Il cracking degli idrocarburi è un processo di raffinazione del petrolio che ha l’obiettivo di scomporre le molecole idrocarburiche complesse in composti più semplici, maggiormente richiesti dal mercato e utilizzabili come fonti di energia.
Il cracking, letteralmente “spaccatura”, è un processo chimico fondamentale nella raffinazione degli idrocarburi, in cui le catene più lunghe degli stessi vengono spezzate per ottenere prodotti più leggeri. Il petrolio grezzo è una miscela complessa di idrocarburi con diversi valori economici e non tutti possono essere utilizzati, a esempio, come fonti energetiche come il carburante. Per migliorarne la resa, il petrolio grezzo viene sottoposto a processi di raffinazione mirati a separare le molecole di maggiore interesse commerciale: tra questi uno dei più importanti è proprio il cracking.
Cosa significa “cracking degli idrocarburi”?
Il cracking è un processo essenziale nella raffinazione degli idrocarburi, generalmente eseguito dopo la distillazione frazionata, che suddivide il petrolio grezzo in frazioni diverse a seconda della loro densità. Attraverso il cracking, le catene di idrocarburi più lunghe, come gli oli pesanti, vengono spezzate per ottenere prodotti più leggeri e maggiormente richiesti dal mercato, come la benzina. Questo permette di massimizzare l’utilizzo delle risorse estratte e di soddisfare meglio la domanda di combustibili leggeri.
Il petrolio grezzo è composto da una miscela di idrocarburi semplici, con un numero ridotto di atomi di carbonio, e complessi, che possono contenerne più di 20. Al crescere del numero di atomi di carbonio, le molecole si allungano formando catene idrocarburiche, che possono essere lineari, ramificate o cicliche. All’aumentare della densità e complessità molecolare, diminuisce il valore energetico degli idrocarburi.
I composti più semplici, che hanno punti di ebollizione più bassi, sono più volatili e bruciano più facilmente e risultano quindi ideali come combustibili. Questo spiega perché gas e benzine utilizzati come carburanti o per il riscaldamento contengono idrocarburi con un numero tra 1 e 10 di atomi di carbonio, come metano (CH4), propano (C3H8), pentano (C5H12) e ottano (C8H18). Al contrario, le catene idrocarburiche più lunghe, con punti di ebollizione elevati e maggiore densità, sono meno adatte all’uso energetico.
Quindi per rendere il petrolio grezzo una risorsa utilizzabile è necessario sottoporlo a processi di raffinazione come il cracking, che separano gli idrocarburi pesanti da quelli leggeri, permettendo di ottenere il massimo rendimento dai composti di maggiore valore economico.
Il cracking degli idrocarburi in pratica
Come abbiamo visto, il cracking implica la rottura dei legami tra gli atomi di carbonio all’interno delle molecole di idrocarburi, generando frazioni più leggere. Ad esempio, nel cracking della molecola di ottano (C8H18), un legame C-C può essere spezzato, causando la riorganizzazione degli atomi di idrogeno e formando due nuovi composti: esano (C6H14) ed etene (o etilene, C2H4). In questo caso, l’etene è un idrocarburo insaturo, con un doppio legame tra due atomi di carbonio, appartenente alla famiglia degli alcheni. L’ottano e l’esano, invece, sono idrocarburi saturi, ovvero alcani, perché presentano solo legami singoli tra gli atomi di carbonio. Il processo di cracking produce sempre una combinazione di almeno un composto saturo e uno insaturo e la somma totale degli atomi di carbonio e idrogeno nei prodotti che ne derivano sarà sempre pari a quella della molecola originale.
È importante notare che la rottura di un idrocarburo non avviene sempre nello stesso modo. Fattori come le condizioni di reazione (temperatura, pressione), la velocità della reazione, la presenza di catalizzatori e la composizione iniziale della miscela di idrocarburi influenzano significativamente il processo di cracking e i composti che ne risultano.
La differenza tra cracking termico e cracking catalitico
A livello industriale, il cracking degli idrocarburi può essere effettuato principalmente con due metodi: il cracking termico e il cracking catalitico.
Il cracking termico
Sviluppato all’inizio del 1900, il cracking termico è il metodo più vecchio e semplice. Questo processo consiste nella rottura dei legami C-C degli idrocarburi tramite l’esposizione a temperature elevate, che vanno generalmente dai 450°C ai 750°C, e talvolta anche a pressioni che possono raggiungere i 70 atm. Il cracking termico è stato a lungo utilizzato per migliorare le frazioni pesanti del cherosene e per convertire gli oli pesanti in benzine e gasoli a minore densità.
Una variante del cracking termico è lo steam cracking, che utilizza il vapore acqueo e che avviene a temperature molto elevate (superiori agli 850°C) in assenza di ossigeno. La reazione è estremamente rapida: nei forni moderni il tempo di permanenza delle sostanze può essere così breve da misurarsi in millisecondi. Questo processo migliora la resa dei composti desiderati ed è abbastanza versatile da essere applicato a diverse miscele di idrocarburi, tra cui GPL, nafta, benzine e gasoli.
Il cracking catalitico
Il cracking catalitico è uno dei metodi più efficaci per ottenere alcani leggeri. In questo processo le catene lunghe di idrocarburi vengono riscaldate e quindi spezzate in presenza di un catalizzatore, che permette di accelerare la reazione e che consente di operare a temperature e pressioni più moderate, in genere a circa 500°C. Tra i catalizzatori più utilizzati ci sono le zeoliti, minerali costituiti da alluminio, silicio e ossigeno. Il cracking catalitico è una delle principali fonti di idrocarburi con catene di 5-10 atomi di carbonio, impiegati principalmente nella produzione di benzine.
L’hydrocracking
Una variante del cracking catalitico è l’hydrocracking, o cracking idrogenante, che utilizza catalizzatori a base di metalli nobili come palladio e platino, oltre a elementi come molibdeno, tungsteno, cobalto e nichel. La reazione avviene in presenza di idrogeno a temperature fino a 425°C e ad alte pressioni. Oltre alla frammentazione degli idrocarburi, l’idrogeno promuove reazioni di idrogenolisi, che rimuovono impurità come zolfo e azoto, convertendole in gas come acido solfidrico e ammoniaca. L’hydrocracking consente di produrre molteplici frazioni idrocarburiche, tra cui cherosene, carburante per aerei, nafta e diesel, a partire da materie prime più dense, come gasoli pesanti e oli combustibili.