La destilación catalítica es una rama de la destilación reactiva que combina los procesos de destilación y catálisis para separar selectivamente mezclas dentro de soluciones. Su función principal es maximizar el rendimiento de reacciones orgánicas catalíticas , como el refinado de gasolina . Se pensaba que el primer caso de destilación catalítica se remontaba a 1966; [1] sin embargo, la idea fue patentada oficialmente en 1980 por Lawrence A. Smith, Jr. [2] El proceso se utiliza actualmente para purificar gasolina, extraer caucho y formar plásticos.
Catalizadores
Los catalizadores utilizados para la destilación catalítica se componen de diferentes sustancias y se empaquetan en diferentes objetos. La mayoría de los catalizadores son ácidos , bases , óxidos metálicos o haluros metálicos en polvo . Estas sustancias tienden a ser altamente reactivas, lo que puede acelerar significativamente la velocidad de la reacción, convirtiéndolas en catalizadores efectivos. [3]
Las formas en las que se empaquetan los catalizadores deben poder formar una disposición geométrica consistente para proporcionar un espaciado igual en el lecho del catalizador (un área en la columna de destilación donde el reactivo y el catalizador entran en contacto para formar los productos ). Este espaciado está destinado a garantizar que los catalizadores se distribuyan uniformemente dentro de la columna. El lecho del catalizador debe ser muy espacioso (aproximadamente un 50% vacío) para que cualquier reactivo gaseoso evaporado pueda catalizar y formar productos gaseosos . El lecho de catalizador también debe poder contraerse y expandirse, ya que puede tener que responder a los cambios de presión dentro de la columna. [4]
Antes de que los catalizadores se empaqueten en la forma, primero se empaquetan en algo poroso como una tela o malla de alambre . La tela puede estar hecha de algodón, fibra de vidrio, poliéster, nailon u otros materiales similares. La malla generalmente está hecha de aluminio, acero o acero inoxidable. [5]
En términos de formas, los catalizadores generalmente se empaquetan en anillos, monturas, bolas, láminas, tubos o espirales. Estas formas tienden a estar hechas de fibra de vidrio, teflón y metales no reactivos. Antes de introducir los catalizadores en el sistema, se embolsan, se colocan en rejillas o pantallas metálicas o se colocan sobre espumas poliméricas . [6]
Proceso
Dentro de la columna de destilación catalítica, los reactivos líquidos se catalizan mientras se calientan al mismo tiempo. Como resultado, los productos comienzan a vaporizarse inmediatamente y se separan de la solución inicial. Al catalizar y calentar los reactivos en el mismo instante, los productos recién formados se eliminan rápidamente del sistema por ebullición. Con la falta de los productos, el principio de Le Chatelier entra en vigor y forma nuevos productos a partir de los reactivos para reemplazar los productos eliminados. Dado que los productos están saliendo continuamente, el sistema nunca alcanza el equilibrio . La formación continua de productos hace que la reacción se complete. [7]
Reflujo
En la mayoría de las reacciones llevadas a cabo por destilación catalítica, los reactivos suelen ser más volátiles que los productos . Debido a esto, se implementa un sistema de reciclaje interno, conocido como reflujo , justo después del condensador (un área dentro de la columna donde los gases que escapan se enfrían hasta convertirse en líquidos). El reflujo transfiere el vapor concentrado de regreso al área del catalizador. [8] El reflujo también devuelve una parte de los líquidos condensados a la columna para garantizar que solo se capturen los productos con los puntos de ebullición más bajos . A medida que el reflujo devuelve mezclas impuras, los catalizadores se lavan para un uso prolongado. [9]
Tipos de reacciones
Las reacciones dentro de las columnas de destilación catalítica incluyen: [10]
- dimerización : formación de una sola molécula a partir de dos monómeros con enlaces débiles o fuertes.
- polimerización : formación de una molécula tridimensional a partir de múltiples monómeros.
- eterificación : formación de una molécula uniendo dos grupos CH n ( alcano ) alrededor de un átomo de oxígeno .
- esterificación : formación de una molécula a partir de un ácido con oxígeno ( oxoácido ) y una molécula que contiene un grupo OH ( hidroxilo ).
- isomerización : cambiar la estructura de una molécula sin cambiar sus elementos individuales y sus respectivas cantidades.
- alquilación : transferencia de un grupo CH n de una molécula a otra.
- hidrogenación : adición de átomos de hidrógeno a una molécula.
- deshidrogenación : separación de átomos de hidrógeno de una molécula.
Mejoras de la destilación de dos columnas
En la destilación en dos columnas, la obtención del producto deseado requiere una columna para catálisis y luego una columna para destilación . Esto significa que la empresa de destilación tendría que financiar la construcción de dos grandes columnas, así como un método para transportar el contenido de una columna a otra. Con la destilación catalítica, la empresa solo necesita financiar una columna, lo que elimina tanto el costo de una segunda columna como el costo de mover los productos químicos de una columna a otra. Esta optimización reduce los costos generales a casi la mitad del costo original. [11]
Además de reducir costos, la destilación catalítica es un hito en eficiencia y eficacia. Se gasta menos tiempo porque no es necesario mover el contenido de una columna a otra. Además, el porcentaje producido de los reactivos a los productos aumentó en algunas reacciones del 96-97% al 99,9%. [12]
Referencias
- ^ Hoffman, Achim. "Escalado de columnas de destilación reactiva con empaquetaduras catalíticas" (PDF) .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Patente del proceso de destilación catalítica" .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Patente del proceso de destilación catalítica" .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Estructura de destilación catalítica" .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Estructura de destilación catalítica" .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Patente del proceso de destilación catalítica" .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Patente del proceso de destilación catalítica" .
- ^ Darton, Richard. Destilación y absorción '97 .
- ^ Gildert, Gary. "Avances en la tecnología de procesos a través de la destilación catalítica" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2008-09-06 . Consultado el 14 de febrero de 2012 .
- ^ Smith Jr, Lawrence A. "Patente de estructura de destilación catalítica" .
- ^ Gildert, Gary. "Avances en la tecnología de procesos a través de la destilación catalítica" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2008-09-06 . Consultado el 14 de febrero de 2012 .
- ^ Gildert, Gary. "Avances en la tecnología de procesos a través de la destilación catalítica" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2008-09-06 . Consultado el 14 de febrero de 2012 .