La Process Analytical Chemistry (PAC) o chimica analitica di processo è l'applicazione della scienza analitica al monitoraggio e al controllo dei processi chimici industriali. Queste informazioni possono essere utilizzate sia per controllare che per ottimizzare le prestazioni di un processo chimico in termini di capacità, qualità, costi, sicurezza di processo, costanza produttiva e riduzione degli sprechi.
In questo articolo approfondiamo il concetto di Process Analytical Chemistry e il contributo di Endress+Hauser in questo settore.
Indice:
- Process Analytical Chemistry: una filosofia dietro al processo
- Process Analytical Chemistry: l’expertise di Endress+Hauser
- Process Analytical Chemistry: alcuni esempi di applicazioni
La chimica analitica di processo è alimentata dai progressi tecnologici e dalle mutevoli esigenze all'interno di questo settore industriale, ma non è una novità: il termine PAC, o meglio la concezione di Process Analytical Chemistry, è stata applicata nelle industrie petrolifere e petrolchimiche già dagli anni ’50, ma attualmente questo settore sta attraversando un periodo di rapido sviluppo in tutte le aree della produzione chimica: oil&gas, prodotti chimici e, biotecnologie, settori del food&pharma e molti altri.
In un tradizionale impianto di produzione chimica, i campioni vengono prelevati dalle aree predisposte e trasportati al laboratorio analitico, tipicamente centralizzato. Qui i campioni vengono analizzati da personale tecnico altamente qualificato utilizzando apparecchiature all'avanguardia che producono risultati nell’arco che va da poche ore a pochi giorni.
Tale analisi viene generalmente utilizzata in retrospettiva, per misurare l'efficienza del processo, per identificare i materiali che devono essere rilavorati o scartati, o nelle sintesi batch multistadio per valutare la carica per la fase successiva. Laddove questi risultati sono fondamentali per la continuazione del processo, quest’ultimo è generalmente progettato per compensare questo ritardo, dando luogo a tempi di cicli più lunghi e a un utilizzo ridotto dell'impianto.
Il controllo del processo in questo ambiente è quindi effettuato da una correlazione sperimentale di parametri fisici come portata, tempi, temperatura, pressione etc. La composizione chimica, la qualità e la resa del materiale prodotto sono poi oggetto di un successivo controllo di questi parametri.
L'implementazione della Process Analytical Chemistry cambia radicalmente questa scena: i punti di analisi PAC si trovano all'interno o immediatamente accanto al processo di produzione, sono progettati per resistere al rigore dell’ambiente di produzione e per offrire un elevato grado di affidabilità. Gli strumenti sono azionati automaticamente e possono essere utilizzati anche da personale non tecnico, come gli operatori di processo.
Endress+Hauser è leader a livello mondiale nell’ambito delle soluzioni analitiche di processo. Le nostre soluzioni di analisi proposte consentono di eseguire misure rapide e in tempo reale dei composti chimici, riducendo al minimo i costi operativi e i rischi per la sicurezza.
Endress+Hauser ha una vasta esperienza nello sviluppo di soluzioni di analisi personalizzate ed è in grado di risolvere problematiche complesse in campo metrologico, ad esempio progettando sonde, rack di analizzatori e strutture di protezione esclusive per processi specifici.
A completamento dell’offerta si trovano servizi come assistenza applicativa completa, dallo studio di fattibilità alla messa in servizio, con contratti di manutenzione e assistenza a lungo termine per la definizione delle tarature.
Le soluzioni di Process Analytical Chemistry di Endress+Hauser sono studiate per soddisfare i requisiti delle norme industriali di tutto il mondo e si avvalgono di una rete mondiale di assistenza e supporto.
La polimerizzazione delle emulsioni viene sfruttata per produrre svariati materiali polimerici, come vernici, adesivi e gomme sintetiche. Questo tipo di reazione si svolge in un ambiente acquoso in cui le specie di monomeri vengono mantenute in un’unica fase per mezzo di un idoneo tensioattivo o emulsionante. È possibile utilizzare una o più specie di monomeri e il polimero o copolimero risultante è una sospensione stabile, che si presenta sotto forma di lattice.
La spettroscopia Raman è particolarmente indicata per monitorare queste reazioni, poiché è sensibile alla misura di doppi legami specifici e non vi sono problemi di interferenza dovuti alla matrice acquosa. I rapporti di banda possono compensare le variazioni dei valori di intensità totale della reazione misurati. I vantaggi principali risiedono nel fatto che l’acqua non interferisce con la misura nelle soluzioni acquose, vi è la possibilità di eseguire misure attraverso le pareti o le finestre in vetro dei reattori, e si ottiene un’eccellente correlazione con i dati cromatografici e gravimetrici.
La chiusura di un impianto a causa della presenza di gas non conformi alle specifiche può comportare costi elevati, specialmente nell'industria petrolchimica.
Gli analizzatori TDLAS consentono di monitorare la qualità dei gas di alimentazione mediante la misura selettiva di contaminanti come ammoniaca (NH3), umidità (H2O) o acetilene (C2H2). Queste misure contribuiscono a migliorare il controllo di processo, a rispettare le specifiche di prodotto, a evitare l'avvelenamento del catalizzatore e a ridurre al minimo il gas flaring. Gli analizzatori forniscono misure affidabili nel giro di pochi secondi, permettendo di intervenire rapidamente. Endress+Hauser in questo caso fornisce soluzioni di analisi complete, che comprendono sistemi di estrazione e condizionamento del campione e armadi idonei per gli analizzatori.
Le reazioni di polimerizzazione vengono spesso eseguite in batch semiautomatici. Ciò consente di controllare attentamente la composizione del prodotto per creare materiali ad alte prestazioni con caratteristiche personalizzate definite in modo molto accurato. Durante la reazione si richiede un controllo rigoroso delle concentrazioni dei reagenti, per evitare che il prodotto finale abbia caratteristiche indesiderate: non basta aggiungere i reagenti nelle proporzioni corrette.
Gli analizzatori Raman di Endress+Hauser sono sensibili a gruppi funzionali specifici, come le frazioni viniliche e alchiliche comuni nei monomeri che partecipano alla polimerizzazione. La semplice interfaccia di campionamento e il collegamento in fibra ottica con l’unità di base offrono una grande flessibilità, permettendo un’installazione ottimale dell’apparecchiatura in relazione alla posizione dei reattori batch o delle linee di processo.
I vantaggi in questo caso risiedono nella disponibilità di opzioni per ottiche senza contatto, per eseguire le misure attraverso le finestre dei reattori; nella possibilità di utilizzare un unico analizzatore fino a quattro reattori batch o flussi di processo; nell’uniformità assicurata tra un batch e l’altro a livello di peso medio molecolare e polidispersità.
In conclusione, la Process Analytical Chemistry è una scienza multidisciplinare: l’obiettivo di ogni progetto dovrebbe essere quello di definire la filosofia ottimale di controllo, misurazione e analisi del processo, che richiede l’impegno di diverse figure all’interno dell’impianto, nonché di partner specializzati.
Endress+Hauser nel corso degli anni ha installato oltre 2000 analizzatori di processo Raman in tutto il mondo e ha registrato oltre 100 brevetti relativi alla strumentazione spettrografica Raman e alla tecnologia olografica.
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