzt immer mindestens 5 und höchstens 12 Kohlenstoffatome.
Die Otto-Motoren, für die das Benzin verwendet wird verdichten das Benzin-Luft-Gemisch beim Startvorgang. Durch eine Zündkerze, die sich im Brennraum befindet, wird dann ein Zündfunke ausgelöst, um das Gemisch zur Explosion zu bringen. Dadurch wird der Kolben nach unten gedrückt und treibt die Kurbelwelle des Motors an. Das Benzin wird jedoch erst dann zu einem Kraftstoff, wenn ihm noch zusätzliche Stoffe, wie Antiklopfmittel hinzugefügt werden, um beispielsweise die Klopffestigkeit (siehe 4.2 Klopffestigkeit) zu erhöhen.
Diesel
Diesel besteht, ebenso wie das Benzin, aus Kohlenwasserstoffen, jedoch besitzen die Moleküle 10 bis 20 Kohlenstoffatome, also mehr als beim Benzin.
Bei den Diesel-Motoren herrschen im Brennraum so hohe Temperaturen und ein so hoher Druck, dass sich das Luft-Diesel-Gemisch selbst entzündet. Es wird also keine Zündkerze benötigt wie bei den Otto-Motoren.
Genau wie beim Benzin werden auch hier bestimmt Zusätze benötigt. Im Winter werden dem Diesel-Öl zum Beispiel Additive hinzugefügt, um das Ausflocken von Paraffinen an kalten Wintertagen zu vermeiden. Ohne diese Zusätze würden sonst große Paraffinkristalle entstehen und die Leitungen verstopfen. Das heißt, der Motor würde gar nicht anspringen, oder nach wenigen Metern wieder ausgehen. Mit solchen Zusätzen kann man bis -22°C sein Auto benutzen.
Erdöldestillation
Das Erdöl ist zu Beginn noch durch Salz, Sand, Gase und Wasser verunreinigt. Deshalb müssen diese Stoffe zunächst entfernt werden um dann Rohöl zu erhalten. Dieses gereinigte Öl kann nun destilliert werden. Durch die unterschiedlichen Siedetemperaturen der im Rohöl enthaltenen Stoffe kann es so bei der Kondensation durch Kühlen des Gemischs in die verschiedenen Fraktionen getrennt werden. Dabei entstehenden Gase, Benzin, Petroleum und Kerosin, Schwereöl und leichtes Heizöl und ein Rückstand. Bei all diesen Stoffen handelt es sich um Kohlenwasserstoffmoleküle, jedoch kann nur das Benzin als Treibstoff für das Auto genutzt werden, da es als einziges die geeignete Molekülgröße hat. Wie zu Beginn schon genannt besteht es dabei immer aus 5-12 Kohlenstoffatomen. Die anderen Fraktionen werden für Kunststoffe, Flugzeuge und Heizungen genutzt, weil man dafür wiederum andere Molekülgrößen der Kohlenwasserstoffe benötigt.
Cracken
Die Menge, die bei der Erdöldestillation an Benzin entstanden ist, reicht jedoch bei weitem nicht aus, um die Nachfrage nach Benzin und Diesel auf dem Markt zu erfüllen, da viel größere Mengen an Treibstoff benötigt werden, als im Erdöl und später im Rohöl enthalten sind. Deswegen verwendet man das Verfahren des Crackens, um aus dem Rückstand, der bei der Erdöldestillation entstanden ist, wiederum Benzin, Diesel und andere wichtige Stoffe zu gewinnen. Das Cracken (engl. to crack=spalten) bezeichnet dabei das Zerbrechen langer Kohlenwasserstoffketten, aus denen der Rückstand besteht, um daraus kurze Kohlenwasserstoffketten zu erhalten.
3.1 Katalytisches Cracken
Das wichtigste katalytische Crackverfahren ist das Fluid Catalytic Cracking. Der Vorgang dabei läuft folgendermaßen ab:
Zuerst wird der Rückstand bei einem Druck von 1,4 bar und einer Temperatur von 500-600°C in einem Röhrenofen zum Verdampfen gebracht. Der Druck im Röhrenofen bewirkt dabei eine Senkung der Siedetemperaturen, sodass die Stoffe schon bei niedrigeren Temperaturen anfangen, zu verdampfen. Der Vorteil ist, dass man so keine so hohen Temperaturen benötigt.
Danach werden die großen Kohlenwasserstoffmoleküle an der Oberfläche der Katalysatoren im Reaktor gecrackt, das heißt sie werden in kleinere, kürzere Kohlenwasserstoffmoleküle gespalten. Die Katalysatoren werden deshalb verwendet, um die chemische Reaktion, also hier das Cracken zu beschleunigen und sich dabei selbst nicht zu verändern. Sie sind Stoffe mit einer sehr großen Oberfläche wie zum Beispiel Aluminiumsilikat und Nickel.
Durch die Absetzung von Koks/Ruß auf den Katalysatoren verlieren Diese ihre Wirkung und müssen immer wieder in einen Regenerator gegeben werden. Im Regenerator wird der Koks durch Zugeben von heißer Luft verbrannt und die nun wieder wirksamen Katalysatoren können dem Reaktor wieder zugeführt werden.
Zuletzt werden die Crackprodukte wie bei der Erdöldestillation durch ihre unterschiedlichen Siedetemperaturen getrennt, da sie so bei unterschiedlichen Temperaturen wieder kondensieren.
Nach diesem Crackvorgang erhält man als Endprodukte die Crackgase, Benzin, Dieselöl, Gasöl und Rückstand.
Ein weiteres katalytisches Crackverfahren ist das Hydrocracken. Es wird verwendet, um aus dem Rückstand der beim Fluid-Catalytic Cracking entsteht, nochmals Benzin, Diesel, etc. zu gewinnen. Der Unterschied dabei ist, dass beim Hydrocracken zusätzlich noch reiner Wasserstoff dem Prozess hinzugefügt wird, um die Koks-/Rußbildung zu vermeiden. Das Verfahren wird aber nicht sehr häufig verwendet, da es vor allem durch die großen benötigten Mengen an Wasserstoff sehr teuer ist.
Versuch: Katalytisches Cracken von Paraffinöl
Materialien
Paraffinöl in Glaswolle
Stahlwolle
Eiswasser
5 Reagenzgläser
Reagenzglas mit Ansatzrohr
Gummischlauch
Pfropfen
Becherglas
Pneumatische Wanne
Bunsenbrenner
Bromwasser
Aufbau
Das Paraffinöl in der Glaswolle wird zusammen mit dem Perlkatalysator in ein Reagenzglas gegeben und mit dem Pfropfen verschlossen.
Das andere Reagenzglas mit dem angebrachten Ansatzrohr wird in ein Becherglas mit Eiswasser gestellt und durch einen weiteren Gummischlauch mit dem zweiten Reagenzglas verbunden.
Das Ansatzrohr wird mit der pneumatischen Wanne verbunden, in die 2 Reagenzgläser gestellt werden, die mit Wasser gefüllt sind.
Durchführung
Zunächst wird die Stahlwolle über dem Bunsenbrenner erhitzt, bevor der Bunsenbrenner auch unter das Paraffinöl gehalten wird.
Sobald die in den Reagenzgläsern enthaltene Luft verdrängt worden ist, stellt man die Reagenzgläser auf die Öffnung der pneumatischen Wanne, um das entstehende Gas aufzufangen.
Das entstehende Gas, ebenso wie ein Teil der Flüssigkeit wird angezündet.
Die entstehende Flüssigkeit wird mit Bromwasser vermischt und geschüttelt.
Beobachtung
Das Paraffinöl verdampft und verschwindet.
Im mit Paraffinöl gefüllten Reagenzglas steigen Dämpfe (àein Gas) auf.
In dem Reagenzglas, das im Eiswasser steht, bildet sich eine Flüssigkeit.
Durch die Öffnung der pneumatischen Wanne steigt ein Gas auf, das das Wasser im Reagenzglas verdrängt.
Das Gas und die Flüssigkeit entzünden sich und brennen.
Das Bromwasser entfärbt sich durch das Schütteln des Reagenzglases.
Auswertung
Aus dem Paraffinöl sind Flüssigkeiten und Gase der Stoffgruppe der Alkene entstanden. Durch das entfärbte Bromwasser lassen sich die Alkene nachweisen, welche mit dem Bromwasser reagieren und es so entfärben. Durch das brennbare Gas und die brennbare Flüssigkeit ist der Crackprozess nachgewiesen worden, weil es sich nun um kürzere Kohlenwasserstoffketten als beim Paraffinöl handelt und diese brennbar sind, wohin gegen sich das Paraffinöl nicht entzündet.
Beispiel einer möglichen Crackreaktion von Paraffinöl:
Reaktionsschema: Hexadecan à Ethen + Propen + Butan + Hepten
Reaktionsgleichung: C16H34 à C2H4 + C3H6 + C4H10 + C7H14
Thermisches Cracken
Dieses Crackverfahren wurde schon früher als das katalytische Cracken verwendet, da es aufgrund der nicht benötigten Katalysatoren einfacher ist. Bei dem thermischen Cracken gibt es drei Verfahren, die normalerweise immer hintereinander angewendet werden, um den beim Prozess entstehenden Rückstand noch ein weiteres Mal zu verarbeiten. Es handelt sich dabei um das Steamcracken, das Visbreaking und das Delayed-Coking. Der Unterschied der drei Crackverfahren besteht dabei immer aus der längeren Verweilzeit im Ofen und dem immer dickflüssiger werdenden Ausgangsprodukt (Rückstand).
Die Verfahren gleichen dem des katalytischen Crackens, mit dem Unterschied, dass dabei keine Katalysatoren verwendet werden, die die Reaktionen verbessern und beschleunigen. Deshalb muss der Rückstand unter relativ hohem Druck sehr stark erhitzt werden, damit die Reaktion und so das Cracken stattfinden kann. Auf molekularer Ebene betrachtet passiert dabei folgendes: Durch die hohen Temperaturen geraten die Kohlenwasserstoffmoleküle in so große Schwingungen, dass die Molekülketten zerbrechen und dadurch, wie auch beim katalytischen Cracken kleinere Kohlenwasserstoffmoleküle entstehen. Diese können danach durch Destillation getrennt werden.
Produkte des Crackens
Bei den Endprodukten, die durch das thermische und katalytische Cracken entstehen, handelt es sich meist um Alkane und Alkene. Alkene besitzen im Unterschied zu den Alkanen immer mindestens eine Kohlenstoff Doppelbindung (C=C). Beim Crackprozess entstehen Alkene, indem die großen Moleküle zerbrechen und dann nicht sofort Alkane entstehen, sondern die Moleküle weiter zerfallen. Besitzt ein Molekül dann ungepaarte Elektronen, nennt man es Radikal. Ein Radikal zeichnet sich durch die hohe Reaktionsbereitschaft aus und hat die Eigenschaft anderen Molekülen ihre Atome zu entreißen. Verliert ein Molekül auf diese Weise alle Wasserstoff-Atome, entsteht Ruß. Liegen zwei Kohlenwasserstoffmoleküle mit ungepaarten Elektronen nebeneinander, können sie eine Elektronenbindung eingehen. Dadurch entsteht eine Doppelbindung und somit ein Alken.
Je nach Länge der Alkane und Alkene, werden die Gemische zu Diesel, Heizöl, etc. weiterverarbeitet.
Qualität der Treibstoffe (Benzin)
Oktanzahl
Die Oktanzahl ist das Maß für die Klopffestigkeit eines Kraftstoffes. Je höher sie ist, desto höher ist auch die Klopffestigkeit. Je kürzer und verzweigter ein Kohlenwasserstoffmolekül, desto höher ist die Oktanzahl. Die Oktanzahl wird durch die unterschiedliche Zusammensetzung des Gemischs bestimmt. Reines Isooktan (2, 2,4-Trimethyl-pentan) hat die Oktanzahl 100 und dadurch eine sehr hohe Klopffestigkeit. Im Gegensatz dazu hat n-Heptan eine sehr niedrige Klopffestigkeit, weil es eine Oktanzahl von 0 besitzt. Normalbenzin besitzt in der Regel eine Oktanzahl von 92, Superbenzin 95 und Superplus Benzin hat eine Oktanzahl von mindestens 98. Dabei verhält sich z.B. Normalbenzin wie ein Gemisch aus 92 % Isooktan und 8 % n-Heptan. Je höher die Oktanzahl, desto teurer sind auch die Herstellungskosten. Früher wurden dem Benzin bleihaltige Verbindungen zugesetzt, um die Klopffestigkeit zu erhöhen, jedoch führte das schnell zu Umweltproblemen, da die bleihaltigen Stoffe bei der Verbrennung im Motor an die Umwelt abgegeben wurden. Aufgrund dessen sind heutzutage keine solchen Gemische mehr erhältlich.
Klopffestigkeit
Die Klopffestigkeit eines Treibstoffs bestimmt, wie leicht sich der Kraftstoff bei hohem Druck, das heißt bei einer starken Verdichtung des z.B. Benzin-Luft-Gemischs und hohen Temperaturen selbst entzündet. Sie unterscheidet sich durch die unterschiedliche Oktanzahl. Entsteht eine Frühzündung, kann dies durch ein Klopfen/Klingeln gehört werden. Auswirkungen der Frühzündungen sind dabei häufig Leistungsverlust, können aber bei dauerhaften Schäden bis zum durchgebrannten Kolben führen und somit zum Motorschaden führen.
Quellen
Bücherquellen
Asselborn, W., Jäckel, M., Dr. Risch, K. (2004): Chemie heute SI. Schroedel – S. 271f.
Demuth, R. (2006): Chemie im Kontext. Sekundarstufe 2. Cornelsen – Berlin S.48f.
Eisner, W. (2000): Elemente Chemie 2. Gesamtband. Klett – Stuttgart, S. 288
Hünten, M. (2009): Abitur-Training Chemie. Chemie 1. Stark – S. 45f.
Prof. Dr. Kemnitz, E., Dr. Simon, Rüdiger (2007): Abiturwissen Chemie. Duden – Mannheim, Berlin – S. 405f.
Internetquellen
http://web.de/magazine/auto/verkehr-service/15464954-oktanzahl-benzin.html (20.10.2012)
http://www.aral.de/aral/sectiongenericarticle.do?categoryId=9019224&contentId=7034986 (20.10.2012)
http://www.raumzeitwellen.de/SAL/sal5/kw-oel/cracken.htm (23.10.2012)
http://www.aral.de/aral/sectiongenericarticle.do?categoryId=4000016&contentId=56232 (23.10.2012)
http://www.seilnacht.com/Lexikon/erdoel.html (24.10.2012)
http://www.chemie.de/lexikon/Cracken.html (24.10.2012)
http://www.motorvision.de/artikel/winterdiesel-kraftstoff-fuer-die-kalte-jahreszeit,5086.html (10.11.2012)
http://www.studentshelp.de/p/referate/02/4017.htm (23.10.2012)
http://benzinpreis.files.wordpress.com/2012/01/leichtlaufoel_720x480.jpg (09.12.2012)
http://www.ufomi.de/images/bohrinsel.jpg (09.12.2012)
http://www.taz.de/uploads/images/684x342/treibstoff.jpg (09.12.2012)
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