3.5. Liczba oktanowa. Kraking i reforming

Według rocznika statystycznego w 2010 r. liczba wszystkich poruszających się po drogach naszego globu pojazdów (samochodów, autobusów i ciężarówek, ale bez jednośladów) przekroczyła miliard. Wśród nich 800 mln to samochody osobowe. W jaki sposób pozyskuje się paliwo do napędzania tylu samochodów? Czy benzyna otrzymywana podczas destylacji frakcyjnej ropy naftowej zaspokaja potrzeby przemysłu motoryzacyjnego?

Już wiesz: 

  • że benzyna jest mieszaniną węglowodorów, zawierających od 5 do 12 atomów węgla w cząsteczce;
  • paliwo do silników spalinowych otrzymuje się w procesie destylacji frakcyjnej ropy naftowej.

Nauczysz się: 

  • definiować liczbę oktanową benzyny oraz wyjaśniać, w jakim celu i w jaki sposób można poprawić jakość paliwa;
  • objaśniać metodę pozyskiwania benzyny z wyższych frakcji destylacji ropy naftowej.

1. Benzyna a olej napędowy

Samochody z silnikiem spalinowym są zasilane benzyną, a z silnikiem wysokoprężnym – olejem napędowym. Jakie właściwości mają te dwa rodzaje paliwa?

Doświadczenie 3.5.1. Badane właściwości benzyny silnikowej i oleju napędowego

Problem badawczy:  
Określenie palności i rozpuszczalności typowych paliw silnikowych w rozpuszczalniku polarnym i niepolarnym.
Hipoteza: 
Benzyna i olej napędowy są łatwopalnymi cieczami i rozpuszczają się w określonych rozpuszczalnikach.

Uwaga

Oceny palności benzyny i oleju napędowego dokonuje nauczyciel.
Co będzie potrzebne: 
  • benzyna silnikowa,
  • olej napędowy,
  • areometr,
  • 2 parownice,
  • 4 probówki,
  • 2 cylindry miarowe,
  • woda,
  • olej roślinny,
  • łuczywo.
Instrukcja: 
  1. 1.
    W dwóch zlewkach znajdują się odpowiednio: benzyna i olej napędowy. Zwróć uwagę na ich stan skupienia, barwę i zapach.
  2. 2.
    Do jednej parownicy wlej niewielką ilość benzyny silnikowej i ostrożnie zbliż do jej powierzchni zapalone łuczywo. (Tę część doświadczenia wykonuje nauczyciel).
  3. 3.
    Do drugiej parownicy wlej olej napędowy i ostrożnie zbliż do jego powierzchni zapalone łuczywo. (Tę część doświadczenia wykonuje nauczyciel).
  4. 4.
    Do jednego cylindra miarowego wlej benzynę, a do drugiego – olej napędowy. Za pomocą areometru zmierz gęstość obu paliw.
  5. 5.
    Do dwóch probówek nalej około 2 cm3 benzyny samochodowej. Do pierwszej dodaj około 1 cm3 wody, a do drugiej – około 1 cm3 oleju roślinnego.
  6. 6.
    Tę samą czynność powtórz z olejem napędowym.
  7. 7.
    Zawartość probówek wymieszaj.
Podsumowanie: 
Benzyna silnikowa jest bezbarwną, lotną i łatwopalną cieczą o charakterystycznym zapachu. Jasny płomień spalanego paliwa świadczy o spalaniu całkowitym. Benzyna nie rozpuszcza się w wodzie, utrzymuje się na jej powierzchni, co potwierdza, że gęstość benzyny jest mniejsza od gęstości wody. Dobrze rozpuszcza się w oleju roślinnym (jest niepolarna). Benzynę można więc stosować do rozpuszczania tłuszczów.
Olej napędowy również jest cieczą, lecz o jasnożółtej barwie i charakterystycznym zapachu. Zapala się łatwo, ale płomień jest żółty, nieco kopcący. Nie rozpuszcza się również w wodzie. Utrzymuje się na powierzchni wody. Badanie gęstości areometrem pozwala wyciągnąć wniosek, że olej napędowy ma gęstość 0,820–0,845 g/cm3, czyli nieco większą od benzyny (0,720–0,775 g/cm3). Rozpuszcza się w oleju roślinnym i podobnie jak benzyna jest niepolarny.

Ciekawostka

Formuła 1 (F1) to najbardziej rozwinięta technologiczne dyscyplina sportowa na świecie. Silniki w bolidach mają najwyższą wydajność paliwową, choć spalają od 60 do 75 litrów benzyny na 100 km. Kiedyś chemicy zatrudniani przez poszczególne zespoły otrzymywali bardzo „agresywne” mieszanki, zawierające m.in.: benzen, nitrobenzen, metanol, przy czym zaraz po zakończeniu wyścigu paliwo to usuwano z silnika, ponieważ uległby on uszkodzeniu. Dzisiaj paliwo do bolidów jest niemal identyczne z tym, które tankujemy do naszych samochodów. Jest to benzyna bezołowiowa „super” (zgodna z normami UE), z tym, że musi być specjalnie przygotowana– z uwzględnieniem warunków danego toru, na którym odbywają się zawody. Paliwo przed każdym wyścigiem jest sprawdzane przez sędziów F1. Każdy z zespołów rocznie zużywa ok. 200 tysięcy litrów paliwa.

2. Liczba oktanowa

Benzyna otrzymywana w procesie destylacji frakcyjnej ropy naftowej to mieszanina węglowodorów o prostych łańcuchach węglowych, która spala się wybuchowo (detonacyjnie), dlatego nie może być wykorzystywana jako paliwo do samochodów. Najważniejszym parametrem określającym jakość benzyny jest liczba oktanowa (LO), będąca wskaźnikiem określającym zdolność paliwa do bezstukowego spalania w cylindrze silnika spalinowego. Mieszanka benzynowo-powietrzna po zapaleniu przez iskrę świecy zapłonowej powinna spalać się równomiernie i nie za szybko, ponieważ zbyt gwałtowne spalanie powoduje nierównomierną pracę silnika i jego przedwczesne zużycie. Benzyna o LO = 98 spala się jak mieszanina 98% izooktanu i 2% n-heptanu (najmniejsze liczby oktanowe mają n-alkany).

Ciekawostka

W przypadku oleju napędowego wskaźnikiem określającym zdolność tego paliwa do samozapłonu jest liczba cetanowa (LC). Liczba ta dla tego paliwa jest równie ważna jak liczba oktanowa dla benzyny. Liczba cetanowa powinna mieścić się w przedziale od 40 do 60. Paliwo wzorcowe składa się z cetanu (heksadekanu), dla którego LC = 100 i α-metylonaftalenu o LC = 0. Oleje napędowe w Polsce mają liczbę cetanową na poziomie minimum 51. W przypadku oleju opałowego liczba cetanowa wynosi około 20, co całkowicie dyskwalifikuje go jako paliwo silnikowe.

3. Antydetonatory, czyli środki przeciwstukowe

Liczbę oktanową benzyny można podwyższyć, stosując tzw. antydetonatory, czyli chemiczne środki przeciwstukowe. Jednymi z pierwszych takich środków były jodyna i anilina. Pracownicy koncernu General Motors w ciągu 7 lat przetestowali 33 000 różnych substancji chemicznych i w 1922 r. odkryli oraz opatentowali antystukowe działanie tetraetyloołowiu – związku o wzorze: Pb(C IndeksDolny 2 KoniecIndeksów H IndeksDolny 5 KoniecIndeksów ) IndeksDolny 4 KoniecIndeksów. Substancja ta okazała się tania i bardzo skuteczna, ponieważ dodatek zaledwie 0,15 g tego odczynnika do 1 dm3 benzyny zwiększał jej LO z 60 do 96. Szybko jednak przekonano się, że ze spalinami do atmosfery wydzielane są silnie toksyczne związki ołowiu, stanowiące zagrożenie dla człowieka i środowiska przyrodniczego. Obecnie stosuje się benzyny bezołowiowe, w których jako antydetonatory używa się głównie etery: MTBE i ETBE lub alkohole (np. metanol i etanol).

Ciekawostka

Ołów, choć znany jest ludzkości od ponad 4500 lat, jest jednym z najbardziej toksycznych metali ciężkich. Rzymianie wykorzystywali ten pierwiastek na skalę przemysłową. Przykładem tego są rzymskie wodociągi, które prawie w całości zostały zbudowane z ołowianych rur. Był również dodawany do wina w postaci octanu ołowiu (zwanego cukrem ołowianym), aby poprawić jego smak, oraz stosowany do produkcji farb malarskich. Zatrucie ołowiem było w dawnych wiekach powszechną chorobą malarzy. Na skutek zatrucia związkami ołowiu ucierpiał m.in. Francisco Goya, który często używał bieli ołowianej. Od 2005 r. prawo unijne zakazało sprzedaży benzyny ołowiowej z powodu emisji szkodliwego PbO i zatruwania katalizatora samochodowego.

4. Kraking

Ilość benzyny powstającej bezpośrednio w wyniku destylacji frakcyjnej ropy naftowej nie pokrywa zapotrzebowania na to paliwo. Dlatego produkuje się ją, stosując proces przerobu węgla kamiennego, z gazu syntezowego lub w procesie krakingu z wyższych frakcji destylacji frakcyjnej ropy naftowej. Kraking (z ang. crack, tzn. pękać, łamać) to proces, który polega na rozpadzie długich łańcuchów węglowych na krótsze. Jeśli pękanie długich łańcuchów zachodzi w odpowiednich warunkach ciśnienia (4–6 MPa) i temperatury (od 740 do 810 K), bez udziału powietrza – zachodzi kraking termiczny. Jeśli cząsteczki o krótszych łańcuchach powstają w wyniku ogrzewania (temp. ok. 720 K), pod wpływem podwyższonego ciśnienia i w obecności katalizatora (np. AlCl IndeksDolny 3 KoniecIndeksów, Cr IndeksDolny 2 KoniecIndeksów O IndeksDolny 3 KoniecIndeksów, glinokrzemiany), to wówczas mówimy o krakingu katalitycznym. Zastosowanie katalizatora pozwala obniżyć temperaturę i ciśnienie tego procesu. W wyniku krakingu alkanów powstają alkany i alkeny o krótszym łańcuchu węglowym, np.:

Polecenie 3.5.1.

W wyniku krakingu alkanu o 16 atomach węgla otrzymano: n-heptan, pent-1-en i jeszcze jeden węglowodór. Podaj wzór sumaryczny tego węglowodoru i odpowiedz na pytanie: czy odbarwi on wodę bromową? Wyjaśnij, dlaczego do benzyny krakingowej dodaje się inhibitory.

Wskazówka

Jaki wzór ogólny przedstawia budowę alkanów? Które węglowodory odbarwiają wodę bromową: nasycone czy nienasycone? Inhibitory to związki chemiczne zmniejszające szybkość reakcji chemicznych.

5. Reforming

Innym sposobem na podwyższenie liczby oktanowej benzyny jest proces zwany reformingiem. Polega on na zmianie składników benzyny w wysokiej temperaturze i przy udziale katalizatorów, w wyniku czego powstają węglowodory rozgałęzione i cykliczne (w tym aromatyczne), które po dodaniu do paliwa podwyższają jego liczbę oktanową. Reforming prowadzi więc do: izomeryzacji (otrzymywania węglowodorów o tym samym składzie, lecz innej budowie), cyklizacji (przemiany węglowodorów łańcuchowych w węglowodory pierścieniowe) i aromatyzacji (przemiany węglowodorów łańcuchowych w węglowodory pierścieniowe o specyficznej budowie, które poznają ci z was, którzy będą uczyć się chemii w zakresie rozszerzonym).

Polecenie 3.5.2.

Który związek, w każdej z par będzie miał większą liczbę oktanową od drugiego:
  1. a)
    n-heksan czy 2-metylopentan,
  2. b)
    n-heksan czy metylocyklopentan,
  3. c)
    n-heksan czy benzen (węglowodór pierścieniowy o specyficznej budowie)?

Wskazówka

2-metylopentan to węglowodór o rozgałęzionym łańcuchu węglowym, metylocyklopentan to węglowodór nasycony o budowie pierścieniowej, a benzen to najprostszy węglowodór aromatyczny.

Ciekawostka

W czasie II wojny światowej, kiedy pozyskiwanie benzyny było bardzo trudne, pojazdy cywilne napędzano niekiedy mniej wydajnym paliwem – gazem drzewnym. Była to mieszanina: wodoru, tlenku węgla(II), metanu, a także niepalnych gazów, tj.: azotu, tlenku węgla(IV) i pary wodnej. Aby uzyskać energię odpowiadającą zużyciu 1 litra benzyny, należało poddać procesowi zgazowania 2,5–4 kg drewna. Za najlepsze uważano drewno bukowe. Instalacja do gazu drzewnego, tzw. gazogenerator, zajmowała sporo miejsca i przypominała zewnętrzny bojler. Uruchomienie gazogeneratora trwało ok. 15–20 minut, dlatego należało uwzględnić dodatkowy czas, planując godzinę rozpoczęcia podróży.

Podsumowanie

  • Benzyna pozyskiwana w procesie destylacji frakcyjnej ropy naftowej, zanim stanie się paliwem silnikowym, wymaga modyfikacji.
  • Liczba oktanowa to parametr będący miarą odporności benzyny na spalanie detonacyjne.
  • Antydetonatory to środki przeciwstukowe, których obecność zwiększa liczbę oktanową benzyny.
  • Kraking to metoda otrzymywania benzyny z cięższych frakcji destylacji ropy naftowej.
  • Reforming to proces otrzymywania wysokooktanowych komponentów benzyn (węglowodorów o łańcuchach rozgałęzionych i pierścieniowych) z węglowodorów o łańcuchach prostych.

Praca domowa

Polecenie 3.5.3.

Problem 1.
W czasie 1 s zbiornik bolidu Formuły 1 wypełnia ok. 12 dm3 paliwa. Oblicz, ile kg paliwa o gęstości 0,75 g/cm3 można by zatankować podczas trwającego 3 s pit-stopu (postoju na stanowisku obsługi technicznej).
Problem 2.
Poszukaj informacji na temat alternatywnych źródeł energii, które wykorzystuje się lub planuje się zastosować do zasilania samochodów nowej generacji.

Słowniczek

Definicja

antydetonatory –
substancje przeciwstukowe dodawane do benzyny w celu podwyższenia jej liczby oktanowej

Definicja

liczba oktanowa –
parametr będący miarą odporności benzyny na spalanie detonacyjne (spalanie stukowe)

Definicja

kraking –
proces rozpadu alkanów o długich łańcuchach węglowych na związki o łańcuchach zawierających mniejszą liczbę atomów węgla

Definicja

reforming –
proces przekształcania węglowodorów o prostych łańcuchach węglowych w węglowodory o łańcuchach rozgałęzionych lub węglowodory pierścieniowe

Zadania

Zadanie 3.5.1.

Zadanie 3.5.2.

Zadanie 3.5.3.

Zadanie 3.5.4.

Zadanie 3.5.5.

Zadanie 3.5.6.