CHIMICA ORGANICA E INDUSTRIA: ONDA DI MAREA (1870-1970)

DAL PETROLIO AL CARBONE

 

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Lo sviluppo dell'industria petrolifera e i processi di cracking

Le vicende dell'industria petrolifera e di quella chimica rimasero a lungo separate. Fino ai primi anni del nostro secolo le raffinerie di petrolio avevano il compito esclusivo di distillare il greggio per separare le varie frazioni di idrocarburi e commercializzarle per i diversi usi. Questi usi non avevano affatto domande bilanciate: fra il 1890 e il 1900 vi fu penuria della frazione a 10-15 atomi di carbonio (cherosene) ed eccesso di quella a 6-10 atomi di carbonio (benzina). Il cherosene era richiestissimo per le lampade a petrolio, mentre la benzina era ritenuta troppo pericolosa per la sua infiammabilità ed era in genere scaricata nei fiumi. Con l'"avvento" dell'automobile e la diffusione dell'illuminazione elettrica la situazione mutò radicalmente, e ritornò d'attualità una proposta fatta molti anni prima: spezzare termicamente le catene degli idrocarburi più pesanti per ottenere frazioni più leggere, a catena più corta. Il primo processo di cracking termico che diede risultati commerciali (e quali risultati!) fu realizzato negli Stati Uniti da W.M. Burton (1865-1954), direttore di una raffineria della Standard. Gli impianti pilota, che operavano a 4-5 atmosfere, presentarono grandi difficoltà costruttive ed erano piuttosto pericolosi, così che nel 1910 la direzione della Standard rifiutò di autorizzare la spesa per un impianto commerciale. Tuttavia nel 1911 la legge antitrust americana scisse la Standard Oil in diversi tronconi, e la nuova direzione aziendale favorì l'investimento. Il processo fu avviato nel 1913, ed è stato calcolato che i costi di sviluppo (236.000 $) furono ripagati io volte nel primo anno operativo dell'impianto. Il metodo Burton dominò il settore fino al 1920-1921, periodo in cui furono proposti ben nove processi, fra cui risultò importantissimo quello di C.P. Dubbs (1881-1962). Dubbs era figlio d'arte (le iniziali del nome corrispondono a Carbon Petroleum), e da un facoltoso finanziatore fece acquistare alcuni brevetti di suo padre, che allora dirigeva una piccola raffineria californiana. I brevetti erano stati presi per il trattamento del greggio californiano, ma Dubbs junior vi aveva visto la possibilità di migliorare il processo Burton, in particolare rendendolo continuo. I cinque anni che furono necessari per la messa a punto del processo richiesero 6 milioni di dollari di spese di sviluppo (mandando in rovina il finanziatore di Dubbs), tuttavia il nuovo metodo, funzionante a partire dal 1923, era effettivamente molto più efficiente di quello di Burton.

Negli anni '20 diverse compagnie petrolifere incominciarono a interessarsi delle potenzialità che la catalisi offriva al processo di cracking, ma lo fecero senza entusiasmo e con magrissimi risultati. Nel 1925 un ingegnere francese, Eugène Houdry, intraprese una ricerca sistematica dell'effetto sul cracking di centinaia di catalizzatori, e nel 1927 ottenne i primi risultati positivi. Houdry aveva investito nella ricerca una parte ingente della sua fortuna personale, ma presto la scala delle ricerche di sviluppo divenne tale da richiedere l'esperienza impiantistica e i capitali di una grande impresa. Privo di appoggi in Francia emigrò negli Stati Uniti, dove costituì una società con la Socony Vacuum Oil (1930), cui si aggiunse più tardi la Sun Oil (1932). Il processo cominciò a funzionare a livello industriale fra il 1936 e il 1937, dopo che erano stati investiti circa 11 milioni di dollari (3 provenienti dal patrimonio privato di Houdry).

Fin dagli inizi fu chiaro che lo stesso processo Houdry poteva essere perfezionato, in quanto era semi-continuo e con catalizzatore a letto fisso, e la "minaccia" di questa innovazione era tale che nel 1938 fu formato un gruppo, denominato Catalytic Research Associates, che coordinava gli sforzi di ricerca di giganti quali l'Indiana Standard, la Jersey Standard, la Shell e la Texaco. Il processo a letto fluido divenne operativo nel 1942; al termine di una serie di perfezionamenti nel 1952 era costato 30 milioni di dollari di investimenti in ricerca e sviluppo.

La transizione dal carbone al petrolio

Come si è visto si trattò di una (costosa) vicenda interna all'industria petrolifera, e tale rimase il suo risultato tecnicamente più valido, il cracking catalitico, ancora migliorato dal punto di vista della produzione di combustibili con l'introduzione dei catalizzatori zeolitici (1965). Il cracking termico invece ha permesso una svolta radicale nei rifornimenti di materie prime all'industria chimica, e ha dato un impeto violento alla produzione di materie plastiche.

L'accessibilità alle materie prime è stata sempre la prima comprensibilissima preoccupazione in tutti i settori produttivi, ma in quello chimico questa preoccupazione è esasperata dal fatto che un singolo nuovo processo può esaurire - di colpo - tutte le risorse disponibili in un certo settore di "intermedi". Così la ig Farben affidò a un chimico di genio, Walter Reppe, il compito di sintetizzare a partire dall'acetilene il butadiene necessario per il Buna. Fra il 1926 e il 1930 Reppe risolse il problema con un metodo basato su quattro reazioni successive, di cui una era un'idrogenazione da alta pressione (una reazione ubiqua), e tre richiedevano catalizzatori specifici. L'acetilene era ricavato a sua volta dal carburo di calcio, e l'intero sistema tecnico del Buna-S si basava su intermedi provenienti in modo più o meno mediato dal carbone.

Dopo la fine della seconda guerra mondiale la formazione di un nuovo mercato mondiale svaporò gli spettri dell'autarchia nelle grandi economie capitalistiche, e gli sviluppi dell'industria petrolifera che abbiamo appena descritti dettarono una nuova interpretazione del problema degli intermedi, così che, per gradi, si passò dal "tutto dal carbone" al "tutto dal petrolio". Il passaggio fu favorito anche da un altro fatto: gli intermedi richiesti per le nuove sostanze plastiche erano ottenuti con forti economie di scala impiegando i procedimenti petrolchimici. Un caso emblematico chiarirà la svolta degli anni 1950.

Quando la ICI iniziò a produrre il polietilene l'impianto era progettato per una produzione annua di 50 t, e l'etilene era ricavato da alcool etilico di fermentazione. Nel 1952 la produzione di 2.000 t annue di polietilene era impiegata ancora per usi speciali; l'etilene ricavato da fermentazione portava i costi a 250 sterline per tonnellata: il passaggio all'etilene da cracking significò una caduta dei costi a 90 sterline per tonnellata. Ulteriori vantaggi si ebbero spingendo verso l'alto la scala degli impianti; secondo calcoli del 1963 il costo per tonnellata di etilene da cracking sarebbe stato di 22 sterline per tonnellata con un impianto da 50.000 t/anno, e sarebbe sceso a 16 sterline con una produzione annua di 300.000 t. Su questa base tecnico-economica, imperniata sull'ottenimento di "alifatici" mediante cracking, e sulla produzione di massa di materie plastiche si sarebbe stabilizzato in buona parte quel paesaggio industriale della chimica che è giunto ai giorni nostri.

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