Wie funktioniert eine Ölraffinerie?

• Eine Raffinerie verwandelt Rohöl, eine Mischung aus Tausenden Chemikalien, durch Destillations-, Crack-, Reforming- und Behandlungsprozesse in Produkte wie Benzin, Diesel, Flugtreibstoff und Schmierstoffe
• Der erste Schlüsselschritt, die atmosphärische Destillation, trennt Rohöl in mehrere Fraktionen, indem sie ausnutzt, dass unterschiedliche Moleküle unterschiedliche Siedepunkte haben; Rohöl wird nach der Entsalzung auf etwa 650–750°F erhitzt
• Schwere Fraktionen werden durch katalytisches Cracken, Vakuumdestillation, thermisches Cracken und Coking in leichtere und wertvollere Moleküle umgewandelt; durch katalytisches Reforming, Isomerisierung und Hydrotreating werden zudem Struktur und Qualität angepasst
• Die Chevron-Richmond-Raffinerie kann rund 250.000 Barrel pro Tag verarbeiten und stellt durch die Kombination von atmosphärischer Destillation, Vakuumdestillation, katalytischem Cracken und katalytischem Reforming verschiedene Erdölprodukte her
• Die Leistungsfähigkeit einer Raffinerie zeigt sich nicht ausreichend allein an der Tageskapazität; der Nelson Complexity Index gibt anhand der Verarbeitungskapazität und der Komplexitätsfaktoren der einzelnen Prozesse an, wie viele unterschiedliche hochraffinierte Produkte eine Raffinerie herstellen kann

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Grundstruktur von Erdöl und Raffination

• Die Welt verbraucht pro Tag mehr als 100 Millionen Barrel Erdöl, und 2023 machte Erdöl 30% des weltweiten Energieverbrauchs aus und hatte damit den größten Anteil unter den einzelnen Energiequellen
• In der Chemieproduktion ist der Anteil von Erdöl und Gas noch größer; 90% der chemischen Rohstoffe stammen aus Erdöl oder Gas
• Rohöl ist, wenn es aus dem Boden kommt, ein komplexes Gemisch aus Tausenden Chemikalien, und Raffinerien wandeln dieses Gemisch in tatsächlich nutzbare Chemikalien und Produkte um
• Große Raffinerien erstrecken sich über Flächen von Tausenden Acres, kosten Milliarden Dollar im Bau und verarbeiten Hunderttausende Barrel Rohöl pro Tag
• Rohöl ist überwiegend eine Flüssigkeit, die aus organischem Material wie Plankton und Algen entstand, das auf den Böden urzeitlicher Meere absank, von Sedimenten bedeckt wurde und sich über Millionen Jahre veränderte
• Der Großteil der Bestandteile von Rohöl sind Kohlenwasserstoffe, von einfachen Molekülen wie Propan bis zu komplexen Molekülen wie Asphaltenen, die Tausende Atome enthalten können
• Asphaltene sind streng genommen keine Kohlenwasserstoffe; sie bestehen überwiegend aus Kohlenstoff und Wasserstoff, können aber auch andere Atome wie Schwefel oder Schwermetalle enthalten
• Rohöl hat je nach Herkunft eine unterschiedliche Zusammensetzung; Schweröl aus Regionen wie den kanadischen Ölsanden enthält mehr schwere Moleküle, während Leichtöl aus Feldern wie dem saudi-arabischen Ghawar-Feld mehr leichte Moleküle enthält
• Schwefelarmes Rohöl wie das aus dem Brent-Feld in der Nordsee hat einen niedrigen Schwefelgehalt, während schwefelreiches Rohöl wie manches Rohöl aus dem Golf von Mexiko einen hohen Schwefelgehalt aufweist

Wie Rohöl durch Destillation getrennt wird

• Der wichtigste Prozess in einer Raffinerie ist die Destillation, bei der ausgenutzt wird, dass unterschiedliche Moleküle im Rohöl bei unterschiedlichen Temperaturen sieden und anschließend wieder zu Flüssigkeit kondensieren
• Kleine und leichte Moleküle sieden und kondensieren bei niedrigeren Temperaturen, große und schwere Moleküle bei höheren Temperaturen
• Der Siedebereich von Rohöl lässt sich als Destillationskurve darstellen; in einer Beispielkurve ist bei etwa 350°C die Hälfte des Rohöls verdampft, bei 525°C etwa 80%
• Benzin ist keine einzelne Chemikalie, sondern vor allem ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen mit 4 bis 12 Kohlenstoffatomen
• Die EIA definiert fertiges Benzin als Stoff mit einem Siedebereich von 122 bis 158 Grad Fahrenheit am 10%-Rückgewinnungspunkt und 365 bis 374 Grad Fahrenheit am 90%-Rückgewinnungspunkt
• Der Rückgewinnungspunkt bezeichnet die Temperatur, bei der der entsprechende Anteil einer Flüssigkeit nach der Verdampfung gesammelt wird
• Rohöl, das in die Raffinerie gelangt, wird zunächst entsalzt und dann auf etwa 650–750°F erhitzt, sodass der Großteil in Dampf übergeht
• Der Dampf gelangt in eine hohe Destillationskolonne mit Trays, auf denen sich auf verschiedenen Höhen Flüssigkeit befindet, und kühlt beim Aufsteigen nach und nach ab, während er durch die Flüssigkeit auf jeder Ebene strömt
• Die schwersten Moleküle kondensieren zuerst im unteren Teil der Kolonne, leichtere weiter oben und später, während die leichtesten bis zum Schluss gasförmig bleiben und am Kolonnenkopf austreten
• Die schwersten Moleküle bleiben von Anfang an flüssig und verlassen den Boden der Kolonne; auf diese Weise lassen sich Moleküle unterschiedlicher Masse trennen
• Fast alle Raffinerien teilen Rohöl zunächst in mehrere Fraktionen in einer Destillationskolonne auf; da dieser erste Schritt bei Atmosphärendruck erfolgt, wird er atmosphärische Destillation genannt

Wichtige Raffinerieprozesse

• Gas Plant

  • Das Gas, das am Kopf der atmosphärischen Destillationskolonne austritt, ist ein Gemisch aus verschiedenen leichten Molekülen wie Propan, Methan, Butan und Isobutan
  • Die Raffinerie kann dieses Gemisch zur Trennung in eine Gas Plant schicken, die aus mehreren Destillationskolonnen besteht
  • So trennt zum Beispiel ein debutanizing tower Butan, Propan und leichtere Gase vom Rest des Gemischs, und ein depropanizing tower trennt Propan von Butan
  • Die meisten Gase, die in eine Gas Plant gehen, haben keine Doppelbindungen; Kohlenwasserstoffe ohne Doppelbindungen sind gesättigte Kohlenwasserstoffe, weil sie die maximal mögliche Zahl an Wasserstoffatomen tragen, weshalb solche Anlagen als sats gas plant bezeichnet werden

• Katalytisches Cracken

  • Am Boden der Destillationskolonne treten schwere Flüssigkeiten aus, und die schwersten Moleküle, die im Destillationsprozess überhaupt nicht verdampft sind, werden als Rückstandsöl bezeichnet
  • Viele schwere Moleküle sind für sich genommen nicht besonders wertvoll; eine wichtige Aufgabe der Raffinerie ist deshalb das Cracken, also das Aufspalten schwerer Fraktionen wie Schweröl in leichtere und wertvollere Fraktionen wie Benzin
  • Cracken wurde Anfang des 20. Jahrhunderts erfunden, um aus einem Barrel Rohöl mehr Benzin zu gewinnen und so die mit der Verbreitung des Automobils stark gestiegene Nachfrage zu decken
  • Heute nutzen die meisten Raffinerien katalytisches Cracken: Schwere Fraktionen aus der atmosphärischen Destillation werden mit einem Katalysator vermischt und unter Hitze und Druck in leichtere Moleküle gespalten
  • Anschließend trennt ein Zyklonabscheider den schweren Katalysator vom Gemisch, damit er gereinigt und wiederverwendet werden kann; das gecrackte, verdampfbare Öl wird erneut in eine Destillationskolonne geschickt und dort in mehrere Fraktionen aufgeteilt
  • Der größte Teil des katalytischen Crackens erfolgt als Fluid Catalytic Cracking, bei dem ein sandähnlicher Katalysator verwendet wird, der sich beim Mischen mit schweren Fraktionen wie eine Flüssigkeit verhält
  • Unterschiedliche Unternehmen haben verschiedene Fluid-Catalytic-Cracking-Verfahren entwickelt, und eine einzelne Raffinerie kann an mehreren Stellen des Prozesses mehrere Crackeinheiten einsetzen

• Vakuumdestillation

  • Bei hohen Temperaturen kann es auch innerhalb der Destillationskolonne zu Crackreaktionen kommen; da Cracken den Destillationsprozess stört, begrenzen Raffinerien die Temperatur der atmosphärischen Destillation auf etwa 650–750°F
  • Wegen dieser Begrenzung bleibt am Boden der Kolonne ein Gemisch nicht siedender schwerer Kohlenwasserstoffe zurück
  • Um dieses Gemisch weiter zu trennen, müsste die Temperatur erhöht werden, doch dann könnte Cracken einsetzen, was die Verarbeitung mit atmosphärischer Destillation erschwert
  • Die Lösung ist, das Gemisch in eine separate Destillationskolonne mit sehr niedrigem Druck, nahe einem Vakuum, zu leiten: Vakuumdestillation oder vacuum flashing
  • Bei niedrigerem Druck sinken auch die Siedepunkte, sodass schwere Fraktionen destilliert werden können, ohne sie so stark zu erhitzen, dass Cracken einsetzt

• Thermisches Cracken und Coking

  • Einige schwere Fraktionen aus der Vakuumdestillation können direkt in katalytische Crackanlagen geschickt werden, um in leichtere Moleküle gespalten zu werden
  • Die schwersten Moleküle vom Boden der Vakuumdestillationskolonne enthalten jedoch oft Schwermetalle, die Katalysatoren verunreinigen, oder bilden leicht Koks, der Katalysatoren verstopft, weshalb sie für katalytisches Cracken ungeeignet sind
  • Um solche sehr schweren Moleküle zu cracken, verwenden manche Raffinerien thermisches Cracken, bei dem Hitze eingesetzt wird, um Moleküle aufzuspalten
  • Ein Coker ist eine thermische Crackanlage, die die schwersten Moleküle in leichtere Moleküle und Koks aufspaltet
  • Die leichteren Moleküle werden zur Trennung in eine Destillationskolonne geschickt, und der Koks kann als Brennstoff verbrannt oder als Einsatzstoff für die Herstellung von Elektroden, etwa für die Aluminiumschmelze, verwendet werden
  • Visbreaking ist eine Form des thermischen Crackens, bei der ein Teil der Moleküle gespalten und die Viskosität der verbleibenden Fraktion verringert wird

• Prozesse zur Veränderung der Molekülstruktur

  • Katalytisches Reforming setzt eine Naphtha-Fraktion mit einem Siedebereich von etwa 122°F bis 400°F in Gegenwart eines Katalysators Hitze und Druck aus und erzeugt so ein neues chemisches Gemisch namens Reformate, das zur Herstellung von Benzin verwendet wird
  • Isomerisierung verändert die räumliche Anordnung von Molekülen wie Butan und erzeugt so Isomere mit gleicher chemischer Formel, aber unterschiedlicher Struktur
  • Hydrotreating lässt Rohölfraktionen in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserstoff reagieren, um Verunreinigungen zu entfernen und die Qualität zu verbessern
  • Hydrocracking kombiniert Hydrotreating und katalytisches Cracken, während die Residual Oil Hydroconversion Hydrotreating und thermisches Cracken kombiniert

• Speicheranlagen

  • Raffinerien verfügen über Tanklager, in denen sich Millionen Gallonen Flüssigkeit zur Speicherung der Ein- und Ausgänge verschiedener Prozesse lagern lassen
  • Gase wie Propan und Butan werden in der Regel als komprimierte Flüssigkeit in oberirdischen Tanks, unterirdischen Kavernen oder Salzstöcken gespeichert

Prozessanordnung der Chevron-Richmond-Raffinerie

• Die Chevron-Richmond-Raffinerie ist eine mittelgroße bis große Raffinerie in Richmond, Kalifornien, die rund 250.000 Barrel Rohöl pro Tag verarbeiten kann
• Die südliche Hälfte des Geländes wird von Tanklagern eingenommen, während der Verarbeitungsbereich so angeordnet ist, dass er den Norden und Osten umschließt
• Chevron Richmond verfügt über eine Kapazität von etwa 257.000 Barrel für atmosphärische Destillation, etwa 123.000 Barrel für Vakuumdestillation, etwa 90.000 Barrel für katalytisches Cracken und etwa 71.000 Barrel für katalytisches Reforming
• Chevron Richmond hat keine Coking-Kapazität, aber die Chevron-El-Segundo-Raffinerie in Los Angeles verfügt über Coking-Anlagen
• Als Chevron diese Raffinerie in der Vergangenheit umfassend modernisierte, wurde zur Einhaltung der kalifornischen Umweltvorschriften ein detaillierter Umweltverträglichkeitsbericht eingereicht, der ein Prozessfließbild enthält
• Der Raffinationsprozess beginnt mit der atmosphärischen Destillation, aber ein Teil des heavy gas oil wird unter Umgehung des Destillationsschritts verarbeitet
• Die in der atmosphärischen Destillation getrennten Fraktionen werden an andere Prozesse weitergeleitet: leichte Gase in die Gas Plant und Naphtha in Hydrotreating, katalytisches Reforming und Isomerisierung
• Flugtreibstoff und Dieselkraftstoff gehen jeweils in ihre eigenen Hydrotreating-Prozesse, während schwerere Fraktionen in verschiedene katalytische Crackprozesse geleitet werden
• Zu den Endprodukten zählen Schweröl, Diesel, Flugtreibstoff, Schmierstoffe, Benzin und weitere Rohölprodukte

Raffineriekapazität und Komplexität

• In den USA gibt es 132 betriebsfähige Raffinerien, die zusammen mehr als 18 Millionen Barrel Rohöl pro Tag raffinieren können
• US-Raffinerien konzentrieren sich stark auf die Golfküste von Texas und Louisiana; weitere Cluster gibt es in New Jersey, im Mittleren Westen und in Kalifornien
• Chevron Richmond gehört auch innerhalb der USA zu den größeren Raffinerien, ist aber nicht in der Spitzengruppe; etwa ein Fünftel der US-Raffinerien ist ähnlich groß oder größer
• In den USA gibt es 6 Raffinerien mit einer Kapazität von mehr als 500.000 Barrel pro Tag und damit mehr als doppelt so viel wie Chevron Richmond
• Die Jamnagar-Raffinerie in Indien ist gemessen an der Rohverarbeitungskapazität die größte Raffinerie der Welt und kann 1,4 Millionen Barrel Rohöl pro Tag raffinieren
• Die Zahl der pro Tag verarbeiteten Barrel entspricht im Wesentlichen der Kapazität der atmosphärischen Destillation; welche Produkte eine Raffinerie tatsächlich herstellen kann, zeigt diese Zahl allein daher nicht ausreichend
• Eine einfache Raffinerie kann nur über atmosphärische Destillation verfügen, während eine komplexe Raffinerie lange Prozessketten besitzt, um viele verschiedene hochraffinierte Produkte herzustellen
• Der Nelson Complexity Index berechnet die Komplexität, indem er die Verarbeitungskapazität jedes vorhandenen Prozesses mit einem Komplexitätsfaktor multipliziert, der die Kosten des jeweiligen Prozesses relativ zur atmosphärischen Destillation angibt, und die Summe dann durch die Kapazität der atmosphärischen Destillation teilt
• Hat eine Raffinerie zum Beispiel 100.000 Barrel atmosphärische Destillation und 50.000 Barrel Vakuumdestillation und beträgt der Komplexitätsfaktor der Vakuumdestillation 2, dann ergibt sich 1 + 2 * 50,000 / 100,000 = 2
• Fügt man dazu 25.000 Barrel katalytisches Cracken mit einem Komplexitätsfaktor von 6 hinzu, steigt der Index auf 1 + 1 + 6 * 25,000 / 100,000 = 3.5
• US-Raffinerien sind im Allgemeinen komplex; 2014 hatten weniger als 3% einen Komplexitätsindex von 2 oder weniger, und der durchschnittliche Komplexitätsindex lag bei 8,7
• 2014 lag der Komplexitätsindex von Chevron Richmond bei 14 und damit über dem US-Durchschnitt
• Die Jamnagar-Raffinerie ist nicht nur die größte der Welt, sondern mit einem Komplexitätsindex von 21 auch komplexer als praktisch fast jede Raffinerie in den USA

Industrielle Bedeutung der Größenordnung

• Die Anordnung von Raffinerieprozessen kann sehr komplex sein, aber viele einzelne Prozesse sind konzeptionell überraschend einfach
• Raffination ist nicht nur wegen der Komplexität der Prozesse teuer, sondern auch, weil das Volumen des zu verarbeitenden Materials enorm ist
• Die Chevron-Richmond-Raffinerie hat die Größe einer kleinen Stadt und kann die gesamte Rohölladung eines Very Large Crude Carrier in etwas mehr als einer Woche verarbeiten
• Chevron Richmond ist keine außergewöhnlich große Raffinerie; in den USA gibt es 25 Raffinerien derselben Größe oder größer und 6, die mehr als doppelt so groß sind
• Um die weltweite Ölnachfrage aufrechtzuerhalten, wären etwa 400 Raffinerien von der Größe Richmonds nötig
• Die USA verbrauchen täglich mehr als 20 Millionen Barrel Erdöl, und um diesen Verbrauch zu ermöglichen, sind riesige Raffineriekomplexe erforderlich