petrolio,energia e materiali, Sintesi del corso di Chimica dei materiali

Scarica petrolio,energia e materiali e più Sintesi del corso in PDF di Chimica dei materiali solo su Docsity! Il processo di formazione del petrolio ebbe inizio dallo sviluppo della fotosintesi da parte di alcuni organismi marini, la comparsa di questi micro batteri determino un flusso di carbonio atmosferico verso gli oceani, dove era trasformata in maniera organica, gli organismi decompositori aerobici determinavano il flusso inverso, trasformando la materia organica nuovamente in anidride carbonica attivando così il ciclo del carbonio, ancora oggi attivo. Una volta depositata sui fondali marini, con elevata velocità di sprofondamento si attiva un insieme di complesse trasformazioni che portano alla formazione del petrolio: Diagenesi: carboidrati, lipidi e proteine si trasformano e perdono ossigeno, azoto e zolfo arricchendo il contenuto in sostanze organiche, alla fine si forma un materiale denominato cherogene. Catagenesi comprende le razioni di riduzione dei doppi legami per incorporazione d’idrogeno o di zolfo, reazioni di cracking e reazioni di condensazione. Metagenesi si forma metano. Il grezzo Il petrolio grezzo è una miscela d’idrocarburi che può presentare caratteristiche fisiche o chimiche molto diverse in funzione della provenienza, in genere si presentano allo stato liquido ma alcuni possono contenere quantità paraffine ad alto peso molecolare che permettono lo stato solido a temperatura ambiente. La composizione varia rispetto all’origine soprattutto rispetto al carbonio e idrogeno che rappresentano gli elementi principali mentre variazioni si possono avere per altri elementi come l’azoto, l’ossigeno e lo zolfo. Le classi d’idrocarburi presenti nel petrolio sono principalmente gli alcani, che nell’industria petrolifera sono indicati come paraffine (da uno a 30/35 atomi di carbonio e possono essere lineari o ramificati), sono presenti anche in maniera mino i nafteni (ciclo alcani) (1 o pur anelli saturi di 5/6 atomi di carbonio) e gli aromatici (1 o più anelli a sei atomi). Nei grezzi inoltre è presente una quantità di composti solforati detti tioalcoli, composti ossigenati e azotati. La valutazione dei grezzi è effettuata tenendo conto di un gran numero di parametri. Densità Grezzi con densità bassa presentano una maggiore resa in prodotti leggeri. Tenore di zolfo 0.05% fino a un massimo di 9% deve essere basso Fattore di caratterizzazione Definiscono la quantità di paraffine e nafteni. Contenuto in asfalteni Composti ad alto peso molecolare Carbonio conradson Formare di residui di carbonio dopo il riscaldamento. Punto di anilina presenza di aromatici nel grezzo La resa del grezzo pero si misura attraverso una prova di distillazione. -metodo bureau consiste in una distillazione discontinua condotta a pressione atmosferica, riscaldando il prodotto fino a 257° -metodo TBP distillazione discontinua in cui è consentito il riflusso dei vapori opportunatamente condensati. Le frazioni petrolifere Le frazioni ottenute dalla lavorazione del petrolio sono ancora miscele di numerosi idrocarburi, appartenenti a classi diverse. • Prodotti gassosi: nella parte superiore di molti giacimenti petroliferi si accumulano quantità più o meno grandi di gas naturale, metano e in minima misura etano. • I distillati leggeri: rientrano in questa classificazione le benzine e i nafteni. • Distillati medi: sono compresi gasoli • I distillati pesanti: gli oli combustibili, oli lubrificanti e bitumi Aspetti generali della lavorazione del petrolio: la lavorazione del grezzo viene effettuata secondo un ciclo produttivo che può comprendere operazioni e processi differenti da uno stabilimento ad un altro, le operazioni consentono di passare dalla materia prima al prodotto finito, ma possono essere raggruppate in 3 categorie : frazionamento, conversione, raffinazione. 1. Frazionamento tramite queste operazioni si ottengono dell’alimentazione le varie frazioni petrolifere, queste operazioni possono essere indispensabili (es: topping ed il vacuum). Hanno lo scopo di convertire una frazione in un’altra o di migliorare determinate caratteristiche di una frazione . 2. Conversione: alcuni di questi processi non modificano il peso molecolare medio , ma cambiano radicalmente le caratteristiche della frazione, trasformando per esempio benzine paraffiniche in aromatiche. possiamo notare che : la stabilità degli idrocarburi diminuisce con la temperatura ed è favorita la reazione di decomposizione; un informazione notevole si ricava la pendenza delle curve che sono piu ripide per gli alcani rispetto a quelle degli alcheni ( temperatura inferiore sarà piu stabile l’alcano mentre a quelle superiori l’alchene). Infine nel diagramma si mette in evidenza come le relazione di cracking più favorite siano quelle hce portano agli elementi carbonio e idrogeno . le reazioni degli idrocarburi sono reazioni endotermiche in cui bisogna fornire energia per rompere i legami C-C e termodinamicamente sono piu favorite a temperatura elevata. Gli aspetti cinetici: il catalizzatorie impiegato promuove la formazione di carbocationi che quasi sempre portano alla formazione di prodotti ramificati. Tutte le reazioni sono realizzate attraverso uan catalisi eterogenea, i catalizzatori utilizzati sono le zeoliti ( costituite da silice e allumina) . il meccanismo di reazione dipende dagli atomi di allumino presenti al centro (acidi di lewis), grazie ai quali la formazione dei carbocationi puo avvenire attraverso la formazione di due meccanismi : l’estrazionedi idruro e la somma di idrogeno alle olefine. il catalizzatore presente nel sistema va continuamente sostituito con catalizzatore fresco. Il reattore del cracking: il reattore a letto fluido (FCC) consente di trattare il fluido come se fosse omogeneo . la carica viene immessa alla base del reattore dove incontra il catalizzatore proveniente dal rigeneratore si forma una corrente , il catalizzatore favorisce la vaporizzazione della carica e per le reazioni endotermiche di crackig, i prodotti gassosi si avviano verso l’alto mentre le polveri escono alla base della colonna di scarico, il catalizzatore procede verso il rigeneratore e il flusso d’aria provoca la combustione del coke che aumenta la tempertatura ( rende tutto il processo autosufficiente dal punto di vista energetico). I uscenti dal reattore passano alla sezione di frazionamento , le benzine alla sezione di stabilizzazione, il catalizzatore viene riciclato e dalla testa della colonna esce un olio combustibile. Il reforming catalitico: puo essere sfruttato per produrre benzine ad alto numero di ottano e anche per produrre aromatici. Oggi i processi di reforming sono esclusivamente di tipo catalitico , con un catalizzatore bifunzionale. Anche nel reforming avvengono numerose reazioni che si possono riassumere in 4 categorie. Di deidrogenazione,deidrociclizzazione,idrocracking,isomerizzazione. Alcune rezioni sono esotermiche (isomerizzazione e idrocraxking), e le altre endotermiche . i catalizzatori possiedo l’allumina e posso contenere anche il platino, iridio, rodio, palladio ,ossido di molibdeno, ossido di cromo. I reforming quando hanno il catalizzatore a base di platino sono a letto fissio , una delle alternative è il platforming un processo che utilizza il catalizzatore a base di platino (0,06%) su un supporto di allumina. Prima di essere processata al refoming la benzina pesante uscita da topping deve subire una idrodesolforazione. Un processo tipico di reforming prevede una sequenza di 3 reattori adiabatici ognuno preceduto da un forno che fornisce il calore per le reazioni endotermiche. ALCHILAZIONE: è processo di conversione del prodotto diventa benzine di alchilazine , è piu pesante delle materie prime e presenta un numero di ottano elevato. La carica da trattare è costituita dalla corrente gassosa prodotta al reforming e soprattuo al cracking catalitico , sono reazioni endotermiche. ISOMERIZZAZIONE: consente di trasformare paraffine lineari in paraffine isomere con lo scopo di aumentare il numero di ottano , sono reazioni leggermente esotermiche e vengono catalizzate da catalizzatori bifunzionali simili a quelli del reforming. Processi di raffinazione; vengono fatti allo scopo di eliminare sostanze non desiderate . la desolforazione dei prodotti petroliferi puo essere fatta tramite numerose tecniche. I GPL devono essere desolforati , la rimozione viene realizzata per assorbimento chimico in una colonna di lavaggio in cui i gas vengono trattati in controcorrente con una soluzione alcalina di NaOH. Il processo puo lavorare allo stesso modo con le benzine in tal caso le torri di lavaggio sono sostituite da colonne di estrazione liquido-liquido. ALTRI PROCESSI DI CONVERSIONE Ricordiamo che la conversione è il processo che modifica la resa delle varie frazioni a favore di quelle piu leggere. Visbreaking : tratta il residui del vacum aa elevata viscosità Coking : sfrutta le reazioni del cracking termico , i residui del topping o del vacuum vengono trasformati in gas, benzine, gasoli e soprattutto coke. Questo puo essere impiegato come combustibile. Hydrocracking: conversione di residui molto pesanti o ricchi di metalli ottenendo GPL kerosene, benzine,distillati medi … LA PRODUZIONE DI OLEFINE LEGGERE le olefine non sono presenti nei grezzi , un processo dedicato solamente alla produzione di olefine è lo steam cracking con cui è possibile produrre etilene, propilene e C4 in quantità sufficiente. L’alimentazione delle steam creacking è data dalla virgin nafta ovvero la benzina pesante del topping, le rezioni che avvengono principalmente sono di rottura di legami C-C o C-H e sono molto endotermichee favorite ad alte temperature.le reazioni inoltre vengono realizzati senza catalizzatori, in questo processo il vapore d’acqua ha un importanza notevole soprattutto perche riesce a mantenere pressioni parziali inferiori ad 1 atm ottenenendo cosi elevate rese termodinamiche. Esistono diversi impianti per la produzione di etilene : all’uscita del forno si bloccnao le reazioni cracking con un raffreddamento rapido (queenching) per evitare la formazione di coke facendo passare i vapori nella colonna di lavaggio. Dal fondo di questa colonna viene separata una frazione pesante di olio combustibile mentre dalla testa escono i vapori. I gas vengoo lavati e essiccati . uno degli aspetti piu delicati è il controllo della permanenza dei reagenti alla temperatura di cracking , oltre alla virgin nafta è necessario trattare anche l’etanolo di riciclo.