Fraktionierte Destillation einfach erklärt: Prinzip & Ablauf

Stell dir vor, du hast eine riesige Kiste mit tausenden verschiedenen, wild durcheinandergewürfelten Legosteinen. Um daraus etwas Sinnvolles zu bauen, musst du sie zuerst sortieren. Mit Erdöl ist es ganz ähnlich!

Wenn Erdöl aus der Erde gepumpt wird, ist es eine klebrige, schwarze Flüssigkeit, mit der wir im Alltag noch gar nichts anfangen können. In diesem Artikel lernst du, wie Chemiker dieses chaotische Gemisch in riesigen Fabriken sortieren, um daraus nützliche Stoffe zu gewinnen, und welches einfache physikalische Prinzip sie dafür nutzen.

Schnellantwort

Die fraktionierte Destillation ist ein physikalisches Trennverfahren, um komplexe Stoffgemische wie Erdöl in einfachere Gemische (Fraktionen) zu zerlegen. Das Prinzip beruht auf den unterschiedlichen Siedetemperaturen der enthaltenen Kohlenwasserstoffe. In einem Destillationsturm verdampft das Gemisch und kondensiert auf verschiedenen Höhen, da der Turm unten heiß und oben kühl ist.

Vorwissen

• Gemisch: Ein Stoff, der aus mindestens zwei verschiedenen reinen Stoffen besteht. Beispiel: Salzwasser ist ein Gemisch aus Salz und Wasser.
• Siedetemperatur: Die Temperatur, bei der ein Stoff vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Beispiel: Wasser siedet bei $100 \text{ °C}$.
• Verdampfen und Kondensieren: Verdampfen ist der Wechsel von flüssig zu gasförmig. Kondensieren ist der umgekehrte Weg von gasförmig zu flüssig. Beispiel: Wasserdampf kondensiert an einem kalten Spiegel zu Wassertropfen.

Aufgabentyp 1: Ablauf der fraktionierten Destillation

Um die fraktionierte Destillation zu verstehen, schauen wir uns zunächst die Zusammensetzung von Erdöl und das Trennprinzip an. Wenn Erdöl aus der Erde gepumpt wird, nennt man es oft Rohöl. Es ist eine braune bis schwarze, klebrige Flüssigkeit. In diesem Zustand ist es für uns noch unbrauchbar.

Warum ist das so? Erdöl ist kein einzelner Stoff, sondern ein riesiges Gemisch aus über tausend verschiedenen Kohlenwasserstoffen. Die Moleküle in diesem Gemisch sind alle unterschiedlich groß und schwer.

Um das Erdöl nutzbar zu machen, müssen wir dieses komplexe Gemisch in einfachere Gemische aufteilen. Diese sortierten, einfacheren Gemische nennt man Fraktionen.

Das Grundprinzip dieser Trennung ist genial einfach: Wir nutzen eine bestimmte physikalische Eigenschaft, nämlich die Siedetemperatur. Jeder Kohlenwasserstoff im Erdöl hat eine andere Temperatur, bei der er vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wechselt. Indem wir das Erdöl erhitzen, können wir die verschiedenen Stoffe anhand ihrer unterschiedlichen Siedetemperaturen voneinander trennen. Diesen Vorgang nennt man fraktionierte Destillation.

Wie funktioniert die Trennung in einer echten Fabrik (Raffinerie)? Der Prozess besteht aus zwei Hauptteilen: dem Erhitzen und dem Aufsteigen im Turm.

Zuerst wird das Rohöl in einem sogenannten Röhrenofen blitzschnell auf etwa $400 \text{ °C}$ erhitzt. Bei dieser enormen Hitze verdampft der größte Teil des Öls und wird zu Gas. Dieses heiße Gemisch aus Gas und etwas Flüssigkeit wird dann unten in einen riesigen Destillationsturm geleitet. Der Trick dieses Turms ist seine Temperaturverteilung: Unten ist er extrem heiß, aber je weiter man nach oben kommt, desto kühler wird er.

Das Gas steigt nun im Turm nach oben und kühlt dabei ab. Sobald ein Stoff seine spezielle Siedetemperatur unterschreitet, wird er wieder zu einer Flüssigkeit (er kondensiert). Stoffe mit einer hohen Siedetemperatur kondensieren schon ganz unten im heißen Bereich. Stoffe mit einer niedrigen Siedetemperatur steigen als Gas weiter auf und kondensieren erst weiter oben im kühleren Bereich. So sammeln sich auf verschiedenen Höhen unterschiedliche Gemische, die sogenannten Fraktionen.

Um die Stoffe noch besser zu trennen, sind im Turm sogenannte Glockenböden eingebaut. Das sind kleine Kappen über Löchern in den Böden der Etagen. Das aufsteigende Gas wird durch diese Kappen gezwungen, durch die Flüssigkeit der jeweiligen Etage zu blubbern. Das wäscht das Gas wie in einem Filter und sorgt für eine extrem saubere Trennung der Kohlenwasserstoffe.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Siedetemperaturen vergleichen: Finde heraus, welcher Stoff die höhere und welcher die niedrigere Siedetemperatur hat.
2. Temperatur im Turm zuordnen: Erinnere dich an den Aufbau: Der Turm ist unten extrem heiß und wird nach oben hin immer kühler.
3. Position bestimmen: Stoffe mit hoher Siedetemperatur kondensieren unten. Stoffe mit niedriger Siedetemperatur steigen als Gas weiter auf und kondensieren oben.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Erdöl ist ein riesiges Gemisch aus tausenden verschiedenen Kohlenwasserstoffen.
• Bei der fraktionierten Destillation wird dieses Gemisch anhand der unterschiedlichen Siedetemperaturen in einfachere Gemische (Fraktionen) getrennt.
• Im Destillationsturm ist es unten heiß und oben kühl.
• Stoffe mit hoher Siedetemperatur kondensieren unten, Stoffe mit niedriger Siedetemperatur kondensieren oben.