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PROCESO DE MANUFACTURA DEL ÁCIDO ACÉTICO POR CARBONILACIÓN DE METANOL
Nombre: David Ballena Guerrero
INTRODUCCIÓN
El ácido acético o ácido etanoico, tiene un olor irritante y sabor amargo. El ácido etanoico puro recibe el nombre de ácido etanoico glacial, debido a que se congela a temperaturas ligeramente más bajas que la del ambiente. Éste es un ácido que se encuentra en el vinagre, siendo el principal responsable de su sabor y olor agrios. Su fórmula es CH3-COOH (C2H4O2). De acuerdo con la IUPAC se denomina sistemáticamente ácido etanoico.
PROPIEDADES FISICASNombre: Ácido Acético
Fórmula: CH3CO2H
Peso Fórmula : 60.05
Forma y Color: Líquido e Incoloro.
Gravedad Específica: 1.04920/4 representa una densidad de 1.049 a 20°C con relación al agua a 4°C.
Punto de Fusión, °C: 16.7
Punto de Ebullición,°C:118.1
Solubilidad:
Agua: ∞ Alcohol: ∞ Éter: ∞
PERRY, Manual del Ingeniero Químico, Sexta Edición Tomo I, Tabla 3-2: Propiedades físicas de compuestos orgánicos.
Propiedades químicas:
Enrojecen la tintura de tornasol.
Con las bases forman acetatos más H2O.
Con los alcoholes forman esteres.
Con los metales ( Fe, Zn, Cu, Pb) forma acetatos.
Con los carbonatos forma sal más CO2 y H2O.
ÁCIDO ACÉTICO
MÉTODOS DE OBTENCIÓN
El proceso de fabricación más antiguo, a partir de la fermentación de etanol, ha sido ya superado por otras tecnologías, excepto en la industria del vinagre producido para fines alimenticios. Otro método tradicional es la destilación de la madera se practica aún en ciertas regiones de Europa. A nivel industrial, existen tres procesos principales (Bibby et al., 1988; Chauvel y Lefebvre, 1989; Gonzales Velasco et al., 1990):
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
- Oxidación de acetaldehído en fase líquida.- Oxidación de hidrocarburos en fase líquida, y- Carbonilación de metanol.De éstos, sólo la Carbonilación de metanol emplea gas de síntesis como materia prima, y es el que se describirá a continuación; por otra parte, más de la tercera parte de la capacidad instalada en el mundo utiliza ya esta tecnología.
Oxidación del acetaldehído
El acetaldehído puede ser producido por oxidación del butano o nafta ligera, o por hidratación del etileno.
2C4H10 + 5 O2 4CH3COOH + 2H2O
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
Carbonilación de metanol Este proceso data de 1925, fue desarrollado inicialmente por BASF y British Celanese en base a catalizadores de ácido fosfórico y fosfato de cobre:
CH3OH + CO CH3COOH (∆H°298 =-137KJ/mol)
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
CARBONILACIÓN DE METANOL
El proceso fue mejorado por la misma BASF en 1996, reemplazando los catalizadores anteriores por unos a base de yodo/cobalto. Esta modificación permitió la introducción en el mercado de esta tecnología en la década de los 60. Se operaba a 210-250°C y 500-700atm; en estas condiciones sólo se lograba una producción del 85% respecto al metanol y del 60% al CO.
CARBONILACIÓN DE METANOL
En 1968, Monsanto desarrolló un nuevo catalizador de rodio que permitió operar a presiones de 15 atm, temperaturas de 175°C y con una conversión superior al 90% y rendimientos del 98%. Este nuevo proceso, que tiene lugar a través de un mecanismo en cinco etapas, fue comercializado por Monsanto en 1970 desplazando del mercado a los otros catalizadores (Bergier, 1978; Pasquon, 1984).
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
La Carbonilación del metanol sobre catalizadores de rodio tiene las siguientes características:
El catalizador es una especie aniónica: [Rh(CO)2I2]-.
La reacción es cocatalizada por el ión yoduro; el yoduro de metilo formado inicialmente, genera las especies que reaccionan con el catalizador.
El producto inicial es yoduro de acetilo, que posteriormente se hidroliza a ácido acético.
El catalizador no es sensible al hidrógeno, por lo tanto no es necesario eliminar totalmente el hidrógeno de la corriente de CO.
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
El proceso requiere equipos construidos con materiales resistentes a la corrosión como aleaciones de zirconio y Hastelloy.
Los principales subproductos que generan son: dióxido de carbono, etanol, butanol, propionaldehído y ácido fórmico.
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
Ventajas del proceso de Carbonilación del metanol:
El proceso de Carbonilación tiene la ventaja de que tanto el metanol como el CO tiene el mismo origen, el gas de síntesis, y además es altamente selectivo cuando se emplea un catalizador a base de rodio, ya que no hay reducción a acetaldehído ni a etanol aún en presencia de hidrógeno (Lowry y Aquiló, 1974; Aquiló et al., 1983; Fahney, 1987).
MÉTODOS DE OBTENCIÓN (continuación.)
La obtención de ácido acético por carbonilación de metanol en fase líquida ha superado a los procesos tradicionales que utilizaban butano o acetaldehído como materia prima; la razón, a pesar de la aparente complejidad del proceso y del catalizador empleado, se debe a la alta selectividad del proceso de carbonilación.
El ácido acético se usa, principalmente, para la obtención de diferentes ésteres acéticos, como constituyentes de monómeros (acetato de vinilo), para la fabricación de seda artificial (acetato de celulosa) y como disolventes de pinturas y resinas (acetatos de metilo, etilo, isopropilo y butilo).
Aplicaciones del Ácido Acético
Química Orgánica industrial-Klaus Weissermel pagina:170
Este tipo de proceso se lleva a cabo fundamentalmente en el reactor ya que es ahí donde se realizan todas las reacciones.
Catalizador utilizado:
El componente de activación del sistema catalizador es el yoduro de metilo (CH3I).
El disolvente y medio líquido de reacción preferido es el ácido acético.
Se sabe que en las reacciones de carbonilación catalizadas por rodio, la adicción de agua ejerce un efecto beneficioso sobre la velocidad de reacción. Por esta razón, las operaciones comerciales se llevan a cabo a concentraciones de agua por lo menos de un 14 % en peso.
Las velocidades de reacción deseadas se obtienen aun a concentraciones con bajo nivel de agua incluyendo en el medio de reacción acetato de metilo y el yoduro de litio adicional que está en exceso y por encima del yoduro de metilo que está presente como un activador del catalizador. El acetato de metilo y el yoduro de litio actúan como activadores de la velocidad solamente cuando están presentes en concentraciones relativamente altas de cada uno de estos componentes y que la activación es mayor cuando estos dos componentes están presentes simultáneamente.
PROCESO DE CARBONILACIÓN PATENTE EUROPEA
La reacción de carbonilación de metanol al producto ácido acético puede llevarse a cabo por la puesta en con tacto íntima de la alimentación con metanol, que está en la fase líquida, con monóxido de carbono gaseoso borboteado a través de un medio líquido de reacción que contiene el catalizador de rodio, el componente activador de yoduro de metilo, acetato de metilo, y activador adicional de yoduro de litio.
NOTA: en el sistema catalizador lo que es importante es el ión yoduro y no el catión asociado al yoduro.
El yoduro de litio está presente en la solución catalítica en proporciones desde 2 hasta aproximadamente 20 % en peso, el acetato de metilo está presente en proporciones desde 0,5 hasta aproximadamente 30% en peso, preferiblemente a 25 % en peso, y el yoduro de metilo está presente en proporciones desde 5 hasta aproximadamente 20 % en peso. El catalizador de rodio está presente en proporciones de 200-1000 ppm y preferiblemente de 300-600 ppm.
Temperaturas típicas de reacción para la carbonilación serán aproximadamente de 150-260°C, siendo el intervalo preferido el intervalo de temperaturas de aproximadamente 180-220°C. La presión parcial de monóxido de carbono en el reactor puede variar ampliamente pero de una forma característica es aproximadamente de 2-30 atmósferas, y con preferencia, aproximadamente de 3-10 atmósferas. Debido a la presión parcial de los subproductos y la presión de vapor de los líquidos contenidos, la presión total del reactor oscilará desde aproximadamente 15 hasta 40 atmósferas.
REACCIONES QUE SE DAN EN EL REACTOR:
1. [Rh(CO)2I2]- + CH3I [CH3-Rh(CO)2I3]-
2. [CH3-Rh(CO)2I3]- +CO CH3CO-Rh(CO)2I3-
3. CH3CO-Rh(CO)2I3- CH3COI + [Rh(CO)2I2]-
4. CH3COI + H2O CH3COOH + HI
5. CH3OH + HI CH3I + H2O
6. CO + H2O CO2 + H2
7. CO + 3H2 CH3CHO
8. CH3CHO + H2O CH3CH2OH
9. CH3CH2OH + CH3I CH3CH2I + CH3OH
10. CH3CH2OH + CO CH3CH2COOH
11. CH3OH + CH3COOH CH3COOCH3 + H2O
12. CH3COOCH3 + LiI CH3I + CH3COOLi
13. CH3COOLi +HI CH3COOH + LiI
REACTORDECANTADOR
COLUMNADESTILACIÓN
DE LA COLUMNA DE DESECACIÓN
60
62
47
RESIDUOS
40
41 43
42
61
464448
AGUA
FASE PESADA
21
30
32CALDERAVAPORIZ.RAPIDA
1512
13
11
10
CO
MEOH
PURGA PURGA
14
20
17COLUMNASEPARAD.
45
COLUMNA DE REFLUJO
PRODUCTO
BIBLIOGRAFÍA:
PATENTE: ES 2 084 929
INFORMACIÓN TECNOLÓGICA VOLUMEN 5, N°2, 1994 Pagina: 43 y44
PERRY Manual del Ingeniero Químico tabla: 3-2
Química Orgánica industrial-Klaus Weissermel pagina:170
GRACIAS
