Erdölfraktionen und Vakuumdestillation einfach erklärt

Schau dich einmal um: Autos fahren auf den Straßen, Flugzeuge fliegen in den Urlaub und die Straßen selbst sind mit glattem Asphalt bedeckt. All diese völlig unterschiedlichen Dinge haben denselben Ursprung: schwarzes, klebriges Erdöl. Wenn du das Thema Erdölfraktionen und Vakuumdestillation verstehen willst, bist du hier genau richtig.

Im letzten Thema hast du gelernt, wie ein Destillationsturm funktioniert. In dieser Lektion schauen wir uns genau an, welche nützlichen Stoffe (Fraktionen) wir auf den verschiedenen Etagen des Turms gewinnen. Außerdem lernst du einen cleveren Trick kennen, mit dem Chemiker selbst aus dem zähesten Rest am Boden noch wertvolle Schmieröle herausholen, ohne sie zu verbrennen.

Vorwissen

• Siedepunkt: Die Temperatur, bei der ein flüssiger Stoff zu einem Gas wird (kocht).

  Beispiel: Reines Wasser hat einen exakten Siedepunkt von $100 \text{ °C}$.

• Viskosität: Ein Maß dafür, wie zähflüssig ein Stoff ist.

  Beispiel: Wasser hat eine niedrige Viskosität (es fließt schnell), Honig hat eine hohe Viskosität (er ist zäh und fließt langsam).

• Stoffgemische: Ein Material, das aus verschiedenen, nicht chemisch verbundenen Teilchen besteht.

  Beispiel: Salzwasser ist ein Gemisch aus Salz und Wasser.

Aufgabentyp 1: Erdölfraktionen und ihre Eigenschaften

Wenn Erdöl im Destillationsturm erhitzt wird, trennt es sich in verschiedene Gruppen auf. Diese Gruppen nennen wir Fraktionen. Wichtig: Eine Fraktion ist kein einzelner, reiner Stoff, sondern immer noch ein Gemisch aus ähnlich großen Molekülen. Weil es ein Gemisch ist, hat eine Fraktion keinen exakten Siedepunkt, sondern einen Siedebereich (z. B. von $35 \text{ °C}$ bis $140 \text{ °C}$).

Je weiter unten im Turm eine Fraktion entnommen wird, desto größer und schwerer sind die Moleküle darin. Das hat zwei wichtige Folgen:

1. Die Siedetemperatur steigt an.

2. Die Viskosität nimmt zu (die Stoffe werden immer zähflüssiger).

Hier sind die wichtigsten Fraktionen von leicht (oben im Turm) bis schwer (unten im Turm):

• Gase: Siedebereich unter $30 \text{ °C}$. Sie sind gasförmig und werden für Camping-Gasflaschen genutzt.

• Benzine: Siedebereich von $35 \text{ °C}$ bis $140 \text{ °C}$. Sie sind sehr flüssig und treiben unsere Autos an.

• Mitteldestillate (Petroleum, Kerosin): Siedebereich von $150 \text{ °C}$ bis $250 \text{ °C}$. Daraus wird Treibstoff für Flugzeuge gemacht.

• Dieselöl und leichtes Heizöl: Siedebereich von $250 \text{ °C}$ bis $360 \text{ °C}$. Sie sind schon etwas öliger und werden für Lkw oder zum Heizen von Wohnhäusern verwendet.

• Rückstand (Schweröl): Bleibt ganz unten übrig. Es ist extrem zähflüssig und wird als Treibstoff für riesige Schiffe oder in Fabriken genutzt.

Aufgabentyp 2: Vakuumdestillation schwerer Rückstände

Ganz unten im ersten Destillationsturm bleibt ein dicker, schwerer Rückstand übrig. In diesem Rückstand stecken noch wertvolle Stoffe. Das Problem: Um diese schweren Stoffe zum Sieden zu bringen, müsste man sie auf über $400 \text{ °C}$ erhitzen. Bei so hohen Temperaturen würden die Moleküle jedoch kaputtgehen (sie zersetzen sich oder verbrennen).

Um dieses Problem zu lösen, nutzen Chemiker die Vakuumdestillation in einem zweiten Turm.

Der Trick mit dem Druck:

Vielleicht hast du schon einmal gehört, dass Wasser auf einem hohen Berg (wo der Luftdruck niedrig ist) schon bei unter $100 \text{ °C}$ kocht. Genau dieses Prinzip wird hier angewendet.

Im zweiten Turm wird die Luft fast vollständig abgesaugt, sodass ein starker Unterdruck (ein Vakuum von ca. $50 \text{ hPa}$) entsteht. Durch diesen extrem niedrigen Druck sinken die Siedetemperaturen des Rückstands künstlich stark ab.

Jetzt kann der Rückstand schon bei viel niedrigeren Temperaturen sieden, ohne sich zu zersetzen. So können wir weitere nützliche Fraktionen abtrennen, vor allem Schmieröle (z. B. Motoröl, damit der Motor rund läuft). Der allerletzte, nicht destillierbare Rest, der ganz unten übrig bleibt, ist Bitumen. Das ist die schwarze, klebrige Masse, die wir nutzen, um Straßen zu asphaltieren.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Erdölfraktionen sind Gemische und haben deshalb einen Siedebereich, keinen exakten Siedepunkt.

• Von oben nach unten im Destillationsturm nehmen die Siedetemperatur und die Viskosität (Zähflüssigkeit) der Fraktionen zu.

• Die Vakuumdestillation senkt den Druck, wodurch schwere Rückstände bei niedrigeren Temperaturen sieden. So gewinnt man Schmieröle und Bitumen, ohne dass sie verbrennen.