Appunti completi per esame di Chimica industriale

PRINCIPI DI DISTILLAZIONE

Da un punto di vista storico, almeno a livello accademico, la chimica industriale è quella che caratterizzava gli studi a partire da derivati del petrolio (petrochimica) e la chimica di processo che riguardava lo frazionamenti del petrolio ad ottenere prodotti. Altra chimica di prodotto è via catalitica.

Per tale motivo le “chimici industriali” erano sostanzialmente dei chimici organici.

Oggi la definizione del “chimico industriale” è notevolmente trasformata: nel mondo si parla piú di “chimici ingegneri” per descrivere che svolge dei processi industriali e/o chimie, le applicazioni.

PARAMETRI CARATTERISTICI DI REAZIONE

Studiando chimica solitamente si è interessati alla resa di reazione. In chimica industriale si parla principalmente di conversione.

In un impianto industriale interessa sapere quanta materie prime immesse nel reattore si sono effettivamente convertire in prodotti.

In una reazione chimica, le conversione vengono definite come:

A + B ⟶ C + D

Conv(a) = _{moli (a)reazionilate} ⁄ _{moli (a)iniziale} × 100

Questo parametro è fondamentale nel settore industriale: un impianto che ha una conversione del 100% significa che non ha bisogno di sistemi di ricircolo di reagenti non reggiti.

Chiaramente anche nel settore industriale è importante la resa. La quale viene misurata invece direttamente sui prodotti (moli di prodotto fratto moli di reagenti).

A + B ⟶ C + D

Resa = _{moli (C)formate} ⁄ _{moli (A)iniziale} × 100

La seletività invece è il grande problema che affligge tutti i chimici industriali: nei grandi processi, a differenza di quello che succede in laboratorio, le separazioni dei miscele freschi (meno pure) sono molto complicate e le impiantiscono costosi per il impiantistica ottenere dei prodotti perfettamente selettivi in ambiente industriale. Però è parecchio complicato, poiché devono contare molte variabili: ad esempio chemici selectività, per cui si pensa all’ossidazione degli idrocarburi con corrente d’aria.

Seletività = _{moli (C)} ⁄ _{moli (c) + moli (d)} × 100

Resa (r.); Conv.(r.); Seletività(r)

Le maggior parte delle reazioni industriali: dipentesi di tipo cattalico in quando sarà una ricerca di seletività a qualcosa si raggiunge mediante i ottimizzatori.

Per tale motivo esistono due parametri fondamentali: il turnover number (ton) ed il turn over frequency (tof) che ci permettono di capire quanto avanzì

CATALIZZATORE: L’avere un T.O.N basso sta a significare che il catalizzatore esegue pochi cicli.

Comunque, per quanto riguarda i due parametri, si definiscono come:

T.O.N (turn over number) = _{moli (C) formate}/_{moli (cat.)}

T.O.F (turn over frequency) = _{moli (C) formate} / [_{moli (cat.)} tempo]

ACCENNI DI TERMODINAMICA

Come è importante parlare di conversione, selettività e catalisi, è altrettanto importante in ambito industriale lavorare in CONDIZIONI DI SPONTANEITÀ.

Purtroppo molti sistemi di interesse operativo non sono mai molto spontanei ed hanno un ΔG° > 0.

ΔG° o il` ' `ENERGIA LIBERA` ' ` è quella che ci interessa conoscere perché è strettamente legata alla POSIZIONE DELL'EQUILIBRIO in ogni reazione chimica.

L'energia libera standard ci fornisce indicazioni sulla tesa della reazione e sulle condizioni termodinamiche più favorevoli: più il ΔG° è NEGATIVO, più la costante di EQUILIBRIO è MAGGIORE di uno.

A Temperatura e Pressione costanti, un sistema chiuso sottoposto ad un processo stechiometrico individua una condizione di massimo caos se l'energia libera dei reagenti e minore di quella dei prodotti.

Se l'energia libera di reazione e NEGATIVA, il sistema evolve spontaneamente verso la formazione dei prodotti (reazione esotermica), se l'energia libera di reazione e POSITIVA, il sistema evolve spontaneamente verso la formazione dei reagenti (reazione endotermica). Il sistema è stabile se l'energia libera di reazione e pari a zero.

ΔG° = - RT ln K_eq

Per quanto riguarda i "processi industriali", conoscere i parametri termodinamici è fondamentale:

se una reazione sviluppa calore normale negativa, ad esempio, dai sistemi di raffreddamento - facile grazie che ΔG° - ΔH° - TΔS° ci fornisce indicazioni utili.

a) ΔH° < 0, ΔS° > 0 : si parla di processi ESOTERMICI e DISORDINATI, se ΔG° è < 0, grafico a qualunque temperatura, con l'aumentare di quest'ultima il grafico diventa più negativo. Questi tipi di processi sono favorevolissimi a tutte le temperature ed em sempio è dato dalla COMBUSTIONE DEGLI IDROCARBURI.

b) ΔH° < 0, ΔS° < 0: sono processi ESOTERMICI ed ORDINANTI, ΔG di reazione è più negativo ed è col subito di T = T° = 0, nullo in corrispondenza di t° alta temperature >.

Questi tipi di processi sono favoriti termodinamicamente per temperature inferiori è quello di un carnneso 0° C.

Esempi di sono la SINTESI dell'ANIDRIDE (a partire da idrogeno e cloro), ossidazione dei SO_x al SO₃ etc...

Se ciò succede chiaramente non viene rispettata la legge di Raoult, e significa che la tensione totale non è esattamente espressa come P: P_aXa + P_bXb e le deviazioni che possono essere omesse sono negative o positive, rispetto alle condizioni di idealità.

Partendo da un punto situato nella zona liquida a composizione X₁ - C₁ e riscaldando da T a T' e raggiungendo l'ebollizione, il cui vapore è in equilibrio a composizione Y₁ e C'₁ ed in questo modo si ottiene condensa ad es. 70% di vapore ed esempio in cui refrigerante cambia in bolle e con composizione Y₁ - C₁VAP e così via.In una distillazione semplice in cui un componente è poco volatile, il vapore è ridisceso e costituito ad es. da componente volatile e meno continuamente condensato.

L'ampiezza della lente nel grafico tempo soluzione-composizione è funzione del rapporto tra le volatilità relative dei componenti impiegati e questo rapporto, di fatto, più facile determina poche bollicine nei dischi termieni ottenute poche pareti.Una distillazione semplice : una E una diminuzione della pressione d'esercizio.

Messa distillazione frazionata i componenti sono tutti volatili e per arricchire la soluzione nei componenti meno volatili o, pure per ottenere una nuova soluzione mix più ricca nei componenti più volatiliti si procede condensando e riportando nell'ebollizione le cappe, in una serie di cicli riassuntivi.

Equazione di BrownSi è visto che per soluzioni ideali non succede la legge di Raoult e quella di Dalton che, combinati, permettono di determinare una formazione nella miscela.

In ogni caso per la composizione del vapore è diversa da quella dell’ulido in equilibrio con esso. Per la legge di Dalton la pressione parziale di un componente è data dal prodotto della pressione totale per la frazione molare del componente mix vapore:

P_a = P_vaP_b = P_vb

Con Y_a si indica (così come con Y_b) la frazione molare di un componente nella fase di vapore mentre con X_a, X_b si continua ad indicare la frazione molare di un componente nella fase liquida.

Liquefazione dell'Aria

Veicolo dell'azoto è fondamentale perché la chimica industriale dell'azoto è quella che porta alla sintesi dell'ammoniaca, una delle principali commodities, la quale serve poi a fare fertilizzanti, coloranti, esplosivi ecc...

Il frazionamento dell'aria liquida è quindi un modo per ottenere azoto, momentaneamente questo non sia l'unico modo disponibile anche se continuiamo a permettere di ottenere ossia la presenza di adiabatiche a precise medie ambienti capaci di separare lo stesso ossigeno e azoto dell'aria.

Per fare delle produzioni enormi come quella dell'ammoniaca però, è necessario avere liquidità (e olio liquido) per un discorso quantitativo.

Prima di andare ad affrontare l'argomento è necessario assumiamo meglio differenza tra vapori e gas.

Si definisce "gas" una specie chimica gassosa che si trova al di sopra della sua temperatura critica e non è liquefacibile per compressione.

D'altra parte si definisce "vapore" una specie chimica gassosa che si trova al di sotto della sua temperatura critica e si espone a linee liquefacibile per compressione.

In chimica fisica si parla di temperature critica in differenti ambiti: nel caso della transizione di fluidi si definisce critica la temperatura al di sopra della quale una sostanza non può esistere allo stato liquido.

In ogni caso è d'uso comune attribuire il nome di "gas" a questa specie gassosa su cui temperatura anche si mettermente al di sotto della temperatura ambiente.

Ogni opeci gassiosa a cui temperature al ambiente non è temperatura a ambiente un ambiente.

Così il metano (t_c = -82,4 °C) è un gas, mentre l'ammoniaca (t_c = 132,5 °C) è un vapore.

In termini di composizione, l'aria è un fluido composto dall'80% circa di azoto e dal 20% c.a. di ossigeno.

Il terzo componente in ordine di abbondanza è il argon, gas molto puro, per noi ho tracce di altri gas.

Per liquefare l'aria normalmente sono pensati di comprimerà, però visto la divisione di primes è una specie gassosa fatta che diverse componenti, oggigiorno e da temperatura tipo si applicano la truzione specie di contro la produzione.

La temperatura critica dell'aria è di 132,5 K, la quale corrisponde a ca -140,6 °C, e detto in pratica la prende sotto dosata temperatura.

Per scendere sotto questa temperatura in riduzione di cicli di compressione, raffreddamento ed espansione.

Spontaneamente si possono usare 2 tipi di espansione: quella isotalpica (quella di Joulie) oppure isoentropica (secondo il ciclo Claude).

Chiaramente nella pratica si tutti i giorni per liquefare un gasaggio è un fluido esterno che aria.

Composizione Percentuale dell'Aria

• Azoto (N₂): 78.084% in volume
• Ossigeno (O₂): 20.9476%
• Argon (Ar): 0.934% 90.2 3
• Anidride carbonica (CO₂): 0.03140% 273 5
• Neon (Ne): 0.001818% 27.3 24
• Elio (He): 0.000524% 2.0 11
• Cripto (Kr): 0.000114% 120 0.7
• Xenon (Xe): 0.000087% 192 0.4
• Radon (Rn): ≈ 0.000002% (non è noto) 1213 2
• Idrogeno (H₂): 0.00005% 130 0.5
• Metano (CH₄): 0.00005% 82 2
• Ossido di azoto (NO): 0.00005% 248 2
• Anidride solforosa (SO₂): 0.0001% 386 3
• Oxido di carbonio (CO): 0.00005% 248 2
• Iodio (I₂): 0.000002%