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Schule > Chemie > Organische Chemie > Fossile Brennstoffe > Erdöl (Chemiereferat)

Erdöl

Inhalt
- Was ist Erdöl?
- Chemische Zusammensetzung
- Fakten zu Erdöl
- Geschichtliches
- Erdölentstehung
- Erdölgewinnung
- Erdölverarbeitung (fraktionierte Destillation)
- Cracken (katalytisches Cracken)
- Verwendung
- Die Bedeutung von Erdöl und die Folgen von Rohstoffmangel
- Literaturquellen

Was ist Erdöl?

- Erdöl ist ein Gemisch aus einer Vielzahl von Kohlenwasserstoffverbindungen.
- Die Bezeichnung Erdö l wurde 1931 von H. v. Höfer für alle der Erde entstammenden, flüssigen, organischen und brennbaren Naturprodukte erfunden.
- Das unmittelbar aus der Erde kommende, ungereinigte Erdöl wird auch als Rohöl bezeichnet.
- Erdöle sind hellgelb bis fast schwarz gefärbt und haben einen angenehmen Geruch. Ein knoblauchartige Erdöl-Geruch ist auf Schwefelverbindungen zurückzuführen.
- Die Erdölressourcen sind im wachsenden Industriezeitalter und dem stetig zunehmenden Verkehr wichtig für die Mobilität und den Wachstum.
- Um Erdölvorkommen wurden bereits Kriege geführt, da die Nachfrage immer größer wird und die ständig schwindenden Erdöl Reserven eine unentbehrliche Energiequelle darstellen.

Chemische Zusammensetzung

- Da die Rohöle aus organischen Bestandteilen von Meeresorganismen hervorgegangen sind, ist eine Kompliziertheit und Vielfalt ihrer chemischen Zusammensetzung gegeben:

Bei den meisten Rohölen ergeben Elementaranalysen:
- 85-90% C, 10-14% H, 0-1,5% O, 0,1-3,0% S, 0,1-0,5% N
- und daneben auch eine geringe Menge an Aschebestandteilen
- und Spuren von Cl-, I-, P-, As-, Si, K-, Na-, Ca -, Mg-, Fe -, V-, Al-, Mn -, Cu -, und
Ni -Verbindungen.
- Der Kohlen- und Wasserstoffgehalt des Rohöls stammt vorwiegend von Kohlenwasserstoffen.
- Diese gehören im wesentlichen Gruppen wie z. B. der der Alkane an. Sie setzen sich aus gradkettigen Paraffine und den verzweigten Vertretern zusammen.

Fakten zu Erdöl

- Schwefelarme Erdöle nennt man süß , schwefel-reiche sauer (>1%)
- Die Siedetemperatur der wichtigsten Rohölbestandteile liegt zwischen 50° und 350°C.
- Die Trennung einzelner Bestandteile erfolgt durch Destillation.
- Die Viskosität steigt mit der Dichte und dem Siedepunkt. Auch bei längerem Aufenthalt an der Luft nimmt die Viskosität zu, da leichtflüchtige Bestandteile verdunsten.
- Rohöl ist in Wasser nicht löslich, sie können zusammen lediglich nach einem bestimmten Verfahren Emulsionen ergeben.
- Erdöl zeigt eine hohe Kapillarität und kann daher im Lampendocht hoch wandern und in sandige Böden eindringen.

Definition
Kapillarität (lat. capillaris ) ist das Verhalten von Flüssigkeiten, das sie bei Kontakt mit Kapillaren, z.B. engen Röhren, Spalten oder Hohlräumen, in Feststoffen zeigen.

Geschichtliches

- Die Parsen errichteten schon vor über 2500 Jahren Tempel für die "heiligen Feuer" (brennende Erdgase)
- Vor 2000 Jahren wurde Erdöl in den Mittelmeerländern als Heizmaterial, zum Beleuchten, zum Einbalsamieren von Leichen, als Mörtel, Wagenschmiere, zum Vernichten schädlicher Insekten usw. verwendet.
- Die Thermen von Serverus in Byzanz wurden von ca. 200 - 450 n. Chr. mit Erdöl beheizt.
- Die industrielle Verwendung von Erdöl setzte 1854 ein, als Silliman vorschlug, dest . und mit Schwefelsäure gereinigtes Erdöl in Lampen zu Beleuchtungszwecken zu verwenden.
- Ab 1859 stieg die Erdölförderung sprunghaft, nachdem vereinzelte Brunnenbohrungen erstmals zu großen Ressourcen geführt hatten.
- Mit der Einführung von Gaslicht und elektrischem Licht nach 1857 trat das Leuchtpetroleum in den Hintergrund und Erdöl wurde stattdessen für die rasch ansteigende Motorisierung verwendet.
- Die Weltproduktion nahm schnell zu: 1860 betrug sie noch 70 000 t, 1979 bereits 3250 Mio. t.

Erdölentstehung

(Bilder siehe bitte Datei)

Erdölgewinnung

Die Förderung nach Erdöl beginnt mit:
- der Auswertung von Luftaufnahmen und Bodenuntersuchungen. Bei entsprechenden Oberflächenanzeichen bedient man sich in der Regel seismischer Messungen, die mittels Geräuschquellen und Empfangsstationen durch den zurückgeworfenen Schall ein Bild der Schichtstruktur des Untergrundes wiedergeben.
- Vermutete Lagerstätten lassen sich eingrenzen um Aufschlussbohrungen mit 100%iger Sicherheit durchzuführen.
- Trotzdem ist in Deutschland nur jede sechste Aufschlussbohrung auch erfolgreich.
- Ist eine Öllagerstätte gefunden, so wird diese mit verschiedenen Bohrmethoden erschlossen.
- Die Kosten einer solchen Bohrung betragen bei einer Tiefe von etwa 5.000 Metern zwischen sieben und zwölf Millionen Euro.

Die verschiedenen Phasen der Erdölförderung:

- Primärförderung: Entweder wird das Öl durch den eigenen Lagerstättendruck an die Oberfläche befördert oder durch Pumpen.

- Sekundärförderung: Der natürliche Lagerstättendruck wird durch Gasinjektionen und in die Lagerstätte eingeleitetes Wasser wiederhergestellt.

- Tertiärförderung : wiederum wirkt auf die Kapillarkräfte ein, die das Öl an einer Bewegung im Porenraum hindern. Durch sie kann der Entölungsgrad auf 45 % erhöht werden, doch wird sie aufgrund hoher Kosten nur bei vorheriger Prüfung des wirtschaftlichen Nutzens eingesetzt.

Förderländer

- Saudi-Arabien mit 532,6 Mio. t
- Russische Förderation mit 472,0 Mio. t
- die USA mit 314,9 Mio. t.
- Die größten Anteile an den unmittelbaren Ressourcen besitzen Saudi-Arabien (ca. 36 Mrd. t), Kanada (ca. 24 Mrd. t) und der Iran (ca. 18 Mrd. t).

Erdölverarbeitung

- Erhitzung des Rohöls auf über 360°C im Röhrenofen
- Bestandteile verdampfen weitesgehend
- Sie gelangen in den Destillationsturm, der aus zahlreichen Glockenböden aufgebaut ist.
- Destillate sammeln sich in den Glockenböden der einzelnen Fraktionen
- Nach oben nehmen die Temperaturen der Glockenböden ab. Der aufsteigende Dampf
wird im Gegenstrom zur kondensierten Flüssigkeit in Kontakt gebracht
- Dieses Verfahren heißt auch Rektifikation, wobei alle Stoffe kondensieren, die einen
höheren Siedepunkt besitzen, als die Flüssigkeit im Glockenboden.
- Fraktionierung des Rückstandes in einer Vakuumdestillation bei niedrigem Druck
damit die Kohlenwasserstoffe nicht durch zu hohe Temperatur zerfallen
-> In Vakuum ist niedriger Druck, dem die Siedepunkterniedrigung folgt, wodurch die
Kohlenwasserstoffe vor dem Zerfall geschützt werden

- Die bei der ersten Destillation unter Normaldruck abgetrennten Gase (z.B. Methan,
Ethan, Propan und Butan) sind wichtige Heizgase
- Leicht- und Schwerbenzine (30-180°C) dienen als Ottokraftstoff für Kraftfahrzeuge.
- Das Mitteldestillat (180-250°C) wird zu Lampen-Petroleum oder zu dem Düsenkraftstoff
Kerosin verarbeitet.
- Das Heizöl wird zum Heizen in Ölbrennern oder als Dieselkraftstoff eingesetzt.
- Bei Vakuumdestillation des Rückstands erhält man weitere wichtige Erdölprodukte.
- Schweres Heizöl dient als Brennstoff für Kraftwerke oder Schiffsmotoren.
- Schmieröle eignen sich als Schmierstoffe für Motoren und Getriebe.
- Der unlösliche Rückstand Bitumen dient als Anstrichsstoff und vor allem als Straßenteer
zum Bau von Straßen.

Cracken

- Cracken (engl. to crack, "spalten"), ist ein Verfahren der Erdöl-Verarbeitung, wobei Kohlenwasserstoffe längerer Kettenlänge in Kohlenwasserstoffe kürzerer Kettenlänge gespalten werden.
- Der Markt fordert mehr kurzkettige Kohlenwasserstoffe (Benzin, Diesel, leichtes Heizöl) fordert, als im Erdöl enthalten ist.
- Es gibt zwei Hauptgruppen beim Cracken: Thermisches Cracken und katalytisches Cracken.
- Diese beiden Gruppen unterscheiden sich im Wesentlichen dadurch, dass beim thermischen Cracken keine Katalysatoren eingesetzt werden.

Definition:
Als Katalysator (aus dem Griechischen) bezeichnet man in der Chemie einen Stoff, der die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Dies geschieht durch Herauf- oder Herabsetzung der Aktivierungsenergie.

Katalytisches Cracken

- Im Erhitzer werden die zu spaltenden Kohlenwasserstoffe vorgeheizt.
- Danach werden sie mit dem aus dem Regenerator kommenden 650°C heißen Katalysator, einem Gemisch aus Al 2 O 3 (Aluminiumoxid) und SiO 2 ( Siliciumdioxid ), versetzt.
- Dabei verdampft das Gemisch vollständig und gelangt in den Reaktor.
- Bei den vorherrschenden hohen Temperaturen geraten die langen Kohlenstoffmoleküle in Schleuderbewegung, so dass sie auseinander reißen.
- Der im Reaktor eingebaute Abscheider trennt die Crackprodukte von dem verbrauchten Katalysator ab.
- Die gecrackten Kohlenwasserstoffe werden in einem nachfolgenden Destillationsturm in die einzelnen Fraktionen abgetrennt.
- Beim Cracken scheidet sich auf der Oberfläche des Katalysators Kohlenstoff ab, wodurch der Katalysator unwirksam wird.
- Daher wird der verbrauchte Katalysator im Regenerator mit Hilfe von Luftzufuhr abgebrannt, wodurch der Kohlenstoff verbrennt und der Katalysator wieder regeneriert wird.

Verwendung

Erdöl wird in zwei großen Bereichen verwendet:
- in der Energiegewinnung als Treib- und Heizstoffe
- als Ausgangsstoff in der Petrochemie

Definition:
Die Petrochemie ist die Chemie der Fels- und Steinöle. Der Begriff setzt sich aus ( griech .) petros = Fels und (lat.) oleum = Öl zusammen.

Produkte der Petrochemie

- PVC (Polyvinylchlorid) steckt in Fensterrahmen, Fußbodenbelägen und medizinischem Gerät, zum Beispiel in Schläuchen.
- Polyurethan eignet sich für Schaumstoffe in Polstermöbeln und Matratzen.
- Polystyrol findet sich in jeder Styropor-Verpackung.
- Ohne Polyethlyn gäbe es keine thermoplastischen Kunststoffe, also keine Gießkannen, Eimer, Fernsehgehäuse, Tupperdosen , Staubsauger.
- Polyamid ist der Stoff für Synthetikfasern ,
- Wasch- und Reinigungsmittel bauen auf Ethylenoxid

Die Bedeutung von Erdöl und die Folgen von Rohstoffmangel

- Dass Verknappung in der Rohstoffproduktion infolge natürlichen Aufbrauchs oder politischer Manipulation sehr weitreichende Folgen haben muss, ist selbstverständlich: Z. B. "Ölkrisen" 1973/1979/80.

- Angesichts des steigenden Bedarfs an Petrochemikalien (aus Erdöl entstandene Produkte) werden weltweit nicht nur die Forschungen nach neuen Herstellungs-Verfahren intensiviert, sondern es wird auch die Ausnutzung anderer Energien und Rohstoffe (Kern, - Sonnen- und Wasserenergie, Recycling von Müll und Wiederaufbereitung von Altöl) bestrebt um freie Erdöl – und Erdgaskapazitäten für die Zwecke der Petrochemie zurück zu gewinnen.

- Auch die Renaissance der Kohlechemie ist unter diesem Blickpunkt zu sehen.
--> Die stetige Suche nach neuen Energieressourcen zeigt die Unentbehrlichkeit von Erdöl und welchen Einfluss es auf unser Leben in vielerlei Hinsicht hat.

Literaturquellen

Textquellen
Chemielexika:
"RÖMPP", 9. Auflage, S. 1210-1214
Erschienen im: Georg Thieme Verlag Stuttgart – New York
Herausgeber: Jürgen Falbe und Manfred Regitz
Stand: 1995

Chemie Lehrbuch:
"Chemie heute - Sekundarbereich II", S. 298-300
Erschienen im: Schroedel Schulbuchverlag Hannover
Herausgeber: Manfred Jäckel und Dr. Karl Risch
Stand: 1992

Internetadressen:
- www.seilnacht.com/Lexikon/erdoel.html, Internet-Chemielexikon, Stichwort "Erdöl"
Herausgeber: Thomas Seilnacht
Stand: 2007

- www.klett.de, Schulbuchverlag, unter "Erdölförderung"
Herausgeber: Ernst Klett Verlag GmbH
Stand: keine Angaben

- www.wikipedia.de, Internet-Lexikon, Stichworte "Kapillarität", "Katalysator" und "Petrochemie"
Herausgeber: Freie Autoren
Stand: Keine Angaben

Bildquellen
- Eigens erstellte Grafik aus Informationen aus "RÖMPP" (siehe letzte Folie)
- www.seilnacht.com/Lexikon/erdoel.html, (siehe letzte Folie)

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