ES2319993T3 - Procedimiento de preparacion de oxido de alquileno. - Google Patents

Procedimiento de preparacion de oxido de alquileno. Download PDF

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Eduardus Petrus Simon Schouten
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Abstract

Proceso para la preparación de óxido de alquileno, comprendiendo dicho proceso (i) mezclar un suministro reciente que contiene hidroperóxido orgánico y alqueno con una corriente de reciclado para obtener una mezcla de reacción que contiene del 5 al 80% en peso de alcohol, basado en la cantidad total de la mezcla de reacción, (ii) poner en contacto la mezcla de reacción con un catalizador de epoxidación heterogéneo para obtener una corriente que contiene óxido de alquileno y alcohol, y (iii) reciclar del 30 al 95% en peso de la corriente obtenida en la etapa (ii) a la etapa (i).

Description

Procedimiento de preparación de óxido de alquileno.
La presente invención se refiere a un proceso para la preparación de óxido de alquileno.
La epoxidación de alqueno a óxido de alquileno haciendo reaccionar el alqueno con un hidroperóxido orgánico se conoce en la técnica. Por ejemplo, en el método habitualmente conocido para la co-producción de óxido de propileno y estireno partiendo de etilbenceno, se aplica la reacción de epoxidación mencionada anteriormente. En general, este proceso de co-producción implica las etapas de (i) hacer reaccionar etilbenceno con oxígeno o aire para formar hidroperóxido de etilbenceno, (ii) hacer reaccionar el hidroperóxido de etilbenceno obtenido de esta manera con propeno en presencia de un catalizador de epoxidación para producir óxido de propileno y 1-fenil-etanol, y (iii) convertir el 1-fenol-etanol en estireno por deshidratación usando un catalizador de deshidratación adecuado.
Otro método para producir óxido de alquileno es la co-producción de óxido de propileno y metil terc-butil éter (MTBE) partiendo de isobutano y propeno. Este proceso se conoce bien en la técnica e implica etapas de reacción similares a las del proceso de producción de estireno/óxido de propileno descritas en el párrafo anterior. En la etapa de epoxidación el hidroperóxido de terc-butilo se hace reaccionar con propeno formando óxido propileno y terc-butanol en presencia de un catalizador de epoxidación heterogéneo. El terc-butanol se eterifica posteriormente con metanol en MTBE, que se usa como un aditivo en combustibles para motor.
Otro método comprende la fabricación de óxido de propileno con ayuda de cumeno. En este proceso, el cumeno se hace reaccionar con oxígeno o aire para formar hidroperóxido de cumeno. El hidroperóxido de cumeno obtenido de esta manera se hace reaccionar con propeno en presencia de un catalizador de epoxidación para producir óxido de propileno y 2-fenil propanol. Este último puede convertirse en cumeno con ayuda de un catalizador heterogéneo e hidrógeno. Los procesos adecuados se describen por ejemplo en el documento WO 02/48126.
La presente invención se refiere a la reacción de epoxidación entre un alqueno y un hidroperóxido orgánico con ayuda de un catalizador heterogéneo.
Los catalizadores de epoxidación heterogéneos se conocen en la técnica. Dichos catalizadores pueden comprender como el metal catalíticamente activo uno o más metales de transición tales como vanadio, molibdeno, volframio, titanio y zirconio. Una clase particularmente adecuada de catalizadores de epoxidación heterogénea son los catalizadores basados en titanio. Los ejemplos de dichos catalizadores se describen por ejemplo en los documentos US-A-4.367.342 y EP-A-0.345.856. El documento US-A-4.367.342 describe el uso de compuestos de oxígeno inorgánico y silicio con una composición química con al menos un 0,1% en peso de un óxido o hidróxido de titanio, mientras que el documento EP-A-0.345.856 describe un catalizador heterogéneo de titania sobre sílice que puede obtenerse por impregnación de un compuesto de silicio con una corriente de tetracloruro de titanio gaseoso seguido de etapas de calcinación e hidrólisis y opcionalmente una etapa de sililación.
Cuando dichos catalizadores de epoxidación heterogéneos se usan para catalizar la epoxidación de un alqueno, el catalizador se desactiva lentamente. Sería beneficioso si el catalizador se mantuviera con una alta actividad durante un periodo de tiempo mayor puesto que esto reduciría los costes debidos al consumo del catalizador y el tiempo y costes implicados en la recarga de los reactores. Adicionalmente, una desactivación más lenta es deseable porque en ese caso la temperatura de reacción media podría mantenerse más baja. Se ha encontrado que una temperatura de reacción media más baja generalmente da menos subproductos. Por lo tanto, se obtiene como resultado una mayor actividad del catalizador en un proceso más eficaz respecto a costes y más productivo.
El documento WO 98/32530 describe un proceso para la producción de compuestos de oxirano haciendo reaccionar propileno con un hidroperóxido orgánico usando un catalizador de contacto sólido, retirándose en dicho proceso aproximadamente el 25-75% del calor de reacción precalentando el suministro frío al reactor por contacto directo con una corriente de propeno calentada desde el reactor. En el proceso de la Figura 3, la mezcla de reacción parcialmente convertida se divide en dos partes, una que se recicla y se mezcla con el suministro frío y la otra que pasa al lecho catalítico posterior. No hay información sobre la cantidad de la mezcla de reacción que se recicla o la conversión que ha tenido lugar. Adicionalmente, la mezcla de reacción que se recicla está sustancialmente libre de propileno puesto que se describe que el propileno se vaporiza y se retira antes de reciclar la mezcla de reacción.
El documento WO 01/12617 muestra que la actividad del catalizador desactivado puede restablecerse poniendo en contacto el catalizador desactivado con una mezcla de reacción de epoxidación a una temperatura que es al menos 5ºC mayor que la temperatura final a la que estaba el catalizador desactivado al menos parcialmente durante el uso directamente antes del inicio de la reactivación. En el Ejemplo 1, el catalizador desactivado se pone en contacto con el suministro mientras que una gran corriente de reciclado se mantenía sobre el reactor para asegurar que el catalizador a reactivar estaba en contacto con el producto de reacción de epoxidación. Una capacidad de producción de 48 g/hora de suministro con un flujo de reciclado de 2,5 kg/hora hace que se recicle más del 98% en peso del producto. El documento WO 01/12617 sólo usa un gran reciclado para estimular las condiciones de mezcla ideales. El documento WO 01/12617 no muestra ni insinúa el uso de un reciclado en la fabricación de óxido de etileno.
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El documento WO 01/12617 describe que un suministro típico para un proceso de epoxidación comprende el 15-25% en peso de hidroperóxido de etilbenceno, el 30-50% en peso de etilbenceno, el 30-50% en peso de propeno, el 0-5% en peso de 1-feniletanol y el 0-5% en peso de metilfenilcetona, hasta un total del 100% en peso.
Se ha descubierto ahora un proceso que hace posible mantener una alta actividad del catalizador durante un largo tiempo. Sorprendentemente, se observó que la desactivación del catalizador era más lenta si se usaba un reciclado.
Por lo tanto, la presente invención se refiere a un proceso para la preparación de óxido de alquileno, comprendiendo dicho proceso
(i) mezclar un suministro reciente que contiene hidroperóxido orgánico y alqueno con una corriente de reciclado para obtener una mezcla de reacción que contienen del 5 al 8% en peso de alcohol, basado en la cantidad total de la mezcla de reacción,
(ii) poner en contacto la mezcla de reacción con un catalizador de epoxidación heterogéneo para obtener una corriente que contiene óxido de alquileno y alcohol y
(iii) reciclar del 20 al 95% en peso de la corriente obtenida en la etapa (ii) a la etapa (i).
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Sin desear ceñirse a ninguna teoría, se piensa que las ventajas obtenidas por el uso de un reciclado se deben al aumento de la cantidad de alcohol en la mezcla de reacción puesta en contacto con el catalizador.
La mezcla de reacción que se pone en contacto con el catalizador de epoxidación consiste en un suministro reciente y una mezcla de reacción reciclada. Normalmente, el suministro reciente contendrá menos del 5% en peso de óxido de alquileno basado en la cantidad total de la mezcla de reacción, más específicamente menos del 3% en peso de óxido de alquileno. Preferiblemente, el suministro reciente contiene menos del 1% en peso de óxido de alquileno. Más preferiblemente aún, el suministro reciente no contiene óxido de alquileno.
El alqueno usado en la presente invención puede ser cualquier compuesto orgánico que tenga al menos un doble enlace carbono-carbono alifático. Dicho compuesto generalmente contendrá de 2 a 25 átomos de carbono y preferiblemente de 3 a 12 átomos de carbono tal como propeno, 1-buteno, 2-buteno, 1-penteno, 1-octeno, 1-dodeceno, estireno y metilestireno. Más preferiblemente, sin embargo, el propeno se usa como el alqueno, produciendo de esta manera óxido de propileno de acuerdo con el proceso de la presente invención.
El hidroperóxido orgánico que puede usarse puede ser cualquier hidroperóxido orgánico conocido que sea adecuado. Los hidroperóxidos orgánicos que se usan ampliamente en el mercado son hidroperóxido de t-butilo e hidroperóxido de alquil arilo. Los hidroperóxidos de alquil arilo son especialmente ventajosos. Los hidroperóxidos de alquil arilo específicos son hidroperóxido de cumeno e hidroperóxido de etilbenceno.
El catalizador de epoxidación heterogéneo usado puede ser cualquiera de estos catalizadores conocidos en la técnica que es adecuado para catalizar la reacción entre un alqueno y un hidroperóxido orgánico en el correspondiente óxido de alquileno y alcohol. Sin embargo, se prefieren los catalizadores que contienen titanio. Por consiguiente, pueden aplicarse los catalizadores descritos en las memorias descriptivas de Patente US-A-4.367.342 y EP-A-0.345.856 analizados anteriormente. Sin embargo, se ha encontrado particularmente ventajoso usar los catalizadores de titania sobre sílice descritos en el documento EP-A-0.345.856 en todos los reactores de epoxidación para el fin de la presente invención. Cuando se usan estos catalizadores, se consiguen muy buenos resultados mediante los presentes procesos.
Durante el funcionamiento comercial la reacción de epoxidación de la etapa (ii) típicamente se realiza a temperaturas de 50 a 135ºC, preferiblemente de 70 a 125ºC. La presión puede ser de hasta 80 bar, preferiblemente de 10 a 60 bar. El medio de reacción preferiblemente está en fase líquida. La composición de la mezcla de reacción usada en la presente invención no es crítica siempre y cuando esté presente la cantidad requerida de alcohol. Por consiguiente, en el caso de un proceso de coproducción de estireno/óxido de propileno, la mezcla de reacción generalmente comprenderá algo de hidroperóxido de etilbenceno y normalmente también una cantidad sustancial de etilbenceno. En el caso de un proceso de preparación de óxido de propileno con la ayuda de hidroperóxido de cumeno, puede estar presente una cantidad sustancial de cumeno. Si el óxido de propileno se produce junto con metil terc-butil éter (MTBE), la mezcla de reacción puede contener t-butano.
El propeno se añade al reactor como una corriente de suministro separada o puede añadirse al suministro reciente o a la mezcla de reacción reciclada antes de la entrada en el reactor o reactores de epoxidación.
El suministro reciente puede contener también algo de metil etil cetona y/o 1-fenil-etanol formado en la sección de oxidación anterior o en un reactor de epoxidación anterior o contenido en una corriente de reciclado. Un suministro reciente típico comprende del 15 al 25% en peso de hidroperóxido de etilbenceno, del 30 al 50% en peso de etilbenceno, del 30 al 50% en peso de propeno, del 0 al 5% en peso de 1-fenil etanol y del 0 al 5% en peso de metil etil cetona hasta un total del 100% en peso. Dicha corriente de suministro reciente se combina con una corriente de reciclado para obtener la mezcla de reacción deseada para usar en la presente invención.
La mezcla de reacción para usar en la etapa (ii) de la presente invención generalmente contendrá al menos el 7% en peso de alcohol más específicamente al menos el 8% en peso de alcohol, preferiblemente al menos el 10% de alcohol basado en la cantidad total de la mezcla de reacción. La concentración del alcohol puede hacerse muy alta añadiendo alcohol además del alcohol que está presente en la corriente de reciclado. Dicho alcohol puede ser en principio, cualquier alcohol. Sin embargo, cualquier alcohol preferiblemente es el alcohol derivado del hidroperóxido orgánico usado en el proceso de la presente invención y puede obtenerse de otra localización en la planta en una forma pura o menos pura.
Un contenido de alcohol muy alto tiene la desventaja de que se reduce la concentración de los reactantes en la mezcla de reacción. Por lo tanto, generalmente se prefiere que el alcohol esté presente en una cantidad de menos del 80% en peso, más preferiblemente como máximo el 60% en peso, más preferiblemente aún como máximo el 50% en peso, aún más preferiblemente como máximo el 40% en peso, más preferiblemente como máximo el 30% en peso. Generalmente, la mezcla de reacción sometida a la etapa (iii) contendrá del 10 al 40% en peso de alcohol.
El alcohol que está presente principalmente en el proceso de acuerdo con la presente invención es el producto de la conversión del hidroperóxido orgánico. Si se usa hidroperóxido de t-butilo, el alcohol es t-butanol. Si se usa hidroperóxido de etilbenceno, el alcohol es 1-fenil etanol. Si se usa hidroperóxido de cumeno el alcohol es 2-fenil propanol.
Más específicamente, la mezcla de reacción sometida a la etapa (ii) comprende del 3 al 25% en peso de hidroperóxido orgánico, del 20 al 50% en peso de alqueno, del 5 al 50% en peso de alcohol y del 0 al 60% en peso de otros compuestos, hasta un total del 100% en peso. Más preferiblemente, la mezcla de reacción sometida a la etapa (iii) comprende del 5 al 20% en peso de hidroperóxido orgánico, del 30 al 50% en peso de alqueno o del 5 al 40% en peso de alcohol y del 0 al 60% en peso de otros compuestos, hasta un total del 100%. Más específicamente, la mezcla de reacción sometida a la etapa (ii) comprende del 5 al 20% en peso de hidroperóxido orgánico, del 30 al 50% en peso de alqueno, del 5 al 25% de alcohol y del 5 al 60% en peso de otros compuestos, hasta un total del 100% en peso.
Se prefiere que la mezcla de reacción que se recicla de la etapa (ii) a la etapa (i) se haya convertido en un cierto grado para tener presente la cantidad requerida de alcohol. Por lo tanto, se prefiere que la corriente de producto que se recicla comprenda como máximo el 15% en peso de hidroperóxido orgánico, más específicamente como máximo el 10% en peso de hidroperóxido orgánico. Más preferiblemente, la mezcla de reacción que se recicla comprende del 0,5 al 10% en peso de hidroperóxido orgánico. Adicionalmente, la mezcla de reacción que se recicla generalmente contiene una cantidad sustancial de alqueno puesto que el alqueno normalmente está presente en un exceso molar y solo parte del hidroperóxido se convierte normalmente. Generalmente, la mezcla de reacción que se recicla contiene del 10 al 50% en peso de alqueno. Esto es diferente de la corriente de reciclado que se usa en el documento WO 98/32530.
La corriente de reciclado puede combinarse con el suministro reciente en una amplia variedad de proporciones. Preferiblemente, la proporción en peso de corriente de reciclado de la etapa (iii) a suministro reciente es de 0,5 a 4, más específicamente de 1 a 3, más específicamente aún aproximadamente 2.
Puede ser problemático conseguir la conversión sustancialmente total del hidroperóxido orgánico si se aplica un reciclado puesto que éste requiere interrupciones relativamente frecuentes. Una realización preferida de la presente invención es aquella en la que la mayor parte del hidroperóxido orgánico se convierte en presencia de una corriente de reciclado, mientras que la parte final de la conversión se realiza en ausencia de una corriente de reciclado. Por lo tanto, la presente invención comprende adicionalmente preferiblemente (iv) poner en contacto el resto de la corriente obtenida en la etapa (ii) con un catalizador de epoxidación adicional para obtener una corriente de producto sustancialmente libre de hidroperóxido orgánico. No se encontró que la presencia de alcohol añadido se requiriera en esta etapa del proceso para mantener una alta actividad del catalizador durante un largo tiempo.
En una realización especialmente preferida, la etapa (iv) tiene lugar en al menos dos reactores diferentes para poder sustituir el catalizador y cuando se requiera sin tener que detener el proceso. Se encontró que era más ventajoso si estos reactores se ponían en serie.
En una realización preferida de la presente invención, la mezcla de reacción se pone en contacto en la etapa (ii) con un catalizador de epoxidación en al menos 2 reactores paralelos, más específicamente de 2 a 5 reactores paralelos. El uso de reactores paralelos da la oportunidad de contacto de la mezcla de reacción con el catalizador de diferentes actividades. La cantidad de suministro enviada a cada reactor en paralelo puede variarse dependiendo de la actividad del catalizador presente en el reactor. Dicha operación hace un uso óptimo del catalizador presente. Adicionalmente, el uso de reactores en paralelo da la oportunidad de sustituir el catalizador sin detener el proceso.
Dependiendo de otras circunstancias, puede ser ventajoso si el catalizador reciente se pone en contacto con un suministro que tiene una proporción molar de alqueno a hidroperóxido que si el catalizador hubiera estado en funcionamiento durante algún tiempo. Las realizaciones preferidas de dicha operación se han descrito en la solicitud de patente que no se ha prepublicado WO-A-03/082843.
Preferiblemente, del 50 al 90% en peso de la corriente obtenida en la etapa (ii) se recicla como la mezcla de reacción, más específicamente del 60 al 80% en peso.
La manera en la que se aplica la integración térmica en la presente invención depende en gran medida de las circunstancias exactas. El uso del reciclado hace que el suministro reciente se caliente debido a que se mezcla con la corriente de reciclado de la etapa (ii) que tiende a tener una mayor temperatura. La temperatura de la corriente de reciclado puede disminuirse poniendo en contacto el producto final sustancialmente libre de hidroperóxido orgánico tal como se ha obtenido en una etapa de proceso opcional (iv) mediante un cambiador de calor con la parte de reciclado de la corriente obtenida en la etapa (ii).
El alcohol que se obtiene en la etapa (ii) y/o la etapa (iv) puede convertirlo adicionalmente un especialista en la técnica por cualquier manera conocida. Si el hidroperóxido orgánico era hidroperóxido de cumeno, el 2-fenil propan-2-ol obtenido puede hidrogenarse en cumeno de nuevo. Si el hidroperóxido orgánico era hidroperóxido de etilbenceno, el proceso preferiblemente comprende adicionalmente separar el 1-fenil etanol de la corriente de producto y deshidratar el 1-fenil etanol con ayuda de un catalizador de deshidratación para obtener estireno. Si el hidroperóxido orgánico era hidroperóxido de t-butilo, el proceso preferiblemente comprende adicionalmente hacer reaccionar metanol con t-butanol para obtener MTBE.
La invención se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos sin limitar el alcance de la invención a estas realizaciones particulares.
Ejemplo
Los ejemplos se realizaron en una unidad de escala experimental de epoxidación continua con dos recipientes en balanzas de pesaje automático que contenían respectivamente hidroperóxido de etilbenceno y corrientes de suministro de alqueno, dos bombas de alta presión, un reactor de lecho fijo, una tercera bomba para bombear una corriente de reciclado sobre el reactor, un medio para mantener el reactor uniformemente a las temperaturas deseadas entre 50 y 140ºC, un separador para retirar los componentes de bajo punto de ebullición como alqueno, un refrigerador y un recipiente para recibir el producto.
Los suministros se suministraron al reactor a través de dos bombas de alta presión y se mezclaron juntos antes de entrar en el reactor. El reactor se hizo funcionar con todo líquido a una presión de 50 bar. La temperatura del suministro introducido al reactor era de aproximadamente 90ºC. Si se desea, parte del producto podría reciclarse y combinarse con el suministro reciente con ayuda de la tercera bomba. El producto restante se separó, se enfrió y se almacenó. Si se aplicaba una corriente de reciclado, el suministro de propeno e hidroperóxido de etilbenceno en una solución de etilbenceno se mezcló con la corriente de reciclado antes de su introducción en el reactor.
El catalizador de epoxidación era un catalizador que contenía titania sobre sílice que se preparó como se describe en el ejemplo de acuerdo con los contenidos del documento EP-A-345856. Un total de 21 gramos del catalizador se cargaron en el reactor.
El hidroperóxido orgánico usado contenía entre el 30 y el 40% en peso de hidroperóxido de etilbenceno en etilbenceno. El suministro reciente se obtuvo mezclando propeno y la solución de hidroperóxido de etilbenceno en cantidades tales que la proporción molar de propeno a hidroperóxido de etilbenceno era de aproximadamente 6.
El caudal de suministro se adaptó constantemente de manera que la conversión de hidroperóxido de etilbenceno era aproximadamente constante del 80%.
La constante de velocidad de la reacción de segundo orden de la epoxidación (k_{0}) se determinó suponiendo que una cinética de reacción de primer orden se aplicaba en el hidroperóxido de etilbenceno y en la concentración de propeno.
Ejemplo Comparativo 1
En el ejemplo comparativo 1 no se obtuvo reciclado del efluente. Después de 20 días de funcionamiento, se obtuvo una conversión del 80% usando un caudal de suministro de 333 g/h. La k_{0} se calculó a partir de la concentración de hidróxido de etilbenceno y la concentración de propeno en este momento, y se tomó como 1.
Ejemplo 1
En el ejemplo 1, se reciclaron 2/3 del producto. Después de 20 días, se suministraron al reactor 420 g/h y se mezclaron con 480 g/h del efluente de reciclado. La combinación de suministro reciente y el efluente reciclado contenía aproximadamente el 13% en peso de 1-fenil propanol. La conversión total del suministro reciente sobre el reactor era del 78,9%. La k_{0} se calculó a partir de la concentración de hidroperóxido de etilbenceno y la concentración de propeno en este momento, y se encontró que era 1,6 veces la k´_{0} calculada en el ejemplo comparativo.

Claims (9)

1. Proceso para la preparación de óxido de alquileno, comprendiendo dicho proceso
(i) mezclar un suministro reciente que contiene hidroperóxido orgánico y alqueno con una corriente de reciclado para obtener una mezcla de reacción que contiene del 5 al 80% en peso de alcohol, basado en la cantidad total de la mezcla de reacción,
(ii) poner en contacto la mezcla de reacción con un catalizador de epoxidación heterogéneo para obtener una corriente que contiene óxido de alquileno y alcohol, y
(iii) reciclar del 30 al 95% en peso de la corriente obtenida en la etapa (ii) a la etapa (i).
2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, comprendiendo dicho proceso adicionalmente
(iv) poner en contacto el resto de la corriente obtenida en la etapa (ii) con más catalizador de epoxidación para obtener una corriente de producto sustancialmente libre de hidroperóxido orgánico.
3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, proceso en el cual la mezcla de reacción sometida a la etapa (ii) comprende del 3 al 25% en peso de hidroperóxido orgánico, del 20 al 50% en peso de alqueno, del 5 al 50% en peso de alcohol y del 0 al 60% en peso de otros compuestos hasta un total del 100% en peso.
4. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, proceso en el cual la corriente de producto que se recicla comprende como máximo el 10% en peso de hidroperóxido orgánico.
5. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, proceso en el cual la mezcla de reacción sometida a la etapa (ii) contiene del 10 al 40% en peso de alcohol.
6. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo el proceso poner en contacto la mezcla de reacción con el catalizador de epoxidación en al menos 2 reactores paralelos en la etapa (ii).
7. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la proporción en peso de la corriente reciclada obtenida en la etapa (ii) al suministro reciente es de 0,5 a 4.
8. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, proceso en el cual el alqueno es propeno.
9. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, proceso en el cual el hidroperóxido orgánico es hidroperóxido de etilbenceno y proceso que comprende adicionalmente separar el 1-fenil etanol de la corriente de producto y deshidratar el 1-fenil etanol con la ayuda de un catalizador de deshidratación para obtener estireno.
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