Altre aree di ricerca che vengono ora commercializzate includono la nanotecnologia, la biotecnologia e lo sviluppo di biocarburanti per integrare le forniture di petrolio. Benefici significativi per l’ambiente sono venuti dalla ricerca per sviluppare processi che portano al miglioramento del numero di ottani della benzina, vernici a base d’acqua, sostituzioni per i clorofluorocarburi (CFC) e lo sviluppo della Chimica Verde come area di ricerca attiva.

Dalla ricerca alla produzione

La ricerca effettuata nei laboratori dell’industria e delle università è solo il primo passo. Queste scoperte devono essere convertite in processi industriali realistici. Questo è il lavoro dell’ingegnere chimico che ha il compito di tradurre la chimica di laboratorio in una scala più grande. Scalare la produzione da grammi in condizioni di laboratorio a migliaia di tonnellate in un impianto industriale su larga scala è un lavoro molto accurato per chimici e ingegneri chimici. Le fasi intermedie tra il laboratorio e la produzione su larga scala coinvolgono attrezzature che sono in grado di imitare il processo su larga scala e permettono di trovare le condizioni più favorevoli per un’alta resa di prodotto ottenuto ad un tasso adeguato (Figura 7).

Figura 7 Un esempio che mostra alcuni reattori batch pilota che sono separati e
funzionano in parallelo. Un computer controlla ognuno di essi e gli utenti possono eseguire serie
di esperimenti, cambiando temperatura, pressione e composizione del catalizzatore.
Per gentile concessione della Cambridge Reactor Design Ltd.

La fotografia sottostante (Figura 8) mostra una fase intermedia in cui è stato realizzato un impianto pilota, per trovare le condizioni più adatte al nuovo processo OMEGA per produrre etano-1,2-diolo. Questo è un passo molto importante perché spesso le condizioni che sono adatte al processo in laboratorio non sono necessariamente adatte quando il processo viene trasferito ad attrezzature su larga scala. Così vengono fatti molti esperimenti in condizioni molto attentamente controllate per ottenere la massima resa. I chimici e gli ingegneri chimici che fanno questo lavoro devono anche tenere presente che la resa massima può comportare costi aggiuntivi che rendono il processo antieconomico.

Figura 8 L’impianto pilota per il nuovo processo OMEGA per fare etan-1,2-diolo.
Per gentile concessione di Shell International Ltd.

Se questo lavoro avrà successo, la fase successiva sarà quella di produrre il materiale su scala commerciale che, come nel caso dell’etan-1,2-diolo, è di molte centinaia di migliaia di tonnellate all’anno (Figura 9). La redditività del prodotto sta nella progettazione del reattore su scala industriale necessario per la fabbricazione sicura dei prodotti desiderati. Il costo del capitale di un tale impianto sarà probabilmente di milioni di dollari.

Figura 9 L’impianto attuale per il nuovo processo OMEGA per produrre etano-1,2-diolo, costruito dopo prove di successo sull’impianto pilota. Questo impianto produce 750 000 tonnellate di diolo ogni anno. Per gentile concessione di Shell International Ltd.

Progettare un impianto è un progetto di squadra e i chimici, gli impiantisti e gli ingegneri chimici selezionano i materiali adatti alla costruzione dell’impianto. Anche se l’immagine comune è quella di impianti chimici fatti di acciaio scintillante, molti altri materiali sono usati nella loro costruzione, compresa un’ampia varietà di metalli, plastica, vetro e gomma. Poiché i materiali di costruzione sono essi stessi dei prodotti chimici, la scelta di materiali che non reagiscono con i prodotti chimici coinvolti nel processo è essenziale per evitare interazioni pericolose, la rottura dell’impianto o la contaminazione del prodotto.

I materiali da costruzione devono essere

• inerti ai reagenti, intermedi e prodotti
• capaci di resistere a pressioni e temperature molto alte quando necessario
• durevoli.

L’industria chimica: quanto sicura e quanto regolamentata dal punto di vista ambientale?

La sicurezza deve essere in cima all’agenda dell’industria chimica e per buone ragioni. Molti dei suoi prodotti sono potenzialmente pericolosi in qualche fase della loro produzione e trasporto. Queste sostanze chimiche possono essere solide, liquide o gassose, infiammabili, esplosive, corrosive e/o tossiche. I processi di produzione coinvolgono spesso alte temperature, alte pressioni e reazioni che possono essere pericolose se non accuratamente controllate. Per questo l’industria opera entro i limiti di sicurezza richiesti dalla legislazione nazionale e internazionale.

Figura 10 L’acido fluoridrico è un liquido molto corrosivo. Qui viene
caricato automaticamente in un’autocisterna.
Per gentile concessione di Mexichem Fluor.

Rischi e infortuni

Nonostante abbia a che fare con operazioni pericolose, l’industria chimica ha in realtà un numero di incidenti inferiore all’industria nel suo complesso. Tra il 1995 e il 2005, in tutta la produzione europea di tutti i tipi, ci sono stati più di 4 infortuni ogni 1000 dipendenti, il doppio di quelli dell’industria chimica. I dati statunitensi, registrati come giorni persi a causa di incidenti, mostrano una differenza ancora più netta; il numero di giorni persi nelle principali aziende dell’industria chimica a causa di incidenti è 4 volte inferiore a quello dell’industria manifatturiera in generale.

Figura 11 Il personale riceve un’ampia formazione sull’uso di abbigliamento e attrezzature di sicurezza. In questa fotografia, si sta effettuando la manutenzione di un reattore utilizzato per produrre idrofluoroalcani. Per gentile concessione di Arkema.

Regolamenti ambientali

Ci sono serie preoccupazioni riguardo al potenziale impatto di alcune sostanze chimiche prodotte sugli organismi viventi, compresi noi stessi, e sull’ambiente naturale. Queste preoccupazioni includono l’inquinamento dell’aria, della terra e del mare, il riscaldamento globale e il cambiamento climatico, l’impoverimento dell’ozono nell’atmosfera superiore e le piogge acide.

L’industria chimica ha un’iniziativa mondiale intitolata Responsible Care. È iniziata in Canada nel 1984 ed è praticata ora in oltre 60 paesi. Impegna le associazioni nazionali dell’industria chimica e le aziende a:

• Migliorare continuamente le conoscenze e le prestazioni ambientali, sanitarie e di sicurezza delle nostre tecnologie, processi e prodotti durante il loro ciclo di vita in modo da evitare danni alle persone e all’ambiente.
• Utilizzare le risorse in modo efficiente e ridurre al minimo i rifiuti.
• Rapportare apertamente le prestazioni, i risultati e i difetti.
• Ascoltare, coinvolgere e lavorare con le persone per capire e affrontare le loro preoccupazioni e aspettative.
• Cooperare con i governi e le organizzazioni nello sviluppo e nell’implementazione di regolamenti e standard efficaci, e per soddisfarli o superarli.
• Fornire aiuto e consulenza per promuovere la gestione responsabile delle sostanze chimiche da parte di tutti coloro che le gestiscono e le utilizzano lungo la catena del prodotto.

Negli Stati Uniti, le aziende chimiche spendono oltre 12 miliardi di dollari all’anno in programmi ambientali, di salute e sicurezza. Questo, per esempio, ha portato alla riduzione dei rilasci pericolosi nell’aria, nella terra e nell’acqua dell’80% negli ultimi 25 anni. Un’altra misura ambientale riguarda l’uso dell’energia. Nei 20 anni a partire dal 1994, l’industria chimica negli Stati Uniti ha risparmiato circa il 20% di energia per unità di produzione e nello stesso periodo l’energia risparmiata per unità di produzione nell’UE è scesa del 55%. L’emissione di gas a effetto serra per unità di produzione (l’intensità dei gas a effetto serra) è diminuita del 58% e del 75% negli Stati Uniti e nell’UE, rispettivamente tra il 1990 e il 2014.

Le regolamentazioni sono in vigore in ogni grande paese. In Europa, sono applicate attraverso il REACH (registrazione, valutazione, autorizzazione e restrizione delle sostanze chimiche). Stanno cambiando radicalmente il modo in cui le sostanze chimiche sono prodotte, vendute e utilizzate, fornendo un unico quadro standardizzato per la gestione sicura delle sostanze chimiche. REACH pone la responsabilità sia sui produttori che sugli importatori di garantire che tutte le sostanze chimiche prodotte in quantità superiori a una tonnellata all’anno non abbiano effetti negativi sulla salute umana o sull’ambiente. L’industria fornisce informazioni complete e documentate per tutte le sostanze chimiche qualificanti e le sostanze correlate, permettendo agli utenti delle sostanze chimiche di garantire che siano in atto controlli adeguati. Le sostanze chimiche prodotte in quantità di 1000 tonnellate o più all’anno devono essere registrate entro dicembre 2010 e quelle superiori a 1 tonnellata devono essere registrate entro giugno 2018.

Solo una piccola parte dei rifiuti chimici sono tossici o pericolosi. La maggior parte di questi, insieme ai materiali che resistono alla decomposizione naturale, vengono inceneriti ad alta temperatura. Quando possibile, i rifiuti stessi forniscono il combustibile per questo processo. I gas prodotti sono accuratamente puliti e “scrubbati” prima del rilascio nell’atmosfera, lasciando solo le ceneri per lo smaltimento. Esempi di come vengono trattati i sottoprodotti si vedono in tutte le unità di questo sito web.

Quali sono le sfide per l’industria chimica oggi?

L’industria chimica sta subendo enormi cambiamenti in tutto il mondo. Come abbiamo visto sopra, uno riguarda l’emergere dei paesi del Medio Oriente e di Cina, India e Brasile come produttori di prodotti chimici su scala mastodontica, per il proprio consumo e anche per l’esportazione in tutto il mondo. Le aziende di questi paesi stanno anche investendo in impianti negli Stati Uniti e in Europa, mentre le aziende statunitensi ed europee stanno investendo in impianti in questi grandi paesi emergenti, rendendo l’industria nel suo complesso totalmente internazionale nel modo di condurre gli affari. La sfida per le aziende negli Stati Uniti e in Europa è quella di ridurre i loro costi e allo stesso tempo assicurarsi che siano conformi alle migliori pratiche nella protezione dell’ambiente. Questa preoccupazione per l’ambiente è discussa nelle unità separate sui singoli prodotti chimici.

Una nuova rivoluzione si avvicina. Mentre il petrolio e il gas naturale diventano sempre più scarsi e costosi, i chimici stanno cercando nuove materie prime per integrare o addirittura sostituire il petrolio e il gas naturale. E stanno riscoprendo le virtù del carbone (ancora in grande quantità, anche se è un combustibile fossile che non può essere sostituito) e della biomassa.

Così stiamo chiudendo il cerchio. Alla fine del XIX e nella prima parte del XX secolo, l’industria chimica organica era basata in gran parte su carbone e biomassa. Il carbone veniva riscaldato fortemente in assenza di aria per formare gas di carbone (una miscela di idrogeno, metano e monossido di carbonio). Come sottoprodotto si formava un liquido (catrame di carbone) che conteneva molti prodotti chimici organici utili, tra cui il benzene, e il residuo solido era il coke, una forma impura di carbonio. Il coke era la fonte di quello che oggi chiamiamo gas di sintesi. Il vapore veniva fatto passare su di esso ad alte temperature per produrre monossido di carbonio e idrogeno. Un’altra fonte di prodotti chimici organici era la biomassa. Per esempio, la fonte di molti prodotti chimici C2 era l’etanolo, prodotto dalla fermentazione della biomassa. Anche i prodotti chimici C3 e C4 come il propanone e il butanolo sono stati prodotti su larga scala dalla fermentazione della biomassa.

Da allora, dagli anni 40 in poi, l’industria ha trovato modi sempre migliori di usare i prodotti della raffinazione del petrolio per produrre non solo tutti i prodotti chimici menzionati sopra, ma molti altri. Un esempio è la crescita dell’industria petrolchimica, con la serie di nuovi polimeri, detergenti e una miriade di prodotti chimici sofisticati prodotti a basso costo.

Perciò forse la sfida più grande sta nel trovare modi per ridurre la nostra dipendenza dalle risorse non rinnovabili. Così, mentre le forniture di petrolio e gas naturale diminuiscono, dobbiamo trovare il modo di usare le vecchie tecnologie basate sulla biomassa per produrre prodotti chimici nel modo più accettabile possibile per l’ambiente, in termini di energia spesa e di effluenti prodotti. Per esempio, un po’ di etene e una serie di polimeri, così come grandi quantità di etanolo, vengono ora prodotti dalla biomassa.

Un’altra sfida è ridurre la nostra dipendenza dalle risorse non rinnovabili per produrre energia. Il modo più semplice per farlo è trovare il modo di far funzionare i nostri impianti chimici a temperature più basse con l’aiuto di catalizzatori o utilizzando percorsi alternativi. Questo è già iniziato seriamente, come notato nell’ultima sezione. Il consumo di energia per unità di produzione è diminuito di circa il 55% nell’UE dal 1994 e di circa il 22% negli USA dal 1990. Di conseguenza, l’emissione di anidride carbonica è diminuita all’incirca della stessa percentuale nelle stesse scale temporali.

Le nuove tecnologie basate sui nanomateriali saranno anche all’avanguardia nei futuri progressi dell’industria chimica e sarà importante assicurare che la produzione di questi materiali rivoluzionari sia sicura e di beneficio economico.

L’industria chimica ha molte sfide nel 21° secolo che devono essere superate per rimanere nel cuore di ogni grande paese. È solo attraverso questo che l’industria può aiutare la società a mantenere e migliorare il suo standard di vita e farlo in modo sostenibile.

Molti dei dati usati in questa unità sono derivati da lavori pubblicati dal CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, Il Consiglio Europeo dell’Industria Chimica) e dal Consiglio Americano della Chimica.