ES2250923T3 - Procedimiento de reaccion/separacion continuo de alta resolucion que usa un dispositivo de contacto liquido-solido. - Google Patents

Procedimiento de reaccion/separacion continuo de alta resolucion que usa un dispositivo de contacto liquido-solido.

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ES2250923T3
ES2250923T3 ES03792999T ES03792999T ES2250923T3 ES 2250923 T3 ES2250923 T3 ES 2250923T3 ES 03792999 T ES03792999 T ES 03792999T ES 03792999 T ES03792999 T ES 03792999T ES 2250923 T3 ES2250923 T3 ES 2250923T3
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Abstract

Procedimiento para la producción de productos de reacción y productos de separación a partir de la separación y reacción química sustancialmente continua de al menos un subproducto o producto reaccionado usando una pluralidad de columnas que tienen orificios superiores e inferiores que pueden funcionar selectivamente como entradas y salidas y se conectan selectivamente a una o más de dichas otras columnas bien en un modo de flujo ascendente o bien de flujo descendente en el que al menos dos de dichas entradas pueden crear un flujo paralelo, comprendiendo dicho procedimiento: (a) introducir al menos un material de procedimiento dentro de una entrada de al menos una de dichas columnas para preparar un producto de reacción; (b) hacer reaccionar dicho material de procedimiento en una o más de dichas columnas y separar dicho producto de reacción en el que dicho producto de reacción se acumula en una o más columnas; (c) introducir un segundo material en al menos una segunda de dichas columnas; y (d) extraer dicho producto de reacción de las mismas.

Description

Procedimiento de reacción/separación continuo de alta resolución que usa un dispositivo de contacto líquido-sólido.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un procedimiento para separación y reacción química que usa un sistema de contacto líquido-sólido y, más particularmente, a un procedimiento de separación y reacción química que usa una pluralidad de columnas en el que cada columna puede conectarse independientemente y hacerse funcionar independientemente para su entrada y salida de flujo, tal como con flujo de fluido paralelo, flujo de fluido inverso o una combinación de configuraciones de flujo.
Antecedentes de la invención
La combinación un procedimiento para llevar a cabo una reacción continua con separación concurrente en una sola técnica de procedimiento ha recibido atención renovada en los últimos años. Se están investigando diversas tecnologías de reacción/separación y han alcanzado diferentes grados de desarrollo o viabilidad comercial. Técnicas bastante desarrolladas incluyen, por ejemplo, técnicas de destilación reactiva y cromatografía reactiva. También se están desarrollando otras técnicas, tales como membranas reactivas y técnicas de cristalización reactiva. Algunas de estas técnicas han proporcionado ciertos beneficios tales como costes de capital reducidos, productividad superior, elevados rendimientos de producto y selectividad mejorada cuando tienen lugar reacciones competitivas. Por ejemplo, la destilación reactiva, cuando se realizan simultáneamente procedimientos de reacción y separación por destilación, se ha puesto en práctica para la producción de acetato de metilo. Esta técnica dio como resultado una inversión cinco veces menor y un uso de energía cinco veces menor que el procedimiento tradicional en dos etapas en el que la reacción se realiza como una primera etapa y se realiza la separación por destilación como una segunda etapa separada. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, la técnica de destilación reactiva tiene inconvenientes, que incluyen sensibilidad a la temperatura y formación de azeótropos.
También se han usado sistemas de cromatografía reactiva para llevar a cabo una reacción y separación combinadas. Se han investigado varios sistemas de cromatografía reactiva que incluyen un lecho fijo con una presión oscilante, lecho anular cilíndrico con una fuente de entrada de alimentación rotativa, un lecho móvil a contracorriente, y un lecho simulado. La elección de una tecnología de reacción/separación particular se realiza basada en los requerimientos específicos de aplicaciones específicas. Cada aplicación tendrá un conjunto particular de requerimientos en términos de rendimiento del producto, pureza, productividad de proceso, manejo de material, etc. (Véase en general, Vaporciyan, G.G., Kadelec, R.H., AlChE J. 1987, 33(8), 1334-1343; Fish, B.B., Carr, R. W. Chem. Eng. Sci. 1989, 44, 1773-1783; y Carr, R.W., en Preparative and Production Scale Cromatography, Ganetsos, G., Barker, P.E., Eds.; Chromatographic Science Series Vol. 61; Marcel Dekker Inc.: Nueva York, 1993; Capítulo 18). Tradicionalmente, el método preferido para realizar cromatografía reactiva en continuo es la configuración de reactor de lecho móvil simulado ("SMB" - Simulated Moving Bed).
La tecnología SMB tradicional (tal como se muestra en la figura 1) comprende una trayectoria del flujo de circulación que tiene múltiples lechos compactados con relleno de separación/catalítico sólido conectados en serie para permitir que se haga circular por fuerza un líquido de circulación a través de los lechos en una dirección. También tiene un orificio para introducir líquido de desorción en la trayectoria del flujo de circulación, un orificio de extracción para retirar líquido de circulación que transporta los constituyentes fuertemente adsorbentes (extractos) de la trayectoria del flujo de circulación, un orificio de alimentación para introducir materia prima, que contiene los constituyentes que se han de separar o hacer reaccionar y separar, en la trayectoria del flujo de circulación, y un orificio de refinado para retirar líquido de circulación que transporta los constituyentes débilmente adsorbentes (refinado) de la trayectoria del flujo de circulación.
Tal como se muestra en la técnica anterior en la figura 1, el proceso SMB se ilustra mostrando una reacción y separación combinadas mediante la reacción general A \rightarrow B + C. Se ilustra el proceso usando cuatro "zonas". Normalmente, aunque no siempre, hay dos entradas y dos salidas en la unidad del sistema SMB. Las áreas definidas entre ellas crean las cuatro zonas. El componente A es un material 11 de alimentación, que se alimenta al sistema SMB entre la zona II y la zona III. El componente A se descompone para formar el componente B y el componente C. El componente B, por ejemplo, es el componente más fuertemente adsorbido y por lo tanto se mueve con el sólido en la dirección de la salida del extracto, que se encuentra entre la zona III y la zona IV. A la salida del extracto, se recoge el componente B como producto 17 de extracto. El componente C es el componente más débilmente adsorbido y se mueve con el líquido en la dirección de la salida del refinado, que se encuentra entre la zona I y la zona II. A la salida del refinado, se recoge el componente C como el producto 19 de refinado. Se introduce el eluyente 15 al sistema entre la zona I y la zona IV para retirar el componente B más fuertemente adsorbido y para actuar como el transportador líquido. Se han notificado un número de reacciones:
Se ha demostrado que el proceso SMB aumenta el rendimiento del producto en reacciones de esterificación en fase líquida, limitadas por equilibrio. La esterificación del ácido acético con alcohol \beta-fenetílico se da a conocer en M. Kawase, T.B. Suzuki, K. Inoue, K. Yoshimoto, K. Hashimoto, Chem. Eng. Sci., Vol 51, 2971-2976 (1996). La esterificación del ácido acético con etanol se da a conocer en M. Mazzotti, A. Kruglov, B. Neri, D. Gelosa, M. Morbidelli, Chem. Eng. Sci., Vol 51, 1827-1836 (1996); y la esterificación del ácido acético con metanol se da a conocer en las patentes de los EE.UU. números 5.405.992 y 5.618.972. La patente de los EE.UU. número 5.502.248 muestra que puede aumentarse significativamente la reacción de hidrólisis de éster en fase líquida, limitada por equilibrio, de acetato de metilo mediante el uso de SMB reactiva.
Ray A., Tonkovich, A.L., Aris, R., Carr, R.W., Chem. Eng. Sci., Vol. 45, Nº. 8, 2431-2437 (1990) demuestran que el rendimiento de producto de la reacción limitada por equilibrio en fase gaseosa para la hidrogenación de mesitileno puede aumentarse significativamente usando SMB reactiva.
A.V. Kruglov, M.C. Bjorklund, R.W. Carr, Chem. Eng. Sci., Vol 51, 2945-2950 (1996), demuestran que puede usarse la SMB reactiva para aumentar el rendimiento de producto con la reacción en fase gaseosa para el acoplamiento oxidativo de metano.
Se ha considerado, mediante una simulación numérica, la viabilidad de la condensación de fenol con acetona para formar bisfenol-A y agua y la separación simultánea de los productos (Kawase, M.; Inoue, Y; Araki, K.; Hashimoto, K. Catalyst Today 1999, 48, 199-209).
A pesar de estas ventajas, las técnicas de SMB tradicionales tienen ciertos inconvenientes. La configuración de SMB tradicional se ha definido siempre como una pluralidad de lechos conectados en serie y que emplean un flujo de fluido unidireccional. El patrón de flujo SMB también conduce a muchos inconvenientes tales como una elevada pérdida de presión, un intervalo limitado de velocidad del flujo, la dificultad para retirar especies adsorbidas fuertemente, falta de tolerancia para sólidos en las corrientes e incapacidad de optimizar de manera separada las condiciones tanto para la separación como la reacción. Esta configuración limitada inherente impide que el sistema maneje muchas aplicaciones de reacción/separación, tales como aquellas que requieren flujo de masa elevado, retirada de toxinas, y optimización individual de condiciones de reacción y separación. Con estas aplicaciones, el sistema de reactor SMB tradicional se vuelve muy complicado, muy caro, y algunas veces no es práctico. Además, ninguna de las tecnologías actuales permite un procedimiento de reacción y separación continuo o sustancialmente continuo usando lechos de contacto dispuestos en paralelo, en vez de en serie, que tiene capacidades de flujo inverso, o capacidades de unidad de combinación. En consecuencia, es un objeto en una realización de la invención proporcionar un procedimiento para realizar reacción y separación combinadas que además proporcione flujo de fluido paralelo, flujo inverso, o diseño de unidad de combinación, o una combinación de estos, eliminando de ese modo muchas de las limitaciones de la técnica anterior. Es un objeto adicional, en una realización de la invención, el proporcionar un procedimiento para realizar una etapa de reacción/separación combinada en una única unidad de tratamiento para reducir enormemente el coste del tratamiento al tiempo que se aumenta el rendimiento total.
Sumario de la invención
Generalmente, la presente invención proporciona un procedimiento de cromatografía reactiva para realizar la doble función de reacción química y separación, ya sea de manera simultánea o secuencial, para separar una mezcla fluida de un único compuesto o múltiples compuestos en componentes usando una pluralidad de lechos o columnas compactados con un medio sólido o mezcla de sólidos y que se conectan independientemente en una configuración ya sea en serie o en paralelo. Se introduce un compuesto en una columna o grupo de columnas que se mueve o rota para simular un flujo del medio. El compuesto se mueve en un flujo fluido de una columna a otra columna conectadas en serie o en paralelo y en una dirección opuesta al flujo de medio proporcionando de ese modo contacto entre las dos fases de manera a contracorriente. Se hace reaccionar y/o se separa el compuesto en columnas posteriores basado en su afinidad con el medio para preparar un segundo componente. Puede introducirse otro material de alimentación o eluyente dependiendo de la naturaleza del componente y de la reacción/separación prevista. Entonces se extrae el segundo componente de una o más de las columnas y puede incluir producto, extracto, refinado, primer compuesto sin reaccionar o combinaciones de los mismos.
El procedimiento utiliza columnas para aceptar flujo a partir de una columna conectada, una alimentación de corriente externa, una corriente de eluyente externa o una combinación de las mismas, y al menos una salida para conectarla a otra columna, una corriente de producto externa o una combinación de las mismas. Cada una de las columnas puede hacerse funcionar de manera independiente en modo de flujo ascendente o flujo descendente y se conecta de manera independiente a otra columna, una(s) corriente(s) de alimentación externa(s), una(s) corriente(s) cliente(s) externa(s), una(s) corriente(s) de producto externa(s) o una combinación de las mismas. Puede describirse el modo de corriente ascendente mediante un fluido que fluye hacia arriba de la columna y el modo de flujo descendente tiene un flujo de fluido desde arriba de la columna en una dirección vertical general descendente. Independientemente conectadas puede incluir una columna o un grupo de columnas, cada una conectada a otra columna, columnas o grupo de columnas o cualquier otra fuente tal como de alimentación, externa, de acontecimientos, o productos externos de cualquier manera que requiera el procedimiento sin ningún modelo de flujo predeterminado. El producto externo puede ser refinado o extracto o ambos. Puede modificarse la configuración de flujo de cada columna para permitir, por ejemplo, flujo de fluido inverso. En otro ejemplo, se disponen los lechos para crear una configuración de diseño de unidad de combinación. Todavía en otro ejemplo, el procedimiento proporciona una configuración de flujo de fluido paralelo en la que al menos uno de los lechos está conectado en paralelo. En otro ejemplo, el procedimiento usa una combinación de estas combinaciones.
Preferiblemente, los lechos contienen un sólido o mezcla de sólidos que actúa como catalizador para la reacción deseada y un medio adsorbente o de separación para retirar el producto de la reacción u otros componentes deseados. Hay una amplia variedad de catalizadores y adsorbentes sólidos disponibles. Tales materiales incluyen, pero sin limitarse a, carbón activado, geles de sílice, alúminas, zeolitos, circonias, titanias, silicatos, tierras de diatomeas, y resinas de intercambio iónico. En una realización, se prefiere un sólido si lleva a cabo suficientemente tanto la función catalítica como la adsorbente. Cuando se usan dos o más sólidos, uno lleva a cabo la función catalítica mientras que el otro lleva a cabo la función de separación. Se eligen estos materiales para proporcionar una reacción y separación mejoradas para un único material. También, es posible que el sólido actúe sólo como un medio de separación y que el catalizador no sea parte de la fase sólida sino que más bien esté disuelto en la fase líquida.
En una realización, el procedimiento usa uno o más eluyentes para desorber selectivamente los productos de reacción, subproductos, o contaminantes del lecho usando un proceso de elución isocrática o elución en gradiente. El eluyente comprende o contiene un líquido capaz de desplazar tal contaminante, subproducto o producto de reacción del lecho de adsorción. Ejemplos de eluyentes incluyen, por ejemplo, alcoholes, cetonas, ésteres, hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, éteres, ácidos carboxílicos, hidrocarburos halogenados, amidas, nitrilos, agua o disoluciones tamponadas. También pueden usarse mezclas de eluyentes.
La alimentación suministrada en un ejemplo de la invención es un único compuesto o múltiples compuestos tales como o bien un material puro o bien un soluto en disolución. Puede incluir una amplia variedad de materiales tales como productos químicos comerciales, productos de química fina, fármacos, productos farmacéuticos, productos químicos para la agricultura, productos alimenticios, perfumes, aromas, fragancias, odorantes, colorantes, productos petroquímicos, etcétera.
Este procedimiento es útil para llevar a cabo varios tipos de reacciones. En ejemplos de la invención, se hace funcionar el procedimiento con una o más de las reacciones expuestas a continuación en la tabla 1.
TABLA 1
Esterificación:
\hskip0.3cm Metanol + Ácido Acético \delta Acetato de Metilo + Agua
\hskip0.3cm Etanol + Ácido Acético \delta Acetato de Etilo + Agua
\hskip0.3cm Butanol + Ácido Acético \delta Acetato de Butilo + Agua
\updownarrow-Alcohol fenetílico + Ácido Acético \delta Acetato de \updownarrow-Fenetilo + Agua
Hidrólisis de ester:
\hskip0.3cm Acetato de Metilo + Agua \delta Metanol + Ácido Acético
\hskip0.3cm Acetato de Etilo + Agua \delta Etanol + Ácido Acético
\hskip0.3cm Acetato de Butilo + Agua \delta Butanol + Ácido Acético
\hskip0.3cm Acetato de \updownarrow-Fenetilo + Agua \delta \updownarrow-Alcohol fenetílico + Ácido
\hskip0.3cm Acético
Eterificación:
\hskip0.3cm Alcohol t-butílico + Metanol \delta t-Butil metil éter (MTBE) + Agua
\hskip0.3cm Isoamileno + Metanol \delta t-Amil metil éter (TAME)
Isomerización:
\hskip0.3cm (orto, para)-Bisfenol-A \delta (para, para)-Bisfenol-A
Condensaciones:
\hskip0.3cm Fenol + Acetona \delta Bisfenol-A + Agua
\hskip0.3cm Metanol + Ácido Acético \delta Acetato de Metilo + Agua
\hskip0.3cm Etanol + Ácido Acético \delta Acetato de Etilo + Agua
\hskip0.3cm Butanol + Ácido Acético \delta Acetato de Butilo + Agua
\hskip0.3cm \updownarrow-Alcohol fenetílico + Ácido Acético \delta Acetato de \updownarrow-Fenetilo + Agua
\hskip0.3cm Alcohol t-butílico + Metanol \delta t-Butil metil éter (MTBE) + Agua
Síntesis de Amidas:
\hskip0.3cm Anilina + Anhídrido Acético \delta Acetanilida + Ácido Acético
Deshidratación:
\hskip0.3cm Alcohol t-butílico \delta Isobutileno + Agua
Oxidación:
\hskip0.3cm Cumeno + Oxígeno \delta Fenol + Acetona
En un ejemplo, la presente invención se usa en combinación con un dispositivo de contacto sólido-líquido para dirigir las corrientes de fluido a través de un sólido o medio de mezcla de sólidos de una manera continua o sustancialmente continua. Algunos dispositivos de sistema usan múltiples columnas y una pluralidad de válvulas. Otros dispositivos usan secciones de lechos apilados en una torre vertical y alimentados por una válvula rotativa. Puede encontrarse una revisión general de varios dispositivos tales en la patente de los EE.UU. número 5.676.826. Puede usarse cualquiera de estos dispositivos de contacto líquido-sólido, por ejemplo, con la presente invención para obtener la reacción y separación continuas o sustancialmente continuas deseadas. En otros ejemplos de realizaciones de la invención, puede realizarse el procedimiento en uno de los dispositivos descritos en las patentes de los EE.UU. números 5.676.826; 4.808.317; 4.764.276; y 4.522.726. También puede realizarse usando una válvula rotativa con múltiples orificios que dirige el fluido, descrita en la patente de los EE.UU. número 6.431.202. En un ejemplo, "se mueve" el medio del procedimiento mediante la rotación o indexación de las columnas de una manera que tiene lugar tan rápidamente como para ser considerada continua o sustancialmente continua. Pueden existir diferencias en el equipo de procedimiento seleccionado para llevar a cabo el procedimiento, tales como rotación discontinua, mientras que todavía permitan al medio moverse de una manera continua o sustancialmente continua. En algunas circunstancias, podrían incluso realizarse ajustes menores al equipo durante el funcionamiento de procedimiento, que no afecten al flujo significativamente y el procedimiento todavía entraría dentro del alcance de la presente invención.
En una realización, el procedimiento utiliza un aparato de contacto líquido-sólido, tal como se ha descrito anteriormente, que tiene una pluralidad de columnas empaquetadas, teniendo cada una de las cuales un conducto de suministro y un conducto de descarga adaptado para su conexión a un disco que tiene una pluralidad de orificios asociados con conductos de suministro y descarga. Al menos una de las columnas o discos se monta para rotar alrededor de un eje de manera que mediante la rotación pueden alinearse los conductos y orificios del disco para comunicación directa de flujo entre los mismos de manera que una pluralidad de conductos de suministro y descarga se comunican con conductos de suministro y descarga asociados de las columnas y, mediante la sincronización de la rotación, al menos las columnas y el disco en el mismo comprenden hacer fluir un material de procedimiento a través de cada una de las columnas para hacer reaccionar y separar dicho material de flujo.
Particularmente, cuando se usa con el presente procedimiento, este dispositivo permite una amplia variedad de posibilidades de tratamiento que no han sido enseñadas en la técnica anterior de tecnologías de reacción/separación combinada. A diferencia de la SMB tradicional, la conexión en serie que fuerza el paso de disolventes reactivos a través de un sistema en un modo en serie y flujo de fluido unidireccional, la presente invención incorpora flujo de líquido paralelo, flujo de líquido inverso, y/o configuración de unidad de combinación, como única o múltiples zonas y en cualquier combinación dentro de una única unidad, eliminando de ese modo muchas de las limitaciones de la técnica anterior. Estas capacidades únicas son especialmente ventajosas porque la presente invención no está limitada a una disposición de lechos en serie o flujo de fluido unidireccional, tal como lo está la técnica anterior. Permite el uso de una corriente de proceso que contiene cierta cantidad de sólidos, y hace más fácil y económica la retirada de especies altamente adsorbidas. Además, una realización del procedimiento reduce el consumo de elución, aumenta la tasa de alimentación y reduce la disminución de la presión. Esto simplifica de forma importante los procesos de reacción/separación, proporcionando un funcionamiento más eficiente. Esta flexibilidad aumenta ventajosamente la productividad, reduce costes de capital y de funcionamiento y mejora la calidad del producto con respecto a los procedimientos tradicionales. En particular, en un ejemplo, la presente invención ofrece importantes ahorros de costes de capital para procedimientos limitados por el equilibrio, inhibidos por reactivo/producto. Otras características, aspectos y ventajas de realizaciones de la presente invención se entenderán mejor o resultarán claras a partir de un examen de las siguientes descripciones y ejemplos detallados de la invención y reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra una representación esquemática de una configuración de la técnica anterior de un procedimiento SMB general.
La figura 2 muestra una representación esquemática de una realización de la presente invención que usa una configuración de flujo inverso.
La figura 3 muestra una representación esquemática de una realización de la presente invención que usa una configuración de flujo paralelo.
La figura 4 muestra una representación esquemática de una realización de la presente invención que usa un diseño de unidad de combinación.
La figura 5 muestra una representación esquemática de una realización de la presente invención que usa otro diseño de unidad de combinación.
La figura 6 muestra una representación esquemática de una realización de la presente invención que combina una configuración de flujo en serie con una configuración de flujo en paralelo que usa un modo de flujo inverso.
Descripción de ejemplos de la invención
La presente invención proporciona un procedimiento para reacción y separación química usando múltiples lechos o columnas comprendidas de un sólido o mezcla de sólidos conectados en serie, paralelos o combinación de tales configuraciones. La reacción/separación pueden producirse de manera concurrente o secuencial. Los lechos se configuran para tener un flujo inverso, o una unidad de combinación o una configuración de flujo paralelo o cualquier combinación de los mismos. En realización, la invención se usa en combinación con un dispositivo de contacto líquido-sólido continuo o sustancialmente continuo. La presente invención puede usarse con una variedad de diferentes tipos de reacciones. En la tabla 1, se muestran anteriormente ejemplos de algunos de los tipos de reacciones que pueden usarse con este procedimiento. Los ejemplos siguientes muestran más a fondo las varias configuraciones del procedimiento. Un experto en la técnica apreciará que los flujos mostrados por cada configuración puedan usarse solos o en combinación con cualquiera de los otros para realizar las reacciones expuestas en la tabla 1 y otras.
Ejemplo 1
Configuración de flujo inverso
En una realización del presente procedimiento de reacción/separación continua, se diseña una unidad que tiene múltiples columnas empaquetadas con un catalizador y adsorbente para funcionar con un flujo líquido de reactivos y un catalizador de resina sólido o que contiene sólido fijado a las columnas que se mueve para facilitar el proceso y un flujo inverso que cambia la dirección del flujo de líquido con relación al otro flujo de líquido en el sistema. La columnas proporcionan zonas para hacer reaccionar y/o separar, eluir, enriquecer y, en este ejemplo, utilizar un dispositivo de contacto líquido-sólido continuo o sustancialmente continuo que permite a las columnas indexar un flujo de material de proceso que permite estas reacciones/separaciones.
La figura 2 ilustra una posible configuración para llevar a cabo el proceso con un flujo inverso. Esto se produce en la zona IVb en la que las columnas funcionan en un modo de flujo ascendente, mientras que el resto de las columnas en la unidad funcionan en el modo de flujo descendente. Este es sólo un ejemplo del uso de flujo inverso.
Un procedimiento diseñado con una configuración de flujo inverso proporciona una variedad de usos. Por ejemplo, puede usarse para retirar componentes muy fuertemente adsorbidos. La figura 2 ilustra una reacción con un flujo inverso para producir un componente débilmente adsorbido y dos componentes fuertemente adsorbidos (uno de los cuales está más fuertemente adsorbido) los cuales se separan y retiran con eluyente. Usando este procedimiento, el componente débilmente adsorbido se mueve con el líquido en la dirección de la salida 19 en la que se retira como producto refinado. Los dos componentes fuertemente adsorbidos se mueven con el flujo del sólido en la dirección de las salidas 17, 18 del extracto. El componente menos fuertemente adsorbido de los dos, se mueve con el sólido en la dirección de la salida 17 en la que se eluye del sistema mediante el eluyente I alimentado en la entrada 15 y se extrae como producto de extracto I en la salida 17. El componente más fuertemente adsorbido de los dos continúa moviéndose pasada la salida 17 del extracto I en la dirección de la salida 18. Este componente se eluye mediante el eluyente II alimentado en la entrada 16 y se extrae como extracto II en la salida 18. Estos componentes pueden incluir un producto, subproducto, inhibidor, contaminante, etc.
Una reacción de esterificación ilustra una de las ventajas de la configuración de flujo inverso:
Alcohol + Ácido carboxílico \tau Éster + Agua
En este ejemplo, el alcohol y el ácido carboxílico actúan como alimentación que se introduce en la parte alta de la columna 11. El agua junto con otra especie fuertemente adsorbida, se mueve con el sólido en la dirección de la salida 17. Se introduce el eluyente I en la columna 15 para extraer agua de la salida 17 como producto de extracto I. También se genera un producto más débilmente adsorbido, el éster, en la reacción química. Se mueve con el flujo de líquido en la dirección de la salida 19 del refinado en la que se recoge del sistema como producto refinado. En este caso, también podría usarse el alcohol como el eluyente I introducido en el procedimiento en la entrada 15, que retirará el agua de la fase sólida como extracto en la salida 17 y también actuará como vehículo líquido para el resto del sistema.
El componente más fuertemente adsorbido se acumulará en la parte alta de la columna(s). Entonces, se dirige el eluyente I o un eluyente diferente, eluyente II, en el proceso en la entrada 16, en un flujo inverso para eluir este componente más fuertemente adsorbido fuera de la parte alta de una columna en la salida 18 como extracto II. La elución del extracto II en la salida 18 de la parte alta de la columna, elimina la necesidad del eluyente II de transportar el componente más fuertemente adsorbido a través de toda la serie de columnas para efectuar su retirada, tal como se requiere en el procedimiento SMB tradicional. En lugar de eso, el flujo inverso proporcionado en la zona IVb disminuye el tiempo para la elución o la cantidad de eluyente necesaria para completar el procedimiento, dando por tanto como resultado costes reducidos y productividad y eficacia mejoradas de la etapa de elución. Además, en una realización del procedimiento, esta configuración de flujo inverso también puede contener dos eluyentes diferentes para la desorción de los dos componentes diferentes fuertemente adsorbidos.
El uso de la configuración de flujo inverso no se limita al ejemplo específico anterior. Aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de que, con la presente invención, la configuración de flujo inverso única puede incorporarse ventajosamente en cualquier parte dentro del procedimiento: zona de elución, zona de reacción, zona de separación, y similares. Dado que la SMB tradicional se realiza con un flujo unidireccional, la presente técnica se encuentra fuera del dominio de la SMB tradicional.
Las realizaciones del procedimiento que incorporan configuración de flujo inverso proporcionan ciertas ventajas al usuario. El procedimiento de flujo inverso, por ejemplo, es útil para retirar sólidos que se acumularían en la parte alta de la(s) columna(s), permitiendo por tanto el uso de una corriente de proceso que contiene una cierta cantidad de sólidos o una corriente de proceso que tiene el potencial para formar sólidos en el transcurso del proceso de reacción/separación. De este modo, pueden retirarse los sólidos continuamente a partir de la parte alta de la columna, solucionando así una desventaja del sistema SMB tradicional que se limita a un flujo de líquido unidireccional. El procedimiento SMB tradicional no permite la retirada continua de sólidos. Los sólidos o bien quedarían atrapados en la unidad o bien taponarían completamente el flujo de líquido.
Un procedimiento de flujo inverso puede utilizarse eficazmente en una zona diferente o en múltiples zonas, dependiendo de la reacción deseada y potencias de adsorción de componentes particulares. No se restringe a la configuración de flujo inverso específica mostrada en la figura 2. Aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de la flexibilidad y versatilidad de este procedimiento para adaptarse a diferentes variaciones posibles.
Ejemplo 2
Configuración de flujo paralelo
En otra realización del presente procedimiento, se realiza la reacción y/o separación a través de una serie de columnas y múltiples columnas conectadas entre ellas para proporcionar un flujo paralelo en una parte del procedimiento. Tal como se muestra por ejemplo en la figura 3, se dispone parte de la zona II en paralelo. La alimentación se introduce en varias columnas, 11a, 11b, y 11c, conectadas en paralelo a otras columnas en serie. Se introduce un eluyente en el proceso en la entrada 15 para extraer productos o subproductos en la salida 17. Mientras tanto, los componentes débilmente adsorbidos, refinado, se mueven con el líquido y se extraen en la salida 19. Los componentes del sistema del procedimiento pueden, solos o alternativamente en combinación, emplear flujo paralelo, incluyendo corrientes de alimentación, eluyente, refinado o extracción.
En un ejemplo, el procedimiento de flujo paralelo ofrece la capacidad de obtener elevadas velocidades de flujo mientras se mantiene una disminución de presión y rendimiento de la reacción aceptables para el procedimiento. Estas capacidades se muestran especialmente útiles para reacciones que requieren un largo tiempo de inmovilización y elevado flujo de masa. Tales reacciones pueden encontrar elevadas caídas de presión cuando se realizan usando la configuración de la técnica anterior, en la que las columnas se conectan en una configuración en serie. El requisito de caída de presión para un proceso dado es un parámetro de diseño muy importante. Mientras aumenta el requerimiento de disminución de presión, aumenta el coste del equipo y, en algún punto, el procedimiento deja de ser práctico o incluso se vuelve imposible. En una realización de la invención, se emplea ventajosamente un procedimiento de flujo paralelo para reducir el coste del equipo y aumentar su productividad. En procedimientos en los que no se requiere una reducción en la disminución de la presión, la configuración de flujo paralelo permite una productividad superior a una caída de presión dada.
Ejemplo 3
Configuración 2 en 1 (tipo A)
En otra realización, se diseña el presente procedimiento de reacción y/o separación para llevar a cabo una reacción/separación o una reacción/separación adicional en una zona separada e independiente de las otras. Este subprocedimiento independiente se produce en una o múltiples columnas de la zona V que están conectadas entre ellas de manera separada dentro de un tren de separación, tal como se muestra por ejemplo en la figura 4. Esta configuración de unidad de combinación también se denomina en el presente documento como una "configuración de flujo 2 en 1". La configuración de flujo 2 en 1 optimiza las operaciones de reacción y separación, permitiendo que cada reacción/separación se realice en diferentes condiciones. Además de la reacción/separación, puede llevarse a cabo otra reacción, es decir, reacción/separación/reacción o 3 en 1. Esta configuración de procedimiento no se limita a 2 en 1 ó 3 en 1, sino que puede usarse para realizar múltiples reacciones y separaciones en configuración N en 1, en la que N es un entero mayor que 1.
Por ejemplo, se dirige la alimentación en la columna 11 que no está conectada directamente en serie con la columna que la precede, sino que en vez de eso se conecta independientemente al flujo de líquido del sistema. Por tanto, el usuario puede variar el tiempo de inmovilización, la composición y la temperatura de la reacción en la columna 11 sin limitar las condiciones que pueden aplicarse al resto del procedimiento.
En un ejemplo, el flujo de procedimiento 2 en 1 combina un reactor de tipo lecho fijo y reactor de separación de tipo SMB en una única unidad para proporcionar una zona de reacción separada que está generalmente en el medio del procedimiento de separación/reacción. En esta disposición, por referencia a la figura 4, se introduce la alimentación en la parte alta de la columna 11 para actuar como un reactor de lecho fijo que alimenta un producto de reacción a una unidad SMB para la separación y reacción adicional según se necesite. La reacción separada se produce en la zona V, tal como se muestra por ejemplo en la figura 4. La ventaja de alimentar el producto reaccionado en lecho fijo dentro de una unidad SMB separada se ha constatado parcialmente en la técnica anterior, tal como en la patente de los EE.UU. número 5.618.972, llevando a cabo el funcionamiento en dos unidades. Esta combinación de flujo 2 en 1 mejora la eficacia del reactor de lecho fijo mientras que también mejora la eficiencia de coste de la unidad SMB. La presente invención mejora además este procedimiento mediante la combinación de dos unidades en una única unidad. Elimina los costes
asociados con el mantenimiento de dos unidades independientes que entonces se conectan físicamente entre ellas.
Se ilustra un ejemplo de los procedimientos 2 en 1 mediante una reacción de esterificación:
Alcohol + Ácido carboxílico \tau Éster + Agua
Se alimenta alcohol y ácido carboxílico dentro de la columna 11 y se les hace reaccionar en la zona V para producir agua y éster. El agua es el producto más fuertemente adsorbido y por tanto se mueve con el flujo de sólido en dirección a la salida 17 del extracto en la que se eluye como producto de extracto I. El éster, producto de refinado, es el producto débilmente adsorbido y se mueve con el líquido en dirección a la salida 19 del refinado. En este caso, también podría usarse el alcohol como el eluyente I introducido en la entrada 15. Dado que esta configuración 2 en 1 proporciona una columna de alimentación que no está directamente conectada en serie, permite al usuario optimizar los parámetros de procedimiento para la zona de reacción, independientemente de los parámetros de procedimiento que se requieren para la separación mediante la posibilidad de ajustar la temperatura, tiempo de inmovilización, y consumo de alimentación. Este tipo de flexibilidad de procedimiento, en la que puede realizarse la reacción y separación en una unidad mientras que todavía pueden optimizarse separadamente las condiciones de procedimiento para cada una, no se constata en los procedimientos SMB tradicionales que, por definición, implican columnas conectadas en serie.
Aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de que esta técnica puede aplicarse ventajosamente a una amplia variedad de reacciones, tales como esterificación, hidrólisis de ésteres, eterificación, isomerización, condensaciones, síntesis de amidas, síntesis de péptidos, deshidrataciones, oxidaciones sólo por nombrar unas pocas. También se constatará que el uso de la presente invención no se restringe a la configuración específica mostrada en la figura 3. Aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de que son posibles muchas variaciones diferentes dada la flexibilidad y versatilidad de la presente invención.
Ejemplo 4
Configuración 2 en 1 (tipo B)
En otra realización de la presente invención, se conectan entre sí una o más columnas en una zona que todavía está dentro de la misma unidad pero fuera de la zona de procedimiento de separación. La configuración de flujo 2 en 1 (tipo A), mostrada en el ejemplo 3, incorpora una zona de reacción en medio de un procedimiento similar a SMB. La composición del material en la zona de reacción está influenciada por la composición de la columna adyacente que se moverá en de la posición de la zona de reacción. Las columnas se orientan en la dirección del flujo de sólido. Con la configuración 2 en 1 (tipo B), por referencia a la figura 5, la zona de reacción, zona V, recibe la siguiente columna a partir de la elución en la zona I. Por ejemplo, este procedimiento preve una prerreacción. Pueden introducirse materiales precursores dentro de la columna 12 en la que se produce una prerreacción en la zona V fuera del procedimiento de reacción/separación. La prerreacción genera alimentación que se introduce entonces en el procedimiento de reacción/separación en la entrada 11. Este procedimiento de prerreacción puede llevarse a cabo ventajosamente en diferentes condiciones y realizarse más eficazmente dado que no está influenciado por el resto del procedimiento. Esta característica del procedimiento proporciona a la zona de reacción una columna limpia en vez de una columna que ya contiene una cierta composición de material. Esto permite una optimización adicional del procedimiento que va más allá de la configuración 2 en 1 (tipo A). Este tipo de procedimiento también está fuera del procedimiento SMB tradicional que se basa en columnas que se conectan en serie sin fin. La técnica anterior de SMB reactiva no enseña el uso de este tipo de configuración ya que no sería ventajosa en sus condiciones de funcionamiento limitadas.
El uso del presente procedimiento en esta configuración de flujo no se restringe a la configuración específica mostrada en la figura 5. Aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de que, dada la flexibilidad y versatilidad de la presente invención, son posibles muchas variaciones diferentes de las configuraciones 2 en 1.
Ejemplo 5
El siguiente ejemplo ilustra uno de los beneficios de llevar a cabo el presente procedimiento en una configuración de flujo distinta de SMB, tal como con un sistema de contacto fluido - sólido. En particular, se utilizó el carrusel de alta resolución (high performance carousel) - SMB (HPC-SMB) proporcionado por Calgon Carbon Corporation, pero no debería verse como una limitación. Usando el HPC-SMB que contenía una resina de intercambio iónico ácida fuerte, se hizo reaccionar fenol con acetona para producir bisfenol-A (BPA). Tales resinas están disponibles en Rohm & Haas, Dow, Bayer, y Mitsubishi, entre otros. En este experimento se utiliza la resina Amberlyst 131 de Rohm & Haas. Los resultados se muestran en la tabla 2.
En esta realización, la unidad contiene un conjunto de 20 columnas que tienen cada una 11 mm de diámetro y 300 mm de longitud. Tal como se ilustra en la figura 6, la zona de elución (zona IV) contiene 6 columnas, la zona de enriquecimiento (zona III) contiene 2 columnas, y la zona de reacción (zona II) contiene 12 columnas. Se contiene la unidad en un recinto que se mantuvo a una temperatura constante. Se alimenta la acetona a la zona de reacción en una entrada 11 de alimentación en la que se produce una reacción de condensación con fenol formando BPA. El agua fuertemente adsorbida se transporta continuamente fuera de la zona de reacción y en una zona de elección de agua mediante un movimiento contra corriente del catalizador de resina frente al flujo de reactivos. En la zona de elución de agua, se retira el agua adsorbida de la resina con el fenol en la salida 17. Se añade suficiente fenol de reposición a la entrada 15 en la zona de elución tanto para deshidratar la resina como para proporcionar suficiente exceso de fenol para la zona de reacción. El agua tiende a hidratar los sitios catalíticos lo que disminuye la actividad del catalizador de resina.
Aguas abajo de la zona de reacción, se extraen el producto de BPA bruto así como el exceso de fenol del procedimiento a la salida 19. Opcionalmente, puede hacerse pasar una porción del producto extraído a una zona de recarga para lavar el fenol del lecho de resina y reducir la dilución del producto. Este ejemplo ilustra la mejora en el rendimiento y pureza del producto.
El uso de la configuración de flujo de SMB tradicional requiere que todas las columnas estén conectadas en una configuración en serie sin fin tal como se muestra en la figura 1. El presente procedimiento combina configuraciones en serie, paralelo y/o flujo inverso juntas en una unidad. La configuración de flujo paralelo se ilustra en la figura 4 y la configuración de flujo inverso se ilustra en la figura 2. Para este ejemplo, por referencia a la figura 6, las primeras 4 columnas en la zona de reacción se conectan en una configuración de flujo paralelo y las 8 columnas restantes se disponen con la configuración de flujo en serie. Las columnas de flujo paralelo también se hacen funcionar con la configuración de flujo inverso (flujo ascendente). Esto permite una distribución mejorada de los reactivos y productos que aumenta el rendimiento del producto de BPA mientras reduce el nivel de impurezas. Se determinaron las composiciones de producto usando cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC). La tabla 2 muestra una comparación de los resultados obtenidos a partir de este ejemplo de combinación de configuraciones de flujo en serie y flujo paralelo (parcial)/flujo inverso. Se usan las mismas velocidades de alimentación para el fenol y la acetona en ambos experimentos.
TABLA 2
Composición de productos libre de fenol
% en peso de BPA % en peso de impurezas % de conversión de acetona
Flujo en serie 92,0 8,0 80
Flujo en paralelo 93,5 6,5 80
El rendimiento de BPA más elevado y un menor nivel de impurezas son resultados deseables para esta reacción.
Los ejemplos previos ilustran la versatilidad de la presente invención. Aunque las ilustraciones representan un ejemplo particular de cada configuración o una combinación de configuraciones, aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de que son posibles un número de variaciones dentro del alcance de esta invención. Cualquier configuración dada puede contener más o menos zonas de las mostradas en las figuras 2-5. Cada zona puede contener cualquiera de una a cero a múltiples columnas. Normalmente, los sistemas utilizan cuatro zonas, y algunas veces sólo tres. En este ejemplo, la zona que falta contiene cero columnas. En la presente invención, pueden usarse zonas de función especial (flujo inverso, flujo paralelo, etc.) en cualquier punto del sistema y no se limitan a la localización mostrada en las ilustraciones. Puede usarse más de una configuración en una unidad y pueden combinarse múltiples funciones en una unidad.
Aquellos expertos en la técnica se darán cuenta de que este nivel de flexibilidad de procedimiento se vuelve muy complicado y muy caro con las tecnologías SMB tradicionales. Las ventajas enumeradas anteriormente darán como resultado costes de capital reducidos, productividad superior, rendimientos superiores, y selectividad mejorada.
Aquellos expertos en la técnica también se darán cuenta de que puede utilizarse la presente invención con muchas aplicaciones de reacción/separación diferentes. Por ejemplo, puede utilizarse la presente invención para, pero sin limitarse a, esterificación, hidrólisis de éster, eterificación, isomerizaciones, condensaciones, síntesis de amidas, síntesis de péptidos, deshidrataciones, y oxidaciones sólo por nombrar unas pocas.
Mientras que se ha expuesto lo anterior en detalle considerable, los ejemplos y métodos se presentan para la aclaración y no la limitación de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

1. Procedimiento para la producción de productos de reacción y productos de separación a partir de la separación y reacción química sustancialmente continua de al menos un subproducto o producto reaccionado usando una pluralidad de columnas que tienen orificios superiores e inferiores que pueden funcionar selectivamente como entradas y salidas y se conectan selectivamente a una o más de dichas otras columnas bien en un modo de flujo ascendente o bien de flujo descendente en el que al menos dos de dichas entradas pueden crear un flujo paralelo, comprendiendo dicho procedimiento:
(a)
introducir al menos un material de procedimiento dentro de una entrada de al menos una de dichas columnas para preparar un producto de reacción;
(b)
hacer reaccionar dicho material de procedimiento en una o más de dichas columnas y separar dicho producto de reacción en el que dicho producto de reacción se acumula en una o más columnas;
(c)
introducir un segundo material en al menos una segunda de dichas columnas; y
(d)
extraer dicho producto de reacción de las mismas.
2. Procedimiento para separación y reacción química que usa una pluralidad de columnas, conteniendo cada dicha columna medios sólido o mezcla de sólidos, que tienen una entrada para aceptar un flujo fluido y al menos una salida para descargar dicho flujo hacia al menos otra columna, grupo de columnas, una corriente de alimentación externa, una corriente eluyente externa o una combinación de las mismas, y que se conecta selectivamente en serie o en paralelo a una columna procedente o a una corriente externa para estimular un flujo del medio y poder hacerse funcionar en un modo de flujo ascendente o descendente, en el que dichas columnas son parte de un aparato de contacto líquido-sólido y comprenden una pluralidad de zonas, conteniendo dicho material de procedimiento de entrada un primer componente que se introduce en al menos una columna en una primera zona de dicha pluralidad de zonas, y que además comprende las etapas de:
(a)
dirigir dicho primer componente a partir de dicha primera zona en la dirección o en dirección contraria de dicho medio y en otra columna de dicha primera zona o una segunda zona, en la que dicho primer componente comprende al menos un reactivo, eluyente o una combinación de los mismos;
(b)
al menos uno de dicho primer componente de reacción o de separación para preparar un segundo componente, en el que dicho segundo componente comprende uno del grupo que consiste en producto, extracto, refinado, primer compuesto sin reaccionar y combinaciones de los mismos;
(c)
extraer dicho segundo componente a partir de una o más columnas del mismo.
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que cada dicha entrada y salida de columna tiene un conducto de suministro y un conducto de descarga adecuado para su conexión a un disco que tiene una pluralidad de orificios para conexión que se asocian con conductos de suministro y descarga, estando montadas dichas columnas o dicho disco para rotar alrededor de un eje de manera que, mediante la rotación, dichos conductos y dichos orificios en el disco pueden alinearse para dirigir la comunicación directa del flujo entre los mismos de tal manera que una pluralidad de conductos de suministro y descarga se comunican con otros conductos de suministro y descarga asociados de las columnas, y mediante sincronización de la rotación de al menos las columnas y el disco, comprendiendo la mejora en este respecto el hacer fluir un material de procedimiento a través de cada una de dichas columnas para hacer reaccionar y separar dicho material de procedimiento.
4. Procedimiento para reacción y separación según las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que dichas columnas son parte de un aparato de contacto líquido - sólido, teniendo dicho aparato de contacto líquido - sólido una válvula rotativa con múltiples orificios para dirigir las corrientes de fluido que comprende:
(a)
una primera cabeza estacionaria que tiene pares de orificios de entrada y salida para su conexión con una corriente de fluido externa, teniendo cada dicho orificio un canal separado que se asocia con canales correspondientes en una cabeza girable, teniendo dicha cabeza pares de orificios de entrada y salida que están conectados a la entrada y a la salida de una cámara que contiene un medio de contacto fluido - sólido y teniendo canales que se asocian a los correspondientes canales en dicha cabeza estacionaria;
(b)
un dispositivo de contacto para rotar al menos una de dichas cabezas para interconectar una corriente de fluido externa seleccionada con una cámara seleccionada durante un periodo de tiempo predeterminado antes de permitir la interconexión de dicha corriente de fluido externa con una cámara diferente; y
(c)
siendo los orificios configurables para permitir que se envíen dichas corrientes de fluido externas a cámaras múltiples o sucesivas en serie o en paralelo o que se desvíe una cámara seleccionada al mismo tiempo que se envíen otras corrientes de fluido externas; comprendiendo la mejora en este respecto hacer fluir un mate- rial de procedimiento a través de dichas cámaras para hacer reaccionar o separar dicho material de flujo.
5. Procedimiento para llevar a cabo la reacción y separación según las reivindicaciones 1, 2 ó 4, en el que se introduce dicho segundo material en dirección inversa a dicho material de procedimiento o dichas columnas se configuran de otra manera para proporcionar al menos un flujo inverso.
6. Procedimiento para llevar a cabo la reacción y separación según una cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que se conectan al menos dos dichas columnas a dicho flujo en este respecto en paralelo para proporcionar una configuración de flujo paralelo.
7. Procedimiento para llevar a cabo la reacción y separación según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, que tiene una zona de procedimiento de separación/reacción, en el que se conectan una única o múltiples columnas entre sí para proporcionar una zona de reacción separada dentro de dicha zona de procedimiento de separación/reacción.
8. Procedimiento para llevar a cabo la reacción y separación según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, que tiene una zona de procedimiento de separación/reacción, en el que se conectan una única o múltiples columnas entre sí en una zona dentro de dicha unidad pero fuera de dicha zona de procedimiento de separación/reacción.
9. Procedimiento para llevar a cabo una reacción y separación según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que tiene una zona de procedimiento de separación/reacción, en el que se conectan una o más columnas para proporcionar un patrón de flujo seleccionado del grupo que consiste en: flujo inverso, flujo paralelo, una zona de reacción separada dentro de una zona de procedimiento de separación/reacción, zona de reacción separada en una zona dentro de dicha unidad pero fuera de dicha zona de procedimiento de separación/reacción, y una combinación de una cualquiera o más de estas configuraciones.
10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en el que dicho flujo de procedimiento contiene sólidos o formas sólidas en el transcurso del procedimiento.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, en el que se retiran dichos sólidos de la parte alta de al menos una columna, siendo dicha retirada continua o intermitente.
12. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dichas columnas se conectan de manera móvil en serie o en paralelo a una columna de procedimiento o una corriente externa para simular el flujo del medio mediante la rotación de una hacía la siguiente.
13. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 para la producción de bisfenol-A.
14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que se conectan al menos dos de dichas columnas en paralelo con columnas conectadas en configuración en serie, teniendo dichas columnas paralelas una dirección de flujo de fluido opuesta a dicho flujo del medio o hacia la parte alta de dicha columna paralela.
15. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que dicho material de procedimiento es acetona y un eluyente es fenol.
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