Brennstoffe · Kraftstoffe Schmierstoffe: Eine Einführung in ihre Chemie und Technologie für Ingenieure

496 Pages·1949·45.15 MB·German

by  Bruno Riediger (auth.)

Brennstoffe · Kraftstoffe
SchlDierstoffe
Eine Einfuhrung in ihre Chemie
und Technologie fur Ingenieure
Von
Bruno Riediger
lng. Dr. techno Dr. jur.
Mit 83 Ahhildungen
und 36 Zahlentafeln
Springer-Verlag
Berlin / GoUingen / He idelherg
1949
ISBN-13 978-3-642-92536-8 e-I SBN-13 978-3-642-92535-1
001 10.1007/978-3-642-92535-1
Aile Rechte, insbesondere das der Ubersetznng
in fremde Sprachen, vorbehalteDi
Copyright 1948 by Springer-Verlag OHG, Berlin -Gottingen -Heidelberg
Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1948
Genehmigt nnter Nr. 3585/48-3703/48
Vorwort.
Viele Ingenieure und Techniker, die Maschinen bauen und zu uber
wachen haben, zeigen eine gewisse Abneigung, sich mit del' Chemie und
Technologie del' Brennstoffe lmd Schmiermittel zu befassen, obwohl es
sich dabei urn unentbehrliche Betriebs- odeI' Hilfsstoffe handelt. Dies ist
zum Teil in dem Vorurteil begriindet, das viele Nichtchemiker del' Chemie,
diesel' "Geheimwissenschaft" gegenuber hegen. Ein solches Vorurteil ist
vollkommen unberechtigt, denn es gibt kaum eine Wissenschaft, die eine
so klare Systematik aufweist wie die Chemie. Insbesondere gilt dies fUr
die organische Chemie. Zudem kommen fUr Brennstoffe und Schmier
mittel in del' Hauptsache nul' verhaltnismaBig einfache Verbindungen in
Frage, die die Ausgangsplmkte fill die systematische Ableitung aIler
organischen Verbindungen sind. Diese Tatsache laBt sich in einleuchten
del' Weise dadurch erklaren, daB unsere natilllichen Rohstoffe fUr die
Gewinmmg von Brenn- lmd Kraftstoffen sowie von Schmiermitteln,
namlich Kohle, kohlenahnliche Vorkommen wie Torf usw., Erdal und
Erdgas, die Endstufen einer in geologischen Zeitraumen verlaufenen Um
bildung aus vielgestaltig aufgebauten organischen Stoffen del' Natur
darstellen.
Das Buch hat es sich zur Aufgabe gemacht, in die Chemie und Tech
nologie del' Brenn-, Kraft- und Schmierstoffe einzufUhren, urn dem In
genieur das Verstandnis fUr Vorgange zu erleichtern, denen er taglich
gegenubersteht und die sich bessel' durchschauen lassen, wenn die zu
grunde liegenden chemischen Vorgange bekannt sind. Vielleicht ""'TId
dadurch auch erreicht, daB manche Arbeit des bl'ennstoffchemischen
Schrifttums bei Ingenieuren groBere Beachtung findet und zu engerer
Zusammenarbeit anregt. "Venn mitunter etwas abseits gelegene Gebiete
gestreift werden, so solI dies nur als Versuch gewertet werden, auf diese
Weise den Raum, den die Brennstoffchemie in del' organischen Syste
matik einnimmt, in seiner zentralen SteIlung bessel' hervortreten zu.
lassen.
Da es sich bei dem dargestellten Stoff zum groBen Teil urn Grund
wissenschaften handelt, kann Vollstandigkeit del' Schrifttumsangaben
IV Vorwort.
nicht erwartet werden. Eine Ubersicht iiber einige fiir weiteres Studium
empfehlenswerte Werke ist am Anfang des Buches zusammengestellt.
Bei den Hinweisen auf neuere Aufsatze wurden vor aHem jene Zeit
schriften beriicksichtigt, die fUr Ingenieure bestimmt und ihnen leicht
zuganglich sind. 1m Abschnitt I, der sich mit den Grundtatsachen der
organischen Chemie befaBt, konnte dem Zweck dieses Buches ent
sprechend auf Schrifttumshinweise weitgehend verzichtet werden. Bei
der Zusammenstellung der zu diesem Tell gehorigen Zahlentafeln der
Kohlenwasserstoffe wurde das zlmachst in drei Banden vorliegende Werk
von G. EGLOFF: Physical Constants of Hydrocarbons (American Chemical
Society Monograph Series No. 78), Reinhold Publishing Corporation,
New York 1939, 1940 und 1946, benutzt. Diese Zahlentafeln sind mit Ab
sicht etwas ausfiihrlicher gehalten, um den Leser mit den Eigenschaften
moglichst vieler Kohlenwasserstoff-Individuen vertraut zu machen und
ihm ein Anschauungsmaterial an die Hand zu geben, das in den iiblichen
Lehrbiichern der organischen Chemie fehlt.
In Abschnitt II ist der Versuch gemacht zu zeigen, wie weit die
physikalischen Eigenschaften der einzelnen chemischen Korper, die fUr
die Brennstoffchemie von Interesse sind, und ihr Verhalten bei einigen
Reaktionen mit Hilfe der physikalischen Chemie erklart werden konnen.
Dabei bot sich bereits Gelegenheit, auf manche Fragen, die den In
genieur interessieren diirften, etwas naher einzugehen und das Ergebnis
neuerer Arbeiten zu verwerten. Da aber die Eigenschaften der technisch
genutzten Brenn-, Kraft- und Schmierstoffe sehr stark von den Aus
gangsstoffen und den angewendeten Herstellungsverfahren abhangen, ist
anschlieBend in Abschnitt III zunachst die Entstehung und dann die
Verarbeitung der in der Natur gewonnenen Rohstoffe kurz umrissen.
Daran ankniipfend behandelt der Abschnitt IV die Brenn-, Kraft- und
Schrnierstoffe selbst und gibt abschlieBend einen kurzen Uberblick iiber
weitere, ihnen ahnliche oder verwandte Stoffe, die fiir verschiedene An
wendungen der Technik Bedeutung haben. Einzelheiten der Vergasung
und Verbrennung, ffu' die viele der besprochenen Stoffe letzten Endes
bestimmt sind, die dabei ablaufenden Reaktionen und ihre rechnerische
Behandlung wurden mit Absicht nicht in das Buch aufgenommen, weil
das vor einigen Jahren im selben Verlag erschienene Kurze Handbuch
der Brennstoff- und Feuerungstechnik von W. GUMZ dariiber ziemlich
erschOpfend Auskunft gibt.
Die Wahl des Buchinhaltes und seine Gliederung sind das Ergebnis
vielfaltiger Anregungen, die ich wahrend meiner fiinfzehnjahrigen Praxis
Vorwort. v
in Unterhaltungen mit zahlreichen interessierten Fachgenossen und durch
eigene Arbeiten empfangen habe. Insbesondere bin ich den Herren Dr.
lug. F. FLORIN und Dr.-Ing. W. HOFFMANN, Berlin, fUr die Erlaubnis,
Ergebnisse unveroffentlichter Arbeiten zu verwerten, zu Dank verpflich
tet, ebenso Herrn Dr.-Ing. habil. A. ZINZEN, Berlin, aus des sen Feder die
Abschnitte III A 4 und IV A 7 stammen. SchlieBlich ist es meine
Pflicht, dem Springer-Verlag dafiir zu danken, daB er das Erscheinen
des Buches unter den schwierigen Verh111tnissen der Gegenwart ermog
licht hat.
Berlin, im April 1948.
B. RIEDlG ER.
InhaItsverzeichnis.
Seite
Verzeichnis einsohlagiger Werke. . . . . . . . . . X
I. Die Chemie der in Brenn-, Kraft- und Schmierstoffen vorkommenden
Einzelverbindungcn . . . . . . . . . . . . . 1
A. Die Kohlenwasserstoffe . . . . . . . . . . . . . . . .. 3
1. Die Ketten-Kohlenwasserstoffe (Aliphaten) . . . . . . . .. 4
a) Die gesattigten Kohlenwasserstoffe (Paraffine oder Alkane) 4
N ormalformen - Isomere Formen . 5
Nomenklatur . . . . . . . . . . . 25
b) Die ungesattigten Kohlenwasserstoffe (Olefine, Di- und Poly-
olefine oder Alkene usw.; Azetylen) . 26
Normalformen - Isomere Formen 44
Mehrfaohe Doppelbindungen 46
Azetylen . . . . . . . . . . . . 47
2. Die Ring-Kohlenwasserstoffe 58
a) Benzol, seine Homologen und Abkommlinge (Aromaten) 60
b) Die hydrierten Ring-Kohlenwasserstoffe (Zykloparaffine oder
Naphthene und Zykloolefine). . . . . . . . . . . . .. 83
0) Mehrringverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3. Elementarer Kohlenstoff (Graphit und Diamant) als Grenzfall . 136
B. Verbindungen von Kohlenstoff, Wasserstoff und dritten
Elemen ten . . . . . . . . 139
1. Die Halogenide . . . . . 140
2. Die funktionellen Gruppen 145
3. Der Sauerstoff als drittes Element. 148
a) Die sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen . 148
0:) Die Hydroxylgruppe (Alkohole und Phenole) 148
fJ) Die Karbonylgruppe (Aldehyde und Ketone) 154
y) Die Karboxylgruppe (Sauren) . . . . . . . 158
b) Durch Sauerstoff gekuppelte Verbindungen. . . 164
'X) Die .Ather (Verbindungen mit Alkoxylgruppen, insbesondere
mit der Methoxylgruppe) 164
fJ) Die Peroxyde. . . . . . . . 166
0) Ester und Seifen . . . . . . . 167
0:) Die Ester der Mineralsauren . 167
fJ) Die Ester der Karbonsauren . 168
d) Verbindungen mit mehreren unterschiedlichen funktionellen
Gruppen ........................ 171
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
4. Del' Schwefel in del' Brennstoffchemie 173
a) Schwefel in anorganischen Begleitstoffen. 173
b) Schwefel statt Sauerstoff in funktionellen Gruppen 174
c) Schwefel als Substituent im Kern von Ringverbindungen 175
d) Die Schwefelvel'bindungen in den natiirlichen Brennstoffvor-
kommen ............. , ........ 176
e) Schwefelverbindungen in Abfallstoffen del' Erdiilraffination
(Sulfonsauren). . . . . 179
5. Die Rolle des Stickstoffes. 180
a) Die Amide . . . 180
b) Die Amine . . . . . . 181
c) Die Pyridinbasen . . . 182
d) Die Nitroverbindungen. 184
e) Die Nitrile, Isonitrile und Rhodanverbindungen 184
6. Metallorganische Vel'bindungen . . . . . . . . . 185
n, Die pbysikaliscb-chemiscben Eigenscbaften der Koblenwasserstoffe und
ibrer Derivate. . . . . . 186
A. Dynamische GriiBen . . . . . . . . . . . . . . . 187
1. Die Zahigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
2. Die Warmeleitfahigkeit und die Warmeiibergangszahl 199
3. Die Oberflachenspannung. . . . . . . . . . . . . 203
R. Mechanisch-thermische GriiBen . . . . . . . . . 206
1. Das Molekulargewicht und die Dichte oder das spezifische Gewicht
(Wichte). . . . . . . 211
2. Das Schmelzverhalten 219
3. Das Siedeverhalten. . 221
4. Die Liislichkeit 227
a) Die gegenseitige Liislichkeit in fliissiger Phase 228
b) Die Liislichkeit von Gasen und Dampfen in Fliissigkeiten
(Absorption) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
c) Del' EinfluB der Konstitution auf die Liislichkeit. . . . . . 236
d) Die Anlagerung von Gasen und Dampfen odeI' Fliissigkeiten an
feste Oberflachen (Adsorption) . . . . . . . . . . . 238
5. Die Tau- und Siedelinien von Gemischen und Gemengen 243
C. Kalorische GriiBen. . . 256
1. Die spezifische Warme . 256
2. Die Vel'dampfungswarme 262
3. Zustandsdiagramme. . . 268
4. Die Mischungs-(Liisungs-) Warme . 270
5. Die Verbl'ennungs-, die Bildungs- und die Bindungswarme . 278
a) Die Verbrennungs- und die Bildungswarme 278
b) Die atomare Bildungswarme . . . . . . ; . . 282
el) Die Bindungswal'me . . . . . . . . . . . . . 282
d) Die Temperaturabhangigkeit del' Bildungswarme 284
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
III. Die natiirlich vorkommenden und technisch gewonnenen Brenn-, Kraft-
und Schmierstoffe. . . . . . . . . . . . . . 290
A. Kohle und sonstige feste Brennstoffe . 290
1. Die Entstehung der Kohle . . . . . . 290
a) Die Substanz der lebenden Pflanzen 293
b) Der Torf . . . . 295
c) Die Braunkohle. . 297
d) Die Steinkohle . . 299
2. Das Gefiige der Kohle 302
3. Die Kohle als Kolloid 306
4. Die Asche in der Kohle 310
5. Die ~<\.ufbereitung der Kohle 312
a) Die Aufbereitung der Braunkohle. 312
b) Die Aufbereitung der Steinkohle . 315
B. Erdol und Erdgas . . . . . . . . . 323
1. Die Entstehung des Erdoles und des Erdgases 323
2. Die Zusammensetzung des Erdoles und des Erdgases 325
3. Die Trennung und Verarbeitung von Erdol und Erdgas . 329
a) Die Behandlung des Erdgases 329
b) Die Destillation des Erdoles . . . . . 330
c) Die Raffination der Produkte. . . . . 334
~) Die Behandlung mit Schwefelsaure . 335
fJ) Die Behandlung mit Laugen. . . . 338
y) Der DoktorprozeB und verwandte Verfahren 339
0) Die Adsorptionsverfahren . . . 340
e) Die Kopplung der Arbeitsgange . . . . . 341
') Die Losungsmittelverfahren . . . . . . . 342
C. Die technischen Verfahren zur Umwandlung der Kohlen-
wasl:lerstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
1. Die Entgasung. . . . . . . . . . . . . . . . 346
a) Die Hochtemperaturentgasung der Steinkohle 346
b) Die Schwelung . . . . . . . . . . . . 355
c) Sonstige Entgasungsverfahren. . . . . . 358
2. Das Spalten (Kracken) und Polymerisieren . 359
a) Das Kracken . . . 359
b) Das Polymerisieren 365
3. Das Hydrieren. 367
4. Das Vergasen . . . . 372
5 Die Synthese . . . . 380
6. Sonstige Verfahren zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen 384
IV. Die technisch wichtigen Eigenschaften der Brenn-, Kraft-und Schmier-
stolte. . . . . . . . . . . . . . . 388
A. Feste Brenn- und Kraftstoffe 389
1. Der Heizwert . . . . . . . 389
2. Das Verhalten beim Erhitzen . 392
Inhaltsverzeichnis. IX
Seite
3. Die Lager- und die Reaktionsfahigkeit . 395
4. Die Ziindfahigkeit . . . . . . . . . . 396
5. Das Bindungsvermogen (die Brikettierbarkeit) 397
6. Die Ionenaustauschfahigkeit. . . . . 397
7. Die Asche wahrend der Verbrennung 398
B. Fliissige Brenn- und Kraftstoffe 402
1. Der Heizwert . . . 402
2. Die Lagerfahigkeit . . . . . . . . 404
3. Das Siedeverhalten. . . . . . . . 406
4. Die Ziindwilligkeit und die Klopffestigkeit 406
5. Der Flammpunkt und der Brennpunkt. 417
6. Die Verkokungsneigung ....... . 429
C. Gasformige Brenn- und Kraftstoffe. 420
1. Der Heizwert . . . . . 420
2. Die Ziindeigenschaften . 421
3. Die Brenneigenschaften . 424
D. Schmierstoffe . . . . . 427
1. Die Zahigkeit . . . . . 427
a) Die graphische Darstellung des Zahigkeits-Temperatur-Ver-
haltens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
b) Der EinfluB der Schmierolzusammensetzung und ihre Ermittlung 430
c) Der EinfluB von Druck und Schergefalle ......... 435
2. Die Schmiereigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
3. Der Flammpunkt, die Verkokungsneigung und der Ziindpunkt . 441
4. Alterung und AltOlaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . 443
E. Sonstige Verwendung von Kohlenwasserstoffen und davon
abgeleiteten Verbindungen ................ 445
1. Isolierfliissigkeiten der Elektrotechnik . . . . . . . . . . . . 446
2. Harte- und AnlaBmittel fiir die Warmbehandlung von Stahlen . 450
3. Schneid- und Bohrfliissigkeiten fiir die mechanische Bearbeitung .
der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
4. Seifen und ahnliche Textilhilfsmittel. . . . . . . . . . . . . 453
5. Schaumer und Sammler fiir die Schwimmaufbereitung von Erzen 455
6. WaschOle fiir die Absorptionsverfahren der Gas- und Erdoltechnik 458
7. Losungsmittel und Weichmacher. . . . . . . . . . . 458
8. Arbeitsmittel fiir Kaltemaschinen . . . . . . . . . . 460
9. Kohlenwasserstoffe fiir den StraBenbau, fiir die Kabelindustrie
und fiir verwandte Zwecke 461
Na menverzeiehnis 468
Saehverzeiehnis . 471
Verzeichnis von Werken,
in denen einzelne Teilgebiete des Themas ausfiihrlich behandelt sind. Einige
von ihnen wurde bei del' Ausarbeitung des Textes zu Rate gezogen, ohne daB
dies jeweils ausdriicklich vermerkt werden konnte.
1. Organische Chemie.
a) HOLLEMAN, A. v.: Lehrbuch del' Chemie. 2. Teil: Organische Chemie,
bearbeitet von F. RICHTER. 25. Auf!. Berlin: Gruyter 1944.
b) HUCKEL, W.: Organische Chemie. 2. Bd. des Lehrbuches del' Chemie.
Leipzig: Akademische Verlagsgesellschaft 1937.
c) KARRER, P.: Lehrbuch del' organischen Chemie. Leipzig: Akademische
Verlagsgesellschaft 1937.
d) RICHTER-ANSCHUTZ: Chemie del' Kohlenstoffverbindungen. Herausgegeben
lmter del' Mitwirkung zahlreicher Fachgenossen von R. ANSCHUTZ. 3 Bde.
12. Auf!. Leipzig: Akademische Verlagsgesellschaft 1928-1935.
2. Physikalische Chemie.
a) EUCKEN, A.: GrundriB del' physikalischen Chemie. 4. Auf!. Leipzig: Aka
demische Verlagsgesellschaft 1934.
b) EUCKEN, A.: Lehrbuch del' chemischen Physik. 2 Bde. 2. Auf!. Leipzig:
Akademische Verlagsgesellschaft 1943 und 1944.
c) EGGERT, J. und L. HOCK: Lehrbuch del' physikalischen Chemie. 5. AufI .
Leipzig: Hirzel 1941.
d) KREMANN, R.: Physikalische Eigenschaften und chemische Konstitution.
(Wissenschaftliche Forschungsberichte, Naturw. Reihe Bd.41.) 2. AufI .
Mitbearbeitet von M. PESTEMER. Dresden u. Leipzig: Steinkopff 1943.
3. Entstehung der Koble und ihre Petrographie.
a) POTONrE, H.: Die Entstehung del' Steinkohle. Berlin: Borntraeger 1910.
b) FISCHER, F.: Gesammelte Abhandlungen zur Kenntnis del' Kohle. Berlin:
Borntraeger 1918ff.
c) POTONrE, H.: Einfiihrung in die allgemeine Kohlenpetrographie. Berlin:
Borntraeger 1924.
d) ERDMANN, N. 1illd M. DOLCH: Chemie del' Braunkohle. Halle: Knapp 1927.
e) FISCHER, F.: Die Umwandlung del' Kohle in 01. Berlin: Borntraeger 1928.
f) STACH, E.: Lehrbuch del' Kohlenpetrographie. Berlin: Borntraeger 1935.
4. Allgemeine Technologie der Brennstoffe.
a) WESCHE, H.: Die Brennstoffe. Stuttgart: Enke 1936.
b) Ruhrkohlenhandbuch. Herausgegeben vom Rheinisch-WestfiHischen Kohlen
syndikat. Berlin: Springer 1937.