Determinazione dei parametri di processo sicuri per la produzione in continuo di essenze aromatiche

The aim of this work is to evaluate the feasibility of the continuous passage of the production process of 16-hexadecanolide, a cyclic macro-lactone used for the production of white musk fragrance. The considered reaction, proposed by Story, presents numerous critical issues, including 1) very high exothermicity, 2) marked dependence of the reaction kinetics on the initial concentration of reagent (cyclohexanone triperoxide) 3) release of carbon dioxide. For these reasons, this reaction cannot be safely carried out in a large batch reactor. The use of a tubular mini-reactor, that is very similar to a classic PFR reactor, with a productivity comparable to market requirements, was therefore hypothesized. Due to the need to ensure continuous gas venting, Teflon tubes (CO2 permeable) have been selected, which are commercially available only in a small range of internal diameters (0.8, 3, 6 mm). For the flow rates on interest, the reactor always work under laminar flow (Re<2300). The optimal operating conditions for the safe conduction of the process, in terms of the inlet temperature of cyclohexanone triperoxide (in a suitable solvent) and the temperature of the thermoregulating fluid, were identified by choosing the maximum values of these variables that were, however, below their corresponding runaway boundaries. For the purposes of this analysis, the criterion of the parametric sensitivity of the maximum system temperature with respect to the above parameters was used, considering both traditional literature models (one-dimensional) and two-dimensional models, which take into account the effects of radial dispersion and diffusion, as well as the presence of a laminar flow. The results showed that the runaway borders identified by two-dimensional models are less conservative than the simplified 1D models.

Scopo di questo lavoro di tesi è valutare la fattibilità del passaggio in modalità continua del processo di produzione del 16-esadecanolide, un macrolattone ciclico impiegato per la produzione della fragranza di muschio bianco. La reazione in esame, proposta da Story, presenta una serie di criticità, tra cui 1) l’elevatissima esotermicità, 2) la marcata dipendenza della cinetica di reazione dalla concentrazione iniziale di reagente (triperossido di cicloesanone) e, 3) la liberazione di anidride carbonica. Per questi motivi, tale reazione non può essere condotta in sicurezza in un reattore discontinuo di elevate dimensioni. Si è quindi ipotizzato l’impiego di un mini-reattore tubulare, il cui funzionamento è assimilabile a quello di un classico reattore PFR, con produttività confrontabili con le richieste dal mercato. Data la necessità di assicurare un continuo sfiato di gas, sono stati scelti tubi in Teflon (permeabili alla CO2), che sono commercialmente disponibili solo in una ridotta gamma di diametri interni (0.8, 3, 6 mm). Ciò comporta problemi relativamente al flusso della miscela reagente entro il reattore, che risulta essere sempre di tipo laminare per il range di portate di interesse. Le condizioni operative ottimali per la conduzione in sicurezza del processo, in termini di temperatura di ingresso del triperossido di cicloesanone (in opportuno solvente) e temperatura del fluido di servizio, sono state individuate scegliendo i valori massimi di tali variabili che fossero però al di sotto delle loro corrispondenti frontiere di runaway. Ai fini di questa analisi è stato utilizzato il criterio della sensitività parametrica del massimo di temperatura del sistema rispetto ai parametri di cui sopra, considerando sia modelli di letteratura tradizionali (monodimensionali), sia modelli bidimensionali, che tengono conto degli effetti di dispersione e diffusione radiale nonché della presenza di un flusso laminare. I risultati hanno mostrato come le frontiere di runaway identificate mediante i modelli bidimensionali sia meno conservative rispetto ai semplificati modelli 1D.