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Petro- und Kohlechemie (6h)

Erdöl, Erdgas und Kohle als Energieträger - ökologische Konsequenzen der Nutzung fossiler Brennstoffe

Geschichtliches zur Erdölförderung - Entstehung, Vorkommen und Gewinnung von Erdöl

Geschichtliches

oberflächliche Erdöl- und Erdgasquellen  

- Asphaltsee in Trinidad,

- "ewige Feuer" in Persien, Feuertempel, Anbetung in der Glaubenslehre Zarathustras

- Asphalt "Erdpech" zum Abdichten von Booten und zum Einbalsamieren bereits im alten Ägypten

- Erdöl als byzantinische Geheimwaffe, des "griechischen Feuers" bei der Eroberung Konstantinopels 1200 gegen die Kreuzfahrer eingesetzt

- "St. Quirinusöl", "Steinöl" vom Tegernsee als Heilmittel gegen Verstopfung, Ohrenschmerzen und Rheuma - von Mönchen um 1430

1859 erste Erdölbohrung in Pennsylvania in 21 m Tiefe (1854 in der Lüneburger Heide brach in 40 m Tiefe der Bohrmeißel - aber trotzdem reicher Gewinn für den Besitzer)

Petroleumlampe statt Kerzen und qualmenden Öllämpchen (Erfinder: Pole Ignaz Lukasiewicz, Apotheker, destillierte Petroleum aus Erdöl)

1. Fraktion: sehr leicht brennbar, leicht explosiv

2. Fraktion (200-300°C: mit heller Flamme brennend, nicht explosiv

3. Fraktion: brennbar, aber stark rußend

Die Entstehung von Erdöl und Erdgas

Hinweis auf biogenen Ursprung:

Chemofossilien (z.B. mit Porphyringerüst, Chlorophyll)

Meeresplankton unter Sauerstoffabschluss -> Faulschlamm -> Bildung von Erdöl unter dem Einfluss von Druck und Temperatur -> Verlagerung -> Ansammlung in porösen Speichergesteinen -> Erdölfallen (stratigraphische Falle, tektonische Falle, Ölfalle an Salzdomen)

Vorkommen und Gewinnung

Folien: Rohstoffeinfuhr und Vorkommen

Weltkarte mit Erdölvorkommen und Verbrauch

- Naher und Mittlerer Osten 55%

- USA 10%

- UDSSR 10%

- Afrika, Europa, Südamerika, Indonesien je ca. 5%

Ressourcen

Vorräte reichen beim gegenwärtigen Verbrauch noch ca. 30 Jahre

Entdeckung neuer, ergiebiger Erdölquellen unwahrscheinlich

Erdölsuche

- Reflexionsseismik

- Probebohrung - Kosten - Lagerstättenenergie

Förderung

- eruptive Förderung (primär)

- sekundär (Pumpen)

- tertiär (Verdrängung) Deutschland!

Aufbereitung des Rohöls - Fraktionierte Destillation, Crackprozess, Entschwefelung, Isomerisierung

Unterschiedliche Zusammensetzung des Erdöls: 

Libyen: reich an geradkettigen Alkanen

UDSSR: reich an Cycloalkanen  

Mexiko: reich an Aromaten

Fraktionierte Destillation

Fraktionierturm mit Glockenbodenkolonnen:

wichtige Fraktionen:

Crackprozess

Das Mengenverhältnis der im Erdöl enthaltenen Produkte entspricht nicht dem Bedarf!

Benzinanteil von 20% zu klein

Notwendigkeit der Umwandlung hochsiedender Fraktionen in weniger schwerflüchtige, benzinähnliche Produkte

Katalytisches Cracken (früher: thermisches Cracken)

Versuch:

Radikalmechanismus z.B.

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃  ----->

Decan

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂* +  *CH₂-CH₂-CH₂-CH₃ ----->

Radikale

CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃  +  CH₂=CH-CH₂-CH₃

Alkan (Hexan)                                      Alken (1-Buten)

Versuch: Nachweis ungesättigter Verbindungen in Crackprodukten mit Bromwasser

Durch Hydrocracking (Cracken unter Zugabe von Wasserstoff) und Isomerisierung (Platforming) an Platinkatalysator werden klopffeste Treibstoffe erhalten (höherer Verzweigungsgrad).

Klopffestigkeit von Motorentreibstoffen

Vorzeitige Zündung (Kompression / Erhitzung / Kolbenstellung / Zündkerze) -> schlechte Energieausnutzung, höherer Motorenverschleiß

Octanzahl OZ

Isooctan (2,2,4-Trimethylpentan)          n-Heptan

OZ: 100                                                        OZ: 0

Ein Treibstoff mit der Octanzahl 92 (Normalbenzin) weist die gleiche Klopffestigkeit auf wie ein Gemisch von 92% Isooctan und 8% n-Heptan

Antiklopfmittel

früher:

Tetraethylblei Pb(C₂H₅)₄  0,6 g/l

giftig! Radikalbildner, Zusatz von 1.2-Dibromethan

Bleigesetz: ab 1976 max. 0,15 g Pb/l ---> 3000t Pb/Jahr

heute wird tert.-Butylmethylether als Antiklopfmittel verwendet

Kohle - Entstehung, Zusammensetzung, Kohleveredlung

Kohle - Entstehung, Zusammensetzung, Kohleveredlung

Vorkommen und Vorräte:

ca. 5 000 000 000 000 t (Welt) statischer Index: 2300 a     

exponentieller Index: ca. 200 a

90 000 000 000 t Erdöl  statischer Index: 31 a

Entstehung:

Inkohlung - Pflanzenreste vor ca. 300 Millionen Jahren unter Luftabschluss - Einwirkung von Druck und/oder Hitze

Torf - Braunkohle 68%C - Steinkohle 85%C - Anthrazit 92%C - Graphit (Diamant) - Farbe? Dichte? Zusammensetzung?

Versuch: Trockenes Erhitzen von Holz unter Luftabschluss

- Holzkohle

- Teer

- Wasser, Methanol ("Holzgeist", Ethansäure "Holzessig")

- Gase

Holzvergaser im 1. Weltkrieg

Herstellung von Holzkohle in Kohlemeilern 

Chemische Zusammensetzung der Kohle

C H O N S (- ca. 1% Schwefel)

Kohleveredlung:

Verkokung: Erhitzen von Kohle unter Luftabschluss auf 800-1300°C

- Verwendung von Koks im Hochofenprozess

- Steinkohlenteer

- Giftigkeit des Kohlenstoffmonoxids

- "Stadtgas"

Verschwelung: 

[VERSUCH] Erhitzen von Kohle unter Luftabschluss auf 400-600°C

- treibt Bitumen, ein Gemisch hochmolekularer Kohlenwasserstoffe aus und Schwelgas

Extraktion: Man lässt Lösungsmittel bei 100 bar und 400°C auf pulverisierte Kohle einwirken.

- Montanwachs für Schuhcremes, Bohnerwachs und Schmierfett

Kohlevergasung

Generatorgas

2 C  +  (O₂ + N₂) ->  2 CO  +  N₂     -256 kJ/mol

                               Luft      1000°C      34%     66%

Wassergas = Synthesegas 

C  +  H₂O  ->  CO  +  H₂ endotherm!

Kohlehydrierung

Bergius-Verfahren:

Herstellung von Benzin durch Einwirkung von Wasserstoff auf Kohle - endotherm 1 t Kohle -> 600 kg Benzin

n C  +  n+1 H₂   ->  C_nH_2n+2

Fischer-Tropsch-Verfahren

n CO  +  4n+2 H₂  ->  C_nH_2n+2 +  n H₂O

Wassergas!                  geradlinige und verzweigte Kohlenwasserstoffe