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 combustibile, 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 impiegati devono essere a base paraffinica.
Gli impianti di raffineria
Di seguito vengono riportati i principali impianti che sono usati in una
raffineria. Solo alcuni di essi sono presenti in tutte le raffinerie
(distillazione topping, desolforazioni...). 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 effettuare 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 preriscaldamento 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:
Incondensabili (C1 + C2)
GPL (C3 + C4)
Benzina (C5 ÷ C9)
Kerosene (C9 ÷ C12)
Gasolio leggero (C13 ÷ C14)
Gasolio pesante (C15 ÷ C20)
Residuo atmosferico(C20+)
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 fossero
vaporizzati a pressione atmosferica (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 e in seguito ridotto, 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 (Craking).
•
Greggi molto leggeri possono dare un eccesso di benzine a scapito dei
gasoli. Sono stati allora sviluppati dei processi di reforming.
Attraverso tutti questi trattamenti di ottengono, nelle quantità
desiderate, tutti i prodotti che il mercato richiede. Tra questi, si
distinguono le frazioni pesanti (C-20 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.
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.
Nel periodo tra il 2004 e il 2006, si è avuto un netto aumento degli
investimenti sia in nuovi impianti che nel miglioramento di quelli esistenti.
L'elevato costo del greggio, consente alle imprese di raffinazione di
compiere ingenti investimenti realizzando così economie di processo e di
scala (una raffineria completa, nel 2006, aveva un costo dell'ordine di 1 2 miliardi di Euro).