La sintesi del metanolo: aspetti termodinamici e cinetici
La produzione di metanolo attraverso la reazione del monossido di carbonio con l’idrogeno è un esempio eloquente dell’importanza dei processi catalitici. All’interno di tale sintesi, il metanolo è uno dei prodotti meno favoriti, pertanto l’utilizzo di catalizzatori selettivi risulta fondamentale per indirizzare il processo nella direzione desiderata, evitando reazioni preferenziali che si verificherebbero in assenza di tali catalizzatori.
Aspetti termodinamici
La sintesi del metanolo da monossido di carbonio e idrogeno è un processo esotermico e irreversibile: CO + 2 H2 ⇌ CH3OH ΔH°298 = – 21.68 kcal/mol. I valori della variazione di energia libera e della costante di equilibrio, calcolati a diverse temperature, mostrano che la formazione del metanolo diventa sempre meno favorita all’aumentare della temperatura. È importante sottolineare che la sintesi avviene ad alte pressioni, poiché nella reazione si verifica una contrazione di volume e diventa necessario calcolare la dipendenza delle composizioni in equilibrio in funzione della pressione.
L’effetto favorevole della pressione sulla concentrazione d’equilibrio del metanolo rende questo processo vantaggioso anche se richiede alte temperature per ottenere una cinetica di reazione accettabile, grazie all’utilizzo di specifici catalizzatori.
Catalisi
I catalizzatori utilizzati per la sintesi del metanolo sono generalmente costituiti da ossido di zinco e ossido di rame, sia singolarmente che in combinazione, con l’aggiunta di un promotore, di solito ossido di cromo. Il processo prevede la compattazione e trasformazione dei materiali ridotti in polvere in un composto indivisibile. Inoltre, si stabilizzano le deficienze anioniche presenti nel reticolo cristallino degli ossidi di zinco e di rame dovute alla non stechiometricità dell’ossigeno rispetto al metallo.
La presenza di impurezze può influenzare la sintesi del metanolo, come ad esempio la presenza di ferro e nichel, che favoriscono la formazione di metano anziché di metanolo. Altri agenti che influenzano la reazione includono il torio e l’ossido di alluminio, che favoriscono rispettivamente la formazione di idrocarburi e dimetiletere. Inoltre, vi sono sostanze alcaline che provocano la formazione di alcoli superiori.
Condizioni di reazione
Le massime rese nella sintesi del metanolo sono ottenute mediante un’ottimizzazione delle condizioni di reazione e una specifica composizione dei catalizzatori. Con i catalizzatori a base ternaria di ossidi di zinco, rame e cromo, le temperature di reazione sono di 250-300 °C e le pressioni di 100-150 atm.