Il potenziale degli idrocarburi è noto da secoli. Le mura e le torri di Babilonia sono state costruite con l'asfalto; gli antichi persiani usavano il petrolio per l'illuminazione e i trattamenti medici. Tuttavia, la maggior parte degli idrocarburi devono essere separati, raffinati e trattati prima di poter essere utilizzati in modo efficiente. Per farlo, utilizziamo lo stesso processo per distillare l'alcol, filtrare l'aria ed estrarre le essenze vegetali, noto come distillazione frazionata.
- Questo articolo tratta la distillazione frazionata dal punto di vista chimico.
- Inizieremo definendo la distillazione frazionata.
- In seguito analizzeremo più da vicino la distillazione frazionata del petrolio greggio.
- Non si tratterà solo di illustrare il processo, ma anche di scoprire i prodotti e i loro usi.
- Infine, considereremo gli svantaggi della distillazione frazionata del petrolio greggio.
Definizione di distillazione frazionata
La distillazione frazionata è una tecnica di separazione che prevede la separazione di una miscela in campioni più piccoli in base al loro punto di ebollizione. Questi campioni sono noti come frazioni.
La distillazione frazionata è stata utilizzata per centinaia di anni per purificare e separare vari liquidi. Tuttavia, il suo maggiore impiego oggi è nelle raffinerie di petrolio e negli impianti petrolchimici. Il modo più semplice per comprendere la distillazione frazionata è osservare come viene utilizzata in queste industrie per raffinare una sostanza nota come petrolio greggio.
Distillazione frazionata del petrolio greggio
Quattrocento milioni di anni fa, il mondo era un posto diverso. Era un'epoca precedente ai dinosauri e ai ghiacciai. I ragni strisciavano solo da circa 80 milioni di anni, i primi tetrapodi a quattro zampe erano appena arrivati sulla terraferma e le piante verdi non si erano ancora evolute in foreste. La maggior parte della Terra era ricoperta da oceani pieni di crostacei, pesci e vari tipi di vegetazione come il fitoplancton, microscopiche alghe verdi. Quando questi organismi morivano, i loro resti cadevano sul fondo degli oceani e venivano gradualmente ricoperti da strati di limo e sabbia. Man mano che gli strati aumentavano nel corso di centinaia di migliaia di anni, le condizioni si intensificavano. Alla fine, il calore e la pressione esercitati sui resti erano così forti che la materia organica morta iniziò a trasformarsi in una sostanza di grande importanza per l'uomo di oggi: il petrolio greggio.
Il petrolio greggio è una miscela complessa di idrocarburi e altre impurità organiche.
Figura 1. Diagramma di formazione del petrolio greggio per la distillazione frazionata.
Quando il petrolio greggio viene estratto, è un liquido denso e nero pieno di idrocarburi (come gli alcani), impurità e contaminanti. Gli idrocarburi hanno tutti lunghezze e proprietà diverse, il che li rende difficili da usare quando sono mescolati insieme in questo modo. Tuttavia, se distilliamo il petrolio greggio utilizzando la distillazione frazionata, possiamo ottenere diverse frazioni di idrocarburi con dimensioni e proprietà simili, più utili della miscela grezza.
Distillazione frazionata: processo, colonna e diagramma
Vediamo ora il processo di distillazione frazionata. Ecco come si svolge:
- La distillazione frazionata del petrolio greggio avviene in una colonna di frazionamento (Colonna di Vigreux). Si tratta di una camera enorme, in genere larga otto metri e alta quaranta metri. Per avere un'idea, è un po' più alta della statua del Cristo Redentore a Rio de Janeiro e appena più corta della distanza tra la cima dei fumaioli più alti del Titanic e l'acqua!
- Il petrolio greggio entra nella parte inferiore della colonna di frazionamento. Viene riscaldato ad alte temperature e quindi evapora.
- I vapori risalgono la colonna di frazionamento.
- La colonna ha un gradiente di temperatura: la parte inferiore della colonna è più calda di quella superiore. Ciò significa che, man mano che i vapori salgono, si raffreddano gradualmente.
- Quando la temperatura della colonna si raffredda a sufficienza, i vapori condensano. Vengono quindi raccolti in vassoi e convogliati per un'ulteriore raffinazione.
La caratteristica più importante di una colonna di frazionamento è il suo gradiente di temperatura. Ciò significa che gli idrocarburi con punti di ebollizione diversi condensano ad altezze diverse. Tutto dipende dalle loro dimensioni:
- Gli idrocarburi più pesanti e a catena più lunga hanno punti di ebollizione più elevati. Condensano a temperature relativamente alte e quindi le loro frazioni vengono raccolte più in basso nella colonna.
- Gli idrocarburi più leggeri e a catena corta hanno punti di ebollizione più bassi. Condensano a temperature relativamente basse e quindi vengono raccolti più in alto nella colonna.
Figura 2. Diagramma che mostra il processo di distillazione frazionata. Le varie frazioni sono indicate.
Usi della distillazione frazionata
La funzione principale della distillazione frazionata è quella di separare il petrolio greggio, che nella sua forma grezza non ha molti utilizzi. Tuttavia, gli idrocarburi all'interno di una frazione hanno dimensioni simili che determinano punti di ebollizione e proprietà simili. Queste caratteristiche permettono un'ampia gamma di applicazione delle frazioni. Separando il petrolio greggio, siamo riusciti a rendere infinitamente più utile una sostanza relativamente inutile! Per esempio:
- Gli idrocarburi più grandi, con catene di lunghezza pari o superiore a 70, formano il bitume. Si tratta di una sostanza densa, simile al catrame, utilizzata per le superfici stradali e per i tetti. Altri idrocarburi a catena lunga sono ottimi combustibili per navi e centrali elettriche.
- Gli idrocarburi di media lunghezza costituiscono il carburante per i veicoli. Ad esempio, il butano è utile come componente della benzina grazie al suo basso punto di ebollizione, il che significa che possiamo bruciarlo nei motori a combustione interna. Questi idrocarburi formano anche il diesel.
- Gli idrocarburi a catena più corta, che sono gas a temperatura ambiente, sono utilizzati come combustibile per i fornelli da campeggio. Si può anche usare il gas in bottiglia per riscaldare la casa.
Ma le frazioni del petrolio greggio hanno molti altri usi oltre all'edilizia e ai combustibili. Ad esempio:
- La nafta è una frazione contenente idrocarburi con circa cinque o sei atomi di carbonio. Quando si decompone la nafta, si ottengono alcheni che vengono utilizzati per produrre plastica, detergenti e alcoli. In effetti, gli idrocarburi sono un'ottima materia prima: si trasformano facilmente a livello industriale in altri tipi di molecole.
- Inoltre, molti vestiti sono a base di idrocarburi.
- Gli idrocarburi si trovano anche in varie vernici, solventi e lubrificanti.
- Persino il refrigerante del tuo frigorifero deriva da un particolare idrocarburo a catena corta!
Basta guardarsi intorno: troverai sicuramente una vasta gamma di prodotti che, in un modo o nell'altro, derivano dal petrolio greggio.
Svantaggi della distillazione frazionata del petrolio greggio
Il petrolio greggio è la nostra principale fonte di sostanze chimiche organiche e un combustibile fossile estremamente utile quando viene estratto, purificato e raffinato. È una sostanza che alimenta i nostri veicoli, fa funzionare i nostri apparecchi elettronici, può essere trasformata in vestiti e imballaggi e giace lì sotto i fondali oceanici, in attesa di essere utilizzata. In effetti, si potrebbe affermare che svolge un ruolo essenziale in quasi tutti gli ambiti della nostra vita. Se è così, perché alcune persone sono così contrarie al suo utilizzo? Consideriamo ora gli svantaggi dell'estrazione e della distillazione del petrolio greggio:
- Risorsa non rinnovabile.
- Sviluppo di gas serra associati al suo utilizzo.
- Presenza di diverse impurezze.
Rinnovabilità
Poiché il petrolio greggio si forma così lentamente, è una risorsa non rinnovabile.
Una risorsa rinnovabile è una risorsa che si rifornisce naturalmente alla stessa velocità con cui la utilizziamo. Le risorse non rinnovabili sono quindi quelle che utilizziamo più velocemente rispetto alla velocità con cui vengono reintegrate.
Se non smettiamo di estrarre il petrolio greggio così rapidamente, presto lo finiremo. Le nostre risorse di greggio sono limitate. Facendo grande affidamento sul petrolio greggio per la maggioranza dei prodotti, svantaggiamo le generazioni future e quando le nostre riserve di petrolio si esauriranno, queste, dovranno trovare rapidamente modi alternativi per produrre prodotti come carburanti, plastiche e materie prime. Risorse fondamentali nella vita quotidiana.
Gas a effetto serra
Come già noto, il petrolio greggio è composto da idrocarburi di lunghezza e dimensioni diverse. Bruciamo molti di questi idrocarburi come combustibili per auto, barche e aerei. Pur essendo ottime fonti di energia, gli idrocarburi rilasciano anidride carbonica (CO2) e vapore acqueo (H2O) quando vengono bruciati. Questo è un problema serio perché l'anidride carbonica e il vapore acqueo sono entrambi gas a effetto serra.
Un gas serra è un gas che assorbe le radiazioni solari riflesse dalla Terra, invece di lasciarle sfuggire nello spazio esterno.
I gas serra intrappolano il calore nell'atmosfera e riscaldano il pianeta, contribuendo al cosiddetto effetto serra.
L'effetto serra è un termine usato per descrivere il modo in cui i gas serra nell'atmosfera assorbono le radiazioni dalla Terra, intrappolando il calore e riscaldando la Terra. Il funzionamento è simile a quello di una serra utilizzata per la coltivazione delle piante.
Bruciando le frazioni di petrolio greggio, gli esseri umani contribuiscono al costante aumento della temperatura globale che sta sciogliendo i ghiacciai, causando la perdita di raccolti e intensificando eventi meteorologici anomali come inondazioni e siccità.
Figura 3. L'effetto serra. I gas serra intrappolano il calore del sole, riscaldando così la Terra. Fonte:commons.wikimedia.org
Per ulteriori informazioni sulla combustione degli idrocarburi e sui suoi effetti negativi, vedere Combustione.
Impurità
Il petrolio greggio è una miscela organica che può contenere molte impurità, come lo zolfo. Queste impurità provengono dai corpi delle creature delle profondità marine che si decompongono per formare il petrolio greggio, come illustrato in precedenza. Quando bruciamo il petrolio greggio come combustibile, rilasciamo le impurità nell'ambiente.
Lo zolfo, ad esempio, brucia formando anidride solforosa. Forse sapete che questo gas provoca difficoltà respiratorie, irritazioni cutanee e piogge acide corrosive. Sembra divertente, vero?
Alternative al petrolio greggio
Per tutti i motivi sopra descritti, l'estrazione e la distillazione del petrolio greggio rimangono un argomento controverso e molti protestano attivamente contro di esso. Ma non ci sono solo cattive notizie. Le alternative al petrolio greggio stanno diventando sempre più economiche e accessibili. Ti sarà capitato di bere il caffè da una tazza completamente bioegradabile, di indossare abiti in lino naturale, cotone o addirittura canapa, o magari di alimentare il vostro telefono con l'energia solare. Il governo britannico ha recentemente annunciato l'intenzione di eliminare gradualmente tutte le vendite di nuove auto a benzina e diesel entro il 2030. Sebbene questo possa sembrare un obiettivo irraggiungibile al momento, è un grande passo nella giusta direzione verso un futuro più verde e sostenibile.
Distillazione frazionata - Punti chiave
- La distillazione frazionata è un processo che prevede la separazione di una miscela in campioni più piccoli noti come frazioni, con punti di ebollizione simili. Viene utilizzata principalmente per separare il petrolio greggio.
- Il petrolio greggio è una miscela di idrocarburi formata da materia vegetale e animale che è stata compressa ad alte temperature e pressioni nel corso di milioni di anni.
- La distillazione frazionata utilizza un gradiente di temperatura per separare il petrolio greggio in frazioni più utili di idrocarburi (principalmente alcani) con dimensioni, punti di ebollizione e proprietà simili.
- Gli idrocarburi più pesanti e a catena più lunga hanno un punto di ebollizione più alto. Condensano a temperature relativamente alte e vengono quindi raccolti come una frazione più in basso nella colonna.
- Gli idrocarburi più leggeri e a catena corta hanno un punto di ebollizione più basso. Condensano a temperature relativamente basse e quindi continuano a salire verso la parte superiore della colonna.Vengono raccolti solo quando la temperatura della colonna scende al di sotto del loro punto di ebollizione, rendendola sufficientemente fredda per la condensazione.
- Le frazioni di petrolio greggio hanno diversi usi a seconda delle loro proprietà. Sono utilizzate come combustibili, materiali da costruzione e materie prime.
- La combustione delle frazioni di petrolio greggio come combustibile ha un impatto negativo sull'ambiente, ma il petrolio greggio è considerato fondamentale nella vita odierna.
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