Erdöl ist ein brennbares Stoffgemisch verschiedener Bestandteile. Die meisten der Einzelbestandteile sind leicht entzündlich, da der Flammpunkt sehr niedrig liegt.
Da es sich bei Erdöl um keinen Reinstoff, wie beispielsweise Eisen oder Ethanol handelt, muss dieses zur weiteren Verarbeitung zunächst in seine Reinstoffe getrennt werden (Abb. 1). Während bei Feststoffen die Trennung entsprechend der Teilchengröße vorgenommen werden kann, sind bei flüssigen Bestandteilen andere Trennverfahren notwendig. Denkbar wäre eine Trennung nach den unterschiedlichen Dichten der Flüssigkeiten. Allerdings sind diese aufgrund ähnlicher zwischenmolekularer Wechselwirkungen gut ineinander löslich.
Fraktionierte Destillation – die Trennung der Reinstoffe
Crude Oil Distillation-fr.svg: Image originale:Psarianos, Theresa knott ; image vectorielle:Rogilbertderivative work: Leyo, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Noch zuverlässiger funktioniert das Trennen der Stoffe mit der Methode der Destillation. Die Reinstoffe des Erdöls, die bei der Destillation getrennt werden können, besitzen einen charakteristischen Siedebereich. Wird (leicht vereinfacht) im Stoffgemisch die Siedetemperatur eines der Reinstoffe erreicht, so wird dieser in den gasförmigen Zustand übergehen und sich von der übrigen Flüssigkeit abtrennen. Anschließend kann der jeweilige Stoff durch Kondensation wieder in den flüssigen Aggregatzustand gebracht werden.
Weil es umständlich ist, das Erdöl in einem Behälter nacheinander auf verschiedene Siedetemperaturen zu erhitzen, wird das Erdölgemisch auf eine Höchsttemperatur von \(\rm{380°\,C}\) erhitzt (Abb. 2). Bei dieser Temperatur gehen bis auf die festen, zähen Bestandteile, wie Teer, Bitumen und Schwefel, alle flüssigen und gasförmigen Bestandteile in die Gasphase über. Die Stoffe, die zurück bleiben, bilden den sogenannten Sumpf. Das Gas dagegen gelangt in einen zylinderförmigen, turmartigen Behälter, in dem sich sogenannte Glockenböden befinden. Der Turm wird Destillationsturm oder Kolonne genannt und dient der fraktionierten Destillation, bei der die verschiedenen Reinstoffe in einem einzigen Destillationsvorgang getrennt werden können. Die Destillation wird als fraktioniert bezeichnet, weil die gewonnenen Reinstoffe in unterschiedlichen Abteilungen der Kolonne, den Fraktionen, abfließen können.
Da die Glockenböden der einzelnen Ebenen in der Kolonne kühler sind als das Erdöl, kondensieren an ihnen die gasförmigen Stoffe, die sich aus dem Sumpf gelöst haben, wieder zu Flüssigkeiten. Beim Kondensieren laufen diese Stoffe am Glockenboden entlang in einer höher gelegenen Ebene zusammen. Stoffe, die einen noch niedrigeren Siedepunkt besitzen, bleiben gasförmig und steigen direkt in höhere Schichten des Zylinders auf, bis sie an einem der weiteren Glockenböden dort kondensieren. Gasförmige Erdölbestandteile können an der Spitze der Kolonne abgezogen werden.
Von den einzelnen Glockenböden können über Rohrleitungen die kondensierten Flüssigkeiten kontinuierlich abgezogen werden. Im Behälter, in dem sich ursprünglich das Erdölgemisch befand, bleiben nur die Stoffe zurück, die nicht bei Normaldruck unter \(\rm{380°\,C}\) sieden. Dazu zählt zum Beispiel Bitumen. Dieser Stoff bleibt selbst bei der Vakuumdestillation, bei der Stoffe durch niedrigeren Druck auch schon bei niedrigeren Temperaturen sieden, zurück.
Rohöl-Produkte
Bei den Destillationsprodukten wird häufig nicht zwischen einzelnen Reinstoffen unterschieden. Dagegen werden diese häufiger in Gruppen, wie Gase (das leichtsiedende Naphtha), die Mitteldestillate und die schweren Erdölbestandteile unterschieden. Viele Schiffsmotoren können mit einem der schweren Bestandteile des Erdöls, dem sogenannten Schweröl, betrieben werden. Motoren von Autos werden dagegen mit anderen Erdölfraktionen betrieben. Dazu zählen Diesel und Benzin. Letzters enthält noch weitere Beimischungen und ist somit selbst kein Reinstoff. Kerosin ist ein weiteres Stoffgemsich aus der Erdöldestillation und der Treibstoff von Flugzeugen. Es wird auch als Petroleum bezeichnet.
Verwendung
Die Verarbeitung des Erdöls findet in Raffinerien statt (Abb. 3). Eine Raffinerie besitzt durch die vielfältigen Ausgangsstoffe, die dort gebildet werden, eine sehr wichtige Schlüsselfunktion in der chemischen Industrie. Die gewonnenen Reinstoffe und Stoffgemische mit ähnlichen Siedetemperaturen können entweder direkt oder durch weitere chemische Modifizierungen in vielen Bereichen des Alltags Anwendung finden.
Einige ausgewählte Beispiel sind:
- Dichtungsmittel oder Straßenbelag beim Straßenbau (Bitumen)
- Wachsersatz (Paraffin)
- Ausgangsstoff für Cremes (Vaseline)
- Brennstoff (Petroleum)
- Treibstoff (Benzin)
- Lösemittel (Gasöl)
- Kunststoff (Ethen-Gas)
Unser Alltag wäre ohne Erdölprodukte heute nahezu undenkbar. Da die notwendigen Anteile der Reinstoffe des Erdöls aber nicht in passender Menge verfügbar sind, müssen bestimmte Reinstoffe in chemischen Verfahren in andere umgewandelt werden. Der höchste Bedarf besteht bei den Brennstoffen und Treibstoffen, wie Kerosin, Benzin oder Diesel.
Cracken zur Verarbeitung von Erdöl
Da sich die Stoffe im Erdöl hauptsächlich in der Länge der Kohlenstoffkette unterscheiden, können längere Kohlenstoffmoleküle durch das Aufbrechen der Ketten in kürzerkettige Kohlenstoffmoleküle umgewandelt werden. Dieses Verfahren wird als „Cracken“ bezeichnet und dabei zwischen thermischem und katalytischem Cracken unterschieden. Das katalytische Cracken läuft mit weniger Energieaufwand ab. Die gewonnenen Kraftstoffe haben allerdings einen relativ hohen Schwefelgehalt. Der Schwefelgehalt erhöht die Umweltbelastung der gewonnenen Stoffe. Beim thermischen Cracken gibt es verschiedene Varianten, um aus Rückständen oder längerkettigen, flüssigen Erdölbestandteilen entsprechend des Bedarfs kurzkettige Kohlenwasserstoffe herzustellen. Als Nebenprodukt beim Cracken entsteht der feste Stoff Koks. Dieses ähnelt in der Struktur der Kohle, die überwiegend aus Kohlenstoff besteht. Dieser Stoff wird ebenfalls als Brennstoff verwendet.