TC_Schmidt_Kap3

Der Rohstoff kommt genauso in der Natur vor. Der Einsatzstoff hingegen nicht, er dient als Grundstoff für chemische Prozesse.

• fossile Rohstoffe / erneuerbare Rohstoffe
• anorganische Rohstoffe / organische Rohstoffe

• fossil: Erze, Erdöl, Erdgas, Kohle
• erneuerbar: Wasser, Luft, Biomasse
• anorganisch: Erze, Mineralien, Wasserstoff (H₂), Kohlendioxid (CO₂), Kohlenmonoxid (CO), Edelgase, Luft, Stickstoff (N₂)
• organisch: Erdgas, Erdöl, Kohle, Pflanzen (Holz, Cellulose, Zucker, Fette, Öle), Tiere (Proteine, Collagen)

• Die Nutzungsrate von erneuerbaren Rohstoffen sollte deren Regenerationsrate nicht übersteigen
• Die Nutzungsrate sich erschöpfender Rohstoffe darf die Rate des Aufbaus sich regenerierender Rohstoffquellen nicht übersteigen
• Die Rate der Schadstoffemissionen darf die Kapazität zur Schadstoffabsorption der Umwelt nicht übersteigen

• Beratung der Bundesregierung
• Beratung der deutschen Wirtschaft
• Technische Zusammenarbeit mit Entwicklungsländern
• Geowissenschaftliche Forschung und Entwicklung
• Beschäftigung mit den Kernthemen: Energierohstoffe, mineralische Rohstoffe, Grundwasser, Boden

• Reserven: sind mit aktueller Technik wirtschaftlich gewinnbare Rohstoffe
• Ressourcen: sind derzeit wirtschaftlich nicht gewinnbar, jedoch nachgewiesen (bekannt) bzw. aufgrund geologischer Befunde vermutet (unbekannt)

• Reichweite = Reserve / Jahresproduktion
• bei der statistischen Reichweite wird angenommen, dass die Jahresproduktion konstant bleibt.

Sie besagt, dass das Fördermaximum von Erdöl am Gipfelpunkt (dmp = depletion mid-point) zu der Zeit ist, nach dem die Hälfte des förderbaren Öls einer Quelle gefördert wurde. (aufgestellt: 1956)

Erze sind Mineralien, die aufgrund ihres hohen Metallgehaltes bergmännisch abgebaut werden.

vorwiegend Metalle, aber auch Salze und Phosphat

• Name des Erzes: Metall | Summenformel
• Bauxit: Aluminum | Al(OH)₃
• Chromit: Chrom | (Fe, Mg)Cr₂O₄
• Galenit: Blei | PbS
• Hämatit: Eisen | Fe₂O₃
• Ilmenit: Eisen / Titan | FeTiO₃
• Magnetit: Eisen | Fe₃O₄
• Zinkblende: Zink | SnS
• Zinnober: Quecksilber | HgS
• Chalkosin: Kupfer | Cu₂S

Flotation ist ein Aufarbeitungsschritt bei sulfidischen Erzen zur Trennung des Minerals von der Gangart. Durch Zugabe von Tensiden in eine feinkörnige Suspension von Erzpartikeln in Wasser wird das Aufschwimmen mit Luftblasen begünstigt. Zusätzlich sind noch diverse Hilfsstoffe enthalten.

• Schäumer: Stabilisieren der Lusftblasen
• Sammler: Tenside, Partikel werden hydrophob
• Regler: pH-Regulatoren, Flockungsmittel
• Drücker: verbessern die Benetzbarkeit der Erze, verstärken Absinken

Rösten ist die Verbrennung sulfidischer Erze zur Aufbereitung

• ZnS + 1,5 O₂ → ZnO + SO₂
• PbS + 1,5 O₂ → PbO + SO₂
• CuS + 1,5 O₂ → CuO + SO₂
• 2 FeS₂ + 5,5 O₂ → Fe₂O₃ + SO₂

An den Reaktionsgleichungen ist zu sehen, dass bei der Reaktion SO₂ entsteht. Dieser Wertstoff wird aus den Röstgasen entfernt und der Schwefelsäureproduktion zugeführt (Koppelproduktion).

• Mit dem Linde-Verfharen
• Verdichtete Luft wird im Gegenstromverfahren vorgekühlt und wieder entspannt, so dass die einzelnen Bestandteile bei erhähtem Druck flüssig vorliegen. In einer Rektifikationskolonne werden 3 Fraktionen abgetrennt: Stickstoff (N₂), Sauerstoff (O₂) und Restgas.

• Stickstoff
• Sauerstoff
• Argon
• Edelgase (Ne, Kr, Xe)

• Verwendung:
• - Kühlwasser
• - Herstellung von Dampf (Heizen)
• - chemische Reaktion

• Herkunft:
• - Brunnen
• - Oberflächenwasser
• - Regenwasser

• Anforderungen:
• - ionische Leifähigkeit
• - pH-Wert
• - Härte
• - TOC (total organic carbon = gesamter organischer Kohlenstoff)
• - Glührückstand

• konventionell: Erdöl, Erdgas, Kohle
• nicht konventionell: Schwerstöle, Bitumen, Ölsande / -schiefer, Gashydrate, Biogas

• Erdöl
• Schwerstöle
• Ölsande
• Ölschiefer

• Pflanzliche und tierische Organismen sedimentierten vor ca. 570 Mio Jahren auf den Meeresboden. Dort wurden sie durch anaerobe Bakterien unter hohem Druck in Erdöl umgewandelt.

• Kohlenstoff 85-90
• Wasserstoff 10-14
• Sauerstoff 0-2
• Stickstoff 0,1-2
• Schwefel 0,1-7
• Metalle (V, Ni, Na) Spuren (ppm)
• Ölsande können mehr V enthalten

• direkte Förderung durch Bohrturm
• Förderung durch Wasserfluten
• Tensid-Polymer-Fluten
• Wasseraufbereitung aus dem Golf von Mexiko ;-)

Durch diskontinuierliches Einspritzen einer Tensidlösung in die Lagerstätte bildet sich eine Wasser-Öl-Emulsion (Mikroemulsion), welche durch Zugabe eines Polymers herausgeflutet wird.

• Eine Raffinerie dient der destillativen Aufarbeitung von Erdöl und der chemischen Weiterverarbeitung.
• Man unterscheidet zwischen:
• Kraftstoffraffinerie:
• produziert Kraftstoffe für Antriebe, Brennstoffe zum Heizen
• Dies sind Stoffgemische mit definierten Eigenschaften (Heizwert/Brennwert, Dampfdruck (Sommer/Winter), Viskosität, Oktanzahl)

• petrochemische Raffinerie:
• produziert Grundchemikalien für die chemische Industrie
• Dies sind reine chemische Stoffe mit einer definierten Struktur/Funktionalität, die als Bausteine für Chemikalien dienen

• 1. Destillationsbereich
• 2. Veredelungsschritte
• der 1. Schritt ist bei allen beiden Raffinerietypen gleich, sie unterscheiden sich nur durch den 2. Schritt

• Kolonnenhöhe: bis 60 m
• Bödenzahl: 40-80 (25-60 theoretische Stufen)
• Tageskapazität: 20000 - 30000 t Rohöl
• Druck: 1013 mbar (Atmosphärendruck)

Naphtha ist die technische Bezeichnung für Rohbenzin. Genauso wie bei den Benzinen spricht man auch beim Naphtha von leichtem und schwerem Naphtha, angelehnt an den Siedepunkt.

• Unter Cracken versteht man die Umwandlung langettiger Alkane in kürzer kettige Alkane und Alkene (Olefine).
• Die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe sind sowohl für die Energie- als auch den Chemiebereich interessanter in der Anwendung.
• Verfahren:
• - Thermisches Cracken (Visbreaking, Fluid-Coking)
• - katalytisches Cracken (Fluid-Catalytic Cracking (FCC), Hydrocracking)

• R₁-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-R₂ → R₁-CH₂-CH₃ + CH₂=CH-R₂

Hierbei werden ohne den Einsatz von Katalysatoren die Moleküle so stark erhitzt, dass die C-C-Bindungen aufbrechen. Dabei entstehen kurzkettige Kohlenwasserstoffe.

• Visbreaking ist ein thermisches Crackverfahren, bei dem unter Eiusatz des Atmosphärenrückstandes aus der Erdöldestillation in einem Spaltofen (480 - 490 °C, 8-50 bar) kurzkettige Moleküle erzeugt werden. Diese werden vor dem Eintritt in eine Fraktionierkolonne mit kaltem Crackgasöl gequencht, bevor sie in einzelne Fraktionen aufgetrennt werden: Crackgase, Crackbenzin (Kopf), Crackgasöl (Mitte), Crackrückstand (Sumpf)

• Es ist ein Verfahren für thermisches Cracken. In einem Aufheizer werden Kokspartikel auf ca. 625 °C erhitzt, die dann dem eigentlichen Crackreaktor zugeführt werden. Dieser ist eine Wirbelschicht, in der sich die noch zwischen 500 - 550 °C heißen Kokspartikel befinden. Koks aus dem Crackreaktor wird in den Aufheizer zurückgeführt. Als Feed kommt Atmosphärenrückstand aus der Erdöldestillation zum Einsatz. Produkte sind Leichtsieder, Gasöl und Koks.

• Zeolithe: komplex strukturiert und haben formselektive Eigenschaften. Das bedeutet, dass bestimmte Reaktionen an Isomeren begünstigt ablaufen, andere gar nicht stattfinden. Sie sind also für bestimmte Reaktionen selektiv, man unterscheidet zwischen
• Reaktanden-Selektivität
• Produkt-Selektivität
• Übergangszustand-Selektivität

• Bildung eines Carbenium-Ions
• Bildung eines Carbonium-Ions

• Dieses Verfahren besteht aus 3 wesentlichen Apparaten:
• - Regenerator (T > 600 °C)
• - Reaktor (480 °C < T < 540 °C)
• - Kolonne
• Im Fließbettreaktor befindet sich mit Luft fluidisiertes Zeolith-Pulver. Dieses wird in einem Regenerator fluidisiert und wieder in den Reaktor zurückgeführt. Das Produktgemisch aus dem Reaktor wird in einer Kolonne fraktioniert: Crackgas, Crackbenzin, Crackgasöl und Rückstand. Als Einsatz wird Vakuumgasöl oder Vakuumrückstand verwendet. Der Anlagendurchsatz beträgt 15000 t pro Tag.

Durch den Einsatz von Wasserstoff nach dem Crackprozess werden Alkene in Alkane zurückgewandelt, es entstehen bevorzugt gesättigte Kohlenwasserstoffe.

• HDS = Hydrodesulfurierung, ein Wasserstoff-Entschwefelungsverfahren.
• Es ist eine katalytische Hydrierung mit Co-MoO₃ oder Al₂O₃-Katalysator, die bei 300 - 400 °C und 25 - 60 bar durchgeführt wird

• R₁-SH + H₂ → R₁-H + H₂S
• R₁-S-R₂ + 2 H₂ → R₁-H + R₂-H + H₂-S

Eine Kombination aus HDS und Hydrocracker

• Produkt: Schwefel
• Einsatzstoffe: H₂S und O₂

• Gesamtreaktion:
• 3 H₂S + 1,5 O₂ → 3 S + 3 H₂O

• Isomerisierung und Cyclisierung von Alkanen (Oktanzahl erhöhen)
• Überführung von Cycloalkanen (Naphthene) in Aromaten

ALs Einsatzstoff wird Schwerbenzin oder schweres Naphtha, als Katalysatoren Pt-Re oder Pt auf Al₂O₃ verwendet. Die Reaktionen laufen bei hohem Druck von 30 - 40 bar und Temperaturen zwischen 490 - 540 °C in einem Rieselbettreaktor (moving bed Reaktor) ab.

• Isomerisierung von n-Alkanen in iso-Alkane (Oktanzahl erhöhen)
• Isomerisierung von Naphthenen
• Dehydrierung von Naphthenen zu Aromaten
• Dehydrocaclisierung von n-Alkanen zu Naphthenen
• es entsteht H₂ als Koppelprodukt

• Isomerisierung
• - geradkettige Alkane in iso-Alkane (Pt-Katalysator)
• Alkylierung
• - Umsetzung von Isobutan mit niedrigen (C₃-C₅) Alkenen (Olefinen) an sauren Katalysatoren (H₂SO₄, wasserfreie HF)
• Polymerisierung
• - als Alternative zur Alkylierung; Polymerisation niedriger Olefine zu Polymerbenzin

n-Octan → 2,5 Methylhexan

• Dimethylcyclopentan → Methylcyclohexan

• Cyclohexan → Benzol
• Methylcyclohexan → Toluol
• Dimethylcyclohexan → p-Xylol

• n-Heptan → Toluol

• Methylpropan + Propen → 2 Methylhexan

• Propen + Propen → 2 Methylhepten

• Methan - 85
• Ethan - 9
• Propan - 2,5
• Butan - 0,7
• Pentan - 0,1
• Hexan - 0,05
• CO2 - 1,65
• N2 - 1
• O₂ - <0,01

• Der Entstehungsprozess von Erdgas ähnelt sehr dem von Erdöl, weswegen diese beiden Substanzen auch oft zusammen gefunden werden. Es entsteht unter Sauerstoffabschluß bei hohen Drücken und Temperaturen aus abgestorbenen und abgesunkenen Kleinstlebewesen. Dieser Vorgang kann in 4 Schritten des anaeroben Abbaus von Biomasse beschrieben werden:
• - Hydrolyse
• - Acidogenese
• - Acetogenese
• - Methanogenese

• CO2
• Schwefel
• Methan
• Ethan
• Propan
• Butan
• C₅+
• H₂O

Hierbei wird dem Erdgas in einer Absorber-Desorber-Anlage Wasser entzogen. Im Absorber wird das Erdgas mit dehr hygroskopischem Triethylenglykol (TEG) über Packungen in Kontakt gebracht. Das beladene TEG wird im Desorber regeneriert und wieder dem Absorber zugeführt. Im Desorber fallen Abgase an, aus dem Absorber strömt Reingas

Erdgas kann auch in so genannten Methanhydraten als Sediment im Ozean lagern. Hierbei handelt es sich um von erstarrtem Wasser eingeschlossene Gasmoleküle. Schätzungen zufolge lagern mehr als 50 % des globalen Kohlenstoffs in solchen Methanhydraten. Zusammen mit Kohle, Erdöl und Erdgas macht dies sogar 75 % aus.

Durch...

• ...Verkokung / Schwelung (Entgasung)
• - Koks
• - Gas
• - Teer
• - Benzol
• ...Vergasung (indirekte Kohleverflüssigung)
• - Synthesegas (CO / H₂)
• - Methan
• ...Hydrierung (direkte Kohleverflüssigung)
• - Gas
• - Benzin
• - Mittel / Schweröle
• ...Carbid-Synthese (elektrothermische Umsetzung von Koks)
• - Acetylen

• Bei 70 - 450 °C; der nicht destillierbare Rückstand heißt Pech
• ...Kristallisation
• - reine Kohlenwasserstoffe
• - Aromatenöle
• ...Extraktion
• - Phenole
• - Heterocyclen
• ...Pech
• - Straßenteer

CO / H₂

• Steamreforming: Erdgas, Leichtbenzin
• Partielle Oxidation: Kohle, Schweröl, Destillationsrückstände

• Ammoniaksynthese
• Methanolsynthese
• Hydroformulierung
• Kohlenmonoxid
• Reinst-Wasserstoff