1859 Edwin Drake och E. B. Bowditch från Seneca Oil Company borrade den första kommersiella oljebrunnen i USA i Titusville, Pennsylvania. Brunnen producerade cirka 400 liter råolja, mindre än tio fat om dagen. Snart tillhandahöll liknande brunnar över hela västra Pennsylvania råolja för fotogen som behövdes för att bränna landets gatlyktor och huslampor. Den lättare kokande komponenten, bensin, kastades, eftersom den inte hade någon marknad. Det finns historiska rapporter om att” avfall ” bensin, som hade dumpats i floder, ibland tog eld. År 1892 utvecklades de första bensindrivna motorerna, för både bil och traktor,: detta gav snart en marknad för den en gång värdelösa substansen, bensin.
idag är bensin den viktigaste produkten av ett typiskt oljeraffinaderi: Hela raffinaderiprocessen är utformad för att maximera sin produktion. Bensin är en komplex blandning av molekyler med ett kokområde på 40-200 C (104-392 f). För att producera olika kvaliteter finns det en blandning av många raffinaderikomponenter, som var och en främjar specifika bränslekvaliteter såsom önskad oktanklassificering, volatilitet och minimering av motoravlagringar.
Oktankvalitet
den viktigaste kvalitetsparametern för bensin är oktankvaliteten. Oktantal är ett mått på bränslets antiknockegenskaper. Att knacka i en bensinmotor är ett metalliskt klatterande ljud (pingning), vilket indikerar överdriven intensitet i preflame-reaktioner. Allvarlig knackning kan skada motorn.
preflame-reaktioner uppträder i motorcylindrarna när delar av bränslet själv initierar förbränning före den framåtgående flamman från tändstiftet. Denna ytterligare förbränning orsakar en överdriven hastighet av energiutsläpp, vilket är knock. Tendensen hos ett bränsle att engagera sig i preflamreaktioner är beroende av strukturen hos dess komponentmolekyler (se Figur 1);
tendensen för preflamreaktioner är hög för raka kolväten, medium för grenade kolväten och låg för aromater.
oktantalet för en provbensin representerar volymprocenten isooctan (2,2,4-trimetylpentan) i ett referensbränsle bestående av blandningen av isooctan och heptan som skulle vara nödvändig för att matcha provbränslets knackningstendens. Isooctan brinner med minimal knackning och ges ett oktanvärde på 100. Detta står i kontrast till heptan, som brinner med mycket knackning och ges ett oktanvärde på 0. Således klassificeras en bensin som brinner med samma mängd knackar som en blandning av 92 procent isooctan och 8 procent heptan som en 92 oktanbensin.
oktanvärdena för bensin kan ökas genom tillsats av små mängder antiknockmedel. Det första kommersiellt framgångsrika antiknockmedlet, tetraetyllead (TEL), utvecklades på 1920-talet. TEL användes för att främja utvecklingen av högre effektivitet, högre kompressionsmotorer. TEL är dock mycket giftigt och förgiftar katalytiska omvandlare. Sedan 1974 har alla nya amerikanska bilmotorer använt katalysatorer för att minska avgasutsläppen.
metyl-t-butyleter (MTBE) har varit det antiknockmedel som valts för blyfri bensin. MTBE ger högoktankvalitet tillsammans med låg volatilitet och är lättlöslig i bensin. Läckage av bensin från underjordiska lagringstankar har dock resulterat i detektering av MTBE i dricksvattnet i flera stadsområden. Detta fick delstaten Kalifornien att beställa borttagning av MTBE från Kalifornien bensin senast 2003.
alkoholer har också funnit användning som oktanförstärkare. Vid högre koncentration kan alkoholer användas som bensinförlängare, vilket minskar vårt beroende av importerad råolja. En betydande del av hela USA. saluförd bensin tros innehålla etanol.
Bensintillsatser
spårmängder av olefiner och diolefiner som finns i bensin är benägna att reagera med syre upplöst i bensinen. Denna process kallas autoxidation och involverar en radikal kedjereaktion som kan införliva syre
in i olefinet och kan också främja en molekylstorlek ökning via polymerisationsreaktioner. Slutresultatet av denna komplexa process är bildandet av avlagringar och tandkött som kan blockera bränslefilter och störa mätningen av bränsle och luft i förgasaren. Detta kan resultera i negativ motorprestanda. Tillsatser tillsätts ofta till bensin för att ta itu med oxidativ stabilitet och andra problem; de inkluderar antioxidanter, metalldeaktivatorer och tvättmedel.
antioxidanter är tillsatser som minimerar autoxideringsreaktioner. De fungerar som väteatomgivare som stoppar kedjan oxidationsprocessen av olefinerna. De två olika typerna av antioxidanter som används i bensin är fenylendiamin (PDA) och hindrade fenoler (såsom BHT).
spårnivåer av lösliga metallföreningar, särskilt koppar, katalyserar oxidativ nedbrytning av bensin genom att främja bildandet av tandkött och avlagringar. Metalldeaktivatorer löser detta problem genom att kelatera metallen och göra den inaktiv. Den mest använda metalldeaktivatorn är N, N ’ – disalicyliden-1,2-propanediamin, vars kopparkomplex visas i Figur 3.
tvättmedel minimerar bränslesystemavlagringar vid låga koncentrationer, och vid höga koncentrationer kan avlägsna avlagringar som redan har bildats. Tvättmedel är molekyler som har en mycket polär ändgrupp och en icke-polär kolvätesvans. Ett konventionellt rengöringsmedel av amino amidtyp visas i Figur 4.
förmodligen fäster de polära grupperna i tvättmedlet sig på metallytor och till polära avlagringar på dessa ytor. De icke-polära svansarna hos dessa molekyler ”sticker ut” i bränslet på ett sådant sätt att en monomolekylär film bildas på metallytan, vilket förhindrar avsättning och partikelaggregation. Denna process tros också solubilisera eventuella avlagringar som redan finns på metallytan. Tvättmedelsmonolskiktet tros också förhindra uppbyggnad av is på förgasarytor under vintern. Således kan tvättmedel också fungera som anti-isbildning tillsatser.
bensinproduktion
produktionen av bensin börjar med avsaltning av den viskösa råoljan. Salter och metaller i råoljan främjar korrosions-och giftbehandlingskatalysatorer. Således upphettas råoljan (för att minska viskositeten) och extraheras med vatten för att avlägsna salterna och metallerna. Ofta resulterar denna process i bildandet av en olja/vattenblandning som kallas en emulsion (suspension). Denna emulsion bryts typiskt genom tillsats av ett kemiskt ytaktivt medel (demulsifier) som främjar separationen av diskreta olje-och vattenlager. Efter separation av det vattenhaltiga skiktet upphettas oljan till ca 400 o C (752 o F): Detta omvandlar oljan till gasformiga produkter och ökar fluiditeten hos den återstående vätskan. I denna form kommer den gasformiga blandningen in i fraktioneringskolonnen, där processen med atmosfärisk fraktionerad destillation separerar råoljan i olika komponenter baserade på kokpunkt.
de lättaste kokande fraktionerna är molekyler som är gaser under omgivande förhållanden: metan, etan, propan, butan och olefiner härledda från dessa föreningar. Användningsområden för denna destillatström inkluderar bränning som bränsle vid raffinaderiet; som petrokemiska foderlager; eller bearbetning till gasol (LPG). Det finns tre andra viktiga destillat strömmar som samlats in under atmosfärisk destillation: den nafta fraktion, som har ett ungefärligt kokpunktsintervall mellan 30 till 180°C (86-356°F). det fotogen fraktionen, som destillerar på mellan 180 och 240°C (356-464°F); och gas olja fraktionen, som destillerar på mellan 240 och 355°C (464-671°F).
för att uppfylla gällande miljöbestämmelser för svavelhalten i bränsleprodukter utsätts tredestillatströmmarna för väteavsvavlingsprocessen. I närvaro av en katalysator upphettas destillat i närvaro av väte för att reducera olika organosulfurföreningar till enkla organiska föreningar och H 2 S. Det väte som behövs för denna process är en biprodukt av den katalytiska reformeringsprocessen. H2S-produkten kan lätt avlägsnas. I denna process kan raffinören styra oktantalet på bensinblandningsbeståndet. Genom uppvärmning av naftafraktionen i närvaro av en speciellt utformad platinakatalysator cykliseras rakkedjiga kolväten och mättade cykliska kolväten omvandlas till aromatiska föreningar. Dessutom omvandlar denna process rakkedjiga kolväten till grenade kolväten. Katalytisk reformering underlättar produktionen av bensinblandningslager med oktanvärden från 90 till 100+.
om den atmosfäriska återstoden återges vid en temperatur på mindre än 400 CCX (752 FCX) under vakuum produceras en vakuumgasolja. Typiskt utsätts vakuumgasoljan för flytande katalytisk krackning (FCC) för att producera lägre kokande vätskor som kan blandas för att göra bensin. Detta uppnås genom att bryta stora molekyler av vakuumgasoljan i mindre, lägre kokande molekyler. En viktig bensinblandningskomponent som kan framställas på detta sätt är alkylat. Det är en blandning av högförgrenade kolväten framställda genom den syrakatalyserade reaktionen av isobuten och lätta olefiniska kolväten. Alkylat är en värdefull blandningskomponent på grund av dess högoktankvalitet och frånvaron av aromater eller olefiner, vilket kan leda till miljö-och oxidativa stabilitetsproblem.
1990 Clean Air Act krävde att Environmental Protection Agency (EPA) skulle utfärda regler som krävde att bensin skulle ”omformuleras”, vilket resulterade i betydande minskningar av fordonsutsläpp av ozonbildande och giftiga luftföroreningar. Denna renare bensin kallas omformulerad bensin (RFG). RFG krävs i de nio stora storstadsområdena i USA som har de värsta ozonproblemen. Dessutom har flera andra områden med ozonnivåer som överstiger folkhälsostandarden frivilligt valt att använda RFG.
användning av RFG minskar mängden flyktiga organiska föreningar (VOC ) och kväveoxider (NO x) i atmosfären som reagerar i närvaro av solljus för att producera ozon, en viktig komponent i smog. Fordon släpper också ut giftiga utsläpp, varav en (bensen) är ett känt cancerframkallande ämne.
RFG innehåller 2 viktprocent syretillsatser (oxygenater), såsom MTBE eller etanol. Oxygenater ökar bensinens förbränningseffektivitet, vilket minskar fordonsutsläppen av kolmonoxid, ett allvarligt hot mot folkhälsan. Utseendet på MTBE i vissa urbana vattenförsörjning har resulterat i lagstiftning som väntar i den amerikanska kongressen för att fasa ut användningen av MTBE i RFG. Etanol skulle då troligen bli det primära oxygenatet för framtida RFG.
bensin är den viktigaste produkten av oljeraffinaderiet. Den viktigaste kvalitetsparametern för bensin är dess oktantal. Ytterligare kvalitetsegenskaper för bensin styrs av användningen av tillsatser, till exempel antioxidanter, metalldeaktivatorer och tvättmedel. Genom att blanda olika raffinaderiströmmar och tillsatser kan en bensinformulering uppnås som minimerar miljöförstöringen. Ett sådant bränsle kallas omformulerad bensin.