Cracking

Cos’è il cracking?

Il cracking si riferisce a una serie di processi tecnologici in cui il trattamento di frazioni pesanti di petrolio greggio e benzina dà un risultato sotto forma di benzina e oli. Il termine "cracking" è l’attività di inizio di una decomposizione controllata di idrocarburi alifatici lunghi che esistono nelle frazioni pesanti, ad esempio nel mazut e nella frazione petrolifera formata a seguito della raffinazione del petrolio greggio. Una tale reazione produce composti la cui struttura è costituita da catene di carbonio più corte. Tali molecole sono presenti in sostanze come la benzina o il gasolio e sono una miscela di alcani e alcheni con catene più corte.

Il chimismo del cracking

Per semplificare, i processi che avvengono nel cracking si basano sulla rottura di singoli legami chimici esistenti tra gli atomi dell’elemento (carbonio). Durante i cambiamenti si formano radicali liberi. La reazione può essere indotta in due modi diversi: con l’uso del calore (reazione termica) o in presenza di catalizzatori (reazione catalitica). Esiste anche un metodo più elaborato, meno comunemente usato, che impiega radiazioni ionizzanti (reazione radiativa). I processi che si verificano durante il cracking includono una serie di cambiamenti come l’isomerizzazione degli idrocarburi, la deidrogenazione in idrocarburi aromatici e la loro condensazione in idrocarburi policiclici aromatici.

Cricche termiche

Nell’industria petrolchimica e della raffinazione, che utilizza processi termici e termocatalitici, un grande ruolo è svolto dalle reazioni di dissociazione e formazione di legami CC omoatomici ed eteroatomici CH. Esistono due possibili meccanismi responsabili di tali reazioni: il meccanismo radicalico e il meccanismo ionico. Normalmente, il cracking termico senza catalizzatore è predominato dal meccanismo radicalico, che si genera anche durante la reazione di pirolisi. Sono state sviluppate diverse varianti di cracking termico, a seconda delle condizioni di processo. Uno di questi è il cracking ad alta pressione (2-7 MPa), che viene effettuato a una temperatura di circa 470-540 ^o C. In tali condizioni, la frazione di petrolio greggio si decompone da ligroina e mazout e viene prodotta benzina per veicoli. Un altro tipo di processo è il cracking leggero, che comprende la rottura del residuo di distillazione del petrolio greggio, che sfocia in una sostanza nota come "asfalto morbido". Viene eseguito a una temperatura leggermente inferiore (460–510 ^o C) ea una pressione molto inferiore (circa 0,5–2 MPa), il che rende possibile la produzione di olio combustibile. Il terzo tipo di cracking termico prevede l’uso di una pressione ancora più bassa (0,1–0,3 MPa) ma a temperature elevate (430–550 ^o C). È stato empiricamente dimostrato che è possibile utilizzare una tale reazione dove il coke di petrolio è prodotto da asfalto morbido. A volte indicato come cracking ritardante di processo, fornisce la materia prima necessaria per produrre coke aghiforme ad alto contenuto di cristalli, utilizzato nella produzione di elettrodi per l’industria dell’acciaio e dell’alluminio. Tale variante ha anche i suoi sottoprodotti, come gas e benzina, nonché frazioni di cherosene medie e pesanti. L’ultimo tipo di cracking termico comune è la pirolisi, detta anche steam cracking. Questo termine include il processo di decomposizione di materie prime liquide e gassose a base di cherosene come benzine a basso numero di ottano, gasolio, etano, butano e propano in condizioni alquanto diverse da quelle sopra specificate. La pirolisi viene eseguita nelle condizioni termiche più elevate, utilizzando temperature comprese tra 700 e 1200 ^o C, a una pressione normale di circa 0,1 MPa. L’idrocarburo in ingresso, essendo materia prima, viene diluito con vapore e riscaldato in forno senza ossigeno, in breve tempo. Una maggiore efficienza è possibile se il periodo in cui la materia prima rimane nel forno è ridotto a millisecondi. Il gas si estingue rapidamente al raggiungimento della temperatura di cracking. Tali condizioni portano alla formazione di un gas con un elevato contenuto di idrocarburi insaturi, compreso il pregiato etilene e altre materie prime desiderate nell’industria petrolchimica. Nel caso di utilizzo di idrocarburi leggeri si producono alcheni più leggeri come l’etilene o il butadiene. L’utilizzo di idrocarburi più pesanti porta alla formazione di prodotti ad alto contenuto di idrocarburi aromatici e composti che possono essere inclusi nella benzina o nell’olio combustibile. Un’altra relazione è il fatto che una temperatura più alta favorisce la produzione di etilene e benzene, mentre una temperatura più bassa la produzione di propilene, idrocarburi C4 e prodotti liquidi. Attualmente il cracking termico è utilizzato nell’industria principalmente per migliorare le frazioni molto pesanti del cherosene o per produrre frazioni/distillati leggeri, combustibile per bruciatori o coke di petrolio.

Cracking catalitico

Come indica il nome, il cracking catalitico viene effettuato in presenza di opportuni catalizzatori. L’uso di tali additivi consente di ridurre l’elevata temperatura e pressione richieste per il cracking. I catalizzatori più comuni includono silicati di alluminio idrati AlCl ₃ e Cr ₂ O ₃ , che contengono attivatori appropriati come ossidi di nichel, cobalto o manganese. In pratica vengono utilizzati industrialmente insieme al 20 %di zeolite. Questo dipende dal metodo di lavorazione applicato, in particolare dal tipo di catalizzatore che può essere mobile, a letto fisso o polveroso. Le condizioni in cui viene condotto il cracking catalitico sono leggermente più leggere, poiché di solito viene eseguito a una pressione normale o leggermente aumentata (0,1–0,2 MPa) e a una temperatura di circa 450–510 ^o C. La materia prima nel cracking catalitico normalmente include frazioni di olio leggero che bollono a ^280-350 oC, ei prodotti sono le benzine estremamente desiderabili con un numero di ottani elevato e il gasolio. La velocità di decomposizione è maggiore con l’uso di un catalizzatore piuttosto che con il cracking termico. Se confrontiamo i prodotti del cracking termico e catalitico, l’utilizzo dei catalizzatori consente la formazione di sostanze a maggior contenuto di paraffine ramificate, cicloparaffine e idrocarburi aromatici. Nelle condizioni abilitate dal cracking catalitico, si verificano anche, ad alta velocità, reazioni come:

1. Decomposizione dei legami CC omoatomici nelle molecole di paraffina, che si traduce nella produzione di olefine a basso peso molecolare.
2. Deidrogenazione di naftaleni con produzione di idrocarburi aromatici.
3. Formazione di olefine a seguito della rottura di anelli naftalenici.
4. Una parallela polimerizzazione delle olefine e la loro condensazione con i dieni, che si riflette conseguentemente nella produzione di idrocarburi aromatici.

Un’interessante varietà di cracking catalitico è l’idrocracking, che utilizza l’aggiunta di idrogeno gassoso. Un tale additivo ha molti effetti positivi, che includono:

1. per materie prime contenenti elevate quantità di paraffine, prevenendo la formazione di composti aromatici policiclici;
2. ridotta produzione di catrame e contaminanti;
3. sostenere un funzionamento più efficiente del catalizzatore: previene l’accumulo di fastidioso coke
4. la possibilità di acquistare prodotti a minor contenuto di zolfo e azoto;
5. produrre carburante ad alto numero di cetano.

Va notato che le condizioni del cracking catalitico includono anche la richiesta di processi di reforming come l’isomerizzazione, la ciclizzazione e l’aromatizzazione. Di conseguenza, i prodotti di tali reazioni sono benzine con numero di ottani più elevato. Fonti: https://encyklopedia.pwn.pl/haslo/kraking;3926970.html https://www.naukowiec.org/wiedza/chemia/kraking-termiczny-i-katalityczny_1167.html https://arquidiamantina.org/ pl/kraking-chemia/