Rohöldestillation im Vergleich zu Pyrolyse: Auswahl des richtigen Verfahrens für Ihren Rohstoff

Grundlegende Prinzipien: Physikalische Trennung bei der Destillation vs. Thermische Zersetzung bei der Pyrolyse

Wie unterschiedliche Siedepunkte die Effizienz der Rohöldestillation antreiben

Die rohöldestillation nutzt aus, wie verschiedene Kohlenwasserstoffe bei unterschiedlichen Temperaturen sieden, um sie mithilfe der Fraktionsdestillation voneinander zu trennen. Leichte Stoffe wie Nafta verdampfen etwa bei Temperaturen zwischen 35 und 200 Grad Celsius, während die schwereren Bestandteile flüssig bleiben, sobald die Temperaturen über etwa 550 Grad steigen. Heutzutage betreiben viele Raffinerien ihre Vakuumdestillationsanlagen unter einem Druck von weniger als 50 Millibar. Dieser Druckabfall senkt die Siedepunkte tatsächlich um rund 300 Grad, was hilft, Schäden durch übermäßige Hitze zu vermeiden. Das macht dieses Verfahren so effektiv: Es kann anfängliche Destillate mit Reinheitsgraden von nahezu 95 Prozent liefern, und das, ohne die molekulare Zusammensetzung der getrennten Bestandteile zu verändern.

Radikale Reaktionen und Bindungsspaltungsmechanismen bei der Kohlenwasserstoffpyrolyse

Der Pyrolyseprozess funktioniert grundsätzlich dadurch, dass Materialien auf etwa 400 bis 800 Grad Celsius erhitzt werden, wodurch diese Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen durch radikale Kettenreaktionen aufgebrochen werden. Dadurch werden schwerere Substanzen in leichtere Kohlenwasserstoffprodukte umgewandelt. Was die Pyrolyse von der Destillation unterscheidet, ist, dass hier tatsächlich die Moleküle selbst verändert werden, und zwar auf eine Weise, die nicht rückgängig gemacht werden kann. Wenn die Temperaturen etwa 750 Grad Celsius erreichen, beobachtet man eine maximale Produktion von Ethylen und Methan, bedingt durch sogenannte Beta-Spaltung. Werden jedoch Temperaturen von über 1.000 Grad Celsius erreicht, geschieht etwas anderes – das Material beginnt sich stattdessen in Graphit umzuwandeln, was am Ende zu einem geringeren Anteil an flüssigen Produkten führt. Die richtige Temperaturregelung spielt bei diesem Prozess eine große Rolle, um möglichst nützliche Endprodukte zu erhalten.

Fallstudie: Raffineriebasierte Destillation im Vergleich zu Abfall-zu-Chemie-Pyrolyse-Anlagen

In einer 2021 im Journal of Petroleum Exploration and Production veröffentlichten Arbeit untersuchten Forscher, wie traditionelle atmosphärische Destillationsanlagen, die etwa 250.000 Barrel Rohöl pro Tag verarbeiten, im Vergleich zu neueren modularen Pyrolyse-Systemen abschneiden, die lediglich 500 Tonnen Kunststoffabfall pro Tag verarbeiten. Die Destillationsmethode erreichte eine beeindruckende Energieeffizienz von 82 % bei der Benzinherstellung. Die Pyrolyse-Methode erreichte hingegen nur eine Effizienz von 58 %, hatte jedoch den Vorteil, ausschließlich mit post-konsumierter Kunststofffraktion zu arbeiten. Interessant ist hierbei, dass diese Pyrolyseöle nach einer Hydrotreatments-Prozessstufe tatsächlich gut genug waren, um in FCC-Anlagen mit Anteilen zwischen 15 und 20 % beigemischt zu werden. Das bedeutet, dass Anlagen ihren Bedarf an frischem Naphtha um etwa 12.000 Kubikmeter pro Jahr reduzieren könnten, was für Raffinerien eine bedeutende Kosteneinsparung darstellt, die recycelte Materialien in ihre Prozesse integrieren möchten.

Rohstoffeignung: Zusammensetzung abstimmen auf Rohöldestillation vs. Pyrolyse

Wichtige Eigenschaften, die die Crack-Fähigkeit bei thermischen Prozessen beeinflussen

Der Destillationsprozess funktioniert am effektivsten bei Rohölrohstoffen mit einheitlichen Siedepunkten und minimalem Kohlenstoffrückstand. Dadurch lässt sich die Mischung leichter in wertvolle Produkte wie Nafta, Dieselkraftstoff und verschiedene Rückstandsfractionen trennen. Die Pyrolysetechnologie hingegen überzeugt besonders bei Materialien, die sich leicht cracken lassen. Dies hängt vor allem von der Verzweigung der Moleküle und ihrem Wasserstoff-zu-Kohlenstoff-Verhältnis ab. Als Beispiel seien hier polyolefinbasierte Kunststoffe genannt: Laut Forschungsergebnissen des NREL aus dem Jahr 2022 wandeln sich diese Materialien während der Pyrolyse zu etwa 75 bis 85 Prozent in nützliche Chemikalien wie Ethylen und Propylen um. Das ist tatsächlich besser als das Ergebnis bei den geradkettigen Alkanen, die in herkömmlichen Rohölquellen üblich sind.

Probleme mit Kontaminanten: Schwefel, Sauerstoff und Rückstände in Pyrolyseölen

Pyrolyseöle aus Kunststoffabfällen oder Biomasse enthalten 0,5–3,2 % Sauerstoff und 0,1–1,8 % Schwefel bezogen auf das Gewicht, wodurch eine aufwendige Hydrotreatment-Behandlung vor der Raffination erforderlich wird. Chlorierte Additive in Kunststoffen erzeugen korrosives HCl, was den Einsatz spezieller Reaktormaterialien und Gaswäschanlagen erfordert. Im Gegensatz dazu konzentriert sich Schwefel bei der Rohöldestillation in den schwereren Fraktionen, was das Management in nachgeschalteten Anlagen vereinfacht.

Vergleichende Analyse: Mineralöle vs. aus Abfällen gewonnene Pyrolyseöle

Traditionelle petrochemische Ausgangsstoffe haben eine sehr einheitliche Zusammensetzung, die für Destillationsprozesse hervorragend geeignet ist. Pyrolyseöle bieten hingegen etwas anderes, da sie verschiedene Arten von gemischtem Abfall in nutzbare Kohlenwasserstoffe umwandeln können. Aktuelle Forschungen aus dem Jahr 2024 haben Fluid Catalytic Cracking-Systeme untersucht und herausgefunden, dass Raffinerien, die etwa 10 % Pyrolyseöl mit Vakuumgasöl mischen, die Kokeniederschlagbildung um rund 18 % reduzieren können, was ziemlich beeindruckend ist, besonders wenn man bedenkt, dass die Ausbeuten weitgehend gleich bleiben. Allerdings gibt es immer noch das Problem, dass diese Pyrolyseöle zahlreiche variierende Verunreinigungen enthalten. Raffinerien wurden für die Verarbeitung stabiler Rohöle entwickelt, doch diese lästigen Restkatalysatoren, die nach Depolymerisationsprozessen übrig bleiben, erschweren die breite Anwendung in den meisten bestehenden Anlagen.

Prozessleistung: Ausbeute, Effizienz und Infrastrukturkompatibilität

Leichte Olefinausbeute: Nafta vs. Pyrolyseöl in Dampfcrackern

Wenn Steam-Cracker mit Naphtha-Rohstoffen arbeiten, erzeugen sie in der Regel etwa 25 bis 30 Prozent leichte Olefine, da das Material eine stabile Zusammensetzung aufweist und unter gut kontrollierten Bedingungen betrieben wird. Bei Pyrolyseölen wird die Sache jedoch schwieriger. Selbst nachdem sie Hydrotreatments durchlaufen haben, liefern diese Materialien normalerweise nur etwa 15 bis 20 Prozent leichte Olefine. Warum ist das so? Hauptsächlich, weil ihre molekularen Strukturen stark variieren und sie oft Verunreinigungen wie Chloride enthalten. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht des Petrochemical Innovation Consortium aus dem Jahr 2023 zeigte zudem etwas Interessantes. Um dieselbe Menge an Ethylenproduktion wie bei Naphtha zu erreichen, benötigen Pyrolyseöle Crackertemperaturen, die ungefähr 10 bis 15 Prozent höher liegen. Diese Temperaturdifferenz hat einen spürbaren Einfluss auf die Betriebskosten und Effizienz vieler Anlagen.

Toleranz gegenüber Verunreinigungen in bestehenden Crackereinheiten: Technische und operative Grenzen

Pyrolyseöle enthalten 1–3 % Schwefel und Oxygenate, deutlich höher als die <0,5 % in destilliertem Naphtha (NREL, 2022). Diese Verunreinigungen beschleunigen Verkokung und Korrosion und verkürzen die Reaktorlebensdauer um 40–60 % in Pilotversuchen. Nachrüstung mit fortschrittlichen Schwefelwäscher und zweistufiger Abschreckung verbessert die Toleranz, doch Großanlagen-Upgrades überschreiten Investitionskosten von 18 Millionen US-Dollar.

Energieaufwand vs. Rohstoffkosten-Kompromiss bei Pyrolyseprozessen

Die Kosten für Pyrolyse-Rohstoffe liegen bei etwa 20 bis 40 Dollar pro Tonne, wenn es um Kunststoffabfälle geht, was deutlich günstiger ist als das destillierte Naphtha mit Preisen von 600 bis 800 Dollar pro Tonne. Doch hier gibt es einen Haken. Das Verfahren selbst verbraucht pro produzierter Tonne 30 bis 50 Prozent mehr Energie, weshalb es finanziell erst ab einer Rohstoffkosten-Grenze von unter etwa 55 Dollar pro Tonne Sinn macht. Laut Modellierungsarbeiten des Energy Transition Institute führt das Beimischen von Bioölen in FCC-Anlagen zu einem um rund 22 % geringeren Gesamtenergiebedarf. Dies trägt dazu bei, die Kosteneffizienz zu verbessern, ohne dass die Ausbeute merklich sinkt, sodass sie für die meisten Betriebe weiterhin stabil bleibt.

Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft: Die Rolle der Pyrolyse in modernen petrochemischen Prozessen

Das Pyrolyseverfahren hilft uns tatsächlich, den Prinzipien einer Kreislaufwirtschaft näherzukommen, da es diese hartnäckigen, nicht recycelbaren Kunststoffe und alten Gummimaterialien wieder in etwas Nützliches umwandelt – im Grunde genommen Kohlenwasserstoffe, mit denen herkömmliche Destillationsmethoden nicht umgehen können. Etwa 85 % all dieser Plastikabfälle werden durch dieses Verfahren zurückgewonnen, was bedeutet, dass deutlich weniger Deponieabfall entsteht. Zudem weisen die erzeugten Öle einen recht guten Heizwert auf, ungefähr 38 bis 45 MJ pro Kilogramm, vergleichbar mit herkömmlichen Naphthaprodukten. Einige neue Katalysatorenentwicklungen verbessern die Situation sogar noch weiter. Materialien wie Rotschlamm oder diese Co/SBA-15-Verbindungen tragen dazu bei, den Schwefelgehalt auf unter 0,5 Gewichtsprozent zu senken, sodass sie in Kombination mit anderen chemischen Recyclingverfahren wesentlich besser funktionieren. Es gab bereits einige Tests, bei denen medizinische Kunststoffabfälle erfolgreich umgewandelt wurden, was zeigt, dass Pyrolyse in FCC-Anlagen rund 20 bis 30 % der traditionellen fossilen Brennstoffe ersetzen könnte. Dennoch haben die meisten Raffinerien weiterhin Schwierigkeiten mit dieser Technologie. Weniger als die Hälfte schafft es tatsächlich, Pyrolyseöle oder Bioöle gemeinsam mit ihren regulären Prozessen zu verarbeiten, ohne zunächst kostspielige Ausrüstungserweiterungen vornehmen zu müssen.

Pyrolyseöl als nachhaltiger Rohstoff für die chemische Recyclingwirtschaft

Der hohe Limonen- und BTX-Gehalt in Pyrolyseöl macht es geeignet für die Produktion von neuwertigen Polymeren. Die Verarbeitung einer Tonne Altreifen liefert 450–600 kg Öl und ersetzt damit 30 % der erdölbasierten Rohstoffe in der Styrolproduktion.

Katalytische Pyrolyse von Polyolefinen: Fortschritte bei der Verwertung von Kunststoffabfällen

Zeolithbasierte Katalysatoren erreichen eine Polyolefin-Umwandlungsrate von 80 % zu leichten Olefinen bei 500 °C, mit viermal höherer Toleranz gegenüber Verunreinigungen als bei thermischer Pyrolyse. Dadurch werden Vorbehandlungskosten um 40–60 US-Dollar pro Tonne reduziert, was die Skalierbarkeit verbessert.

Gemeinsame Verarbeitung von Bioölen und Pyrolyseölen in FCC-Anlagen: Machbarkeit und Einschränkungen

Die Mischung von 10 % Pyrolyseöl mit Vakuumgasöl erhöht die Propylenausbeute um 12 %. Allerdings stellen Chloridgehalte über 50 ppm ein Korrosionsrisiko dar, weshalb Anlagenmodifikationen in Höhe von 2–4 Millionen US-Dollar erforderlich sind, um eine sichere Integration zu gewährleisten.

Auswirkungen auf die Weiterverarbeitung: Wie Verfahren die Qualität des Endprodukts beeinflussen

Einfluss von Temperatur, Druck und Verweilzeit auf die Pyrolyseausbeute

Die Verteilung der Produkte während der Pyrolyse hängt stark von drei Hauptfaktoren ab: der Temperatur, die typischerweise zwischen etwa 450 und 800 Grad Celsius liegt, den Druckverhältnissen, die von normalem Atmosphärendruck bis hin zu moderaten Vakuumbedingungen variieren können, und der Zeit, die die Materialien im Reaktor verbringen, üblicherweise zwischen einer halben Sekunde und dreißig Sekunden. Wenn wir die Hitze erhöhen, entstehen vermehrt Gase, insbesondere mit einem Ausbeuteanteil von etwa 15 bis 20 Prozent an Ethylen und Propylen. Wer die Ausbeute an flüssigem Öl maximieren möchte, erhält die besten Ergebnisse bei Temperaturen von rund 500 bis 650 Grad. Wenn der Prozess schnell abläuft, helfen dabei, schwerere Verbindungen wie Wachse zu erhalten, da sie nicht weiter zersetzt werden. Hält man die Substanzen jedoch zu lange im Reaktor, setzen sich die komplexen Moleküle fortlaufend in kleinere, weniger stabile Bestandteile um, die kommerziell weniger nützlich sind.

Katalytische Co-Pyrolyse zur optimierten Öl- und Wachsherstellung

Katalysatoren wie ZSM-5-Zeolithe oder Aluminiumsilikate verbessern die Selektivität um 15–40 %, indem sie die Zersetzung in Richtung gewünschter Produkte lenken. Säurekatalysatoren erhöhen die Ausbeute an leichten Olefinen (65–80 % Ethylenselektivität) und unterdrücken Oxygenate in Biomasse-Rohstoffen. Das Co-Pyrolysieren von Kunststoffen mit Biomasse reduziert die Wachsviskosität um 30 %, wodurch die Kompatibilität mit bestehender Raffinerieinfrastruktur verbessert wird.

Hydriertes Pyrolyseöl im Vergleich zu destilliertem Rohöl: Stabilität, Reinheit und Verträglichkeit

Der Hydrotreatmentsprozess entfernt etwa 90 bis 95 Prozent des Sauerstoff- und Schwefelgehalts im Pyrolyseöl, wodurch es in etwa so stabil wird wie destillierte Rohölfraktionen. Doch es gibt ein Problem. Selbst nach der Behandlung enthalten diese Öle immer noch etwa zwei- oder sogar dreimal so viele aromatische Verbindungen wie herkömmliches Rohbenzin, weshalb sie ohne weitere Verarbeitung nicht direkt für Anwendungen wie die Herstellung von Polyolefinen verwendet werden können. Destilliertes Rohöl funktioniert gut mit der bestehenden Infrastruktur, doch bei aufbereiteten Pyrolyseölen zeigt sich ein anderer Vorteil. Ihre Moleküle sind vielfältiger, was Möglichkeiten für spezielle Anwendungen eröffnet, beispielsweise bei der Herstellung von Vorläufermaterialien für Kohlenstofffasern. Gerade diese Vielseitigkeit macht sie trotz der mit ihnen verbundenen Herausforderungen interessant.

FAQ

Was ist der Hauptunterschied zwischen Destillation und Pyrolyse?

Destillation ist ein physikalischer Trennprozess, der Siedepunktunterschiede nutzt, um Kohlenwasserstoffe zu trennen, wobei die molekulare Struktur unverändert bleibt. Pyrolyse hingegen umfasst eine thermische Zersetzung, bei der die molekularen Strukturen durch radikalische Kettenreaktionen dauerhaft verändert werden.

Warum gilt Pyrolyse als nachhaltiger?

Pyrolyse trägt zur Nachhaltigkeit bei, indem sie nicht recycelbare Kunststoffe und Abfallmaterialien in verwertbare Kohlenwasserstoffe umwandelt und dadurch Deponieabfälle reduziert sowie kreislaufwirtschaftliche Prinzipien unterstützt.

Welche Herausforderungen ergeben sich beim Einsatz von Pyrolyseölen in Destillationssystemen?

Pyrolyseöle enthalten variable Verunreinigungen und Fremdstoffe, wie hohe Mengen an Schwefel und Chloriden, wodurch sie weniger stabil sind und eine kostspielige Nachrüstung bestehender Destillationssysteme erfordern, um diese Verunreinigungen effektiv verarbeiten zu können.