Modello fenomenologico per la simulazione di una unità di hydroprocessing

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1 U N I V E R S I T À D E G L I S T U D I D I C A G L I A R I DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA INDUSTRIALE XVII CICLO Modello fenomenologico per la simulazione di una unità di hydroprocessing Tutori: Prof. Ing. Roberto Baratti Ing. Stefano Melis Tesi di dottorato di Lara Erby

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3 INDICE Introduzione Capitolo L evoluzione del mercato dei combustibili diesel 3. Il gasolio 3. Il mercato dei combustibili diesel 6.3 Direttive ambientali per il miglioramento della qualità dell aria 9.3. Legame tra proprietà dei gasoli ed emissioni.3. Regolamentazione delle proprietà del gasolio per autotrazione 3.4 Interventi promossi dai produttori di combustibili diesel 6.4. Diffusione delle tecnologie di hydroprocessing 7.4. Ottimizzazione del consumo di idrogeno Incremento della qualità dei combustibili diesel 9.5 Combustibili alternativi Capitolo Processi di trasformazione nelle unità di hydroprocessing 5. Processi catalitici di hydroprocessing 5. Reazioni di hydrodearomatization 9.. Aspetti termodinamici 30.. Reattività dei composti aromatici 3.3 Reazioni di hydrodesulfurization 35.4 Cenni sulle reazioni di hydrodenitrogenation 39.5 Cenni sulle reazioni di reazioni di hydrodeoxygenation 4.6 Descrizione dell apparato industriale Processo a due stadi Principali parametri operativi 47.7 Regimi di flusso nei reattori industriali e di piccola scala 50.8 Struttura e meccanismi delle superfici catalitiche Struttura dei catalizzatori di hydroprocessing Attivazione del catalizzatore Meccanismi di adsorbimento Disattivazione del catalizzatore 6

4 Capitolo 3 Review dei meccanismi e delle cinetiche delle reazioni di Idrogenazione Meccanismi di idrogenazione degli idrocarburi aromatici Cinetiche di idrogenazione degli idrocarburi aromatici Cinetiche di idrogenazione semplificate e semiempiriche Cinetiche di idrogenazione di Langmuir-Hinshelwood Alcune considerazioni sugli studi sperimentali 79 Capitolo 4 Analisi sperimentale Descrizione dell apparato sperimentale Sezione di alimentazione della fase gas Sezione di alimentazione della fase liquida Sezione di reazione Sezione di separazione ad alta pressione Sezione di stripping Sezione di trattamento, ricircolo e smaltimento dei gas in 97 uscita 4..7 Sezione di raccolta e stoccaggio dei prodotti Linee guida nell esecuzione delle prove sperimentali Descrizione dell attività analitica Densità Contenuto di composti solforati Contenuto di composti azotati Contenuto e distribuzione degli idrocarburi aromatici Numero e indice di cetano Curva di distillazione 3 Capitolo 5 Formulazione del modello matematico 5 5. Stato dell arte dei modelli per l idrogenazione 5 5. Definizione dei lumps molecolari Modello cinetico per l idrogenazione dei composti aromatici Ipotesi e assunzioni del modello Modello a plug-flow con dispersione assiale Modello eterogeneo Modello pseudo-omogeneo Formulazione del modello matematico Stima dei parametri del modello 45 Capitolo 6 Analisi dei risultati 5 6. Calibrazione dei parametri del modello Considerazioni sullo schema cinetico Considerazioni sulle costanti di adsorbimento 53 II

5 6..3 Procedura di calibrazione dei parametri del modello Test di calibrazione per l idrogenazione degli aromatici Test di verifica per l idrogenazione degli aromatici I test di verifica (con miscela a basso contenuto di zolfo) II test di verifica (con light cycle oil) III test di verifica (con catalizzatore al CoMo) Campo di applicabilità del modello Risultati preliminari per la desolforazione dei composti solforati refrattari 76 Capitolo 7 Conclusioni 8 Acronimi 85 Elenco delle pubblicazioni inerenti al lavoro di tesi 86 Riferimenti bibliografici 88 III

6 INTRODUZIONE Negli ultimi anni la domanda di gasoli ha subito un incremento tale da imporre alle raffinerie lo sviluppo e l acquisizione di nuove tecnologie unitamente all ottimizzazione degli impianti già esistenti, al fine di massimizzare lo sfruttamento delle risorse naturali attualmente ancora disponibili. Le normative attualmente vigenti, inoltre, hanno imposto il rispetto di specifiche sempre più restrittive sulla qualità dei carburanti per autotrazione, quali le benzine e i carburanti per motori diesel. Proprietà come il contenuto di azoto, di zolfo e di composti poliaromatici, la densità e la curva di distillazione dei combustibili risultano oggi soggette a pesanti limitazioni sia in Europa che negli Stati Uniti. Per far fronte alla domanda di gasoli nel rispetto delle caratteristiche commercialmente richieste, le raffinerie hanno seguito diverse strade, quali lo sviluppo di nuovi catalizzatori, l ottimizzazione delle tecnologie alla base dei processi di idrogenazione e desolforazione (hydroprocessing), la scelta delle materie prime e degli additivi, la ricerca di un nuovo tipo di approccio da utilizzare nel blending dei prodotti, la conversione dei prodotti petroliferi più pesanti. Nella ricerca di un punto di incontro tra esigenze ambientali, normative che si sforzano di tutelarle, adeguato utilizzo delle risorse naturali e disponibilità delle tecnologie attualmente in commercio, le raffinerie svolgono un ruolo critico in un problema di non facile soluzione. Nell ambito di tale prospettiva nasce l esigenza di poter disporre di strumenti di simulazione in grado di descrivere i complessi processi di trasformazione che intervengono nell ottenimento di prodotti conformi alle specifiche richieste. Concordemente con tali esigenze, nel presente studio viene proposto un modello per le unità di hydroprocessing che, utilizzando una accurata caratterizzazione dei composti aromatici presenti nei gasoli, è in grado di predire con buona precisione la distribuzione degli aromatici stessi nei prodotti idrotrattati, a

7 seguito dell idrogenazione catalitica del gasolio. In virtù dell ampio range di condizioni operative nelle quali il modello è stato testato e del ridotto numero di parametri che in esso compaiono, il modello proposto costituisce uno strumento versatile e di semplice applicazione, anche in presenza di miscele con differenti contenuti e distribuzioni di composti aromatici o di catalizzatori con differente attività. Il presente lavoro di tesi prevede in primo luogo l introduzione della problematica connessa con la crescente domanda di gasoli, a fronte delle specifiche sempre più restrittive (capitolo ). Segue una descrizione del processo e degli impianti di hydroprocessing, con particolare riferimento alla struttura e ai meccanismi di adsorbimento nei catalizzatori commerciali (capitolo ). Si entra poi nel dettaglio dello stato dell arte dei meccanismi e delle cinetiche relative alle reazioni di idrogenazione, oggetto della presente simulazione (capitolo 3). Prima di introdurre la formulazione del modello matematico, viene accuratamente descritta l unità pilota utilizzata per le prove sperimentali, unitamente all attività analitica ad esse associata (capitolo 4). Viene quindi presentato il modello matematico per la simulazione delle reazioni di idrogenazione dei composti aromatici, sottolineando il passaggio dal modello eterogeneo al modello pseudo-omogeneo e la definizione dei lumps molecolari per i composti aromatici (capitolo 5). In conclusione vengono presentati i risultati ottenuti con il modello fenomenologico, in sede di calibrazione e in modalità puramente predittiva, a confronto con i corrispondenti valori sperimentali (capitolo 6).

8 Capitolo L EVOLUZIONE DEL MERCATO DEI COMBUSTIBILI DIESEL Nel presente capitolo vengono presentate le principali motivazioni che hanno portato alla diffusione nel mercato dei combustibili per motori diesel. Viene inoltre illustrato come, a partire da un esigenza di miglioramento della qualità dell aria, sono state emanate differenti normative che definiscono la qualità dei gasoli per autotrazione. Si evidenzierà quindi come, per fronteggiare la domanda di carburanti diesel e le specifiche sulla qualità dei gasoli, le raffinerie si sono trovate nella condizione di dover rimodernare e/o ottimizzare il funzionamento delle unità preesistenti, al fine di soddisfare le crescenti ed esigenti richieste del mercato. In tale ottica, emergerà infine l importante ruolo svolto dalle unità di hydroprocessing, in relazione alla loro capacità di produrre quantità rilevanti di gasoli di alta qualità.. Il gasolio Prima di descrivere l evoluzione del mercato dei combustibili diesel, è opportuno un breve cenno sui processi di produzione del gasolio, in modo da visualizzare con maggior chiarezza l eterogeneità delle miscele che concorrono alla formazione dei combustibili immessi sul mercato. La distillazione a pressione atmosferica di un petrolio greggio è il processo più importante all interno di una raffineria in quanto consente il frazionamento della miscela in diversi tagli sulla base della loro differente temperatura di ebollizione. I principali prodotti della distillazione primaria sono, come illustrato in figura., la Nel presente lavoro di tesi si indicheranno come carburanti o combustibili diesel i gasoli utilizzati nei motori diesel. Il termine gasolio verrà utilizzato nella sua accezione più ampia, includendo non solo i gasoli per autotrazione ma anche i gasoli utilizzati per il riscaldamento.

9 benzina, il kerosene e il gasolio, (oltre al fuel gas, al GPL e ai residui pesanti). Il processo di distillazione consente, però, di ottenere quantità limitate di gasolio. Per incrementare la sua produzione si ricorre quindi ad altri processi, in grado di frazionare le molecole con più alto punto di ebollizione, trasformandole in prodotti più leggeri. In particolare, la separazione e la conversione dei residui (mediante distillazione sotto vuoto e cracking termico) e dei cosiddetti gasoli pesanti (mediante cracking catalitico e hydrocracking) consente di ottenere miscele aventi il tipico range di temperature di ebollizione del gasolio ( C) ma differenti proprietà (in termini, ad esempio, di densità, di contenuto di zolfo e di composti poliaromatici). Fuel Gas GPL Greggio DISTILLAZ. ATMOSF. Benzina Cherosene Gasolio Gasolio pesante REFORMING CRACKING CATALITICO H Benzina riformulata HYDROPROCESSING Light Cycle Oil Benzina da Cracking Gasolio idrotrattato Residuo Atmosferico DISTILLAZ. VACUUM Residuo Vacuum Gasolio leggero da Vacuum Gasolio pesante da Vacuum Gasolio da cracking Benzina residuo CRACKING TERMICO Gasolio da cracking HYDROCRACKING GASSIFICAZIONE H Energia elettrica Fig..: rappresentazione schematica di un impianto di raffinazione del petrolio. La qualità del gasolio prodotto dipende, quindi, dalle caratteristiche del greggio d origine, dalle modalità con cui avviene la distillazione e dalle miscele utilizzate nella formulazione finale del prodotto (blending). Il gasolio proveniente dall unità di distillazione atmosferica (straigh run gas oil, SRGO), ad esempio, ha solitamente un minor contenuto di composti aromatici (e quindi un più elevato numero di cetano) rispetto ai prodotti ottenuti da cracking. Il gasolio proveniente dall unità di cracking catalitico (light cylcle oil, LCO), invece, ha un più alto contenuto di composti 4

10 aromatici ma un minore tenore di zolfo rispetto al gasolio da distillazione primaria (cfr. tabella.). Al fine di soddisfare le differenti esigenze del mercato del gasolio, di norma vengono opportunamente combinate correnti aventi diverse proprietà (unitamente all uso di appropriati additivi), in modo da ottenere gasoli più adatti per le differenti applicazioni: il gasolio da riscaldamento, utilizzato come combustibile negli impianti termici per il suo elevato potere calorifico, il gasolio per autotrazione, impiegato come carburante nei motori diesel, e i gasoli speciali, utilizzati in specifiche situazioni o settori di attività (come il carburante per mezzi agricoli o il gasolio alpino). Nella tabella. sono riassunte alcune delle proprietà più significative delle suddette tipologie di gasolio. Gasolio da riscaldamento Gasolio per autotrazione Gasolio agricolo Gasolio alpino Densità a 5 C [kg/m 3 ] Zolfo totale [% in massa] Viscosità a 40 C [cst] Distillato a 50 C [% in vol.] Distillato a 370 C [% in vol.] Numero di Cetano 80 0,, ,005 4,5 64, ,6 0,05 4, ,005 4,5 64, Tab..: principali proprietà di diversi tipi di gasolio. In relazione alle caratteristiche del motore diesel nel quale vengono utilizzati o al tipo di prestazioni che vengono richieste, sono disponibili sul mercato diversi tipi di carburante per autotrazione, secondo quanto indicato nella tabella.. Fonte: sito web 5

11 Carburante - D Carburante - D Carburante 4 - D Carburante DF-A (per climi artici) Carburante DF- (invernale) Carburante DF- (normale) Carburante DF (pesante) caratteristiche miscela di idrocarburi volatili compresi tra il kerosene e i distillati intermedi miscela di distillati a bassa volatilità miscela di distillati molto viscosi o miscele di oli residui utilizzo motori ad alta velocità che operano con variazioni di carico e di velocità relativamente ampie, anche in condizioni di basse temperature motori che marciano a velocità uniforme e con carichi relativamente elevati motori a velocità media e bassa, sostanzialmente costante, e con carichi sostenuti motori per autotrazione ad alta velocità, dove la temperatura ambiente è inferiore ai 4 C e dove è difficile stoccare carburanti e oli combustibili; tale carburante non può venire usato in motori stazionari a bassa velocità autotrazione ad alta velocità dove la temperatura ambiente è inferiore a 4 C; tale carburante può venire usato in motori stazionari a media velocità, dove non è possibile preriscaldare il carburante tutti gli automezzi, a media e alta velocità, in presenza di temperature superiori ai 7 C motori a velocità bassa e media Tab..: diversi tipi di gasoli per autotrazione.. Il mercato dei combustibili diesel Attualmente, il gasolio trova ampia diffusione sul mercato, sia come carburante per autotrazione, sia come combustibile negli impianti di riscaldamento. Solo fino a qualche decina di anni fa, però, il mercato del gasolio era piuttosto differente. Negli impianti di riscaldamento e di generazione elettrica veniva infatti ampiamente utilizzato l olio combustibile mentre i motori per autotrazione più diffusi erano quelli a benzina. Come dunque il gasolio ha trovato, a poco a poco, sempre più spazio in un mercato già apparentemente saturo? La progressiva sostituzione degli oli combustibili (ad alto tenore di zolfo) con il gasolio da riscaldamento è avvenuta a seguito delle prime limitazioni imposte sulle emissioni inquinanti (Legge antismog, n 65, 966; D.M. del /07/990; D.P.R. 03/998; protocollo di Kyoto). A tutt oggi, nonostante la crescente diffusione del gas naturale, numerosi sono gli impianti di riscaldamento alimentati con gasolio. Negli ultimi anni, però, il gasolio si sta facendo strada, a dispetto della benzina, anche come carburante per motori diesel. In effetti, sono notevoli i progressi fatti dai motori diesel negli ultimi anni, sia a livello di prestazioni che di riduzione delle emissioni a seguito della combustione. I 6

12 motori diesel oggi diffusi sul mercato garantiscono un elevata potenza, un alta efficienza 3 e un affidabilità che li rende estremamente competitivi rispetto ai motori a benzina. Inoltre, uno degli aspetti che li rende particolarmente attraenti è il fatto che, a parità di distanza percorsa, richiedono minori quantità di combustile rispetto ai motori a benzina (30 60 % in meno, in relazione al tipo di veicolo e alle condizioni di guida). Se tutti questi aspetti hanno determinato, negli ultimi anni, un incremento dei veicoli con motori diesel a discapito di quelli a benzina, un ruolo di rilievo è stato senza dubbio svolto dall orientamento politico dei singoli stati, volto a promuovere maggiormente veicoli più efficienti e in grado di produrre minori quantità di CO e CO. In effetti, il fatto di operare con elevati rapporti di compressione e in modalità lean-burn 4, consente ai motori diesel di emettere minori quantità di idrocarburi incombusti, di monossido e di biossido di carbonio rispetto ai motori a benzina, pur a discapito di maggiori produzioni di particolato e di NO x (per via delle elevate temperature impiegate durante la combustione). Parallelamente allo sviluppo di nuove tecnologie sui motori diesel 5, è nata però l esigenza di disporre di combustibili di più alta qualità, in modo da ridurre l entità delle emissioni intervenendo a monte della combustione. Se infatti i progressi sul motore e sui sistemi di post-trattamento garantiscono un effetto nel medio e lungo periodo, una variazione nella qualità del carburante consente di avere effetti immediati. Uno dei principali imputati per la riduzione delle emissioni provenienti dai motori diesel è ormai da diversi anni il contenuto di zolfo nei gasoli. In effetti sono numerosi, in Europa e negli Stati Uniti, gli Ultra Low Sulfur Diesel (ULSD), ossia i gasoli per autotrazione a basso tenore di zolfo. Un esempio è il blu diesel 6, un 3 L efficienza termica di un motore a benzina è dell ordine del 4 % mentre con un motore diesel si possono raggiungere efficienze superiori al 4,5 %. In effetti nei motori a benzina il combustibile viene bruciato a temperature più basse e con minori rapporti di compressione. 4 Il motore diesel con combustione interna lean burn opera con un rapporto aria-combustibile superiore a quello necessario per la combustione completa, ossia in presenza di un eccesso di aria. L utilizzo di detta tecnologia incrementa notevolmente l efficienza (del 0 40 %) rispetto ai convenzionali motori diesel. 5 Tra le principali innovazioni attualmente diffuse nei motori diesel si evidenziano la tecnologia leanburn, l iniezione diretta del combustibile, l iniezione del combustibile ad alta pressione (inclusi i sistemi common rail e multi-jet), il miglioramento del design delle camere di combustione. 6 Il blu-diesel (sviluppato dall Agip Petroli grazie a un contributo dal fondo EC Life Ambiente) oltre ad avere un contenuto di zolfo estremamente basso, ha un numero di cetano più elevato rispetto al gasolio convenzionale e contiene uno speciale additivo polifunzionale (anticorrosione, antischiuma e detergente). Tale gasolio viene prodotto mediante l ottimizzazione del trattamento dei fumi provenienti dall impianto di rigenerazione dell unità di cracking catalitico a letto fluido (FCC). La tecnologia innovativa adottata prevede l'utilizzo di una soluzione assorbente rigenerabile (brevetto 7

13 gasolio a tenore di zolfo e polveri pressoché pari a zero (contenuto di zolfo minore di 0 mg/kg), entrato nel mercato a partire dal novembre 00. L impiego di carburanti a basso tenore di zolfo ha un diretto impatto sull adozione di sistemi di posttrattamento più efficaci, sulla riduzione dei consumi e sull emissione di CO anche se non influisce in modo rilevante sulla formazione del particolato, più legato alle modalità di combustione (Marchionna e Zanibelli, 00). L impiego, invece, dello Swedish Diesel Fuel - Class, un gasolio molto leggero, privo di zolfo e povero di composti aromatici, consente una rilevante riduzione anche nella formazione del particolato, principalmente connessa alla combustione dei composti poliaromatici. Da quanto detto si evince che i motori diesel presenti oggi sul mercato costituiscono una valida alternativa ai comuni motori a benzina. A tutt oggi, in Europa 7, circa il 33% delle nuove autovetture che vengono acquistate è provvisto di motori diesel e ci si aspetta che entro il 00 tale percentuale sfiori il 50%. In figura. è rappresentata schematicamente la distribuzione geografica della crescita di domanda dei combustibili diesel negli ultimi 0 anni, con una proiezione per il 005. Europa Estremo Oriente Stati Uniti e Canada Resto del mondo 0,00,00,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 Domanda di carburanti diesel [MM BPD] Fig..: distribuzione nel mercato internazionale della domanda dei combustibili diesel 8. Belco/Labsorb) contenente idrossido di sodio (NaOH) e acido fosforico (H 3 PO 4 ) per la rigenerazione della soluzione di lavaggio dei fumi. 7 Negli Stati Uniti, per contro, la medesima percentuale risulta attualmente inferiore all %. La rilevante differenza tra i due continenti è probabilmente connessa con la diversa percezione delle prestazioni dei motori diesel. In effetti, diversamente dall Europa, nella quale la maggior diffusione dei motori diesel si ha nelle autovetture ad uso privato, negli Stati Uniti e nell America Latina tali motori trovano maggiore diffusione nel settore dei trasporti industriali. 8 Fonte: UOP,

14 Si può osservare come l area dell Estremo Oriente sia contraddistinta da un incremento della domanda superiore a quello delle altre aree geografiche, con particolare riferimento alla Cina (incremento annuo del 6%). In generale, in tutti gli altri stati si rileva un incremento annuo della domanda che si aggira intorno all 3%. In Europa, così come negli Stati Uniti d America, è il settore degli autotrasporti a presentare un maggior consumo di gasolio. Le attuali applicazioni del gasolio sono comunque numerose, dai settore dei trasporti su strada al trasporto navale e ferroviario, dal settore agricolo al settore militare. In figura.3 sono riassunti, a titolo di esempio, alcuni dati relativi all utilizzo dei combustibili diesel nei diversi settori negli Stati Uniti. agricoltura 9,% trasporto ferroviario 9,0% trasporto navale 6,% utility elettriche,6% trasporto su strada 73,0% settore militare,% Fig..3: distribuzione dei combustibili diesel negli Stati Uniti nel Direttive ambientali per il miglioramento della qualità dell aria Parallelamente allo sviluppo dei motori diesel, la crescente attenzione verso i problemi legati alla qualità dell aria ha messo in evidenza il ruolo di primo piano svolto dai carburanti, dai motori a combustione interna e dai sistemi catalitici di rimozione delle sostanze inquinanti. Per questo motivo, negli ultimi 30 anni sono state emanate normative sempre più restrittive, al fine di ridurre le emissioni di sostanze inquinanti; tra queste le principali sono: - gli idrocarburi incombusti (HC), che giocano un importante ruolo nella formazione dell ozono, gas tossico per l uomo; 9 Fonte: U.S. DOE Energy Information Administration. 9

15 - il monossido di carbonio (CO) che, avendo un affinità con l emoglobina molto maggiore di quella dell ossigeno, può provocare sull uomo serie difficoltà respiratorie (fino alla morte per asfissia); - il biossido di carbonio (CO ), che è il principale gas serra; - gli ossidi di azoto (NO x ), che decadono nel tempo formando acido nitrico (corrosivo per i materiali e tossico e irritante per le vie respiratorie) e che, se inalati, ossidano il ferro dell emoglobina presente nel sangue, rendendola inutilizzabile come vettore per il trasporto di ossigeno; - gli ossidi di zolfo (SO x ), che, oltre a essere irritanti per l uomo e nocivi sui materiali (specie se in ambienti umidi), costituiscono uno dei principali componenti delle piogge acide; - il particolato, intrinsecamente tossico per l uomo dato che, contenendo assorbite al suo interno sostanze nocive, può provocare danni all apparato respiratorio, andando a depositarsi negli alveoli polmonari (Cau e Cocco, 00). La Commissione Europea ha quindi proposto una normativa ambientale al fine di garantire un livello minimo di qualità dell aria; in tabella.3 sono riassunti i valori ammessi per alcuni dei parametri di maggior interesse, a confronto con gli standard americani (U.S. federal standards). Come si evince da tale tabella, gli standard europei sono in generale sullo stesso livello di quelli americani e, in molti casi, ancora più restrittivi. Specifiche dell U.E. U.S. federal standard Sostanze inquinanti [µg/m 3 ] [µg/m 3 ] NO x (media oraria) NO x (media annuale) CO (media su 8 ore) Benzene (media annuale) Benzene (target nel lungo periodo) 0,5 Ozono (media su 8 ore) Ozono (media su ora) Tab..3: specifiche per la qualità dell aria. Per il miglioramento della qualità dell aria si è quindi reso necessario seguire diverse strade, tra cui l incremento dell efficienza di combustione, una più accurata ispezione e manutenzione dei veicoli già esistenti, l erogazione di incentivi per l eliminazione dei veicoli obsoleti, lo sviluppo dei sistemi catalitici di post- 0

16 trattamento e, non ultimo come importanza, il miglioramento della qualità dei carburanti..3. Legame tra proprietà dei gasoli ed emissioni In un ottica di miglioramento della qualità dei carburanti, già da alcuni anni, grazie alla realizzazione di test su motori diesel, sono state identificate le principali proprietà dei gasoli per autotrazione che influenzano le emissioni. Esiste infatti una stretta correlazione tra composizione e proprietà dei combustibili diesel, efficienza di combustione ed emissioni. Come si evince dalla figura.4: - il contenuto di zolfo contribuisce alla formazione degli SO x e del particolato; - la concentrazione di idrocarburi poliaromatici è responsabile della formazione del particolato e degli NO x così come delle emissioni di idrocarburi incombusti; - la densità influenza la temperatura di ignizione e, di conseguenza, la formazione degli NO x ; - il numero di cetano (misura del potere detonante e quindi della qualità dei combustibili diesel) fornisce utili indicazioni sulle caratteristiche della combustione; - le variazioni della curva di distillazione influiscono sulle emissioni di particolato e di idrocarburi incombusti. ZOLFO SO X CURVA DI DISTILLAZIONE IDROCARBURI AROMATICI E POLIAROMATICI DENSITÀ NUMERO DI CETANO Particolato Temperatura di ignizione NO X HC Efficienza della Combustione Fig..4: relazione tra principali proprietà dei gasoli per autotrazione ed emissioni.

17 Per far maggior chiarezza sulle relazioni che intercorrono tra i diversi parametri menzionati, sono opportune alcune considerazioni. All interno dei motori diesel avviene l ossidazione dei composti solforati, con conseguente formazione di biossido di zolfo. Una parte dell SO prodotto può subire una ulteriore ossidazione e generare solfati che, a contatto con l acqua, danno origine a particolato. Se, in genere, solo minime quantità ( %) di composti solforati subiscono la doppia ossidazione in camera di combustione, è pur vero che la presenza di catalizzatori ossidanti (introdotti per ridurre le emissioni di idrocarburi, particolato e CO) possono favorire l ossidazione della SO presente e quindi provocare un incremento dell emissione di particolato. Si comprende quindi come un basso tenore di zolfo nel combustibile risulti di fondamentale importanza al fine di limitare le emissioni di SO x e del articolato stesso. Il ruolo svolto degli idrocarburi poliaromatici in sede di combustione è ancor più rilevante di quello svolto dallo zolfo. Infatti, soprattutto in condizioni di basso carico del motore, gli idrocarburi poliaromatici intervengono sulla quantità e qualità del particolato emesso e contribuiscono alla formazione della frazione organica solubile 0 (SOF). Inoltre, in relazione alla temperatura e all efficienza di combustione, essi possono contribuire in modo rilevante all emissione di idrocarburi incombusti. La densità, il numero di cetano e la curva di distillazione di un gasolio influenzano direttamente l efficienza della combustione. Infatti bassi valori della densità si traducono in più lunghi tempi di iniezione della massa all interno dei cilindri, in un minore picco di temperatura e quindi in una riduzione delle emissioni di NO x. D altra parte, se il motore lavora a pieno carico, basse densità possono comportare combustioni incomplete e, di conseguenza, l incremento delle emissioni di CO e di idrocarburi incombusti. Un incremento del numero di cetano comporta, invece, un minor ritardo nell ignizione e questo si traduce in una minor quantità di combustibile nel punto di ignizione, in un minor incremento di pressione nei cilindri e in un minore picco di pressione e di temperatura. Di conseguenza, non solo il motore risulta meno rumoroso ma, operando a minori temperature, comporta una minor 0 Il particolato emesso da un motore diesel è in genere caratterizzato da tre componenti: la fuliggine, di origine carboniosa, la frazione organica solubile (SOF, Soluble Organic Fraction), costituita da idrocarburi incombusti, e i solfati, che hanno origine dall ossidazione della SO.

18 produzione degli ossidi di azoto. Il range di distillazione del combustibile diesel, infine, influenza in modo rilevante il funzionamento del motore soprattutto a carichi medio-alti. In effetti, volatilità troppo basse o, al contrario, alte percentuali di composti leggeri influiscono sull efficienza e sulla potenza del motore in quanto determinano, rispettivamente, una scarsa atomizzazione del combustibile o la presenza di vapori che ostruiscono il sistema di alimentazione del combustibile. In termini di emissioni, alti valori delle temperature dei tagli più pesanti (T90 e T95 ) corrispondono a maggiori concentrazioni di molecole di difficile combustione e, quindi, a un incremento delle emissioni di idrocarburi incombusti e di particolato. Inoltre ogni perdita di efficienza dei motori si traduce in incrementi di CO, CO e idrocarburi incombusti emessi. Ognuna delle proprietà sopra riportate rappresenta una sorta di indicatore per la definizione della qualità della combustione e dell entità delle emissioni. Per questo motivo, proprio su tali proprietà sono state progressivamente definite limitazioni sempre più restrittive, nell obiettivo di salvaguardare la qualità dell aria..3. Regolamentazione delle proprietà del gasolio per autotrazione La definizione delle prime limitazioni sulla qualità delle benzine, risale ai primi anni 70. In quegli anni, infatti, Stati Uniti d America e Giappone hanno portato avanti un programma per la riduzione dell inquinamento dell aria da parte dei veicoli, introducendo per la prima volta i convertitori catalitici nelle automobili a benzina e rendendo di fatto necessario l utilizzo di benzine senza piombo, veleno potenziale per i siti catalitici. Nel 995 gli Stati Uniti hanno compiuto il secondo passo nella definizione della composizione delle benzine, introducendo la benzina riformulata (RFG: reformulated gasoline) in modo da ridurre le emissioni di CO, NO x, idrocarburi e composti tossici. Negli anni successivi, anche altri stati hanno portato avanti una politica di riduzione delle emissioni e hanno promosso appositi programmi per la diffusione della benzina riformulata (Reformulated Gasoline programs). Un recente studio (UOP, 998) ha dimostrato che l incremento di una unità del numero di cetano nel range 5 6 comporta una riduzione degli NO x di circa lo 0,5% e un decremento delle emissioni di CO del 6 7%. In realtà il numero di cetano sembra strettamente correlato alle emissioni di ossidi di azoto e di carbonio solo quando il motore lavora a basso carico, mentre la correlazione tra i parametri risulta minima in condizioni di alto carico La curva di distillazione di un prodotto petrolifero può essere realizzata mediante metodologie (quali la ASTM 89 o la ASTM-D86) per la misurazione progressiva della percentuale di prodotto evaporata in funzione dell incremento di temperatura. Cosi la notazione T90 indica la temperatura alla quale evapora il 90% in volume della miscela iniziale. 3

19 La definizione di specifiche per i gasoli per autotrazione, analoghe a quelle per la benzina, risulta invece di più tarda formulazione, proprio in relazione alla scarsa diffusione che, fino a una decina di anni fa, avevano i motori diesel. Negli ultimi anni, però, i legislatori hanno rivolto la loro attenzione anche su tale tipo di carburanti e, nel rispetto dei tempi necessari all industria petrolifera per l adeguamento degli impianti, sono state definite specifiche sempre più restrittive anche sulla qualità dei combustibili diesel. La prima proprietà del gasolio che ha subito una regolamentazione è stata il contenuto di zolfo. Nel 993 gli Stati Uniti hanno imposto un livello massimo per lo zolfo pari a 500 ppm (in peso) e solo tre anni dopo anche l Europa ha aderito a tale direttiva. Alcuni paesi, tra i quali la California, la Svezia e la Finlandia si sono presto distinti introducendo specifiche sulle proprietà dei gasoli di gran lunga più restrittive degli altri stati. Per andare incontro alle linee guida della World Health Organization sulla qualità dell aria, l Unione Europea ha seguito una linea politica orientata contemporaneamente su più fronti: - lo sviluppo dei motori e dei sistemi di trattamento dei gas; - la definizione delle specifiche EU000 e EU005 per la benzina e per i carburanti diesel; - le ispezioni addizionali e la manutenzione dei motori esistenti; - gli incentivi per incoraggiare l utilizzo del trasporto pubblico e di motori più efficienti. Dopo aver seguito un programma per determinare i livelli delle emissioni ammissibili, al fine di salvaguardare la qualità dell aria, il 3 ottobre 998 la Commissione Europea, con il consenso del Parlamento Europeo e del Consiglio dei Ministri dell Unione, ha definito apposite specifiche per benzine e gasoli per autotrazione, (direttiva 98/70/CE). Tale documento, entrato in vigore a partire dall anno 000, ha stabilito limiti non solo sul contenuto di zolfo ma anche sulle altre proprietà dei gasoli strettamente connesse alle emissioni (cfr. figura.4). Per tener conto dell entità degli investimenti necessari per adempiere alla normativa, sono stati previsti opportuni tempi di attuazione per l immissione sul mercato dei carburanti di alta qualità, in modo tale da consentire uno sviluppo progressivo delle tecnologie industriali. Il 3 marzo 003 è stata inoltre emanata una nuova direttiva (003/7/CE, recepita in Italia come UNI EN 590), per definire, a partire dal gennaio 009, limiti 4

20 ancora più restrittivi sul contenuto di zolfo nei gasoli per autotrazione. In tabella.4 sono riassunte le specifiche imposte da entrambe le direttive. Limiti Metodo di riferimento Min Max. Numero di cetano 5 EN-ISO Densità (a 5 C) [kg/m 3 ] EN-ISO Temperatura di distillazione, T95 [ C] 360 EN-ISO Poliaromatici [% in peso] IP39-95 Contenuto di zolfo entro il 000 [mg/kg] Contenuto di zolfo entro il 005 [mg/kg] Contenuto di zolfo entro il 009 [mg/kg] pr. EN-ISO/ DIS Tab..4: specifiche dei combustibili diesel definite dalla Commissione Europea. Per quanto il limite per lo zolfo di 50 ppm in peso sia entrato in vigore solo a partire dal gennaio 005, già da alcuni anni sono state adottate tecnologie innovative per la conversione catalitica dei composti solforati in modo da garantire il rispetto di tale limite. Il blu diesel, entrato nel mercato a partire dal novembre 00 è, ad esempio, già in linea con le specifiche che entreranno in vigore dal 009. Inoltre, specifiche ancor più restrittive di quelle riportate nella tabella.4 sono già in vigore in California e in Svezia (0 mg/kg). Attualmente l Europa risulta il continente più all avanguardia per quanto concerne la regolamentazione dei combustibili diesel. Negli Stati Uniti d America, infatti, sono entrate in vigore solo recentemente le specifiche definite dalla U.S. EPA (United States Environmental Protection Agency) e riportate in tabella.5. A partire dal 006, inoltre, anche negli Stati Uniti entreranno in vigore nuovi e più severi limiti per la qualità dei gasoli, soprattutto per quanto concerne il contenuto di zolfo (5 ppm in peso). 3 Tale valore corrisponde a una specific gravity pari a 35 API (scala idrometrica definita dall American Petroleum Institute e utilizzata per la misura della densità del petrolio). 5

21 U.S. EPA CARB Reference Alternative CARB formulation EMA Premium Diesel Numero di cetano Indice di Cetano Specific Gravity [ API] Temperature di distillazione [ C] 90% 95% Aromatici totali [% in volume] Poliaromatici [% in volume] 36 0,4 [% peso] 5 5, 4,7 Contenuto di zolfo [ppm in peso] Tab..5: specifiche dei combustibili diesel proposte dall EPA e da altri enti americani. Tali specifiche rappresentano un punto d incontro per i diversi enti che negli Stati Uniti sono preposti alla definizione della qualità dei gasoli: l Ozone Transport Assessment Group (OTAG), la California Air Resources Board (CARB), l Engine Manifactures Association (EMA) e l EPA. In tabella.5 sono messe a confronto le specifiche definite dall U.S. EPA con i valori suggeriti dai diversi enti 4. Unitamente all Europa e agli Stati Uniti d America, anche altri stati del mondo, con particolare riferimento ai paesi asiatici, si stanno progressivamente orientando verso la riduzione dei limiti massimi ammessi sulle proprietà dei carburanti diesel..4 Interventi promossi dai produttori di combustibili diesel La configurazione di una raffineria, così come il tipo di petrolio greggio processato, può avere una pesante influenza su qualità e quantità di combustibili diesel prodotti. Per lungo tempo l obiettivo primario degli impianti di raffinazione è stato la produzione di benzina piuttosto che di gasolio. A tale scopo gli impianti sono stati dotati di ampie unità di cracking termico (per frazionare le molecole più pesanti contenute nei residui e ottenere gasolio da cracking e benzina) e di cracking catalitico 4 Attualmente la CARB, pur essendo orientata sulla riduzione degli aromatici totali, sta promuovendo un combustibile alternativo ad alto numero di cetano e a basso contenuto di zolfo, ottenuto mediante hydrocracking. L EMA, invece, dà maggior enfasi alla necessità di avere alti numeri di cetano nei combustibili diesel. 6

22 (per trasformare il gasolio pesante, proveniente dalla distillazione primaria e sotto vuoto, in benzina e Light Cycle Oil). La necessità di incrementare la produzione di benzina ha indotto il potenziamento delle unità di cracking catalitico e ha quindi provocato un simultaneo incremento della produzione di LCO. D altra parte, la progressiva riduzione della domanda di oli combustibili ha indotto le raffinerie a utilizzare quantità crescenti di LCO nel blending dei gasoli 5. Questa necessità si è però scontrata con le specifiche imposte sui gasoli stessi, dal momento che il LCO possiede un contenuto di composti aromatici particolarmente rilevante. Una possibile soluzione a tale problema è rappresentata dalle tecnologie di hydroprocessing..4. Diffusione delle tecnologie di hydroprocessing Negli ultimi anni, gli impianti di raffinazione, unitamente alla necessità di incrementare la quantità di gasolio prodotta, si sono scontrati con l esigenza di migliorarne la qualità. Le strategie adottate dalle raffinerie per incrementare la produzione di gasolio sono state differenti ma tutte, in qualche modo, volte al frazionamento dei prodotti più pesanti. Già da diversi anni, pertanto, sono state introdotte nelle raffinerie le unità di hydrocracking (cfr. figura.), che permettono la trasformazione dei gasoli pesanti (provenienti dalla distillazione sotto vuoto) nel cosiddetto gasolio da cracking e quindi consentono di incrementare la quantità di gasolio complessivamente prodotta nel processo di raffinazione. Per fronteggiare il problema delle specifiche imposte sui carburanti e per promuovere la qualità dei gasoli ottenuti con cracking termico 6 e cracking catalitico, le raffinerie hanno introdotto le unità di hydroprocessing. Tali unità, infatti sono in grado di migliorare la qualità dei gasoli favorendo la conversione dei composti aromatici e solforati in essi presenti e modificando di conseguenza la densità, il numero di cetano e la curva di distillazione delle miscele. L introduzione di tali unità ha permesso, quindi, di utilizzare anche prodotti aventi specifiche ben superiori ai limiti prescritti (come il LCO) per ottenere gasoli di ottima qualità. All interno dei reattori catalitici di hydroprocessing, infatti, grazie alla presenza di alte temperature ( C) e di elevate pressioni parziali di idrogeno ( I carburanti diesel, come già detto, sono in genere ottenuti mediante una miscela di gasoli aventi differenti proprietà. La qualità del carburante prodotto dipende, quindi, dalle miscele utilizzate nella formulazione finale del prodotto (blending). 6 Gli impianti di cracking termico (cfr. figura.) consentono di frazionare ad alta temperatura le molecole più pesanti contenute nei residui per ottenere gasolio da cracking e benzina. 7

23 bar), avvengono i processi di desolforazione (mediante idrogenazione e idrogenolisi), di idrogenazione degli idrocarburi aromatici e di rimozione dei composti azotati e ossigenati eventualmente presenti. La conversione dei composti eterociclici e aromatici risulta direttamente proporzionale alla pressione parziale di idrogeno. Si deduce quindi che al crescere di tale pressione, il processo risulta più spinto e si ottiene un gasolio di qualità migliore 7. Elevate pressioni di idrogeno, inoltre, consentono di allungare la vita delle particelle di catalizzatore, preservando queste ultime dalla formazione di coke. Da quanto detto si deduce che il principale limite dei processi di hydroprocessing (così come di quelli di hydrocracking) è rappresentato dalle notevoli quantità di idrogeno che essi richiedono..4. Ottimizzazione del consumo di idrogeno L introduzione delle unità di hydroprocessing e di hydrocracking all interno di una raffineria consente, oltre che un rilevante incremento della produzione di gasolio di alta qualità, un ampia flessibilità di gestione. Tuttavia, come detto, l utilizzo di tali tecnologie richiede una notevole disponibilità di idrogeno. Pertanto si rende necessario produrre tale gas a costi contenuti. Tale problema può essere risolto ottimizzando l intero processo di raffinazione, integrando le unità che necessitano di idrogeno con quelle che sono in grado di produrlo. In tale ottica è in genere realizzata all interno della raffineria una rete di raccolta e distribuzione dell idrogeno. La principale e più economica fonte di idrogeno, nell ambito della raffineria, è costituita dall impianto di reforming delle benzine (cfr. figura.). Tale impianto opera un riarrangiamento delle molecole paraffiniche e nafteniche (mediante reazioni di ciclizzazione e isomerizzazione) e consente l incremento del numero di ottano delle benzine. Tale processo, inoltre, produce un gas ricco di idrogeno che, opportunamente separato, può essere utilizzato per le unità di hydrotreatment. Quanto minore è la pressione di esercizio di tale impianto, tanto maggiore è la corrispondente produzione di idrogeno. Tuttavia, l idrogeno prodotto dagli impianti di reforming non 7 Un innalzamento della temperatura, invece, pur favorendo, dal punto di vista cinetico, la conversione dei composti aromatici, può tradursi in un decremento della conversione se subentrano limitazioni termodinamiche nelle reazioni esotermiche di idrogenazione (cfr. paragrafo..). 8

24 è in genere sufficiente a soddisfare le richieste delle unità di hydrocracking e di hydroprocessing. Alcune raffinerie hanno risolto tale problema a seguito dell introduzione di processi di gassificazione dei residui pesanti di raffinazione (Topping Atmospheric Residue, TAR). Tali impianti, che presentano l indubbio vantaggio di produrre energia elettrica ad alta efficienza da sostanze di scarto (altrimenti difficili da smaltire), convertono il combustibile primario in un gas di sintesi composto prevalentemente da monossido di carbonio e idrogeno. Quest ultimo può essere separato mediante membrane ceramiche di adsorbimento. In generale, in mancanza di tali impianti, si può integrare la produzione di idrogeno da reforming, attraverso il ricorso ad alcune soluzioni alternative: - il recupero del gas secco dagli impianti di cracking catalitico a letto fluido (Fluid Catalytic Cracking, FCC); - il ricircolo delle correnti di gas in uscita dalle unità di hydrocracking e hydrotreating; - la deidrogenazione del GPL o la produzione di aromatici da tale gas; - l uso di apparecchiature operanti ossidazioni parziali; - il ricorso a reti esterne di produzione e distribuzione di idrogeno gestite da altri produttori; - l utilizzo di impianti ausiliari per la produzione di idrogeno. È evidente la necessità di trovare il giusto equilibrio tra produzione e consumo di idrogeno. Da un lato, infatti, alte pressioni parziali di idrogeno comportano una maggiore conversione nelle unità di hydroprocessing, oltre che minori temperature operative e una vita più lunga dei catalizzatori; d altra parte, però, una produzione e una purezza elevate comportano notevoli costi di gestione degli impianti..4. Incremento della qualità dei combustibili diesel Rispetto agli impianti a bassa pressione, il ricorso a unità di hydroprocessing operanti ad alte pressioni risulta a tutt oggi sempre più diffuso all interno delle raffinerie. Oltre ai notevoli vantaggi, già più volte citati, in termini di rimozione dello zolfo e di conversione dei composti aromatici, mediante tali processi è infatti possibile migliorare le altre principali proprietà dei gasoli: numero di cetano, densità e curva di distillazione. 9

25 Anzitutto è utile precisare che la conversione dei composti aromatici risulta in qualche modo più complessa rispetto a quella dei composti solforati (escludendo tra questi i composti refrattari) a causa delle limitazioni termodinamiche che, al crescere della temperatura, possono subentrare nei processi reversibili ed esotermici di idrogenazione (cfr. paragrafo..). Una possibilità per ridurre le pressioni in gioco del processo, senza un decremento della conversione dei composti aromatici, è rappresentata dalla sostituzione dei catalizzatori convenzionali con catalizzatori ai metalli nobili. Questi ultimi, però, si avvelenano facilmente in presenza di composti azotati e solforati e quindi richiedono uno stadio preliminare di rimozione dei composti eterociclici dal gasolio (processo a due stadi, cfr. paragrafo.6.). La soluzione più comunemente utilizzata, pertanto, prevede ancora l utilizzo dei catalizzatori convenzionali (al NiMo/Al O 3 o al CoMo/Al O 3 ) e di pressioni piuttosto elevate (90 0 bar) e consente comunque il pieno raggiungimento dei limiti imposti dalle normative. L incremento del numero di cetano di una miscela è connesso alle trasformazioni chimiche che essa subisce. Tale parametro, infatti, cresce al crescere della lunghezza delle catene paraffiniche, mentre si mantiene su bassi livelli in presenza di molecole policicliche aromatiche. Dalla figura.5 è possibile dedurre la relazione che sussiste tra distribuzione molecolare della miscela e numero di cetano. Numero di cetano 0 n-paraffine 00 Olefine iso-paraffine 80 Aromatici Monociclo-Nafteni Decaline 0 Tetraline Naftaleni Numero di atomi di carbonio Fig..5: numero di cetano corrispondente alle principali molecole idrocarburiche. 0

26 Tipicamente, tutti i distillati che subiscono il processo di cracking termico e i prodotti provenienti dall unità di cracking catalitico (come il LCO) o il LCGO (Light Coker Gas Oil) hanno un numero di cetano piuttosto basso, in relazione all alto tenore di aromatici (40 80% in volume) che solitamente li caratterizza. Per questo motivo tali prodotti necessitano delle unità di hydrotreating prima di essere inviati al pool gasoli. La desolforazione dei composti solforati e azotati e l idrogenazione dei composti poliaromatici all interno delle unità di hydroprocessing può determinare un elevato incremento del numero di cetano. Tale incremento risulterebbe ancora maggiore se avvenisse l idrogenazione dei composti monoaromatici e la formazione di paraffine a seguito dell apertura degli anelli. Tuttavia, la saturazione dei composti monoaromatici, con i convenzionali catalizzatori di hydroprocessing, risulta notevolmente più lenta rispetto a quella dei composti policiclici e in molti casi avviene in misura piuttosto limitata. Per ovviare a tale problema stanno attualmente trovando spazio sul mercato i cosiddetti catalizzatori di ultima generazione i quali sono in grado di incrementare la reattività di tutte le molecole aromatiche. La riduzione dei composti aromatici mediante idrogenazione non solo contribuisce all incremento del numero di cetano ma anche alla riduzione della densità 8 (cfr. figura 5.7) e delle temperature di distillazione del gasolio, ormai anch esse oggetto di pesanti restrizioni (cfr. tabella.4). Infatti, sia la densità che le temperature di distillazione T90 e T95 possono essere riportate entro i limiti definiti dalle direttive europee mediante la riduzione della concentrazione dei composti con peso molecolare più elevato. Ad esempio, la rimozione dei composti solforati può comportare una variazione di circa 3 C sul punto finale del gasolio. Il vantaggio dell utilizzo delle tecnologie di hydroprocessing per l aggiustamento del punto finale della miscela diesel è senza dubbio notevole, in considerazione del fatto che esse consentono di evitare l aggiustamento del cutpoint (punto di taglio) del gasolio nella colonna di distillazione primaria. Riassumendo, la scelta di opportuni catalizzatori e di adeguate condizioni operative nelle unità di hydrocracking e di hydrotreatment può consentire la rimozione di zolfo e composti aromatici fino ai livelli massimi prescritti, può 8 In realtà la densità del combustibile deve essere mantenuta entro un valore minimo, dal momento che essa influenza il potere calorifico del gasolio e, conseguentemente, la sua commercializzazione.

27 incrementare il numero di cetano e ridurre densità e punto finale della miscela, senza peraltro comportare una riduzione della resa del gasolio. L importante ruolo svolto oggi dai processi di hydrocracking e di hydroprocessing fa comprendere come stia progressivamente trovando nuova enfasi la ricerca volta da un lato allo sviluppo di nuovi e più efficienti catalizzatori, dall altro allo studio di nuove strategie per l ottimizzazione dei processi. In tale ottica si sta diffondendo l utilizzo di modelli di simulazione come strumento per l individuazione delle condizioni operative ottimali, in relazione alle cariche processate e alle specifiche desiderate per i prodotti..5 Combustibili alternativi Se è vero che il carburante diesel rappresenta, nel breve e medio termine, la soluzione più semplice e concreta per ridurre le emissioni, d altra parte sta crescendo l attenzione sulle possibili alternative a tale combustibile, soprattutto in vista delle ridotte risorse naturali attualmente disponibili. Le possibili soluzioni a tale problema sono diverse, anche se fino ad ora hanno trovato applicazione solo su piccola scala o in via sperimentale; tra queste rivestono particolare interesse i distillati sintetici, il biodiesel, il dimetiletere e il metanolo. I distillati sintetici possono essere prodotti dal gas naturale o dal carbone attraverso la tecnologia Fischer-Tropsch (FT, detta anche Gas To Liquid Technology). Lo sviluppo su ampia scala di tale tecnologia è strettamente connesso con la disponibilità di carbone o di gas naturale come materia prima, con il suo costo e con la facilità di introduzione nel mercato dei distillati sintetici. Il processo di produzione richiede tre passi fondamentali: la conversione del gas naturale o del carbone in gas di sintesi (syngas); il processo FT per l ottenimento di cere sintetiche aventi lunghe catene paraffiniche; il cracking selettivo delle cere per massimizzare la produzione di combustibile sintetico. Il syncrude prodotto mediante tale tecnologia è privo di zolfo e di sostanze contaminanti, ha basso contenuto di aromatici e il gasolio da esso ottenuto ha un numero di cetano superiore a 75. Tali processi sono già oggi ampiamente utilizzati nella Repubblica Sudafricana che, pur essendo priva di giacimenti di petrolio, soddisfa l intero fabbisogno di carburanti per autotrazione mediante i processi di produzione dei distillati sintetici dal carbone.