Chimica e laboratorio triennio

Prof. TROIANO Sergio

Il metanolo, detto anche alcool metilico, è un importante prodotto della chimica di base ed è usato soprattutto per la produzione dell'aldeide formica, ma anche come anticongelante ed per altri usi di minore importanza.

La formula chimica del metatolo è CH3OH e può essere ottenuto per sintesi dall'ossido di carbonio e l'idrogeno. La reazione chimica è la seguente:

La carica di partenza è dunque una miscela di ossido di carbonio e idrogeno che può essere ottenuta attraverso la produzione del gas d'acqua, in altre parole la gasficazione del coke con vapore acqueo. La reazione di gasficazione del coke è la seguente:

Il processo di gasficazione però è più complesso, e comprende le seguenti due reazioni

C + O2 + 4N2 = CO2 + 4N2 + Q

La prima reazione, che è quella utile e che produce il gas d'acqua, è una reazione endotermica che avviene velocemente e senza l'ausilio di catalizzatori, ma ad alta temperatura (da 700 a 1000 °C), facendo passare vapore acqueo attraverso uno strato di carbone ardente di opportuno spessore. Con il procedere della reazione la temperatura ovviamente diminuisce e quanto raggiunge il valore minimo di 700 gradi circa, occorre sospendere la prima reazione ed attivare la seconda reazione, che essendo esotermica, produce calore e fa aumentare la temperatura dello strato del carbone riportandolo al valore massimo di circa 1000 gradi centigradi.

Assistiamo dunque, ad un susseguirsi di cicli di riscaldamento, che sono passivi, in quanto consumano carbone senza produrre gas d'acqua, ma che sono, lo stesso necessari per riportare la temperatura al valore alto, seguiti poi dai cicli attivi che producono il gas d'acqua.

Dato che le due reazioni devono avvenire nello stesso apparecchio, che in realtà è una vera e propria caldaia, dato che non sarebbe opportuno e forse nemmeno possibile, spostare il carbone ardente, e siccome il gas d'acqua deve essere raccolto e tenuto separato dagli altri gas, è necessario equipaggiare la caldaia con uno swich, cioè una valvola di deviazione, sia in uscita sia in entrata per alimentare in modo corretto la caldaia e smistare, pure in modo corretto i prodotti della combustione.

La regolazione di questi due swich può essere sia manuale che automatica ed in quest'ultimo caso è affidata ad un TC cioè ad un controllore di temperatura, il quale durante la fase del riscaldamento tiene aperte le via d'ingresso dell'aria e quella dell'uscita dei fumi, ed ovviamente, tiene chiusa le condotta d'ingresso del vapore acqueo e quella d'uscita del gas d'acqua. Durante la fase del raffreddamento deve avvenire l'esatto contrario, cioè devono essere aperte le condotte dell'immissione del vapore e quella dell'uscita del gas d'acqua prodotto dalla reazione e chiuse le altre due, cioè quella d'entrata dell'aria e d'uscita del fumo.

La composizione del gas d'acqua a partire dal coke, è però inadatta, perché povera di idrogeno, per essere usata direttamente come carica nella produzione del metanolo e dunque occorre utilizzare, in parallelo ad essa, la produzione del gas d'acqua a partire dai prodotti petroliferi che essendo, per loro natura, già ricchi di idrogeno, portano a produrre una miscela di ossido di carbonio ed idrogeno con un rapporto più favorevole per l'idrogeno.

Partendo dal metano la reazione è la seguente

Che opportunamente accoppiata con l'omologa precedente, consente di ottenere la miscela di CO e H2 nella giusta proporzione richiesta nella reazione di sintesi del metanolo.

Applicando il principio di Le Chatelier alla reazione di sintesi del metanolo

si vede che la reazione è favorita da un'alta pressione e da una bassa temperatura. D'altro canto la velocità di reazione aumenta con l'aumentare della temperatura e dunque, mentre per quanto riguarda la pressione non ci sono dubbi e deve essere la maggiore possibile, per la temperatura il discorso è più complesso perché per migliorare l'equilibrio chimico dovrebbe essere bassa mentre per aumentare la velocità di reazione dovrebbe essere invece alta.

La scelta della temperatura, ma anche quella della pressione, deve essere quindi fatta attraverso un calcolo economico di ottimizzazione per individuare il valore più opportuno. Nei moderni impianti normalmente si opera con una pressione che varia da 150 e fino a 300 bar, ed una temperatura da 300 a 400 °C, condizioni queste che con l'ausilio di un catalizzatore costituito da miscele di ossidi metallici, consentono di ottenere una resa di metanolo, all'equilibrio, di circa il 60%.

Un miglioramento ulteriore del processo può essere ottenuto operando con un eccesso di idrogeno. Da prove fatte sembra conveniente operare con un rapporto tra idrogeno ed ossido di carbonio pari a cinque e quindi ben superiore a quello stechiometrico. Naturalmente l'eccesso di idrogeno usato e che non può in nessun modo reagire, non va, comunque, perduto perché viene separato dal metanolo e riciclato nel reattore.

La separazione del metanolo dai gas che non hanno reagito, data l'enorme pressione cui si trovano, può essere fatta per semplice condensazione raffreddando fino quasi alla temperatura ambiente la miscela e rinviando, previo riscaldamento recuperando calore dai prodotti che si raffreddano.