Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe

Erdöl und Erdgas als Kohlenwasserstoffe Übung

• Schildere die Förderung von Erdgas und Erdöl.

  Tipps

  Mithilfe von Gas lässt sich ein höherer Druck erzeugen als mit Flüssigkeiten, da Flüssigkeiten sich nicht komprimieren lassen.

  Lösung

  Erdöl und Erdgas sind die Produkte von Abbauprozessen biologischen Materials. Dieses ist unter luftdichten Gesteinsschichten unvollständig abgebaut worden und im Laufe von langen Zeiträumen haben sich so langkettige Kohlenwasserstoffe gebildet. Je nach Länge der Kohlenstoffketten sind die Kohlenwasserstoffe gasförmig oder flüssig.
  Gasförmige Kohlenwasserstoffe stehen in den Lagerstätten unter Druck. Bohrt man diese Lagerstätten an, entweicht das Gas durch das Bohrloch. Die Förderung ist daher sehr einfach.
  Auch die Lagerstätten mit Erdöl enthalten Gase und stehen daher unter Druck. Das Erdöl lässt sich mithilfe des Druckes fördern, indem die Lagerstätte angebohrt und ein Rohr in das flüssige Erdöl eingeführt wird. Der Druck in der Lagerstätte drückt das flüssige Öl durch das Rohr an die Erdoberfläche.
  Reicht der Druck nicht mehr aus, um das Erdöl bis an die Oberfläche zu pumpen, wird der Druck in der Lagerstätte künstlich erhöht. Dies kann in der zweiten Phase der Förderung durch Einleiten von Wasser in die Lagerstätte erreicht werden.
  Auch so lassen sich aber nur 20 - 60% des Erdöls aus der Lagerstätte befördern. Daher wird der Druck durch Einleiten von Gasen, Wasserdampf, Chemikalien oder Mikroorganismen weiter erhöht, sodass weiteres Erdöl bis an die Erdoberfläche gelangen kann.

• Beschreibe die Eigenschaften und Zusammensetzung von Erdöl und Erdgas.

  Tipps

  Erdöl und Erdgas enthalten die gleiche schwefelhaltige Verbindung.

  Nicht alle Begriffe dürfen markiert werden!

  Lösung

  Erdöl und Erdgas entstammen der gleichen Quelle, dem unvollständigen Abbau von organischem Material unter Luftabschluss. Die dabei entstandenen Kohlenwasserstoffe sind, abhängig von den herrschenden Bedingungen, zu unterschiedlich langen Kohlenwasserstoffketten reagiert. Kurzkettige Kohlenwasserstoffketten sind gasförmig und daher im Erdgas zu finden. Dies sind vor allem Methan, Ethan, Butan und Propan. Zusätzlich befinden sich im Erdgas unterschiedliche Anteile anderer Gase, wie Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff. Auch Schwefelwasserstoff kann in großen Mengen enthalten sein.
  Dieser kann auch in Erdöl enthalten sein. Allgemein enthält Erdöl die Kohlenwasserstoffe mit einer Kettenlänge von mehr als vier Kohlenstoffatomen.

  Da Erdgas bei Raumtemperatur gasförmig ist, ist der Siedepunkt sehr niedrig. Er liegt je nach Zusammensetzung weit unter -100°C. Erdöl hingegen siedet erst bei höheren Temperaturen. Da die Kohlenstoffketten unterschiedlich lang sind, sieden sie bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Siedepunkte liegen zwischen 30°C und 400°C, teils auch darüber.
  Die Farbe von Erdöl variiert je nach Zusammensetzung zwischen gelb und schwarz, der Geruch ist der typische Benzingeruch, den jeder von der Tankstelle kennt. Erdgas hingegen ist farb- und geruchlos. Damit wir bei Schäden an Gasleitungen oder Ähnlichem auf austretendes Gas aufmerksam werden, wird dem Gas bei der Aufbereitung ein geruchsintensives Gas beigemischt.

• Bestimme die Produkte, die aus Erdöl gewonnen werden.

  Tipps

  Nagellackentferner besteht hauptsächlich aus dem Lösungsmittel Aceton $H_3C-CO-CH_3$.

  Aus einigen Kunststoffen können Fasern hergestellt werden.

  Lösung

  Erdöl ist der Grundstoff, aus dem fast alle organischen Chemikalien, die in der Chemieindustrie verarbeitet werden, hergestellt werden. Erdöl wird in unterschiedlich lange Kohlenwasserstoffe zerlegt und gereinigt, diese werden verändert oder polymerisiert, bis die gewünschten Chemikalien erhalten werden.

  Daher ist Erdöl in fast allen Produkten enthalten, die von der chemischen Industrie produziert werden. Fast alle Kunststoffe werden aus Erdölprodukten hergestellt, aus den Kunststofffasern wird auch Kleidung gewebt. Nagellackentferner besteht hauptsächlich aus Aceton, einem Lösungsmittel, das aus Erdöl hergestellt wird und in der Industrie in riesigen Mengen zum Einsatz kommt. Auch Arzneimittel sind in der Regel kompliziert gebaute organische Verbindungen. Sie enthalten also Kohlenwasserstoff-Gerüste und werden daher auch aus Erdöl gewonnen. Auch Waschmittel enthalten organische Stoffe, die aus Erdöl gewonnen werden.
  Erdöl ist aber noch in weit mehr Produkten des täglichen Lebens enthalten: offensichtlich in Benzin und Motorölen, in Plastiktüten, in den Kunststoffverkleidungen von Autos, in unseren Telefonen, im Computer, allen Farben, die uns umgeben... Es gibt erstaunlich wenig Gegenstände, mit denen wir uns umgeben, die nicht auf Basis von Erdöl hergestellt werden!

  Gegenstände, die aus Holz oder Metall gefertigt werden, enthalten hingegen kein Erdöl. Oft sind jedoch auch hier Erdölprodukte enthalten: Der Kunststoffgriff eines Topfdeckels, die Druckerfarbe in Büchern oder Pflegeöle, mit denen Holzmöbel behandelt werden.

• Erschließe den Ablauf der Erdölaufbereitung.

  Tipps

  Beim Cracken werden langkettige und daher hochsiedende Kohlenwasserstoff durch Hitzeeinwirkung oder an Katalysatoren in kleinere, gasförmige Fragmente umgewandelt.

  Die hochsiedenden Fraktionen erhält man am Ende der Destillation. Sie werden zum Cracken und zum Reforming genutzt.

  Lösung

  Der Prozess der Erdölaufbereitung ist äußerst kompliziert und wird in riesigen Industrieanlagen durchgeführt, die als Raffinerien bezeichnet werden. Das Erdöl muss je nach Zusammensetzung unterschiedlich behandelt werden, um es in seine Bestandteile aufzutrennen und weiter zu verarbeiten. Der Ablauf ist daher sehr komplex und unterscheidet sich je nach Herkunft und Qualität des Rohöls.
  Das wichtigste Verfahren, das immer durchgeführt wird, ist die fraktionierte Destillation. Das Rohöl wird dabei stark erhitzt, bis bei etwa 400°C viele Kohlenwasserstoffe gasförmig sind. In großen Türmen, die von unten nach oben kälter werden, wird das Gas abgekühlt. Dabei kondensieren die Kohlenwasserstoffe je nach Siedepunkt an unterschiedlichen Stellen der Destillationskolonne. So können die Bestandteile erhalten werden, die als Benzin, Diesel oder Kerosin in den Handel kommen. Auch gasförmige Bestandteile können so isoliert und weiterverarbeitet werden.
  Um den hochsiedenden Rückstand, der eine teerartige Konsistenz hat, zu trennen, wird eine Destillation unter Vakuum durchgeführt. Dabei werden auch längerkettige Kohlenwasserstofffe gasförmig, die einen höheren Siedepunkt haben. Diese werden als Heizöl oder Bitumen genutzt. Ein Teil dieser Kohlenwasserstoffe kann jedoch nicht genutzt werden, daher müssen die Kohlenwasserstoffketten gecrackt, also gebrochen werden, um kleinere Fragmente zu erhalten. Das einfachste Verfahren dazu ist, die Verbindungen so stark zu erhitzen, bis sie sich zersetzen. So erhält man Gase, wie Ethen oder Propen.
  Diese können weiterverkauft werden oder in Benzin, Diesel oder Ähnliches umgewandelt werden. Der entsprechende Prozess wird als Reforming bezeichnet. Kurze Kohlenwasserstoffe werden zu etwas längeren, verzweigten Kohlenwasserstoffen verknüpft. Diese Verbindungen verbessern die Qualität der Kraftstoffe und vermindern deren Klopfzahl. Daher kann auf besonders giftige Zusatzstoffe, wie Blei, verzichtet werden.

• Nenne Verwendungsmöglichkeiten von Erdgas.

  Tipps

  Erdgas hat einen hohen Heizwert.

  Lösung

  Erdgas ist an erster Stelle ein Energieträger, der sehr einfach große Mengen an Wärmeenergie liefert. Diese kann auf unterschiedliche Art und Weise genutzt werden.
  Die Wärme kann direkt zum Heizen von Wohnräumen genutzt werden. Größere Wärmemengen werden in Industrieanlagen benötigt, diese können ebenfalls mit Erdgas erzeugt werden. Die Wärme kann auch zur Stromerzeugung genutzt werden. Dies geschieht in großen Erdgaskraftwerken, die Strom für ganze Städte liefern können.
  Schließlich ist Erdgas noch ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie. Aus Erdgas werden eine ganze Reihe wichtiger Grundchemikalien mit kleinen Kettenlängen von Kohlenstoffatomen hergestellt.

• Analysiere die fraktionierte Destillation eines Gemisches von Kohlenwasserstoffen.

  Tipps

  Welche Destillate werden an welcher Stelle der Rektifikationskolonne entnommen?

  Gasförmige Produkte sammeln sich am oberen Ende der Rektifikationskolonne.

  Lösung

  Der wichtigste Schritt bei der Aufbereitung des Rohöls besteht in der fraktionierten Destillation. Diese wird in bis zu 50m hohen Apparaturen aus Edelstahl durchgeführt, die als Rektifikationskolonnen bezeichnet werden. Diese sind mit vielen Zwischenböden ausgestattet, auf denen sich die unterschiedlichen Destillate sammeln können.
  Das Rohöl wird auf 400°C erhitzt und wird so zum Großteil gasförmig. Die Temperatur nimmt innerhalb der Rektifikationskolonne von unten nach oben ab. Die im Rohöl enthaltenen Verbindungen kondensieren daher an unterschiedlichen Stellen der Rektifikationskolonne, entsprechend ihren Siedepunkten. Sie sammeln sich daher auf unterschiedlichen Zwischenböden.

  Ganz oben sammeln sich gasförmige Bestandteile, die den niedrigsten Siedepunkt haben. Dies sind zum Beispiel die Gase Ethen, Ethan, Propan und Butan. Diese können durch Reforming in Kraftstoffe umgewandelt werden oder direkt verwertet werden.
  Auf den obersten Böden sammeln sich niedrig siedende Kohlenwasserstoffe, wie Isooctan und Petrolether. Diese haben etwa fünf bis acht Kohlenstoffatome und bilden die Hauptbestandteile von Benzin.
  Weiter unten kondensieren die Bestandteile des Diesels, sie haben einen Siedepunkt, der etwa 150°C höher liegt. Dies sind längerkettige Alkane, Cycloalkane oder aromatische Kohlenwasserstoffe mit etwa neun bis 22 Kohlenstoffatomen pro Molekül. Beispiele sind Isononan, Cyclodecan oder Dodecan.
  Ziemlich weit unten in der Kolonne, also bei einem sehr hohen Siedepunkt, kondensieren die Bestandteile des Heizöls. Schweres Heizöl wird in Kraftwerken zur Energiegewinnung genutzt und treibt große Schiffe mit riesigen Motoren an. Der Siedepunkt liegt bei 300°C oder höher, dementsprechend groß sind die Kohlenwasserstoffe. Es sind aromatische Kohlenwasserstoffe und verzweigte Alkane mit 20 bis 70 Kohlenstoffatomen pro Molekül. Beispiele sind das Eicosan mit 20 Kohlenstoffatomen und eine Gruppe von polyaromatischen Verbindungen, die mit dem Sammelbegriff Aspaltene bezeichnet werden. Schweres Heizöl hat eine sehr zähe Konsistenz und wird daher bei 60°C gelagert. Dadurch ist es so flüssig, dass es sich pumpen lässt. Bevor es verbrannt wird, muss die dickflüssige Masse auf 150°C erwärmt werden.