Die Zusammensetzung des Erdöls

Heute im Chemieunterricht: | Die fraktionierte Destillation von Erdöl. Das Erdöl als Vielstoffgemisch. Die Zerlegung des Erdöls in der Raffinerie


88. Die Zusammensetzung des Erdöls

Erdöl ist hauptsächlich ein Gemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen. Die am häufigsten vertretenen Kohlenwasserstoffe sind dabei lineare oder verzweigte Alkane (Paraffine), Cycloalkane (Naphthene) und Aromaten. Jedes Erdöl hat je nach Fundort eine spezielle chemische Zusammensetzung, die auch die physikalischen Eigenschaften wie Farbe und Viskosität bestimmt.


Die fraktionierte Destillation von Erdöl

Das Ansteigen der Siedetemperatur in Versuch 1 zeigt, dass Rohöl ein Gemisch aus vielen Stoffen ist. Die Siedetemperaturen der einzelnen Rohölkomponenten liegen zwischen 30 und 350°C, ein starker Hinweis darauf, dass es aus vielen verschiedenen chemischen Verbindungen besteht. Im Versuch wurden sie in Glasgefäßen gesammelt, die bei verschiedenen Temperaturen vorgelegt wurden. Die Untersuchung der gewonnenen Proben zeigt, dass sie Verbindungsgemische mit dicht beieinanderliegenden Siedepunkten sind. Mehrere Inhaltsstoffe, die einen ähnlichen Siedepunkt haben, fasst man in einer sogenannten Fraktion zusammen. Trennen kann man diese einzelnen Fraktionen durch Destillation, man spricht von fraktionierter Destillation.


 
 
In einer Destilliervorrichtung werden 50 ml Erdöl zum sieden erhitzt und der Verlauf der Siedetemperatur kontrolliert. Vorsicht! Am besten mit Elektroheizer und Schliffgeräten arbeiten. Die vorlage wird bei 70°C, 100°C, 180°C, 220°C gewechselt. Dabei darf kein offenes Feuer in der Nähe sein.
Bild 1. Video zur Destillation von Erdöl.

 
Rohöl ist ein Gemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen
 
Erdöl besteht hauptsächlich aus Alkanen
 
Fraktionierte Destillation ist die Trennung eines Flüssigkeitsgemisches aufgrund der verschiedenen Siedepunkte seiner Bestandteile

Anlage zur Destillation von Erdöl
Schema des Versuchs im Video
 
Wie kann man Reinstoffe und Gemenge experimentell unterscheiden?

Das Erdöl - ein Gemisch aus vielen Stoffen

Rohöle enthalten fast 90% Kohlenstoff, etwa 10% Wasserstoff und kleine Mengen an Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff. Rohöhle sind also ein Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe. Dabei bilden Alkane den Hauptbestandteil des Rohöls. Sie sind entweder kettenförmig aufgebaut (unverzweigte oder verzweigte Paraffine) oder ringförmig wie beispielsweise die Cycloalkane (Cyclohexan, C6H12). Ein wichtiger Gesichtspunkt ist das Vorhandensein von Schefel im Rohöl, da beim beim Verbrennen schwefelhaltiger Erdölprodukte das schädliche Schwefeldioxid entsteht. Eine effektive Entschwefelung von Gasen, Treibstoffen ist aktiver Umweltschutz, denn so wird der Ausstoß von Luftschadstoffen stark gesenkt. Erdöl vom afrikanischen Kontinent hat einen Schwefelgehalt von 0,12 bis 0,37 Gew. -%, es ist also recht schwefelarm. Das Erdöl aus dem Nahen Osten hat mit 4,5 Gew. -% einen relativ hohen Schwefelgehalt.


Die Zerlegung des Erdöls in der Raffinerie

 
Was verstehst du unter fraktionierter Destillation? Erkläre mit der Zerlegung der Luft.

In den Erdölraffinerien mit ihren bis zu 50m hohen Destillations- oder Fraktioniertürmen erfolgt die Auftrennung der enthaltenen Kohlenwasserstoffe.



Fraktionierturm
Bild 2. Destillationstürme.
Fraktionierturm einer Erdölraffinerie
Rechts Schema der fraktionierten Destillation.

  Siedebereich Verwendung
 
unter 30°C Heizgas
 
30 bis 200 °C Kraftstoff für Ottomotoren, Lösemittel
 
150 bis 240 °C Kerosin, Lösemittel, Beleuchtung, Heizung
 
200 bis 370 °C
Kraftstoff für Dieselmotoren, Heizung
 
ab 350 °C
(Vakuumdestillation)
Schmiermittel,
Kraftstoffe nach Weiterverarbeitung
 
Rückstand der Vakuumdestillation Straßenbau, Herstellung von Dachpappen und Kabelisolierungen

Dazu wird das Rohöl zuerst in einem Röhrenofen auf 350 - 400°C erhitzt und das entstehende Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit in den Destillationsturm geleitet. Solche Türme haben zahlreiche Stockwerke, die aus sogenannten Glockenböden bestehen - Platten mit Rohrstutzen, durch die der Dampf nach oben steigt. Da die Durchlässe mit »Glocken« abgedeckt sind, muß der Dampf das auf den Platten gesammelte Destillat passieren.

Das Dampf-Flüssigkeitsgemisch aus dem Röhrenofen wird von unten in den Fraktionierturm geleitet. Auf den unteren Glockenböden sammeln sich höher siedende, langkettige und auf den Glockenböden weiter oben niedriger siedende, kurzkettige flüssige Kohlenwasserstoffe an. Kohlenwasserstoffe mit einem Siedepunkt unter + 30°C verlassen als Gase den Fraktionierturm. Gasförmige Bestandteile haben ein bis vier Kohlenstoffatome, wie etwa die Alkane Methan (CH4) bis Butan (C4H10). Sie werden größtenteils bereits an der Bohrstelle abgezogen.

Kohlenwasserstoffe mit fünf bis elf Kohlenstoffatomen nennt man Benzine. Sie finden meist als Kraftstoffe für Autos Verwendung. Rohöl wird zu rund 40 % zu solchen Treibstoffen weiterverarbeitet.

Kohlenwasserstoffe mit elf bis vierzehn Kohlenstoffatomen nennt man Kerosine. Sie werden als Treibstoffe für Flugzeuge verwendet. Bei der Verarbeitung von Rohöl fällt mehr Kerosin an, als man benötigt, daher entwickelten Forscher ein Verfahren, um Kerosin zu Benzin zu spalten. Kerosine sieden in einem Bereich zwischen 150 und 240°C.


 
Atmosphärische Destillation erfolgt bei Atmosphärendruck
 
Hauptfraktionen in der Raffinerie: Gase, Benzin, Gasöl und Petroleum, Rückstand
 
Vakuum-Destillation erfolgt bei vermindertem Druck

Die nächsthöher siedende Fraktion ist das Gasöl. Aus ihm gewinnt man Dieselöle, Kerosin und nach dem Cracken Heizöle. Sie haben Siedepunkte bis etwa 350°C. Die Schweröle, die nächste Fraktion, haben zwischen 20 und 35 Kohlenstoffatome pro Kette. Die bis hierher beschriebene Destillation läuft bei Atmosphärendruck ab, daher nennt man sie atmosphärische Destillation. Ein Teil der schwersten Bestandteile des Rohöls wird nach der atmosphärischen Destillation noch weiter aufgetrennt. Da aber die großen Moleküle beim Erhitzen aufbrechen würden, destilliert man den Rückstand unter vermindertem Druck (»Vakuumdestillation«). Dabei erhält man verschiedene Schmieröle. Von Bitumen spricht man bei Ketten mit 36 und mehr Kohlenstoffatomen. Es findet als Asphalt und Teer beim Straßenbau seine Verwendung und fällt als Rückstand bei der Vakuumdestillation an.


Raffinerieprodukte bei der atmosphärischen Destillation
Fraktionen Gase Benzine Mitteldestillate Rückstand
Produkte Stadtgas, Flüssiggas Petrolether; Gasolin, Benzin Leuchtpetroleum, Düsenkraftstoff, Dieselöl, Leichtes Heizöl Schweres Heizöl, Bitumen, Petrolkoks
Siedebereich 30 °C 30 - 185 °C 185 - 350 °C 350 °C
Zahl der
C-Atome
1 - 4 5 - 12 13 - 20 über 20
Anteile (%) der Destillation in einer Raffinerie

Deutschland
Persischer Golf
Algerien
1
2
3
15
25
36
21
31
35
63
42
36
Siedepunktsverlauf einer atmosphärischen Destillation von Rohöl
Bild 3. Siedepunktsverlauf einer atmosphärischen Destillation und einer Vakuum-Destillation von Rohöl.