Verarbeitung von Erdöl und Erdgas einfach erklärt: Destillation

Stell dir eine Welt ohne Smartphones, Sneaker oder Kopfschmerztabletten vor. All diese Dinge haben etwas gemeinsam: Sie bestehen zu einem großen Teil aus einer schwarzen, klebrigen Flüssigkeit, dem Erdöl. Die Verarbeitung von Erdöl und Erdgas ist entscheidend, denn Erdöl direkt aus der Erde ist völlig unbrauchbar.

In diesem Artikel lernst du, wie riesige Raffinerien dieses Gemisch durch Erhitzen und Abkühlen in seine wertvollen Einzelteile zerlegen und warum diese Teile nicht nur unsere Autos antreiben, sondern die Grundlage für fast alles um uns herum sind.

Vorwissen

• Kohlenwasserstoffe: Chemische Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff ($C$) und Wasserstoff ($H$) bestehen.

  Beispiel: Methan ($\text{CH}_4$) ist der Hauptbestandteil von Erdgas.

• Siedepunkt: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zu Gas wird (verdampft).

  Beispiel: Wasser hat einen Siedepunkt von $100 \text{ °C}$.

• Kondensation: Der Vorgang, bei dem ein Gas abkühlt und wieder flüssig wird.

  Beispiel: Wasserdampf aus der Dusche wird an einem kalten Spiegel wieder zu Wassertropfen.

Aufgabentyp 1: Wie man Erdöl in seine Bestandteile zerlegt

Erdöl ist ein riesiges Gemisch aus über tausend verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Um diese zu trennen, nutzt man ihre unterschiedlichen Siedepunkte in einem Prozess, der fraktionierte Destillation heißt.

Zuerst wird das Rohöl in einem Ofen auf etwa $400 \text{ °C}$ erhitzt. Dabei verdampft der größte Teil. Dieses heiße Dampf-Flüssigkeits-Gemisch wird unten in einen riesigen Destillationsturm geleitet.

In diesem Turm ist es unten am heißesten und oben am kühlsten. Der Turm ist durch mehrere Zwischenböden unterteilt. Auf diesen Böden sitzen kleine Kappen, die sogenannten Glockenböden. Der heiße Dampf steigt nach oben und wird durch diese Kappen in die Flüssigkeit auf den Böden gedrückt.

Was passiert nun? Stoffe mit einem hohen Siedepunkt kühlen schnell ab und werden schon auf den unteren, heißen Böden wieder flüssig (sie kondensieren). Stoffe mit einem niedrigen Siedepunkt bleiben gasförmig, steigen weiter nach oben und kondensieren erst auf den kühleren, oberen Böden. So wird das Rohöl in Gruppen von Stoffen mit ähnlichen Siedetemperaturen aufgeteilt. Diese Gruppen nennt man Erdölfraktionen.

Aufgabentyp 2: Warum Erdöl mehr als nur ein Brennstoff ist

Rohöl sieht je nach Herkunft ganz unterschiedlich aus: Manchmal ist es hellbraun und dünnflüssig, manchmal pechschwarz und zäh wie Sirup. Direkt aus der Erde gepumpt, kann man damit fast nichts anfangen. Erst durch die Destillation wird es wertvoll.

Sowohl Erdöl als auch Erdgas bestehen hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen. Viele Menschen denken bei Erdöl nur an Benzin für Autos oder Heizöl für das Haus. Doch das ist nur die halbe Wahrheit.

Erdöl und Erdgas sind die wichtigsten Rohstoffe für die organische Chemie. Die Kohlenwasserstoffe dienen als chemische Bausteine (Ausgangsstoffe), aus denen in Fabriken völlig neue Produkte hergestellt werden. Ohne diese Bausteine gäbe es kein Plastik, keine synthetischen Farben, keine Kosmetik und viele Medikamente nicht.

Aufgabentyp 3: Die Vakuumdestillation für schwere Reste

Ganz unten im ersten Destillationsturm bleibt ein dicker, zäher Rückstand übrig. Dieser Rückstand verdampft bei $400 \text{ °C}$ noch nicht. Man könnte ihn einfach noch heißer machen, aber hier gibt es ein Problem: Bei Temperaturen über $400 \text{ °C}$ gehen die großen Moleküle kaputt. Sie zersetzen sich (thermische Zersetzung).

Um diesen Rückstand trotzdem in seine Bestandteile zu zerlegen, nutzt man einen Trick: Die Vakuumdestillation.

Der Rückstand wird in einen zweiten Turm geleitet, aus dem man die Luft abpumpt. Dadurch entsteht ein starker Unterdruck (Vakuum bei ca. $50 \text{ hPa}$). In der Physik gilt: Wenn der Druck sinkt, sinken auch die Siedetemperaturen. Durch das Vakuum sieden die schweren Stoffe plötzlich bei Temperaturen, die bis zu $150 \text{ °C}$ niedriger sind. So können sie sicher verdampft und getrennt werden, ohne dass sie kaputtgehen.

Aufgabentyp 4: Was aus den Fraktionen wird und ihre Eigenschaften

Jede Erdölfraktion hat ihren eigenen Nutzen. Hier sind die wichtigsten Produkte, geordnet von leicht nach schwer:

• Gase (unter $30 \text{ °C}$): Propan und Butan werden als Flüssiggas zum Heizen oder Grillen verkauft.

• Benzine ($35 \text{ °C}$ bis $140 \text{ °C}$): Werden als Kraftstoff für Autos genutzt.

• Mitteldestillate ($150 \text{ °C}$ bis $250 \text{ °C}$): Daraus macht man Kerosin für Flugzeuge, Diesel für LKW und leichtes Heizöl.

• Vakuum-Produkte: Aus der Vakuumdestillation gewinnt man Schmieröle für Motoren, festes Paraffin (für Kerzen) und ganz am Ende Bitumen, das als schwarzer Belag für unsere Straßen genutzt wird.

Je höher der Siedebereich einer Fraktion ist, desto mehr verändern sich ihre physikalischen Eigenschaften:

1. Dichte: Die Stoffe werden schwerer (Benzin hat ca. $0,63 \text{ g/cm}^3$, Schmieröl ca. $0,95 \text{ g/cm}^3$).

2. Viskosität: Die Stoffe werden zähflüssiger. Benzin fließt wie Wasser, Bitumen ist fast fest.

3. Flammpunkt: Die Temperatur, bei der sich die Dämpfe entzünden lassen, steigt an.

Ein wichtiger Zwischenschritt: Die Entschwefelung

Bevor Benzine und Mitteldestillate verkauft werden dürfen, müssen sie entschwefelt werden. Erdöl enthält von Natur aus Schwefelverbindungen. Würde man diese im Motor verbrennen, entstünde das giftige Gas Schwefeldioxid ($\text{SO}_2$), welches sauren Regen verursacht und die Umwelt zerstört.

Wichtige Erkenntnisse

• Bei der fraktionierten Destillation wird Erdöl anhand der unterschiedlichen Siedepunkte in Fraktionen getrennt.

• Im Destillationsturm ist es unten am heißesten und oben am kühlsten.

• Die Vakuumdestillation senkt den Druck, wodurch schwere Rückstände bei niedrigeren Temperaturen sieden und nicht kaputtgehen.

• Je höher der Siedepunkt einer Fraktion, desto größer sind ihre Dichte, Viskosität (Zähflüssigkeit) und ihr Flammpunkt.

• Erdöl und Erdgas sind nicht nur Brennstoffe, sondern unverzichtbare Rohstoffe für die Herstellung chemischer Produkte.