Il petrolio e le
benzine
Crystal Montanaro
I.I.S.S Majorana 2014/2015
Il petrolio
Il petrolio, anche detto oro nero, è un liquido infiammabile, viscoso, di
colore che può andare dal nero al marrone scuro, passando dal verdognolo
fino all'arancione, che si trova in alcuni giacimenti all’interno degli strati
superiori della crosta terrestre.
È detto greggio o grezzo il petrolio così come viene estratto dai
giacimenti, cioè prima di
subire qualsiasi
trattamento volto alla sua
trasformazione in prodotti
lavorati.
È composto da
una miscela di vari idrocarburi, sostanze formate solo da idrogeno e
carbonio.
Il greggio è un liquido viscoso di colore variabile dal giallo chiaro al
marrone, la sua densità relativa è inferiore a 1, con un peso specifico
minore dell'acqua.
Il colore risulta essere più scuro nei greggi che contengono idrocarburi
con peso molecolare medio più elevato. Al peso molecolare medio dei
componenti sono legate anche la sua densità e la sua viscosità, in quanto
più elevato risulta il peso molecolare medio più il greggio risulta denso e
viscoso.
E’ possibile fare una classificazione dei greggi in base agli idrocarburi che
sono maggiormente presenti:
PARAFFINICI: 16% normal e iso alcani , Medio Oriente, Libia,
USA..; S e densità bassi; bene per oli lubrificanti, benzine a basso N.O.
NAFTENICI: 10% cicloalcani; Russia ,Venezuela , USA ...; S alto;
per benzine, pochi oli
lubrificanti, asfalto.
ARENICI: 8% idrocarburi
aromatici; Borneo , Iraq,
Messico, Russia...; per benzine,
solventi.
A BASE MISTA: 75%; i
più comuni.
Gli impianti petroliferi, detti anche raffinerie, forniscono
per frazionamento del petrolio dei prodotti che raffinati
raggiungono le specifiche necessarie per essere
commercializzati.
Da ulteriori lavorazioni di questi prodotti, è possibile ottenere
particolari sostanze che costituiscono i precursori per la
produzione di materie plastiche, fibre sintetiche, gomme,
detergenti, prodotti farmaceutici ed altro.
Questi processi si definiscono petrolchimici e producono
molecole particolari con un grado di purezza molto elevato.
I primi trattamenti sul greggio sono:
Successivamente, si sottopone la miscela alle seguenti
lavorazioni:
- Topping: distillazione primaria a P atmosferica;
- Stabilizzazione: separazione dei gas e gpl da frazioni
leggere;
- Splitting: suddivisione delle benzine leggere;
- Vacuum: distillazione sotto vuoto del residuo topping;
- Reforming: trattamento su benzine per aumento del
N.O.;
- Cracking: trattamento su oli pesanti;
- Isomerizzazione: trattamento per avere benzine ad alto
N.O.;
- Alchilazione: trattamento su gas per ottenere benzine;
- Desolforazione (o raffinazione): trattamenti preliminari
alla commercializzazione, o prima di trattamenti catalitici;
II petrolio liquido in raffineria viene sottoposto a
distillazione a pressione atmosferica, detta topping, dal
quale si ottengono diverse frazioni formate da miscele di
idrocarburi.
Le frazioni ottenute dal topping rappresentano una prima
fase delle lavorazioni, perché i vari tagli vengono poi inviati
ad altre lavorazioni, volte ad ottenere prodotti commerciali.
Queste lavorazioni di dividono in operazioni di
conversione:
o Il cracking catalitico,
o Steam cracking,
o Hydrocracking,
o Reforming catalitico.
E trattamenti speciali:
o Alchilazione,
o Isomerizzazione,
o Hydrocracking.
Le benzine
Le benzine sono uno dei prodotti più importanti dell’industria
petrolifera e coprono circa il 14% della produzione petrolifera
totale. Sono costituite da idrocarburi che possiedono da 5 a
10 atomi di carbonio, con una predominanza di C6, C7 e C8.
L’intervallo di distillazione va da circa 30°C fino a circa
205°C.
I requisiti commerciali delle benzine sono in relazione con il
funzionamento del motore a scoppio a Ciclo Otto che
funziona secondo un ciclo termodinamico costituito da due
adiabatiche e due isocore.
E’ costituito da 4 cilindri muniti di valvole di aspirazione e di
scarico, in ognuno dei quali un pistone si muove con un moto
alternato tra un punto morto superiore (pms) ed un punto
morto inferiore (pmi).
Il fluido termodinamico è costituito da una miscela
aria/benzina, che ad ogni ciclo viene espulsa e sostituita con
una nuova miscela e in cui la benzina ha lo scopo di fornire,
tramite la combustione, il calore necessario al ciclo
termodinamico.
1° Fase (Non fa parte del ciclo termodinamico): Il pistone
scende in basso e la valvola di aspirazione è aperta, si ha
l’aspirazione della miscela all’interno del cilindro.
2° Fase: A valvole chiuse, il pistone sale comprimendo
adiabaticamente la miscela (A -> B). Prima di giungere al
punto morto, la candela fa scoccare una scintilla che incendia
la benzina e procura calore.
3° Fase: La combustione si completa con il raggiungimento
del punto morto superiore (trasformazione isocora B-> C).
4° Fase: E’ la fase di espansione adiabatica (C-> D) in cui i
gas, ad elevata pressione, possono compiere il lavoro ed il
pistone scende verso il basso con valvole sempre chiuse.
5° Fase: L’apertura della valvola di scarico porta alla caduta di
pressione istantanea (D-> A).
La caratteristica principale della benzina è il potere
antidetonante (capacità di non accendersi per la semplice
pressione del pistone), che impedisce la detonazione nei
motori a ciclo otto, mentre è alla base dei motori a ciclo
diesel. Maggiore è la resistenza alla detonazione, e migliore è il
lavoro che il carburante è in grado di effettuare all’interno di
un cilindro.
Il potere antidetonante si misura con il numero di
ottano (N.O.), una scala in cui l'isoottano puro è uguale a 100
(poco detonante) e il n-eptano è uguale a 0 (molto
detonante). Il numero di ottano si attribuisce confrontando il
comportamento della benzina campione con quello di una
miscela n-eptano/ isoottano. Ad esempio, una benzina con
numero di ottano 90 detona esattamente come una miscela
alo 90% in isoottano ed al 10% in n-eptano.
La misura del numero di ottano si può effettuare secondo i
due standard, che differiscono per il numero di giri:
1. Reserarch Method (RON) a 600 giri/min;
2. Motor Method (MON) 900 giri/min.
Per migliorare le proprietà antidetonanti della benzina, in
passato si è fatto ricorso ad additivi costituiti da composti a
base di piombo, le cui caratteristiche inquinanti ne hanno
decretato la sostituzione con altre sostanze e la nascita della
cosiddetta benzina verde, esente da piombo.
Produzione:
In uno stabilimento petrolifero sono diversi gli impianti che
producono benzine:
1. Dal topping provengono benzine in cui predominano gli
alcani lineari;
2. Gli impianti
di alchilazione, isomerizzazione e cracking
catalitico (FCC) producono paraffine ramificate ad alto
N.O.;
3. Il reforming converte le benzine pesanti in aromatici.
Nella formulazione delle benzine possono entrare anche
alcuni composti ossigenati che presentano un elevato numero
di ottano.
Possiedono queste caratteristiche alcuni alcoli, sopratutto
etilico e metilico, ed alcuni composti ossigenati come il metilterz-butiletere (MTBE) e l’etil-terz-butiletere (ETBE) che
vengono prodotti nelle raffinerie, grazie alla disponibilità
delle materie prime occorrenti.
Per raggiungere un RON indicato nella normativa, vengono
impiegate le benzine provenienti dai diversi impianti
effettuando una miscelazione denominata “Blending”.
La miscela o “Blending” si ottiene quindi con i prodotti dei
diversi impianti:
Cracking a letto fluido (FCC):
Nel cracking si ottiene un progressivo frazionamento delle
molecole degli idrocarburi degli oli pesanti in molecole via via
più leggere, fino a quelle degli idrocarburi a due, tre e quattro
atomi di carbonio, gassosi a temperatura ambiente; tuttavia,
attraverso un'opportuna scelta dei tempi, delle temperature e
delle pressioni si riesce a contenere il processo in modo che
esso fornisca principalmente benzina e solo modeste quantità
di idrocarburi gassosi: contemporaneamente si ha la
formazione di quantità rilevanti di idrogeno e anche di
carbonio libero.
Alimentazione: Gasoli miscelati con residui di raffineria.
Prodotti finali: Frazione gassosa (C3,C4); Frazione liquida;
Coke (formazione solida sul catalizzatore).
Reforming Catalitico:
Nel reforming catalitico si opera su frazioni di distillato
primario e si trasformano gli idrocarburi naftenici e paraffinici
in aromatici attraverso l'azione combinata di temperatura ( tra
450 e 525°C) e pressione in presenza di catalizzatori, per
esempio a base di platino.
Alimentazione: Benzina desolforata, corrente di idrogeno.
Prodotti: GPL, Pentani e Benzina riformata.
Isomerizzazione:
Nell'isomerizzazione si opera su pentano ed esano per
trasformarli nei rispettivi isomeri ramificati che presentano
alto numero di ottano; il prodotto ottenuto è spesso miscelato
a quello di reforming.
Alimentazione: benzine leggere, provenienti dal topping o
dal reforming.
Prodotti: Benzine pregiate.
Alchilazione:
Nell'alchilazione si provoca, mediante catalizzatori quali
l'acido fluoridrico liquido, l'acido solforico concentrato o il
cloruro di alluminio anidro, la condensazione di idrocarburi
paraffinici ed etilenici a tre, quattro e cinque atomi di
carbonio e ottenuti per cracking: si ottengono così idrocarburi
paraffinici a 7-9 atomi di carbonio e a struttura fortemente
ramificata.
Alimentazione: Isobutano, Isobutene, olefine leggere.
Prodotti: Benzine pregiate.
ETBE e MTBE:
Sono eteri ottenuti per condensazione tra un alcol (metanolo,
etanolo) e un alchene (isobutene, isopenteni). L'ossigeno che
contengono procura alla loro struttura un N.O.
particolarmente elevato che li rende degli ottimi sostituti degli
idrocarburi aromatici e permette di non usare additivi al
piombo.
Alimentazione: Metanolo, Etanolo, Isobutene
Prodotti: ETBE, MTBE.
Desolforazione delle Benzine:
L'idrodesolforazione è un processo catalitico che riduce il
contenuto di zolfo nei derivati petroliferi. Le benzine devono
essere praticamente esenti da composti solforati (massima
quantità tollerata è lo 0,2%), la cui presenza diminuisce o
addirittura annulla l'azione degli additivi antidetonanti e dà
luogo a rapide corrosioni nei motori. Una parte dello zolfo
viene eliminata nei processi di cracking sotto forma di solfuro
di idrogeno. In molti casi, si deve ricorrere a un
“addolcimento” delle benzine, ossia a una desolforazione
mediante adatti reagenti chimici. L'idrodesolforazione
catalitica consiste nel miscelare la frazione petrolifera da
desolforare con idrogeno puro. La corrente di idrogeno e
della frazione petrolifera da desolforare viene poi scaldata a
fiamma diretta alla temperatura di 300-400 °C e mandata al
catalizzatore. Lo stato fisico della corrente dipenderà
fortemente dalla frazione petrolifera utilizzata.
I catalizzatori utilizzati in questo processo sono
prevalentemente ossidi di cobalto e molibdeno, posti su un
substrato di allumina. Sul catalizzatore avviene quindi la
reazione di desolforazione, in cui vengono rotti i legami tra gli
atomi di zolfo presenti negli idrocarburi e questo reagisce con
l'idrogeno dando acido solfidrico. L'acido solfidrico viene poi
separato dalla frazione petrolifera desolforata, sfruttando il
fatto che esso rimane gassoso anche a temperatura ambiente.
La corrente di acido solfidrico così ottenuta viene poi
mandata in ulteriori reattori chimici.
Fine
