ES2297637T3 - Procedimiento mejorado de reacciones quimicas que incluyen cianhidrinas. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para minimizar la descomposición de cianhidrinas en un proceso de reacción exotérmico que incluye cianhidrinas y que produce una cantidad de calor, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: (a) proporcionar un medio de reacción a un reactor tubular que contiene al menos una zona de reacción en el mismo y que tiene medios de mezcla internos posicionados en la zona de reacción mencionada; (b) proporcionar uno o más reactivos a dicho reactor tubular; y (c) mezclar dicho medio de reacción con uno o más de dichos reactivos en al menos una de dichas zonas de reacción mencionada, formando de esta manera una mezcla de reacción en masa con una composición sustancialmente homogénea y una temperatura de reacción sustancialmente homogénea; (d) eliminar una cantidad de calor del proceso de reacción exotérmico, siendo dicha cantidad de calor equivalente a dicha cantidad de calor producida por el proceso de reacción exotérmico; y (e) hacer reaccionar uno o más de dichos reactivos en al menos una de dichas zonas de reacción para producir un producto mezclado con una temperatura de la masa.
Description
Procedimiento mejorado de reacciones químicas
que incluyen cianhidrinas.
La presente invención se refiere a la
minimización de la descomposición térmica de cianhidrinas en
reacciones químicas que incluyen cianhidrinas, tales como
reacciones de hidrólisis de cianhidrina de acetona, por la que
aumenta el rendimiento general de productos.
Existen muchos procedimientos químicos que
incluyen cianhidrinas, ya sea como reactivos o como productos. Por
ejemplo, procedimientos comerciales bien conocidos para la
producción de ácido metacrílico ("MAA") y ésteres del mismo,
tales como metacrilato de metilo ("MMA") y metacrilato de
butilo ("BMA"), a partir de cianhidrina de acetona típicamente
incluyen a una serie de reacciones, incluida la reacción de
hidrólisis inicial de cianhidrina de acetona con ácido sulfúrico.
El procedimiento para la producción de MMA y ésteres de MAA también
incluye el craqueo de los productos de hidrólisis y otra reacción,
tal como una reacción de acidificación para formar MAA, o una
reacción de esterificación para formar ésteres de MAA. Además, la
cianhidrina de acetona misma es el producto de reacción de acetona
con cianuro de hidrógeno. El mercado comercial para MAA y ésteres
del mismo es extremadamente sensible al coste y, por consiguiente,
cualquier mejora en el rendimiento del producto, aunque sea leve,
puede dar lugar a ahorros significativos.
Se sabe que las cianhidrinas son susceptibles de
descomposición en presencia de ácidos fuertes (por ejemplo, ácido
sulfúrico o fosfórico) o bases fuertes (por ejemplo, sosa cáustica o
dietilamina) formando cianuro de hidrógeno y otros productos de
descomposición (dependiendo de la naturaleza de la cianhidrina) a
temperaturas elevadas, tales como, por ejemplo, superiores a
aproximadamente 70ºC. La descomposición de cianhidrina en
reacciones en las que las cianhidrinas son ellas mismas los
productos deseados da lugar directamente a la disminución del
rendimiento de productos. La descomposición de cianhidrina en
reacciones en las que las cianhidrinas son intermedios o reactivos
en otras reacciones, tales como en la producción de MAA y sus
ésteres, da lugar indirectamente a la disminución del rendimiento
de productos, ya que una porción de la cianhidrina se destruye en
vez de consumirse por medio de otras reacciones para producir los
productos de reacción deseados, previstos. Por consiguiente, la
minimización de descomposición de cianhidrina es un objetivo actual
de los fabricantes de productos químicos cuyas reacciones incluyen
cianhidrinas.
Se sabe también que aunque las altas
temperaturas generalmente incrementan la velocidad de reacción de
las reacciones químicas que incluyen cianhidrinas, tales reacciones
también son típicamente exotérmicas. Por consiguiente, en vista de
la potencial descomposición de cianhidrinas a altas temperaturas, es
importante controlar estrictamente la temperatura de reacción en
los procedimientos que incluyen cianhidrinas para mantener las
velocidades de reacción mientras se minimiza la descomposición de
las cianhidrinas.
Un procedimiento conocido en la técnica para
controlar estrictamente la temperatura de reacción de las reacciones
que incluyen cianhidrinas, incluida la reacción de hidrólisis de
cianhidrina de acetona con ácido sulfúrico, es contener la zona de
reacción (donde se produce la reacción) en uno o más tanques de
reacción con agitación continua ("CSTR"). Los CSTR son
típicamente hervidores o tanques bien agitados y, por diversas
razones, un procedimiento de reacción puede incluir dos o más CSTR
conectados en serie Frecuentemente se seleccionan CSTR que
contienen zonas de reacción de reacciones químicas particulares que
necesitan homogeneidad porque los expertos en la técnica saben que
proporcionan un ambiente de reacción homogéneo, es decir, en el que
la composición de la mezcla de reacción y la temperatura de
reacción son homogéneas en toda la zona de reacción. Esto significa
que en la técnica se entiende y asume que la composición y
temperatura a las que se lleva a cabo la reacción dentro de un CSTR
son las mismas que la composición y temperatura en todos los lugares
dentro del CSTR, como así también en la corriente de salida del
CSTR. Tal uniformidad de temperatura y composición es útil para
optimizar el rendimiento de las reacciones químicas, incluidas
aquellas que incluyen cianhidrinas, tales como las reacciones de
hidrólisis de cianhidrina de acetona, según los procedimientos de la
técnica anterior.
Por ejemplo, la Encyclopedia of Chemical
Technology, de Kirk-Othmer, 4º Edición, Vol. 16,
John Wiley & Sons, 1995, páginas 16-18 y Figura
4, enseña la preparación de MAA y sus ésteres usando el
procedimiento bien conocido que comienza con la hidrólisis de
cianhidrina de acetona con ácido sulfúrico en un CSTR. De manera
similar, la Publicación de Patente de EEUU Nº 2003/0208093 (US
'093) enseña un procedimiento para la producción de MAA y sus
ésteres en el que se usa una serie de dos o tres CSTR para la
reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona con ácido
sulfúrico. La Patente de EEUU Nº 2003/0208093 enseña que la
temperatura de reacción de la hidrólisis es típicamente desde 70ºC
hasta 135ºC (lo que significa que la temperatura de la mezcla de
reacción en masa en el CSTR es desde 70ºC hasta 135ºC). Según las
enseñanzas de ambos documentos, la reacción de hidrólisis produce
una mezcla de hidrólisis que comprende
\alpha-sulfatoinsobutiramida ("SIBAM"),
\alpha-hidroxiisobitiramida ("HIBAM"), y una
cantidad menor de metacrilamida ("MAM"). La mezcla de
hidrólisis se somete a una reacción de craqueo en la que SIBAM e
HIBAM se convierten en más MAM. El producto MAM resultante puede a
continuación hacerse reaccionar con agua para producir MAA y con
alcanoles (por ejemplo, metanol, butanol) para producir ésteres de
MAA, (por ejemplo, MMA, BMA).
Sin embargo, sorprendentemente y a diferencia
del conocimiento general en la técnica, se descubrió que cuando se
usan CSTR en reacciones que incluyen cianhidrinas, tales como la
reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona con ácido
sulfúrico, se presentan regiones persistentes de alta temperatura en
y alrededor del sitio donde se introduce la carga del reactivo en
el CSTR (denominado en lo sucesivo "punto de adición"). Estas
regiones localizadas de alta temperatura (denominadas en lo sucesivo
"puntos calientes") pueden estar hasta 10ºC, o incluso hasta
20ºC, por encima de la temperatura de otro modo uniforme de la
mezcla de reacción en masa dentro del CSTR. Estos puntos calientes
promueven la descomposición térmica de la cianhidrina, conduciendo
de esta manera a una fuente significativa de disminución del
rendimiento del producto.
Por consiguiente, por ejemplo, en un
procedimiento de producción de MAA y sus ésteres, que incluye la
reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona con ácido
sulfúrico en un CSTR, donde se mantiene la temperatura de reacción
dentro del intervalo presumiblemente seguro desde 80ºC hasta 90ºC,
el punto caliente en el punto de adición de la cianhidrina de
acetona es superior a 90ºC, lo que promueve la descomposición de la
cianhidrina de acetona sobre la producción de los productos de
hidrólisis de preferencia (es decir, SIBAM, HIBAM y MAM) que se
necesitan para otras reacciones posteriores y para la producción
final de MAA y sus ésteres. Tales pérdidas de rendimiento
irrecuperables puede ser tan elevadas como del 3% y son, por
consiguiente, muy significativas para los procedimientos de
producción general de MAA y de éster de MAA.
Aparte de todas las variables del procedimiento
en la reacción de hidrólisis discutida anteriormente, los estudios
revelaron que la temperatura de reacción es la más significativa con
respecto a la descomposición de cianhidrina de acetona. En
promedio, la experimentación de laboratorio realizada por los
solicitantes reveló que la descomposición de cianhidrina de acetona
disminuye el rendimiento de la hidrólisis en aproximadamente un 1%
por cada 10ºC de aumento de la temperatura de reacción de la
hidrólisis. Por ejemplo, en las reacciones de hidrólisis de
cianhidrina de acetona con ácido sulfúrico, llevadas a cabo en un
CSTR a escala de laboratorio, se determinó que un incremento de
10ºC en la temperatura de hidrólisis, desde 85ºC hasta 95ºC, dio
como resultado un aumento del 1% de pérdida de rendimiento del
producto.
Además, es importante mezclar rápida y
exhaustivamente los reactivos con el medio de reacción en la zona de
reacción por varias razones, que incluyen facilitar el control de
temperatura en reacciones que incluyen cianhidrinas. La Patente de
EEUU Nº 5.763.687 describe que la mezcla exhaustiva en una reacción
química para producir compuestos mononitro aromáticos puede
llevarse a cabo mediante el uso de un reactor tubular con una
configuración interna particular. Más particularmente, se montan y
se posicionan una pluralidad de piezas tabulares trenzadas dentro
del reactor tubular tal que cuando se cargan los reactivos en el
reactor se mezclen eficazmente a medida que pasan a través del
reactor.
En vista de las anteriores dificultades y
defectos para realizar las reacciones que incluyen las cianhidrinas
usando CSTR, que dan como resultado la formación recientemente
descubierta de un punto caliente perjudicial en el punto de adición
al CSTR, existe una necesidad de un procedimiento para llevar a cabo
tales reacciones que minimice el potencial de descomposición de las
cianhidrinas. El procedimiento de la presente invención logra este
objetivo usando un aparato reactor que asegura la mezcla rápida y
exhaustiva de los reactivos con el medio de reacción en la zona de
reacción y manipulando la temperatura de reacción.
En una forma de realización general de la
presente invención, se proporciona un procedimiento para minimizar
la descomposición de cianhidrinas en un proceso de reacción
exotérmica que incluye cianhidrinas. El procedimiento comprende las
etapas de: (a) proporcionar un medio de reacción a un reactor
tubular que contiene al menos una zona de reacción en el mismo y
que tiene medios de mezcla internos posicionados en al menos una
zona de reacción; (b) proporcionar uno o más reactivos al reactor
tubular; y (c) mezclar el medio de reacción con uno o más reactivos
en al menos una zona de reacción, formando de esta manera una mezcla
de reacción en masa con una composición sustancialmente homogénea y
una temperatura de reacción sustancialmente homogénea. La reacción
exotérmica produce una cantidad de calor y, por consiguiente, el
procedimiento de la presente invención además comprende (d)
eliminar una cantidad de calor del proceso de reacción exotérmico; y
(e) hacer reaccionar el o los reactivos en al menos una zona de
reacción para producir un producto mezclado con una temperatura de
la masa.
El reactor tubular puede comprender dos o más
reactores tubulares montados en paralelo o en serie uno con otro.
Los medios de mezcla internos del reactor tubular pueden ser al
menos un dispositivo seleccionado del grupo constituido por:
mezcladoras estáticas, placas con orificios, venturis, mezcladoras
de corriente, eductores, placas perforadas, rociadores, agitadores,
mezcladoras rotativas, bucles de circulación de alta velocidad, y
boquillas de pulverización. Además, el medio de reacción y el o los
reactivos pueden proporcionarse al reactor tubular en una
proporción medio:reactivos de entre 2:1 y 200:1.
En una forma de realización particular de la
presente invención, la etapa de eliminación de una cantidad de
calor puede levarse a cabo enfriando el medio de reacción hasta una
temperatura entre 1ºC y 10ºC inferior a la temperatura de la masa
previo a proporcionar el medio de reacción al reactor tubular.
En otra forma de realización particular de la
presente invención, puede proporcionarse el primero de uno o más
reactivos al reactor tubular en al menos uno de una pluralidad de
puntos de adición por medio de una pluralidad de dispositivos
inyectores posicionados en forma de circunferencia alrededor del
aparato reactor tubular. La etapa de mezcla del medio de reacción
con el o los reactivos para formar una mezcla de reacción en masa
homogénea puede realizarse, al menos en parte, seleccionando y
usando uno o más de la pluralidad de dispositivos inyectores para
proporcionar al menos el primero de uno o más reactivos al reactor
tubular.
En otra forma de realización más de la presente
invención, el proceso de reacción exotérmica que incluye
cianhidrinas es una reacción de hidrólisis, en la que un primer
reactivo comprende cianhidrina de acetona, y un segundo reactivo
comprende un ácido seleccionado del grupo constituido por: ácido
sulfúrico, oleum y mezclas de los mismos. En esta forma de
realización, la relación molar de ácido:cianhidrina de acetona
presente en la mezcla de reacción en masa puede estar en el
intervalo desde 1,3:1 hasta 1,9:1. Además, en esta forma de
realización, el producto mezclado de la reacción de hidrólisis
puede comprender uno o más productos seleccionados del grupo
constituido por: \alpha-sulfatoisobutiramida,
\alpha-hidroxiisobutiramida, y metacrilamida; y el
procedimiento puede además comprender: (f) la conversión térmica
del producto mezclado de la reacción de hidrólisis en un reactor de
craqueo para producir una mezcla de reactor de craqueo que comprende
metacrilamida y ácido metacrílico; y (g) hacer reaccionar la mezcla
de reactor de craqueo en al menos un reactor con un material
seleccionado de alcanol y agua para producir un monómero
seleccionado de ácido metacrílico y ésteres del mismo.
A partir de siguiente descripción detallada de
diversas formas de realización de la presente invención resultarán
evidentes otras características y ventajas, consideradas
conjuntamente con los dibujos, en los que los mismos números de
referencia indican las mismas características, y en los que:
La Figura 1 es una representación esquemática de
una forma de realización de la presente invención en la que el
procedimiento de reacción es una reacción de hidrólisis de
cianhidrina de acetona con ácido; y
La Figura 2 es una representación esquemática de
un procedimiento conocido de la técnica anterior para la hidrólisis
de cianhidrina de acetona con ácido, proporcionada para su
comparación.
Como se discutió anteriormente en este
documento, las cianhidrinas están sometidas a descomposición cuando
están en presencia de ácidos fuertes y de temperaturas elevadas, por
ejemplo a temperaturas superiores a aproximadamente 70ºC, dando
lugar de esta manera a rendimientos reducidos de los procedimientos.
Además, en le contexto de una reacción de hidrólisis de cianhidrina
de acetona ("ACH") con ácido sulfúrico, la descomposición de
cianhidrina de acetona a acetona y cianuro de hidrógeno no solo da
por resultado la reducción de rendimiento de productos de la
hidrólisis y, a su vez, de los productos de reacción posteriores,
MAA y ésteres de MAA, sino que además pueden conducir a otras
complicaciones en el sistema de hidrólisis.
Por ejemplo, el cianuro de hidrógeno formado por
la descomposición de cianhidrina de acetona se hidroliza
rápidamente y se convierte en formamida en la reacción de
hidrólisis. Posteriormente y a una velocidad menor, la formamida se
craquea térmicamente formando gas monóxido de carbono (CO) y sal de
sulfato de amonio. A menos que la mezcla de productos esté
desgaseada adecuadamente, la presencia de CO puede manifestarse por
si sola como cavitación de bomba y puede contribuir a la
inoperabilidad de todo el proceso y de la unidad. Los incrementos
en la temperatura total del procedimiento pueden ayudar en el
procedimiento de desgaseo, sin embargo, las temperaturas de
reacción de hidrólisis aumentadas conducen al aumento de los niveles
de descomposición de la cianhidrina de
acetona.
acetona.
Además, bajo las típicas condiciones de
operación descritas por Kirk-Othmer, en Encyclopedia
of Chemical Technology, la acetona se sulfona por medio de ácido
sulfúrico a una mezcla de ácidos mono- y disulfónicos. En la sección
de la hidrólisis, el ácido monosulfónico de acetona ("AMSA")
predomina y a medida que progresa la reacción, el ácido disulfónico
de acetona ("ADSA") aumenta y se vuelve predominante. Esta
serie de reacciones es importante porque cada reacción de
sulfonación de acetona está acompañada por la generación
estequiométrica de agua. Como es bien conocido en la técnica y está
señalado en la Patente de EEUU Nº 2003/0208093, si el agua está
presente en la mezcla de reacción de hidrólisis, reaccionará para
convertir SIBAM en HIBAM, lo que es más difícil y requiere
temperaturas más altas para convertir en MAM en la reacción de
craqueo posterior.
En una forma de realización general, el
procedimiento de la presente invención para minimizar la
descomposición de cianhidrinas en un proceso de reacción exotérmico
que incluye cianhidrinas, comprende las etapas de proporcionar un
medio de reacción a un reactor tubular y proporcionar uno o más
reactivos al reactor tubular. El reactor tubular contiene al menos
una zona de reacción en el mismo y tiene medios de mezcla internos
colocados en al menos una zona de reacción. El procedimiento de la
presente invención además comprende la mezcla del medio de reacción
con uno o más reactivos en al menos una zona de reacción. Esta
mezcla forma una mezcla de reacción en masa que tiene una
composición sustancialmente homogénea y una temperatura de reacción
sustancialmente homogénea. El procedimiento también comprende la
eliminación de una cantidad de calor del proceso de reacción
exotérmico, donde la cantidad de calor eliminada es equivalente a la
cantidad de calor producida por el proceso de reacción exotérmico.
Las cantidades de calor eliminadas y producidas son equivalentes,
para los objetos de la presente invención, donde las cantidades son
aproximadamente iguales entre sí, dentro de + o - 10%, o incluso
por ejemplo, 1%. Por último, el procedimiento de la presente
invención comprende la etapa de hacer reaccionar uno o más
reactivos en al menos una zona de reacción para producir un producto
mezclado que tiene una temperatura de la masa. La temperatura de la
masa del producto mezclado se mide de manera óptima una vez
terminada la reacción (tal como, por ejemplo, cuando han reaccionado
sustancialmente todos de al menos uno de uno o más reactivos) y el
producto mezcla haya salido del reactor tubular.
Se entiende por un proceso de reacción
exotérmico que "incluye cianhidrinas" que uno o más de los
reactivos y productos de los procesos de reacción comprenden una o
más cianhidrinas. Además, como reconocerá los expertos, una
reacción exotérmica es una reacción que produce una cantidad de
calor, donde la cantidad depende de una serie de factores, que
incluyen pero no se limitan a, los tipos y cantidades de reactivos y
la temperatura y duración de la reacción.
El término "cianhidrinas" como se usa en
este documento significa compuestos que tienen la fórmula
general:
en la que R y R' pueden ser iguales
o diferentes y se seleccionan del grupo constituido por hidrógeno e
hidrocarburos. La estructura de los hidrocarburos no está
particularmente limitada y puede comprender cadenas lineales,
cadenas ramificadas, anillos aromáticos, etc. y los hidrocarburos
pueden ser saturados, sustituidos, o insaturados. Además, R y R'
juntos pueden formar parte de un resto alicíclico o
heterocíclico.
Con respecto al reactor tubular, el
procedimiento de la presente invención incluye formas de realización
en las que hay más de un reactor tubular, o incluso una pluralidad
de reactores tubulares (tal como, por ejemplo, en un reactor de
tipo carcasa y tubos), que se usan para llevar a cabo el proceso de
reacción exotérmico que incluye cianhidrinas. Donde se usa más de
un reactor tubular, al menos uno, y de preferencia todos los
reactores tubulares contienen al menos una zona de reacción en los
mismos y tienen medios de mezcla internos posicionados en al menos
una zona de reacción.
Además, el medio de mezcla interno del reactor
tubular es al menos un dispositivo seleccionado del grupo
constituido por: mezcladoras estáticas que comprenden elementos de
mezcla estáticos, placas con orificios, venturis, mezcladoras de
corriente, eductores, placas perforadas, rociadores, agitadores,
mezcladoras rotativas, bucles de circulación de alta velocidad, y
boquillas de pulverización. Los elementos de mezcla estáticos pueden
ser uno o más elementos seleccionados del grupo constituido por
palas, pernos, deflectores, insertos tabulares, y otros dispositivos
inductores de cizallamiento. Tales dispositivos y elementos de
mezcla estáticos son bien conocidos y están disponibles
comercialmente en compañías tales como Koch-Glitsch,
Inc. de Wichita, KS, Chemineer, Inc. de Dayton, OH, y Sulzer
Chemtech Ltd. De Tulsa, OK.
Como podrán reconocer los expertos en la
técnica, donde el procedimiento de reacción incluye el uso de
sustancias corrosivas (tal como por ejemplo, ácido sulfúrico o sosa
cáustica), el reactor tubular y sus medios de mezcla internos
deberán construirse de materiales resistentes a la corrosión,
incluido pero no limitado a acero inoxidable (por ejemplo, serie
300, 904L, 6-Moly), tántalo, circonio, y HASTELLOY®
(por ejemplo, B, B-2, B-3,
C-22, y C-276).
El medio de reacción puede ser cualquier
material adecuado para mezclar con, contener, y transportar los
reactivos de la reacción química deseada, sin que se consuma por la
reacción, y dependerá de la naturaleza de la reacción química
deseada y de los reactivos necesarios. Por ejemplo, sin limitación,
un medio de reacción adecuado puede comprender los mismos tipos de
compuestos que se espera producir por medio del procedimiento de
reacción que incluye cianhidrinas. De hecho, el medio de reacción
puede comprender adecuadamente productos capturados y reciclados
del proceso de reacción. Por consiguiente, en el caso de una
reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona y ácido sulfúrico
en la que se espera que se produzcan SIBAM, HIBAM y MAM, el medio de
reacción podría comprender adecuadamente uno o más de SIBAM, IBAM y
MAM. En algunas formas de realización, el medio de reacción puede
comprender además materiales diluyentes, tales como por ejemplo,
hexano, dióxido de azufre, o hidrocarburos de cadena lineal.
Se entiende que puede proporcionarse
indirectamente uno más de los reactivos (tal como, por ejemplo, el
ácido en una reacción de hidrólisis) al reactor tubular adicionando
en primer lugar uno o más de los reactivos al medio de reacción
previo a proporcionar el medio de reacción al reactor tubular.
El o los reactivos usados para el procedimiento
de reacción dependerán de la reacción deseada y de los productos de
reacción y la selección de los reactivos adecuados depende de la
capacidad de los expertos. Por ejemplo, donde se desea producir
SIBAM, HIBAM y MAM para otra conversión a MAA y ésteres del mismo,
los reactivos adecuados pueden ser cianhidrina de acetona y un
ácido seleccionado de un grupo constituido por ácido sulfúrico,
oleum y mezclas de los mismos (como se describe en la Patente de
EEUU Nº 2003/0208093 discutida anteriormente en este documento).
Donde la cianhidrina de acetona es en sí misma el producto deseado,
los reactivos pueden ser acetona y cianuro de hidrógeno (como está
descrito en Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical
Technology), y puede estar presente una base fuerte, tal como
hidróxido de sodio. En esta reacción, puede también estar presente
agua como un diluyente, y la reacción puede llevarse a cabo
típicamente entre 0ºC y 20ºC, promoviendo las temperaturas elevadas
(mayores que aproximadamente 20ºC) la descomposición de cianhidrinas
en este sistema de reacción. Donde se desea producir una
cianhidrina particular conocida como cianhidrina de metiletilcetona,
los reactivos pueden ser ácido hidrociánico y metiletilcetona (como
se describe en la Patente de EEUU Nº 6.743.938), y la reacción
puede llevarse a cabo en presencia de una base fuerte, tal como
dietilamina. Por consiguiente, la cianhidrina puede ser el reactivo
o el producto en el procedimiento de reacción y el procedimiento de
la presente invención pude aplicarse de manera ventajosa a
cualquier proceso de reacción exotérmico que incluya
cianhidrinas.
De acuerdo con la presente invención, se realiza
la etapa de mezcla del medio de reacción con uno o más reactivos
para formar una mezcla de reacción en masa con una composición
sustancialmente homogénea y una temperatura de reacción
sustancialmente homogénea, al menos en parte, mediante el uso del
reactor tubular con medios de mezcla internos descrito
anteriormente en este documento.
Otro modo de mezclar rápida y exhaustivamente el
medio de reacción y uno o más reactivos para formar una mezcla de
reacción en masa homogénea, según la presente invención, sería
proporcionar al menos uno de los reactivos al reactor tubular a una
pluralidad de puntos de adición, usando una pluralidad de
dispositivos inyectores, tales como, pero sin limitación, boquillas
inyectoras, posicionadas alrededor del aparato reactor tubular. Los
dispositivos inyectores pueden posicionarse formando una
circunferencia alrededor del reactor, de forma longitudinal o de
ambas maneras. Además, no todos los dispositivos inyectores
necesitan usarse en un tiempo dado, sino que, al menos uno, y de
preferencia más de un dispositivo inyector deberían estar en uso
para proporcionar al menos uno de los reactivos al reactor tubular
en diversos puntos diferentes de adición. Este montaje sirve para
distribuir el reactivo de modo más uniforme en el medio de reacción.
En una forma de realización particular de la presente invención, la
velocidad de inyección del reactivo o reactivos que se proporcionan
a través de los dispositivos inyectores puede ser la misma en cada
dispositivo inyector que se está usando. Además, la velocidad de
inyección del reactivo(s) puede mantenerse, por ejemplo, sin
limitación, entre 10 pies/seg y 80 pies/seg (3 m/seg y 24 m/seg), o
entre 20 pies/seg y 65 pies/seg (6 m/seg y 20 m/seg), o incluso
entre 28 pies/seg y 42 pies/seg (8,5 m/seg y 13 m/seg), para lograr
la mezcla eficaz.
También es posible, según la presente invención,
mantener la eficacia de mezcla óptima usando los dispositivos
inyectores haciendo funcionar menos inyectores a bajas velocidades
de producción general y, de manera similar, haciendo funcionar más
dispositivos inyectores para velocidades de producción más altas, en
vez de usar todo el tiempo la misma cantidad de dispositivos
inyectores y ajustando el caudal a través de cada boquilla. Se cree
que el anterior procedimiento es mejor que el último procedimiento
porque este último podría dar como resultado velocidades de
inyección variables y, por consiguiente, eficacias de mezclas
variables, en distintas localizaciones dentro de las zonas de
reacción. Por ejemplo, haciendo funcionar 10 dispositivos inyectores
a diferentes velocidades de inyección para alcanzar una velocidad
general de alimentación del reactivo de 100 libras por hora (45,36
kilogramos por hora) se crearán condiciones de mezcla variables en
el reactor tubular y una mezcla de reacción en masa no homogénea.
Haciendo funcionar 10 dispositivos inyectores cada uno a 10 libras
por hora (4,54 kilogramos por hora) se logrará una mezcla más
uniforme y una mezcla de reacción en masa más homogénea. Si se toma
la decisión de disminuir la velocidad de producción tal que se
necesite una velocidad de alimentación del reactivo de sólo 50
libras por hora (22,68 kilogramos por hora), entonces podrán
hacerse funcionar sólo 5 de los dispositivos inyectores, cada uno a
10 libras por hora (4,54 kilogramos por hora), mientras los otros 5
dispositivos inyectores están fuera de servicio o apagados,
manteniendo de este modo la uniformidad de mezcla dentro del
reactor tubular. Se cree que otras optimizaciones de los anteriores
procedimientos, así como los cálculos y conversiones necesarios para
determinar el procedimiento óptimo de funcionamiento del inyector,
dependen de la capacidad de los expertos en la técnica.
En una forma de realización particular de la
presente invención, que es una reacción de hidrólisis de cianhidrina
de acetona con ácido sulfúrico, la velocidad de adición de un
reactivo, tal como cianhidrina de acetona, se controla de manera
tal que la temperatura en el punto de adición nunca sea superior a
la temperatura de la masa del producto mezclado que sale del
reactor tubular. Esto sirve para minimizar, o incluso eliminar, los
puntos calientes que pueden de otra manera desarrollarse en el punto
de adición de los reactivos a través de los dispositivos
inyectores.
Como con la mayoría de las reacciones
exotérmicas, debe eliminarse el calor producido por el proceso de
reacción exotérmico que incluye cianhidrinas para mantener el
proceso de reacción a través del tiempo en un estado estacionario
continuo. El calor puede eliminarse enfriando el reactor tubular,
que por supuesto enfriará también las zonas de reacción y la mezcla
de reacción en masa en el mismo, usando cualquier medio de
enfriamiento convencional tal como por ejemplo, cualquiera de uno o
más de los siguientes dispositivos: intercambiadores de calor de
carcasa y tubos, refrigeradores de espiral, intercambiadores de
calor de tipo placa y marco, secciones de tuberías con cubiertas
aislantes, y recipientes con espirales internos enrollados o
aislados térmicamente. Es posible usar generadores de turbulencia
en los tubos de los intercambiadores de calor de tipo carcasa y
tubos para mejorar la eficacia de enfriamiento y/o evitar
incrustaciones.
Según la presente invención, el calor puede
eliminarse también de un proceso de reacción exotérmico enfriando
el medio de reacción hasta una temperatura entre 1ºC y 10ºC inferior
a la temperatura de la masa del producto mezclado previo a
proporcionar el medio de reacción al reactor tubular. Este aspecto
de la presente invención da por resultado la formación de una
mezcla de reacción en masa enfriada tras mezclar los reactivos con
el medio de reacción en al menos una zona de reacción del reactor
tubular, que proporciona un ambiente más frío para la cianhidrina,
sin tener en cuenta si la cianhidrina es un reactivo que se añade, o
un producto que se forma, en la zona de reacción.
Además, resulta ventajoso eliminar calor de las
cianhidrinas mientras están al menos en una zona de reacción con el
medio de reacción para minimizar su descomposición. Según el
procedimiento de la presente invención, esto puede conseguirse, al
menos en parte, proporcionando un exceso de medio de reacción al
menos a una zona de reacción en comparación con la cantidad de
reactivos proporcionados, con lo que el medio de reacción se vuelve
un disipador de calor y absorbe algo del calor proveniente de las
cianhidrinas. Por ejemplo, el medio de reacción y el o los
reactivos pueden proporcionarse en una relación de medio de
reacción:reactivos de entre 2:1 y 200:1, o entre 3:1 y 100:1, o
incluso entre 4:1 hasta 40:1. Se advierte que son mejores las
relaciones mayores medio de reacción:reactivos porque se cree que
proporcionan una mayor disipación de calor capaz de disipar grandes
cantidades de calor.
En otra forma de realización de la presente
invención, puede enfriarse uno o más de los reactivos previo a
proporcionarlos al reactor tubular, por ejemplo, usando
intercambiadores de calor separados (no mostrado).
Donde el proceso de reacción exotérmico que
incluye cianhidrinas es una reacción de hidrólisis de cianhidrina
de acetona y ácido sulfúrico que produce un producto mezclado que
comprende SIBAM, HIBAM y MAM, como se discutió previamente, para
que otra reacción produzca MAA y ésteres del mismo, el procedimiento
puede comprender además la conversión térmica del producto mezclado
de la reacción de hidrólisis en un reactor de craqueo para producir
una mezcla de reactor de craqueo que comprende metacrilamida y ácido
metacrílico. La mezcla del reactor de craqueo puede hacerse
reaccionar a continuación en al menos un reactor con un material
seleccionado de alcanoles y agua para producir un monómero
seleccionado de ácido metacrílico y ésteres del mismo. Los ejemplos
de alcanoles adecuados, pero sin limitación, son metanol, etanol y
butanol.
Además de las características anteriores, es
posible para los expertos en la técnica reconocer y desarrollar
muchas adiciones y modificaciones al procedimiento de la presente
invención, todas los cuales tienen la intención de estar dentro del
alcance de la invención. Por ejemplo, donde el proceso de reacción
exotérmico es una reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona
con ácido sulfúrico, el proceso de reacción puede ser un sistema de
dos etapas, es decir, con dos reactores tubulares y donde la carga
del reactivo de cianhidrina de acetona se divide entre los dos
reactores, con entre 50% y 95% de la reacción de cianhidrina de
acetona proporcionado al primer reactor, y el restante al segundo
reactor.
Como podrán reconocer los expertos en la
técnica, el proceso de reacción que incluye cianhidrinas puede
también incluir la necesidad de transportar y bombear corrientes
que son altamente viscosas. Uno o más de los medios de reacción y
el producto mezclado pueden transportarse y circular a través y
entre el aparato del proceso usando bombas de servicio de alta
viscosidad, tales como, pero no limitadas a, bombas de discos
(disponibles comercialmente en Discflo Corporation de Santee,
California), bombas de desplazamiento positivo, o bombas de
engranajes. Uno o más de los reactivos, tales como el ácido en una
reacción de hidrólisis, pueden inyectarse en el medio de reacción
previo a proporcionar el medio de reacción al reactor tubular para
proporcionar altas proporciones molares localizadas y para reducir
los efectos de la viscosidad.
Las condiciones en el proceso de reacción, tales
como donde le proceso de reacción es una reacción de hidrólisis de
cianhidrina de acetona con ácido sulfúrico, pueden hacer ventajoso
el desgaseo del producto mezclado. En tales circunstancias, resulta
adecuado cualquier medio de desgaseo convencional, incluidos pero no
limitado a, uno o más dispositivos seleccionados del grupo
constituido por: placas de choque, coalescedores, deflectores,
separadores centrífugos (tales como desgaseadores
"Porta-Test Revolution", de NATCO Group, Inc.
de Houston, TX), cámaras de vacío, distribuidores, boquillas,
válvulas de estrangulamiento, tanques de mezcla rápida, cámaras de
decantación, Bombas de Desgaseo tipo ASP (comercialmente disponibles
en Yokota Manufacturing Co., Ltd. de Hiroshima, Japón), y el
Dispositivo de Desgaseo en línea Kurabo (disponible en Kurabo
Industries Ltd. de Osaka, Japón).
Como podrán fácilmente determinar los expertos
en la técnica, también puede resultar ventajoso añadir uno o más
inhibidores de polimerización en el procedimiento de reacción, tales
como, por ejemplo, a uno o más de los reactivos previo a
proporcionarlos al reactor tubular. Los inhibidores de
polimerización adecuados dependerán, al menos en parte, de los
tipos de reactivos y productos incluidos en el procedimiento de
reacción. Por ejemplo, donde el procedimiento de reacción es una
reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona con ácido
sulfúrico, un inhibidor adecuado que puede incluirse es, aunque sin
limitación, fenotiazina.
Además, donde proceso de reacción exotérmico es
una reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona con ácido
sulfúrico, la relación molar de ácido: cianhidrina de acetona
presente en la mezcla de reacción en masa está en el intervalo
desde 1,3:1 hasta 1,9:1.
Esta y otras modificaciones similares se
sugerirán fácilmente a ellos expertos en la técnica, e intentan
estar comprendidas dentro del espíritu de la presente invención
descrito en este documento y el alcance de las reivindicaciones.
Los siguientes Ejemplos proporcionan
rendimientos comparativos para dos procedimientos de reacción de
hidrólisis a escala comercial funcionando en idénticas condiciones.
Los resultados de estos Ejemplos demuestran la ventaja de
rendimiento obtenida por medio del procedimiento de la presente
invención sobre la técnica anterior del procedimiento de reacción
basado en CSTR que incluye cianhidrinas, particularmente cuando se
aplica a una reacción de hidrólisis de cianhidrina de acetona con
ácido sulfúrico. Las composiciones del reactivo cianhidrina de
acetona y del reactivo ácido sulfúrico fueron las mismas para el
Ejemplo 1 y para el Ejemplo 2.
\newpage
Ejemplo
1
(Comparativo - Procedimiento de la
Técnica
Anterior)
\global\parskip0.880000\baselineskip
En la Figura 2 se ilustra un primer
procedimiento de hidrólisis ("Técnica Anterior") del tipo
descrito en Kirk-Othmer y en la Patente de EEUU Nº
2003/0208093, y comprende dos reactores CSTR en serie. Este sistema
se hizo funcionar con una proporción molar de H_{2}SO_{4}:ACH de
1,48, y una separación de adición de ACH de 2,3:1, en la que el 70%
en peso de la carga total de ACH se adicionó a la primera etapa de
reacción, y el 30% en peso de la carga total de ACH se adicionó a
la segunda etapa de reacción. En este sistema se utilizaron como
reactivos ácido sulfúrico a una concentración de 99,5% y ACH a una
concentración de 98,5%.
Específicamente, la 1ª etapa de reacción del
sistema de hidrólisis empleado en este ejemplo comprendió un CSTR
230 de 1ª etapa, una bomba centrífuga 210, un intercambiador de
calor 220, y una tubería de circulación (203, 204, 205) de 1ª etapa
asociada. El CSTR 230 comprendió un recipiente de 5000 galones (19
metros cúbicos) y un propulsor dual, agitador de hojas inclinadas
para mezclas de alta eficacia de los contenidos del reactor. Se
proporcionó la adición de ACH subsuperficial al CSTR 230 de la 1ª
etapa vía 201 usando una primera tubería en pendiente. De manera
similar, la adición del Ácido Sulfúrico Subsuperficial al CSTR 230
de la 1ª etapa se proporcionó vía 202 usando una segunda tubería en
pendiente. Estas tuberías en pendiente sirvieron para dirigir el
flujo de los reactivos en la zona turbulenta cercana a la tubería de
las cuchillas del agitador para maximizar la eficacia de la mezcla.
También se añadió el inhibidor PTZ en solución de acetona (no
mostrado) en CSTR 230 para retardar la formación de polímero. La
temperatura del líquido en masa en la base del CSTR 230 pudo
controlarse usando la termocupla T230.
La corriente 203 proporciona la mezcla de
hidrólisis a la Bomba 210, que a continuación hace circular la
mezcla de hidrólisis a través de la tubería de circulación de la 1ª
etapa a una velocidad continua de aproximadamente 2,8 millones de
libras/hora (es decir 4000 gpm, 15.140 l/min). El flujo 204 conduce
la mezcla de hidrólisis de la descarga de la bomba 210 al
intercambiador de calor 220, donde se enfría. El intercambiador de
calor 220 es un intercambiador del tipo carcasa y tubos, con el
flujo del procedimiento (mezcla de hidrólisis) pasando a través del
lado de la carcasa y un flujo nominal de agua templada a 60ºC
pasando a través del lado del tubo. La mezcla de hidrólisis
enfriada sale del intercambiador de calor a través de la corriente
205 y vuelve al CSTR 230. Los gases eliminados de la mezcla de
hidrólisis se ventearon para su eliminación en un procedimiento con
cabezal de quemador (no mostrado). La mezcla de hidrólisis
desgaseada desbordó del lado del CSTR 230 y se condujo hacia la 2ª etapa de reacción a través de la corriente 209.
desgaseada desbordó del lado del CSTR 230 y se condujo hacia la 2ª etapa de reacción a través de la corriente 209.
La 2ª etapa de reacción del sistema de
hidrólisis empleado en este ejemplo comprendió un CSTR 260 de 2ª
etapa, una bomba centrífuga 240, un intercambiador de calor 250, y
tubería de circulación asociada (213, 214, 215) de 2ª etapa. El
CSTR 260 comprendió un recipiente de 5000 galones (19 metros
cúbicos) y un propulsor dual, agitador de hojas inclinadas para
mezclas de alta eficacia de los contenidos del reactor. Se
proporcionó la adición de ACH subsuperficial al CSTR 230 de la 2ª
etapa vía 211 usando una primera tubería en pendiente. En este
ejemplo no se usó la opción de adicionar Ácido Sulfúrico (212)
Subsuperficial al CSTR 230 de la 2ª etapa. Como con las tuberías en
pendiente del CSTR de 1ª etapa, estas tuberías en pendiente de 2ª
etapa sirvieron para dirigir el flujo de los reactivos dentro de la
zona de turbulencia cercana a las puntas de las cuchillas del
agitador para maximizar la eficacia de la mezcla. La temperatura del
líquido en masa en la base del CSTR 260 pudo controlarse usando la
termocupla T260.
La corriente 213 proporcionó mezcla de
hidrólisis a la Bomba 240, que a continuación hizo circular la
mezcla de hidrólisis a través de la tubería de circulación de la 2ª
etapa a una velocidad continua de aproximadamente 4,2 millones de
libras/hora (es decir 6000 gpm, 22.700 l/min). El flujo 214 condujo
la mezcla de hidrólisis de la descarga de la bomba 240 al
intercambiador de calor 250, donde se enfrió. El intercambiador de
calor 250 era un intercambiador del tipo carcasa y tubos, con el
flujo del proceso (mezcla de hidrólisis) pasando a través del lado
de la carcasa y un flujo nominal de agua templada a 65ºC pasando a
través del lado del tubo. La mezcla de hidrólisis enfriada salió
del intercambiador de calor a través de la corriente 215 y volvió
al CSTR 260. Los gases eliminados de la mezcla de hidrólisis se
ventearon para su eliminación en un procedimiento con cabezal de
quemador (no mostrado). La mezcla de hidrólisis
desgaseada desbordó del lado de CSTR 260 y se condujo hacia el reactor de craqueo (100) a través del Flujo 219.
desgaseada desbordó del lado de CSTR 260 y se condujo hacia el reactor de craqueo (100) a través del Flujo 219.
En este ejemplo, la temperatura de la masa de la
mezcla de reacción que sale del CSTR (230) de la 1ª etapa de
reacción, medida por medio de la termocupla T230, se mantuvo
constante a 85ºC; la temperatura de la masa de la mezcla de
reacción que sale del CSTR (260) de la 2ª etapa de reacción, medida
por medio de la termocupla T260, se mantuvo constante a 101ºC.
Bajo condiciones de estado estacionario, se
recogieron muestras de la mezcla de hidrólisis final de la corriente
219 usando contenedores de muestra bien aislados (botellas de vacío
marca Thermos^{TM}).
Se retiró una alícuota (\sim 10 g) de la
mezcla de Hidrólisis representativa y se colocó en una jarra tarada
que contenía una varilla de agitación y se registró su peso. Se
añadió ácido metanosulfónico (99,5% de pureza, \sim 3 g, de
Aldrich Chemical Company) como patrón interno por medio de una
jeringa y se registraron todos los pesos. Se agitó la mezcla en un
baño de agua de temperatura constante a 60ºC durante 40 minutos. Se
retiró una alícuota (\sim 0,2 g) de la mezcla resultante y se
colocó en un tubo de RMN y se diluyó con nitrometano deuterado
(CD_{3}NO_{2}, de Aldrich Chemical Company). Se analizó la
mezcla transparente y homogénea mediante RMN en un Instrumento
Varian Inova 500.
En la Tabla 1 se informa el rendimiento molar
total de SIBAM, HIBAM y MAM producidos por medio del procedimiento
anterior.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Ejemplo
2
En la Figura 1 se ilustra un sistema de
hidrólisis mejorado ("Inventivo"), según el procedimiento de la
presente invención y comprendió dos etapas de reacción de flujo
continuo. Este sistema se hizo funcionar bajo las mismas
condiciones usadas para el sistema de hidrólisis basado en CSTR del
Ejemplo 1 anterior.
Específicamente, este sistema de hidrólisis
mejorado se hizo funcionar con una proporción molar de
H_{2}SO_{4}:ACH de 1,48, y una separación de adición de ACH de
2,3:1, en la que el 70% en peso de la carga total de ACH se
adicionó a la primera etapa de reacción y el 30% en peso de la carga
total de ACH se adicionó a la segunda etapa de reacción. Como en el
ejemplo anterior, se utilizaron como reactivos ácido sulfúrico a una
concentración de 99,5% y ACH a una concentración de 98,5%.
La 1ª etapa de reacción del sistema de
hidrólisis empleado en este ejemplo comprendió un aparato de mezcla
de ACH 10, un aparato desgaseador 20, una bomba centrífuga 30, un
intercambiador de calor 40, y una tubería de circulación (3, 4, 5,
7, 8) de 1ª etapa. Se añadió Ácido Sulfúrico (6) en la mezcla de
hidrólisis en el flujo 5 a través de una Te de mezcla. La corriente
5 proporcionó mezcla de hidrólisis a la Bomba 30, que a
continuación hizo circular la mezcla de hidrólisis a través de la
tubería de circulación de la 1ª etapa a una velocidad continua de
aproximadamente 2,5 millones de libras/hora (es decir 3.500 gpm,
13.250 l/min). El flujo 7 condujo la mezcla de hidrólisis desde la
descarga de la bomba 30 al intercambiador de calor 40, donde se
enfrió. El intercambiador de calor 40 era un intercambiador del tipo
carcasa y tubos, con el flujo del procedimiento (mezcla de
hidrólisis) pasando a través del lado de la carcasa y un flujo
nominal de agua templada a 60ºC pasando a través del lado del tubo.
La mezcla de hidrólisis enfriada salió del intercambiador de calor
a través de la corriente 8. La temperatura de la mezcla de
hidrólisis enfriada pudo controlarse usando la termocupla T8. A
continuación la mezcla de hidrólisis entró en el aparato de mezcla
de ACH 10, en el que se añadió ACH en el flujo de mezcla de
hidrólisis. El aparato de mezcla de ACH 10 comprendió una unidad
única de mezcla estática constituida por cuatro elementos de mezcla
Koch SMXL (disponible en Koch-Glitsch, Inc. de
Wichita, Kansas) instaladas en serie dentro de una sección de
tubería de 12'' (30,48 cm) de diámetro. La unidad de mezcla
estática tenía aproximadamente 190 pulgadas (482,60 cm) de longitud.
El aparato de mezcla de ACH 10 además comprendió dos juegos de
inyectores de ACH; una primera serie de cuatro inyectores (1)
localizados a una distancia de aproximadamente 30'' (76,20 cm)
desde el final de la entrada del aparato de mezcla y una segunda
serie de cuatro inyectores (2) localizados a una distancia de
aproximadamente 45'' (114,30 cm) desde el final de la entrada del
elemento de mezcla. Cada uno de los cuatro inyectores de una serie
estaban espaciados de manera uniforme a lo largo de la
circunferencia de la sección de la tubería - por ejemplo, cada
inyector posicionado a 0º, 90º, 180º y 270º con relación al centro
de la sección de la tubería. Cada inyector comprendió un orificio
de 0,290'' (0,74 cm) de diámetro interno, montado de manera alineada
a la pared de la sección de la tubería, a través del cual fluía la
ACH líquida a una velocidad de aproximadamente 36 pies por segundo
(11 metros por segundo) hacia la unidad de mezcla estática. A esta
velocidad, se produjo una corriente de ACH con energía cinética
suficiente para atravesar la pared de la sección de la tubería hacia
el centro de la unidad de mezcla estática, asegurando de esta
manera la mezcla rápida y eficaz. Para la velocidad de operación de
este ejemplo específico, se utilizaron seis de los ocho inyectores:
los cuatro de la primera serie de inyectores y dos de la segunda
serie de inyectores. De los inyectores en funcionamiento, se
hicieron funcionar todos al mismo caudal de ACH. Como resultado de
la reacción exotérmica de hidrólisis de ACH, la mezcla de hidrólisis
se calentó dentro el aparato de mezcla de ACH. La mezcla de
hidrólisis caliente salió el aparato de mezcla de ACH a través de
la corriente 3 y entró al aparato de desgaseo 20. Se añadió
inhibidor PTZ en solución de acetona (9) en la corriente 3 de
mezcla de hidrólisis para retardar la formación de polímero.
El aparato de desgaseo 20 comprendió un
recipiente de desgaseo sin agitación de 5.600 galones (21 metros
cúbicos) en el que se instaló un separador centrífugo de
gas/líquido modelo "Porta-Test Revolution"
(diseñado y fabricado por NATCO Group, Inc. de Houston, Texas). Los
gases eliminados de la mezcla de hidrólisis se ventearon para su
eliminación con un procedimiento de cabezal de quemador (no
mostrado); la mezcla desgaseada se recogió como un líquido en masa
en el fondo del recipiente de desgaseo. La temperatura del líquido
en masa en el fondo del recipiente de desgaseo pudo controlarse
usando la termocupla T20. Se retiró la mezcla de hidrólisis
desgaseada del fondo del recipiente de desgaseo y se dividió en dos
corrientes: la corriente 49 condujo una primera porción de la
mezcla de hidrólisis hacia la 2ª etapa de reacción, mientras que la
corriente 5 hizo retornar una segunda porción de la mezcla de
hidrólisis a la bomba centrífuga 30 para mantener la circulación de
la 1ª etapa.
La 2ª etapa de reacción del sistema de
hidrólisis de la invención usada en este ejemplo comprendió un
aparato de mezcla de ACH 50, un aparato de desgaseo 60, una bomba
centrífuga 70, un intercambiador de calor 80, y una tubería de
circulación (13, 14, 15, 17, 18) de 2ª etapa. La mezcla de
hidrólisis de la corriente 49 entró en la 2ª etapa y se combinó con
la mezcla de hidrólisis en la corriente 15. En este ejemplo
específico, no se añadió el ácido sulfúrico (16) opcional. La
corriente 15 proporcionó mezcla de hidrólisis a la Bomba 70, la que
posteriormente hizo circular la mezcla de hidrólisis a través de la
tubería de circulación de la 2ª etapa a una velocidad constante de
aproximadamente 2,2 millones de libras/hora (es decir 3000 gpm,
11.360 l/min). El flujo 17 condujo la mezcla de hidrólisis de la
descarga de la bomba 70 al intercambiador de calor 80, donde se
enfrió. El intercambiador de calor 80 era un intercambiador del tipo
carcasa y tubos, con el flujo del procedimiento (mezcla de
hidrólisis) pasando a través del lado del tubo y un flujo nominal de
agua templada a 70ºC pasando a través de la carcasa. La mezcla de
hidrólisis enfriada salió del intercambiador de calor a través de
la corriente 18. La temperatura de la mezcla de hidrólisis enfriada
pudo medirse usando la termocupla T18. A continuación la mezcla de
hidrólisis entró al aparato de mezcla de ACH 50, en el que se
añadió ACH en el flujo de mezcla de hidrólisis. El aparato de mezcla
de ACH 50 comprendió una unidad única de mezcla estática
constituida por cuatro elementos de mezcla Koch SMXL instalados en
serie dentro de una sección de tubería de 12'' (30,48 cm) de
diámetro. La unidad de mezcla estática tenía aproximadamente 210
pulgadas (533,40 cm) de longitud. El aparato de mezcla de ACH 50
además comprendió dos series de inyectores de ACH: una primera
serie de cuatro inyectores (1) localizados a una distancia de
aproximadamente 30'' (76,20 cm) desde el final de la entrada del
aparato de mezcla y una segunda serie de cuatro inyectores (2)
localizados a una distancia de aproximadamente 45'' (114,30 cm)
desde el final de la entrada del elemento de mezcla. Cada uno de
los cuatro inyectores de una serie estaban espaciados de manera
uniforme a lo largo de la circunferencia de la sección de la
tubería - por ejemplo, cada inyector posicionado a 0º, 90º, 180º y
270º con relación al centro de la sección de la tubería. Cada
inyector comprendió un orificio de 0,175'' (0,44 cm) de diámetro
interno, montado de manera alineada a la pared de sección de
tubería, a través del que fluía la ACH líquida a una velocidad de
aproximadamente 62 pies por segundo (19 metros por segundo) en la
unidad de mezcla estática. A esta velocidad, se produjo una
corriente de ACH con energía cinética suficiente para atravesar la
pared de la sección de la tubería hacia el centro de la unidad de
mezcla estática, asegurando de esta manera la mezcla rápida y
eficaz. Para la velocidad de operación de este ejemplo específico,
solo se utilizó la primera serie de cuatro inyectores: los cuatro
de la primera serie de inyectores y dos de la segunda serie de
inyectores. De los inyectores en funcionamiento, se hicieron
funcionar todos al mismo caudal de ACH. Como resultado de la
reacción exotérmica de hidrólisis de ACH, la mezcla de hidrólisis se
calentó dentro del aparato de mezcla de ACH. La mezcla de
hidrólisis caliente salió del aparato de mezcla de ACH a través de
la corriente 13 y entró en el aparato de desgaseo 60. En este
ejemplo específico, no se añadió el inhibidor opcional PTZ en
solución de acetona (19).
El aparato de desgaseo 60 comprendió un
recipiente de desgaseo sin agitación de 10.900 galones (41 metros
cúbicos) en el que se instaló un separador centrífugo de gas/líquido
modelo "Porta-Test Revolution" (diseñado y
fabricado por NATCO Group, Inc. de Houston, Texas). Los gases
eliminados de la mezcla de hidrólisis se ventearon para su
eliminación a un procedimiento de cabezal de quemador (no mostrado);
se recogió la mezcla desgaseada como un líquido en masa en el fondo
del recipiente de desgaseo. La temperatura del líquido en masa en el
fondo del recipiente de desgaseo pudo controlarse usando la
termocupla T60. Se retiró la mezcla de hidrólisis desgaseada del
fondo del recipiente de desgaseo (14) y se dividió en dos
corrientes: la corriente 99 condujo una primera porción de la
mezcla de hidrólisis hacia el reactor de craqueo (100), mientras que
la corriente 15 hizo retornar una segunda porción de la mezcla de
hidrólisis a la bomba centrífuga 70 para mantener la circulación de
la 2ª etapa.
En este ejemplo, la temperatura de la masa de la
mezcla de reacción que sale del aparato de desgaseo (20) de la 1ª
etapa, medida por medio de la termocupla T20, se mantuvo constante a
85ºC; la temperatura de la masa de la mezcla de reacción que salía
del aparato de desgaseo (60) de la 2ª etapa, medida por medio de la
termocupla T60, se mantuvo constante a 101ºC.
Bajo condiciones de estado estacionario, se
recogieron muestras de la mezcla de hidrólisis final desde la
corriente 99 usando contenedores de muestra bien aislados (botellas
de vacío marca Thermos^{TM}).
Como en el ejemplo anterior, se acidificó la
muestra de mezcla de hidrólisis, se diluyó, y se analizó mediante
RMN. En la Tabla 1 se informa el rendimiento molar total de SIBAM,
HIBAM y MAM producidos por medio del procedimiento de invención
precedente.
Claims (11)
1. Un procedimiento para minimizar la
descomposición de cianhidrinas en un proceso de reacción exotérmico
que incluye cianhidrinas y que produce una cantidad de calor,
comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
(a) proporcionar un medio de reacción a un
reactor tubular que contiene al menos una zona de reacción en el
mismo y que tiene medios de mezcla internos posicionados en la zona
de reacción mencionada;
(b) proporcionar uno o más reactivos a dicho
reactor tubular; y
(c) mezclar dicho medio de reacción con uno o
más de dichos reactivos en al menos una de dichas zonas de reacción
mencionada, formando de esta manera una mezcla de reacción en masa
con una composición sustancialmente homogénea y una temperatura de
reacción sustancialmente homogénea;
(d) eliminar una cantidad de calor del proceso
de reacción exotérmico, siendo dicha cantidad de calor equivalente
a dicha cantidad de calor producida por el proceso de reacción
exotérmico; y
(e) hacer reaccionar uno o más de dichos
reactivos en al menos una de dichas zonas de reacción para producir
un producto mezclado con una temperatura de la masa.
2. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que la etapa de eliminación de una cantidad de calor se lleva a
cabo enfriando dicho medio de reacción hasta una temperatura entre
1ºC y 10ºC inferior a dicha temperatura de la masa previo a
proporcionar dicho medio de reacción a dicho reactor tubular.
3. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que dicho medio de reacción y uno o más de dichos reactivos se
proporcionan en una relación de medio de reacción:reactivos de entre
2:1 y 200:1.
4. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que al menos un primero de dicho o dichos reactivos se
proporciona a dicho reactor tubular en al menos uno de una
pluralidad de puntos de adición por medio de una pluralidad de
dispositivos inyectores posicionados en forma de circunferencia
alrededor de dicho aparato reactor tubular.
5. El procedimiento de la Reivindicación 4, en
el que la etapa de mezcla de dicho medio de reacción con uno o más
de dichos reactivos se realiza, al menos en parte seleccionando y
usando uno o más de dicha pluralidad de dispositivos inyectores
para proporcionar dicho al menos primer reactivo de dicho uno o más
reactivos a dicho reactor tubular.
6. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que al menos un segundo de dicho uno o más reactivos se
proporciona indirectamente a dicho reactor tubular añadiendo primero
dicho al menos segundo de dicho uno o más reactivos a dicho medio
de reacción previo a proporcionar dicho medio de reacción a dicho
reactor tubular.
7. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que dicho medio de mezcla interno es al menos un dispositivo
seleccionado del grupo constituido por: mezcladoras estáticas,
placas con orificios, venturis, mezcladoras de corriente,
eductores, placas perforadas, rociadores, agitadores, mezcladoras
rotativas, bucles de circulación de alta velocidad, y boquillas de
pulverización.
8. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que dicho reactor tubular comprende al menos dos reactores
tubulares.
9. El procedimiento de la Reivindicación 1, en
el que dicho proceso de reacción que incluye cianhidrinas es una
reacción de hidrólisis, un primer reactivo comprende cianhidrina de
acetona, y un segundo reactivo comprende un ácido seleccionado del
grupo constituido por: ácido sulfúrico, oleum, y mezclas de los
mismos.
10. El procedimiento de la Reivindicación 9, en
el que la relación molar de ácido:cianhidrina de acetona presente
en la mezcla de reacción en masa está en el intervalo desde 1,3:1
hasta 1,9:1.
11. El procedimiento de la Reivindicación 9, en
el que dicho producto mezclado de dicha reacción de hidrólisis
comprende uno o más productos seleccionados del grupo constituido
por: \alpha-sulfatoinsobutiramida,
\alpha-hidroxiisobitiramida, y metacrilamida;
comprendiendo dicho procedimiento además las etapas de:
(f) conversión térmica del producto mezclado de
la reacción de hidrólisis en un reactor de craqueo para producir
una mezcla de reactor de craqueo que comprende metacrilamida y ácido
metacrílico; y
(g) hacer reaccionar la mezcla del reactor de
craqueo en al menos un reactor con un material seleccionado de
alcanol y agua para producir un monómero seleccionado de ácido
metacrílico y ésteres del mismo.
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