Processo di ossidazione: agenti ossidanti e catalizzatori
Le ossidazioni industriali sono tra i processi più comuni nella chimica organica industriale, utilizzate per produrre una vasta gamma di sostanze. Questi processi coinvolgono sia l’aggiunta di ossigeno a una molecola che la rimozione di idrogeno.
Gli agenti ossidanti utilizzati includono permanganato di potassio, anidride cromica, bicromati alcalini, perossido di idrogeno, acido nitrico, ipoazotite, ozono, acido ipocloroso e clorato di sodio. Tuttavia, a livello industriale viene preferito l’uso di aria e ossigeno come agenti ossidanti per la loro economicità, nonostante richiedano l’uso di catalizzatori e elevate temperature.
Le reazioni di ossidazione sono esotermiche e causano una variazione dell’energia libera. Queste reazioni sono termodinamicamente favorite e richiedono un controllo cinetico per limitare la formazione eccessiva di CO2 e H2O.
I catalizzatori utilizzati includono diversi metalli, ossidi e sali di metalli, che agiscono come trasportatori di ossigeno. Questi catalizzatori possono variare a seconda delle condizioni operative e spesso richiedono promotori e sostanze organiche per avviare la reazione.
Nei processi in fase liquida, sia la sostanza organica di partenza che i prodotti finali sono presenti in forma liquida, con ossigeno o aria introdotti nella fase liquida dove avviene la reazione. Questi processi sono caratterizzati da selettività, formazione limitata di sottoprodotti e alte rese. Le ossidazioni in fase liquida sono influenzate dalla natura della sostanza che si ossida, dalla concentrazione della sostanza da ossidare, dalla presenza e quantità di catalizzatore, dalla pressione dell’ossigeno e dalla temperatura.
Il meccanismo dell’ossidazione si basa sulla formazione di idroperossidi (ROOH), che reagiscono successivamente per produrre la sostanza ossidata.La sintesi dell’acido acetico da acetaldeide in fase liquida è un processo di ossidazione industriale che impiega acetato di manganese come catalizzatore. Durante l’ossidazione, l’aria viene fatta gorgogliare nel reattore per convertire la soluzione di acetaldeide al 15% in acido acetico. Il prodotto finale, acido acetico al 94%, viene ottenuto attraverso un processo di distillazione. Il gas di uscita contenente azoto viene lavato con acqua per rimuovere eventuali impurità di acetaldeide. La resa di questa reazione si attesta intorno al 94%.
Per le operazioni in fase vapore a temperature elevate, vengono impiegati catalizzatori di ossidazione come gli ossidi di V, Mo e W. Questi catalizzatori migliorano la dispersione del calore di reazione e favoriscono reazioni controllate, evitando l’ossidazione completa con la formazione di CO2 e H2O. La catalisi eterogenea delle reazioni in fase vapore prevede diversi passaggi, dall’adsorbimento dei reagenti sulla superficie del catalizzatore solido alla trasformazione del complesso attivato nel prodotto di sintesi.
I processi in fase vapore trovano applicazione quando si opera con sostanze volatili e stabili alle alte temperature. Esiste un opportuno controllo sui parametri operativi come il tempo di contatto dei reagenti, il rapporto reagente/O2, la temperatura, il tipo e la qualità del catalizzatore, oltre alla presenza di diluenti come l’azoto.
Un esempio di ossidazione industriale è la preparazione di anidride maleica da frazioni C4. In questo caso, la frazione C4 contenente 80% di n-buteni, viene miscelata con un grande eccesso di aria a 1 atm e inviata al reattore contenente il catalizzatore costituito da V2O5 – P2O5 su un supporto di Al2O3. A 450°C e a 1 atm di pressione, la conversione dei buteni è totale.
Al termine del processo, i prodotti gassosi vengono raffreddati, separati e trattati, dando luogo alla formazione di acido maleico che viene purificato in una colonna di frazionamento.