carbochimica

Definizione

sf. [da carbon(e)+chimica]. Settore applicativo della chimica dedicato all'ottenimento di prodotti chimici dai carboni fossili e dai derivati (coke, gas, catrame) della loro distillazione.

Cenni storici

La carbochimica ebbe grande importanza nel periodo iniziale di sviluppo dell'industria chimica, in quanto forniva le materie prime per la produzione di coloranti, solventi, prodotti farmaceutici, ecc. A partire dal 1920 la carbochimica andò rapidamente declinando e al suo posto subentrò la petrolchimica, a causa del minor costo e della maggiore disponibilità delle frazioni petrolifere nei confronti dei carboni fossili e dei loro derivati. La carbochimica ha mantenuto una reale importanza soltanto in situazioni legate a scelte autarchiche per le fonti energetiche (in Germania durante la seconda guerra mondiale, in Sudafrica nella seconda metà del Novecento). Negli ultimi decenni del sec. XX, il rischio di esaurimento delle riserve petrolifere e il pericolo di improvvise crisi degli approvvigionamenti, causate da situazioni di instabilità politica nelle aree geografiche in cui sono localizzati i giacimenti, hanno ridato un certo interesse alla carbochimica, soprattutto in termini di ricerche e sperimentazioni, le quali si sono rivolte in tre specifiche direzioni: 1) la produzione di un gas combustibile di elevato potere calorifico (gas naturale sintetico) tramite processi di gasificazione dei carboni fossili, condotti in condizioni tali da favorire le reazioni di metanazione (per esempio elevata pressione di idrogeno); l'interesse per tale produzione riguarda soprattutto i Paesi, come gli Stati Uniti, in cui si sta verificando una diminuzione delle riserve di gas naturale. 2La produzione di un gas combustibile a basso potere calorifico da utilizzare, per esempio, in centrali termoelettriche. L'affermarsi di tale produzione è essenzialmente legato all'esito delle attuali ricerche sulle possibilità offerte dalle tecniche di gasificazione sotterranea. 3) La produzione di carburanti liquidi, tramite liquefazione dei carboni fossili. È soprattutto su quest'ultima applicazione che la carbochimica potrebbe avere in prospettiva sviluppi di grande interesse. In confronto con gli altri combustibili i carboni fossili hanno un contenuto di idrogeno molto più basso; pertanto l'ottenimento di carburanti liquidi dai carboni fossili richiede, oltre alla modificazione della struttura e alla rimozione di azoto, zolfo, ossigeno e materiali inerti, anche un sostanziale aumento del rapporto in peso idrogeno/carbonio (da circa 0,5 a circa 2). La liquefazione può essere realizzata sia per via diretta, tramite idrogenazione dei carboni, sia indirettamente, tramite ottenimento di gas di sintesi (idrogeno e monossido di carbonio), per gasificazione dei carboni e successiva trasformazione in prodotti liquidi. Tali prodotti hanno composizione chimica differente a seconda del metodo di liquefazione: dalla liquefazione diretta si ottengono prodotti a elevato contenuto di idrocarburi aromatici, utilizzabili come benzine alto-ottaniche e come materie prime per ottenere prodotti chimici aromatici, mentre i prodotti della liquefazione indiretta contengono anche idrocarburi saturi che trovano impiego come carburanti diesel e come intermedi per la produzione di olefine.

Liquefazione diretta dei carboni fossili

Tale processo, che richiede l'uso di elevate temperature e pressioni in presenza di idrogeno e di un solvente, fu proposto per la prima volta da Friedrich Bergius nel 1911 e fu poi sviluppato dalla I.G. Farbenindustrie durante la seconda guerra mondiale, realizzando in Germania 12 impianti di idrogenazione dei carboni, capaci nel 1944 di produrre 5 milioni di t di carburanti liquidi. Gli studi sulla liquefazione diretta dei carboni sono proseguiti, nella seconda metà del Novecento, negli Stati Uniti, in Germania, in Giappone e in Gran Bretagna, con numerose realizzazioni in scala pilota e dimostrativa. Le principali operazioni che avvengono in un impianto di liquefazione diretta sono: essiccamento e macinazione del carbone, formazione di una sospensione fra carbone e un solvente donatore di idrogeno, miscelazione fra la sospensione e una corrente di idrogeno, liquefazione (in presenza o no di un catalizzatore) a elevate temperature e pressioni, separazione fra i solidi (la parte di carbone rimasta indisciolta), il solvente liquido che viene ricircolato e i prodotti liquidi e gassosi. La liquefazione può essere condotta in un singolo stadio o in due stadi. In quest'ultimo caso il primo stadio è finalizzato a ottimizzare la solubilizzazione dei carboni, mentre nel secondo stadio avvengono le conversioni in fase liquida (soprattutto reazioni di idrocracking) che conferiscono ai prodotti liquidi ottenuti la prescritta qualità; l'adozione della liquefazione in due stadi consente di migliorare la flessibilità del processo (nei confronti della variabilità delle caratteristiche dei carboni trattati), di ridurre il consumo di idrogeno e di aumentare la selettività delle reazioni attraverso l'uso più controllato dei catalizzatori e delle condizioni di processo.

Liquefazione indiretta dei carboni fossili

Si basa sulla preliminare gasificazione dei carboni con produzione di idrogeno e di monossido di carbonio, che vengono successivamente trasformati in prodotti liquidi tramite la sintesi di Fischer-Tropsh. Il primo brevetto concernente la produzione di idrocarburi e di composti ossigenati tramite idrogenazione del monossido di carbonio ad alta pressione in presenza di un catalizzatore a base di cobalto risale al 1913. Il processo fu sviluppato industrialmente in Germania negli anni Trenta e venne poi utilizzato durante la seconda guerra mondiale (fino a una capacità massima di produzione di circa 700.000 t nel 1944). Le ricerche sulla sintesi di Fischer-Tropsh continuarono anche nel dopoguerra in vari Paesi (Stati Uniti, Germania, Francia, Giappone, Gran Bretagna). In Germania, nel 1953, fu sperimentato con successo in un impianto in scala pilota un nuovo tipo di catalizzatore a base di ferro, più stabile ed efficace rispetto al sistema catalitico tradizionale. Successivamente, il processo di liquefazione indiretta ha trovato in Sudafrica una imponente realizzazione in piena scala con gli impianti Sasol, costruiti dalla South African Coal, Oil and Gas Corporation. Nella prima realizzazione (Sasol I) il gas di sintesi era prodotto per gasificazione del carbone con vapore e ossigeno in gassogeni Lurgi e la sintesi di Fischer-Tropsh avveniva in due tipologie di reattori, la prima costituita da reattori a letto fisso e la seconda da reattori a letto mobile. In tutti i reattori il catalizzatore era a base di ferro. I primi funzionarono regolarmente fin dall'inizio, mentre quelli a letto mobile richiesero una serie di interventi correttivi per ottimizzarne le prestazioni. Oltre ai carburanti liquidi (benzine e gasolio diesel) gli impianti Sasol producevano metano, etano, etilene, idrocarburi con 3-4 atomi di carbonio e cere. Sulla base del successo economico della realizzazione, legato anche alla particolare situazione sudafricana (grande disponibilità di carboni estraibili a costi molto contenuti, basso costo della manodopera, elevato costo di trasporto del petrolio di importazione), negli anni Settanta fu avviata la costruzione di un altro impianto (Sasol II), entrato in funzione negli anni Ottanta e capace di produrre circa 8000 m³ al giorno di carburanti liquidi (corrispondente a una capacità produttiva superiore di circa 10 volte a quella di Sasol I). Successivamente è stato costruito anche un terzo impianto, Sasol III, che è quasi l'esatta replica di Sasol II e che, come il precedente, utilizza per la sintesi soltanto i reattori a letto mobile; i reattori di questo tipo, infatti, a causa della più elevata temperatura di funzionamento, danno luogo a una trascurabile produzione di cere e consentono di ottenere una frazione idrocarburica più ricca in olefine (con la possibilità, così, di ottenere dalla frazione con 3-4 atomi di carbonio benzine di alto pregio tramite processi di polimerizzazione e alchilazione). Tra la fine degli anni Novanta e i primi del Duemila si è provveduto a una progressiva sostituzione dei reattori a letto mobile con una più avanzata versione di reattori di grande diametro a letto fluidizzato; la produzione complessiva di carburanti liquidi ha raggiunto 24.000 m³ al giorno; dagli impianti Sasol si ottengono altresì oltre 120 prodotti chimici che alimentano l'industria chimica del Sudafrica. Inoltre, è stato presa in esame anche la possibilità di ottenere carburanti liquidi a partire da metanolo, utilizzando un tipo speciale di zeolite come catalizzatore (processo Mobil); questo processo può diventare un metodo di liquefazione indiretta dei carboni in quanto il metanolo si ottiene dal gas di sintesi, che può essere prodotto, come negli impianti Sasol, tramite gasificazione dei carboni. Il processo Mobil, che in prospettiva potrebbe anche essere preferito alla sintesi di Fischer-Tropsh in ragione della maggiore selettività in termini di produzione di benzina, è stato sperimentato in Nuova Zelanda nella seconda metà degli anni Ottanta, in un impianto progettato per produrre 2700 m³ al giorno di benzina.

F.Derbyshire, D.Gray: “Coal liquefaction”. In “Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry”, vol. A7, 197-244 (1986); B.Jager: “Sasol : growth through innovation”. La Chimica e l’Industria, 78, 451-452 (1996).