mini|Raffinerie und petrochemische Anlagen der Ineos (bis 2020 Teil von BP) in Grangemouth, Schottland (2006)Unter Petrochemie (auch Petrolchemie oder Petrochemische Prozesse, seltener Erdölchemie oder Naphtachemie) versteht man die Herstellung von chemischen Produkten aus Erdgas und geeigneten Fraktionen des Erdöls bzw. verarbeiteten Rohöls.
Die industrielle Petrochemie (auch: Petrochemische Industrie oder teilweise auch Olefine-Industrie) gewinnt zuerst aus Erdöldestillationsschnitten reaktive niedermolekulare Verbindungen, die in gezielten Aufbauschritten zu Zwischen- und Endprodukten weiterverarbeitet werden.
Manchmal werden die Downstream- bzw. Raffinerie-Prozesse der Erdölindustrie fälschlicherweise auch als „Petrochemie“ bezeichnet. Petrochemische Anlagen, Verfahren und Produkte unterscheiden sich jedoch oder bauen auf anderen Verfahren auf.
Diese Ausgangsprodukte der Petrochemie fallen im Allgemeinen bei den Prozessen einer Erdölraffinerie an und dienen für die petrochemischen Verfahren. Die Verfahren werden in großchemische Anlagen umgesetzt. Dabei kann es sich um eigenständige Verfahrensanlagen handeln, die per Transferleitungen versorgt werden, oder um Einheiten, die Teil eines Raffineriekomplexes sind.
Folglich werden petrochemische Anlagen in der Regel in der Nähe von Raffinerien errichtet und betrieben, da sie daraus ihre Ausgangsstoffe für anschließende petrochemische Verfahren beziehen. Vor- und Zwischenprodukte wie Ethan werden aber auch über weite Strecken transportiert, entweder per Pipeline über Land – auch genannt Produktenpipeline – oder per Tanker über See.
Die Produkte der Petrochemie sind Grundchemikalien, auch bekannt als Basischemikalien, aus denen eine Vielzahl weiterer Stoffe hergestellt wird, die schließlich zu Endprodukten werden.
Abnehmer der Produkte dieses chemischen Industriesektors sind die Kunststoff-, Verpackungs-, Automobil-, Möbel-, Bau-, Pharma- und Textilindustrie, sowie weitere Branchen wie die Fein- und Spezialchemie.
Zu den ingenieurwissenschaftlichen Fachgebieten, die sich mit diesem Thema befassen, zählen die Chemie der Kohlenwasserstoffe, der Anlagen- und Apparatebau, die Verfahrenstechnik (Prozesstechnik), die technische Chemie sowie die Instrumentierung und Automatisierungstechnik.
Rohstoffe In der Petrochemie werden kohlenstoffhaltige organische Rohstoffe – auch bekannt als Feedstock – genutzt. Davon sind 77 % Erdöl, 10 % Erdgas, ebenfalls 10 % nachwachsende Rohstoffe und 3 % Kohle. Insgesamt werden Erdgas (Methan), Raffineriegase, Wasserstoff, flüssige Kohlenwasserstofffraktionen (leichtes und schweres Rohbenzin bzw. Naphtha) und auch Schwefel aus der Hydrodesulfurierung aus einer Erdölraffinerie verarbeitet. Naphtha und Ethan spielen dabei eine überragende Rolle bei der Verarbeitung in Steamcrackern, siehe die Tabelle zum Rohstoffeinsatz.
Die typischen Rohstoffe der Petrochemie, welche aus Raffinerieprozessen anfallen, sind:
C2-Fraktionen: Ethen (Ethylen) und Ethan C3-Fraktionen: Propan und Propen (Propylen) C4-Fraktionen, z. B. Butane, 1,3-Butadien, Butene (Butylene), Isobuten und höhere Olefine Naphtha (Benzinfraktionen) für Steamcracking (Erzeugung von Olefinen) und als Rohstoff für Aromatenproduktion Aromaten: Benzol, Toluol, o-Xylol, p-Xylol (BTX) u. a. Die C2-C4-Fraktionen (Gemische), auch bekannt als leichte Olefine, gehören zu den aliphatischen ungesättigten Kohlenwasserstoffen, mit der Formel CnH2n. Sie sind Rohstoffe für die Herstellung einer Vielzahl von petrochemischen Produkten. Die Fraktionen enthalten außerdem Paraffine (Alkane) CnH2n+2 und Diolefine wie 1,3-Butadien. Weitere Abkürzungen in dem Kontext sind Crack-C4 (CC4) und Fluid Catalytic Cracking-C4 (FCC-C4), also C4-basierte Rohstoffströme aus Steamcrackern und Raffinerien.
Laut Angaben der Internationalen Energieagentur (IEA) lag der Anteil der petrochemischen Rohstoffe an der weltweiten Ölnachfrage im Jahr 2018 bei etwa 12 %. In Deutschland ist die Petrochemie für rund 20 % der Nachfrage nach Mineralölprodukten verantwortlich. In Einzelfällen dienen manche Raffinerien vollständig der Produktion von petrochemischen Basischemikalien. Zum Beispiel nutzt die OMV Raffinerie in Burghausen (Teil des Bayerischen Chemiedreieck) den kompletten Benzinschnitt zur Herstellung von Grundstoffen wie Ethen (Ethylen), Propen (Propylen) und 1,3-Butadien.
Verfahren mini|450x450px|Typisches Flussschema (eine mögliche Konfiguration) einer Raffinerie für Kraftstoffe und Schmiermittel u. a. Produkte. Bei diesen Prozessen fallen die üblichen Rohstoffe an, die für die petrochemischen Verfahren benötigt werden.
Steamcracking Das wichtigste Verfahren der Petrochemie ist das Steamcracken, bei dem Ethan, LPG, Naphtha, Hydrowax, Gasöl oder andere geeignete Kohlenwasserstoffe bei Verweilzeiten im Millisekundenbereich, üblicherweise 200 bis 500 ms, und Temperaturen zwischen 800 und 850 °C in Gegenwart von Wasserdampf gecrackt oder gespalten werden. Beispielsweise wird Ethan in einem Steamcracker erhitzt, um das Ethanmolekül aufzuspalten (zu cracken) und Ethen (Ethylen) zu erzeugen.
Steamcracken (in diesem Kontext oft kurz „Cracken“) ist eine Form des thermischen Cracken und unterscheidet sich vom katalytischen Cracking (siehe auch Fließbettcracking). Das Verfahren wird auch als Mitteltemperaturpyrolyse bezeichnet. Falsche Bezeichnungen sind „Ethylen Cracker“ – es wird kein Ethylen gecrackt und „Steam Cracker“ („Dampfspaltung“) – es wird kein Dampf gespalten, sondern dieser wird dem Zustrom zugesetzt. +Rohstoffeinsatz von Crackern 1990 in %RohstoffWesteuropaUSAWeltNaphta701548Gasöl10189LPG72113Ethan24630 Die Gasphase der Steamcrackerprodukte enthält die Grundchemikalien Ethen, Propen, den C4-Schnitt (hauptsächlich Buten, Isobuten und 1,3-Butadien) sowie Isopren. Die Flüssigphase enthält hauptsächlich Aromaten (Benzol, Toluol und Xylole) und findet auch als Pyrolysebenzin Anwendung. +Ausbeutestruktur verschiedener Cracker-RohstoffeProduktEthanLPGNaphtaAtmosph. GasölEthylen (Ethen) 80312925Propylen (Propen)3221614Buten, Butadien413109Pyrolysebenzin282419Heizgas, Sonstiges 11262133Gesamt100100100100
Dampfreformierung Das Steamreforming von Raffineriegasen oder auch leichtem Naphtha liefert hauptsächlich Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) für die Herstellung von Methanol, Ammoniak, Essigsäure und Hydrierprozesse.
+Übersicht über Raffinerieprozesse als Lieferanden verschiedener Rohstoffe für petrochemische Prozesse Verfahren Ziel des Prozesses Prozessbedingungen Sonstige CharakteristikaPetrochemische Rohstoffe (Auswahl)Druck (bar)Temperatur (°C)KatalysatorReaktionskomponenteThermisches VisbreakingVerfahren Erniedrigung der Viskosität von Vakuumrückstanden, leichte Konversion5–18450–480//einfaches Konversionsverfahren; geringer InvestitionsaufwandNaphtha, leichte GaseDelayed CokingErzeugung von Benzin und Mitteldestillaten5480//zwangsläufiger Anfall von PetrolkoksNaphtha, leichte GaseThermisches CrackenErzeugung von Benzin und Mittel- destillaten aus schwerem Gasol50500//wird heute noch vereinzelt angewandt Naphtha-Fraktion, Leichte Olefine/C4-FraktionenThermisches Reformieren Erhöhung der Oktanzahl von Benzin40520//heute veraltet; abgelost durch katalytisches ReformierenReformat (aromatenreiches Naphtha)Steamcracken (früher auch Dampfpyrolyse)Erzeugung von Olefinenatmosph. 850–900 H2OKuppelproduktion von aromatenreichem Pyrolysebenzin und PyrolyseölEthen, Propen, C4-FraktionenHochtemperaturverkokungHerstellung von Hüttenkoksatmosph.1200//Kuppelproduktion der Aromatenrohstoffe Teer und RohbenzolNaphtha, Leichte GaseBitumenoxidation Erhöhung der Plastizität von Bitumenatmosph. 280–300/O2kontinuierliches Verfahren; wird auch zur Pechverblasung angewandt -KohlevergasungErzeugung von Synthesegas 20–30 max. 1000/O2, H2OAromatenanfall im Schwelbereich nur bei Gegenstromführung der Reaktanden Kohle und Luft/DampfSyngasHydrocrackenUmwandlung von Schweröldestillaten in Benzin und Mitteldestillat70–150 350–450 Mo, W H2sehr flexibles Konversionsverfahren; hoher Investitionsaufwand, wurde ursprünglich für die Kohlehydrierung entwickeltNaphtha, Mitteldestillate (nicht genutzt)Katalytisches ReformingErhöhung der Oktanzahl von straight-run-Benzin20500Pt, Ir, Rewichtigste Aromatenquelle in den USA; WasserstoffquelleReformate (BTX), WasserstoffKatalytisches Cracken (FCC)Umwandlung von Schweröldestillaten in Benzin und Mitteldestillate0,5–1 500Zeolithgroße Bedeutung für die Benzinproduktion, insbesondere in den USALPG (Propen/Butene), Benzinschnitte
Weitere Verfahren Weitere petrochemische Prozesse sind:
Pyrolyse: thermisches Cracking zu ungesättigten Kohlenwasserstoffen, oft mit Wasserstoffbildung; Oxidation: Aldehyden, Ketonen oder Carbonsäuren; Chlorierung; Synthesegas-Verfahren: Methanolsynthese; Fischer-Tropsch: Umwandlung von Syngas zu gesättigten Kohlenwasserstoffen, z. B. Alkane; Hydroformylierung (Oxo-Verfahren) für Aldehyde (Oxo-Produkte) und dann Oxoalkoholen.
Produkte mini|306x306px|Dow-Chemical-Komplex in Terneuzen. Seit 1965 produziert das Unternehmen hier rund 800 verschiedene Produkte, darunter Kunststoffe und Chemikalien. Kapazität pro Jahr: Ethen: 1.810 kt, Propen: 850 kt, 1,3-Butadien: 170 kt, Benzol: 915 kt, LDPE: 265 kt, LLDPE: 610 kt und HDPE: 610 kt. Aus den Grundchemikalien einer Raffinerie werden durch verschiedene Folgeprozesse eine Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten hergestellt. Man spricht auch von den Petrochemikalien und Derivaten. Laut dem Verband der Chemischen Industrie (VCI) zählen die folgenden Produkte dazu:
Öle und Destillationen des Steinkohlenteers Acyclische Alkohole, ihre Halogenderivate Gesättigte acyclische einbasische Carbonsäuren Cyclische Kohlenwasserstoffe Acyclische Kohlenwasserstoffe Ether, Etheralkohole, Alkoholperoxide und Derivate Verbindungen mit Aminofunktion Ungesättigte acyclische einbasische Carbonsäuren Mehrbasische Carbonsäuren, Anhydride und Derivate Halogenderivate der Kohlenwasserstoffe Verbindungen mit anderen Stickstoffunktionen Einbasische Fettsäuren, Öle, Fettalkohole Phenole, Phenolalkohole Ketone und Chinone und Derivate Enzyme, zubereitete Enzyme Epoxide, Epoxyalkohole, Epoxyphenole und Derivate Verbindungen mit Nitrilfunktion
Andere Chemieprodukte werden in eigenen Kategorien erfasst: Anorganische Industriechemikalien, Polymere, Fein- und Spezialchemikalien, Wasch- und Körperpflegemittel sowie Pharmazeutische Erzeugnisse.
Liste der Petrochemikalien Die bedeutendsten Folgeprodukte der Petrochemie aus den Ausgangsstoffen (in fett) sind:
Ethen: Polyethylen – z. B. über Ziegler-Natta-Verfahren ca. 21 % der Gesamtethylenproduktion in LDPE ca. 13 % als LLDPE ca. 23 % als HDPE Ethanol – durch Anlagerung von Wasser Ethylenoxid (EO) – durch katalytische Oxidation (ca. 11 % der Ethylenproduktion) Ethylenglycol – durch Reaktion von EO mit Wasser Gefrierschutzmittel – enthalten Ethylenglycol Polyester – durch Veresterung von Ethylenglycol mit bifunktionalen Säuren Polyethylenglycole – durch Reaktion von EO mit Glycolen Ethoxylate – durch Reaktion von EO mit Alkoholen Monoethanolamin, Diethanolamin, Triethanolamin durch Reaktion mit Ammoniak Vinylacetat – Monomer (ca. 2 % der Ethylenproduktion) 1,2-Dichlorethan – durch Chlorierung (ca. 14 % der Ethylenproduktion) Trichlorethylen – durch Chlorierung Tetrachlorethylen – auch Perchloroethylen genannt; als Reiniger in der “chemischen Reinigung” sowie als Entfettungsmittel genutzt Vinylchlorid – Monomer für Polyvinylchlorid (PVC) Polyvinylchlorid (PVC) – weitverbreiteter Kunststoff α-Olefine Poly-α-Olefine als Schmiermittel Co-Monomere für Polyethylen Fettalkohole für Wasch- und Reinigungsmittel Propen: Acrylsäure Acrylpolymere Allylchlorid Epichlorhydrin – für Epoxid-Harze Epoxide – aus Bisphenol A, Epichlorohydrin, und Aminen Isopropylalkohol – 2-Propanol; Lösungsmittel Acrylnitril – Monomer für Acrylonitril-Butadiene-Styrol (ABS)-Polymer (ca. 6 % der Gesamtpropylenproduktion)