Erdöl enthält
eine Vielzahl unterschiedlicher aliphatischer, cyclischer und aromatischer
Kohlenwasserstoffe, daneben auch Verbindungen, die Schwefel, Stickstoff,
Sauerstoff oder andere Elemente enthalten. Bisher konnte man schon über
500 verschiedene Verbindungen im Erdöl nachweisen, die sich in ihren
Eigenschaften zum Teil sehr stark unterscheiden, so finden sich im Erdöl
z. B. Verbindungen mit einer Kettenlänge ab vier Kohlenstoffatomen
(Siedepunkt < 20 °C) bis hin zu mehr als 50 Kohlenstoffatomen (Siedepunkt
> 500 °C).
Ziel der Rohöldestillation
ist es, das Erdöl in verschiedene Siedefraktionen zu zerlegen, d. h.
in einheitlichere Stoffgemische mit definierten Siedebereichen. Dies geschieht
in einer sogenannten Rektifikationskolonne, in der das Rohöl mehrmals
hintereinander destilliert wird.
Rektifikation
Gemische verschiedener Flüssigkeiten lassen sich durch Destillation
trennen, wenn sich ihre Siedepunkte unterscheiden. Beim Erhitzen eines
Gemisches aus zwei Komponenten verdampfen zwar beide Komponenten, diejenige
mit dem tieferen Siedepunkt verdampft aber bevorzugt, sodass sie im Kondensat
des Dampfes in höherer Konzentration enthalten ist als in der Ausgangsmischung.
Der Anreicherungseffekt ist umso größer, je größer
die Differenz der beiden Siedepunkte ist.
Durch einen einmaligen Destillationsschritt kann man in der Regel nicht
beide Komponenten in reiner Form gewinnen, dazu muss man den Prozess mehrfach
wiederholen, wobei die niedriger siedende Komponente im Kondensat immer
mehr angereichert wird. Hierfür werden spezielle Destillationskolonnen
eingesetzt, bei denen der aufsteigende Dampf immer wieder kondensiert
und erneut verdampft und somit der Destillationsvorgang mehrfach wiederholt
wird. Diese Art der Destillation bezeichnet man als Rektifikation
oder fraktionierte Destillation.
In der Praxis benutzt man dazu eine Rektifikations- oder Fraktionierkolonne,
das ist ein Turm, der Böden spezieller Bauart enthält, z. B.
sogenannte Glockenböden (Bild 2).
In der Kolonne herrscht ein Temperaturgefälle, d. h. die untersten
Böden sind die heißesten und nach oben hin werden sie immer
kälter. Der Dampf, der nach oben strömt, kühlt sich daher
ab und kondensiert. Je nach Siedepunkt der enthaltenen Stoffe geschieht
dies auf unterschiedlicher Höhe der Kolonne: die Komponenten, die
die niedrigsten Siedepunkte haben, kondensieren am weitesten oben. Praktisch
findet auf jedem Boden ein Destillationsschritt statt: Auf jedem Boden
bildet sich eine Flüssigkeitsschicht, die in Kontakt mit aufwärtsströmendem Dampf und herablaufendem Kondensat steht, was auf den
einzelnen Böden zur Anreicherung bestimmter Komponenten mit ähnlichem
Siedepunkt führt. Mit zunehmender Höhe werden der Dampf und
die Kondensate immer mehr mit der tiefer siedenden Komponente angereichert.
Je nach Differenz der Siedepunkte braucht man für die Trennung daher
unterschiedlich hohe Kolonnen, bei der Rohöldestillation sind sie
bis zu 50 m hoch.
Am oberen Ende der Kolonne, dem Kopf, wird dann der Dampf der reinen tiefer
siedenden Komponente entnommen und kondensiert. Um den Trenneffekt in
der Kolonne zu verbessern, wird aber nicht das gesamte Kondensat als Produkt
entnommen, sondern ein Teil wieder als sogenannter Rücklauf in die
Kolonne zurückgeführt (Rektifikation unter Rücklauf).
Das herablaufende Kondensat wird durch den aufsteigenden heißen
Dampf wieder verdampft, letzterer kühlt sich dabei ab, es stellt
sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Dampf und Kondensat ein. Durch
die Menge an Rücklauf kann somit das Temperaturgefälle in der
Kolonne und damit die Trennschärfe beeinflusst werden.
Ein Vielkomponentengemisch wie Erdöl mit sehr eng beieinanderliegenden
Siedepunkten kann man durch Rektifikation nicht vollständig in seine
Einzelkomponenten auftrennen. Man zerlegt es daher in sogenannte Siedefraktionen,
also Fraktionen, die in einem bestimmten Temperaturbereich sieden.
Fraktionierung
von Erdöl
Bei der Rektifikation des Erdöls kondensiert der eingeleitete Dampf
beim Aufsteigen stufenweise, sodass das Kondensat in verschiedenen Höhen
der Kolonne bestimmte Siedebereiche aufweist, die als sogenannte Siedefraktionen seitlich aus der Kolonne entnommen werden. Auch hier wird zur Verbesserung
des Trenneffektes ein Teil der obersten Fraktion (Leichtbenzin) als Rücklauf
wieder in die Kolonne gegeben.
Die Rohöldestillation wird in zwei Fraktionierkolonnen durchgeführt,
einer Normaldruck-Fraktionierkolonne und einer Vakuum-Fraktionierkolonne
(Bild 4). Unter Normaldruck werden die Anteile, die unter 360 °C sieden,
verdampft und somit getrennt.
Der flüssige Rückstand, der bei über 360 °C siedet, wird in die Vakuumkolonne geleitet und dort weiter aufgetrennt. Im Vakuum liegen die Siedepunkte niedriger, wodurch eine weitere Auftrennung des flüssigen Rückstands aus dem ersten Fraktionierungsschritt möglich wird.
Als Vakuumrückstand bleibt
Bitumen übrig, das sind Bestandteile, die erst bei mehr als 500 °C
sieden. Alternativ zur Vakuumfraktionierung kann der flüssige Rückstand
aus der ersten Rektifikation auch thermisch gecrackt werden.