1.

Einleitung

Benzin, Mischung aus Kohlenwasserstoffen mit Siedebereichen zwischen 30 und 210 °C, die vor allem als Brennstoff für Verbrennungskraftmaschinen verwendet wird. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Benzin als Synonym für Ottokraftstoff verwendet. Siehe auch Dieselkraftstoff; Kerosin

Benzin ist eine klare, leicht verdunstende und sehr feuergefährliche Flüssigkeit, die in erster Linie aus Erdöl gewonnen wird, sich aber auch aus Erdgas oder Kohle herstellen lässt. Diese Flüssigkeit enthält in unterschiedlichen Mengenverhältnissen verschiedene Kohlenwasserstoffe, deren Moleküle fünf bis zwölf Kohlenstoffatome enthalten. Bei den Kohlenwasserstoffen handelt es sich hauptsächlich um kettenförmige, verzweigte und unverzweigte Alkane, ringförmige Cycloalkane sowie um aromatische Kohlenwasserstoffe.

Je nach Siedebereich sind für Benzin in Wissenschaft und Technik spezielle Bezeichnungen geläufig, wobei sich in manchen Fällen die Siedebereiche überschneiden oder sogar gleichen. Einige Beispiele sind Petrolether oder Wundbenzin (30-70 °C), Flugbenzin (40-180 °C), Leichtbenzin (70-100 °C), Lack- oder Testbenzin (60-140 °C), Waschbenzin (80-110 °C), Ligroin (150-180 °C) und Schwerbenzin (100-210 °C).

2.

Ausgewählte Herstellungsverfahren

(1) Benzin lässt sich direkt aus Erdöl destillieren. Dabei wird das Erdöl durch Erhitzen verdampft und in einen Destillationsturm geleitet. Der Turm ist im Inneren durch teilweise offene Böden in mehrere Abschnitte unterteilt. Dort kühlen sich die verdampften Bestandteile ab und werden flüssig. Weil die unterschiedlichen Bestandteile im Erdöl bei unterschiedlichen Temperaturen kondensieren, verflüssigen sich manche Anteile auf den wärmeren, tiefer gelegenen Böden und andere wiederum auf den höher gelegenen. Auf diese Weise kann Erdöl in grobe Teile (Fraktionen) zerlegt werden. Bei der Benzingewinnung werden insbesondere die Fraktionen mit dem Siedebereichen 30 bis 180°C (Petrolether, Leichtbenzin, Ligroin) und 100 bis 210°C (Schwerbenzin) aufgefangen. Ein Teil dieses Destillatbenzins wird als Rohbenzin (Naphtha) der petrochemischen Industrie zur Weiterverarbeitung zugeführt. Ein anderer Teil wird als so genanntes Straight-run-Benzin mit weiteren Komponenten (z. B. höherwertigem Benzin) zu Motorenbenzin ausreichender Qualität vermischt. Schließlich führt man den letzten Teil des Destillatbenzins Veredelungsprozessen zu (siehe unten).

(2) Der Großteil des heute hergestellten Benzins wird durch Crackverfahren gewonnen, wobei die höher siedenden Erdölfraktionen (über 210 °C) als Ausgangsprodukt dienen. Beim Cracken (englisch to crack: spalten) handelt es sich um die thermische oder katalytische Zerlegung der im Ausgangsprodukt enthaltenen Kohlenwasserstoffmoleküle in kleinere Bruchstücke, die sich in Benzinmoleküle umwandeln können. Katalytisches Cracken wird bei höher siedenden Erdölfraktionen eingesetzt, thermisches Cracken bei den Rückständen, die nach der Destillation übrig bleiben. Das gewonnene Crackbenzin ist qualitativ so wertvoll, dass es durch Mischen mit Komponenten wie BTX-Aromaten und anderen Zusätzen zu hochwertigem Motorenkraftstoff oder sogar noch höherwertigem Flugbenzin verarbeitet werden kann. Gegebenenfalls muss Crackbenzin noch von unerwünschten Nebenprodukten (z. B. Schwefelverbindungen) befreit werden (siehe unten).

(3) Auch Erdgas lässt sich durch Crackverfahren in Benzin umwandeln; meist kommen katalytische Verfahren zum Einsatz. Dabei werden die im Gas enthaltenen Kohlenwasserstoffe in Bruchstücke gespalten, die sich dann zu Benzinmolekülen zusammenfügen. Auch dieses Crackbenzin muss gegebenenfalls noch nachbehandelt werden.

(4) Erdgas, das zusammen mit Erdöl in einer Lagerstätte vorkommt, enthält häufig neben dem Hauptbestandteil Methan noch einen kleinen Anteil an Benzin. Die Moleküle des Benzins kann man dem Gas durch Adsorption an Aktivkohle oder Kieselgel (siehe Kieselsäuren) entziehen. Dieses Naturalgasbenzin enthält niedriger siedende Kohlenwasserstoffe (bis 135 °C) und wird insbesondere als Zusatz für Benzin verwendet, das zu wenige niedriger siedende Kohlenwasserstoffe enthält.

(5) Aus Kohle kann man Benzin durch trockene Destillation gewinnen. Bei diesem Vorgang wird die Kohle thermisch in Benzin und andere Stoffe zerlegt. Dieses Herstellungsverfahren spielt heute jedoch keine Rolle mehr.

(6) Wenn man Kohle bei hohen Temperaturen mit Wasserdampf umsetzt, entsteht eine Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, die in der Verfahrenstechnik auch als Synthesegas bezeichnet wird (siehe Brenngas). Leitet man diese Mischung unter hohem Druck an Katalysatoren entlang, bilden sich u. a. Benzin und andere Kohlenwasserstoffe. Nach diesem Verfahren gewinnt man im erdölarmen, aber kohlereichen Südafrika synthetisches Benzin, das anschließend zu hochwertigem Kraftstoff weiterverarbeitet wird.

3.

Veredelung zu Motorenbenzin

Hochwertiges Benzin enthält weniger langkettige unverzweigte Kohlenwasserstoffe als verzweigte und aromatische Kohlenwasserstoffe. Je höher der Gehalt an letzteren im Benzin ist, desto klopffester ist der Kraftstoff (siehe unten). Diesen höheren Gehalt an verzweigten und aromatischen Kohlenwasserstoffen erreicht man u. a. durch Reformieren. Bei diesem Verfahren wird das unbehandelte Benzin unter hohem Druck und Temperaturen um 500 °C verdampft und an einem Katalysator entlanggeleitet, wo sich die Umwandlung zu den wertvolleren Verbindungen vollzieht. Als „Nebeneffekt” werden auch Schwefel-, Stickstoff- und Sauerstoffverbindungen zu einem großen Teil entfernt.

Zur nahezu vollständigen Entschwefelung des Kraftstoffes wird das Benzin beim Hydrofining mit Wasserstoff vermischt, erhitzt und an einem Katalysator entlanggeleitet. Dort verbindet sich der Schwefel mit dem Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff. Das gereinigte Benzin, übrig gebliebener Wasserstoff und der Schwefelwasserstoff werden anschließend voneinander getrennt. Schwefelarmes Benzin hat einen Schwefelgehalt von 50 ppm, schwefelfreies Benzin von 10 ppm (diese Angaben gelten auch für Dieselkraftstoff).

4.

Klopffestigkeit

Für den Einsatz in hochverdichtenden Motoren benötigt man Benzin, das gleichmäßig und schnell verbrennt. Dadurch wird das für den Motor äußerst schädliche Klopfen verhindert. Das Klopfen entsteht durch unerwünschte Selbstentzündungen im Brennraum. Dabei treten Druckausbrüche auf, die sich im Brennraum fortpflanzen und Kolben, Dichtungen und Zylinderkopf schädigen können.

1.

Octanzahl

Die Klopffestigkeit eines Benzins wird durch die Octanzahl gekennzeichnet. Je höher die Octanzahl, desto klopffester ist das Benzin. Die Octanzahl ist eine Kennzahl, die die Leistung eines Kraftstoffes im Vergleich zur Leistung eines Standardkraftstoffes beschreibt. Der Standardkraftstoff besteht aus einer Mischung von klopffestem Isooctan und klopffreudigem Heptan, wobei das Mischungsverhältnis durch Normen festgelegt ist. Die Octanzahl wird u. a. nach zwei Methoden mit einem genormten Einzylindermotor bestimmt: die Research-Methode, die die Research-Octanzahl (ROZ) liefert, und die Motor-Methode, die die Motor-Octanzahl (MOZ) liefert. Die Methoden unterscheiden sich in den Bedingungen, unter denen der Prüfmotor arbeitet.

In Deutschland liegen die Octanzahlen für bleifreies Normalbenzin bei 91,0 ROZ bzw. 82,8 MOZ, für bleifreies Superbenzin bei 95,0 ROZ bzw. 85,0 MOZ und für bleifreies Super-Plus-Benzin bei 98,0 ROZ bzw. 88,0 MOZ.

2.

Blei- und schwefelfreie Kraftstoffe

Die Klopffestigkeit von Benzin kann durch Zugabe von Antiklopfmitteln erhöht werden. Lange Zeit wurden hierfür die Additive Bleitetraethyl oder Bleitetramethyl verwendet. Wegen der Giftigkeit und umweltbelastenden Eigenschaften des Bleis wurden diese Substanzen durch andere Stoffe wie Tertiär-Butylmethylether (auch Methyl-Tertiär-Butylether; MTBE) oder Tertiär-Butylalkohol (TBA) ersetzt. Verbleites Normalbenzin ist in Deutschland seit 1988, in Österreich seit 1985 und in der Schweiz seit 2000 nicht mehr zugelassen. Verbleites Superbenzin ist in Deutschland seit 1996, in Österreich seit 1993 und in der Schweiz ebenfalls seit 2000 verboten.

Schwefel im Kraftstoff führt bei der Verbrennung zu Schwefeldioxid in Autoabgasen. Gerade Schwefeldioxid ist neben Stickoxiden wesentlich für die Entstehung von saurem Regen verantwortlich. Aus diesem Grund werden z. B. in Deutschland seit November 2001 schwefelarme und seit 2003 schwefelfreie Otto- und Dieselkraftstoffe angeboten. 2005 wurde in allen Ländern der Europäischen Union mit der Einführung schwefelfreier Kraftstoffsorten begonnen.