MXPA03002238A - Catalisis acida gaseosa. - Google Patents

Abstract

Un metodo de catalisis acida gaseosa el cual encuentra aplicaciones particulares en la fabricacion de furfural e incluye los pasos de introducir un reactivo solido que contiene uno o mas grupos hidroxido en un reactor (1); introducir vapor sobrecalentado de un sobrecalentador (2) hasta que la temperatura dentro del reactor (1) sea superior a la de los puntos de rocio tanto del agua como del catalizador y el reactivo este seco. El catalizador se introduce entonces en el vapor sobrecalentado mediante el vaporizador (3). El producto gaseoso formado se licua en el condensador (4) y el condensado se recolecciona en un tanque regulador (5). La planta separadora (6) aisla el producto gaseoso y recupera el catalizador acido, preferentemente como su azeotropo con agua y lo recicla en el vaporizador.

Description

CATÁLISIS ACIDA GASEOSA DESCRIPCIÓN Antecedentes y campo de la invención Esta invención se relaciona a la catálisis acida gaseosa y en particular a la catálisis ácida gaseosa de la conversión de pentosa o pentosana a furfural . La catálisis ácida, un mecanismo de reacción común en la química orgánica implica el envolvimiento de iones oxonio o hidronio, H30+. Se entiende por "catálisis ácida" un proceso que ocurre de manera inherente en solución acuosa. Hasta donde la solicitante conoce, nadie parece haber usado un gas como un catalizador ácido y con justa razón. Como se muestra en la Figura 1, no se ionizan los gases hasta que se alcanzan temperaturas muy altas. Como puede verse, no hay ionización térmica importante por debajo de 2500°C para el agua y por debajo de 5000°C para HCl . También se ha mostrado que la ionización por rayos cósmicos y por radioactividad ambiental es despreciable, en conjunto suman no más de 10 pares de iones/ (s cm3) con una duración de vida de 70 s. Por lo tanto, los gases no es sino sólo a temperaturas sumamente altas que pueden considerarse como no ionizados completamente, como se demuestra por ser aislantes eléctricos perfectos. Obviamente, un gas no ionizado no puede ser un "catalizador ácido", por consiguiente, se ha creído de manera universal que los procesos catalizados por ácido deben llevarse a cabo en fase líquida. Sin embargo, estudios recientes de química de la estratosfera y del agotamiento de la capa de ozono han demostrado que el vapor de HCl, normalmente estable, se ioniza en presencia de cristales de hielo que son abundante en la estratosfera. Las moléculas de HCl y de vapor de agua son fuertemente adsorbidas sobre la superficie de los cristales de hielo. En el estado de en adsorción, cada molécula de HCl reacciona preferentemente con cuatro moléculas de agua para formar un conglomerado ionizado, H30+ (H20) 3C1~, en el cual las tres moléculas de agua forman el plano ecuatorial de una bipirámide trigonal, con los iones Cl" y H30+ en los ápices. El átomo de cloro lleva un carga de -0.80 e y el ion oxonio una carga de +0.85 e, de manera que la actividad eléctrica del conglomerado será casi igual a la del los iones Cl" y H30+ libres. El papel de la superficie sólida es permitir que las moléculas de HCl entren en contacto con cuatro moléculas de agua lo cual no es posible vía colisiones en una fase gaseosa desprovista de superficies adsorbentes .

Es por consiguiente un objeto de esta invención el proveer un método de catálisis ácida gaseosa. La solicitante ha notado además la similitud entre los cristales de hielo y otros sólidos que tienen grupos hidroxilo polares múltiples, por ejemplo los azúcares, y en particular pentosa o pentosana. Es por consiguiente un objeto adicional de esta invención el proporcionar un método para hidrólisis de azúcares catalizada por catálisis ácida gaseosa para formar aldehidos y en particular, pentosana y pentosa a furfural . El documento de los Estados Unidos de América A-4001283 describe la preparación de f rfural a partir de materiales que contienen pentosana utilizando vapor y un catalizador ácido volátil (cloruro de hidrógeno) . Sin embargo bajo estas condiciones, (el vapor, en contraposición al uso de vapor sobrecalentado) el HC1 está en solución y en consecuencia no se comporta como un catalizador gaseoso como se describe en esta invención.

Descripción detallada de la invención De conformidad con la invención, un método de catálisis ácida gaseosa incluye los pasos de introducir un reactivo en forma sólida en un reactor, el reactivo incluye uno o más grupos hidroxilo; introducir vapor sobrecalentado en el reactor hasta que el reactivo esté seco y que la temperatura dentro del reactor sea superior a los puntos de rocío de tanto el agua como del catalizador a ser utilizado; introducir el ácido en el reactor junto con el vapor sobrecalentado por medio de un vaporizador; y condensar el gas formado . En la forma preferida de la invención, el reactivo es capaz de formar un conglomerado ionizado complejo con el agua y con por lo menos una porción del ácido . También en la forma preferida, la reacción se lleva a cabo a presión atmosférica. El reactivo debe estar completamente seco. En la forma preferida, el ácido es ácido clorhídrico. En esta forma de la invención, la reacción debe llevarse a cabo a una temperatura por encima del punto de ebullición del azeótropo HC1-H20 máximo. Esto ocurre típicamente a 20.2 % en peso de HC1 con un punto de ebullición de 108.6°C y en consecuencia la reacción debe llevarse a cabo arriba de esta temperatura. En una forma de la invención, el reactivo es una azúcar. En una forma de la invención, el reactivo es pentosana y/o pentosa y la sustancia sólida es una materia prima molida rica en contenido de pentosana, por ejemplo tallos de girasol, olotes o bagazo de maiz.

Descripción de un ejemplo de la invención En la figura 2 se ilustra un proceso de catálisis ácida gaseosa típico que utiliza ácido clorhídrico. El reactor 1 se carga con materia prima molida de alto contenido de pentosana, como tallos del girasol, olotes o bagazo de maíz. Se pasa vapor a presión atmosférica a través de un sobrecalentador 2 típicamente alimentado por gas de combustión y este vapor se pasa entonces a través de la carga para primero secar completamente la carga y entonces calentarlo a una temperatura más allá del punto de rocío atmosférico máximo del ácido clorhídrico. La carga se calentará rápidamente una vez que se le ha quitado la humedad. Cuando se alcanza la temperatura deseada, se dispersa una cantidad pequeña de ácido clorhídrico continuamente en el vapor sobrecalentado por medio de un vaporizador 3 para dar a la corriente de gas un contenido de HC1 de aproximadamente 1.5% en peso. La corriente de gas que deja el reactor se licúa en un condensador 4 y el condensado es colecta en un tanque de almacenamiento intermedio 5 antes de que entre en una planta de separación 6 que aisla furfural , compuestos de bajo punto de ebullición y ácidos carboxílieos y recupera HCl como su azeótropo con agua. Este ácido clorhídrico se utiliza para alimentar el vaporizador 3, de manera que el catalizador se contenga en un circuito cerrado. La "pervaporización" de la carga se mantiene hasta que no se produzca nada de f rfural. Entonces el residuo se descarga bajo nitrógeno, para prevenir autoencendido y se inicia una nueva carga. Cuando esta reacción se lleva a cabo a 155°C, la solicitante encontró que la corriente de gas de chimenea estaba muy cargada con furfural, compuestos de bajo punto de ebullición y ácidos carboxílicos . Lo que es más sorprendente de este resultado es la presencia de furfural como gas aunque el proceso se lleva a cabo a una temperatura por debajo de su punto de ebullición (161.7°C) . Una ventaja importante de este nuevo proceso es que la ausencia de una fase líquida aumenta de forma importante el rendimiento de furfural . En el proceso convencional de furfural, el furfural generado se disuelve en fase líquida, cundo, bajo la influencia catalizadora de los iones oxonio, sufre reacciones de pérdida con él mismo y con intermedios de la conversión pentosa a furfural . Además, con ácido sulfúrico como catalizador de costumbre, hay pérdidas por sulfonación. En consecuencia, el rendimiento en plantas convencionales de furfural sólo está en el orden de 50%. En contraste, en la catálisis ácida gaseosa, sin fase liquida en la cual se disuelva, el furfural generado se vaporiza al instante y se evitan las reacciones de pérdida. En un ensayo de laboratorio, se han logrado rendimientos del orden de 95%. En el proceso convencional de furfural, se necesitan presiones altas para mantener el catalizador acuoso en el estado líquido y el catalizador de costumbre, ácido sulfúrico, no es volátil, de manera que éste se pierde en el residuo cuando presenta un problema de desecho . Comparado con este proceso convencional, el nuevo proceso de catálisis gaseosa tiene las siguientes ventajas: 1) A cualquier temperatura escogida, el proceso puede llevarse a cabo a presión atmosférica. 2) Debido a que el catalizador de H20/HC1 se utiliza más allá de su punto de rocío, no hay corrosión, de manera que el reactor pueda hacerse de acero bajo en carbono. 3) La porción ácida del catalizador puede recuperarse por completo, para ser trabajada en un circuito cerrado, de manera que no existe consumo de ácido ni problema de desecho. Se tiene disponible tecnología para la recuperación del ácido.

Claims (11)

4) El residuo está seco y libre de ácido, siendo evidentemente adecuado para una combustión simple sin mayor problema. Mediante combustión parcial en aire, también es posible utilizar el residuo para la fabricación de "gas pobre" que consiste principalmente de monoxido de carbono, hidrógeno y nitrógeno. 5. El rendimiento está cerca de 100 por ciento debido a que no existe ninguna fase líquida en donde ocurrieran reacciones de pérdida. Se han medido rendimientos de hasta 95.8 por ciento. Debe notarse que aunque se describe un ejemplo de un proceso por lotes, la solicitante estipula que también puede utilizarse un proceso continuo. REIVINDICACIONES

1. Un método de catálisis ácida gaseosa caracterizado porque incluye los pasos de introducir un reactivo en forma sólida en un reactor, el reactivo incluye uno o más grupos hidróxilo; introducir vapor sobrecalentado en el reactor hasta que el reactivo esté seco y que la temperatura dentro del reactor sea superior a la de los puntos de rocío del agua y del catalizador a ser usado; introducir el ácido junto con el vapor sobrecalentado en el reactor por medio de un vaporizador; y condensar el gas formado; el reactivo contiene uno más azúcares.

2. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el reactivo es capaz de formar un conglomerado ionizado completo con agua y al menos una porción del ácido.

3. Un método de conformidad con la reivindicación 1 o la reivindicación 2 caracterizado porque la reacción se lleva a cabo a presión atmosférica.

4. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el ácido es ácido clorhídrico.

5. Un método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque la reacción se lleva a cabo a una temperatura superior al punto de ebullición del azeótropo HCl-¾0 máximo.

6. Un proceso para la fabricación de aldehidos a partir de azúcares caracterizado porque la hidrólisis del azúcar se cataliza por un método de catálisis acida gaseosa de conformidad con la reivindicación 1.

7. Un proceso para la fabricación de furfural a partir de pentosana de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la hidrólisis de la pentosana y/o pentosa y posterior deshidratación a furfural se cataliza por medio de ácido clorhídrico gaseoso de conformidad con el método de catálisis de la reivindicación 1.

8. Un proceso para la fabricación de furfural de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el ácido clorhídrico se recicla como su azeótropo con agua.

9. Un proceso para la fabricación de furfural de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque la reacción se lleva a cabo a 155°C.

10. Un proceso para la fabricación de furfural de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el rendimiento de furfural es superior al 90%.

11. un proceso de conformidad con la reivindicación 6 , caracterizado porque el proceso es continuo.