Cracken und Reforming in der Erdölverarbeitung

Das Cracken ist ein wichtiger Schritt in der Erdölaufbereitung. Nachdem die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe durch die fraktionierte Destillation abgetrennt wurden, wird das übrig gebliebene Schweröl mit 500°C heißen Schweröldämpfen in einen Reaktor mit Katalysatorperlen geleitet.

Example: Bei der Spaltung entstehen sehr reaktive Alkyl-Radikale mit jeweils einem ungepaarten Elektron. Diese Radikale entreißen anderen Molekülen H-Atome, wodurch kürzerkettige Kohlenwasserstoff-Moleküle entstehen.

Wenn ein Molekül sämtliche H-Atome verliert, bleibt elementarer Kohlenstoff in Form von Ruß zurück. Zerbricht ein Molekül an zwei Stellen, entsteht ein Diradikal. Wenn sich die Enden des Bruchstücks mit ungepaarten Elektronen verbinden, bilden sich ringförmige Moleküle, sogenannte Cycloalkane.

Highlight: Beim katalytischen Cracken können auch ungesättigte Kohlenwasserstoffe wie Alkene entstehen, wenn sich ungepaarte Elektronen an benachbarten C-Atomen befinden und eine C-C-Doppelbindung bilden.

Das Reforming ist ein weiterer wichtiger Prozess in der Erdölverarbeitung. Hierbei werden aus linearen Alkanmolekülen verzweigte Moleküle gebildet. Das Ziel des Reformings ist es, Kraftstoffe so zu verändern, dass sie eine höhere Klopffestigkeit besitzen.

Vocabulary: Isomere sind Verbindungen mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Strukturformel.

Ein Beispiel für Isomere sind 3-Methylbut-1-en und Pent-1-en, beide mit der Summenformel C5H10.

Verbrennungsmotoren und Abgasreinigung

Der Viertakt-Automotor ist ein wichtiger Anwendungsbereich für die Produkte der Erdöldestillation. Der Prozess läuft in vier Takten ab:

1. Ansaugen: Der Kolben geht nach unten und saugt das Benzin-Luft-Gemisch an.
2. Verdichten: Das Ventil schließt sich und der Kolben verdichtet den Zylinder.
3. Arbeitstakt: Die Zündkerze liefert die Aktivierungsenergie und das Gemisch explodiert.
4. Ausstoßen: Die Verbrennungsprodukte werden durch ein Ventil ausgeleitet.

Highlight: AdBlue ist eine wichtige Technologie zur Abgasreinigung. Aus einer Harnstoff-Lösung wird im SCR-Katalysator Ammoniak (NH3) gewonnen, das mit giftigen Stickoxiden (NOx) reagiert.

Die chemischen Reaktionen bei der AdBlue-Technologie:

1. Zerfall von Harnstoff: CH4N2O + H₂O → 2NH3 + CO2
2. Reduktion von Stickoxiden: 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H₂O

Definition: SCR steht für "Selective Catalytic Reduction" (Selektive Katalytische Reduktion) und bezeichnet ein Verfahren zur Reduzierung von Stickoxiden in Abgasen.

Abgasbestandteile und ihre Auswirkungen

Die Verbrennung von Erdölprodukten in Motoren führt zur Entstehung verschiedener Abgasbestandteile, die unterschiedliche Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit haben:

1. Unproblematische Bestandteile:

   • Wasserdampf
   • Stickstoff

2. Problematische Bestandteile:

   • Kohlenstoffdioxid (CO2): Trägt zum Treibhauseffekt bei
   • Kohlenstoffmonoxid (CO): Blockiert den Sauerstofftransport im Blut
   • Stickstoffoxide (NOx): Reizgas, kann zu Atemnot und Entzündungen führen
   • Unverbrannte Kohlenwasserstoffe: Krebserregend, tragen zu Smog bei
   • Rußpartikel/Feinstaub: Belasten Lunge, Gesundheit und Umwelt

Highlight: Die Entstehung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen ist besonders problematisch, da diese mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlenstoffdioxid reagieren und somit zur Luftverschmutzung beitragen.

Die Entwicklung effektiver Abgasreinigungssysteme und alternativer Antriebstechnologien ist daher von großer Bedeutung für den Umwelt- und Gesundheitsschutz.

Fraktionierte Destillation und Aufbereitung von Erdöl

Die fraktionierte Destillation von Erdöl ist ein zentraler Prozess in der Erdölaufbereitung. Zunächst wird Rohöl durch Reinigung gewonnen, das Kohlenwasserstoff-Moleküle unterschiedlicher Kettenlänge enthält. Im Röhrenofen wird das Rohöl auf über 360°C erhitzt, sodass die Bestandteile weitgehend verdampfen.

Der Dampf gelangt in den Destillationsturm, auch Destillationskolonne genannt, der aus mehreren Glockenböden besteht. Hier sammeln sich die Destillate der einzelnen Fraktionen. Je kürzer die Kohlenwasserstoffketten, desto höher steigen sie aufgrund ihrer geringeren Siedetemperatur.

Highlight: Die Temperaturen in den Glockenböden nehmen nach oben hin ab. Der aufsteigende Dampf wird im Gegenstrom zur kondensierten Flüssigkeit in Kontakt gebracht, wobei Stoffe mit höherem Siedepunkt als die Flüssigkeit im Glockenboden kondensieren.

Die Kondensate mehrerer Böden werden zu Fraktionen vereinigt. Anschließend wird der Rückstand mittels Vakuumdestillation weiter verarbeitet.

Definition: Die Vakuumdestillation ist ein Destillationsverfahren, das bei erniedrigtem Druck (Vakuum) durchgeführt wird. Es ermöglicht die schonende Trennung von Stoffen, die sich bei höheren Temperaturen zersetzen würden.

Dieses Verfahren findet Anwendung beim Trennen langkettiger Kohlenwasserstoffe in der Erdölraffinerie. Die schwere Fraktion des Rohöls, die bei der fraktionierten Destillation übrig bleibt, wird der Vakuumdestillation zugeführt, um die Schweröle zu trennen.

Vocabulary: Cracken bezeichnet den Prozess, bei dem langkettige Kohlenwasserstoffe in kurzkettige gespalten werden.