Das Rohöl (Erdöl) wird in der Raffinerie durch die Rohöl-Destillation (Atmosphärische und Vakuum-Destillation) in verschiedene Fraktionen zerlegt. Am Anfang wird der Salzgehalt des Rohöls in einem Entsalzer reduziert, danach in einem Wärmeaustauscher vorgewärmt und im Röhrenofen auf Destillationstemperatur aufgeheizt.
Im Fraktionierturm der atmosphärischen Destillation erfolgt die Auftrennung durch die unterschiedlichen Siedebereiche des Öls in die einzelnen Produktgruppen. Benzin siedet z. B. zwischen 35 und 180 °C, Mitteldestillate (Heizöl, Diesel) bei 170 bis 300 °C und Schwerdestillate (Schweröl, Bitumen) bei über 300 °C. Das Dampf-/Flüssigkeitsgemisch trennt sich bei atmosphärischem Druck in dem bis zu 50 m hohen Fraktionierturm auf. Die Dämpfe steigen in dem Turm hoch. Je schwerer sie sind, desto schneller verflüssigen sie sich wieder. Auf den Destillationsböden, die mit zahlreichen Öffnungen versehen sind, bilden sich dadurch Flüssigkeitsschichten. Nachströmende Dämpfe treten durch die Öffnungen und mischen sich mit den bereits kondensierten Bestandteilen.
Bei dieser intensiven Vermischung der leichteren und schwereren Anteile findet ein Austausch statt. Schwere Teile des aufsteigenden Stromes werden zurückgehalten und leichte, die noch in der Flüssigkeitsschicht sind, verdampfen wieder und steigen nach oben. Ein Teil der Flüssigkeit wird zur Verstärkung dieses Stoffaustausches wieder auf den nächst tieferen Destillationsboden zurückgeführt. Ein Fraktionierturm (Destillationskolonne, Rektifikationskolonne) enthält eine beträchtliche Anzahl solcher Böden.
Die leichtesten Produkte (Propan, Butan, Buten, Ethan) durchströmen die Fraktionierturm geradewegs und kommen am Turmkopf gemeinsam als Gase an. Sie werden anschließend durch erneute Destillation wieder aufgetrennt. Im Mittelteil des Turms werden von den betreffenden Böden die Mitteldestillate direkt abgeleitet. Die nicht verdampften schwersten Anteile fließen zum Boden des Turmes und werden dort abgezogen.
Aus den Rohöl-Fraktioniertürmen werden im allgemeinen folgende Grundprodukte bzw. Fraktionen gewonnen. Raffineriegas, Flüssiggas und Benzin am Kopf des Fraktionierturmes, Mitteldestillate an der Seite des Turmes und der Rückstand der atmosphärischen Destillation (so genannter atmosphärischer Rückstand) am Boden des Turmes. Die Bezeichnung "Rückstand" bedeutet in der Verfahrenstechnik, dass diese Fraktion bei den Arbeitsbedingungen nicht verdampft, sondern zurückbleibt.
Mit der Destillation kann man Kohlenwasserstoffe aus dem Rohöl nur so herausholen, wie sie von Natur aus darin enthalten sind. Die Ausbeute an verschiedenen Produkten ist also im Wesentlichen nur durch die Verarbeitung verschiedener Rohölsorten - leichter oder schwererer - oder über die Verschiebung der Siedegrenzen steuerbar.
In reinen Kraft- und Brennstoff-Raffinerien (Hydroskimming-Anlagen) werden aus dem Erdöl Benzin- und Dieselkraftstoffe sowie extra leichtes, extra leichtes schwefelarmes, leichtes, mittelschweres und schweres Heizöl hergestellt. Diese Raffinerien werden zunehmend durch den Zubau von Konversionsanlagen in Vollraffinerien umgewandelt. Dadurch ist ein sehr umfangreiches Produktionsprogramm möglich, das z. B. Flüssiggas (Propan, Butan), Schmierstoffe, Paraffine, Bitumen, Spezial- und Testbenzine, Düsentreibstoff, und petrochemische Rohstoffe beinhaltet.