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Vakuumdestillation, Der Katalysator



Entstehung


Erdöl ist vor vielen Millionen Jahren aus Plankton am Meeres Grund entstanden.



Wirtschaft


Erdöl wird seit Anfang des 20. Jh. Gefördert, und der Verbrauch ist seit dem ständig gestiegen.

Da die Ressourcen knapp sind, versucht man die Kraftstoffe und die Gewinnung zu optimieren.


Verarbeitung


-Erdöl ist ein Gemisch aus mehr als 1000 verschiedenen Kohlenwasserstoffen.

-Es besteht aus geringen Anteilen an organischen Sauerstoff, Stickstoff und Schwefelverbindungen, sowie aus anorganischen Verbindungen

-Erst durch Destillation erhält man die gewünschten Produkte, wie z.B. Benzin, Heizöl und Schmieröl.

-Durch die ansteigende Temperatur bei der Destillation wird das Rohöl nicht in einzelne Reihstoffe, sondern in Gemische von Stoffen mit ähnlichen Siedetemperaturen getrennt (Fraktionen = Gemische von Stoffen mit ähnlichen Siedetemperaturen.)







-Das Rohöl wird in einem Röhrenofen auf 360 - bis 400 Grad erhitzt, dabei verdampft es zum größten Teil.

-Das Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit wird in den heißen, unteren Teil des Destillationsofens geleitet. Dieser ist durch zahlreiche Zwischenböden Stockwerkartig unterteilt.

-Der Teil des Rohöls, der selbst bei 400 Grad nicht verdampft, setzt sich nach unten ab und wird später weiter zu Schwerem Heizöl, oder zu Schmierstoffen Weiter Verarbeitet. (siehe Vakuumdestillation)

-Der Rest (Gasförmig) steigt Stufe für Stufe nach oben, wobei durch die abfallende Temperatur immer ein Teil kondensiert, der sich dann auf dem Boden des Stockwerks sammelt, und von dort abgeleitet wird.

-Die Stoffe, die selbst ganz oben im Ofen (30 Grad) noch gasförmig sind (Propan/Butan), werden in Gastanks abgeleitet, oder zu Heizzwecken in der Raffinerie Verwendet. Teilweise werden sie auch oben abgefackelt, um bei möglichem Überdruck in der Anlage austretende Gase kontrolliert zu verbrennen. (Sicherheitseinrichtung)

-Benzin und die Mitteldestillate müssen vor ihrer Weiterverwendung noch aufbereitet werden, um die Schwefelverbindungen zu entfernen, da bei ihrer Verbrennung Schwefeloxid entstehen würede.



Vakuumdestillation


-Der Rückstand der normalen Destillation kann nicht über 400 Grad Erhitzt werden, da sich sonst die Kohlenstoffverbindungen zersetzen würden.

-Deshalb wird der Rückstand nach erneutem aufheizen in einem Vakuumofen erneut destilliert, um die Siedepunkte zu senken. => Rückstand kann bei niedrigen Temperaturen in weitere Fraktionen aufgeteilt werden.

-Bei der Vakuumdestillation gewinnt man Produkte wie z.B. verschiedene Schmieröle, und Bitumen. ( Bitumen werden für Straßenbeläge und Dachpappe verwendet.)





Der Katalysator:


Dient zur Verringerung der Schadstoffe in den Abgasen von Verbrennungsmotoren. Heute wird hauptsächlich der 3-Wege Katalysator (Einbett 3-Wege Kat/Selektivkatalysator) verbaut:

Hierbei werden alle Schadstoffe auf einmal abgebaut. Sie werden durch einen Keramikwabenkörper geleitet. Die einzelnen Waben sind mit den 3 Edelmetallen Platin, Rhodium und Palladium beschichtet.


Die durch den Katalysator strömenden Schadstoffe reagieren an der Oberfläche der Metalle zu den ungiftigen Stoffen Co2, Wasser und Stickstoff.


Auf einen cm² im Katalysator kommen etwa 65 Kanäle. Die Wände sind nur 0,05 - 0,07 mm dick. Für einen Katalysator werden etwa 2 g der Edelmetalle benötigt.


Beim geregelten Katalysator gibt es zusätzlich noch die Lambda Sonde. Sie überprüft ständig die Abgase vor dem Eintreten in den Katalysator. Liegt der Lambda Wert unter oder über einem bestimmten Sollwert, ändert sie die Gemischzusammensetzung für die Verbrennung so, dass der Sollwert wieder hergestellt wird. Auf diese Weise können 90% der Schadstoffe unschädlich gemacht werden.


Beim ungeregelten Katalysator fehlt die Lambda Sonde, deshalb können nur 50% der Schadstoffe unschädlich gemacht werden.


Um die Umwelt zu schonen werden Autos mit einem geregelten Katalysator in Deutschland steuerlich entlastet.(Gegenbeispiel USA: Kein TÜV)




Chemische Reaktion im Verbrennungsmotor:


Das Benzin-Luft-Gemisch wird in den Zylinderraum eingespritzt und durch den Kolben verdichtet. Wenn der Kolben an der höchsten Stelle ist, hat sich das Gemisch stark erwärmt und wird durch den Funken der Zündkerze entzündet. Die von der Zündkerze ausgehende Flammenfront breitet sich im Zylinder aus. Normalerweise breitet sie sich zwar rasch aber gleichmäßig aus, was den Kolben relativ weich nach unten bewegt.

Wenn nun noch nicht verbanntes Benzin durch die Hitze der Flammenfront gezündet wird, bevor es von dieser erreicht wird, entstehen durch die harten Druckstöße Klopfgeräusche (Sekundärzündungen). Diese verringern die Motorleistung und haben auch noch Verschleiß zur Folge.

Die Klopffestigkeit von Benzin ist von seiner Zusammensetzung abhängig. Je mehr Verzweigungen die Kohlenstoffmoleküle aufweisen, desto Klopffester ist es, da sie erst bei höheren Temperaturen zünden. Als Maß für die Klopffestigkeit benutzt man die Oktanzahl.(2,2,4 Trimethylpentan =100 und n Oktan = 0)

um die Oktanzahl zu erhöhen,



-Normalbenzin hat die OZ 92, d.h. es ist eine Mischung aus 92% Isooctan und 8 % n-Heptan. Superbenzin hat OZ 95, Super plus hat OZ 98.



Möglichkeiten zur Erhöhung der Oktanzahl:


1.Durch die Hinzugabe von Blei-tetra-äthyl erhöht sich die OZ. Jedoch wird verbleites Benzin seit 1990 in Deutschland nicht mehr verkauft, da Blei schädlich für den Katalysator ist und zudem auch giftig.


2. Die billigste Methode ist die, Benzol hinzu zu führen. Benzol hat die OZ 106. Jedoch ist Benzol krebserregend, deshalb wurde die Menge an Benzol im Benzin von 3% bis 6% auf ca. 1% gesenkt.


3.Beim katalytischen Reformieren = Hierbei wird das Benzin bei ca. 500 grad über Platin beschichtete Kügelchen (Katalysatoren) geleitet.

Dabei entstehen kettenförmige, unverzweigte Alkanmolekühle werden in verzweigte oder ringförmige Kohlenwasserstoffmoleküle umgewandelt



Cracken


Da bei der Destillation von Rohöl, zu viele Schweröle mit grossen Kohlenstoffketten entstehen, und zu wenig Benzin oder Diesel Kraftstoff, Müssen die grossen Ketten durch das sog. Cracken weiterverkleinert werden. Hierzu gibt es 2 verschiedene Möglichkeiten:




  1. thermisches Cracken

Die hochsiedenden Fraktionen werden unter hohem Druck auf 450 bis 500 Grad erhitzt. Dabei geraten diese in so starke Schwingungen, dass die C-C Bindungen aufbrechen, die langen Kohlenstoffketten (z.B. Schweröl) spalten sich in kürzere auf (z.B. Benzin)

  1. katalytisches Cracken

Hierbei erfolgt das Cracken im beisein eines Katalysators, bei etwa 450 Grad. Das Umwandlungs Ergebnis ist wesentlich höher als beim thermischen Cracken und die Qualität ist auch wesentlich besser.


Beim Cracken allgemein entstehen neben Benzin (besonders beim katalytischen Cracken) gasförmige gesättigte, und ungesättigte Kohlenwasserstoffe, sowie Kohlenstoff. Diese Stoffe schlagen sich auf dem Katalysator nieder.






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

| | | | | | | | | | | | | | |

H - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - H

| | | | | | | | | | | | | | |

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




Cracken, Druck, Temperatur


|






H             H H H H H H H

/ | | | | |

C = C H - C - C - C - C - H C = C - C - H

/ | | | | / | |

H             H H H H H H H H


Ethen Butan Propen




H H H H H H

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C = C - C - C - C - C - C - H

/ | | | | | |

H H H H H H H


Hepten











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