Cos’è il cracking degli idrocarburi e perché è così importante nell’industria petrolifera

Il cracking degli idrocarburi è un processo di raffinazione del petrolio che mira a trasformare complesse molecole idrocarburiche in composti più semplici, commercialmente più richiesti e impiegabili come risorsa energetica.

Entra nel nuovo canale WhatsApp di Geopop

A cura di Domenico Ravidà

Il cracking (letteralmente "spaccatura") è un processo chiave nella raffinazione degli idrocarburi che prevede di romperne le catene più lunghe per trasformarle in prodotti più leggeri. Il petrolio grezzo infatti è una miscela complessa di idrocarburi, i quali possiedono diverso valore economico e non sono tutti utilizzabili, ad esempio, come fonti energetiche. Per ottimizzare la resa del petrolio grezzo questo deve essere sottoposto a processi di raffinazione mirati a separare le molecole di interesse commerciale: uno tra i processi chiave è proprio quello del cracking.

Cos'è il cracking degli idrocarburi

Il cracking è un processo fondamentale nella raffinazione degli idrocarburi, solitamente attuato dopo la distillazione frazionata. Quest'ultima separa il petrolio grezzo in frazioni diverse in base alla loro densità. Attraverso il cracking, è possibile incrementare la resa del petrolio rompendo le catene più lunghe di idrocarburi, come gli oli pesanti, e trasformandole in prodotti più leggeri e ricercati sul mercato, quali le benzine. Questo processo consente quindi di ottimizzare l'utilizzo delle risorse estratte e di soddisfare meglio la domanda di combustibili leggeri.

Il petrolio grezzo, infatti, è costituito da una miscela variabile di idrocarburi semplici, aventi un numero limitato di atomi di carbonio, e di idrocarburi complessi, che possono contenere oltre 20 atomi di carbonio. Con l'aumentare del numero di atomi di carbonio, le molecole crescono, dando origine a lunghe catene idrocarburiche, che possono essere lineari, ramificate o cicliche. Allo stesso tempo, tuttavia, il valore energetico degli idrocarburi diminuisce all'aumentare della loro densità e complessità molecolare. I composti più semplici, infatti, hanno temperature di ebollizione inferiori, sono più volatili e bruciano con maggiore facilità, rendendoli ideali come combustibili. Questo spiega perché i gas utilizzati per riscaldare abitazioni o come carburanti, così come le benzine, sono composti da miscele di idrocarburi con un numero di atomi di carbonio che varia da 1 a 10. Esempi di questi includono il metano (CH₄), il propano (C₃H₈), il pentano (C₅H₁₂) e l'ottano (C₈H₁₈). Al contrario, le catene idrocarburiche più lunghe hanno punti di ebollizione più elevati e maggiore densità, e quindi sono meno adatte per applicazioni energetiche.

Di conseguenza, per rendere tale miscela una risorsa utilizzabile, è necessario sottoporla a processi di raffinazione, come il cracking, che hanno lo scopo di separare gli idrocarburi pesanti da quelli leggeri e di ottenere il massimo rendimento dai composti di valore economico.

Come funziona il cracking?

Come accennato, il cracking comporta la rottura dei legami tra gli atomi di carbonio all'interno delle molecole di idrocarburi, portando alla formazione di frazioni più leggere. Nell’esempio della figura sottostante, il cracking della molecola dell’ottano (C₈H₁₈) può avvenire con la rottura di un legame C-C e la riorganizzazione degli atomi di idrogeno, risultando nella formazione di due nuovi composti distinti: l'esano (C₆H₁₄) e l'etene (anche noto come etilene, C₂H₄). In questo caso, l'etene è una molecola insatura, che presenta un legame doppio tra due atomi di carbonio, e appartiene alla famiglia degli alcheni. D'altro canto, l'ottano e l'esano, avendo solamente legami singoli tra i loro atomi di carbonio, sono classificati come idrocarburi saturi, ovvero alcani. Il processo di cracking di un idrocarburo genera sempre una combinazione di almeno un composto saturo e uno insaturo. La somma totale degli atomi di carbonio e di idrogeno nei prodotti risultanti dal cracking sarà sempre uguale a quella della molecola originale.

Inoltre, è importante sottolineare che la rottura di un idrocarburo non avviene sempre allo stesso modo. Fattori come le condizioni di reazione (temperatura, pressione), la velocità di reazione, la presenza di catalizzatori e la composizione iniziale della miscela di idrocarburi influenzano significativamente il processo di cracking e i suoi prodotti.

Cracking termico e catalitico

A livello industriale, esistono due principali metodi per il cracking degli idrocarburi: il cracking termico e il cracking catalitico.

Cracking termico

Il cracking termico, sviluppato agli inizi del 1900, è il metodo più antico e semplice tra i due. Questo procedimento prevede la rottura dei legami C-C negli idrocarburi attraverso l'esposizione a temperature elevate, tipicamente comprese tra 450°C e 750°C, e, in alcuni casi, a pressioni che possono arrivare fino a 70 atm. Questa metodologia è stata adottata per diverso tempo per migliorare le frazioni pesanti del cherosene e trasformare gli oli pesanti in benzine e gasoli di minore densità.

Lo steam cracking è una variante del cracking termico caratterizzata dall’uso di vapore acqueo e condotta in condizioni di elevate temperature (generalmente superiori a 850°C), in assenza di ossigeno. La reazione è molto rapida: nei moderni forni, il tempo di permanenza delle sostanze all'interno può essere talmente breve da essere misurato in millisecondi, tutto ciò al fine di migliorare la resa dei composti desiderati. Questa è una tecnica versatile, applicabile a una vasta gamma di miscele di idrocarburi, come GPL, nafte, benzine o combinazioni di gasoli.

Cracking catalitico

Il cracking catalitico è forse il metodo più efficace per ottenere alcani leggeri. In questo processo, le catene più lunghe di idrocarburi vengono rotte mediante riscaldamento in presenza di un catalizzatore, una sostanza che accelera la reazione e permette di operare a condizioni di temperatura e pressione più miti. Di fatto, il cracking catalitico si svolge a temperature intorno ai 500°C. Le zeoliti, minerali allumosilicati composti da alluminio, silicio e ossigeno, sono tra i catalizzatori più comunemente impiegati. Il cracking catalitico è la principale fonte di idrocarburi con una lunghezza di catena tra 5 e 10 atomi, tipicamente utilizzati nella produzione di benzine.

L'hydrocracking, conosciuto anche come cracking idrogenante, è una variante del cracking catalitico che utilizza catalizzatori a base di metalli nobili come il palladio e il platino e altri elementi come il molibdeno, il tungsteno, il cobalto e il nichel. La reazione avviene in un ambiente arricchito di idrogeno, a temperature fino a 425°C e pressioni elevate. Oltre alla frammentazione delle molecole idrocarburiche, la presenza di idrogeno favorisce lo sviluppo di reazioni di idrogenolisi che permettono di rimuovere elementi indesiderati, come zolfo e azoto, convertendoli in gas come acido solfidrico e ammoniaca. L'hydrocracking consente la produzione di una varietà di frazioni idrocarburiche, tra cui cheroseni e combustibili per aerei, nafta e diesel, partendo da materie prime dense come gasoli pesanti e oli combustibili.