Erdöl und Erdölverarbeitung
Bild
vergrößern
Rohöl ist ein zähflüssiges
Stoffgemisch aus mindestens 500 Stoffen.
Zusammensetzung des Erdöls
Das aus der Erde unmittelbar
kommende, ungereinigte Erdöl wird auch als Rohöl bezeichnet.
Es stellt ein Stoffgemisch von mindestens 500 Komponenten dar. Die Zusammensetzung
kann je nach Herkunft sehr unterschiedlich sein. Es enthält eine große
Palette an Kohlenwasserstoffen (Alkane,
Cycloalkane und Aromaten),
sowie Napthensäuren, Phenole,
Harze, Aldehyde und organische Schwefelverbindungen, z.B. Thioalkohole.
Die Färbung schwankt von hellgelb bis schwarz, unter Licht erfolgt
allmählich eine Nachdunkelung. Frisches Rohöl zeigt oft eine
gelbe bis grünblaue Fluoreszenz. Schwefelarmes Rohöl bezeichnet
man als "süß", schwefelreiches Rohöl als "sauer". Letzteres
besitzt einen unangenehmen, knoblauchartigen Geruch. Die Dichte des Rohöls
liegt meistens zwischen 0,82 und 0,94g/cm³. Bei längerem Aufenthalt
an der Luft nimmt die Zähflüssigkeit zu, da die leicht flüchtigen
Bestandteile allmählich verdunsten. Rohöl ist nicht wasserlöslich
und nur schlecht löslich in Ethanol. Dagegen löst es sich gut
in Ether, Benzol
oder Tetrachlorkohlenstoff.
Entstehung
Erdöl, Erdgas und
Kohle gehören zu den fossilen Brennstoffen, da sie im Laufe der Jahrmillionen
durch den Umbau ehemaliger Lebewesen entstanden sind. In der Kreide- und
der Jurazeit, vor 65-200 Millionen Jahren, sanken tote Meereslebewesen
in den Faulschlamm von flachen Meeren und küstennahen Gewässern
und wurden dort einem langwierigen Abbauprozess unterworfen. Das in hohen
Konzentrationen vorhandene Salz wirkte zunächst konservierend, so
dass die gewöhnlichen Fäulnisprozessen nicht stattfinden konnten.
Im Laufe der Jahrhunderte und Jahrtausende lagerten sich viele Schlammschichten
darüber. Unter hohem Druck und hoher Temperatur wandelten dann anaerobe
Bakterien den sauerstoffarmen Faulschlamm um, so dass allmählich die
Erdöl- und Erdgas-Lagerstätten entstanden.
Suche nach Lagerstätten und Förderung
Erdöl- und Erdgaslagerstätten
finden sich heute in Gesteinsschichten, die Porenräume enthalten.
Dies können Sandsteine, Kalksteine oder Dolomite sein. Die Porenräume
sind - sofern sie nicht mit Ton oder anderen Substanzen ausgefüllt
wurden - mit Wasser gefüllt. Kommt das gebildete Erdöl mit dem
Wasser der Poren in Berührung, steigt es aufgrund der niedrigeren
Dichte auf und sucht sich seinen Weg nach oben. Trifft es auf undurchlässige
Schichten, staut es sich und bildet dort eine Lagerstätte. Die enthaltenen
Gase finden sich stets über der Erdölschicht.
Die Suche nach den Lagerstätten
erfolgt mit geophysikalischen Untersuchungsmethoden. Dabei bedient man
sich physikalischer Eigenschaften wie Magnetismus, Dichte, Schallgeschwindigkeit,
elektrischer Widerstand oder der Radioaktivität. Die zur Suche nach
Erdöl am häufigsten eingesetzte Methode ist die Reflexions-Seismik.
Dabei werden am Erdboden z.B. durch künstliche Sprengungen Erschütterungen
erzeugt, die sich in der Erdrinde wellenartig ausbreiten. Die Wellen benötigen
beim Durchlaufen durch unterschiedliche Gesteinsschichten verschieden lange
Zeiten. An den Schichtgrenzen reflektieren die Wellen. Die reflektierten
Wellen werden von empfindlichen Messgeräten in einem Seismogramm aufgezeichnet
und mit Hilfe von Computern ausgewertet. So lässt sich ein Profilschnitt
des Untergrunds erstellen, der über eventuell vorhandene Lagerstätten
Auskunft gibt.
Nach dem Entdecken einer
möglichen Lagerstätte erfolgt eine Probebohrung. Ein Bohrloch
besitzt in Bodennähe einen Durchmesser von 70cm und wird mit zunehmender
Tiefe immer kleiner (bis zu 10cm). Das Bohrgestänge wird mit Hilfe
eines Bohrturmes in den Boden getrieben. An der Spitze des Bohrgestänges
befindet sich ein Meißel, der den Boden an der Spitze des Gestänges
zertrümmert und die Gesteinsschichten abträgt. Die 9m langen
Gestängerohre bestehen aus fingerdickem, hochwertigem Stahl. Spülpumpen
drücken durch die innen hohlen Bohrgestänge Wasser, das sich
mit dem zerschlagenen Gestein an der Spitze des Bohrers vermischt. Der
entstandene Brei steigt in dem Hohlraum zwischen Bohrgestänge und
Bohrloch auf. Die Wasserspülung entfernt nicht nur das losgebohrte
Gesteinsmaterial (den "Bohrklein"), sondern schmiert auch den Meißel
und bildet einen festen Belag an der Bohrlochwand, damit das Bohrloch nicht
zusammenfällt. Auf diese Art und Weise lassen sich Löcher von
mehr als einem Kilometer Tiefe bohren. Trifft man auf Öl, kann der
Druck in der Lagerstätte so hoch sein, dass das Öl in einer Fontäne
aus dem Bohrloch schießt. Fließt das Rohöl nicht mehr
selbständig, wird es mit Pumpen zu Tage gefördert.
Bei Bohrungen am Meeresboden
werden Bohrplattformen errichtet. Bei Wassertiefen von bis zu 100 Metern
stehen die Plattformen auf Stelzen. Bei größeren Tiefen setzt
man "Halbtaucher" ein. Dieser Plattform-Typ besitzt lange Beine, die nicht
am Meeresgrund aufsetzen, sondern am Ende mit riesigen Ballasttanks versehen
sind, so dass der Schwerpunkt der Bohrplattform tief unter der Wasseroberfläche
liegt. Bohrschiffe können sogar in Meerestiefen von mehr als 1000
Metern bohren. Ist eine Bohrung erfolgreich, wird eine fest installierte
Förderplattform errichtet. Die Kosten für den Bau eines solchen
Gigants kann mehrere Milliarden Euro betragen.
Fast zwei Drittel der
Erdölreserven befinden sich in den Ländern des Nahen Ostens,
während Europa und Nordamerika ca. drei Viertel des Erdöls verbrauchen.
Die Erdöl- und Erdgasreserven sind nicht unbegrenzt, sie werden Mitte
des 21. Jahrhunderts zur Neige gehen. Der Mensch verbraucht in 200 Jahren
die natürlichen Ressourcen, die sich in 200 Millionen Jahren gebildet
haben!
Erdölaufbereitung
Bei der Erdölaufbereitung
wird das zunächst anfallende Gemisch aus Erdöl, Erdgas und Salzwasser
getrennt. Die Abtrennung des Erdgases erfolgt im Gasabscheider durch Verwirbelung
des Gemisches bei leicht erhöhtem Druck. Hierbei entweicht das Gas.
Das Öl-Salzwassergemisch trennt sich im Nassöltank aufgrund der
verschiedenen Dichten teilweise auf. Das unter dem Öl schwimmende
Wasser wird abgepumpt und in einem weiteren Arbeitsverfahren von restlichem
Öl getrennt. Ein Teil des Erdöls bildet mit dem Wasser eine Emulsion.
Diese Emulsion wird erhitzt und einem Wechselspannungsfeld ausgesetzt.
Dabei geraten die kleinen Wassertröpfchen in heftige Bewegungen, so
dass sie sich zu größeren Tröpfchen vereinigen. Sie setzen
sich am Boden ab und können erneut mit einer Dichtetrennung abgetrennt
werden.
Erdöltransport
Das entwässerte Rohöl
wird zunächst in einem Tank gelagert und später zur Raffinerie
transportiert. Der Transport erfolgt in langen Rohrleitungen (Pipelines)
oder durch Kesselwagen mit der Bahn. Der Transport über die Meere
in Öltankern ist sehr kostenaufwendig und mit hohen Risiken verbunden.
Derartige Supertanker können bis zu 300000 Tonnen Öl aufnehmen.
Tritt Rohöl bei einer Havarie in das Meer, entsteht eine Ölpest,
die schwere Schäden im Ökosystem Meer auslösen kann. So
verlor zum Beispiel der Tanker Exxon Valdez im Jahre 1989 vor der Küste
Alaskas bis zu 40000 Tonnen Rohöl. Ein riesiger Ölteppich trieb
im Meer und verschmutzte mehr als 2000 Kilometer Küste. 30000 Seevögel,
750 Seeotter und unzählige andere Tiere kamen trotz dem unermüdlichen
Einsatz der Rettungskräfte ums Leben. Es dauerte viele Jahre, bis
sich die Küsten Alaskas von dieser Katastrophe erholten.
Erdölverarbeitung
a) Fraktionierte Destillation
Trifft das Rohöl
in der Raffinerie ein, werden die einzelnen Bestandteile zunächst
in einer fraktionierten Destillation abgetrennt. Da das Rohöl ein
Gemisch von verschiedenen Kohlenwasserstoffen mit
unterschiedlichen Siedetemperaturen darstellt, kann man die Stoffe in die
verschiedenen Siedebereiche, die Fraktionen, abtrennen.
Im Röhrenofen wird
das Rohöl auf über 360°C erhitzt, so dass die Bestandteile
weitgehend verdampfen. Diese gelangen in den Destillationsturm, der aus
zahlreichen Glockenböden aufgebaut ist. In den Glockenböden sammeln
sich die Destillate der einzelnen Fraktionen. Nach oben nehmen die Temperaturen
der Glockenböden ab. Der aufsteigende Dampf wird im Gegenstrom zur
kondensierten Flüssigkeit in Kontakt gebracht. Dieses Verfahren heißt
auch Rektifikation (>Rektifikation
im Labor). Dabei kondensieren alle Stoffe, die einen höheren Siedepunkt
besitzen, als die Flüssigkeit im Glockenboden.
Der Rückstand wird
in einer Vakuumdestillation erneut bei niedrigem Druck fraktioniert. Bei
350°C würden viele Kohlenwasserstoffe zerfallen. Der niedrige
Druck bewirkt eine Siedepunkterniedrigung, so dass dies verhindert wird.
Die bei der ersten Destillation
unter Normaldruck abgetrennten Gase (z.B. Methan,
Ethan, Propan
und Butan) sind wichtige Heizgase.
Die Leicht- und Schwerbenzine (30-180°C) dienen als Ottokraftstoff
für Kraftfahrzeuge. Das Mitteldestillat (180-250°C) wird zu Lampen-Petroleum
oder zu dem Düsenkraftstoff Kerosin verarbeitet. Das Heizöl wird
zum Heizen in Ölbrennern oder als Dieselkraftstoff eingesetzt. Bei
der nachfolgenden Vakuumdestillation des Rückstands erhält man
weitere wichtige Erdölprodukte. Das schwere Heizöl dient als
Brennstoff für Kraftwerke oder Schiffsmotoren. Die Schmieröle
eignen sich als Schmierstoffe für Motoren und Getriebe. Der unlösliche
Rückstand Bitumen dient als Anstrichsstoff und vor allem als Straßenteer
zum Bau von Straßen.
b) Katalytisches Cracken
Die aus dem Rohöl
durch fraktionierte Destillation gewonnenen Mengen an Rohbenzin reichen
nicht aus, um den Markt zu decken. Daher werden beim Cracken die anfallenden
langkettigen Alkane in kurzkettige Alkane
gespalten.
Im Erhitzer werden die
zu spaltenden Kohlenwasserstoffe vorgeheizt und danach mit dem aus dem
Regenerator kommenden 650°C heißen Katalysator,
einem Gemisch aus Al2O3 (Aluminiumoxid) und SiO2
(Siliciumdioxid), versetzt. Dabei verdampft das Gemisch vollständig
und gelangt in den Reaktor. Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen
geraten die langen Kohlenstoffmoleküle in starke Schlingerbewegungen,
so dass sie auseinanderreißen. Durch das Cracken lässt sich
zum Beispiel aus Paraffinöl oder
aus Kerzenwachs Benzin herstellen. Bei
dem folgenden Beispiel zerbricht Decan in zwei kleinere Moleküle:
Der im Reaktor eingebaute
Abscheider trennt die Crackprodukte von dem verbrauchten Katalysator ab.
Die gecrackten Kohlenwasserstoffe werden in einem
nachfolgenden Destillationsturm in die einzelnen Fraktionen abgetrennt.
Beim Cracken scheidet sich auf der Oberfläche des Katalysators Kohlenstoff
ab, wodurch der Katalysator unwirksam wird. Daher wird der verbrauchte
Katalysator im Regenerator mit heißer Luft vermischt, wodurch der
Kohlenstoff verbrennt und der Katalysator wieder regeneriert wird.
c) Platin-Reforming
Durch die Verdichtung
und die Wärme in den Zylindern des Ottomotors kann es zu vorzeitigen
Selbstzündungen des Benzin-Luftgemischs kommen (=Klopfen). Unverzweigte
Kohlenwasserstoffe neigen zu dieser Frühzündung, während
verzweigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe,
sowie Aromaten eine relativ hohe Klopffestigkeit
besitzen.
Das "Klopfen" im Motor
ist eine Frühzündung des Benzin-Luftgemisches.
Die Maßzahl für
die Klopffestigkeit heißt Octanzahl
(OZ, auch ROZ = Research-Octanzahl). Je höher die Octanzahl ist, umso
klopffester ist der Kraftstoff. Demnach hätte reines iso-Octan
(2,2,4-Trimethylpentan) die Octanzahl OZ=100 und reines n-Heptan
die Octanzahl OZ=0. Normalbenzin besitzt eine Octanzahl von OZ=91, Superbenzin
dagegen OZ=95 und "Super-Plus" OZ = 98. Automotoren, die mit Superbenzin
betrieben werden, halten aufgrund der hohen Klopffestigkeit deutlich länger.
Früher wurden dem Benzin
zur Erhöhung der Klopffestigkeit bleihaltige, metallorganische Verbindungen
wie Bleitetraethyl zugesetzt. Bei der Verbrennung zersetzte sich die Bleiverbindung
thermisch, wobei Bleistäube in den Abgasen frei wurden. Die Bleistäube
stellten ein großes Umweltproblem dar, da z.B. Verkehrspolizisten
permanent den Stäuben ausgesetzt waren. Heute ist kein verbleites
Benzin mehr erhältlich.
Strukturformel des Antiklopfmittels
Bleitetraethyl
Die Platin-Reformer-Anlage
macht aus wenig klopffesten Rohbenzinen Benzine mit hoher Klopffestigkeit.
Die Umwandlung erfolgt mit Hilfe eines Platin-Katalysators.
Als Nebenprodukt entstehen Wasserstoff und gasförmige
Alkane.
Vor dem eigentlichen
Reformieren wird das Benzin zunächst entschwefelt, da der Schwefel
den Katalysator zerstören würde. Hierbei entweicht als Produkt
Schwefelwasserstoff. Das so gereinigte
Benzin wird unter Zugabe von Wasserstoff in einem Erhitzer auf über
500°C erhitzt und durch einen Reaktor mit einem platinhaltigen Gitternetz
geleitet. Das Benzin durchläuft in der Regel drei mal einen Erhitzer
und einen Reaktor. Es muss jedesmal neu erhitzt werden, da die Reaktion
im Reaktor endotherm verläuft. Im Trennturm werden von dem klopffesten
Benzin der ebenfalls entstehende Wasserstoff und die gasförmigen Alkane
abgetrennt. Beim Reformieren laufen beispielsweise folgende Hauptreaktionen
ab:
| Isomerisierung: |
n-Heptan
---Pt---> 2,3-Dimethylpentan |
| Dehydrocyclisierung: |
n-Heptan ---Pt--->
Toluol + 4 H2 |
| Dehydrierung: |
n-Hexan ---Pt--->
Benzol + 4 H2 |
| Hydrocracking: |
n-Decan ---Pt--->
n-Pentan + 2-Methylbutan |
d) Entschwefelung, Hydrofining
und Claus-Verfahren
Die bei der fraktionierten
Destillation anfallenden Schmier- und Heizöle sind noch reich an Schwefelverbindungen.
Diese würden bei der Verbrennung giftiges Schwefeldioxid
freisetzen, das auch für das Waldsterben verantwortlich ist. Beim
Hydrofinieren werden die zu entschwefelnden Öle mit Wasserstoff vermischt
und erhitzt. Das heiße Gemisch gelangt in einen mit einem Katalysator
gefüllten Reaktor. Bei einer Temperatur von ca. 350°C reagiert
der Wasserstoff mit den Schwefelverbindungen zu Schwefelwasserstoff.
Beim nachfolgenden Claus-Verfahren
wird der angefallene Schwefelwasserstoff mit Luftsauerstoff in einem Reaktor
verbrannt. Es lässt sich dabei Schwefel
gewinnen:
6 H2S
+ 3 O2 -----> 6 S + 6 H2O
DH =
-664kJ/mol
e) Synthesegas-Erzeugung
Als Synthesegas wird
ein Gemisch aus Kohlenstoffmonooxid und
Wasserstoff bezeichnet. Es dient als Ausgangsprodukt
zur Herstellung zahlreicher anderer, organischer Stoffe, z.B. bei der Ammoniaksynthese
oder bei der Herstellung von Methan
oder Methanol. Als Ausgangsprodukt
werden fossile Brennstoffe oder ihre Zwischenprodukte, z.B. die Rückstände
von der fraktionierten Destillation, bei sehr hohen Temperaturen von bis
zu 800°C mit Wasserdampf und Luftsauerstoff umgesetzt. Die Synthesegas-Erzeugung
aus Methan kann nach folgenden Reaktionsgleichungen ablaufen:
CH4
+ H2O 
CO + 3 H2 endotherm
2 CH4
+ O2 + 4 N2
2 CO + 4 N2 + 4 H2
exotherm
Den für die Ammoniaksynthese
notwendigen Stickstoff erhält man auch, wenn zu dem heißen Synthesegas
Luft zugeführt wird und ein Teil des Wasserstoffs mit Luftsauerstoff
zu Wasserdampf reagiert. Der reaktionsträge Stickstoff bleibt dann
übrig. Das störende Kohlenstoffmonooxid wird in einer Konvertierungsanlage
mit dem Wasserdampf zu Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid
umgewandelt. Kohlenstoffdioxid lässt sich mit Wasser herauswaschen.
Dieses wird an die Getränkeindustrie verkauft. So erhält man
die reinen Gase Stickstoff und Wasserstoff.
f) Pyrolyse
Bei der Pyrolyse werden
vor allem Leichtbenzine bei sehr hohen Temperaturen in Ethen,
Ethin und Propen
gespalten. Ein Gemisch aus Methan und Sauerstoff wird in einem Brenner
unter Zugabe von Wasserdampf auf 2500°C erhitzt. Leitet man das Leichtbenzin
in dieses Gemisch, wird es gespalten (Beispiel am n-Heptan):
n-Heptan ---2500°C--->
Ethen + Ethin + Propen + H2
Ethen und Propen sind
wichtige Zwischenprodukte zur Herstellung von Kunststoffen. Die Pyrolyse
wird auch als Steam-Crackverfahren bezeichnet. Im Gegensatz zum katalytischen
Cracken findet die Pyrolyse bei sehr viel höheren Temperaturen
und ohne Katalysator statt.
Ausblick
Das Erdöl ist aus
der Industriegesellschaft des 20. und 21. Jahrhunderts nicht mehr wegzudenken.
Es ist ein universeller Rohstoff für Millionen von Stoffen und Materialien.
Beim Versiegen der natürlichen Erdöl-Ressourcen fällt nicht
nur der wichtigste Energielieferant weg, sondern auch der Rohstoff für
Kunststoffe, Textil-Faserstoffe, Farbstoffe,
Medikamente, Düngemittel oder Waschmittel.
