PROCESO INDUSTRIAL PARA LA OBTENCIÒN DEL ESTIRENO

RESUMEN

En este trabajo se muestran los diferentes procesos industriales, para la producción masiva del C8H8 (estireno ò vinilbenceno). El más importante es el proceso de deshidrogenaciòn catalítica del C8H10 (etilbenceno) en la producción de estireno; a continuación se describen aspectos generales del proceso de deshidrogenaciòn, entre los que se destaca el papel de los catalizadores en la reacción y sus cualidades cinéticas. También se describen las diferentes reacciones obtenidas en los laboratorios o procesos industriales para la obtención del C8H8 (estireno ò vinilbenceno).

Palabras clave: deshidrogenación, etilbenceno, catalizadores, estireno y desactivación catalítica.

INTRODUCCIÓN

El C8H8 (estireno ò vinilbenceno), es el hidrocarburo aromático mas sencillo en una cadena lateral no ramificada. Es un líquido incoloro, inflamable, con olor característico no desagradable. Tiene las reacciones típicas olefìnicas y se caracteriza de modo especial por se fácilmente polimerizable. Los principales usos del estireno en la industria son la copolimerización con el C4H6 (butadieno) para hacer el caucho sintético y la polimerización en amplia variedad de resinas y de plásticos.

La deshidrogtenación catalítica del etilbenceno, es la más utilizada, ya que los demás procesos para la fabricación del C8H8 (estireno ò vinilbenceno) utilizan cloro, materia prima cuyo costo es elevado, y los residuos e impurezas orgánicas cloradas en el C8H10 (etilbenceno) contaminan el estireno, además de ser nocivos para el medio ambiente.

Por otra parte los procesos en los cuales el estireno es obtenido directamente del petróleo, son complejos y costosos en requerimientos energéticos, aparte de presentar desventajas asociadas al proceso como migración de promotores y elevadas temperaturas (exotérmicas) que afectan a los catalizadores empleados en las diferentes reacciones de producción por la presencia de coque.

En la Tabla 1 se observan los diferentes procesos industriales para la obtención del estireno:

Tabla1. Procesos industriales para la obtención del estireno.

Pirolisis del petróleo y recuperación en varias etapas del proceso

Cloración de la cadena de etilbenceno seguida de deshidrogenación

Cloración en cadena del etilbenceno e hidrolisis para dar el corresponidente alcohol y luego deshidrogenación

Oxidación del etilbenceno a hidroperóxido de etilbenceno, el cual por reaccion del propileno produce a- feniletanol y oxido de propileno. A continuación el alcohol es deshidratado a estireno

Conversión oxidativa del etilbenceno a a- feniletanol por via de la acetofenona y subsecuente deshidratación del alcohol

Dimerización del etilbenceno seguida de desproporciona miento y degradación del poliestireno reciclado

Alquilación del tolueno con metanol

Deshidrogenación catalítica del etilbenceno

PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DEL ESTIRENO

El estireno monómero es completamente miscible con metanol, etanol, acetona, éter, hidrocarburos alifáticos y aromáticos. Este es soluble en los éteres, alcoholes y cetonas superiores. Tiene poca solubilidad en los glicoles y polioles, propiedad que sirve de base para una patente que ampara la concentración del estireno en soluciones aromáticas por extracción selectiva con disolvente. El estireno es un buen disolvente de sustancias orgánicas, , incluso del poliestireno y de otros polímeros plásticos.

En la Tabla 2, aparecen las propiedades fisicoquímicas más características del estireno:

Propiedad Valor

Punto de ebullición 142°C

Densidad a 20°C 0.906g/cm3

Presión critica 40 atm

Calor latente de fusión 2645 cal/mol

Calor latente de vaporización 10500 ± 100 cal /mol

Momento dipolo 0.37 (aprox)

Calor especifico 0.416 cal/g°C

PROCESOS INDUSTRIALES PARA LA OBTENCIÓN DE ESTIRENO

Fabricación del etilbenceno

La reacción básica en la alquilación Friedel-Crafts del benceno es

"C" _"6" "H" _"6" "+C" "H" _"2" "=C" "H" _"2" " → " "C" _"6" "H" _"5" 〖"CH" 〗_"2" 〖"CH" 〗_"3"

La reacción catalítica del C6H6 (benceno) y CH2=CH2 (eteno ó etileno) produce como producto el C8H10 (etilbenceno) y como subproductos el dietilbenceno y polietilbencenos superiores. En consecuencia, los métodos tienden a reducir al mínimo la formación de los bencenos altamente etilados convertirlos en el deseado monoetilbenceno. La reacción que se lleva a cabo en el alquilador a contracorriente libera mucha energía en forma de calor, es decir es una reacción altamente exotérmica; termodinámicamente, el equilibrio de la reacción para la formación de C8H10 (etilbenceno) se desplaza hacia los productos, es decir que reacciona todo el etileno. En el proceso en fase liquida con AlCl3 (cloruro de aluminio) la alquilación se lleva a cabo ordinariamente de modo continuo en condiciones moderadas (aproximadamente a 95ºC y 352g/cm3 de presión en el reactor. Dos reacciones ocurren en el reactor. Una es la reacción del CH2=CH2 (eteno ó etileno) gaseoso con el C6H6 (benceno) para formar los diferentes derivados etílicos. La segunda es la llamada desalquilación o reacción de intercambio en la cual reaccionan los polietilbencenos con el benceno para formar el etilbenceno. Es típica de esta segunda reacción la del dietilbenceno.

"C" _"6" "H" _"6" "+ " "C" _"6" "H" _"4" "(" 〖"CH" 〗_"2" 〖"CH" 〗_"3" ")" _"2" " ↔ 2" "C" _"6" "H" _"5" 〖"CH" 〗_"2" 〖"CH" 〗_"3"

En condiciones apropiadas de reacción, la absorción del CH2=CH2 (eteno ó etileno) es virtualmente instantánea, pero la reacción de intercambio es menor rápida, sobretodo por debajo de los 60ºC.

Por lo tanto, en la recuperación del C8H10 (etilbenceno) deseado seria necesario separar primeramente, por fraccionamiento, gran cantidad de C6H6 (benceno) por unidad de C8H10 (etilbenceno). Sin embargo a consecuencia de la reacción de intercambio anteriormente citada, se emplean relaciones etileno-benceno mucho mayores y los polietilbencenos recuperados del producto de la reacción son recirculados a la etapa de alquilación para conseguir una concentración de C8H10 (etilbenceno) fija con un 95 % de rendimiento.

Además del AlCl3 (cloruro de aluminio), que se encarga normalmente en forma solida en la parte superior de la torre de alquilación, se utiliza HCl (cloruro de hidrogeno) como promotor de la reacción. Este compuesto puede añadirse como tal, o puede ser generado añadiendo pequeñas cantidades de agua para hidrolizar parte del AlCl3 (cloruro de aluminio). Este segundo método tiene la desventaja de creciente consumo de catalizador y aumento en la corrosión del alquilador. Otro medio es la adición de CH3CH2Cl (cloruro de etilo), el cual produce HCl (cloruro de hidrogeno) en las condiciones de reacción.

El benceno empleado es de gran pureza. Además del benceno neto que se introduce en el aparato de alquilación, se devuelve continuamente el benceno que no ha reaccionado, extraído por fraccionamiento del producto del reactor y desecado. Por lo general, el etileno empleado en la reacción es de 95% de pureza, aunque esto no es esencial. Puede usarse etileno mas diluido siempre y cuando los diluyentes provenientes sean inertes en las condiciones del reactor; pero esto tiene el inconveniente de requerir altas presiones de operación para evitar excesiva pérdida de los hidrocarburos líquidos. El acetileno es una impureza indeseable, que aumenta el consumo del catalizador. Cuando se emplea el cloruro de etilo como promotor, la alimentación del etileno puede emplearse para evaporarlo y hacerlo pasar por el reactor. El etileno es introducido por el fondo de la torre, en la cual asciende y causa turbulencia, ayudando así a la mezcla de las dos fases presentes en el reactor.

El efluente reactor comprende dos fases liquidas; una grande, capa de hidrocarburos esencialmente libre del catalizador, y otra mucho menor, mas viscosa, capa oscura de alta densidad, que contiene casi todo el catalizador. Las dos capas son enfriadas y separadas, y la mayor parte del complejo catalizador o capa de lodo es devuelta a la torre de alquilación con algo de catalizador nuevo, parte del complejo catalizador puede ser introducido en un desalquilador separado, donde los bencenos altamente etilados son tratados a unos 200ºC, esto se hace para efectuar una mayor conversión a etilbenceno. Una parte del complejo catalizador es apartada continuamente del sistema de reacción para compensar las adiciones de catalizador fresco.

Como resultado de la recirculación de catalizador, el consumo total de cloruro de aluminio se reduce económicamente. Aunque una cantidad demasiado pequeña de catalizador da como resultado la insuficiente absorción del etileno, también es perjudicial emplear demasiado. Porque entonces llega a ser excesiva la capa de complejo de catalizador y es mas grande la formación de los productos secundarios.

El producto crudo de la reacción se neutraliza con alcalí caustico concentrado y el aceite libre de catalizador se hace pasar por una seria de columnas de fraccionamiento continuo. Aunque los detalles del proceso varían en el procedimiento de recuperación,

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