Il carburante utilizzato in un'auto moderna, che sia benzina, diesel o anche GPL (LiquidPetroleum Gas), deve soddisfare elevati standard di purezza se il motore dell'auto funziona senza intoppi.
Estrazione di carburante dal petrolio greggio
I carburanti moderni devono essere sufficientemente volatili per accendersi rapidamente, anche in condizioni avverse, e devono avere la corretta miscela di idrocarburi per bruciare in modo sufficientemente uniforme da sviluppare potenza utile in un motore a combustione interna. Il carburante deve anche avere il giusto numero di ottani per evitare il pinking (detonare troppo presto) che può causare danni al motore.
I motori a combustione interna sono progettati per funzionare con un particolare tipo di carburante e messi a punto per funzionare abbastanza vicino ai limiti che quel carburante può supportare, quindi una qualità costante è importante nei carburanti moderni.
Sia la benzina che il diesel derivano dal petrolio greggio, che è una miscela complessa di molte centinaia di idrocarburi diversi e di altri prodotti che devono essere rimossi durante la raffinazione. Gli oli grezzi variano da fonte a fonte; contengono generalmente liquidi volatili leggeri, benzina tra gli altri, nonché costituenti molto più pesanti, quasi solidi, come il bitume.
La separazione e la purificazione della benzina e del diesel dal petrolio greggio richiedono processi complessi, che vengono eseguiti in una raffineria di petrolio.
L'olio viene raffinato nei suoi costituenti mediante un processo chiamato distillazione frazionata. Questo separa i diversi costituenti del petrolio greggio sfruttando il fatto che evaporano e vaporizzano a temperature diverse.
Il primo processo viene eseguito in una colonna di frazionamento, una torre cilindrica alta fino a 75 m, all'interno della quale si trovano da 30 a 40 vassoi chiamati vassoi di frazionamento, impilati uno sopra l'altro. La parte inferiore della colonna viene mantenuta molto calda, ma la temperatura diminuisce man mano che ci si sposta verso l'alto, in modo che ogni vassoio sia leggermente più freddo di quello sottostante.
Il petrolio greggio viene preriscaldato tra 315°C e 370°C in modo che tutti tranne i costituenti più pesanti vaporizzino. Viene quindi alimentato verso il fondo della colonna di frazionamento come miscela di gas e liquido. Il vapore d'olio risale la colonna attraverso dispositivi, come i cappucci a bolle, nei vassoi di frazionamento che ne fanno essere accuratamente miscelato con il liquido già presente. L'olio più pesante e ancora liquido passa in fondo alla colonna.
Quando il vapore sale, si raffredda in linea con la diminuzione della temperatura dei vassoi. Ogni volta che il vapore passa e bolle attraverso un vassoio contenente un liquido la cui temperatura corrisponde al punto di ebollizione di uno dei costituenti del vapore, quel costituente condensa sul vassoio. Gli altri vapori con punto di ebollizione più alto continuano la colonna.
In questo modo ogni costituente del vapore incontra un vassoio sul quale si condensa. Il risultato è una serie di costituenti separati, detti frazioni, che possono essere prelevati dalla colonna attraverso dei tubi.
Ci sono sei frazioni principali. Il più leggero, che è pur sempre un gas quando raggiunge la sommità della colonna, si chiama gas di raffineria e viene utilizzato come combustibile dalla raffineria stessa.
Il resto viene ulteriormente lavorato in un impianto aggiuntivo. Le frazioni liquide più leggere risultanti sono molto volatili e vengono utilizzate per la miscelazione di benzina.
Poi vengono la nafta (usata per l'ulteriore trasformazione in prodotti petrolchimici in alternativa per la miscelazione nella benzina), il cherosene (che è fondamentalmente paraffina), i gasoli e gli oli leggeri e pesanti utilizzati per la lubrificazione industriale, e poi la frazione più pesante, il bitume, che viene lasciato come residuo.
Il processo di distillazione frazionata di base divide il petrolio greggio nei suoi idrocarburi puri chimici. Ma alcuni di questi idrocarburi sono più preziosi di altri. In particolare, la domanda di benzina è molto maggiore di quella di bitume, anzi di gasolio. Quindi alcune delle frazioni più pesanti vengono convertite nella raffineria di petrolio in benzina. Questo viene fatto tramite un processo chiamato cracking.
Il cracking termico utilizza il calore nel processo, mentre il cracking catalitico utilizza un catalizzatore chimico.
Nel cracking termico gli idrocarburi vengono riscaldati tra 450°C e 540°Cat ad alta pressione. Il risultato è un carburante di bassa qualità che viene poi raffinato nuovamente a temperature e pressioni più elevate per produrre benzina di qualità sufficientemente buona da poter essere utilizzata nei motori delle automobili.
Il cracking catalitico è più utile del cracking termico poiché fornisce una resa maggiore di prodotti utili. Aggiungendo un catalizzatore (solitamente polvere di alluminio-silice) all'olio durante la fase di preriscaldamento, le frazioni pesanti possono essere scomposte in una miscela di quelle più leggere, che vengono poi alimentate in una colonna di frazionamento per essere separate.
Queste frazioni leggere subiscono quindi ulteriori processi chiamati processi di conversione per produrre la corretta miscela di idrocarburi.
A queste conversioni seguono fasi di trattamento in cui vengono introdotti gli opportuni additivi per rendere la miscela benzina adatta all'uso invernale o estivo.
Per essere utile per far funzionare i motori a combustione interna, la benzina deve possedere determinate proprietà. Deve bruciare senza intoppi nel motore su un'ampia gamma di velocità e potenza senza detonazione. Questo si manifesta con un "bussare" e, se lasciato persistere, può causare seri danni al motore.
La benzina deve avere alcuni costituenti facilmente volatili che consentono al motore di avviarsi facilmente a basse temperature. Ma la benzina non deve essere così volatile da vaporizzare troppo facilmente e causare un blocco nel sistema di alimentazione, o addirittura formazione di ghiaccio sul carburatore (vedi a lato, a destra).
Le prestazioni della benzina sono misurate principalmente dal suo numero di ottano. Per risolvere questo problema, la benzina viene confrontata con due combustibili standard di prestazioni note chiamati n-eptano e iso-ottano, entrambi idrocarburi. L'N-eptano è un combustibile scadente per i motori a combustione interna e provoca forti colpi; ha un numero di ottano di 0. L'isoottano è l'opposto, un carburante di altissima qualità, e ha un numero di ottano di 100.
Se la benzina ha un numero di ottano di 90 significa che fornisce una prestazione equivalente a una miscela di 90 parti di isoottano a 10 parti di neptano. La maggior parte dei motori delle automobili richiede benzina con un numero di ottano compreso tra 90 e 100.
Come ulteriore misura antidetonante, è ancora consuetudine aggiungere alla benzina una piccola quantità di piombo tetraetile o tetrametile. Tuttavia, questo viene costantemente ridotto a causa della natura velenosa del piombo.
La quantità massima di piombo consentita nella benzina è stata abbassata da 0,4 a 0,15 grammi per litro nel 1986, e la benzina senza piombo sta cominciando ad apparire sul mercato europeo. Questa è benzina a cui non sono stati aggiunti composti di piombo.
Il carburante diesel è più viscoso e più pesante della benzina, è meno volatile e fuoriesce dalla colonna di frazionamento a un livello inferiore.
Il carburante diesel non è classificato in base al numero di ottani come la benzina; invece è data una classificazione di cetano. Ciò si ottiene confrontando il diesel con altri due idrocarburi, il cetano e l'alfa-metilnaftalene.
Il carburante diesel di alta qualità utilizzato nei veicoli stradali ha un grado di cetano di circa 50, mentre i motori più lenti come quelli utilizzati nelle grandi navi possono funzionare con carburante con un grado di cetano inferiore. Più alto è il grado di cetano, più facile sarà l'avviamento, più dolce sarà la combustione e più basso sarà il livello di 'dieselknock'.
Alcuni diesel di bassa qualità (chiamati gasolio) utilizzati per lavori fissi o fuoristrada sono colorati per l'identificazione ed è quindi noto come diesel rosso. Solo il diesel bianco, su cui è stata pagata la tassa di circolazione, può essere legalmente utilizzato su strada.
Il carburante diesel, come la benzina, ha normalmente additivi importanti. È necessario aggiungere agenti antigelo e anticera al carburante diesel utilizzato nella stagione fredda per evitare che si intasi nelle tubazioni del carburante e negli iniettori.
Dalla raffineria di petrolio, la benzina e il diesel vengono trasportati ai loro garage e stazioni di servizio su strada o ferrovia in cisterne appositamente progettate.
I combustibili sono solitamente stoccati in cisterne sotterranee sotto il piazzale antistante il punto vendita, la stazione di rifornimento. La benzina e il carburante diesel vengono stoccati in serbatoi separati, così come diversi tipi di benzina, fino a quando non vengono sollevati sopra il livello del suolo e misurati per la vendita dalle pompe.
Le pompe di benzina possono normalmente prelevare carburante da qualsiasi serbatoio interrato e miscelarlo per fornire agli utenti qualsiasi grado sia necessario. Tuttavia, la benzina con e senza piombo non deve essere miscelata, quindi hanno bisogno di serbatoi e pompe separati che devono essere chiaramente contrassegnati per mostrare cosa contengono.
