Trasferimento di massa e velocità di reazione

Durante lo sviluppo dei prodotti chimici, la comprensione fondamentale del processo di miscelazione è essenziale per lo scale-up. La miscelazione consiste nel ridurre o eliminare l'eterogeneità delle fasi, che possono essere miscibili o immiscibili. L'obbiettivo è ridurre o eliminare i gradienti di temperatura o di concentrazione oppure garantire una buona dispersione delle fasi multiple. Una buona miscelazione è preferibile per vari motivi, come le reazioni parallele o la formazione di sottoprodotti, il miglioramento del trasferimento di massa nei sistemi multifase o la garanzia di un rapido scambio termico. L'efficienza della miscelazione è influenzata dal tipo di materiale da miscelare, dal modello di agitatore e di reattore, dal regime di miscelazione, ma anche dalla posizione del tubo di alimentazione e dalle condizioni di funzionamento. [Handbook of Industrial Mixing, Science and Practice. Paul, E. Wiley (2004)]. Le reazioni chimiche che si verificano in un serbatoio agitato, nel quale i reagenti possono essere presenti in fasi diverse (liquida, gassosa o solida), necessitano di un contatto significativo tra le interfacce per ottenere un trasferimento di massa ottimale. Una miscelazione errata o mediocre può comportare una velocità di reazione ridotta, un basso rendimento, una scarsa selettività o una maggiore concentrazione di impurità e, di conseguenza, un notevole aumento dei costi di produzione. Il trasferimento di massa e la cinetica possono entrare in concorrenza e contribuire alla velocità di reazione globale. Per effettuare lo scale-up e ottimizzare i processi, è necessario quantificare l'effetto della miscelazione sulla velocità di reazione. I reattori di laboratorio devono essere utilizzati in condizioni che consentano una caratterizzazione e uno scale-up pertinenti del processo.

Lo sviluppo e lo scale-up di un processo chimico sono spesso complessi. Quando si tiene unicamente conto di misure meccaniche come la velocità di agitazione, la geometria e la struttura dell'agitatore, è difficile correlare le prestazioni e la miscelazione dei reattori a piccola e grande scala. Un approccio più pertinente per studiare la dinamica del processo nei piccoli reattori consiste nel misurare il coefficiente di trasferimento di massa direttamente nel sistema di reazione in questione. Esperimenti automatizzati e controllati, effettuati in parallelo in un sistema di reattori di laboratorio, consentono di stabilire una correlazione tra i diversi valori di trasferimento di massa, in modo da regolare rapidamente l'area di interfaccia gas/liquido e il volume del reattore, ottenendo così le condizioni desiderate necessarie per lo scale-up o lo scale-down di un processo. 

Nei sistemi multifase, il trasferimento di massa tra le fasi è essenziale per lo scale-up e per le prestazioni del reattore e la potenza meccanica trasferita dall'interazione della girante con il fluido è determinante. Influisce sul grado di dispersione delle diverse fasi e sul trasferimento di massa corrispondente tra di esse. In un processo a una sola fase liquida, nel quale una reazione rapida può causare la formazione di prodotti e sottoprodotti in concorrenza, il livello di turbolenza del fluido può influire sulla selettività e sul rendimento del processo chimico globale.

In questi sistemi, la potenza meccanica per unità di volume determina il livello di turbolenza e le prestazioni del processo. Per una determinata girante e una specifica geometria di reattore a serbatoio agitato, è possibile ottenere una curva di prestazioni di elica universale. Ciò consente di caratterizzare la potenza della girante applicata sulla fase fluida.

Le tipiche curve di prestazioni in funzione della potenza (numero di Reynolds (Re) in rapporto al numero di potenza (Np), come illustrato a destra) sono indipendenti dal volume del reattore e, di conseguenza, facilitano lo scale-up e la caratterizzazione del sistema. Il numero di Reynolds senza dimensione indica se il fluido circola in regime laminare o turbolento all'interno del reattore. Esso rappresenta il rapporto delle forze di inerzia (forze della girante sul fluido), rispetto alle forze viscose intrinseche al fluido di processo. Quando le forze viscose sono dominanti e Re < 10, il flusso del fluido è regolato dalla viscosità del fluido e il regime di flusso è laminare. Quando le forze della girante sono dominanti e Re> 2 000-10 000, il flusso del fluido è indipendente dalla viscosità, proporzionale alla densità e quindi turbolento. Il punto esatto di transizione al regime turbolento dipende dalla geometria del reattore e dalla presenza di elementi che favoriscono la "turbolenza" nel reattore, come i deflettori. I reattori di laboratorio offrono mezzi rapidi per testare ogni configurazione di fluido e di reattore-girante. 

In un esempio tratto dal seminario on-line L'importanza della miscelazione, Ray Machado PhD, delle aziende rm2 Technologies LLC e Air Products and Chemicals, ottimizza la miscelazione per ottenere reazioni rapide in un reattore automatico di sintesi. Sfruttando la reazione di S₂O₃^-2 e di I₂ in presenza di amido, dimostra l'effetto della miscelazione sulla distribuzione del reagente, mostrando dove si verificano reazioni chimiche rapide con formazione di sottoprodotto in concorrenza. Nel video, il pennacchio di colore nero che si osserva è il sottoprodotto della reazione dello iodio con l'amido. Tuttavia, non appena il complesso amido-iodio reagisce con il tiosolfato in soluzione, ritorna trasparente. Miscelazione, velocità di alimentazione e posizione di alimentazione influiscono tutte sulla velocità della reazione principale. Quanto più il tubo di alimentazione è vicino alla girante, o quanto più elevata è la velocità di agitazione, tanto minore è la formazione di sottoprodotto. D'altra parte, al crescere della velocità di agitazione, la quantità di sottoprodotto si riduce rapidamente.

Il trasferimento di massa del gas nella fase liquida di reazione costituisce il parametro principale e essenziale del processo, che è necessario caratterizzare durante una reazione gas-liquido. La strategia di scale-up consiste nell'allineare i coefficienti di trasferimento di massa, kla, tra i volumi a piccola e a grande scala, piuttosto che allineare la geometria, le velocità di agitazione o altre caratteristiche della miscelazione. L'articolo Concetti di base del trasferimento di massa e della cinetica per l'idrogenazione del nitrobenzene in anilinapresenta i passaggi del calcolo del coefficiente di trasferimento di massa e mette in guardia contro le informazioni ingannevoli presenti negli studi sull'agitazione incentrati sull'idrogenazione catalitica. 

Nel seminario on-line L'importanza della miscelazione: confronto tra i dati in laboratorio e in fabbrica, Ray Machado presenta l'effetto della miscelazione su cinetica, scambio termico, termodinamica e trasferimento di massa tra le fasi, nonché l'ottimizzazione della miscelazione dei solidi o dei gas. La miscelazione può influenzare il rendimento, la selettività e la formazione di sottoprodotti. Egli fornisce consigli per misurare e calcolare i parametri fondamentali ai fini dello scale-up.

Le stazioni di lavoro per lo sviluppo e lo scale-up dei processi offrono agli scienziati la possibilità di studiare e ottimizzare la miscelazione e il trasferimento di massa in tempo reale. Il controllo della miscelazione può essere automatizzato e preprogrammato, in modo da poter condurre gli esperimenti in completa sicurezza registrando tutti i parametri di reazione, 24 ore su 24. Essendo la misura e il controllo sicuri, particolarmente accurati e precisi, il numero di esperimenti necessari è sensibilmente ridotto, il che consente di ottimizzare lo scale-up.

• Scambio termico e scale-up
• L'effetto della miscelazione sulla cristallizzazione
• Chemiocinetica

David Ford, di Nalas Engineering, ha studiato una reazione di nitrazione ossidativa in una fase di ossidazione rapida e altamente esotermica, ricorrendo alla calorimetria di reazione e alla tecnologia analitica di processo. La reazione è stata dapprima sviluppata come processo discontinuo ma, per studiare la miscelazione, il rendimento e lo scambio termico, è stato sviluppato un processo continuo basato su due reattori continui a serbatoio agitato (CSTR).