La distillazione

LA TECNICA DELLA DISTILLAZIONE

Di una miscela di sale in acqua è possibile separare i due costituenti scaldando la soluzione fino all’ebollizione. In tal modo si forma vapore acqueo che viene poi condensato in una serpentina refrigerante e quindi raccolto in un becher. Nel recipiente, in cui era contenuta la soluzione, rimane come residuo il sale. Questo processo di evaporazione e successiva condensazione è chiamato distillazione.

Se invece che una miscela omogenea di un liquido contenente un solido disciolto, si hanno due o più liquidi, la separazione dei componenti della soluzione è possibile qualora si sfrutti il loro diverso punto di ebollizione. In questo caso i liquidi raggiungono il punto di ebollizione in tempi diversi e possono quindi essere isolati. La separazione della miscela nei suoi componenti è tanto più completa quanto più risultano distanti l’una dall’altra le temperature di ebollizione dei vari liquidi.

La distillazione si effettua in apposite apparecchiature che prendono il nome di distillatori e che, nella forma più semplice (in uso ad esempio nei laboratori scolastici), sono costituite da un recipiente (matraccio) nel quale bolle il liquido di partenza. Il vapore che si sviluppa defluisce in un condensatore (di solito una serpentina) raffreddato esternamente da una circolazione d’acqua fredda, in cui si trasforma in liquido che si raccoglie in un altro recipiente.

La separazione dei componenti della miscela è tanto più netta quanto maggiore è la differenza fra i punti di ebollizione delle sostanze presenti in soluzione. Molto spesso una semplice distillazione non basta alla completa separazione dei liquidi, per cui il primo distillato viene sottoposto ad una seconda distillazione.

L’operazione fisica di separazione dei componenti di una miscela omogenea, si dimostra molto utile sotto forma di “distillazione frazionata”. In questa tecnica, che viene impiegata per separare i componenti dei miscugli liquidi, i vapori che si formano in seguito al riscaldamento salgono nell’apparecchiatura e vengono fatti passare lungo una colonna riempita di sfere di vetro. Il vapore, a contatto con le sfere, condensa e vaporizza di nuovo più volte, in tal modo si ottiene una separazione molto efficace dei componenti la soluzione. La prima “frazione” ad essere raccolta è costituita dal più volatile dei liquidi presenti; quindi, dopo che questo è stato allontanato dal campione, viene raccolta la successiva frazione più volatile, e così via per gli altri liquidi eventualmente presenti nella miscela di partenza.

Nel campo dell’industria, la distillazione si effettua solitamente in impianti a forma cilindrica (che prendono il nome di colonne) suddivisi internamente da diaframmi detti piatti; sul fondo della colonna si somministra il calore che porta all’ebollizione la miscela, producendo dei vapori che, passando attraverso i vari piatti, salgono verso la parte alta della struttura detta testa; poiché i vapori si allontanano dalla sorgente di calore, in parte ricondensano e ricadono nuovamente verso il basso. Questo successivo frazionamento fa sì che i vapori che raggiungono la testa della colonna senza condensare siano costituiti praticamente solo dai componenti più volatili, mentre la parte liquida che rimane nella coda è costituita dai componenti meno volatili. I vapori di testa vengono poi condensati e separati. Tale metodo di distillazione prende il nome di rettifica ed è utilizzato in vari settori dell’industria chimica, come nel frazionamento del petrolio (di cui si dirà in seguito in modo approfondito), oppure per produrre distillati alcolici come grappa e brandy.

LA DISTILLAZIONE DEL GREGGIO PETROLIFERO

Il petrolio (non tragga in inganno il nome che significa “olio di pietra”) è una complessa miscela di idrocarburi naturali, solidi, liquidi e gassosi contenente in piccole quantità anche composti organici ossigenati, solforati e azotati e questa si presenta, a temperatura ambiente, come un liquido scuro con fluorescenza verdastra più o meno denso, oleoso, infiammabile, formatosi, nel corso di milioni di anni, per decomposizione di organismi animali e vegetali.

L’origine del petrolio è quindi organica (e non minerale, come per lungo tempo si è creduto) e il materiale che ha dato origine ad esso si è accumulato nel fondo del mare. Lo si deduce dal fatto che la maggior parte dei giacimenti petroliferi sono associati a sedimenti marini. L’origine marina dei giacimenti petroliferi è dimostrata anche dal fatto che in essi generalmente si rinviene acqua salata. I batteri anaerobi, in quell’ambiente, potevano così attaccare le sostanze organiche dando origine a miscele di idrocarburi. I rari giacimenti che non trovano collegamento con l’ambiente marino sono giustificati dal fatto che a volte il petrolio tende a migrare dalla roccia madre, dove si è formato, verso le rocce permeabili più vicine (in genere arenarie o calcari porosi) che diventano così rocce magazzino. La densità relativamente bassa degli idrocarburi li porta in questa fase di migrazione ad occupare le zone più elevate delle rocce magazzino, al di sopra dell’acqua in esse presente. Si forma così una trappola petrolifera in cui si instaurano pressioni che possono arrivare fino a 900 atmosfere e temperature dell’ordine di 150 °C. Se la trappola petrolifera permette l’estrazione del petrolio in essa contenuto tramite semplici perforazioni, si ha un campo petrolifero coltivabile.

Quasi tutti i greggi contengono le stesse serie di composti e quindi le differenze fra i vari tipi di petrolio sono dovute soltanto alle diverse concentrazioni dei costituenti. A seconda del tipo di giacimento considerato la miscela contiene quantità variabili dei seguenti componenti:

1. alcani (o paraffine) idrocarburi aventi fino a 36 atomi di carbonio per molecola;

2. cicloalcani (o cicloparaffine o nafteni) molecole dalla struttura chiusa ad anello soprattutto a cinque o sei atomi di carbonio, ossia i più stabili;

3. idrocarburi aromatici, che presentano nella loro molecola uno o più anelli benzenici;

4. idrocarburi complessi, spesso anche policiclici che nella loro molecola presentano atomi di carbonio le cui catene sono chiuse su sé stesse a formare più anelli consecutivi e nelle quali possono essere presenti anche atomi di zolfo, azoto e ossigeno.

Per separare il petrolio nelle sue varie componenti, come abbiamo accennato, si effettua la cosiddetta “distillazione frazionata”. Il petrolio greggio viene avviato alle raffinerie dove preventivamente è fatto passare all’interno di una serpentina molto fitta e riscaldata a fiamma diretta fino ad una temperatura di 400-450 °C. Quindi, sotto forma di vapore, il greggio arriva nella parte bassa della colonna di distillazione che presenta una serie di ripiani a forma di “piatti” in cui il liquido, che è mantenuto ad un livello costante mediante dei “troppo pieni”, può passare da un piatto superiore ad uno inferiore.

Tale riscaldamento provoca il passaggio del greggio allo stato di vapore che sale in colonna lungo un percorso fatto di tubi sui quali sono capovolte delle “campanelle” che obbligano il vapore a “pescare” nel liquido che ristagna nel piatto. Dalla miscela si separano quindi le varie frazioni che vanno dai liquidi volatili che si dirigono verso l’alto alla frazione più pesante, che si condensa e si raccoglie verso il basso. La temperatura va diminuendo dal basso verso l’alto della torre di distillazione: alla base della colonna restano dunque allo stato di liquidi densi gli idrocarburi più pesanti, a più alto punto di ebollizione; nella zona intermedia condensano gli idrocarburi mediamente pesanti con punto di ebollizione intermedio; nella parte alta condensano gli idrocarburi leggeri a bassa temperatura di ebollizione.

La raffinazione del petrolio ha lo scopo di isolare dal greggio sostanze o miscele di sostanze adatte a vari impieghi, principalmente come carburanti (soprattutto benzina per motori a scoppio, cherosene e gasolio) ma anche solventi, lubrificanti e bitumi. Dal greggio si estraggono anche gli intermedi di base per l’industria petrolchimica sui quali si fonda la fabbricazione di numerosi prodotti di sintesi quali materie plastiche, fibre sintetiche, vernici, detergenti, ecc. Le frazioni ottenute nelle colonne di distillazione a piatti sono poi sottoposte a ulteriori trattamenti allo scopo di ottenere materiali più adatti agli impieghi finali.

In questa prima distillazione non si ottengono prodotti puri e quindi non possono essere utilizzati direttamente come tali ma devono venire ulteriormente raffinati per allontanare le sostanze indesiderate, in particolare i composti contenenti zolfo. Inoltre, alla benzina e ad altre frazioni, vengono aggiunti additivi per migliorarne la caratteristiche. Il residuo che rimane dopo la distillazione è l’asfalto, che trova impiego per il rivestimento delle superfici stradali.

Dalle frazioni che si ottengono dalla distillazione del greggio è possibile anche ricavare i composti organici di base, come etilene, propilene, acetilene, butadiene, benzene e toluene, i quali come abbiamo accennato, permettono la sintesi di prodotti di largo consumo.

LA BENZINA

La benzina è il prodotto più importante della distillazione del greggio petrolifero. Essa tuttavia si presenta insufficiente rispetto ai suoi consumi per cui parte dei prodotti più leggeri o più pesanti della distillazione vengono trasformati in benzina per aumentare la produzione di questo prodotto fondamentale dei paesi fortemente industrializzati.

La resa di produzione della benzina può essere migliorata in vari modi: in uno di questi vengono utilizzate le frazioni più leggere, le cui molecole vengono fatte reagire per ottenere molecole più grandi attraverso un processo detto di reforming (dall’inglese to reform, modificare). In un altro processo le molecole più grandi della distillazione vengono rotte in molecole più piccole attraverso un metodo detto cracking (in inglese to crack, significa rompere, spezzare). Riscaldando, in presenza di un catalizzatore, le lunghe catene di cherosene e gasolio vengono spezzate in catene più corte e ramificate, tipiche degli idrocarburi caratteristici delle benzine.

La benzina viene usata nei motori a scoppio in cui, al fine di aumentare il rendimento del motore, si attua un alto rapporto di compressione fra il volume del cilindro e il volume occupato dalla miscela benzina-aria quando il pistone è a fine corsa, cioè in condizioni di massima compressione, prima che scocchi la scintilla della candela.

Le benzine di qualità sono caratterizzate da un alto potere antidetonante, cioè sopportano l’alta compressione senza autoaccendersi. Quando questo inconveniente si verifica, si dice che il motore “batte in testa” perché provoca un anormale movimento del pistone con gravi danni del cilindro, entro il quale scorre, e del motore nel suo complesso.

La qualità di una benzina si esprime con il cosiddetto numero di ottani (NO) in base ad una scala che misura il potere antidetonante della benzina in uso nei motori a scoppio. Le benzine super hanno un numero di ottani di 96-98. Per misurare il numero di ottani di una benzina si sono presi a riferimento due idrocarburi: l’eptano e l’isoottano.

All’eptano lineare (n-eptano) è stato assegnato il potere antidetonante 0 (zero):

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₃

_eptano

    All’isoottano (2,2,4 trimetilpentano) è stato invece assegnato potere antidetonante 100 (cento):

CH₃          CH₃

|              |

CH₃ – C – CH₂ – CH – CH₃

 |

CH₃

_isoottano

    Una benzina che ha numero di ottani 98 è pertanto costituita formalmente dal 98% di isoottano e dal 2% di eptano. Il potere antidetonante di una benzina tuttavia può essere migliorato con l’aggiunta di Pb(C₂H₅)₄ (piombo tetraetile); ma ciò costituisce una notevole fonte di inquinamento. Il piombo, infatti, viene rimosso dalla camera di scoppio dove creerebbe incrostazione nei cilindri impedendo lo scorrere regolare di pistoni. L’inconveniente si evita mediante l’aggiunta nella benzina di 1,2 dibromo etano, un composto che reagisce con il piombo tetraetile per formare alogenuro di piombo volatile che viene immesso nell’ambiente con i gas di scarico. Questo composto è però dannoso all’organismo umano sia quando viene respirato sia quando viene assorbito con la catena alimentare. Anche se la benzina contiene solo 0,4 grammi per litro di piombo, la quantità di questo metallo che viene immessa nell’atmosfera ammonta in un anno a molte tonnellate.

Nelle cosiddette benzine verdi, la quantità di benzene e di idrocarburi aromatici (toluene, etilbenze, ecc.) svolgono la funzione al posto del piombo ossia quella di mantenere alto il numero di ottano. L’eliminazione del piombo dalla benzina è stato indubbiamente una valida operazione in funzione di un ambiente più pulito e più sano, tuttavia non ha eliminato tutti i problemi di natura ecologica che il grande consumo di carburanti sta creando sull’ambiente. La benzina verde, bruciando, genera il cosiddetto “black carbon” o “fumo nero” costituito da idrocarburi incombusti, idrocarburi policiclici e aromatici, benzopirene: tutti composti caratterizzati da proprietà cancerogene. Per evitare la diffusione nell’ambiente di questi prodotti, è indispensabile l’uso della marmitta catalitica al platino montata sulle auto che fanno uso della benzina verde, la quale deve anche contenere le percentuali più basse possibili di benzene e di idrocarburi aromatici.

La benzina, come abbiamo detto, è il prodotto di gran lunga più importante della distillazione del petrolio, ma non è il solo. Altri prodotti che presentano utilizzi specifici sono il cherosene che viene usato come propellente per aerei a reazione e il gasolio utilizzato nei motori diesel. In questi ultimi l’aria viene compressa nei cilindri dei motori per cui quando viene iniettato il gasolio, si autoincendia per l’alta temperatura prodotta dall’aria compressa.

Il migliore funzionamento del motore diesel si ha quando fra il momento in cui si inietta il gasolio e quello in cui avviene l’autoaccensione si verifica il minore ritardo. Questo dipende dalla qualità del gasolio che viene espressa dal numero di cetano. Il cetano è un idrocarburo di formula C₁₆H₃₄ usato per determinare le caratteristiche di un combustibile per motori diesel: il numero di cetano di un combustibile è la percentuale in volume di cetano presente in una miscela di cetano e α-metilnaftalina, che si comporti come il campione in esame.

Prof. Antonio Vecchia