Nelle industrie farmaceutiche, di chimica fine e dei diserbanti vengono spesso condotte reazioni estremamente rapide ed altamente esotermiche che conducono alla formazione di sostanze più o meno termicamente stabili che, generalmente, devono essere ulteriormente processate per dare origine al prodotto finito.
Reazioni di questo tipo possono innescare un fenomeno noto come “runaway termico”, corrispondente ad una perdita del controllo della temperatura del reattore di sintesi che si verifica ogniqualvolta la velocità con cui il calore viene liberato risulta essere superiore rispetto a quella con cui lo stesso viene rimosso dal sistema di raffreddamento installato.
Al fine di poter controllare, in parte, l’entità della velocità di svolgimento del calore, questi processi vengono generalmente condotti utilizzando reattori semidiscontinui (semibatch, SB) in cui uno o più reagenti vengono dosati al di sopra di un “piede di reazione”. In tal modo se, durante il periodo di dosaggio, si dovesse verificare una qualsiasi anomalia nel sistema (es. rottura del sistema di raffreddamento) dovrebbe essere sufficiente una semplice interruzione dell’alimentazione per prevenire un’eventuale perdita di controllo della temperatura del reattore.
Si è detto “dovrebbe” in quanto l’interruzione dell’alimentazione non è mai una condizione sufficiente al fine di evitare o contenere parzialmente l’entità di un fenomeno di runaway termico. Infatti, se il processo è condotto in condizioni di accumulo eccessivo di(ei) reagente(i) dosato(i) all’interno del reattore di sintesi, un’eventuale perdita del controllo termico delle reazioni desiderate, anche se contenuta dall’interruzione del dosaggio, può portare il sistema ad operare nell’intorno di temperature tali per cui si verifica l’innesco (dopo un certo intervallo temporale la cui estensione dipende dal tipo di sistema in analisi) di reazioni secondarie parassite o di decomposizione della miscela reagente.
Queste reazioni, oltre a comportare una perdita di selettività nei confronti del prodotto desiderato, essendo generalmente rapide ed altamente esotermiche, portano ad un’inevitabile perdita del controllo termico del sistema (l’interruzione del dosaggio non ha, infatti, alcuna influenza sulla cinetica di queste reazioni) con eventuale liberazione di gas incondensabili che, pressurizzando il reattore, possono condurre ad un’esplosione fisica dello stesso.
L’accumulo di reagente dosato e la massima temperatura oltre la quale si verificano i fenomeni parassiti e di decomposizione risultano perciò due aspetti fondamentali per poter condurre l’ottimizzazione in sicurezza di un generico processo SB coinvolgente reazioni rapide ed esotermiche.

L'offerta di ARTYLL:

• Stabilità termica di processi potenzialmente runaway (in via di sviluppo o già operativi in scala industriale)

Nel corso degli ultimi 25 anni sono stati condotti molti studi riguardo l’individuazione della cosiddetta “frontiera di runaway” o di “marginal ignition”, ovvero dei valori dei parametri operativi e di progetto di questi sistemi in corrispondenza dei quali si ha l’innesco di fenomeni di runaway termico. Inizialmente tutti i lavori tesi ad individuare in modo esplicito e generale la “frontiera di runaway” trattavano quasi esclusivamente reattori SB operanti in modalità isoperibolica (la temperatura del fluido refrigerante in camicia viene mantenuta costante ad un valore di set point) in cui avveniva una sola reazione avente cinetica esprimibile mediante una semplice legge di potenza (Power Law).
Oggi ARTYLL è in grado di individuare la frontiera di runaway per qualsiasi tipo di processo condotto in qualsivoglia tipologia di reattore (continui e semicontinui) e modalità di controllo della temperatura (isoterma, isoperibolica, adiabatica, mista) grazie ad una accurata caratterizzazione sperimentale del processo (mediante la conduzione di prove sperimentali di calorimetria adiabatica e di reazione) ed all'applicazione combinata di una serie di criteri di previsione del runaway quali il criterio della sensitività parametrica ed il criterio della divergenza. Inoltre è in grado di simulare correttamente tutte le fasi industriali di un processo (caricamento di reagenti, condizionamento termico, ecc..) grazie all'utilizzo di software sviluppati ad hoc.

• Ottimizzazione di processi potenzialmente runaway

Dal punto di vista pratico ciò che ha maggiore rilevanza per un'azienda è l’ottimizzazione di tutti (o parte) dei parametri operativi di un processo (temperature di set point, tempi di dosaggio, portate dei fluidi di servizio, ecc..).
Osservando il panorama dell’industria chimica italiana è possibile evincere che, per oltre il 60%, esso è dominato da piccole e medie imprese prevalentemente orientate verso i settori della chimica fine e farmaceutica. Tali aziende, producendo generalmente una grande varietà di prodotti in modeste quantità, utilizzano reattori multifunzionali (multipurpose) in quanto presentano l’esigenza di passare rapidamente da un processo produttivo ad un altro, secondo l’allineamento del mercato, senza eccessivi costi d’impianto. Durante questo passaggio non si ha spesso la possibilità, in termini sia di tempo sia di denaro, di ottimizzare sperimentalmente e teoricamente la sintesi da realizzare prima in scala di laboratorio e poi d’impianto pilota.
Tale quadro non può essere trascurato nel momento in cui uno degli obiettivi principali riguarda lo sviluppo di procedure di ottimizzazione e scale-up che interessano tali imprese.
ARTYLL si avvale di criteri di ottimizzazione particolarmente rapidi e affidabili che permettono, sulla base di un ridotto numero di prove sperimentali di calorimetria adiabatica e di reazione, di individuare le condizioni ottimali di conduzione in sicurezza di un generico processo.

Qui potete scaricare la brochure relativa alla Stabilità dei processi.