Grundlagen der chemischen Verfahrenstechnik und Petrochemie

Unterschiede: Rohstoffe, Produkte und Rückstände

Die Unterschiede zwischen Rohstoffen und Produkten, Rückständen und Nebenerzeugnissen sowie Rissen und Spalten:

• Rohstoff: Kann ein Wildtyp sein oder durch grundlegende chemische Prozesse entstehen. Stickstoff kann als solches Material betrachtet werden, das aus der Luft (durch Verflüssigung und Destillation) gewonnen wird.
• Nebenprodukt: Abfall aus einem Prozess, der für andere Prozesse verwendet werden kann; es entsteht aus einem Rohstoff.
• Abfall: Material, das verwaltet werden muss und an sich keinen Wert hat. Manchmal wird dieser in Prozessen für das Recycling eingesetzt, und wir betrachten ihn als energetischen Rohstoff, um Energie zu gewinnen, falls er nicht beseitigt werden kann. Manchmal ist Recycling möglich, jedoch nur mit kostenintensiven Prozessen.

Verfahrensbegriffe

• Cracking (Spalten): Das Aufbrechen von Erdölmolekülen in kleinere (leichtere) Moleküle mittels chemischer Operationen.
• Fraktionierung: Eine physikalische Maßnahme, um flüchtige Komponenten zu trennen.
• Erneuerbare Energien: Werden aus Stoffen oder Materialien gewonnen, die regeneriert werden können.
• Nicht-erneuerbare Energien: Werden exponentiell verbraucht und sind weder kurz- noch mittelfristig wieder verfügbar.

Chemische Reaktionen und der Solvay-Prozess

Heben Sie die chemischen Reaktionen hervor, die über den Solvay-Prozess ablaufen, und geben Sie an, welche Grundoperationen ausgeführt werden.

Eigenschaften und Zusammensetzung von Erdöl

RICHTIG: Der Begriff Petroleum bedeutet wörtlich „Steinöl“ (aus dem Lateinischen: petra = Stein, oleum = Öl).

Erdöl kann als eine viskose (klebrige) Flüssigkeit beschrieben werden, deren Farbe von Gelb über Dunkelbraun bis hin zu Schwarz mit grünen Reflexen reicht. Es hat zudem einen charakteristischen Geruch und schwimmt auf Wasser.

Kohlenwasserstoff-Gemische

In Bezug auf die Mischung von Kohlenwasserstoffen im Erdöl wird angenommen: Kohlenwasserstoffe mit 1 bis 4 C-Atomen sind gasförmig, solche mit 5 bis 20 C-Atomen sind flüssig (wenig zähflüssig) und solche mit mehr als 20 C-Atomen sind bei Raumtemperatur fest.

Rohöl ist in seiner Zusammensetzung sehr unterschiedlich und hängt von der Art der Lagerstätte ab. Im Durchschnitt können wir davon ausgehen, dass es zwischen 83–86 % Kohlenstoff (C) und 11–13 % Wasserstoff (H) enthält. (Hinweis: Kohlenstoff ist etwa 12-mal schwerer als Wasserstoff).

Je höher der Kohlenstoffgehalt (C) im Verhältnis zum Wasserstoff ist, desto größer ist die Menge an schweren Produkten im Vergleich zu leichten Produkten im Öl.

Wahr oder Falsch: Quiz zur Petrochemie

• "Amerika ist ein Land, das in die OPEC integriert ist": Falsch.
• "Ethan und Propan sind wirtschaftlich förderbare Kohlenwasserstoffe mit niedriger Oktanzahl für Benzin": Falsch.
• "Paraffinöle produzieren mehr Benzin als Asphalt": Wahr.
• "Bei Rohöl ist die API-Dichte umgekehrt proportional zum spezifischen Gewicht": Wahr.
• "Die API-Dichte ist ein grober Indikator für den Gehalt an Paraffinen und Aromaten im Rohöl": Falsch; hierfür nutzt man eher den Watson-Faktor oder den Korrelationsindex.
• "Der Watson-Charakterisierungsfaktor eines paraffinischen Rohöls ist geringer als der eines aromatischen": Falsch; Paraffine erreichen gewöhnlich Werte bis 15, während Aromaten eher bei 10 liegen.
• "Rohöl mit geringen Mengen an Nickel, Vanadium und Kupfer ist leichter für thermisches Cracken geeignet, da diese Metalle als Katalysatoren wirken": Falsch; diese Verunreinigungen wirken als Katalysatorgifte und lähmen den Prozess.

Produkte der fraktionierten Destillation

Welche Erdölprodukte werden bei der fraktionierten Destillation mit steigendem Siedepunkt gewonnen und welche fallen in höherem Prozentsatz an?

Dies bezieht sich auf die primäre atmosphärische Destillation. Die Rückstände, die am Boden („Schwänze“) austreten, haben einen Siedepunkt (Tb) von über 400 °C.

Die Fraktionen, die in größeren Mengen anfallen, sind: Benzin (Rohbenzin), Diesel, Kerosin und reformiertes Benzin (mit höherer Oktanzahl). Den niedrigsten Anteil bilden Feststoffe und Flüssiggase (LPG).

Logistik und Transport in Spanien

Wie werden Transport, Lagerung und Verteilung von Erdölprodukten in Spanien verwaltet?

Diese Aufgaben werden durch die Firma CLH (Compañía Logística de Hidrocarburos) durchgeführt.

Weiterbehandlung schwerer und mittlerer Fraktionen

Was geschieht mit den schweren und mittleren Fraktionen des Öls?

Schwere Fraktionen:

• Kristallisation: Nach diesem Verfahren werden Wachse, Schmierstoffe und Fette für die industrielle Nutzung (gesättigte Fettsäuren) hergestellt.
• Aufarbeitung (Refurbished): Kann zu Diesel, Kerosin und anderen Produkten der petrochemischen Industrie führen.

Mittlere Fraktionen:

• Cracking: Aufbrechen der Moleküle in kleinere Einheiten. Am besten geeignet ist das katalytische Cracking (kostengünstiger, weniger umweltbelastend), um Industriebrennstoffe zu gewinnen.
• Aufarbeitung (Refurbished).

Vakuumdestillation und Vorbehandlung

Was ist der Zweck der Vakuumdestillation von Rohöl?

Sie dient dazu, die letzten Fraktionen des Rohöls zu trennen, die bei der atmosphärischen Destillation (Primärdestillation) nicht verdampft sind.

Physikalische Vorbehandlung

Welche physikalischen Vorgänge werden vor der fraktionierten Destillation angewandt?

Trennung von trockenen Gasen (LPG) und feuchten Gasen. Dehydrierung (Entwässerung), da das Öl Salzwasser enthält. Anschließend folgen die Entschwefelung und die Entfernung bestimmter Metalle.

Industrielle Einheiten

Welche chemischen Einheiten werden in der Ölindustrie verwendet?

Die Therme (am häufigsten verwendet), die Zehe (Toe), Technologie und Gigajoule.

Erdgas als sauberer Energieträger

Kann man Kohlenwasserstoffe aus sauberem Erdgas gewinnen?

In seiner komprimierten (flüssigen) Form enthält es keine Verunreinigungen. Es wird im Verkehr und im Haushalt direkt ohne weitere Umwandlung verwendet. Während CO2 aus Schornsteinen oft durch Brennstoffe oder feste Partikel verunreinigt ist (sekundäre Schadstoffe), ist das CO2 aus Erdgas wesentlich sauberer.

Vorteile der geringen Dichte

Aufgrund seiner geringen Dichte verhindert Erdgas die Ansammlung fester Partikel, was Risiken minimiert. Da es leichter als Luft ist, verflüchtigt es sich schnell in der Atmosphäre.

Alternative Quellen

Erdgas findet sich in Kombination mit Erdölvorkommen oder entsteht durch den anaeroben Abbau organischer Abfälle (in diesem Fall wird es Biogas genannt).

Infrastruktur einer Erdgasanlage

Dort, wo das Erdgas aus dem Untergrund austritt, wird eine Verflüssigungsanlage benötigt. Der Transport erfolgt über Pipelines oder Transportschiffe (LNG-Tanker), die niedrige Temperaturen und hohen Druck halten können. Am Zielort ist eine Regasifizierungsanlage erforderlich (z. B. Reganosa in Galicien).

Was ist Süßen (Sweetening)?

Da Erdgas oft zusammen mit CO2 und Schwefelwasserstoff (Sauergas) vorkommt, beinhaltet das „Süßen“ die Entfernung dieser Gase. Nach der Reinigung wird das Erdgas als „Süßgas“ bezeichnet.

Entwicklung der chemischen Verfahrenstechnik

Das Wiedererstarken des Chemical Engineering im 20. Jahrhundert basierte auf zwei Ansätzen:

1. Die Vereinigung theoretischer Prinzipien mit den Grundoperationen (Unit Operations), die zuvor unabhängig voneinander betrachtet wurden.
2. Die Untersuchung des Stofftransports in allen Grundoperationen.

Fallbeispiel: Standortplanung einer Algenanlage

Faktoren für die Ansiedlung einer Anlage zur Gewinnung von Vitamin-B-Sirup aus Meeresalgen:

Wir betrachten einen Batch-Prozess (Chargenprozess), da die Algen saisonal geerntet werden und die Produktion in kleinerem Maßstab erfolgt. Batch-Prozesse sind hier kostengünstiger, da Konzentrationen flexibel angepasst werden können.

Standortwahl: Die Küste im Süden Galiciens ist ideal, da dort mehr Sonne zum Trocknen der Algen zur Verfügung steht. Die Anlage sollte fern von Bauernhöfen und Klärgruben liegen, um sauberes Wasser zu garantieren. Das Gelände sollte für die industrielle Nutzung ausgewiesen sein (günstiger). Ein Patent schützt das Produkt vor unbefugter Herstellung.

Herstellung von Futtermitteln aus Fischresten

Physikalische und wirtschaftliche Anforderungen:

• Anforderungen: Gewerbeflächen, Lizenzen, gute Verkehrsanbindung, Zugang zu Versorgungsleitungen, Nähe zu Abfalllieferanten (Fischerei) und Abnehmern.
• Prozessschritte: Annahme und Analyse (pH-Wert, Dichte), Lagerung, Wiegen, Dosieren, Mahlen, Mischen, Dämpfen und Extrusion. Danach Trocknung, Kühlung, Pulverisierung, Verpackung und Etikettierung.
• Wirtschaftliches: Zuschüsse und staatliche Unterstützung.
• Ausrüstung: Hochdruckreiniger, Kugelmühle, Extraktion mit Wasser oder Alkohol, geschlossene Palettierung.

Klassifizierung der chemischen Industrie

Basierend auf den Produkten werden die Branchen wie folgt eingestuft:

• Ätznatron: Grundchemikalien (Basic Commodities).
• Lauge (Sosa Legia): Zwischenprodukte (Intermedia Pseudocommodities).
• Aspirin: Konsumgüter, Spezialchemie.
• Phosphatdünger: Endprodukte (Final Pseudocommodities).
• Gelatine: Endprodukte, Feinchemie.