Il calore di reazione (entalpia di reazione) è un parametro fondamentale per effettuare in modo corretto e in sicurezza lo scale-up delle reazioni chimiche. Il calore di reazione è l’energia che viene emessa o assorbita quando le sostanze chimiche si trasformano nel corso di una reazione chimica. Descrive la variazione del contenuto di energia che ha luogo quando i reattanti si convertono in prodotti. In generale, le reazioni possono essere esotermiche (con emissione di calore) o endotermiche (con assorbimento di calore); le reazioni condotte nei settori chimico e farmaceutico sono per la maggior parte esotermiche. Il calore di reazione è una delle proprietà termodinamiche utilizzate nelle attività di sviluppo, scale-up e valutazione della sicurezza dei processi chimici nel passaggio dalla scala del laboratorio a quella di produzione. In genere, il calore di reazione (entalpia di reazione) viene espresso come entalpia molare in kJ/mol o entalpia specifica in kJ/kg o kJ/L.
Cos’è il calore di reazione?
Perché è necessario comprendere il calore di reazione?
Le considerazioni sulla sicurezza sono da tempo un elemento essenziale dello sviluppo dei processi chimici, e i relativi concetti sono incorporati regolarmente nella progettazione dei processi tanto nella fase pilota quanto in larga scala. Le associazioni di settore e le autorità governative, come la CSB e l’OSHA (USA), l’HSE (UK), l’EU-OSHA e l’EPSC (UE) o l’IPE e l’Amministrazione statale per la sicurezza sul lavoro (SAWS) in Cina, prevedono che le aziende chimiche e farmaceutiche si conformino a normative e standard in grado di garantire la sicurezza di processi e prodotti. Le direttive pongono l’attenzione sulla prevenzione di incidenti e infortuni negli stabilimenti chimici e farmaceutici.
Per la valutazione dei rischi sono necessari sia dati chimici chiave che descrivono le proprietà delle sostanze, sia informazioni sul processo. Tra i dati termici, il calore di reazione è un parametro fondamentale che può essere usato per ricavare informazioni e creare una solida conoscenza della sicurezza dei processi. La creazione di una conoscenza della sicurezza dei processi implica la comprensione della reazione desiderata ma anche di eventuali reazioni indesiderate. La valutazione di queste ultime ha l’obiettivo principale di identificare possibili reazioni parassite o consecutive che potrebbero essere seguite da una reazione incontrollata; lo studio della reazione desiderata, invece, è volto a dimostrare il comportamento della reazione in condizioni operative normali.
Accumulo del materiale di partenza, calore di reazione, entalpia di reazione e calore specifico sono alcuni dei parametri fondamentali per delineare scenari di mancato raffreddamento della reazione desiderata. Tuttavia, gli studi più avanzati, come la valutazione relativa a ipotesi peggiore, classe di criticità o matrice di criticità, utilizzano le informazioni derivanti dal calore di reazione nella stessa misura.
Come si calcola il calore di reazione (entalpia di reazione)?
Il calore di reazione può essere calcolato basandosi sul calore standard di formazione di tutti i reattanti coinvolti. Tuttavia, solitamente lo si determina misurando la produzione termica nel tempo, usando un calorimetro di reazione come un calorimetro a flusso di calore.
Per determinare il calore di reazione è necessario conoscere il bilancio complessivo del flusso termico, ivi compresi il flusso di calore attraverso la parete del reattore, la quantità di calore scambiato durante il dosaggio dei reattanti o dei solventi e il calore che si accumula a causa di un aumento o una diminuzione della temperatura.
Il tasso di emissione del calore e il calore di reazione forniscono informazioni sull’emissione del calore in funzione del tempo; l’entalpia di reazione, invece, si ottiene integrando il trend del calore di reazione tra l’inizio e la fine del processo. Poiché tutti i singoli termini del flusso di calore sono rilevanti per il bilancio termico complessivo, occorre prestare attenzione al fine di determinarli nel modo più accurato possibile.
Calore di reazione delle reazioni chimiche
La mia reazione chimica è esotermica?
L’entità del calore di reazione dipende dai reattanti e dai prodotti formati ed è quindi una funzione della forza dei legami che si rompono e si riformano tra un atomo e l’altro.
Se la somma del calore necessario per la formazione dei reattanti è maggiore del calore totale necessario alla formazione dei prodotti, la reazione è esotermica, ovvero emette calore.
In altre parole, il calore di reazione varia in base al tipo di reazione e ai gruppi funzionali coinvolti. In una tipica reazione di esterificazione il calore di reazione è compreso tra 50 e 70 kJ/mol, mentre nelle reazioni di idrogenazione dei composti azotati può arrivare a 300-600 kJ/mol.
Le reazioni di decomposizione (come la decomposizione degli esplosivi) sono di gran lunga più potenti di qualunque reazione chimica tipicamente utilizzata nei settori chimico e farmaceutico. Il calore di reazione di questo tipo di reazioni di decomposizione, detto anche calore di detonazione, è compreso tra 4 e 7,5 MJ/kg di materiale.
Nelle reazioni chimiche convenzionali il calore di reazione può essere determinato facilmente mediante un calorimetro di reazione. Nelle reazioni di decomposizione, invece, si utilizzano modelli matematici o particolari strumenti, come calorimetri a scansione differenziale (DSC), bombe calorimetriche o i cosiddetti calorimetri a detonazione.
Calore di reazione e tasso di emissione del calore
Dati uniformi a supporto di scale-up sicuri
Il calore di reazione descrive la quantità di energia totale scambiata quando i reattanti si convertono in prodotti. D’altro canto, il tasso di emissione del calore tiene conto delle caratteristiche del rilascio di energia come funzione del tempo e viene espresso in W o J/s.
Si tratta di un punto fondamentale: infatti, anche se l’entalpia totale di una reazione non è critica, il tasso di emissione dell’energia potrebbe fare la differenza tra una reazione sicura e una pericolosa.
La maggior parte dei reattori discontinui o semidiscontinui utilizzati nei processi produttivi è in grado di rimuovere dai 25 ai 35 W/L, a seconda delle dimensioni e del meccanismo di raffreddamento. Il tasso di emissione del calore di una reazione chimica deve quindi essere progettato per restare nei limiti di un determinato intervallo, così da garantire che la reazione abbia luogo in sicurezza, indipendentemente dal calore di reazione totale.
Ruolo del calore di reazione nella sicurezza dei processi
La quantità di calore di reazione è direttamente collegata alla gravità di un eventuale incidente ed è particolarmente utile per la valutazione delle reazioni, dello scale-up e della sicurezza dei processi.
Nel corso degli studi sulla sicurezza delle reazioni, il calore di reazione viene utilizzato per calcolare il cosiddetto aumento adiabatico della temperatura e, conseguentemente, la temperatura massima raggiungibile dalla reazione di sintesi (MTSR). L’aumento adiabatico della temperatura (ΔTad) è una funzione della quantità di materiale di partenza accumulato, dell’entalpia di reazione, della quantità di massa di reazione e del calore specifico della massa di reazione. Descrive l’aumento teorico della temperatura della massa di reazione partendo dal presupposto che la reazione avvenga in parte o in toto in condizioni adiabatiche per via di un guasto del sistema di raffreddamento dell’impianto. In tal caso, la temperatura del contenuto del reattore aumenterebbe in modo proporzionale rispetto alla conversione del materiale non reagito. La temperatura di reazione aumenterebbe quindi di ΔTad, raggiungendo il valore di MTSR.
Tecnologia per il calore di reazione
Garantire la sicurezza a livello progettuale (SbD)
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La determinazione del calore di reazione effettivo è fondamentale per capire come si svolgono le reazioni chimiche, comprenderne la cinetica e valutarne il pericolo potenziale.
Conversione termica e conversione chimica di una reazione
La conversione termica è un dato rilevante per lo sviluppo delle reazioni chimiche e descrive la relazione tra il calore di reazione parziale espresso come funzione del tempo e il calore di reazione totale. Il calcolo della conversione termica è basato unicamente sul calore emesso durante la reazione, al contrario della conversione chimica, che invece si basa sulla conversione dei reattanti in prodotti.
Mentre la conversione termica al termine della reazione è sempre pari al 100%, la conversione chimica può essere inferiore e varia a seconda dei parametri di processo scelti. Nello sviluppo chimico, l’obiettivo è indubbiamente ottenere la massima conversione possibile dei reattanti così da ottenere il massimo rendimento possibile.
La calorimetria di reazione unita all’analisi in tempo reale, ad esempio mediante spettroscopia FTIR in situ, è un metodo ideale per studiare lo svolgimento di una reazione chimica, la conversione dei reattanti e la formazione di prodotti, sottoprodotti e intermedi, determinando al contempo dati termodinamici come calore di reazione, flusso di calore, calore specifico e scambio termico.
Risparmio di capitale e riduzione delle spese grazie a uno studio di calorimetria di reazione
Grazie ai dati ottenuti mediante il calorimetro RC1 (come calore di reazione, capacità termica e tasso di produzione del calore) è stato possibile ottimizzare un processo noto ma difficoltoso ed eseguirlo su larga scala in tempi molto ridotti. L’ottimizzazione ha consentito di risparmiare circa 70.000 USD perché non è stato necessario passare da una fase pilota. Inoltre, si sono potuti risparmiare 50.000 USD all’anno sui costi di produzione grazie all’utilizzo di strumenti meno costosi e alle maggiori dimensioni dei lotti di produzione.
Usando un calorimetro di reazione RC1 sono state studiate entrambe le fasi della sintesi di un indolo, ossia la sintesi del fenilidrazone seguita dalla chiusura dell’anello secondo il metodo di Fischer.
L’obiettivo principale dello studio era osservare il tasso di emissione del calore, il calore di reazione e lo scambio termico, oltre a valutare l’impatto della temperatura di reazione e, in una fase successiva, la velocità di dosaggio sui dati menzionati sopra. Sulla base dei dati sperimentali è stato possibile stimare la temperatura e il regime di dosaggio, oltre al tempo e alle prestazioni richieste al sistema di raffreddamento per effettuare la produzione nel reattore dello stabilimento. La possibilità di modificare la reazione esistente per renderla teoricamente controllabile mediante il dosaggio ha inoltre aumentato la sicurezza su scala di produzione, riducendo nettamente la necessità di adottare costose misure di sicurezza.
Il calore di reazione nelle pubblicazioni di settore
Di seguito è riportata una serie di pubblicazioni che trattano il calore di reazione (entalpia di reazione).
- Agosti, A., Bertolini, G., Bruno, G., Lautz, C., Glarner, T., & Deichtmann, W. (2017). Handling Hydrogen Peroxide Oxidations on a Large Scale: Synthesis of 5-Bromo-2-nitropyridine. Organic Process Research & Development, 21(3), 451–459. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00433
- Changi, S. M., & Wong, S. W. (2016). Kinetics Model for Designing Grignard Reactions in Batch or Flow Operations. Organic Process Research & Development, 20(2), 525–539. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.5b00281
- Glotz, G., Knoechel, D. J., Podmore, P., Gruber-Woelfler, H., & Kappe, C. O. (2017). Reaction Calorimetry in Microreactor Environments—Measuring Heat of Reaction by Isothermal Heat Flux Calorimetry. Organic Process Research & Development, 21(5), 763–770. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00092
- Lakshminarasimhan, T. (2014). Predicting 24 and 8 h Adiabatic Decomposition Temperature for Low Temperature Reactions by Kinetic Fitting of Nonisothermal Heat Data from Reaction Calorimeter (RC1e). Organic Process Research & Development, 18(2), 315–320. https://doi.org/10.1021/op400301f
- Mitchell, C. W., Strawser, J. D., Gottlieb, A., Millonig, M. H., Hicks, F. A., & Papageorgiou, C. D. (2014). Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions. Organic Process Research & Development, 18(12), 1828–1835. https://doi.org/10.1021/op500207r
- Wang, J., Huang, Y., Wilhite, B. A., Papadaki, M., & Mannan, M. S. (2018). Toward the Identification of Intensified Reaction Conditions Using Response Surface Methodology: A Case Study on 3-Methylpyridine N-Oxide Synthesis. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(15), 6093–6104. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b03773
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