De brandstof die in een moderne auto wordt gebruikt, of het nu benzine, diesel of zelfs LPG (LiquidPetroleum Gas) is, moet aan hoge zuiverheidseisen voldoen om de motor van de auto soepel te laten lopen.
Brandstof winnen uit ruwe olie
Moderne brandstoffen moeten voldoende vluchtig zijn om snel te ontbranden, zelfs onder ongunstige omstandigheden, en ze moeten het juiste mengsel van koolwaterstoffen hebben om gelijkmatig genoeg te verbranden om bruikbaar vermogen in een verbrandingsmotor te ontwikkelen. De brandstof moet ook het juiste octaangetal hebben om roze worden te voorkomen (te vroeg ontploffen) wat motorschade kan veroorzaken.
Verbrandingsmotoren zijn gemaakt om op een bepaalde brandstofklasse te draaien en zijn afgesteld om dicht bij de limieten te lopen die die brandstof kan ondersteunen, dus een constante kwaliteit is belangrijk in moderne brandstoffen.
Zowel benzine als diesel zijn afgeleid van ruwe olie, een complex mengsel van vele honderden verschillende koolwaterstoffen en andere producten die tijdens de raffinage moeten worden verwijderd. Ruwe oliën variëren van bron tot bron; ze bevatten over het algemeen lichte vluchtige vloeistoffen, o.a. benzine, maar ook veel zwaardere, bijna vaste bestanddelen, zoals bitumen.
Het scheiden en zuiveren van benzine en diesel uit ruwe olie vereist complexe processen, die in een olieraffinaderij worden uitgevoerd.
De olie wordt geraffineerd tot zijn bestanddelen door een proces dat fractionele destillatie wordt genoemd. Dit scheidt de verschillende bestanddelen van ruwe olie door gebruik te maken van het feit dat ze verdampen en verdampen bij verschillende temperaturen.
Het eerste proces wordt uitgevoerd in een fractioneerkolom, een hoge cilindrische toren tot 75 m hoog, met daarin tussen de 30 en 40 trays die fractioneertrays worden genoemd, boven elkaar gestapeld. De onderkant van de kolom wordt erg heet gehouden, maar de temperatuur daalt naarmate u verder de kolom op gaat, zodat elke lade iets koeler is dan die eronder.
De ruwe olie wordt voorverwarmd tot tussen 315°C en 370°C zodat alle behalve de zwaarste bestanddelen verdampen. Het wordt dan als een mengsel van gas en vloeistof naar de bodem van de fractioneringskolom toegevoerd. De oliedamp stijgt via apparaten, zoals bubbeldoppen, in de fractioneerschalen omhoog in de kolom, waardoor het grondig wordt gemengd met de vloeistof die er al is. De zwaardere, nog vloeibare olie stroomt naar de bodem van de kolom.
Naarmate de damp stijgt, koelt deze af met de dalende temperatuur van de trays. Telkens wanneer de damp omhoog gaat naar en door een schaal borrelt die vloeistof bevat waarvan de temperatuur overeenkomt met het kookpunt van een van de bestanddelen van de damp, condenseert dat bestanddeel op de schaal. De andere dampen met een hoger kookpunt gaan door de kolom omhoog.
Op deze manier ontmoet elk bestanddeel in de damp een schaal waarop het condenseert. Het resultaat is een reeks gescheiden bestanddelen, fracties genaamd, die via leidingen uit de kolom kunnen worden afgezogen.
Er zijn zes hoofdfracties. Het lichtste, dat nog steeds een gas is wanneer het de top van de kolom bereikt, wordt raffinaderijgas genoemd en wordt door de raffinaderij zelf als brandstof gebruikt.
De rest wordt verder verwerkt in een extra fabriek. De lichtste van de resulterende vloeibare fracties zijn zeer vluchtig en worden gebruikt voor het mengen in benzine.
Dan komen nafta (gebruikt voor verdere verwerking tot petrochemicaliën, oraal voor bijmenging in benzine), kerosine (wat in feite paraffine is), dieseloliën en lichte en zware oliën die worden gebruikt voor industriële smering, en dan de zwaarste fractie, bitumen, dat als residu achterblijft.
Het elementaire fractionele destillatieproces verdeelt ruwe olie in zijn pure chemische koolwaterstoffen. Maar sommige van deze koolwaterstoffen zijn waardevoller dan andere. Met name de vraag naar benzine is veel groter dan naar bitumen, of zelfs naar diesel. Dus een deel van de zwaardere fracties wordt op de olieraffinaderij omgezet in benzine. Dit wordt gedaan door een proces dat kraken wordt genoemd.
Bij thermisch kraken wordt warmte gebruikt, terwijl bij katalytisch kraken een chemische katalysator wordt gebruikt.
Bij thermisch kraken worden de koolwaterstoffen verwarmd tot een hoge druk tussen 450°C en 540°C. Het resultaat is een laagwaardige brandstof die vervolgens opnieuw wordt geraffineerd bij hogere temperaturen en drukken om benzine te produceren van voldoende kwaliteit voor gebruik in automotoren.
Katalytisch kraken is nuttiger dan thermisch kraken omdat het een hogere opbrengst aan bruikbare producten geeft. Door tijdens de voorverwarmfase een katalysator (meestal analuminium-silicapoeder) aan de olie toe te voegen, kunnen de zware fracties worden gebroken in een mengsel van lichtere fracties, die vervolgens in een fractioneringskolom worden gevoerd om te worden gescheiden.
Deze lichte fracties ondergaan vervolgens verdere processen die conversieprocessen worden genoemd om de juiste mix van koolwaterstoffen te produceren.
Deze conversies worden gevolgd door behandelingsfasen waarin de juiste additieven worden geïntroduceerd om de gemengde benzine geschikt te maken voor gebruik in de winter of in de zomer.
Om bruikbaar te zijn voor het laten draaien van verbrandingsmotoren, moet benzine bepaalde eigenschappen hebben. Het moet soepel in de motor branden over een breed bereik van snelheden en vermogens zonder detonatie. Dit manifesteert zich door te 'kloppen' en kan, indien toegestaan, leiden tot ernstige motorschade.
De benzine moet een aantal gemakkelijk vluchtige bestanddelen bevatten waardoor de motor bij koud weer gemakkelijk kan starten. Maar de benzine mag niet zo vluchtig zijn dat deze te gemakkelijk verdampt en een blokkering in het brandstofsysteem veroorzaakt, of zelfs ijsvorming in de carburateur (zie zijlijn, rechts).
De prestatie van benzine wordt voornamelijk afgemeten aan het octaangetal. Om dit uit te werken, wordt de benzine vergeleken met twee standaardbrandstoffen met bekende prestaties, n-heptaan en iso-octaan, beide koolwaterstoffen. N-heptaan is een slechte brandstof voor verbrandingsmotoren en veroorzaakt hevig kloppen; het heeft een anoctaangetal van 0. Isooctaan is het tegenovergestelde, een brandstof van zeer hoge kwaliteit en heeft een octaangetal van 100.
Als benzine een octaangetal van 90 heeft, betekent dit dat het een prestatie geeft die gelijk is aan een mengsel van 90 delen iso-octaan tot 10 delen nheptaan. De meeste automotoren hebben benzine nodig met een octaangetal tussen 90 en 100.
Als extra antiklopmiddel is het nog steeds gebruikelijk om een kleine hoeveelheid tetraethyl- of tetramethyllood aan de benzine toe te voegen. Dit wordt echter gestaag ingeperkt vanwege de giftige aard van lood.
De maximaal toegestane hoeveelheid lood in benzine werd in 1986 verlaagd van 0,4 naar 0,15 gram per liter, en loodvrije benzine begint op de Europese markt te verschijnen. Dit is benzine waaraan geen loodverbindingen zijn toegevoegd.
Dieselbrandstof is stroperiger en zwaarder dan benzine, is minder vluchtig en komt op een lager niveau uit de fractioneerkolom.
Dieselbrandstof wordt niet beoordeeld op octaangetal zoals benzine; in plaats daarvan krijgt het een cetaangetal. Dit wordt afgeleid door diesel te vergelijken met twee andere koolwaterstoffen, cetaan en alfa-methylnaftaleen.
Dieselbrandstof van hoge kwaliteit die in wegvoertuigen wordt gebruikt, heeft een cetaangetal van ongeveer 50, terwijl langzamere motoren, zoals die in grote schepen worden gebruikt, kunnen draaien op brandstof met een lager cetaangetal. Hoe hoger het cetaangetal, hoe gemakkelijker het starten, hoe soepeler de verbranding en hoe lager het niveau van 'dieselknock'.
Sommige laagwaardige diesel (gasolie genaamd) die wordt gebruikt voor stationair of off-road werk, is geverfd voor identificatie en staat daarom bekend als rode diesel. Alleen witte diesel, waarop wegenbelasting is betaald, mag legaal op de weg worden gebruikt.
Dieselbrandstof heeft, net als benzine, normaal gesproken belangrijke additieven. Aan dieselbrandstof die bij koud weer wordt gebruikt, moeten antivries- en anti-waxmiddelen worden toegevoegd om verstopping van brandstofleidingen en injectoren te voorkomen.
Vanuit de olieraffinaderij worden de benzine en diesel in speciaal daarvoor ontworpen tankwagens over de weg of per spoor naar hun garage en tankstation getransporteerd.
De brandstoffen worden meestal opgeslagen in ondergrondse tanks onder het voorplein op het verkooppunt - het tankstation. Benzine en dieselbrandstof worden in aparte tanks opgeslagen, net als verschillende soorten benzine, totdat ze boven het maaiveld worden getild en worden gedoseerd voor verkoop door de pompen.
Benzinepompen kunnen normaal gesproken brandstof uit een van de ondergrondse tanks halen en deze mengen om de gebruikers te voorzien van welke kwaliteit dan ook. Loodhoudende en ongelode benzine mogen echter niet worden gemengd, daarom hebben ze aparte tanks en pompen nodig die duidelijk moeten worden gemarkeerd om aan te geven wat ze bevatten.
