Tecnologia delle reazioni chimiche e il suo ruolo nel processo di trasformazione

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La tecnologia della reazione chimica si trova all'intersezione tra chimica e ingegneria dei processi. Chi parla di scale-up dei processi, di elettrificazione o di impiego di idrogeno, deve automaticamente considerare anche la tecnologia delle reazioni: essa determina le condizioni di reazione, regola cosa succede, quando e dove, garantisce l'efficienza energetica e influenza le proprietà del prodotto.

Tre tendenze si fanno particolarmente notare attualmente nella tecnologia delle reazioni, secondo gli esperti:

- una progettazione integrata di prodotto e processo basata su una comprensione fondamentale di reattori e reazioni
- diagnostica di processo basata su modelli, studi operando e dati di processo
- elettrificazione dei processi chimici e lo stoccaggio di energia elettrochimico e chimico su larga scala.

Nuovi metodi diagnostici, una migliore comprensione dei processi e la produzione su misura di reattori e componenti, ad esempio con l'aiuto della stampa 3D, rendono possibile fornire nuove apparecchiature che soddisfano le esigenze derivanti dai processi innovativi.

Dalla ricerca di laboratorio al processo industriale

Sempre più spesso si cerca un percorso il più possibile senza interruzioni, dalla prima idea al reattore di laboratorio fino al processo su scala industriale, per evitare colli di bottiglia nello scale-up e portare rapidamente le nuove tecniche all'applicazione. A questo contribuiscono diverse metodologie diagnostiche e di modellazione. Già su scala di laboratorio, i reattori sono ampiamente strumentati, garantendo un controllo preciso delle condizioni di reazione come temperatura, pressioni parziali, tempi di transito, ecc. Aggiungono sistemi facilmente configurabili per l'automazione del processo, per poter operare automaticamente anche reattori installati in parallelo per lunghi periodi di tempo. La raccolta e l'elaborazione automatica dei dati facilitano l'interpretazione dei risultati sperimentali e costituiscono la base per la scalabilità continua dei processi.

Più precisa è la conoscenza della stechiometria, della termodinamica, della cinetica, dei fenomeni di trasporto e dei dati di sicurezza rilevanti, migliore sarà la previsione delle prestazioni del processo su scala industriale. Da questi parametri si possono calcolare tempi di reazione e fabbisogno o produzione di energia elettrica e termica. Considerando anche i processi di trasporto, si può progettare il reattore in modo che la reazione avvenga in modo sicuro e con alte rese. Per questo, gli studi su mini-impianti sono indispensabili, poiché anche la progettazione e l'analisi del processo devono considerare i flussi di riciclo, il funzionamento in condizioni di carico parziale e durante l'avvio e l'arresto della reazione. Con un buon modello, il processo può essere trasferito direttamente nell'impianto di produzione. In pratica, tuttavia, si utilizza spesso un impianto pilota interposto, per ridurre i rischi durante lo scale-up.

Grande processo in piccole strutture?

Ma non sempre l'obiettivo è un reattore il più grande possibile. Questo evidenzia un'altra importante tendenza di ricerca, la chimica dei flussi (Flow Chemistry). Essa apre nuove strade per reattori catalitici e tecniche di produzione. Nanoparticelle e altri materiali funzionali possono essere prodotti in reattori microfluidici con proprietà definite con precisione. Questi reattori consentono anche un miglior trasporto di calore e di sostanze. I reattori microstrutturati si distinguono per strutture interne di dieci o anche migliaia di micrometri. In tali strutture, liquidi possono essere riscaldati o raffreddati in millisecondi.

Attualmente si sviluppano anche impianti di produzione microstrutturati, ad esempio per produrre idrocarburi sintetici o chimici Power-to-X di alta qualità utilizzando energia rinnovabile. Grazie alla loro eccellente trasmissione di calore, consentono alte rese spazio-temporali, elevata selettività, proprietà di prodotto ben definite e lunga durata del catalizzatore. Se sono modulari e possono essere rapidamente avviati e fermati, sono particolarmente interessanti per l'uso decentralizzato sul luogo di produzione di energia. Diversi aziende, tra cui Ineratec, stanno già pensando oltre: vogliono non solo sviluppare reattori microstrutturati, ma anche convertirli in impianti di produzione commerciali.

Gli sviluppi dei reattori microstrutturati negli ultimi anni hanno mostrato che l'intensificazione dello scambio termico nei processi di produzione, principalmente in sistemi a fase singola, è stata una delle principali spinte. In linea di principio, i reattori microstrutturati possono essere utilizzati anche per sistemi multifiase. Effetti come la tensione superficiale, la bagnabilità o un comportamento di flusso disomogeneo in canali paralleli complicano l'applicazione industriale dei microreattori.

Per la produzione su larga scala, è necessario un concetto di scale-up integrato che garantisca il flusso necessario, ampliando al minimo il diametro dei canali. In questo modo, si conservano i vantaggi della tecnologia microreattoriale, come l'alta velocità di miscelazione, l'eccellente trasferimento di calore e il controllo mirato del processo. La portata desiderata può essere realizzata, ad esempio, collegando in parallelo i canali a un fascio di canali nel reattore.

Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. ha avviato nel 2016 in Cina il primo reattore di produzione di grande volume basato sulla tecnologia microreattoriale, per la produzione di un ingrediente per applicazioni agricole. Attualmente, tre di questi reattori operano in modo continuo con una capacità totale di 30.000 t/anno.

Tra caldaia a spirale e processi ibridi

Lo sviluppo di nuovi processi e di tecnologie di apparecchiature per la costruzione di reattori chimici procede di pari passo. Oggi, la gamma di apparecchi e di design dei reattori è vasta quanto il portafoglio di prodotti degli impianti chimici. Per la sua flessibilità, la caldaia a spirale rimane il tipo di reattore più diffuso. Tuttavia, lo spettro di tecnologie va dal reattore a letto fisso con fusione di sali o raffreddamento per vaporizzazione, a reattori a scambio termico, colonne a bolle, reattori a getto, ugelli e reattori a letto fluido, fino a reattori ad alta temperatura e apparecchi più complessi come reattori microstrutturati, elettrochimici e a impasto, oltre a sistemi ibridi come distillazione reattiva, estrazione o gas-washer.

Sebbene la caldaia a spirale sia uno dei più antichi design di reattori chimici, viene ancora migliorata costantemente. Per esempio, sono state sviluppate nuove soluzioni come interruttori di corrente flessibili e altre modifiche, che hanno migliorato significativamente la flessibilità e l'efficienza energetica dei sistemi gas-liquido, nonostante le limitazioni degli apparecchi smaltati.

Per aumentare lo scambio termico, si possono inserire piastre di scambio termico nella caldaia a spirale, offrendo superfici di scambio maggiori rispetto alle serpentine di scambio interne. In questo modo, si può meglio controllare reazioni esotermiche, come le idrogenazioni di sospensioni. I reattori a bagno di sale sono reattori convenzionali a letto fisso per reazioni esotermiche eterogenee catalizzate in fase gassosa a temperature elevate. Sono utilizzati, ad esempio, per ossidazioni parziali, come nella sintesi dell'acido acrilico.

Quando le esigenze di scambio termico o di controllo della temperatura sono più elevate, si possono impiegare cosiddetti reattori a scambio termico. Basati su scambiatori di calore a piastre o a fascio di tubi, consentono tassi di scambio termico molto elevati per sistemi a fase singola.

Le sfide applicative

I nuovi processi industriali, il cambiamento nella base energetica e delle materie prime, e la ricerca di economicità continueranno a porre sfide alla tecnologia delle reazioni anche negli anni a venire. In particolare, considerando le tendenze verso materie prime bio-based e riciclate, la cui composizione e proprietà fisiche variano molto di più rispetto alle materie prime petrolchimiche convenzionali, e che generalmente contengono più impurità, i reattori devono essere ottimizzati il più possibile, ma anche abbastanza robusti da gestire requisiti variabili.

Alcuni processi biotecnologici richiedono grandi volumi di reattori superiori a 1.000 m³ e alte velocità di trasferimento di massa specifiche. Per un sistema di ventilazione convenzionale, sono necessari motori da oltre 10 MW, cosa difficile da realizzare meccanicamente. Lo sviluppo di tecnologie ibride di aerazione e nuove vie per il raffreddamento potrebbero contribuire a portare più rapidamente tali processi nell'applicazione industriale.

Per la produzione di nuovi terapeutici genici e cellulari, altamente personalizzati, si dovrebbe cercare di svolgere tutti i passaggi di reazione in spazi ridotti e vicino al punto di cura – l'obiettivo potrebbe essere un impianto farmaceutico compatto e mobile, come una "scatola".

Per quanto varie siano le applicazioni, tanto innovative sono le soluzioni che i tecnici di reazione sviluppano e che i costruttori di apparecchiature e impianti forniscono. Per i prossimi anni, ci sono ancora molte aspettative, grazie alle numerose novità in arrivo.

Questo rapporto di tendenza ACHEMA si basa sulla Roadmap Chemical Reaction Engineering, 3a edizione 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html