Petrochemie

Wir alle verwenden hin und wieder Medikamente, wir benutzen Kosmetikprodukte, wir tragen Kleidung, die oft teilweise aus Kunststoffen hergestellt ist; kurz: Erdöl ist aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Obwohl schon bei den alten Agyptern und den Chinesen bekannt, wird Erdöl erst seit 120 Jahren weltwirtschaftlich genutzt. Erdöl wurde in den letzten Jahrzehnten aber vor allem als Energieträger immer bedeutender. Gleichzeitig stieg auch der Anteil als Chemierohstoff, so entwickelte sich ein neuer, eigenständiger Industriezweig, die Petrochemie (griech. petros = Fels, Stein). Die zur Zeit bekannten, wirtschaftlich abbaubaren Reserven betragen mehr als 100 Milliarden Tonnen. Da die Weltbevölkerung weiter wächst und die weltweite Technisierung ebenfalls zunimmt, wird das Erdöl immer knapper. Eine ausreichende Versorgung alle Staaten ist ein weltpolitisches Problem, da die Erdölvorräte auf der Erde sehr ungleich verteilt sind und die meisten Länder stark von Importen abhängig ist.

Förderung in Österreich: 1 Millionen Tonnen pro Jahr, Bedarf: 10 Millionen Tonnen pro Jahr

Zusammensetzung des Erdöls

Erdöl und Erdgas bestehen aus einem Gemisch natürlicher Kohlenwasserstoffe. Diese sind aus tierischen und pflanzlichen Meeresorganismen entstanden; die abgestorbenen Lebewesen sanken auf den Meeresboden und wurden im Schlamm eingebettet. In Meeresbecken mit sauerstoffarmen Meerwasser entstand Faulschlamm, der durch neue, jüngere Schichten zugedeckt und überlagert und immer tiefer in die Erde abgesenkt wurde. Zuerst war er schwammig - weich, später fest und dicht. Nur dort konnte das organische Material erhalten bleiben und ein Muttergestein bilden, wo der Luftsauerstoff keinen Zutritt hatte, wo also keine völlige Verwesung tierischer oder pflanzlicher Bestandteile möglich war. Bei günstigen Verhältnissen, wie zunehmender Temperatur (50 bis 200° C) und steigendem Druck (bis zu 220 bar), entstand und entsteht auch heute noch Kerogen, ein Gemisch verschiedener hochmolekularer organischer Verbindungen. Je nach Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bilden sich unterschiedliche Arten von Kohlenwasserstoffen - durch Verzweigungen, Anlagerungen anderer Moleküle und Verbindungen sowie durch Kombinationen von Kohlenwasserstoffringen gibt es eine sehr große Anzahl von Kohlenwasserstoffen mit verschiedene Eigenschaften. Im Prinzip sind es sechs Grundstoff - Hauptgruppen, die aus Erdöl und Erdgas gewonnen werden und dann in der petrochemischen Industrie zur Weiterverarbeitung Verwendung finden:

Ungesättigte Kohlenwasserstoffe, z. B. Athen, Propen , Buten

Gesättigte Kohlenwasserstoffe, z. B. Methan, Athan, Propan, Butan

Aromaten, z. B. Benzol, Toluol

Hochmolekulare Kohlenwasserstoffe, z. B. Paraffinöle und Paraffinwachse

Reiner Kohlenstoff als Ruß

Schwefel

Anhand der sogenannten Paraffinreihe kann man erkennen, daß die natürlichen Kohlenwasserstoffe bei 20°C in verschiedenen Aggregatzuständen vorkommen:

CH₄-C₄H₁₀ gasförmig

C₅H₁₂-C₁₅H₃₂ flüssig

C₁₆H₃₄-C₇₈H₁₅₈ halbfest (vaselinartig) bis fest

Diese angeführten Stoffe, die größtenteils in den Raffinerien (franz. raffiner = reinigen) gewonnen werden, bilden die Grundlage für unzählige Erzeugnisse der weiterverarbeitenden Industrie: Kunststoffe, Chemiefasern, Düngemittel, synthetischer Kautschuk, Pflanzenschutzmittel, Waschmittel und auch Pharmazeutika sind die bedeutendsten Hauptprodukte. Erdöl findet aber eben auch Verwendung als Energieträger und als Schmierstoff: Erdöl treibt diverseste Motoren (von Automotoren bis zu Flugzeugtriebwerken) an und wird als Heizöl und als Schmiermittel verwendet.

Erdölgewinnung

Eine erfolgreiche Suche nach Erdöl muß nicht unbedingt eine Förderung nach sich ziehen. Erst nach mehreren Probebohrungen läßt sich feststellen, ob ein Feld wirtschaftlich genug ist, daß es den Aufbau einer Förderanlage rechtfertigt.

1. Eruptivförderung: Lagerstätten müssen durch Bohrungen im sogenannten Rotary - Verfahren erschlossen werden. Der Druck in den Lagerstätten reicht dann meist aus, das Erdöl durch das Bohrloch an die Oberfläche zu drücken. Im Laufe der Förderung aber nimmt der Lagerdruck ab, man muss dann Pressluft einleiten:

2. Gasliftförderung: Dem Bohrloch wird eine "Gasinjektion" verabreicht, das die Ölsäule entlastet und an die Oberfläche drückt. Vor allem für größere Teufen (Fachausdruck für Tiefen), etwa 2500 bis 3500 Metern, wird häufig das Gasliften dem Pumpen vorgezogen. Aus Tiefen unterhalb von 3500 Metern kann kein Erdöl mehr gefördert werden, da hier aufgrund der herrschenden hohen Temperaturen nur noch Erdgas zu finden ist.

3. Pumpförderung: ist die häufigste künstliche Fördermethode, wird verwendet wenn die anderen beiden nicht mehr möglich sind.

Aufbereitung des Erdöls

Das Erdöl ist in der Form, in der es aus den Lagerstätten gewonnen wird nicht für eine Weiterverarbeitung in den Raffinerien geeignet. Zuerst müssen in der sogenannten "Gewinnungsstation" in der Nähe der Bohrstelle der Sand und das Wasser vom Rohöl getrennt werden. Dort wird auch im "Seperator" das Erdgas vom Öl getrennt. Das Erdgas wird dann zuerst gereinigt ("gewaschen"), indem der im Gas enthaltene Wasserdampf zum auskondensieren gebracht wird. Außerdem wird das Gas noch entschwefelt, anschließend gelangt es über Pipelines zum Endverbraucher.

Das Rohöl gelangt ebenfalls über Pipelines oder per Schiff zur Raffinerie. Dort wird es durch die Rohöldestillation weiterverarbeitet, im Fraktionierturm bzw. in den Destillationskolonnen.

Zuerst wird das Rohöl in vorangestellten Öfen auf ca. 350°C erhitzt. Das erhitzte Öl wird anschließend in den Turm eingeleitet. In diesen "Kolonnen" werden die unterschiedlichen Siedepunkte der vermengten Kohlenwasserstoffe genutzt, bestimmte Siedebereiche werden jeweils zu einer "Fraktion" zusammengefaßt. Das im Erhitzer entstandene Dampf - Flüssigkeitsgemisch strömt in die Destillationskolonne. Dort steigen sie durch die Kolonnenböden bzw. Glocken- oder Ventilböden nach oben. In der Destillationskolonne nimmt die Temperatur kontinuierlich von unten nach oben ab. Sobald ein Kohlenwasserstoffteilchen seinen Siedepunkt unterschreitet, kühlt es soweit ab, daß es kondensiert und im jeweiligen Zustand auf der entsprechenden Ebene bleibt. Die auf der Glocke (oder dem Glockenboden) kondensierten Teilchen laufen seitlich ab und werden so zu einem Teil des jeweiligen Zwischenprodukt. Alle Verbindungen, deren Teilchen in ein und demselben Temperaturbereich kondensieren, werden als gemeinsame Fraktion seitlich aus der Destillationskolonne abgezogen. Bei der Destillation unter Normaldruck werden Leicht- und Schwerbenzine, Heiz- und Gasöle entnommen. Der Rückstand wird einer Vakuumdestillation unterworfen. Durch das Vakuum werden die Siedepunkte herabgesetzt, so daß weitere Destillate gewonnen werden. Hier erhält man als Fraktionen Spindelöl, Schmieröl und Zylinderöl. Der Rückstand kann als Bitumen verkauft werden. Durch Lösungsmittelextraktion erfolgt eine weitere Auftrennung von Ölfraktionen.

In einer modernen Anlage werden etwa 250 Tonnen Erdöl in einer Stunde getrennt.

Erdölveredelung

Die Produktverteilung der Erdöldestillate entspricht nicht der Nachfrage der Verbraucher. So entsteht ein erheblicher Überschuss an hoch siedenden Ölen, die Benzinfraktion reicht aber bei weitem nicht aus, den Bedarf an Kraftstoffen zu decken. Auch wichtige Grundstoffe für die chemische Industrie wie Ethen oder Buthen können nicht ausreichend zur Verfügung gestellt werden. Oft haben auch die einzelnen Fraktionen nicht die gewünscht Qualität. Chemische Umwandlungen müssen daher helfen, um Angebot und Nachfrage zur Deckung zu bringen.

Cracken

Große Kohlenwasserstoffmoleküle werden in kürzere Bruchstücke zerlegt. Diesen Vorgang nennt man Cracken.

Katalyisches Cracken: ein saurer Katalysator hilft bei Temperaturen von 400 bis 500°C bei der Zerlegung von Gasölen. Durch die Wärmeenergie und den Katalysator beginnt die Crack - Reaktion.

Das Hydrocracken ist ein katalytisches Spaltverfahren in Gegenwart von Wasserstoff bei einem Druck von über 100 bar. Sein Vorteil liegt in der fast ausschließlichen Umwandlung der als Ausgangsstoff verwendeten Vakuumdestillate in Benzin und Diesel. Aufwendig ist der hohe Wasserstoffverbrauch, der eigene Erzeugungsanlagen nötig macht.

Thermisches Cracken (Pyrolyse): Dabei wird kein Katalysator verwendet, jedoch sind höhere Temperaturen und Drücke erforderlich.

Reformieren

Durch das Reformieren erhält man zum Schluß Benzine mit höherer Octanzahl. Zuerst wird Benzin entschwefelt, dann wird es in einer Trennkolonne in Leicht- und Schwerbenzin getrennt und dann zu hochwertigen Benzinkomponenten veredelt. Durch Erhitzen bilden sich zuerst Iso- und Cycloalkane, unter Abspaltung von Wasserstoff (Dehydrieren) entstehen daraus Alkene und Arene.