Seconda esperienza di laboratorio di Fondamenti di chimica industriale

Fondamenti di Chimica Industriale 26/11/2022

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Esperienza n°2

VALUTAZIONE DELL’AREA INTERFACCIALE IN SISTEMI DI

REAZIONE BIFASICI

SCOPO:

Lo scopo dell’esperienza è determinare l’area interfacciale (S) e il coefficiente di rinnovamento

superficiale (s) in un sistema di reazione semibatch bifasico.

RICHIAMI TEORICI:

All'interno di un contesto industriale è comune incontrare sistemi bifasici, in cui le reazioni

avvengono tra due fasi distinte che, nella maggioranza dei casi, sono quella gassosa e quella

liquida.

Conducendo queste reazioni all'interno di un reattore semibatch, è possibile seguirne

l’andamento, analizzando le proprietà del sistema.

Il sistema di alimentazione del reattore è progettato in modo che la fase liquida venga

introdotta in modo non continuo, mentre la fase gassosa venga introdotta in modo continuo,

mentre viene monitorata da un flussimetro.

Per garantire che la reazione proceda verso la formazione dei prodotti, viene introdotta una

quantità eccessiva della componente gassosa, in modo da impedire al gas di funzionare come

reagente limitante.

Un condensatore a bolle refrigerante viene utilizzato come canale di scarico per il reattore

semibatch, in modo da garantire che la componente gassosa in uscita sia costituita

esclusivamente dal gas in eccesso in ingresso.

Se eventuali vapori di altri reagenti tentassero di fuoriuscire o venissero trasportati dal gas verso

lo sfiato, il condensatore ne permetterà l’efficace riassorbimento nella fase liquida dell’ambiente

di reazione. Il gas continuerà ad essere aggiunto al semibatch finché i test condotti non

indicheranno il completamento della reazione.

Il reattore semibatch è inoltre dotato di un agitatore a elica, per omogeneizzare al meglio il

miscuglio di reazione.

Per valutare l'andamento della reazione è fondamentale ottenere un feedback, campionando

regolarmente la fase liquida e analizzandone la concentrazione.

Ciò può essere ottenuto attraverso metodi di titolazione.

La cinetica di una reazione dipende da due fenomeni sequenziali.

Il primo di questi è il processo di trasferimento dei reagenti dalla fase gassosa alla fase liquida,

in modo che il contatto permetta la reazione chimica, che poi decorrerà con la sua cinetica

caratteristica.

Considerando il sistema all’equilibrio e imperturbato, possiamo analizzare il trasferimento della

fase gassosa nella fase liquida.

Inizialmente si può utilizzare la legge di Henry per misurare la concentrazione del reagente

gassoso che si trova all’interfaccia liquido/gas.

[C ] = H⋅P

a a

dove

[C ] = concentrazione del gas

a

H = costante di Henry

P = pressione parziale del gas

a

Presupponendo poi che una fase sia uniforme e non comprendendo i fenomeni di diffusione

che si verificano tra l'interfaccia esterna e il nucleo di essa, consideriamo la [C] di una fase come

se fosse la medesima in tutta la fase.

A questo punto è possibile analizzare la perturbazione provocata dalla reazione chimica

avvenuta in seguito all’aggiunta del reagente in fase liquida.

Introduciamo quindi le costanti riferite al trasferimento di materia e alla reazione chimica:

-​ K : costante riferita al trasferimento di materia;

t

-​ K : costante riferita alla reazione chimica.

r

È importante notare come in una reazione che presenta più cinetiche, quella da tenere in conto

per valutare lo svolgimento della reazione sia quella più lenta.

Vengono individuate tre casistiche:

- Regime cinetico con K >> K : l’equilibrio termodinamico è più rapido della cinetica della

t r

reazione chimica;

- Regime diffusivo con K >> K : la diffusione del gas avviene più lentamente rispetto alla cinetica

r t

di reazione, il gas diffuso si consumerà dunque molto velocemente;

≈

- Regime intermedio con K K : il sistema non dipende esclusivamente da nessuna delle due

r t

cinetiche.

A seconda della casistica di interesse presente nella reazione in fase di studio si otterrà un

modello di equazioni riferito al processo analizzato. Questo sistema di equazioni verrà poi

sfruttato per ricavare l’area interfacciale (S).

Questo parametro è definito come la somma di tutte le aree delle bolle di gas nel reattore in un

momento specifico.

Qualora si considerino processi industriali, l'area interfacciale gioca un ruolo fondamentale nel

determinare la quantità di moli di reagente gassoso che sono effettivamente consumabili

durante lo sviluppo della reazione.

Conoscendo questo parametro si ha quindi la possibilità di adattare l'andamento della reazione

nel caso in cui il trasferimento sia insufficiente, per evitare il rischio di operare secondo un

andamento diffusivo; con conseguente riduzione della produttività dell’impianto.

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PROCEDIMENTO:

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Il processo che viene eseguito sfrutta una reazione rapida, semplice e irreversibile. Questi

requisiti sono fondamentali se si vuole valutare l’area interfacciale.

Viene eseguita una reazione di ossidazione di ioni solfito a ioni solfato, utilizzando O gassoso

2

regolato tramite un flussimetro. 2+

La reazione avviene utilizzando