La raffineria di petrolio

Una raffineria di petrolio è uno stabilimento dove si trasforma il petrolio greggio, che è una miscela di idrocarburi, soprattutto idrocarburi paraffinici a diverso peso molecolare, nei suoi componenti, e dove questi ultimi vengono trattati per ottenerne altri, che vanno da composti organici leggeri, quali il metano, GPL (miscela di butano, propano e pentano) a composti pesanti quali asfalti e simili.

Gli schemi di raffinazione
Le raffinerie hanno un ciclo di lavorazione che può essere classificato in funzione degli impianti presenti e dei prodotti realizzati.
Alcuni di essi sono:

 

	Hydroskimming: distillazione topping + vacuum, reforming catalitico, desolforazione gasoli. Si realizza una bassa resa in prodotti leggeri e un'alta resa in olio combustibile.
	Schema a conversione: a differenza delle raffinerie hydroskimming, le frazioni pesanti non vengono vendute come olio comustibile ma convertite termicamente o cataliticamente in frazioni più leggere. Le raffinerie di questo tipo sono più flessibili nel rispondere alle diverse richieste del mercato (stagionalità dei prodotti).
	Lube: in una raffineria Lube si producono principalmente basi per oli lubrificanti. I grezzi che sono impienati devono essere a base paraffinica.

Gli impianti di raffineria
Di seguito vengono riportati i principali impianti che sono usati in una raffineria. Alcuni di essi sono presenti in tutte le raffinerie (distillazione topping, desolforazioni...) mentre altri no. Questo dipende dalle caratteristiche del petrolio che viene lavorato in quella raffineria e dalle richieste del mercato.
 

Trattamenti preliminari
Il petrolio, prima di poter essere lavorato, deve essere separato dall'acqua, dai sali e dalla sabbia che sono eventualmente presenti in sospensione. Queste operazioni, insieme alla stabilizzazione (allontanamento della frazione gassosa che accompagna il petrolio) vengono effettuati anche a "bocca di pozzo", in fase di estrazione. Si preferisce ripeterli, in maniera molto più approfondita, prima di iniziare qualsiasi lavorazione in raffineria. A causa della sua elevata viscosità le goccioline ed i solidi sospesi non riescono a sedimentare spontaneamente quindi è necessario operare un'operazione di dissalaggio. Il petrolio viene riscaldato in uno o più scambiatori di calore fino a 50-150 °C, a seconda della viscosità iniziale, allo scopo di diminuirla. Questo pre-riscaldamento avviene a spese di una o più correnti di prodotti caldi che lasciano l'impianto. Il petrolio, così riscaldato, viene miscelato con una certa quantità di acqua ed alcuni additivi ed attraversa una valvola di laminazione che aiuta a miscelare il tutto molto bene. I sali presenti nel petrolio passano così in soluzione e le goccioline piccole, eventualmente presenti, possono aggregarsi con altre gocce più grandi che possono essere agevolmente separate in un desalter. Il desalter è una sorta di grande serbatoio che ha all'interno due piastre elettriche. Tra queste piastre viene applicato un forte campo elettrico che favorisce la coalescenza delle goccioline d'acqua che si separano così dal petrolio. Il petrolio viene generalmente trattato in un ulteriore desalter e l'acqua oleosa viene inviata all'impianto di trattamento apposito per la disoleazione.
 

Il treno di pre-riscaldo
Il petrolio, per poter essere separato nei suoi componenti, deve essere riscaldato e parzialmente vaporizzato fino a circa 350 °C. Questa operazione si effettua in un forno e richiede una notevole quantità di combustibile. Per ridurre al minimo il consumo di combustibile, si pre-riscalda la corrente di petrolio dissalato a spese dei prodotti caldi che abbandonano l'impianto di distillazione topping. Il numero di scambiatori di calore impiegati può essere notevole (anche 20 o 30). Ovviamente, per massimizzare il rendimento del recupero termico, il petrolio scambierà calore con le correnti in ordine crescente di temperatura, prima quelle più fredde e poi quelle più calde. Insieme ai prodotti che lasciano l'impianto, cedono calore al petrolio anche i "pump around" che sono dei riflussi intermedi di prodotti. Questi prodotti vengono prelevati, raffreddati e reimmessi in colonna qualche piatto più in alto. In questo modo si opera la condensazione di parte dei vapori che risalgono in colonna. Questo insieme di scambiatori viene comunemente chiamato "treno di scambio" o "treno di pre-riscaldo".
 

La distillazione topping
Il greggio è una miscela molto complessa di idrocarburi che non può essere impiegata direttamente. Necessita innanzi tutto di essere separa in frazioni (o tagli petroliferi) tramite l'operazione di distillazione topping (o atmosferica). I tagli petroliferi sono miscele di idrocarburi che hanno una temperatura di ebollizione compresa in un determinato intervallo. Le frazioni che otteniamo da una colonna di distillazione sono generalmente:
 

Il petrolio dissalato e pre-riscaldato, viene alimentato in un forno che lo porta fino ad una temperatura di 350 °C circa. La carica, parzialmente vaporizzata, viene immessa nella zona di flash della colonna (sul fondo) dove vaporizza ulteriormente in virtù di una riduzione di pressione (si passa da 5 bar a 2 bar). Tutti i prodotti che hanno una temperatura di ebollizione inferiore sono vaporizzati e risalgono verso l'alto mentre i prodotti più pesanti (residuo atmosferico) escono dal fondo. La corrente gassosa, man mano che sale in colonna, viene in contatto con il liquido che scende dai piatti di ditillazione superiori. In questo modo condensano prima i prodotti con la temperatura di ebollizione più alta. Da alcuni piatti di distillazione sono prelevati i prodotti che poi vengono inviati alle lavorazioni successive. La corrente liquida che scende è costituita dai pump around e dal riflusso (portata di liquido) immesso in testa alla colonna.

La distillazione vacuum

Il residuo topping contiene ancora altri composti che possono essere utilizzati ma la loro temperatura di ebollizione a pressione atmosferica è così elevata che subirebbero una rottura se li si vaporizzasse a pressione atmosferica. Questo processo si chiama cracking termico. Per ovviare a questo inconveniente si distilla il residuo topping ad una pressione notevolmente inferiore (40 mmHg circa). Il residuo Topping viene riscaldato in un forno nuovamente fino a 380 °C ed immesso nel fondo della colonna vacuum.
I prodotti ottenuti dipendono dal tipo di grezzo utilizzato e sono, nel caso di grezzi paraffinici per lubrificanti:
 

	Gasolio da vuoto (VGO)
	3 frazioni lubrificanti leggere e medie
	Residuo da vuoto (asfalteni + frazione lubrificante pesante)

Nel caso di grezzi per la produzione di combustibili:
 

	Gasolio leggero da vuoto (LVGO)
	Gasolio pesante da vuoto (HVGO)
	Residuo vacuum (asfalteni)

I gasoli da vuoto possono essere utilizzati per alimentare le navi oppure per produrre benzine e gasoli per autotrazione tramite dei processi di cracking termico o catalitico.

I prodotti della distillazione vengono di solito inviati ai trattamenti di desolforazione, in cui si inietta H2 che viene poi separato in forma di H2S (acido solfidrico) e in seguito ridotto, nei classici impianti per il Processo Claus, a zolfo elementare. Dalla distillazione sotto vuoto si ottengono quindi i prodotti pesanti, quali gasolio e olio combustibile.

Questi prodotti non sono subito utilizzabili commercialmente, perché spesso non rispettano tutte le specifiche come il numero di ottano o il contenuto di zolfo. Inoltre è improbabile che le quantità prodotte rispettino le proporzioni delle quantità vendute. Si sono quindi sviluppate nel tempo delle tecniche di processo mediante le quali le molecole di idrocarburi pesanti vengono spezzate in molecole più leggere - ad esempio mediante una reazione del tipo C13H28 + H2 -----> C7H16 + C6H14
Questi processi sono detto processi di cracking (letteralmente: spezzettatura) e consentono, nel caso indicato, di ottenere una molecola di eptano ed una di esano (cioè due di benzina leggera) partendo da una molecola di C13, ossia gasolio.
Si pone evidentemente anche il problema inverso : greggi molto leggeri possono dare un eccesso di benzine a scapito dei gasoli. Sono stati allora sviluppati dei processi di reforming (letteralmente: riformatura), inversi di quelli di cracking.

Attraverso tutti questi trattamenti di ottengono, nelle quantità desiderate, tutti i prodotti che il mercato richiede. Tra questi, si distinguono le frazioni pesanti (C20 e oltre), che hanno poco interesse commerciale e che vengono spesso usate in raffineria per produzione di energia in speciali caldaie, e soprattutto la virgin naphta, già citata, che è la principale materia prima per l'industria petrolchimica, e quindi per la produzione di materie plastiche, gomme sintetiche e di un'infinità di materiali diversi.
Schema del processo di raffinazione: dalla distillazione atmosferica (topping) si ricavano i vari tagli di benzine successivamente lavorati in impianti specifici. Le frazioni più pesanti vengono lavorate in una colonna sotto vuoto (vacuum) dove si recuperano altri combustibili.
Schema del processo di raffinazione: dalla distillazione atmosferica (topping) si ricavano i vari tagli di benzine successivamente lavorati in impianti specifici. Le frazioni più pesanti vengono lavorate in una colonna sotto vuoto (vacuum) dove si recuperano altri combustibili.

La torre di frazionamento
La torre di frazionamento è composta da una torre cilindrica in acciaio alta circa 30 m e larga 3,50 m. All’interno della torre ad intervalli regolari si trovano dei piatti orizzontali forati, muniti di appositi passaggi, alcuni dei quali sormontati da coperchi detti campane di gorgogliamento. La temperatura della torre è elevata alla base e va diminuendo con l’altezza. Il petrolio che entra alla base della torre è preriscaldato in un forno fino a 360°C. I componenti che hanno punto di ebollizione inferiore a quella temperatura, salgono la torre sotto forma di vapore. Incontrando i piatti e le campane di gorgogliamento che sono al di sotto della temperatura di ebollizione, condensano e si depositano sul piatto allo stato liquido. Apposite tubazioni possono raccogliere queste frazioni liquide e allontanarle dalla torre. Le frazioni ad elevato punto di ebollizione che non evaporano entrando nella torre, si spostano alla base e, data l’elevata temperatura, passano allo stato aeriforme e, condensando, si raccolgono sui piatti inferiori.

La raffineria e l'ambiente
Una raffineria di petrolio è certamente un impianto industriale con forte impatto ambientale, sia per l'area che essa normalmente occupa, misurabile in ettari, sia per la grande componente energetica - quasi tutti i processi di raffinazione sono di tipo termico - sia per l'effetto sull'ambiente.
In tempi recenti le tecnologie di raffinazione hanno ridotto di molto gli scarichi liquidi e gassosi; oggi è possibile vivere vicino ad una raffineria senza seri problemi sanitari. Tuttavia, le emissioni, pur ridotte, non sono annullate, e le grandi dimensioni di questi impianti fanno si che queste emissioni, piccole se considerate relativamente, siano comunque importanti in termini assoluti.

D'altra parte, le raffinerie sono un tassello essenziale nella filosofia di vita attuale. Se è quindi giusto operare per un sempre minore impatto ambientale della raffineria, si deve pur sempre tenere conto che nessun processo, fisico o chimico, può mai lasciare inalterato l'ambiente che lo circonda.

La costruzione di nuove raffinerie nei paesi occidentali è stata ferma per quasi vent'anni: ciò è probabilmente dovuto al fatto che le compagnie petrolifere attendevano l'imminente picco del petrolio che avrebbe fatto calare drasticamente il consumo di idrocarburi e rendere gli impianti attuali sovrabbondanti rispetto alle necessità di produzione. Nel periodo tra il 2004 e il 2006, invece, si è avuto un netto aumento degli investimenti sia in nuovi impianti che nel miglioramento di quelli esistenti. Nel 2007 è partita la costruzione della prima raffineria grass roots negli Stati Uniti d'America dopo quasi un ventennio - a Pascagoula, TX, ed è in corso il rifacimento totale o parziale di un gran numero di raffinerie. La causa di ciò risiede probabilmente nell'elevato costo del greggio, che consente alle imprese di raffinazione di compiere ingenti investimenti (una raffineria completa, nel 2006, ha un costo dell'ordine di 1 - 2 miliardi di Euro), realizzando così economie di processo e di scala.