sistemi di controllo per reattori cstr

Reattori
LEZIONI DI CONTROLLO E SICUREZZA
DEI PROCESSI IN AMBITO FARMACEUTICO
ING. MAURIZIA SEGGIANI
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REATTORI CHIMICI
Reattori chimici
Per reattore si intende il contenitore nel quale viene fatta avvenire una reazione o una
serie di reazioni chimiche. Di norma i reattori possono essere suddivisi in due categorie:
1. reattori discontinui (batch o semibatch)
2. reattori continui, i quali possono a loro volta essere classificati in due gruppi
principali:
a) reattori a perfetta miscelazione (Continous Stirred Tank reactor, CSTR)
b) reattori con flusso a pistone (Plug Flow Reactor, PFR).
Nella progettazione di queste apparecchiature si fa ricorso ai bilanci di materia e di
energia (quest’ultimo utilizzato prevalentemente quando il sistema non e isotermo),
nonché alle equazioni relative alla cinetica della reazione che avviene all’interno del
reattore.
REATTORI BATCH
Reattore batch ideale
In un reattore di questo tipo i reagenti sono inizialmente caricati all’interno dell’apparecchio dove
vengono ben mescolati e lasciati reagire per il tempo necessario. Il prodotto finale viene quindi
scaricato. Questa è un’operazione in regime variabile in quanto la composizione cambia nel tempo.
Nell’analisi di questo tipo di sistemi generalmente si suppone che in ogni punto del reattore la composizione sia la stessa
(condizione di idealità). Di seguito V, detto volume del reattore, si riferisce in pratica al volume del fluido contenuto nel
reattore. Le portate entranti ed uscenti sono entrambe nulle per cui, considerando il bilancio rispetto ad un generico
componente A si ha:
REATTORI CSTR
In questo tipo di reattore, i reagenti in ingresso vengono perfettamente miscelati e il prodotto di
reazione viene prelevato con continuità. Si tratta di un reattore il cui contenuto ha la stessa
composizione in ogni punto e la corrente uscente ha la stessa composizione del fluido all’interno del
reattore (condizione di idealità).
REATTORI PFR
Un reattore PFR e schematizzabile come un tubo che viene alimentato con i reagenti e da cui
fuoriescono continuamente i prodotti di reazione.
In un reattore di questo tipo si suppone che la portata della miscela reagente sia tale da non consentire
diffusione assiale (ne nel verso della corrente ne in senso opposto) e che la concentrazione delle diverse
specie sia la stessa in tutti i punti appartenenti alla stessa sezione retta (condizione di idealità).
Presupposto affinché possa esistere flusso a pistone e che ogni particella fluida attraversi il reattore con
la stessa velocità ossia il tempo di permanenza nel reattore sia lo stesso per tutte le particelle. Il bilancio
di materia effettuato sulla porzione di reattore compresa tra due sezioni rette poste tra loro alla distanza
dz, fornisce (supponendo il sistema in condizioni stazionarie, ossia ad accumulo nullo):
ESERCIZI SU CSTR E PFR
La reazione A  B è condotta isotermicamente in un reattore a flusso continuo. Calcolare i volumi
di un CSTR e di un PFR necessari a consumare 99% di A (CA0 = 0.5 mol/L), assumendo che la
velocità di reazione rA sia:
1. rA = k con k = 0.05 mol/(h L)
2. rA = kCA con k = 0.0001 s-1
3. rA = kCA2 con k = 3 L/(mol h)
La portata volumetrica entrante Q è di 10 L/h.
VCSTR ≈ 21.5 VPFR
VCSTR = 100 VPFR
OSSERVAZIONE
Come si può vedere dai risultati ottenuti, solo nel caso 1 è indifferente usare un reattore CSTR o PFR,in quanto la velocità di
reazione è indipendente dalla concentrazione della specie A. Nei casi 2 e 3 invece risulta più conveniente usare un reattore PFR in
quanto, a parità di conversione raggiunta, si deve utilizzare un volume minore rispetto a un reattore CSTR.
PRESTAZIONE DEL REATTORE
il fattore stechiometrico rappresenta il numero di moli del reagente richieste per
1 mole del prodotto. Quando più di un reagente è richiesto o più di un prodotto è
prodotto le equazioni sopra si possono applicare a ciascun reagente o prodotto.
PRESTAZIONE DEL REATTORE
SCELTA DEL REATTORE
In generale si può dire che, nell’ambito del processo chimico in cui si trova inserito, il reattore
chimico deve assolvere a tre compiti principali (o a una parte di essi):
1. fornire il tempo di residenza necessario per garantire la conversione desiderata (produttività);
2. scambiare calore nel modo e con i sistemi più convenienti;
3. favorire il contatto tra i reagenti (ad esempio per agitazione e rimescolamento delle fasi
presenti durante la reazione) e le condizioni per avere alta selettività.
In linea generale i fattori principali che influenzano la scelta e la costruzione dei reattori sono i
seguenti:

lo stato fisico delle fasi coinvolte nelle reazioni;

il livello di temperatura da raggiungere;

il campo di pressioni operative;

il tempo di residenza;

la quantità da produrre;

la continuità o meno dell’operazione;

la necessità di scambiare calore;

la necessità di controllare la temperatura;

l’esigenza di agitare e di uniformare l’ambiente in cui avviene la reazione;

la presenza di rilevanti fenomeni di corrosione.
SCELTA REATTORE
Vediamo adesso quale tra le tipologie di reattori è da preferire a seconda del sistema di reazione:
1. Reazioni singole.
Più è alta la concentrazione dell’alimentazione e più alta è la velocità di reazione. Pertanto per le
reazioni singole il reattore batch o PFR sono da preferirsi rispetto al CSTR, in quanto in
quest’ultimo caso il reattore opera alla concentrazione più bassa che è quella di uscita. Quindi, a
parità di conversione, il CSTR richiede un volume più grande del PFR.
2. Reazioni multiple in parallelo con formazione di sottoprodotti. Un batch o un PFR
consentono di operare a più alte concentrazioni CFEED rispetto al CSTR. Se a1 > a2, la reazione
principale è favorita da alte concentrazioni CFEED. Se a1 < a2, la reazione principale è favorita da
basse concentrazioni CFEED. Quindi,
In termini generali, se la reazione principale ha un ordine di reazione maggiore a
quello della reazione secondaria si deve optare per un batch o un PFR.
3. Reazioni multiple in serie che producono sottoprodotti. Il CSTR
risulta dare una minore selettività rispetto a batch e al PFR che sono,
pertanto, da preferire per le reazioni in serie.
4. Reazioni in parallelo e in serie che producono sottoprodotti.
Consideriamo il seguente sistema di reazioni:
Per avere alta selettività riguardo alle reazioni in parallelo con produzione del
sottoprodotto ad una data conversione, se:
Le reazioni in serie con sottoprodotto richiedono un batch o PFR. Quindi, per il
sistema sopra si ha:
CONTINUO VS BATCH
I principali fattori che ci aiutano a decidere se un processo opererà in modo discontinuo o continuo sono:
Produzione
Gli impianti che hanno capacità produttive > 5000 tonn/anno sono normalmente continui, mentre quelli con
capacità < 500 tonn/anno sono normalmente discontinui. Gli impianti con alte produzioni risultano più economici
se operano in continuo dato il più efficiente utilizzo delle apparecchiature 24 ore su 24 che portano a volumetrie
delle apparecchiature ridotte rispetto ai processi batch a parità di produzione.
Tipologia dei prodotti

Prodotti stagionali: ad esempio i fertilizzanti vengono venduti solo un mese prima della primavera. Se il
fertilizzante è prodotto durante tutto l’anno si deve tener conto degli elevati costi per lo stoccaggio e
l’immagazzinamento durante tutto l’anno prima della vendita.

Prodotti diversificati: usualmente gli impianti discontinui sono più flessibili rispetto ai continui. Grazie a
questa flessibilità sono comunemente usati quando si desidera produrre un ampio numero di prodotti in uno
stesso impianto (formulazioni farmaceutiche).

Prodotti rintracciabili: per alcuni prodotti, ad es. prodotti farmaceutici e alimentari, si richiede la
rintracciabilità del prodotto in modo da identificare per ogni lotto di prodotto ottenuto le specifiche condizioni
operative adottate per la sua produzione. Ciò può essere ottenuto solo operando in batch.
Problemi operativi:

Reazioni molto lente: alcune reazioni sono così lente che i reattori discontinui sono la sola soluzione possibile
(es. reazioni biochimiche).

Sospensioni: nel caso in cui si devono maneggiare piccole quantità di sospensioni che possono dar luogo a
depositi di solidi e/o problemi di pompaggio in sistemi continui, operare in modo discontinuo è consigliabile,
poiché l’equipaggiamento può essere periodicamente scaricato e pulito dopo ciascun ciclo di produzione.

Necessità di sterilizzare periodicamente l’equipaggiamento (caso frequente nell’industria alimentare e
farmaceutica).
I processi chimici finalizzati alla produzione dei principi attivi dei prodotti farmaceutici e, in
genere, di prodotti ad alto valore aggiunto in quantità contenute operano generalmente in
discontinuo.
CONTINUO VS BATCH
Una caratteristica dei processi discontinui è che spesso è possibile realizzare più
operazioni in una stessa apparecchiatura, mentre in un processo continuo si richiedono
tante unità quante le operazioni richieste. Ad esempio, supponiamo che in impianto
continuo noi dobbiamo riscaldare i reagenti prima di inviarli al reattore e poi la miscela
viene raffreddata all’uscita del reattore per poi inviarla al sistema di separazione:
In un processo discontinuo si può usare il reattore anche come riscaldatore e
raffreddatore. In questo modo una singola apparecchiatura è impiegata per le tre
operazioni:
REATTORI SU SCALA KILO LAB E PILOTA
Reattori kilo lab: sono utilizzati per il primo scale-up
per produrre quantità di principio attivo sufficiente per
avviare I test preliminari sul farmaco quali test
tossicologici o clinici. Tali reattori sono progettati per
produrre quantità variabili da 100 g ai 10 kg di
materiale con lotti tipici 2-3 kg (da qui il termine kilo
lab). Le dimensioni del reattore di solito vanno da 20 a
100 L e sono fatti di vetro. I reattori kilo lab sono molto
flessibili al fine di consentire un ampio range di
condizioni operative.
Reattori pilota: sono più grandi e con assemblaggi
che si avvicinano maggiormente ai reattori di
produzione industriale. Le dimensioni differiscono tra le
aziende variando da 200 a 4000 L. L'impianto pilota,
come il laboratorio chilo, deve operare con un certo
grado di flessibilità. Tuttavia, gli impianti pilota hanno
in genere più infrastrutture e requisiti normativi per la
qualità, la sicurezza e l’ambiente. Tali reattori vengono
fatti operare da 16 ore al giorno e 5 giorni alla settimana
a 24 ore per 7 giorni a settimana a seconda del processo
chimico da realizzare e/o la quantità da produrre.
Apparecchiature portatili quali serbatoi mobili, filtri,
pompe, e strumenti analitici vengono integrate al
reattore per supportare le esigenze specifiche del
processo.
Un tipico reattore in vetro kilo lab (10 L)
3 reattori pilota (1000–4000 L) con il relativo
piping di testa.
Sistemi di regolazione del reattore
Al fine di garantire una certa qualità del prodotto e danni impiantistici di solito generati da deviazioni dei
parametri di processo dalle corrette condizioni di esercizio, sono installati sui reattori diversi sistemi di
regolazione.
La gestione più o meno automatizzata di tali parametri è influenzata da molti fattori che riguardano la
complessità del processo e la pericolosità intrinseca della reazione.
Generalmente i parametri fisici quali temperatura, pressione, livello e portata sono monitorati in
continuo, mentre altre proprietà come ad esempio pH, concentrazione, viscosità e torbidità, sono
controllate attraverso campionamenti o a fine ciclo.
In generale i sistemi di regolazione di queste grandezze sono costituiti dai seguenti componenti:

l’elemento sensibile che rileva la variazione del parametro di processo che deve essere mantenuto ad
un determinato valore di set-point;

il trasduttore, in grado di ricevere il segnale (generalmente elettrico) da parte dell’elemento sensibile
e di trasmetterlo all’organo di intervento;

l’organo di intervento, l’elemento impiantistico che interviene, in base al segnale trasdotto e
amplificato, su un parametro di processo la cui variazione ha effetto, direttamente o indirettamente, sul
parametro controllato dall’elemento sensibile.
I segnali provenienti dai trasmettitori possono essere inviati ad allarmi ottici o acustici, soprattutto
quando l’azione di controllo richiede l’intervento umano, e a dispositivi di blocco. I principali dispositivi
di intervento sono collocati normalmente sulle tubazioni di adduzione e scarico del reattore o sul reattore
stesso.
I dispositivi di blocco arrestano il processo o alcune operazioni sia per effetto dell’intervento di un
operatore sia automaticamente, quando una o più variabili di processo superano i valori di guardia
prestabiliti, dopo che i sistemi di regolazione ordinari sono risultati inefficaci.
Nei processi continui e semicontinui i sistemi di blocco agiscono prevalentemente sulle linee di adduzione
dei reagenti bloccandone l’immissione in modo da limitare la quantità di calore generato in caso di deriva
termica.
Sistemi di protezione del reattore
L’ultimo livello di sicurezza installato sul reattore è rappresentato da sistemi di protezione (protezione passiva) quali
dischi di rottura, valvole di sicurezza e linea di blow-down che consentono di limitare i danni alle persone, all’impianto e
all’ambiente, ma implicano, di solito, lo spreco della massa in reazione.

Le valvole di sicurezza (PSV) sono sistemi aggiuntivi alle valvole di sfiato. Hanno dimensioni maggiori ed
intervengono quando la sovrapressione interna supera determinati limiti di set-point e le valvole di sfiato risultano
insufficienti. Tali valvole sono in genere collegate a sistemi di “convogliamento” (blow-down) che, raccogliendo lo
sfiato di emergenza, mitigano le conseguenze di un rilascio in atmosfera. Tale linea di blow-down è costituita da una
serie di apparecchiature: scrubber (abbattitore), serbatoio polmone, pompe di ricircolazione del fluido di
abbattimento, camino o torcia.

I dischi di rottura (RD) sono dispositivi di sicurezza pronti ad intervenire in caso di mancato intervento degli altri
sistemi visti in precedenza o, in caso di sovrapressioni più elevate, efficaci per evitare il collasso del reattore.

Lo sfiato di tali dischi di rottura è talvolta collegato a sistemi di blow-down.
dischi di rottura
Rappresentazione di un
disco di rottura esploso
Valvola a molla (il più semplice tipo di
valvola di sicurezza)
Disco di rottura e valvola di sicurezza in serie e in
parallelo.
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
Un buon sistema di controllo di un reattore CSTR prevede:
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
La configurazione del sistema di controllo risulterà quindi la seguente:
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
Se nel reattore si ha un componente o un solvente al punto di bolla è possibile
aggiungere un condensatore a ricadere che sottragga calore all’ambiente di
reazione.
Problemi:
Occorre mantenere il condensatore
sufficientemente in alto per assicurare
un’adeguata colonna di liquido di ritorno
Occorre evitare il flooding di liquido nel
condensatore
Occorre prevedere uno spurgo per gli
incondensabili
Occorre aggiungere una camicia per
raffreddare il reattore durante lo
spegnimento dello stesso, quando cioè
non c’è più produzione sufficiente di
vapore
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI CSTR
In alcuni casi il controllo di temperatura di un CSTR non può essere effettuato tramite
manipolazione del refrigerante (ad esempio se si hanno pareti con spessori molto elevati). In questi
casi si può intervenire manipolando la portata di reagente:
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI PFR
È interessante ed efficiente operare con un PFR equivalente ad uno scambiatore shell & tube dove
la reazione avviene nei tubi mentre lato mantello scorre il fluido refrigerante/riscaldante.
Quale temperatura controllare ?
1. Quella di uscita  è comoda perché evita di inserire termocoppie nell’ambiente di reazione
2. Quella di picco nel reattore  se il picco dipende dalle condizioni operative
Dato che il picco di temperatura può muoversi lungo il reattore, è necessario introdurre
longitudinalmente alcune termocoppie individuando quella a temperatura maggiore tramite un
opportuno selettore.
Problema: la posizione del picco di temperatura si muove
lungo il reattore a seconda delle condizioni operative (portata
e concentrazione di ingresso, temperatura).
Soluzione: si dispongono diverse termocoppie lungo il reattore,
e si affida ad un sistema di auctioneering (ovvero, un selettore di
Massimo, HS) il compito di selezionare la massima temperatura
da inviare al controllore. In questo modo, si può ragionevolmente
pensare di individuare la posizione del picco di temperatura (hot spot).
Come introdurre il refrigerante o riscaldante ?
1. Fornire una portata molto grande che perciò rimane a temperatura quasi costante (anche
tramite ebollizione o condensazione);
2. Fornire una portata contenuta in controcorrente;
3. Fornire una portata moderata in equicorrente: uno dei vantaggi consiste nel NON introdurre
feedback termico nel sistema (eventuali instabilità);
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI PFR
È possibile suddividere il reattore in più sezioni operanti adiabaticamente ed effettuare dei
raffreddamenti intermedi (reattore a strati adiabatici).
Il raffreddamento intermedio è utile anche per reazioni esotermiche reversibili, al fine di allontanarsi
dalle condizioni di equilibrio chimico (sintesi NH3 ed SO3).
SISTEMI DI CONTROLLO PER REATTORI PFR
I sistemi di controllo delle variabili di processo (principalmente temperatura e pressione) nei
reattori kilo lab, pilota e industriali hanno i seguenti obiettivi:

Fornire il controllo dei parametri di processo e di utilità per mantenere un funzionamento
sicuro e ridurre la variabilità del processo e conseguentemente del prodotto finale.

Notificare all'operatore quando il processo sta avvenendo in condizioni fuori range.
Il sistema di controllo si basa su strumenti di
misura, quali termocoppie e sensori di pressione,
ed elementi di controllo quali valvole che vengono
azionate da sistemi di controllo stand-alone o da
sistemi di controllo di processo computerizzati
quale un sistema di controllo distribuito dove
centinaia di anelli di controllo vengono eseguiti.
Questi sensori facilitano anche l'acquisizione di
dati in continuo (ad esempio, temperatura,
pressione) e gli eventi discreti (ad esempio,
quando una valvola si apre o si chiude durante la
carica).
Tipico loop di controllo della temperatura in
un reattore batch

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