Raffinazione del petrolio e lavorazione del gas

Trasformare miscele complesse in prodotti utilizzabili

Data aggiornamento: 2018-06-01
Petrolio e ambiente, parte 16/24
Scritto da E. Allison e B. Mandler per AGI, 2018

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Introduzione

Il petrolio greggio e il gas naturale sono miscele chimiche complesse che sono generalmente inadatte all’uso diretto. La raffinazione del petrolio e la lavorazione del gas trasformano queste miscele in una vasta gamma di carburanti e altri prodotti, rimuovendo i componenti di basso valore e inquinanti.

La raffinazione e la lavorazione hanno impatti ambientali sia positivi che negativi: sebbene rimuovano gli inquinanti nocivi e producano combustibili più puliti, le operazioni nelle raffinerie e negli impianti di lavorazione possono rilasciare inquinanti nocivi nell’ambiente, influenzando la qualità locale dell’aria e dell’acqua.

Durante la distillazione del petrolio greggio, diversi tipi di carburante si condensano e vengono estratti a temperature diverse. Image Credit: Wikimedia Commons users Psarianos and Theresa Knott.1

Raffinazione del petrolio

Il petrolio greggio è una miscela di molte molecole di idrocarburi diversi di varie dimensioni. Le molecole più piccole vaporizzano a temperature più basse, quindi il petrolio greggio può essere distillato per separare i diversi idrocarburi. Nel processo di distillazione, il petrolio greggio viene vaporizzato e il vapore caldo sale su una colonna, raffreddandosi mentre sale. Idrocarburi diversi vaporizzano a temperature diverse, quindi condensano in forma liquida in punti diversi della colonna, separando il petrolio greggio in componenti diversi che possono poi essere ulteriormente lavorati per ottimizzarli per il loro uso finale.

Benzina e diesel sono i prodotti più redditizi estratti dal petrolio greggio, quindi le raffinerie usano una serie di tecniche per massimizzare la produzione di questi combustibili. Ciò può includere il cracking (scomposizione delle molecole più grandi in molecole più piccole2), l’idrotrattamento (sostituzione delle impurità come lo zolfo con l’idrogeno per migliorare la qualità del carburante3), il reforming (trasformazione delle molecole più piccole in benzina2), l’alchilazione (utilizzo di un acido per produrre benzina ad alto numero di ottani da molecole più piccole4) e la miscelazione (miscelazione di liquidi diversi per produrre prodotti uniformi che soddisfino gli standard normativi5). Durante la fase di miscelazione, l’etanolo proveniente da impianti industriali di etanolo viene anche miscelato nella benzina per aumentarne il contenuto di ottano, ridurre le emissioni di monossido di carbonio e soddisfare i requisiti del Renewable Fuel Standard.6

Prodotti della raffinazione del petrolio

I diversi oli grezzi hanno composizioni diverse, contengono diverse miscele di idrocarburi e quantità variabili di zolfo e altre impurità. Le proporzioni dei diversi prodotti raffinati variano con i cambiamenti nei tipi di petrolio che vengono raffinati, la domanda di diversi prodotti e le regolamentazioni che influenzano questa domanda. Circa l’80-85% di tutto il petrolio greggio finisce come benzina, diesel o jet fuel. Il resto viene usato per produrre gas di petrolio liquefatto, materie prime petrolchimiche e una varietà di altri prodotti.7 Nel 2016, 141 raffinerie statunitensi hanno prodotto una media giornaliera di 9,3 milioni di barili di benzina, 3,7 milioni di barili di diesel a basso tenore di zolfo e 1,6 milioni di barili di jet fuel.8

Rinfinerie di petrolio (quadrati aperti) e impianti di lavorazione del gas (blu) negli Stati Uniti a febbraio 2018. Non mostrato: due raffinerie nelle Hawaii e cinque in Alaska. Credito immagine: U.S. Energy Information Administration.17

Trasformazione del gas naturale

Nel 2017, gli Stati Uniti hanno prodotto 33 trilioni di piedi cubi di gas naturale.9 Una piccola parte di questo è stata utilizzata in operazioni sul campo, reiniettata in serbatoi sotterranei, scaricata o bruciata; il resto è stato trattato da 550 impianti di trasformazione del gas per produrre 27 trilioni di piedi cubi di gas naturale di qualità da gasdotto.10,11 Il gas di qualità da gasdotto deve soddisfare rigidi standard per il contenuto energetico e la purezza12 per uso residenziale, commerciale e industriale, comprese le centrali elettriche a gas naturale.

Prima della lavorazione, il gas naturale è costituito principalmente da metano, con proporzioni variabili di altri idrocarburi, anidride carbonica (CO2), anidride solforosa, azoto, vapore acqueo ed elio.13 Il trattamento del gas rimuove alcuni dei componenti non metanici del gas naturale al fine di:

Migliorare la combustione e ridurre la corrosione rimuovendo l’acqua
Evitare la formazione di acidi dannosi rimuovendo i gas nocivi o corrosivi – specialmente zolfo e CO2 – che potrebbero altrimenti reagire con piccole quantità di acqua per formare acidi
Standardizzare il contenuto energetico del gas per assicurare una combustione uniforme in forni e altre attrezzature, in particolare rimuovendo i gas non combustibili come CO2 e azoto
Estrarre preziosi gas minori per altri usi (ad es.g., altri idrocarburi ed elio)

Gli idrocarburi non metanici estratti durante il trattamento del gas sono chiamati collettivamente “liquidi del gas naturale” (NGLs) perché formano liquidi più facilmente del metano ad alta pressione o a bassa temperatura. Tra gli NGL, i più comuni sono etano, propano e butano. L’etano e il propano sono ulteriormente lavorati in grandi quantità per fare materie prime per la plastica (vedi “Prodotti non combustibili del petrolio e del gas” in questa serie), mentre il propano e il butano sono compressi in liquidi per fornire una fonte di energia densa di combustibile a gas per usi fuori rete.

I principali metodi usati per rimuovere i componenti non metanici dal gas naturale sono gli assorbenti e il raffreddamento. Una varietà di assorbenti può essere usata, inclusi oli speciali (per gli NGL), glicole (per l’acqua), ammine (per zolfo e CO214), e zeolite o assorbimento di petrolio (per l’azoto15). Il raffreddamento del gas naturale a diverse temperature permette di rimuovere diversi componenti che si condensano in liquidi. Questo è il metodo più comune per la rimozione dell’azoto: il gas naturale viene raffreddato fino a quando il metano si liquefa, permettendo all’azoto gassoso di essere espulso.16 Gli NGL possono essere rimossi in una singola miscela che viene poi riscaldata a temperature diverse per isolare ogni NGL a turno.18 Dopo la lavorazione, il gas è considerato “secco” e pronto per essere spedito attraverso i gasdotti agli utenti finali.

Raffinazione, lavorazione e ambiente

La raffinazione e la lavorazione riducono l’impatto ambientale dei combustibili derivati dal petrolio e dal gas, rimuovendo gli inquinanti nocivi e migliorando la loro affidabilità durante la combustione. Tuttavia, le raffinerie e gli impianti di lavorazione hanno i loro impatti ambientali, con le relative procedure per minimizzare tali impatti. Maggiori informazioni su questi possono essere trovate in altre parti di questa serie: “Mitigare e regolare le emissioni di metano” e “Impatti sulla qualità dell’aria di petrolio e gas”.

Il biossido di carbonio (CO2) si trova in proporzioni variabili nel gas naturale e viene rimosso negli impianti di lavorazione per migliorare la qualità del gas. La maggior parte di questa CO2 viene scaricata nell’atmosfera, rappresentando circa lo 0,4% delle emissioni totali di gas serra degli Stati Uniti (per fare un confronto, si stima che le perdite di metano dalla catena di produzione e distribuzione del gas naturale rappresentino circa il 3% delle emissioni degli Stati Uniti).19 Un piccolo numero di impianti di lavorazione del gas cattura la CO2 rimossa dal gas naturale durante la lavorazione; questa CO2 catturata viene iniettata nei campi petroliferi per migliorare il recupero del petrolio.20

1 File:Crude Oil Distillation-en. Wikimedia Commons utenti Psarianos & Theresa Knott. Riprodotto secondo la licenza CC BY-SA 3.0.
2 Centre for Industry Education Collaboration, University of York (2014). Cracking e relativi processi di raffinazione. The Essential Chemical Industry – online.
3 Kokayeff, P. et al. (2014). Hydrotreating nella lavorazione del petrolio. In: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds). Manuale di trattamento del petrolio. Springer, Cham.
4 U.S. Energy Information Administration (2013). L’alchilazione è un’importante fonte di ottani nella benzina. Today in Energy, 13 febbraio 2013.
5 U.S. Environmental Protection Agency – Gasoline Standards: Gasoline Reid Vapor Pressure.
6 U.S. Energy Information Administration – Biofuels: Ethanol and Biodiesel Explained – Use of Ethanol.
7 U.S. Energy Information Administration – Oil: Crude and Petroleum Products Explained – Refining Crude Oil.
8 U.S. Energy Information Administration – Petroleum & Other Liquids: U.S. Product Supplied, Total Crude Oil and Petroleum Products.
9 U.S. Energy Information Administration – U.S. Natural Gas Gross Withdrawals.
10 U.S. Energy Information Administration – Natural Gas Annual Respondent Query System, EIA-757: Natural Gas Processing Capacity by Plant, Data through 2014.
11 U.S. Energy Information Administration – U.S. Dry Natural Gas Production.
12 North American Energy Standards Board.
13 Penn State College of Earth and Mineral Sciences, e-Education Institute – Petroleum Processing: Natural Gas Composition and Specifications.
14 Rufford, T.E. et al. (2012). La rimozione di CO2 e N2 dal gas naturale: Una revisione delle tecnologie di processo convenzionali ed emergenti. J. Pet. Sci. Eng., 94-95, 123-154.
15 Sep-Pro Systems – Nitrogen Rejection Units.
16 U.S. Energy Information Administration (2006). Trattamento del gas naturale: The Crucial Link between Natural Gas Production and Its Transportation to Market.
17 U.S. Energy Information Administration – U.S. Energy Mapping System.
18 U.S. Department of Energy (2017). Natural Gas Liquids Primer, con un focus sulla regione degli Appalachi.
19 U.S. Environmental Protection Agency (2017). Inventario delle emissioni di gas serra e dei pozzi di assorbimento degli Stati Uniti: 1990-2015.
20 Global CCS Institute – Projects Database: Large-scale CCS facilities.

Petroleum and the Environment

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Altre parti in questa serie:
1. Petroleum and the Environment: an Introduction
2. Water in the Oil and Gas Industry
3. Induced Seismicity from Oil and Gas Operations
4. Water Sources for Hydraulic Fracturing
5. Utilizzo dell’acqua prodotta
6. Protezione delle acque sotterranee nella produzione di petrolio e gas
7. Pozzi abbandonati
8. Cosa determina la posizione di un pozzo? Uso del territorio nell’industria del petrolio e del gas
10. Il campo di gas di Pinedale, Wyoming
11. Olio pesante
12. Petrolio e gas nell’Artico degli Stati Uniti
13. Petrolio e gas offshore
14. Fuoriuscite nei campi di petrolio e gas naturale
15. Trasporto di petrolio, gas e prodotti raffinati
16. Raffinazione del petrolio e lavorazione del gas
17. Prodotti non combustibili del petrolio e del gas
18. Impatti del petrolio e del gas sulla qualità dell’aria
19. Emissioni di metano nell’industria del petrolio e del gas
20. Mitigazione e regolamentazione delle emissioni di metano
21. Regolamentazione delle operazioni di petrolio e gas
22. Salute e sicurezza nell’estrazione di petrolio e gas
23. Dati del sottosuolo nell’industria del petrolio e del gas
24. Geoscienziati del petrolio e dell’ambiente
Glossario dei termini