Kraftstoffe

Thermisches Cracken:

Heizöl S und Bitumen werden unter Druck auf 600 °C erhitzt. Dabei entstehen niedrig siedende Benzinfraktionen und Gase. Dieses Verfahren wird zur Benzingewinnung nicht mehr angewandt, weil die Crackprodukte zu kurzkettig, unverzweigt und häufig ungesättigt (Olefine) sind. Zur Herstellung von Olefinen als Ausgangsprodukte für die Kunststoffindustrie wird es jedoch weiterhin durchgeführt. Bei den Verfahren des katalytischen Crackens handelt es sich v. a. um das Fluid Catalytic Cracking (FCC), das überwiegend zur Gewinnung von Benzin eingesetzt wird und das Hydrocracken, bei dem hochwertiges Gasöl und Kerosin entstehen.

Fluid Catalytic Cracking (FCC):

Bei Temperaturen bis 500 °C werden unter Normaldruck die hoch siedenden Rückstände am Katalysator in benzintaugliche Verbindungen zerlegt. Eine ständige Regenerierung des Katalysators ist nötig, da dieser sich mit Kohlenstoff belädt.
Die Verbrennung dieses Kohlenstoffs liefert aber wieder die Energie für die Erhitzung des Schweröls. Dieses Verfahren wird überwiegend zur Benzingewinnung angewandt (Festbett-Technologie). Bei Temperaturen bis 400 °C werden unter Hochdruck (100 – 150 bar) und Wasserstoffzufuhr am Katalysator die Rückstände in Cycloalkane zerlegt. Das Hydrocracken ist gut geeignet zur Gewinnung von hochwertigem Gasöl und Kerosin, nicht aber von Benzin, da die hoch klopffesten Aromaten durch Wasserstoffanlagerung in weniger klopffeste Cycloalkane umgewandelt werden. Was passiert nun eigentlich beim Cracken? Beim Cracken (to crack, engl. zerbrechen, aufspalten) werden langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle in kürzere umgewandelt. Aus hoch siedenden Fraktionen entstehen niedrig siedende. Hierbei fallen größere Mengen kurzkettige, gasige und ungesättigte Kohlenwasserstoffe an, die durch Polymerisieren in einem Reaktor zu überwiegend verzweigten Iso-Alkanen verbunden werden. Es entsteht sogenanntes Polymer-Benzin oder Polymerisat.

Abbildung Mitte rechts: Reformieren:

Beim Reformieren entsprechen die Ausgangsverbindungen aus dem Schwerbenzin zwar im Molekulargewicht denen, die man für Otto-Kraftstoffe braucht, sie haben aber zu niedrige Oktanzahlen (oder Octanzahlen) und müssen deshalb in Kohlenwasserstoffe mit hohen Oktanzahlen, also in verzweigte und ringförmige Verbindungen, umgewandelt werden. Dazu wird das Schwerbenzin unter erhöhtem Druck (15 – 50 bar) und erhöhter Temperatur (~500 °C) in Gegenwart des Katalysators Platin zur Reaktion gebracht. Neben den klopffesteren Benzinbestandteilen fällt dabei auch Wasserstoff an.

Die untere Abbildung zeigt eine Einteilung brennbarer Stoffe nach der Chemikalienverordnung (EU 1272/2008 (CLP)) bezüglich ihrer Flammpunkte. So müssen Stoffe mit einem Flammpunkt unter 0 °C als hochentzündlich, Stoffe mit Flammpunkten zwischen0 °C und 21 °C als leichtentzündlich und Stoffe mit einem Flammpunkt ab 21 °C bis 55 °C als entzündlich nach der Gefahrstoffverordnung gekennzeichnet sein und die jeweiligen R- und H-Sätze beachtet werden.

Hier kann man wieder den Zusammenhang zwischen Molekülgröße und Siedetemperatur herstellen. Benzin besteht aus kleineren Molekülen und hat eine niedrigere Siedetemperatur, wie schon aus der Erdölfraktion ersichtlich. Deshalb verdunstet Benzin bei niedrigen Temperaturen, d. h. bei üblichen Außentemperaturen ist ein Luft-Benzindampf-Verhältnis erreicht, das sich leicht entzündet.

Diesel dagegen verdampft erst bei sehr viel höheren Temperaturen aufgrund seiner größeren Moleküle. Deswegen ist er erst bei höheren Temperaturen entflammbar (siehe Kopiervorlage 14: Siedetemperaturen und Flammpunkte von Kraftstoffen).

Abbildung links unten:

Das Klopfen im Ottomotor entsteht (sehr vereinfacht), wenn während der gleichmäßigen Verbrennung an der Flammenfront das noch unverbrannte Gemisch unkontrolliert zu zünden beginnt. Die höhere Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme, die mit diesem Vorgang einhergeht, führt zu einem schnelleren und stärkeren Druckanstieg im Zylinder und damit zu einem stärkeren Verschleiß bei verminderter Leistung. Der Begriff „Klopfen“ ist auf das im Fahrzeuginnenraum wahrnehmbare unruhige Motorlaufgeräusch zurückzuführen, das durch die nicht vollständig kontrollierte und ungleichmäßige Verbrennung entsteht.

Abbildung rechts unten:
Der tatsächliche Luftbedarf für die Verbrennung des Kraftstoffes im Motor unter den jeweiligen Bedingungen wird durch die sogenannte Lambdasonde ermittelt, die den Sauerstoffgehalt der Abgase vor dem Eintritt in den Katalysator misst. Über ein Steuergerät regelt diese Messung die Zusammensetzung des Kraftstoff-Luft-Gemenges, das in den Brennraum geführt wird. Der Luftbedarf im Motor errechnet sich aus dem theoretischen Luftbedarf multipliziert mit der ermittelten Luftzahl λ.
L _{(tatsächlicher Luftbedarf)} = λ _(Luftzahl) * L_{0 (theoretischer Luftbedarf)}

Ist der Lambdawert klein, spricht man von einem „fetten“ Gemisch (viel Kraftstoff im Verhältnis zur Luft), ist der Lambdawert groß, spricht man von einem „mageren“ Gemisch (wenig Kraftstoff im Verhältnis zur Luft). λ = 1 entspricht dem theoretischen Luftbedarf bei der Verbrennung. Bei Verwendung magerer Kraftstoffgemische ist eine Kraftstoffeinsparung von bis zu 15 % möglich. Der λ -Wert für Ottomotoren liegt zwischen 0,85 und 1,25, der für Dieselmotoren zwischen 1,2 und 2. Welche Wirkung sich durch die Veränderung der Luftzufuhr zu einem brennbaren Stoff erzielen lässt, kann man in der Schule am leichtesten am Gasbrenner demonstrieren. Bei nicht geöffneter Luftzufuhr wird der Brennstoff unvollständig verbrannt, was man an der Entwicklung unverbrannten Kohlenstoffs leicht erkennt (Abscheidung an Magnesiarinne), die Temperatur ist deutlich niedriger als bei geöffneter Luftzufuhr. Die nicht leuchtende Flamme ist erheblich heißer und brennt rußfrei.