Kapitel 1 - Petro- und Bioraffinerien

Wie lautet die Definition einer Petroraffinerie?

Eine Petro-Raffinerie (bzw. Erdölraffinerie oder Ölraffinerie) ist ein großtechnischer Industriebetrieb, der den fossilen Rohstoff Erdöl (Rohöl) durch physikalische Trennverfahren sowie chemische Konversionsprozesse in höherwertige Produkte und Energieträger umwandelt. Typische Endprodukte einer Petro-Raffinerie sind Kraftstoffe (Benzin, Diesel, Kerosin), Heizöle, Schmierstoffe, Bitumen sowie wichtige chemische Grundstoffe (wie Naphtha) für die nachgelagerte Petrochemie.

Wie lautet die Definition einer Bioraffinerie?

Eine Bioraffinerie ist eine Industrieanlage, in der Biomasse (wie Holz, Stroh, Pflanzen oder organische Abfälle) in ihre Bestandteile zerlegt und verarbeitet wird. Ziel ist die möglichst vollständige, nachhaltige und kreislauforientierte Gewinnung verschiedener Produkte. Dabei werden alle Rohstoffkomponenten weitestgehend verwertet, inklusive Nebenprodukten wie Lebens- oder Futtermitteln sowie Reststoffverwertung.

Nennen Sie die Rohstoffe der petrochemischen und biobasierten Chemieindustrie.

Petrochemische Rohstoffe (Kohlenwasserstoffe):

• Rohöl

• Erdgas (Methan, Ethan, Propan und Butan)

• Flüssiggas (Propan und Butan)

• Braun- und Steinkohle

Biobasierte Rohstoffe:

• Zuckerrohr und Zuckerrüben

• Mais, Weizen und Kartoffeln (Werden fermentiert zu Bioethanol, Milchsäure (für PLA-Kunststoffe) oder Aminosäuren)

• Raps, Palmöl, Soja und Sonnenblumen (Gewinnung von Fettsäuren und Glycerin für Tenside, Schmierstoffe und Biodiesel)

• Holz, Stroh, Gräser und forstwirtschaftliche Reststoffe (Aufspaltung in Cellulose, Hemicellulose und Lignin zur Herstellung von biobasierten Polymeren, Aromaten und Plattformchemikalien)

• Organische Abfälle und Reststoffe

• Mikroalgen (liefern Lipide und Proteine)

Nennen Sie exemplarische Produkte der petrochemischen und biobasierten Chemieindustrie.

Produkte der Ethen-/Acetylenherstellung:

• Methan, Ethan, Propan, Butan, Wasserstoff, Ethen, Naptha

Allgemeine Petrochemie:

• Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid

• Petroleum, Kerosin, Schwefel

• Aceton, Ethanol (industriell), Methanol und Toluol

Biobasierte Industrie:

• Cellulose, Hemicellulose und Lignin

• Polylactid, Ethylen

• Biokraftstoffe aus Mais

Beschreiben Sie den Verfahrensablauf zur Ethenherstellung.

• Beginnt mit Rohöldestillation. Das Rohöl wird im ersten Schritt destillativ in verschiedene Siedefraktionen aufgetrennt (leichtflüchtige Gase, Naphtha, Gasöl sowie Schwersieder). Der Schwersieder landet im Kolonnensumpf.

• Die Schwersieder werden der Hochtemperaturpyrolyse zugeführt. Bei extrem hohen Temperaturen werden die langkettigen, schwerflüchtigen Kohlenwasserstoffe thermisch gespalten (gecrackt).

• Nach weiterer Destillation entsteht das Produkt der Hochtemperaturpyrolyse: Acetylen.

Wie funktioniert der Spaltofen (Cracker)?

• Oben wird der Rohstoff (Furnace Feed, z. B. Naphtha oder Ethan/Propan) eingespeist und durch die aufsteigenden heißen Rauchgase (Flue Gas, ca. 215 °C) schrittweise vorgeheizt.

• Im unteren Bereich in den durchlaufenden Reaktionsrohren steigen die Temperaturen auf ca. 550 °C bis 800 °C an, wodurch die Radikalbildung und Bindungsspaltung der Kohlenwasserstoffe ausgelöst werden.

Informationen zum Cracker/Spaltofen für die Ethenherstellung

Prozessparameter zur Reaktionskontrolle

• Verweilzeit: Hohe Verweilzeit begünstigt langkettige Sekundärprodukte. Durch Quenching werden kleine KW’s Produkte gewonnen.

• Partialdruck: Sekundärproduktbildung basiert auf einer Abnahme der Molekülanzahl → hoher Druck begünstigt Sekundärprodukte

• Temperatur: Oligomerisierung wird durch geringe Temperaturen bevorzugt → Temperaturprofil von ca. 550 °C → 800 °C mit geringer VZ

Quenching der heißen Gase

• Quenching: Initiierung eines Reaktionsstopps durch abrupte Abkühlung des Reaktionssystems => Verhinderung von Sekundärreaktionen.

• Am Ofenaustritt liegt das Gasgemisch bei über 800 °C mit einer maximalen Ethen-Ausbeute vor. Ohne sofortige Abkühlung würden die hochreaktiven Moleküle in unerwünschten Sekundärreaktionen weiterreagieren (Oligomerisierung).

• Das Quenchen stoppt die chemische Reaktion schlagartig und "friert" die Produktausbeute ein.

• Die entzogene Hitzemenge wird direkt zur Dampferzeugung genutzt und somit als Energie zurück ins Gesamtsystem gespeist.

• Quenching wird durchgeführt über Transferleitungswärmetauscher (TLE) und Rohrbündel (Shell-and-Tube) oder Doppelrohre mit Wasserkühlung.

Wie funktionieren Wärmetauscher?

• Das heiße Quenchergas durchströmt das Innere der Rohre, während auf der Außenseite (Mantelraum) Kühlflüssigkeit (Wasser unter hohem Druck) zirkuliert.

• Shell-and-Tube Heat Exchanger (Rohrbündelwärmetauscher): Das Gas wird auf ein Bündel paralleler Rohre verteilt, was die Kühloberfläche stark vergrößert. Das umgebende Kühlwasser nimmt die Wärme auf und verdampft zu Hochdruckdampf.