ES2290021T3 - Procedimiento para la fabricacion de furfural. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de furfural caracterizado porque se consiguen las etapas de cargar un reactor con un material que contiene pentosano, calentar la carga mediante la introducción de vapor de agua presurizado hasta una primera temperatura predeterminada no superior a 280ºC, cerrar la válvula de entrada del reactor, y someter la carga a una reducción gradual de presión hasta una segunda temperatura predeterminada no inferior a 150ºC, siendo la despresurización a una velocidad suficiente para mantener la fase líquida dentro del reactor en un estado constantemente en ebullición, siendo la velocidad suficiente para la conversión completa en furfural antes de que se alcance la segunda temperatura predeterminada.

Description

Procedimiento para la fabricación de furfural.

Campo técnico de la invención

Esta invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de furfural.

Antecedentes de la invención

Los reactores químicos deben diseñarse para adaptarse a las características del procedimiento pretendido. En la preparación de furfural, éste no ha sido el caso. Para la primera producción industrial de furfural, Quaker Oats usó reactores de un procedimiento para cereales abandonado ya que estaban disponibles, y se han usado tales reactores desde entonces. Posteriormente, Rosenlew y Escher Wyss construyeron plantas para obtener furfural basadas en reactores diseñados para preparar pasta de madera. Ninguno de los reactores industriales para obtener furfural empleados hoy en día se concibió para satisfacer los requisitos especiales de la producción de furfural y, por lo tanto, no es sorprendente que los rendimientos obtenidos con estos reactores no superen ni siquiera el 60%.

Las principales pérdidas de rendimiento están producidas por una reacción entre furfural y xilosa, de modo que el esfuerzo por alcanzar un alto rendimiento prohíbe tener furfural y xilosa en el mismo lugar. Todos los reactores para obtener furfural existentes violan este requisito. Eliminando deliberadamente esta deficiencia, el procedimiento descrito en el presente documento permiten obtener rendimientos del orden del 100%.

En química analítica, se usa la conversión de pentosano o pentosa en furfural para una determinación cuantitativa de estas sustancias. Esto es posible ya que se demostró que en este procedimiento el rendimiento de furfural es de un 100% probado. El procedimiento consiste en una digestión atmosférica de pentosano o pentosa en HCl acuoso al 12% saturado con NaCl. Por el contrario, en los presentes procedimientos industriales para obtener furfural mencionados anteriormente, se usa un reactor a presión para enviar la materia prima a un tratamiento con vapor de agua. Mediante condensación, el vapor de agua efectúa el calentamiento hasta una temperatura constante, y haciéndolo pasar a través de la materia prima, arrastra el furfural producido a partir de la misma. La reacción del furfural está catalizada o bien por ácido mineral añadido o bien por diversos ácidos carboxílicos (principalmente ácido acético y ácido fórmico) formados a partir de la materia prima. En comparación con el procedimiento analítico de furfural, una diferencia fundamental radica en el hecho de que en este último procedimiento una aportación de calor apropiada mantiene el medio de reacción en un estado de ebullición, mientras que en los procedimientos industriales a cualquier presión, una condensación de vapor de agua no puede llevar termodinámicamente el medio de reacción, una disolución de pentosa, a ebullición, debido a la elevación del punto de ebullición producida por la xilosa. La diferencia se ilustra esquemáticamente en la figura 1 que muestra diagramas de fases para el furfural en una disolución acuosa con ebullición a 110ºC (HCl al 12% saturado con NaCl) y en una disolución acuosa con ebullición a 101ºC (disolución de xilosa). Si se genera una pequeña concentración \xi de furfural en el primer sistema que representa el procedimiento analítico para obtener furfural, esto conduce al punto A que se encuentra en la zona de vapor, lo que significa que cualquier cantidad de furfural formada en esta disolución en ebullición se transformará inmediatamente en vapor, en el que no puede reaccionar con pentosa ya que esta última no es volátil. En consecuencia, en este caso, son imposibles las reacciones de pérdida entre furfural y pentosa, lo que explica el rendimiento probado del
100%.

Por otro lado, si se genera una pequeña concentración \xi de furfural en el segundo sistema, y si se calienta este sistema condensando vapor de agua a presión atmosférica, esto conduce al punto B que se encuentra en la zona de líquido. Así, en los presentes reactores industriales para obtener furfural, el medio de reacción no se lleva a ebullición, de modo que el furfural que permanece en disolución puede reaccionar con pentosa para formar pentosa de furfural, que explica las altas pérdidas de rendimiento conocidas. El arrastre del vapor de furfural por el flujo de vapor de agua no cambia esta formación en ningún grado significativo, puesto que este arrastre es un proceso lento e ineficaz proporcionando mucho tiempo para que tengan lugar las reacciones de pérdida en la fase
líquida.

Como la diferencia principal entre el procedimiento analítico para obtener furfural con un rendimiento del 100% y el procedimiento industrial con un rendimiento inferior al 60% reside en el hecho de que en el primer caso el medio de reacción está en ebullición mientras que en el segundo caso no está en ebullición, era obligatorio crear un procedimiento industrial en el que el medio de reacción se mantiene en un estado de ebullición. En vista del hecho de que con reactores gigantes para obtener furfural, cargados con sólidos que no es propicio que se agiten, puede descartarse una aportación de energía indirecta calentando las paredes, la esencia de esta invención es producir la ebullición continua mediante una despresurización gradual (lenta). De esta manera, se impone una ebullición uniforme hasta las dimensiones moleculares sin necesidad de mezclado.

Aparte de los malos rendimientos conseguidos, los presentes procedimientos comerciales disponibles son extremadamente caros de hacer funcionar. Esto se debe a las grandes cantidades de vapor de agua requeridas, normalmente de 30 a 50 toneladas de vapor de agua por tonelada de furfural producido, y también los prolongados tiempos de reacción de entre 2 y 5 horas.

Por lo tanto, un objeto de esta invención es proporcionar un procedimiento de fabricación que no sólo produce un gran rendimiento, sino que también requiere una baja aportación de vapor de agua por tonelada de furfural producido y da como resultado un tiempo de reacción más corto.

Divulgación de la invención

La invención proporciona un procedimiento para la fabricación de furfural caracterizado porque se consiguen las etapas de cargar un reactor con un material que contiene pentosano, calentar la carga mediante la introducción de vapor de agua presurizado hasta una primera temperatura predeterminada no superior a 280ºC, cerrar la válvula de entrada del reactor, y someter la carga a una reducción gradual de presión hasta una segunda temperatura predeterminada no inferior a 150ºC, siendo la despresurización a una velocidad suficiente para mantener la fase líquida dentro del reactor en un estado constantemente en ebullición, siendo la velocidad suficiente para la conversión completa en furfural antes de que se alcance la segunda temperatura predeterminada.

En la forma preferida, la velocidad de despresurización es suficiente para completar la conversión en furfural antes de que se obtenga una segunda temperatura predeterminada. También en la forma preferida de la invención, se acidifica la carga antes del calentamiento.

También en la forma preferida de la invención, la despresurización gradual comprende la fuga controlada de una corriente de vapor desde el reactor hasta que se obtiene la segunda temperatura predeterminada.

En una forma de la invención, una primera despresurización está seguida por un nuevo calentamiento hasta una temperatura a o cerca de la primera temperatura predeterminada, estando seguido el nuevo calentamiento por una segunda despresurización gradual.

Si se requiere, pueden emplearse ciclos de nuevo calentamiento y despresurización posteriores.

En una forma, puede añadirse vapor de agua durante la despresurización para aumentar la temperatura de reacción y mejorar el rendimiento.

En la forma preferida de la invención, el material de carga puede estar en forma sólida o líquida. El bagazo de la caña de azúcar es una alimentación común y puede añadirse al reactor en forma sólida o de suspensión. Las alimentaciones alternativas pueden incluir otro material que contiene pentosa, siendo ejemplos típicos las mazorcas de maíz, bambú, virutas de madera, torta de orujo prensada, entre otros.

También en la forma preferida de la invención, la despresurización gradual tiene lugar en el intervalo de temperatura entre 280º Celsius y 150º Celsius, sin embargo el intervalo preferido de funcionamiento está entre 230º Celsius y 170º Celsius.

Mediante una elección apropiada de las temperaturas primera y segunda, y mediante una selección apropiada de una concentración de un ácido mineral u orgánico, es posible, si se desea, completar el procedimiento en un único periodo de despresurización dado que las altas temperaturas y la alta acidez dan como resultado un tiempo de reacción corto.

En la forma preferida de la invención, se usa ácido fosfórico como catalizador.

Un aparato para su uso en un procedimiento según la invención comprende un reactor a presión que incluye una entrada para el vapor de agua a presión, y una salida para el vapor de condensado, incluyendo la entrada y la salida una o más válvulas para controlar la velocidad de flujo entre ellas.

La salida incluye, tras una válvula, una placa perforada de dimensiones predeterminadas para ayudar en el control de la velocidad de despresurización. En esta forma, pueden hacerse funcionar la válvula y la placa perforada en conjunto para obtener un intervalo de velocidades de despresurización o puede usarse una válvula de control de flujo regulada por la temperatura o la presión.

En cualquier forma de la invención, el reactor puede estar bien aislado térmicamente.

En una forma alternativa de la invención, las paredes del reactor están diseñadas para calentarse. También en esta forma, todos los funcionamientos de válvulas se controlan preferiblemente de forma automática mediante una unidad de control computerizada. Se ha demostrado experimentalmente, a escala de planta piloto, que manteniendo la fase líquida del medio de reacción en un estado de ebullición en todo el periodo de reacción, el rendimiento de furfural obtenido es sustancialmente superior al de los procedimientos comerciales actuales, y si se controla correctamente puede aproximarse a los rendimientos obtenidos en el procedimiento analítico para obtener furfural. El solicitante sostiene además que, aparte de aumentar el rendimiento, el procedimiento de la invención puede hacerse funcionar con costes de capital y producción sustancialmente disminuidos, por los siguientes motivos:

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(1), El procedimiento de la invención no usa vapor de agua para separar el furfural de la masa de material de alimentación ya que, una vez que se calienta suficientemente el reactor, se cierra la entrada de vapor de agua. Sólo se requerirá vapor de agua adicional brevemente si se emplea un ciclo de nuevo calentamiento.

(2), Como resultado de no usar vapor de agua para separar el furfural, se reduce significativamente el volumen de condensado que sale del reactor y aumentará proporcionalmente la concentración de furfural en el mismo en relación con los procedimientos existentes. Este aumento de la concentración de furfural simplificará enormemente la destilación azeotrópica primaria. En casos especiales, por ejemplo en la aplicación de furfural como nematicida, no es necesaria la destilación en absoluto.

(3), El producto de la invención contiene menos ácido acético y menos ácido fórmico (formados a partir de la materia prima) puesto que, tras alcanzar la segunda temperatura predeterminada de la descompresión, la mayor parte de estos subproductos se descarga con el residuo. Esto reduce enormemente la carga del efluente generado por la planta.

Descripción de la invención

A continuación se describe el procedimiento según la invención con referencia a la figura 2, que es un diagrama esquemático del procedimiento y el aparato.

Se calienta un reactor 1 bien aislado térmicamente, cargado con una materia prima acidificada o no, hasta una temperatura T_{1} dejando entrar vapor de agua a través de la válvula 2 mientras que las válvulas 3 y 4 están cerradas. Durante el proceso de calentamiento muy corto, condensa el vapor de agua, aumentando así el contenido de humedad de la carga. Entonces, se cierra la válvula 2 y se abre una válvula 3 de fuga de modo que se produce un pequeño flujo constante de vapor de producto mediante la despresurización gradual. Esto produce una lenta disminución de la temperatura. Cuando se alcanza, de esta manera, una temperatura T_{2} elegida adecuadamente, se cierra la válvula 3 de fuga para terminar la primera "despresurización gradual". Si al final de este periodo no se obtiene más furfural, se completa la digestión abriendo la válvula 4 para descargar el residuo. Sin embargo, si todavía se obtiene furfural, se vuelve a calentar el reactor y se somete a otro periodo de "despresurización gradual". Este procedimiento puede repetirse arbitrariamente. Todos los funcionamientos de las válvulas están regulados por una unidad 5 de control automática.

Mediante una elección apropiada de las temperaturas T_{1} y T_{2}, y mediante una elección apropiada de una concentración de ácido, es posible, si se desea, completar el procedimiento en un único periodo de despresurización dado que las altas temperaturas y la alta acidez permiten un tiempo de reacción corto.

No es necesario decir que el diseño de tal funcionamiento es complicado ya que la reacción del furfural tiene lugar en un amplio intervalo de temperaturas (por ejemplo, de desde 230ºC hasta 160ºC), pero una vez calculado, la realización práctica del procedimiento es extremadamente sencilla.

Ya que debido a la corriente de fuga continua, el medio de reacción se mantiene en un estado de ebullición en todo el periodo de reacción, el rendimiento de furfural corresponde al de los procedimientos analíticos para obtener furfural, encontrándose en el orden del 100%.

Claims (10)

1. Procedimiento para la fabricación de furfural caracterizado porque se consiguen las etapas de cargar un reactor con un material que contiene pentosano, calentar la carga mediante la introducción de vapor de agua presurizado hasta una primera temperatura predeterminada no superior a 280ºC, cerrar la válvula de entrada del reactor, y someter la carga a una reducción gradual de presión hasta una segunda temperatura predeterminada no inferior a 150ºC, siendo la despresurización a una velocidad suficiente para mantener la fase líquida dentro del reactor en un estado constantemente en ebullición, siendo la velocidad suficiente para la conversión completa en furfural antes de que se alcance la segunda temperatura predeterminada.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se acidifica la carga antes del calentamiento.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la velocidad de despresurización es suficiente para la conversión completa en furfural antes de que se alcance la segunda temperatura predeterminada.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se obtiene la conversión completa en furfural en más de una despresurización desde la primera temperatura predeterminada hasta la segunda temperatura predeterminada mediante la adición de vapor de agua.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se añade vapor de agua durante la despresurización, durante un periodo de tiempo predeterminado.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la despresurización gradual comprende la fuga controlada de una corriente de vapor procedente de la reacción hasta que se obtiene la segunda temperatura predeterminada.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la despresurización gradual tiene lugar en el intervalo de temperatura desde 280º Celsius hasta 150º Celsius.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque el intervalo de temperatura de funcionamiento es de entre 230º Celsius y 170º Celsius.

9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se usa ácido fosfórico como catalizador.

10. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se usa ácido acético como catalizador añadido.