La cinetica e la termodinamica della deidrogenazione
La deidrogenazione richiede un catalizzatore che favorisca la reazione, soprattutto quando altre reazioni come la pirolisi e la decomposizione possono avvenire da un punto di vista termodinamico. Questo processo consente l’eliminazione di idrogeno da composti organici, come ad esempio nella produzione di stirene da etilbenzene, nella deidrociclizzazione degli idrocarburi alifatici ad aromatici e nella sintesi di aldeidi e chetoni da alcoli. In particolare, la deidrogenazione dell’etilbenzene è fondamentale per la produzione industriale di stirene, uno dei monomeri più ampiamente utilizzati nella produzione di materiali plastici.
Aspetti termodinamici della reazione
La formazione di stirene da etilbenzene è una reazione endotermica reversibile: C6H5-C2H5 ⇌ C6H5-C2H3 + H2 ∆H° = +28.1 kcal/mol. I dati sperimentali dimostrano che la reazione da etilbenzene a stirene è favorevole a temperature elevate, inoltre, il principio di Le Chatelier suggerisce che diminuendo la pressione parziale dei prodotti, sarà favorita la reazione termodinamicamente. Per ottenere questo risultato, invece di operare a pressione ridotta, si può ridurre la pressione parziale dei prodotti mediante diluizione con vapore surriscaldato, fornendo inoltre il calore necessario per la reazione. La deidrogenazione termica dell’etilbenzene a temperature di 700-740 °C risulta essere lenta, ma diluendo i gas con vapore acqueo o inerti come azoto, si possono ottenere selettività più elevate.
Catalizzatori
Per la reazione di deidrogenazione dell’etilbenzene sono stati proposti e utilizzati numerosi catalizzatori, suddivisi in tre classi: catalizzatori rigenerabili con aria, catalizzatori rigenerabili con vapore d’acqua e catalizzatori autorigeneranti. I catalizzatori delle prime due classi sono stati abbandonati in quanto la necessità di rigenerazione portava a frequenti fermate degli impianti con perdite di produzione. La terza classe di catalizzatori include gli ossidi di ferro con un sale di potassio come attivatore, che favorisce l’eliminazione dei composti carboniosi mediante reazioni del gas d’acqua. Questi catalizzatori contengono anche quantità variabili di ossidi come il triossido di bicromo, l’ossido di magnesio e di rame per prolungarne la durata e ridurre la temperatura di reazione.
In conclusione, la deidrogenazione è un processo chiave e complesso che richiede l’uso di catalizzatori appropriati per ottimizzare la reazione e massimizzare la resa di prodotto.