ES2232673T3 - Catalisis de acido gaseoso. - Google Patents

Abstract

Un método de fabricación de aldehídos a partir de azúcares se caracteriza en que el método incluye los pasos de introducir un reactivo sólido que contiene uno o más grupos hidróxidos en un reactor; introducir vapor súper-calentado en el reactor hasta que el reactivo esté seco y que la temperatura dentro del reactor sea superior a los puntos de condensación tanto del agua como del catalizador usado; introducir el ácido junto con el vapor súper-calentado al reactor y liquidando el gas formado; donde el reactivo contiene uno o más azúcares. anteriores, se caracteriza en que el ácido sea ácido hidroclórico.

Description

Catálisis de ácido gaseoso.

Esta invención se refiere a la catálisis de ácido gaseoso y específicamente a la catálisis de ácido gaseoso de la conversión de pentosa o pentosana a furfural.

La catálisis de ácido, un mecanismo de reacción común en la química orgánica, supone la implicación de iones de oxonio o hidronio, H_{3}O+. Se sobreentiende que la "catálisis de ácido" es un proceso que ocurre en soluciones acuosas. El solicitante entiende que hasta ahora nadie ha usado un gas como catálisis de ácido, y con razón. Como se aprecia en la Figura 1, los gases no se ionizan hasta alcanzar temperaturas muy altas. Se puede apreciar que no se produce ninguna ionización térmica significativa por debajo de 2500°C para el agua, ni por debajo de 5000°C en el caso de cloruro de hidrógeno. Además la ionización por rayos cósmicos y radioactividad ambiental es también insignificante, con un total escaso de 10 pares de iones /
(s cm^{3}) con una duración de vida de 70s. Entonces se podrá considerar que los gases son completamente no ionizados en todas las temperaturas menos las extremadamente altas, lo que queda demostrado por su característica de ser perfectos aislantes eléctricos.

Obviamente, un gas no ionizado no puede ser un "catalizador ácido", y por esto rige la convicción universal que es preciso lleva a cabo los procesos de catálisis de ácido durante la fase líquida. Sin embargo, los estudios recientes de la química estratosférica y la merma en la capa de ozono demuestran que el vapor normalmente estable de cloruro de hidrógeno, se vuelve ionizado en presencia de cristales de hielo que abundan en la estratosfera. La superficie de los cristales de hielo absorbe fácilmente las moléculas de cloruro de hidrógeno y vapor de agua. En el estado de absorbimiento cada molécula de cloruro de hidrógeno reacciona preferentemente con cuatro moléculas de agua para formar un cluster ionizado, H_{3}O^{+}(H_{2}O)_{3}
Cl^{-}, donde las tres moléculas de agua forman el plano de ecuador de una bi-pirámide trigonal, con los iones Cl^{-} y H_{3}O^{+} como sus ápices. El átomo de cloro lleva una carga de -0.80 e y el ion de oxonio lleva uno de +0.85 e, entonces la actividad eléctrica del cluster es casi igual a la de iones libres de Cl^{-} y H_{3}O^{+}. El papel de la superficie sólida es el de permitir a las moléculas cloruro de hidrógeno contactar con las cuatro moléculas de agua; una acción que no es posible por medio de colisiones en una fase gaseosa donde no existen superficies absorbentes.

La US 4,001,283 revela un método de fabricar furfural usando cloruro de hidrógeno, donde se introduce vapor y un catalizador ácido volátil en una base de material que contiene pentosana, cuyo grado de humedad ha sido minimizado.

Una finalidad de esta invención es de proporcionar un método para la catálisis de ácido gaseoso.

El solicitante notó además la similitud entre los cristales de hielo y otros sólidos con grupos de hidróxidos populares múltiples, por ejemplo los azúcares, y especialmente pentosa o pentosana.

Otra finalidad de esta invención es, por consiguiente, proporcionar un método mediante la catálisis de ácido gaseoso, para la hidrólisis catalizada de azúcares, formando aldehídos y, especialmente, pentosana y pentosa a furfural.

De acuerdo con un aspecto de esta invención, se proporciona un método de fabricar aldehídos a partir de la catálisis de azúcares que incluye los pasos de introducir en un reactor un reactivo sólido que contiene uno o más grupos hidróxidos; entonces introducir vapor súper-calentado de un súper-calentador hasta que el reactivo esté seco y la temperatura dentro del reactor sea superior a los puntos de condensación tanto del agua como del catalizador; se introduce el ácido en el reactor junto con el vapor súper-calentado y se liquida el gas formado.

En la invención presentada, el reactivo es capaz de formar un complejo de cluster ionizado con agua y por lo menos una parte del ácido.

También en la forma presentada, se realiza la reacción a presión de ambiente. El reactivo debe estar totalmente seco. En la forma presentada el ácido es ácido hidroclórico.

En esta forma de la invención se debe realizar a una temperatura por encima del punto de ebullición del azeotropo máximo cloruro de hidrógeno - H_{2}O. Esto ocurre típicamente a

También en la forma presentada, se realiza la reacción a presión de ambiente. El reactivo debe estar totalmente seco. En la forma presentada el ácido es ácido hidroclórico.

En esta forma de la invención se debe realizar a una temperatura por encima del punto de ebullición del azeotropo máximo cloruro de hidrógeno - H_{2}O. Esto ocurre típicamente a 20.2% de peso de cloruro de hidrógeno con un punto de ebullición de 108,6°C, entonces se debe realizar la reacción por encima de esta temperatura.

En una forma de la invención el reactivo es un azúcar.

En una forma de la invención el reactivo es pentosana y/o pentosa, y la sustancia sólida es una materia prima reducida a partículas diminutas, alta en contenido de pentosana, por ejemplo tallos de girasol, mazorcas o bagazo.

En la Figura 2 se ilustra un proceso típico de catálisis de ácido gaseoso empleando ácido hidroclórico. Se carga el reactor (1) con una materia prima reducida a partículas diminutas, alta en contenido de pentosana, por ejemplo tallos de girasol, mazorcas o bagazo. Se pasa vapor a presión atmosférica por un súper-calentador (2) típicamente aprovisionado de gas de combustión. Entonces se pasa este vapor por la materia para, en primer lugar, secarla completamente, y luego, para calentarla a una temperatura muy por encima del punto de condensación máximo atmosférico de ácido hidroclórico. La materia se calentará rápidamente una vez desprovista de cualquier rastro de humedad. Al alcanzar la temperatura deseada, se dispersa de forma continua una pequeña cantidad de ácido hidroclórico por el vapor súper-calentado usando un vaporizador (3), para dotar al flujo de gas con un contenido de cloruro de hidrógeno de aproximadamente 1.5% de peso. El flujo de gas que sale del reactor se liquida en un condensador (4) y se recoge lo condensado en un tanque de retención (5) antes de introducirlo en la planta de separación (6) que aísla el furfural, los compuestos con punto de ebullición bajo y ácidos carboxílicos, y recupera cloruro de hidrógeno como su azeotropo con agua. Se usa este ácido hidroclórico para alimentar el vaporizador (3), para que el catalizador este contenido dentro de un circuito cerrado. La "per-vaporización" de la materia continua hasta no producir más furfural. Entonces se descarga los residuos bajo nitrógeno para prevenir la auto-ignición, y se comienza con un lote de materia nuevo.

Al realizar esta reacción a una temperatura de 155°C, el solicitante descubrió que el flujo de gas existente estaba muy cargado de furfural, de compuestos con punto de ebullición bajo y de ácidos carboxílicos.

Lo más sorprendente de este resultado es la presencia del furfural en estado gaseoso, cuando se haya realizado el proceso a una temperatura por debajo de su punto de ebullición (161.7°C).

Una gran ventaja de este nuevo proceso es que la ausencia de una fase líquida incrementa de una manera importante la producción de furfural. En un proceso de producción de furfural convencional, el furfural generado se disuelve durante la fase líquida, donde, bajo la influencia catalizadora de los iones de oxonio, sufre reacciones de pérdida consigo mismo y los intermediarios de la conversión pentosa-a-furfural. Adicionalmente, teniendo el ácido sulfúrico como el catalizador de costumbre, hay pérdidas por sulfonación. En consecuencia la producción de plantas convencionales de furfural llega solamente al 50% aproximadamente. Sin embargo en catálisis de ácido gaseoso, sin una fase líquida donde disolverse, se vaporiza al instante el furfural generado y así se evita cualquier reacción de pérdida.

En una prueba de laboratorio se ha alcanzado producciones de hasta el 95%.

Durante la elaboración convencional de furfural se requiere una presión alta para mantener al catalizador acuoso en un estado líquido. El catalizador de costumbre, ácido sulfúrico, no es volátil, entonces se pierde en los residuos y así presenta un problema de deshechos.

Comparando con el proceso convencional el nuevo proceso de catálisis gaseoso muestra las siguientes ventajas:

1.

Se puede realizar el proceso a cualquier temperatura y a presión atmosférica.

2.

Como se usa el catalizador H_{2}O/cloruro de hidrógeno muy por encima de su punto de condensación, no es corrosivo, entonces se puede fabricar el reactor de acero ligero.

3.

La parte de ácido del catalizador puede ser recuperada completamente, para ser usado en un circuito cerrado, entonces no hay consumo de ácido, ni problemas de deshechos. La tecnología para recuperar el ácido existe actualmente.

4.

Los residuos son secos y libres de ácido, y así son idóneos para una combustión sencilla y sin problemas. Al realizar una combustión parcial en el aire, es también posible usar los residuos para la fabricación de "gas pobre" que consiste mayormente en monóxido de carbón, hidrógeno y nitrógeno.

5.

La producción roza el 100% dado que no existe una fase líquida donde pueden tener lugar reacciones de perdida. Se ha medido la producción de hasta 95.8%.

Hay que tener en cuenta que, aunque se describe aquí un proceso de lote, el solicitante añade que sería posible realizar un proceso continuo.

Claims (10)

1. Un método de fabricación de aldehídos a partir de azúcares se caracteriza en que el método incluye los pasos de introducir un reactivo sólido que contiene uno o más grupos hidróxidos en un reactor; introducir vapor súper-calentado en el reactor hasta que el reactivo esté seco y que la temperatura dentro del reactor sea superior a los puntos de condensación tanto del agua como del catalizador usado; introducir el ácido junto con el vapor súper-calentado al reactor y liquidando el gas formado; donde el reactivo contiene uno o más azúcares.

2. Un método donde, de acuerdo con la Reivindicación 1, se introduce el ácido y el vapor súper-calentado en un reactor por medio de un vaporizador.

3. Un método que, de acuerdo con las Reivindicaciones 1 ó 2, se caracteriza en que el reactivo es capaz de formar un cluster de iones con agua y por lo menos parte del ácido.

4. Un método que, de acuerdo con las Reivindicaciones 1, 2 ó 3, se caracteriza en que se realiza la reacción en presión atmosférica.

5. Un método que, de acuerdo con las Reivindicaciones anteriores, se caracteriza en que el ácido sea ácido hidroclórico.

6. Un método que, de acuerdo con la Reivindicación 5, se caracteriza en que se realiza la reacción a una temperatura por encima del punto de ebullición del azeotropo cloruro de hidrógeno-H_{2}O máximo.

7. Un método de fabricación de furfural a partir de pentosana que se caracteriza en que la hidrólisis de pentosana y/o pentosa, y la deshidratación posterior a furfural, tienen como catalizador el ácido hidroclórico gaseoso, de acuerdo con la Reivindicación 1.

8. Un método de fabricación de furfural que, de acuerdo con la Reivindicación 7, se caracteriza en que el ácido hidroclórico es reciclado como su azeotropo con agua.

9. Un método de fabricación de furfural que, de acuerdo con las Reivindicaciones 6, 7 y 8, se caracteriza en que se realiza la reacción a 155°C.

10. Un método de fabricación de furfural que, de acuerdo con las Reivindicaciones anteriores, se caracteriza en que el método es continuo.