Esame cinetico di una reazione industriale e le sue applicazioni
Dopo aver esaminato l’aspetto termodinamico della reazione al fine di determinare se la reazione avviene spontaneamente tramite la variazione dell’energia libera di Gibbs e aver studiato le probabilità di successo a causa delle condizioni di equilibrio favorevoli, bisogna passare all’esame cinetico.
Anche nel caso in cui l’equilibrio sia favorevole, la termodinamica non fornisce gli elementi per stabilire se la velocità con cui si raggiungono le condizioni di equilibrio è sufficientemente elevata da permetterne l’applicazione industriale.
Nella chimica del processo, in cui il successo tecnico ed economico costituiscono l’obiettivo principale, è essenziale che la reazione abbia luogo con velocità sufficientemente elevata e tale da non richiedere apparecchi di reazione particolarmente grandi e costosi. Inoltre, la velocità della reazione principale deve essere di gran lunga superiore a quella delle reazioni concorrenti e consecutive. In questo modo la selettività nel prodotto desiderato deve essere elevata e la separazione dalla miscela di reazione non particolarmente complessa.
Il limite dei vantaggi ottenibili mediante il miglioramento della velocità di reazione è posto dal raggiungimento delle condizioni di equilibrio. Quindi è essenziale conoscere, in ogni particolare condizione, quando la reazione è controllata dalla cinetica o dalla termodinamica. Come tipici esempi si possono citare la sintesi del metanolo e la sintesi dell’ammoniaca in cui l’aumento della temperatura favorisce la cinetica di reazione ma sfavorisce l’equilibrio per la formazione dei prodotti e viceversa.
Studio del meccanismo
Quando si studia una nuova sintesi di un prodotto, l’esame cinetico della reazione porta a intraprendere un’analisi dettagliata per l’identificazione del meccanismo non solo della principale, ma anche delle reazioni parallele e successive. Questo studio si rende necessario al fine di identificare quali siano i processi elementari che controllano le velocità delle varie reazioni. La loro conoscenza può permettere di apportare opportune modifiche al sistema di reazione, per influire sulle velocità relative. Lo scopo è favorire la formazione del prodotto desiderato a scapito dei sottoprodotti.
Una indagine dettagliata, di per sé molto complessa, è resa talvolta più difficile dalla presenza di catalizzatori e di solventi. Richiede l’ausilio delle tecniche più aggiornate, unita a una valutazione critica dei dati fondata sulle più moderne conoscenze della chimica teorica. Ovviamente è necessario servirsi dei metodi analitici più idonei per le determinazioni quantitative del prodotto principale. Spesso un notevole avanzamento nelle conoscenze è raggiunto solo con l’identificazione dei sottoprodotti. Ed è in quella sede che le tecniche analitiche più avanzate risultano essere particolarmente utili.
Dopo la separazione è determinata la struttura molecolare dei sottoprodotti con l’uso combinato di tecniche analitiche strumentali. Sotto altri aspetti lo studio di meccanismo può comportare l’uso di tecniche isotopiche e, nelle reazioni che avvengono con meccanismo radicalico si è dimostrata particolarmente utile la spettroscopia di risonanza di spin elettronico. Una caratteristica fondamentale di queste tecniche è la rapidità con cui si possono ottenere le informazioni desiderate rispetto ai metodi analitici classici.
Reattori
Dove la cinetica trova la più importante applicazione è nella progettazione dei reattori, a tal fine è necessario disporre di un notevole numero di dati comprendenti, oltre alla velocità di reazione, la sua dipendenza dalla concentrazione o dalla pressione totale o parziale dei componenti, dalla temperatura e dal grado di conversione, nonché le varie condizioni limitanti, come l’instabilità termica dei reagenti o dei prodotti, l’effetto delle reazioni secondarie e i limiti imposti dall’equilibrio termodinamico. In un reattore industriale la reazione deve procedere con una velocità controllata, fino a una certa conversione, che può essere necessario variare entro determinati limiti. Deve essere inoltre possibile variare le condizioni di alimentazione dei reagenti senza variare la composizione dell’effluente.
Applicazione industriale
I problemi che sorgono nell’applicazione industriale sono di natura diversa. Essi sono:
1) le nozioni di cui è necessario poter disporre debbono essere più precise e dettagliate per garantire una costanza notevole di funzionamento. In laboratorio può non fare molta differenza se il tempo di una reazione è di 30 o 35 minuti, ma a livello industriale una perdita del 15% è disastrosa. Una volta che il prodotto industriale sia stato separato dai sottoprodotti, questi ultimi non possono essere gettati; pertanto non è sufficiente sapere che il prodotto principale si ottiene, ad esempio, con una selettività del 60%. Infatti è necessario conoscere anche che cosa fare del restante 40%
2) le reazione deve essere effettuata secondo un criterio di economicità: ciò significa che la velocità di reazione deve essere elevata. Oltre alle difficoltà insite nel controllo delle condizioni caratteristiche di situazioni con alta velocità di reazione in impianti su larga scala, ulteriori notevoli problemi si hanno quando debbano essere usati dei catalizzatori e sia necessario operare a pressioni e temperature elevate
3) l’aumento delle dimensioni del sistema di reazione ne rende più difficile il controllo; in generale il passaggio di scala costituisce uno dei più grossi problemi da affrontare nella realizzazione di un processo industriale. Agli ingegneri chimici la scelta e il disegno del reattore.