CRACKING DEGLI IDROCARBURI, COS’È E COME MONITORARE I SUOI EFFETTI CON GLI ENDOSCOPI

Nonostante si cerchi di limitarne l’utilizzo, il petrolio rappresenta ancora oggi una delle fonti energetiche più diffuse ed utilizzate. Tuttavia, il greggio non può essere utilizzato così come viene estratto dai giacimenti. Infatti, per diventare il combustibile dei motori di veicoli e macchinari deve essere raffinato. Uno dei passaggi fondamentali di questo processo è il cosiddetto cracking degli idrocarburi. Di che cosa si tratta?

Rappresenta una trasformazione chimico-fisica del petrolio che viene eseguita nei moderni complessi industriali. Nelle prossime righe osserveremo da vicino i principi scientifici alla base di questa operazione e ci soffermeremo anche come gli endoscopi industriali servano a tener sotto controllo gli effetti del cracking all’interno delle unità delle raffinerie.

Che cos’è il cracking degli idrocarburi e a cosa serve?

Il termine anglosassone cracking si traduce letteralmente con le parole “frammentazione”, “spaccatura” oppure “scissione”. Nel contesto dell’ingegneria chimica, tale denominazione identifica la procedura attraverso la quale le architetture molecolari più complesse del petrolio vengono “spezzate” e convertite in composti più leggeri e soprattutto più adatti alle varie applicazioni industriali.

Nella pratica, le frazioni più pesanti degli idrocarburi vengono trasformate in sostanze liquide o gassose ad altissima resa energetica. Tra i prodotti più celebri ottenuti attraverso il cracking degli idrocarburi c’è ovviamente la benzina.

Il processo di cracking viene attuato generalmente nella prima fase di lavorazione del petrolio che prende il nome di distillazione frazionata.

Perché è necessario “spezzare” le molecole del petrolio?

Per comprendere appieno l’utilità del cracking degli idrocarburi è necessario partire dall’analisi molecolare del greggio estratto. Questa sostanza è composta da un’intelaiatura centrale caratterizzata da atomi di carbonio attorno al quale si dispongono atomi di idrogeno.

Le catene di molecole del greggio sono molto estese e possono superare i 20 atomi di carbonio. Proprio a causa di questa densità molecolare, raggiungono il punto di ebollizione ad una temperatura molto alta. Di conseguenza bruciano con difficoltà e non sono adatte come combustibili per i propulsori a combustione interna.

Non a caso, nelle torri di frazionamento il greggio viene riscaldato. Le frazioni più evaporabili salgono verso l’alto (e poi sfruttate per creare i combustibili), mentre i residui più pesanti restano sul fondo. Tuttavia, le frazioni ottenute con questa prima fase di distillazione non sarebbero sufficienti a soddisfare la domanda del mercato di idrocarburi.

Il cracking è a dir poco fondamentale perché consente di trasformare la struttura molecolare di quei residui pesanti che si accumulano sul fondo modificandoli in idrocarburi più leggeri e pronti ad essere utilizzati come combustibili.

Come funziona il processo di cracking?

Proviamo ora ad entrare nel merito delle reazioni chimiche. Il cracking degli idrocarburi consiste nella rottura dei legami che uniscono le molecole di carbonio. Per ottenere questa rottura è doveroso applicare un’imponente energia termica sulla sostanza trattata (nei prossimi paragrafi vedremo quali sono le principali metodologie di cracking).

La frammentazione della catena idrocarburica conduce alla formazione di una composizione perfettamente bilanciata caratterizzata da:

• un composto saturo (alcano), ovvero una molecola caratterizzata esclusivamente da legami singoli tra gli atomi di carbonio, strutturalmente stabile e poco reattiva.
• un composto insaturo (alchene). In questo caso si ottiene una molecola che contiene nel proprio scheletro almeno un doppio legame tra due atomi di carbonio adiacenti. Questa peculiarità rende gli alcheni sostanze chimicamente reattive, preziose sia per la formulazione di carburanti sia come materia prima per l’industria della plastica e dei polimeri.

Per rendere tutto più chiaro prendiamo l’esempio dell’ottano, un alcano saturo rappresentato dalla formula C8H18 (composto da 8 atomi di carbonio e 18 di idrogeno).

Quando la molecola di ottano viene introdotta nel reattore di cracking e sottoposta a idonee sollecitazioni, uno dei legami carbonio-carbonio si spezza. Come accennato, le molecole si riorganizzano su due spezzoni dando vita a due sostanze distinte: 

• l’esano (C6H14), un alcano saturo più corto dotato di 6 atomi di carbonio;
• l’etene o etilene (C2H4), un alchene insaturo composto da 2 atomi di carbonio e caratterizzato da un doppio legame.

È importante notare come questa reazione rispecchi fedelmente il celebre enunciato del chimico Lavoisier: «Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma». Infatti, i 6 atomi di carbonio dell’esano uniti ai 2 dell’etene restituiscono i 8 atomi iniziali dell’ottano. Allo stesso modo, i 14 atomi di idrogeno dell’esano sommati ai 4 dell’etene pareggiano esattamente i 18 atomi di partenza. 

Quali sono i principali metodi di cracking degli idrocarburi?

Nelle raffinerie vengono utilizzati diversi metodi di cracking a seconda delle sostanze da trattare ed in base ai derivati da ottenere. Diamo un’occhiata alle tecniche più comuni.

Cracking termico

Il cracking termico può essere definito come la tecnica più antica: fu introdotta nei primi del ‘900. Il metodo sfrutta unicamente l’azione diretta dell’aumento di temperatura per spezzare i legami intermolecolari.

Nella pratica le sostanze vengono scaldate a temperatura tra i 450 e i 750 ° C. Questa tecnica veniva sfruttata in passato soprattutto per ridurre la viscosità del cherosene e per trasformare gli oli densi in gasoli e benzine caratterizzate da una minore densità.

Il classico cracking termico negli anni si è evoluto nel cosiddetto steam cracking. La soluzione prevede l’immissione di vapore acqueo. Inoltre, viene eseguito a temperature superiori a 850° C e in rigorosa assenza di ossigeno, in maniera tale da impedire la combustione della materia prima. La trasformazione chimica avviene in pochi millesimi di secondo e viene sfruttate per produrre sostanze come il GPL e la nafta.

Cracking catalitico

Il cracking catalitico rappresenta il metodo principale per la produzione di benzine ad alto numero di ottano. La caratteristica distintiva di questa metodologia risiede nel ricorso a un catalizzatore, ovvero una sostanza che accelera la velocità della reazione senza consumarsi. Proprio grazie alla sua presenza le condizioni operative possono essere più miti: le temperature si attestano intorno ai 500 °C.

I catalizzatori impiegati sono soprattutto zeoliti, minerali speciali costituiti da alluminio, silicio e ossigeno dotati di una struttura porosa e regolare. Agiscono favorendo la scissione delle catene lunghe in molecole con estensione compresa tra 5 e 10 atomi di carbonio, che rappresentano l’ossatura ideale per la preparazione delle benzine destinate ai veicoli leggeri.

Hydrocracking 

L’hydrocracking è una variante sofisticata del cracking catalitico che associa la frammentazione delle molecole a un’intensa reazione con idrogeno gassoso. Il processo si svolge in speciali reattori chiusi erogando idrogeno ad altissima pressione e con temperature che raggiungono i 425 °C.

In questo caso i catalizzatori utilizzati sono compositi a base di metalli nobili, come il platino e il palladio, oppure combinazioni di elementi quali nichel, cobalto, molibdeno e tungsteno. La presenza dell’idrogeno, invece, stimola le reazioni di idrogenolisi che consentono di bonificare la miscela dalle impurità presenti nella carica originaria, in particolare zolfo e azoto. 

Il risultato finale è l’ottenimento di carburanti estremamente limpidi e ad alte prestazioni, inclusi il cherosene per l’aviazione (jet fuel), la nafta e il gasolio diesel a ridotto contenuto di zolfo.

Il monitoraggio delle unità di cracking con gli endoscopi industriali

All’interno delle raffinerie gli endoscopi industriali contribuiscono al monitoraggio e alla manutenzione delle unità di cracking. Nei forni in cui avvengono le reazioni chimiche le miscele vengono introdotte attraverso fasci tubieri esposti a fiamme dirette. Le sonde, inserite in questi tubi, possono veriificare:

• formazione di coke (coking), ovvero l’accumulo di deposito carbonioso sulle pareti interne dei tubi che riduce il flusso e causa il surriscaldamento del metallo;
• cricche termiche e deformazioni causate dai continui cicli di riscaldamento e raffreddamento.

Allo stesso tempo nelle unità destinate al cracking catalitico le polveri micro-porose delle zeoliti scorrono ad altissima velocità tra il reattore e il rigeneratore. Questo flusso costate provoca un’incessante erosione meccanica e abrasione sulle pareti interne delle tubazioni e dei cicloni di separazione. Gli endoscopi industriali permettono di controllare l’usura dei rivestimenti refrattari senza dover smontare l’intera struttura.

Infine, nei forni dell’hydrocracking la reazione di idrogenolisi osservata qualche riga più su conduce alla formazione di acido solforico, una sostanza chimicamente molto aggressiva. In questi ambienti le sonde servono a rilevare fenomeni di corrosione interna e di pitting.

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