Appunti esame Industria chimica

REATTORI

Processi in batch, discontinui

In laboratorio viene usato un reattore in batch: i reagenti vengono inseriti insieme al solvente (se

serve), il reattore viene portato a temperatura, la reazione avviene e i prodotti vengono infine tolti.

→ il reattore può essere aperto o chiuso, agitato/mescolato, sotto pressione (chiamati autoclavi), con

scambio di calore o adiabatico

vantaggi:

- si lavora con piccole quantità, quindi il pericolo è minore

- è più facile lo sviluppo e lo studio del processo

- la reazione è più facile da arrestare

- sullo stesso impianto si può lavorare su prodotti diversi in base alla richiesta di mercato →

flessibilità in termini di quantità e prodotto

- vengono gestite meglio le fasi viscose

svantaggi:

- a causa delle condizioni variabili di processo, è più difficile da controllare

- c’è più manodopera e dispendio energetico

- tempi di reazione lunghi

- le condizioni non sono esattamente riproducibili, quindi anche la qualità

Il reattore discontinuo (in batch) viene utilizzato quando si lavora su piccola scala, poiché costa meno,

o su larga scala se lavorare in continuo non è possibile (lavorazioni pericolose).

Processi in continuo

reattore a pistone (PFR): c’è uno spostamento continuo dei reagenti nel reattore che vengono

trasformati man mano in prodotti → non c’è nessun mescolamento/agitazione, quindi la composizione

chimica e la temperatura cambiano

reattore agitato in continuo (CSTR): i reagenti vengono aggiunti con continuità, quindi i prodotti tolti

con continuità → c’è mescolamento perfetto: all’interno del reattore abbiamo sempre la stessa

composizione chimica e la stessa temperatura

Il reattore in continuo viene utilizzato se si lavora su larga scala o in fase gas.

Nel reattore agitato in continuo (il terzo), il

reagente A viene fatto entrare in una certa

concentrazione e viene immediatamente

diluito alla concentrazione della miscela →

salto repentino

Nel reattore a pistone (il secondo), invece,

c’è una diminuzione continua della

concentrazione del reagente. Questa legge

cinetica è simile a quella del reattore in batch

(in quest’ultimo l’ascissa è il tempo) 33

Nel reattore in batch, la

pendenza dei costi variabili è

maggiore: bisogna usare più

energia perché le condizioni di

reazione (T e p) non sono

stabili. La retta dei costi fissi è

però più bassa perché gli

impianti costano di meno.

Il punto di pareggio viene

raggiunto prima nel reattore in

batch, quindi le spese vengono coperte prima negli impianti discontinui. In condizioni di piena

produzione, è più vantaggioso avere un impianto in continuo poiché i profitti saranno maggiori.

esempi di reattori in catalisi omogenea: reattori a colonna:

- a spruzzo (basso a sinistra): il liquido

viene spruzzato nel gas

- a gorgogliamento (basso a destra):

bolle di gas all’interno del liquido

esempi di reattori in catalisi eterogenea: - catalizzatori a letto fisso: non subisce attrito

- catalizzatori a letto mobile (slurry): il catalizzatore è

sospeso all’interno del reattore sopra una fase

liquida, si muove e subisce attrito

Gestione del calore in un impianto chimico (reattori in batch e fase liquida (fase omogenea)):

1. reattore adiabatico dove il calore

viene scambiato mediante un sistema

esterno; poco costoso perché ci sono

pochi accessori

2. reattore incamiciato dove il calore

viene distribuito sulla superficie esterna

del reattore: nelle pareti scorre il fluido

(caldo o freddo) che consente di scaldare

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o raffreddare; l’efficienza non è elevata perché il calore ci mette tempo a raggiungere il centro

della reazione

3. reattore incamiciato con serpentina interna, quindi con tubi che attraversano il reattore;

migliora l’efficienza dello scambio termico

4. situazione più efficiente: si lavora all’ebollizione, il passaggio di fase del liquido porta con sé

uno scambio di calore elevato! Il calore viene sottratto da un condensatore esterno

Gestione del calore in un impianto chimico (fase eterogenea):

I reattori sono gli stessi della fase omogenea, ma si

aggiunge anche un reattore a fascio tubiero, un

sistema ancora più efficiente, dove nei tubi è

contenuto un fluido che scambia calore. I tubi sono

aggiunti al reattore incamiciato.

Nel reattore di Fischer-Tropsch, il raffreddamento (sottrazione

di calore) è impiegato da un serpentino interno al reattore: il

fluido contenuto è acqua che diventa vapore durante il

processo processo.

Se la reazione è molto

esotermica/endotermica, vengono usati più

reattori adiabatici posti in serie, uniti da

processi di raffreddamento o riscaldamento,

in modo da aumentare la velocità della

reazione (inizialmente è veloce, poi verso la

fine la velocità rallenta!)

Uno degli esempi di utilizzo di reattori in

serie è la produzione di stirene

(fortemente endotermica): sono presenti 2

reattori adiabatici in serie, dove si utilizza

etilbenzene mescolato ad un eccesso di

vapore acqueo in grado di trasmettere

molto calore 35

Produzione di ammoniaca

Utilizzo di reattore a quench,

dove il raffreddamento non è

operato da una serpentina, ma

da un gas che può essere

costituito dai reagenti. Per

evitare che la reazione torni

indietro a causa dell’elevata T,

vengono aggiunti reagenti

freddi tra un letto catalitico e il

successivo che riescono ad

abbassarla!

Scambiatore di calore: sistema in cui due

fluidi vengono a contatto attraverso la

parete, con passaggio di calore dal fluido

più caldo a quello più freddo. Come

costruzione è simile a un reattore a fascio

tubiero.

I due fluidi partono da punti diversi del

reattore e viaggiano controcorrente: uno

passa attraverso i tubi, l’altro fuori dai tubi

percorrendo il percorso opposto.

Q = flusso di calore che viene scambiato nello scambiatore

A = superficie di contatto tra i fluidi, superficie dei tubi

q = densità di flusso termico

U = coefficiente di scambio termico che dipende dai materiali di

costruzione, dai fluidi a contatto ecc.

ΔTm = differenza di temperatura media, non facile da calcolare, infatti

viene utilizzata una media di T logaritmica ( )

I fluidi nello scambiatore possono anche viaggiare in equicorrente, ma è un processo sfavorito

poiché si è visto che la differenza di T media per il percorso controcorrente è sempre maggiore che in

equicorrente, quindi la quantità di calore che si può scambiare è maggiore

nel percorso controcorrente il fluido freddo può uscire ad una T maggiore di quanto esce il

➢ fluido caldo, cosa non possibile nel percorso equicorrente

- Scambiatore monopasso (1-1) = i fluidi attraversano lo scambiatore una volta sola

- Scambiatore 1-2 = il fluido che passa nei tubi attraversa lo scambiatore due volte, mentre

l’altro fluido una volta sola

SVILUPPO E CONTROLLO DI PROCESSO

Processo = serie di passaggi (sequenza di eventi) chiamate operazioni unitarie, ossia operazioni con

le proprie regole e caratteristiche, che possono essere trasferite da un processo all’altro (es. lo stesso

scambiatore di calore può essere usato per processi diversi; la distillazione può essere utilizzata in 36

situazioni differenti) → durante queste operazioni unitarie, la materia viene trasformata fisicamente,

chimicamente o biologicamente

Sviluppo di processo (scale-up) = attività che porta una reazione chimica scoperta in laboratorio

fino ad un impianto di produzione su larga scala

→ in industria farmaceutica, lo sviluppo di processo si chiama sviluppo chimico = attività chimica

necessaria a portare una molecola “candidata” dalla fase di scoperta al mercato

Criteri nello sviluppo di processo:

- sicurezza (processo e reagenti utilizzati)

- robustezza = riproducibilità, il processo deve dare sempre gli stessi risultati!

- costi

Parametri chiave nello scale-up del processo:

- trasporto di calore: è importante il rapporto tra superficie e volume, poiché aumentando le

dimensioni del recipiente, quindi aumentando la scala di produzione, il volume cresce più

rapidamente della superficie

- trasporto di materia: le velocità di aggiunta dei reagenti sono importanti, poiché se bisogna

aggiungere molto reagente ad un altro reagente, la reazione inizia già ad avvenire quando ne

viene aggiunto poco

- mescolamento: importante per avere concentrazioni uguali in tutto il volume di soluzione,

ancora più importante avere un’agitazione efficiente in miscele eterogenee

Con sostanze solide (es. processi di essiccamento, cristallizzazione) è difficile prevedere cosa

succederà aumentando la scala di produzione!, quindi bisogna prendere molti accorgimenti per

scalare gradualmente questi processi

Controllo di processo = una volta arrivati alla scala industriale, bisogna limitare le oscillazioni dei

parametri di processo. Si possono controllare e limitare in un processo:

- temperatura

- pressione

- concentrazione dei reagenti

- livello di liquidi

- flusso di liquidi/gas (controllati e modificati con valvole)

In un processo possono esserci dei disturbi (es.

qualcosa che modifica la temperatura) che

devono essere rilevati da uno

strumento/sensore. Questi errori poi devono

passare attraverso un dispositivo di controllo

(controller, es. computer) che li valuta. Se i valori

sono diversi da quelli desiderati, viene mandato

un segnale ad una valvola che modifica la

quantità di riscaldamento inviato al processo.

Tipi di controller

1. Controller on-off (es. termosifoni e frigoriferi): semplice, economico, le oscillazioni sono però

troppo elevate per cui non viene utilizzato negli impianti 37

2. Controller PID (composto da 3 parti: proporzionale, integrativo, derivativo)

più complicato ma più utilizzato

Viene definito prima di tutto che cos’è l’errore: , ossia la differenza tra il set point (R)

e il valore misurato (B). Queste variabili sono dipendenti dal tempo.

Controllo proporzionale (P): reagisce all’errore in modo proporzionale, ossia se l’errore è grande,

allora il segnale inviato alla valvola sarà maggiore

l’output (segnale) del controller è proporzionale all’errore ε secondo una costante

Kc adimensionale che dev’essere settata

Se Kc = 0, non c’è nessun controllo o azione da parte del controller

(es. la T cambia fino a r