Optymalizacja i intensyfikacja procesów chemicznych z wykorzystaniem reaktorów

z wykorzystaniem reaktorów przepływowych

Optymalizacja, zgodnie z ogólną definicją, to metoda prowadząca do uzyskania najlepszej wydajności procesu chemicznego, czyli w praktyce wyznaczenie najbardziej korzystnych warunków prowadzenia danej reakcji chemicznej. Jej głównym celem powinno być wykorzystywanie dostępnych zasobów i jednoczesne minimalizowanie strat. Zoptymalizowany proces chemiczny powinien zapewniać maksymalną wydajność (wysoka jakość i maksymalna ilość produktu przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa operatora i dbałości o środowisko), a jednocześnie wykorzystywać minimalny wkład (surowców, energii, nakładu pracy itd.). Jest to najbardziej korzystny układ, do którego powinno się dążyć w czasie optymalizacji wybranej reakcji czy procesu chemicznego. Tego typu optymalizacja jest przykładem optymalizacji wielokryterialnej. Przy odpowiednim zaprojektowaniu zoptymalizowanego procesu można również zminimalizować nadmierne zużywanie i marnotrawienie zasobów naturalnych.83 Wraz z postępem technologicznym rosło zainteresowanie i zapotrzebowanie na metody optymalizacji, których celem jest redukcja kosztów, a także oszczędność czasu. Obecnie optymalizacja jest niezbędnym narzędziem wykorzystywanym we wszystkich aspektach nowoczesnej technologii i inżynierii chemicznej, od etapu badań i rozwoju po produkcję w skali przemysłowej.⁸⁴

Synteza chemiczna zwykle wymaga pracochłonnej, często żmudnej optymalizacji warunków reakcji metodą prób i błędów. Nie zawsze dane dostępne w literaturze pozwalają na szybką i skuteczną optymalizację. Jak wspomniano w podrozdziale

29

reakcji prowadzonych w reaktorach okresowych nie zawsze da się łatwo wykorzystać w celu optymalizacji reakcji w reaktorach przepływowych. Niezoptymalizowane reakcje chemiczne są nieefektywne pod względem czasu ich prowadzenia i ilości zużytych odczynników (w tym również katalizatorów dla reakcji katalitycznych), a ich przeprowadzenie staje się przez to kosztowne. Poszukiwanie optymalnych warunków prowadzenia reakcji chemicznych ma ogromne znaczenie dla badań prowadzonych zarówno w skali laboratoryjnej, jak również dla produkcji przemysłowej.⁸⁵

Wydajność jest kluczowym parametrem optymalizacji. Dany proces można zoptymalizować biorąc pod uwagę pojedynczą jednostkę (np. jeden reaktor chemiczny danego typu) lub uwzględniając wiele jednostek jednocześnie (np. system dystrybucji wody, sieć wymienników ciepła czy kaskadę reaktorów). Optymalizacja procesu obejmuje określenie parametrów procesu (temperatura, ciśnienie, pH, czas itp.), które mają zapewnić jego maksymalną wydajność. Chemicy zajmujący się optymalizacją reakcji chemicznej najczęściej zmieniają jeden z parametrów (np. temperaturę czy stosunek substratów), jednocześnie obserwując wpływ tej zmiany na wydajność danego procesu. Z założenia taka zmiana ma prowadzić do poprawy wydajności czy selektywności reakcji albo mieć wpływ na aspekt ekonomiczny czy ekologiczny danego procesu poddawanego optymalizacji. Wpływ na czas, który zajmuje optymalizacja, ma również fakt czy jest to reakcja znana mająca odnośniki w literaturze czy jest to zupełnie nowy proces bądź proces znany, ale optymalizowany z wykorzystaniem zupełnie nowych narzędzi lub nowatorskiego połączenia znanych narzędzi, co może wymagać drastycznej zmiany warunków prowadzenia tej reakcji. Ważne jest to, żeby proces optymalizacji był jak najszybszy.⁸⁶ Przez długi czas optymalizacja procesów chemicznych koncentrowała się na rozwiązywaniu pojedynczych problemów (optymalizacja jednokryterialna). Obecnie podejście do opracowywania strategii obejmującej optymalizację reakcji chemicznej musi uwzględniać jednocześnie różne cele, m.in. ilość zużywanej energii czy wpływ na środowisko. Często, cele te wzajemnie się wykluczają, bądź pojawiają się ograniczenia sprzętowe lub ekonomiczne. Na przykład proces może być bardzo wydajny, ale jednocześnie w wyniku jego prowadzenia mogą powstawać duże ilości szkodliwych odpadów chemicznych.⁸⁷

Optymalizacja jest odpowiednim narzędziem służącym do intensyfikacji procesów chemicznych. Intensyfikacja procesu chemicznego, zgodnie z definicją, to każda zmiana/rozwój, która prowadzi do opracowania technologii prowadzenia danego procesu chemicznego w sposób, który ogranicza koszty jego prowadzenia, m.in., poprzez

30

uzyskanie wyższych wydajności/selektywności, obniżone zapotrzebowanie na energię, mniejszą ilość wytwarzanych odpadów czy znacznie większą ilość produktu, którą można uzyskać w przeliczeniu na jednostkę powierzchni produkcyjnej w skali przemysłowej.88 Ta koncepcja inżynierii chemicznej została opracowana po raz pierwszy w latach siedemdziesiątych XX wieku i opisana przez Zbigniewa Leszczyńskiego w Przemyśle

Chemicznym.⁸⁹ Od tego czasu jest stosowana w celu zmniejszenia wpływu procesów chemicznych na środowisko90 oraz poprawy wydajności reakcji i konwersji substratów.^91,92,93 Często jest to też krok w kierunku stosowania zasad tzw. zielonej chemii. Zgodnie z podziałem zaproponowanym przez Andrzeja Stankiewicza i Jacoba Moulijn intensyfikację procesów chemicznych można podzielić na dwie kategorie: (1) urządzenie niezbędne do intensyfikacji procesu (np. nowe reaktory chemiczne), który służy do optymalizacji krytycznych parametrów reakcji (transfer ciepła, przenoszenie masy czy mieszanie) oraz (2) metody intensyfikacji procesów, w ramach których wiele etapów jest zintegrowanych w ramach jednej operacji jednostkowej czy techniki wykorzystujące alternatywne źródła energii (np. ultradźwięki). Są to bardzo szerokie kategorie, które często się pokrywają.88 Intensyfikację procesu chemicznego można osiągnąć między innymi dzięki skróceniu czasu trwania reakcji i jednoczesnemu utrzymaniu wysokiej wydajności, którą można odnieść do liczby gramów produktu reakcji otrzymywanego w ciągu godziny w przeliczeniu na objętość reaktora.94

Metody syntezy związków chemicznych w systemach przepływu ciągłego są często wymieniane jako przyjazne dla środowiska i ekonomicznie korzystne alternatywy dla reakcji prowadzonych w reaktorach okresowych ze względu na mniejsze zużycie zasobów i wyższą efektywność energetyczną.^95,96 Systemy ciągłego przepływu są wykorzystywane jako narzędzia do intensyfikacji procesów w szeregu różnych reakcji chemicznych.81,97-101 Podczas procesu optymalizacji reakcji chemicznej przeprowadzanej w reaktorach okresowych należy za każdym razem przeprowadzić pełen cykl reakcyjny rozpoczynający się od załadowania reaktora, a kończący się na czyszczeniu i jego ponownym załadowaniu (podrozdział Reaktor okresowy). Natomiast w przypadku reaktorów przepływowych, analizę wyników reakcji w czasie rzeczywistym pozwala na szybką optymalizację warunków prowadzenia danej reakcji chemicznej (Rysunek 13).

Uniknięcie etapu przygotowań i jednocześnie możliwość szybkiej zmiany warunków (zmiany temperatury, prędkości przepływu reagentów czy ciśnienia) oraz modułowość systemów przepływu ciągłego jest ogromną zaletą i niezaprzeczalnie pozwala na szybką optymalizację i intensyfikację wybranego procesu chemicznego.

31

Optymalizacja reakcji chemicznych często jest kosztowna i wymaga znacznych nakładów zarówno materiałów, jak i czasu. Rozwiązaniem dla tego typu trudności może być zastosowanie systemów przepływu ciągłego.102 Optymalizacja parametrów reakcji w reaktorach przepływowych jest dużo łatwiejsza w porównaniu z reaktorami okresowymi. Co więcej, umożliwia jednoczesne optymalizowanie wielu parametrów w bardzo krótkim czasie.^103,104 W czasie przeprowadzenia serii reakcji w reaktorach przepływowych można uzyskać w krótkim czasie dużą liczbę danych pozwalających na opracowanie wydajnej metody jej prowadzenia. Jest to niezwykle użyteczne dla reakcji, gdzie ilość substratów wyjściowych jest niewielka, ponieważ optymalizacja takiej reakcji w reaktorze przepływowym wymaga użycia niewielkiej ilości danego związku chemicznego.105 W przypadku reakcji chemicznych, gdzie otrzymywanych jest więcej niż jeden produkt i pojawiają się problemy z selektywnością, często łatwiej jest dobrać właściwe warunki prowadzenia danej reakcji w systemie przepływu ciągłego i zoptymalizować proces tak, aby otrzymywać pożądany produkt z wysoką wydajnością i selektywnością w porównaniu z wydajnością i selektywnością tej samej reakcji prowadzonej w reaktorze okresowym.106,107 Ponadto, optymalizacja temperatury i czasu prowadzenia reakcji jest generalnie łatwiejsza do przeprowadzenia, gdy reakcja prowadzona jest w reaktorze przepływowym, ponieważ jego zastosowanie pozwala na precyzyjną kontrolę temperatury wewnątrz reaktora i jej szybką zmianę. Czas trwania reakcji można zmieniać i dopasowywać za pomocą zmian prędkości przepływu reagentów.^81,108 Zastosowanie reaktorów przepływowych do optymalizacji reakcji chemicznych pozwala również na badania kinetyki reakcji, jej mechanizmu i jest niezwykle użyteczne przy konwersji danego procesu ze skali laboratoryjnej do skali

32

przemysłowej.105 Optymalizację reakcji chemicznej można przeprowadzić najpierw z wykorzystaniem reaktorów okresowych, których zastosowanie pozwala na uzyskanie informacji o optymalnych warunkach prowadzenia danej reakcji. Uzyskane dane można następnie wykorzystać podczas prób optymalizacji tej reakcji z zastosowaniem reaktorów przepływowych. Można również w ten sposób próbować optymalizować reakcje chemiczne, które w reaktorze okresowym dawały niezadowalające wyniki wydajności. Przeprowadzając je z wykorzystaniem systemów przepływu ciągłego można uzyskać poprawę wydajności takich reakcji bez drastycznej zmiany warunków ich prowadzenia.81

Chemicy opracowali szeroką gamę technik analitycznych służących do charakteryzowania produktów pośrednich oraz produktów reakcji, ich właściwości czy struktury. Są to techniki wykorzystywane zarówno po etapie wydzielenia i oczyszczenia tych związków, ale również w czasie rzeczywistego przebiegu reakcji. W tym drugim przypadku służą one do monitorowania konwersji substratów, tworzenia produktu, ale również do monitorowania parametrów i kinetyki reakcji.109 Zebrane w ten sposób dane i ich analiza są kluczowym etapem optymalizacji i intensyfikacji reakcji chemicznych. Połączenie metody analitycznej służącej do optymalizacji warunków prowadzenia reakcji w czasie rzeczywistym z zaletami prowadzenia reakcji chemicznej w reaktorach przepływowych oraz automatyzacja całego procesu optymalizacji stanowiło ogromny rozwój i pozwoliło na szybsze i wydajniejsze optymalizowanie procesów chemicznych.110

Przykładem takiej techniki analitycznej jest spektroskopia IR in situ. Pozwala ona na kontrolę przebiegu reakcji, jej optymalizację (czas w którym reakcja osiąga poziom równowagi i potwierdzenie powstawania pasm absorpcji odpowiadających powstawaniu produktu danej reakcji), a także korelację danych otrzymanych w ten sposób z danymi z chromatografii gazowej czy spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego. Jej zastosowanie dostarcza również informacji o przemianach zachodzących podczas reakcji (np. powstawaniu produktów pośrednich). Taki sposób monitorowania przebiegu reakcji wykorzystano w szeregu reakcji, zarówno w katalizie homo- jak i heterogenicznej,^102,111,112 w monitorowaniu reakcji biochemicznych,¹¹³ a także w elektrochemii.¹¹⁴ Co więcej, ten sposób kontroli przebiegu reakcji może być wykorzystywany zarówno w przypadku reakcji prowadzonych w reaktorach okresowych, jak również w reaktorach przepływowych.⁸¹ Technikę tę można również wykorzystać podczas zwiększania skali prowadzenia wybranej reakcji. Chen i in.¹¹⁵ opisali użycie spektrometru IR in situ ReactIR, który posłużył do intensyfikacji i zwiększenia skali reakcji heterogenicznego aromatycznego uwodornienia aromatycznych związków nitrowych.