Come funziona una raffineria di petrolio: dalla distillazione al carburante

Dietro il gesto di inserire la pistola del distributore nel serbatoio dell’auto si cela uno dei processi idrocarburici più complessi dell’ingegneria moderna: la raffinazione di petrolio. Il greggio, così come viene estratto dai giacimenti, è un liquido viscoso e inutilizzabile: una miscela eterogenea di idrocarburi leggeri e pesanti, accompagnata da impurità come zolfo, azoto e sali minerali. Trasformare questo composto in benzina, gasolio, cherosene e materie prime per la chimica richiede il lavoro ininterrotto delle raffinerie.

Andiamo a scoprirne il funzionamento! L’intero ciclo di trasformazione si sviluppa attraverso tre fasi concettuali principali: separazione, conversione e purificazione.

I trattamenti preliminari: dissalaggio e risparmio energetico

Prima di entrare nei forni, il greggio subisce il dissalaggio: miscelato con acqua e sottoposto a un forte campo elettrico (nel Desalter), perde sali minerali, sabbia e impurità che altrimenti corroderebbero gli impianti. Successivamente passa nel treno di pre-riscaldo, un sistema di decine di scambiatori di calore che sfruttano il calore dei prodotti in uscita per preriscaldare il greggio in ingresso, riducendo drasticamente i consumi energetici della raffineria.

Come funziona la torre di frazionamento?

La prima tappa fondamentale avviene nella torre di distillazione atmosferica, comunemente chiamata topping. Il greggio viene preriscaldato all’interno di forni fino a temperature prossime ai 350-400 °C e immesso alla base di una colonna verticale dotata di decine di piatti forati.

All’interno della colonna di distillazione (alta circa 30 metri) si trovano decine di piatti dotati di campane di gorgogliamento. Il vapore caldo risale e, attraversando il liquido più freddo presente sui piatti superiori, condensa esattamente alla quota in cui la temperatura corrisponde al suo punto di ebollizione.

Per raffreddare la colonna e far condensare i vapori nei punti giusti, parte del liquido viene prelevata, raffreddata all’esterno e reimmessa qualche piatto più in alto.

Da qui si estraggono anche le nafte vergini, materia prima fondamentale per la chimica e le materie plastiche.

La colonna sfrutta le differenti temperature di ebollizione e condensazione delle componenti del petrolio. Salendo verso l’alto, la temperatura all’interno della struttura diminuisce gradualmente.
Nelle zone superiori condensano i gas come propano e butano insieme alle benzine leggere.
Nella parte centrale della colonna si raccolgono le frazioni medie, ovvero il cherosene destinato all’aviazione e il gasolio per autotrazione e riscaldamento.

In fondo alla colonna si deposita invece il residuo pesante, un composto denso che non evapora a pressione atmosferica (olio lubrificante, paraffina e asfalto).

Per recuperare ulteriore materia prima da questo scarto, lo si invia alla distillazione sottovuoto. Riducendo la pressione interna, i componenti pesanti bollono a temperature inferiori, evitando che le molecole si degradino termicamente. I range di temperatura variano a seconda della raffineria, del greggio e dei tagli scelti, quindi vanno intesi come valori orientativi.

Nella fascia medio-alta della colonna di distillazione atmosferica, cioè nella zona più alta e fredda si estraggono anche le nafte vergini (virgin naphtha). Oltre a essere impiegate come base per la formulazione dei carburanti per auto, rappresentano la materia prima fondamentale per la petrochimica e la produzione di materie plastiche e gomme sintetiche.

Conversione chimica, cracking e reforming

La distillazione primaria da sola non è sufficiente a soddisfare la domanda del mercato automobilistico: la quantità di benzine e diesel ottenuta per via diretta è inferiore rispetto alle richieste, mentre i residui pesanti risultano in eccesso. È qui che entrano in gioco gli impianti di conversione chimica, il cui processo principale è il cracking catalitico. Nel cracking fluido catalitico, le lunghe e pesanti catene idrocarburiche del residuo di distillazione vengono spezzate ad alta temperatura e in presenza di specifici catalizzatori. Questo taglio molecolare le trasforma in catene più corte e pregiate, idonee alla formulazione di benzine ad alto numero di ottani.

Parallelamente si impiega il reforming catalitico, un processo chimico che riorganizza la struttura delle molecole lineari delle benzine pesanti trasformandole in strutture ad anello o ramificate. Questa modifica aumenta drasticamente la resistenza della benzina alla detonazione spontanea all’interno dei cilindri.
E’ processo inverso quando si lavora un greggio troppo leggero che darebbe troppa benzina e poco gasolio.

Purificazione: abbattimento dello zolfo

Nessun carburante può essere immesso nei serbatoi delle auto moderne senza un’accurata fase di purificazione. Lo zolfo presente nel greggio originale risulta altamente corrosivo per le componenti meccaniche e, bruciando nei motori, produrrebbe ossidi nocivi per l’ambiente e responsabili delle piogge acide.

Nei reattori di idrodesolforazione, i tagli petroliferi vengono trattati con idrogeno ad alta pressione e temperatura. L’idrogeno reagisce con lo zolfo formando acido solfidrico, che viene successivamente separato e convertito in zolfo elementare ad uso industriale. Questo passaggio è indispensabile per garantire il rispetto dei severi standard normativi europei sulle emissioni dei carburanti.

Il blending finale

L’ultima fase del processo di raffinazione è il miscelamento. Le benzine e i gasoli puri provenienti dai vari reparti della raffineria non vengono utilizzati singolarmente, ma dosati in percentuali calcolate insieme ad additivi detergenti, anticorrosivi e bio-componenti. Il risultato finale è un carburante standardizzato, capace di garantire efficienza termica, ridotte emissioni e la massima protezione per i moderni sistemi d’iniezione.

Raffineria di petrolio moderna ad alta conversione

Questo schema illustra l’architettura completa di una moderna raffineria di petrolio ad alta conversione, mostrando il percorso che trasforma il petrolio grezzo nei diversi prodotti finiti per l’industria e la mobilità (evidenziati in blu). Il ciclo si apre a sinistra con la distillazione atmosferica, dove il greggio viene separato nei vari “tagli” principali (dai gas leggeri alla nafta, fino al gasolio). I residui più pesanti vengono inviati alla distillazione sotto vuoto per recuperare ulteriori frazioni utili, mentre gli scarti finali vengono trasformati in asfalto o coke di petrolio. L’infografica mostra chiaramente tutte le fasi successive di conversione chimica (come FCC – Cracking Catalitico Fluido, Idrocracking e Reforming), necessarie per spezzare le molecole pesanti e aumentare la resa in carburanti pregiati ad alto numero di ottani. Infine, i vari trattamenti di purificazione (trattamento ammine, Merox e idrodesolforazione con recupero dello zolfo nell’impianto Claus) abbattono le impurità inquinanti prima dell’invio delle miscele al Gasolina Blending Pool per la formulazione finale dei carburanti commerciali.

La causa dei prezzi elevati di benzina e gasolio

In ambito dell’Unione Europea, la capacità di raffinazione ha subìto un ridimensionamento storico: negli ultimi 15 anni la chiusura di quasi 30 impianti ha portato la capacità complessiva da 825 a circa 517 milioni di tonnellate all’anno, registrando un crollo superiore al 36%. Per volontà UE: tutto legato al Green Deal. Questo è un problema in più, specie di questi tempi. Il problema non è la carenza o il costo del petrolio, ma la scarsità di volumi prodotti di carburante per incapacità produttiva dei ridotti impianti di raffineria. Leggi l’approfondimento sulle cause del rincaro dei prezzi di benzina e gasolio.