Safe and selective monitoring of consecutive side reactions

A number of semibatch (SB) processes of fine chemical and pharmaceutical industry may undergo selectivity drops due to the triggering of consecutive degradation reactions of an intermediate target product. The rate of such reactions is normally negligible at the operating conditions specified by the chemical recipe because of the existence of a selectivity gap between the main reaction and the consecutive one. In fact, selectivity loss occurs typically under upset conditions in which both the reactions (that is, the main one and the consecutive one) are triggered. This undesired event may lead to the thermal loss of control of the main reaction and to dangerous temperature rises if the consecutive degradation reaction of the target product is relatively exothermic. Degradation reaction of the reactive mass may lead to dangerous pressure rise which can lead to the physical explosion of the reactor. In this thesis work, on the basis of a fully available set of process variables for calculating a suitable Key Performance Index, a simple kinetic free criterion is presented, through which the marginal ignition of a potential dangerous consecutive reaction can be early detected: this allows for a prompt corrective action aimed to suppress the undesired event, hence recovering the process safety and selectivity. The criterion has been validated using literature data about a relevant industrial oxidation reaction of the fine chemical industry: the selective oxidation of 2-octanol to 2-octanone.

Diversi processi semibatch (SB) dell’industria farmaceutica e della chimica fine possono subire perdite di selettività a causa dell’innesco di reazioni consecutive che portano al consumo del prodotto desiderato. La velocità di queste reazioni è normalmente trascurabile nelle condizioni di esercizio fornite dalla ricetta chimica a causa dell’esistenza di un gap di selettività tra la reazione principale e quella consecutiva. Infatti, la perdita di selettività avviene tipicamente in condizioni inaspettate in cui entrambe le reazioni (la principale e consecutiva) sono innescate. Questo evento indesiderato può portare alla perdita di controllo termico della reazione principale e a pericolosi aumenti di temperature se la reazione consecutiva che degrada il prodotto voluto è relativamente esotermica. La degradazione della massa reattiva può portare a pericolosi aumenti di pressione che possono portare all’esplosione fisica del reattore. In questo lavoro di tesi, sulla base di un set disponibile di variabili di processo per calcolare un adeguato indice di performance, un semplice criterio che non richiede la conoscenza della cinetica è presentato, attraverso cui l’innesco marginale della potenziale reazione consecutiva può essere immediatamente individuato: questo permette azioni correttive tempestive che hanno lo scopo di sopprimere l’evento indesiderato, recuperando la sicurezza e la selettività del processo. Il criterio è stato validato con successo usato dati in letteratura su una rilevante reazione di ossidazione dell’industria della chimica fine: l’ossidazione selettiva del 2-ottanolo a 2-ottanone