Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

 

-COMBUSTIBILI-

 

 

Per combustione si intende una reazione esotermica tra un combustibile, che si ossida, ed un comburente che invece si riduce e che nella stragrande maggioranza dei casi è costituito dall’ossigeno dell’aria ed è solo ad esso che faremo riferimento nella trattazione della combustione.

Anche se esistono molte sostanze che presentano una reazione esotermica con l’ossigeno, tuttavia una sostanza per poter essere considerata combustibile deve avere innanzi putto un alto potere calorifico, deve essere facilmente reperibile sul mercato. Deve costare poco, non deve essere ne inquinante e ne pericoloso sia direttamente che attraverso i prodotti della combustione, deve essere anche facilmente trasportabile e stoccabile, anche per lungo tempo, senza che si degradi.

Possiamo classificare i combustibili in solidi, liquidi e gassosi oppure in naturali ed artificiali.

    1. Combustibili artificiali:

Sono costituiti dai tre carboni fossili: antracite, litantrace e lignite, dalla torba e dal legno.I carboni fossili, secondo la teoria più accreditata si sono formati nelle ere geologiche passate, principalmente nel periodo detto appunto carbonifero e nel permiano. del paleozoico per fossilizzazione di antiche foreste di felci giganti sommerse dai continui sconvolgimenti della crosta terrestre per terremoti e alluvioni che a quell’epoca erano molto frequenti. La materia organica sotterrata, sotto l’effetto combinato della pressione e della temperatura avrebbe, pian piano perso le sostanze volatili e avrebbe dato luogo ad una massa nera e lucente costituita da carbonio.

I giacimenti di carbone sono molto estesi e si trovano un po’ dappertutto nel mondo. In Italia, però vi sono pochissimi giacimenti di carbone dislocati nella Valle D’Aosta ed in Sardegna, ma vengono attualmente utilizzati per l’estrazione del carbone a causa delle disagiate condizioni operative dei luoghi dove si trovano e si preferisce importarlo soprattutto dai paesi del SudAmerica.

Il litantrace, che si distingue in litantrace a lunga fiamma e litantrace a corta fiamma, è il carbone fossile più pregiato e generalmente non viene usato per la combustione, ma per produrre il coke metallurgico, poi viene l’antracite con la quale si ottiene un coke di minore qualità e in ultimo viene la lignite che non è adatta per produrre coke.

La torba deriva invece prevalentemente da erba, contiene malta acqua e non è un vero e proprio carbone, almeno non lo è ancora, prima di utilizzarlo come combustibile è necessario essiccarlo disponendolo a strati su dei ripiani e lasciandolo lasciandolo esposto all’azione combinata del sole e del vento.

Il legno è un combustibile che, anche a causa dell’esiguo valore del potere calorifico, raggiunge a malapena nel faggio 14000 kj/kg, almeno nei paesi più progrediti industrialmente non trova nessun impiego, in questo senso, nell’industria se non in casi particolarissimi, e viene usato solo per ma solo per il camino domestico nelle case di campagna che usano questo sistema di riscaldamento.

Ben più importanti sono i combustibili liquidi che derivano tutti da petrolio, un liquido nerastro costituito da una miscela di sostanze organiche, in massima parte idrocarburi ma non mancano altre sostanze, che, come il carbone è molto diffuso in natura e forma giacimenti anche giganteschi situati a tutte le profondità. Come per il carbone, anche per il petrolio il sottosuolo del nostro paese è povero di grossi giacimenti e quindi dobbiamo importarlo dal Medio Oriente.

La genesi del petrolio si ritiene che sia simile a quella del carbone con la sola differenza che in questo caso, la massa organica in decomposizione è stata forse ricoperta da uno strato argilloso e quindi le sostanze volatili non sono andate perdute e sotto l’effetto combinato della temperatura e della pressione, hanno finito per combinarsi con il carbonio e formare gli idrocarburi ed altre sostanze similari.

Come combustibile naturale gassoso abbiamo il metano che si trova sempre associato ai giacimenti di petrolio ma spesso anche da solo, è un combustibile con forte potere calorifico ma, essendo gassoso è assai difficoltoso da trasportare su lunghe distanze e per tale motivo non trovava un grosso impiego fino a pochi decenni fa. Le sue fortune, se così si può dire, come combustibile, risalgono alla grande crisi energetica degli anni sessanta quando il prezzo del petrolio aumento di 40 volte in poche settimane passando da 1 a 40 dollari il barile e mettendo in ginocchio l’economia dei paesi industrializzati.

Fu allora che vennero costruiti i grossi metanodotti, lunghi migliaia di chilometri valicavano mari e monti e consentivano il trasferimento, altrimenti praticamente impossibile, del prezioso gas dai pozzi di produzione agli agglomerati industriali. Veri e propri capolavori dell’ingegneria tra cui ricordiamo, ed è ancora attivo, quello Libico che collega il nostro paese con pozzi del deserto Libico con un grosso tubo adagiato sui fondali del mare mediterraneo, hanno consentito, sia pure tra tante difficoltà, di utilizzare questo ottimo combustibile e superare, non solo il momento di crisi ma di escludere, poi, l’energia nucleare tra le nostre fonti energetiche.

Maggiore fortuna ha però avuto il metodo, pure sviluppato in quel periodo, della liquefazione del metano ed il suo trasporto, in fase liquida e con tutti i vantaggi che questo comporta, su apposite navi metaniere in tutto il mando che ottiene lo stesso risultato con un investimento di gran lunga inferiore.

 

b) Combustibili artificiali:

Analogamente a quanto fatto per i combustibili naturali, anche i combustibili artificiali possono essere distinti in solidi, liquidi e gassosi.

Il carbon coke, il combustibile solido artificiale di gran lunga più importante è il residuo della distillazione del carbon fossile. Per produrre il coke metallurgico è necessario partire dal litantrace, scaldandolo ad una temperatura prossima ai mille gradi per alcune ore onde consentire alle sostanze volatili di liberarsi ed alla fine resta un carbone spugnoso, il coke per l’appunto.

Il gas che si sviluppa, detto gas illuminante perché un tempo, prima dell’avvento dell’elettricità, veniva usato per alimentare la fiamma dei lampioni stradali, è stato, previo opportuni trattamenti soprattutto per eliminare lo zolfo, come gas di città, oggi però è stato sostituito anche in quest’impiego dal metano e quindi la sua importanza come combustibile è molto diminuita.

Il gas d’aria, gas d’acqua e gas misto un tempo molto usati per alimentare i voraci forni Martin sono essi pure poco usati dall’industria in quanto sostituiti dal metano che avendo prezzo basso e modesto tasso di inquinamento è sicuramente e giustamente da preferirsi.

Il gas d’aria viene prodotto facendo una combustione con poca aria di coke scadenti, il gas d’acqua viene invece prodotto facendo passare vapore acqueo su uno strato di carboni ardenti. La produzione del gas d’aria è un processo esotermico mentre quella del gas d’acqua è endotermica e quindi, combinandoli opportunamente si può rendere il processo isotermico, ed il gas prodotto in questo modo si chiama gas misto ed è effettivamente una miscela dei due. Il potere calorifico del gas misto è basso e non raggiunge neppure i 5000 kj/mc, per ottenere le altissime temperature richieste dai forni Martin doveva essere fortemente preriscaldato, come pure l’aria della combustione, prima di essere introdotto nella caldaia.

Assai più importanti, almeno attualmente, sono i combustibili liquidi artificiali che si ottengono dalla distillazione frazionata del petrolio. Pur essendo costituiti all’incirca dagli stessi tipi di composti, ma con diversa lunghezza e peso molecolare, sono classificati essenzialmente in funzione della temperatura di ebollizione ed abbiamo GPL, benzina, cherosene, gasolio ed olio combustibile.

Il GPL, gas di petrolio liquefatto è un gas che è possibile liquefare con una modesta pressione, anche meno di una atmosfera, alla temperatura ambiente ed è usato per alimentare i fornelli della cucina, ed anche, nelle zone non servite dalla rete del metano, la caldaia del termosifone. Viene usato anche, in qualche caso, come carburante per le auto anche se è la benzina il carburante che meglio si presta per per questo scopo, mentre il gasolio è il carburante dei diffusissimi motori a ciclo Diesel che equipaggiano non solo gli autocarri e le macchine operatrici quando non è possibile usare i motori elettrici, ma anche battelli e navi.

Il cherosene è il combustibile dei motori a reazione ed ha assunto una grande importanza in questi ultimi anni parallelamente allo sviluppo dei motori a reazione che hanno ormai soppiantato del tutto i tradizionali motori a pistoni nel trasporto aereo.

L’olio combustibile è invece destinato ad essere bruciato sia nelle caldaie industriali per produrre vapore e sia anche nelle gigantesche caldaie delle centrali termoelettriche per la produzione dell’energia elettrica dato che il petrolio naturale non è adatto allo scopo.

Tra i combustibili artificiali possiamo ormai, forse includere anche l’idrogeno, gas ottenuto con un complicato processo dal metano ed attualmente molto costoso, ma che presenta delle ottime caratteristiche termiche ed un tasso di inquinamento bassissimo, cosa quest’ultima che lo rende prezioso nei casi in cui vi sono problemi di inquinamento.