Chimica dei prodotti petroliferi

Nel petrolio sono contenuti un insieme di idrocarburi che possono trovarsi allo stato solido, liquido o gassoso.

Nell’ambito dei composti gassosi vi è il gas naturale che è costituito da alcani a basso peso molecolare. Un campione tipico di gas naturale contiene circa l’80% di metano CH4, il 7% di etano C2H6, il 6% di propano C3H8, il 4% di butano e isobutano C4H10 e il 3% di pentano C5H12 e suoi isomeri. Abitualmente gli idrocarburi con 3, 4 e 5 atomi di carbonio vengono preventivamente allontanati prima che il gas naturale sia messo in commercio; il propano e il butano allontanati vengono liquefatti e messi in commercio come tali (GPL).

Sebbene fosse conosciuto fin dalla metà del 1600, il gas naturale è stato usato come fonte energetica dopo la seconda guerra mondiale quando vennero costruiti i primi gasdotti.

Il primo pozzo di petrolio fu perforato nel 1859 e la produzione era maggiore della domanda di mercato. Solo successivamente il petrolio è divenuto la fonte primaria di energia del mondo industrializzato e si è compreso che, essendo una fonte energetica non rinnovabile, si dovevano trovare fonti alternative.

Il petrolio greggio è costituito da una miscela complessa contenente, a seconda della zona di provenienza, dal 50 al 90% in peso di idrocarburi e pertanto il primo processo di raffinazione consiste nella separazione delle diverse frazioni tramite distillazione. Le frazioni tipiche del petrolio sono indicate nella seguente tabella:

Frazioni del petrolio

Frazione Temperatura di ebollizione Numero di atomi di carbonio
Gas naturale < 20 C1– C4
Etere di petrolio 20-60 C5– C6
Benzina   40-200 C1– C12
Cherosene 150-260 Prevalentemente C12– C13
Oli combustibili > 260 C14 e oltre
Lubrificanti > 400 C20 e oltre
Asfalto o residui di coke

 Circa il 10% del prodotto di distillazione del petrolio greggio è costituito da benzina ma la domanda crescente di tale composto ha portato alla necessità di risolvere due problemi: aumentare la percentuale di benzina contenuta in ogni barile di greggio e diminuire la sua tendenza a detonare sotto compressione. La tendenza di una benzina a detonare è correlata alla struttura dell’idrocarburo, infatti alcani ramificati e cicloalcani hanno una maggior tendenza a sopportare le compressioni rispetto a quelli a catena lineare. Inoltre gli alcani a basso peso molecolare, gli alcheni e gli aromatici hanno tendenza a detonare facilmente.

La misura del potere antidetonante si basa sul confronto della benzina in esame con varie miscele di due idrocarburi:

1) un alcano a catena ramificata, il 2,2,4 trimetilpentano che resiste bene alla compressione e che, essendo isomero dell’ottano, viene comunemente detto isottano cui si attribuisce potere antidetonante pari a 100

2) un alcano a catena lineare, che detona con facilità, il normal eptano cui si attribuisce numero di ottano pari a zero.

Il potere antidetonante delle varie miscele di questi due idrocarburi sarà tanto più elevato quanto maggiore è la percentuale di isottano presente e pertanto il potere antidetonante di una benzina viene espresso dal numero di ottani (N.O.) : esso rappresenta la percentuale in volume di isottano contenuta nella miscela di isottano e n-eptano che detona allo stesso rapporto di compressione della benzina in esame.

In base a questa scala, ad esempio,una benzina avrà N.O. = 98 se risulterà detonare allo stesso rapporto di compressione di una miscela costituita da 98% di isottano e 2% di

n-eptano.

Le prove per determinare il numero d’ottano sono diverse, così come le varie sigle:

1) RON (Research Octane Number) è la prova per testare il potere antidetonante di un combustibile con il motore “a freddo”

2) MON (Motor Octane Number) è una prova dove il motore di prova è il medesimo del sistema RON, ma viene testato sotto carico, con il motore che ha un regime di rotazione superiore, inoltre l’anticipo d’accensione è più alto rispetto al metodo RON, per testare il potere antidetonante.

3) AKI (Anti-Knock Index)/RdON (Road Octane Number)/PON (Pump Octane Number) è la media dei valori rilevati nelle prove RON e MON.

Vengono riportanti i Road Octane Number di alcuni idrocarburi:

Idrocarburo

Road Octane Number

n-eptano

0

2-metileptano

23

esano

25

2-metilesano

44

1-eptene

60

n-pentano

62

1-pentene

84

n-butano

91

Per aumentare il numero di ottani è stato usato il piombo tetraetile Pb(C2H5)4: l’aggiunta di 6 mL di tale composto a 3.8 L di benzina ne aumenta il numero di ottano da 15 a 20 unità. In tal modo si è potuta ottenere la benzina avio che ha un numero di ottani maggiore di 100.

Un altro modo per aumentare il numero di ottani è il reforming termico: ad alte temperature ( 500-600°C) e ad alte pressioni (25-50 atm) le catene degli alcani lineari isomerizzano per dare alcani ramificati e cicloalcani con relativo incremento del numero di ottani.

Oltre al reforming termico può essere realizzato il reforming catalitico in presenza di idrogeno gassoso e di catalizzatori costituiti da una miscela di SiO2 e Al2O3.

Il reforming termico, quello catalitico e l’aggiunta di antidetonanti aumentano il numero di ottani in una benzina, ma per aumentare la percentuale di benzina bisogna procedere al cracking termico per frazionare le catene con un alto numero di atomi di carbonio. Ad esempio gli idrocarburi con 12 atomi di carbonio ad alte temperature e pressioni possono essere frazionati in due frammenti contenenti 6 atomi di carbonio. Poiché il numero totale di atomi di carbonio e di idrogeno rimane costante, uno dei due prodotti conterrà un sito di insaturazione ovvero un doppio legame carbonio-carbonio.

La presenza di alcheni nel cracking termico aumenta il numero di ottani, ma diminuisce la stabilità della benzina e pertanto il cracking termico è stato sostituito da quello catalitico.

I prodotti petrolchimici trovano utilizzo per produrre fibre sintetiche come il nylon, l’orlon e il dacron, e altri polimeri come polistirene, polietilene e gomma sintetica. Essi servono anche come materie prime nella produzione di refrigeranti, aerosol, antigelo, detergenti, coloranti, adesivi, alcoli, esplosivi, diserbanti, insetticidi e repellenti per insetti

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Author: Chimicamo

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