ES2360905T3 - Procedimiento eficaz para producir epóxidos por oxidación de olefinas en la fase gaseosa homogénea. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para fabricar epóxidos por oxidación de olefinas en una reacción homogénea de fase gaseosa, consistiendo en que las olefinas que se inyectan mediante el gas vector se convierten en un reactor de flujo con una mezcla de gas consistente en ozono y NO2 y/o NO como agente de oxidación sin el uso de un catalizador, donde el ozono y el NO2 y/o el NO se mezclan en una cámara de mezclado que se encuentra delante del reactor de flujo, caracterizado por el hecho de que la olefina es convertida con la mezcla gaseosa del agente de oxidación en la zona de reacción del reactor de flujo con una temperatura de reacción de aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 450ºC y una presión de 250 mbar a 10 bar, donde el flujo del gas vector que contiene la olefina se calienta en una zona de precalentamiento del reactor de flujo a una temperatura de 250ºC a 650ºC y donde la mezcla gaseosa del agente de oxidación de la cámara de mezcla se añade a temperatura ambiente a la olefina en la zona de reacción del reactor de flujo de manera turbulenta, de modo que se alcance la temperatura de reacción en el momento de la adición y se obtenga la proporción entre el flujo gaseoso con olefina y el flujo gaseoso del agente de oxidación de 5:1 hasta 1:1.
Description
Procedimiento eficaz para producir epóxidos por
oxidación de olefinas en la fase gaseosa homogénea.
La invención se refiere a un procedimiento
económico de una fase para producir epóxidos por oxidación de
olefinas en una reacción homogénea de fase gaseosa, consistiendo en
que las olefinas se convierten en un reactor de flujo con una mezcla
de gas consistiendo en ozono y NO_{2} y/o NO como agente de
oxidación sin el uso de un catalizador, en el que el ozono y el
NO_{2} y/o el NO se mezclan en una cámara de mezclado que se
encuentra delante del reactor de flujo, caracterizado porque la
olefina es convertida con la mezcla gaseosa del agente de oxidación
en la zona de reacción del reactor de flujo con una temperatura de
reacción de aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 450ºC y una
presión de 250 mbar a 10 bar, y porque el flujo del gas vector
olefínico se calienta en una zona de precalentamiento del reactor de
flujo a una temperatura de 250ºC a 650ºC y porque la mezcla gaseosa
del agente de oxidación de la cámara de mezcla se añade al flujo
olefínico a temperatura ambiente en la zona de reacción del reactor
de flujo de manera turbulenta de modo que se alcanza la temperatura
de reacción mediante dicha adición para obtener una proporción entre
el flujo gaseoso olefínico y el flujo gaseoso del agente de
oxidación de 5:1 hasta 1:1.
La fabricación de epóxidos por oxidación de
olefinas en una reacción homogénea de fase gaseosa es bien conocida.
En ella, un flujo gaseoso de ozono/NO_{x} sirve de agente de
oxidación para convertirlo bajo condiciones de reacción fáciles sin
usar ningún catalizador. Por ejemplo, la WO 02/20502 A1 describe en
sus ejemplos la oxidación de propileno,
trans-butileno e iso-butileno a
presión con 10 y 25 mbar y bajo temperaturas de entre
140-230ºC. Las selectividades conseguidas del
epóxido fabricado se encuentran entre 68,9 y 96,9%.
En Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, S.
645-650 Berndt, T. y Böge O. se describen otras
investigaciones sobre la epoxidación de fases gaseosas de propileno
y etileno. Los óxidos de propileno y etileno son epóxidos
económicamente interesantes porque son precursores para la
fabricación de polímeros (poliester, poliuretano) o solventes
(glicoles). Las investigaciones de la publicación anteriormente
mencionada muestran, por un lado, que aumentando la presión de 25,
50, 100 y 200 mbar (bajo una temperatura de 300ºC) la selectividad
para el óxido de propileno se reduce de forma significativa desde
89,1% hasta 56,6% (cp. p. 646, columna izquierda, "Results and
discussion"). Por otro lado, las investigaciones demostraron que
la proporción molar entre el propileno convertido y el ozono
aplicado (aprovechamiento del ozono
\Delta[C_{3}H_{6}]/[O_{3}]_{0}) también
disminuye cuando se eleva la presión (cp. p. 648, Tabla 3).
Sin embargo, para la realización técnica de un
procedimiento industrial eficiente no sirven las presiones que se
encuentran muy debajo de la presión normal, porque, en este caso,
hay que aplicar una capacidad de bombeo elevada que, a su vez, es
negativo en cuanto a los gastos de inversión y energía. A pesar de
la aplicación de presiones más altas, la selectividad hacia el
epóxido debería, en un proceso industrial, ser de por lo menos un
80% y, en particular, la proporción molar entre el epóxido
convertido y el ozono aplicado debe conseguir un valor de hasta 1
(es decir, un aprovechamiento del ozono del 100%) porque el ozono es
caro.
Este objetivo se consigue según la
reivindicación 1 de la presente invención. Las reivindicaciones
dependientes representan formas de realización preferidas.
Se ha encontrado de forma sorprendente que, a
pesar de las presiones elevadas entre 250 mbar y 10 bar, en
particular las presiones entre 500 y 2000 mbar, preferentemente las
presiones con más de 1000 mbar, y especialmente preferido a presión
normal, se han conseguido proporciones molares entre el epóxido
convertido y el ozono aplicado de casi 1 ó más de 1, siempre cuando
se hubiera procedido según las condiciones de la reivindicación 1.
Este hallazgo sorprendente, o sea, el hecho de que convertir más
olefina que el ozono aplicado, en la actualidad no se puede explicar
mecánicamente. Con las condiciones de la reivindicación 1 también se
consiguen buenas selectividades de más del 80% y, en parte, incluso
de más del 90%.
Según la invención, el flujo de gas vector
olefínico se precalienta a una temperatura de 250ºC a 650ºC que es
más alta que la temperatura de reacción en sí. Preferiblemente, el
flujo gaseoso olefínico se precalienta a entre 400ºC y 550ºC. Este
precalentamiento se realiza en la zona de precalentamiento del
reactor de flujo. El flujo gaseoso de ozono y NO_{2} y/o NO y gas
vector, si se aplica, que se mezcla en la cámara de mezclado, se
añade de forma turbulenta a temperatura ambiente (entre 18ºC y 25ºC)
en la zona de reacción del reactor de flujo (preferentemente
corriente abajo al principio de la zona de reacción) para conseguir
de inmediato (por lo menos) la temperatura de reacción. "De
inmediato" en este contexto quiere decir que la temperatura de
reacción se consigue en el primer 5 a 10% del tiempo de permanencia
en la zona de reacción. La temperatura de reacción es de entre
aproximadamente 150ºC a aproximadamente 450ºC, preferentemente de
aproximadamente 200ºC a aproximadamente 350ºC.
El mezclado "turbulento" en el sentido de
la presente invención significa, por ejemplo, la adición de un flujo
gaseoso del agente de oxidación a través de toberas, a través de una
instalación de rejillas o mediante el trabajo con un chorro libre
turbulento u otros métodos de aplicación adecuados. En todo caso,
esta medida debería producir una mezcla casi instantánea e
ideal.
Según la invención, también se selecciona la
proporción entre el flujo gaseoso olefínico y el flujo gaseoso del
agente de oxidación de modo que después de la mezcla turbulenta se
alcance la temperatura de reacción. La proporción entre el flujo
gaseoso olefínico y el flujo gaseoso del agente de oxidación es de
5:1 hasta 1:1, preferentemente 4:1 hasta 2:1.
Los tiempos de permanencia en la zona de
reacción son de 1 ms hasta como máximo unos segundos.
Preferentemente, se encuentran entre 1 ms y 250 ms.
Según la invención, se aplica el ozono de forma
preferida como mezcla de ozono/oxígeno, en particular con una
fracción volumétrica de entre 1 a 15 de ozono en el oxígeno,
particularmente preferida es una fracción volumétrica de
5-10 de ozono en el oxígeno. Se aplican ozono y
NO_{2} con una proporción por debajo de 0,5. Se aplican ozono y NO
con una proporción de, preferentemente, menos de 1,5.
Para el gas vector para la olefina y la mezcla
gaseosa del agente de oxidación se utiliza o bien un gas inerte,
como por ejemplo, helio, argón o nitrógeno, aire u oxígeno o mezclas
de los gases mencionados. Preferentemente, se utiliza nitrógeno.
El procedimiento según la invención se realiza
en un reactor de flujo según la WO 02/20502 A1. Pero el reactor de
flujo de la presente invención comprende junto con la zona de
reacción además una zona de precalentamiento para precalentar el
flujo gaseoso olefínico que se extiende hasta el principio de la
zona de reacción y se conecta a ella sin interrupciones y
directamente y se calienta por separado en la zona de reacción.
Con el procedimiento según la invención se puede
oxidar cualquier compuesto con doble enlace olefínico en la molécula
para fabricar epóxidos. Cada molécula puede incluir 1, 2 ó más
enlaces olefínicos dobles. Los compuestos olefínicos también pueden
incluir heteroátomos como oxígeno, azufre y/o nitrógeno. Los
compuestos olefínicos además pueden ser hidrocarburos, esteres,
alcoholes, éteres, ácidos, aminos, compuestos carbonílicos o
compuestos polifuncionales comprendiendo, preferentemente, de 2 a 30
átomos de carbono en la molécula, particularmente preferido por lo
menos 3 átomos de carbono. El procedimiento se aplica
particularmente para compuestos olefínicos alifáticos de cadena
recta, ramificados o con forma de anillo, sustituidos o no
sustituidos o compuestos olefínicos con un componente arílico en la
molécula, preferentemente para compuestos olefínicos con 2 a 30
átomos de carbono, particularmente preferido con por lo menos 3
átomos de carbono. Los sustituyentes pueden ser sustituyentes de
halógeno o ser sustituyentes con oxígeno, azufre o nitrógeno.
\vskip1.000000\baselineskip
El flujo gaseoso olefínico (4 litros
estándar/min) compuesto de amileno y N_{2} se precalienta a 550ºC.
Se añade el flujo gaseoso con O_{3}/NO_{x} (2 litros
estándar/min) compuesto de una fracción volumétrica de 6,5 de
NO_{2}, una fracción volumétrica de 36% vol. de una mezcla de
O_{3}/O_{2} (del generador de ozono) y 57,5% vol. de N_{2},
partiendo de la temperatura ambiente, a través de toberas al flujo
gaseoso olefínico. La temperatura de reacción es de 300ºC. Después
del mezclado, el contenido de ozono es de 0,7% vol. y el contenido
de amileno de 1,0 a 2,4% vol. El tiempo de permanencia del volumen
en la zona de reacción es de 4,8 ms.
Como subproductos se han encontrado aldehído
acético y acetona. Los resultados se presentan en la figura 1.
Los parámetros en el punto de trabajo de
selectividad más alta en una proporción de suministro de
amileno/O_{3} de 3,47 son de:
- Conversión de amileno: 41,3%;
- Selectividad de óxido de amileno: fracción molar 90,1 de amileno convertido/O_{3} aplicado: 1,43 (molar);
- Rendimiento espacio-tiempo: 6240 g de óxido de amileno/h/(litros de volumen del reactor).
\vskip1.000000\baselineskip
El flujo gaseoso olefínico (2 litros
estándar/min) compuesto de TME y N_{2} se precalienta a 320ºC. Se
añade el flujo gaseoso con O_{3}/NO_{x} (1 litro estándar/min)
compuesto de 6% vol. de NO_{2}, 25% vol. de una mezcla de
O_{3}/O_{2} (del generador de ozono) y 69% vol. de N_{2},
partiendo de la temperatura ambiente, a través de toberas al flujo
gaseoso olefínico. La temperatura de reacción es de 200ºC. Después
del mezclado, el contenido de ozono es de 0,59% vol. y el contenido
de TME de 1,0 a 3,1% vol. El tiempo de permanencia del volumen en la
zona de reacción es de 9,6 ms.
Como subproductos se han encontrado acetona y
pinacolona. Los resultados se presentan en la figura 2.
Los parámetros en el punto de trabajo de
selectividad más alta en una proporción de suministro de TME/O_{3}
= 3,02 es de:
- Conversión de TME: 55,6%.
- Selectividad de óxido de TME: fracción molar 90,8 de TME convertido/O_{3} aplicado: 1,68 (molar).
- Rendimiento espacio-tiempo: 3600 g de óxido de TME/h/(litros de volumen del reactor).
\vskip1.000000\baselineskip
El flujo gaseoso olefínico (4 litros
estándar/min) compuesto de propileno y N_{2} se precalienta a
550ºC. Se añade el flujo gaseoso con O_{3}/NO_{x} (2 litros
estándar/min) compuesto de 2,25% vol. de NO_{2}, 10% vol. de una
mezcla de O_{3}/O_{2} (del generador de ozono) y 87,75% vol. de
N_{2}, partiendo de la temperatura ambiente, a través de toberas
al flujo gaseoso olefínico. La temperatura de reacción es de 300ºC.
Después del mezclado, el contenido de ozono es de 0,27% vol. y el
contenido de propileno de 5,6% vol. El tiempo de permanencia del
volumen en la zona de reacción es de
4,8 ms.
4,8 ms.
Como subproductos se han encontrado formaldehído
y acetaldehído.
Los parámetros en el punto de trabajo son
de:
- Conversión de propileno: 4,6%.
- Selectividad del óxido de propileno: fracción molar 81,3 de propileno convertido/O_{3} aplicado: 0,98 (polar).
- Rendimiento espacio-tiempo: 980 g de óxido de propileno/h/(litros de volumen del reactor).
\vskip1.000000\baselineskip
El flujo gaseoso olefínico (4 litros
estándar/min) compuesto de TME y N_{2} se precalienta a 460ºC. Se
añade el flujo gaseoso con O_{3}/NO_{x} (2 litros estándar/min)
compuesto de 5% vol. de NO_{2}, 25% vol. de una mezcla de
O_{3}/O_{2} (del generador de ozono) y 70% vol. de N_{2} ó 45%
vol. de N_{2} y 25% vol. de O_{2}, partiendo de la temperatura
ambiente, a través de toberas al flujo gaseoso olefínico. La
temperatura de reacción es de 300ºC. Después del mezclado, el
contenido de ozono es de 0,4% vol. y el contenido de TME de 1,62 ó
1,43% vol. (en caso de un contenido de O_{2} más alto). El
contenido de O_{2} es de bien 8,3 ó de 16,7% vol. (en caso de
adición de 25% vol. de O_{2} en el flujo gaseoso de
O_{3}/NO_{x}) El tiempo de permanencia del volumen en la zona de
reacción es de 9,6 ms.
Como subproductos se han encontrado acetona y
pinacolona.
Los parámetros en el punto de trabajo con un
contenido de 02 de 8,3% vol. son de:
- Conversión de TME: 43,7%.
- Selectividad para el óxido de TME: fracción molar 87,4 de TME convertido/O_{3} aplicado: 1,78 (molar).
- Rendimiento espacio-tiempo: 4950 g de óxido de TME/h/(litros de volumen del reactor).
\vskip1.000000\baselineskip
Los parámetros en el punto de trabajo con un
contenido de O_{2} con 16,7% vol. son de:
- Conversión de TME: 45,2%.
- Selectividad de óxido de TME: fracción molar 89,6 de TME convertido/O_{3} aplicado: 1,64 (molar).
- Rendimiento espacio-tiempo: 4650 g de óxido de TME/h/(litros de volumen del reactor).
\newpage
En los ejemplos significan:
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante se ha elaborado únicamente como ayuda para el lector. No
forma parte del documento de Patente Europea. Aunque se ha puesto
mucha atención en la compilación de las mismas no se puede evitar
incurrir en errores u omisiones, declinando la OEP toda
responsabilidad a este respecto.
\bullet WO 0220502 A1 [0002] [0013]
\bulletInd. Eng. Chem. Res.,
2005, vol. 44, 645-650 [0003]
Claims (7)
1. Procedimiento para fabricar epóxidos por
oxidación de olefinas en una reacción homogénea de fase gaseosa,
consistiendo en que las olefinas que se inyectan mediante el gas
vector se convierten en un reactor de flujo con una mezcla de gas
consistente en ozono y NO_{2} y/o NO como agente de oxidación sin
el uso de un catalizador, donde el ozono y el NO_{2} y/o el NO se
mezclan en una cámara de mezclado que se encuentra delante del
reactor de flujo, caracterizado por el hecho de que la
olefina es convertida con la mezcla gaseosa del agente de oxidación
en la zona de reacción del reactor de flujo con una temperatura de
reacción de aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 450ºC y una
presión de 250 mbar a 10 bar, donde el flujo del gas vector que
contiene la olefina se calienta en una zona de precalentamiento del
reactor de flujo a una temperatura de 250ºC a 650ºC y donde la
mezcla gaseosa del agente de oxidación de la cámara de mezcla se
añade a temperatura ambiente a la olefina en la zona de reacción del
reactor de flujo de manera turbulenta, de modo que se alcance la
temperatura de reacción en el momento de la adición y se obtenga la
proporción entre el flujo gaseoso con olefina y el flujo gaseoso del
agente de oxidación de 5:1 hasta 1:1.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que la conversión en el reactor
de flujo se realiza a una presión entre 500 y 2000 mbar,
preferiblemente a más de 1000 mbar, más preferiblemente a presión
atmosférica.
3. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que el
flujo de gas vector que contiene la olefina se precalienta a una
temperatura entre 400ºC y 550ºC en la zona de precalentamiento del
reactor de flujo.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que la
temperatura de reacción en la zona de reacción del reactor de flujo
es de aproximadamente 200ºC a aproximadamente 350ºC.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que la
proporción entre el flujo gaseoso con olefina y el flujo gaseoso con
agente de oxidación es de 4:1 hasta 2:1.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que
como gas vector para la olefina y la mezcla gaseosa del agente de
oxidación se utiliza un gas inerte, oxígeno o aire o mezclas de
estos gases, preferiblemente nitrógeno.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que se
utiliza ozono como mezcla de ozono-oxígeno.
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