Dispositivo y procedimiento para la realización continua de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente a unas altas temperaturas.

Dispositivo para la realización continua de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente,

que comprende un tubo que es transparente para las microondas, cuyo eje longitudinal se encuentra situado en la dirección de propagación de las microondas de un aplicador de microondas monomodal, siendo llenado el tubo que es transparente para las microondas con una espuma de celdillas abiertas, que es portadora de una especie química activa catalíticamente o se compone de ésta.

Dispositivo y procedimiento para la realización continua de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente a unas altas temperaturas

El presente invento se refiere a un dispositivo para la realización continúa de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente a unas altas temperaturas y bajo una sobrepresión mediando una irradiación con microondas a la escala técnica.

Las reacciones químicas se pueden acelerar mediante unos catalizadores. Son especialmente interesantes en este caso las reacciones catalizadas heterogéneamente, en las que el material de reacción circula junto a un material activo catalíticamente, que está inmovilizado. En tal caso, en la presencia de reacciones catalizadas homogéneamente no quedan en lo esencial residuos de ningún tipo en el producto que se ha producido de esta manera y en el caso de un correspondiente dimensionamiento del equipo se pueden producir grandes cantidades de productos en unos altos rendimientos de espacio y tiempo. Son especialmente eficientes las reacciones catalizadas cuando ellas se llevan a cabo a unas altas temperaturas, ocurriendo entonces que las temperaturas necesarias para la realización de estas reacciones son siempre todavía más bajas que sin la presencia del catalizador.

Usualmente, las reacciones continuas, catalizadas heterogéneamente se llevan a cabo en unos reactores que contienen unos cuerpos sólidos activos catalíticamente o respectivamente unos materiales de soporte que están impregnados con una especie química activa catalíticamente y que son atravesados por una corriente del material de reacción. Resulta problemático para la realización de unas reacciones catalizadas heterogéneamente a la escala industrial con frecuencia el recurso de ajustar homogéneamente, a lo largo de toda la sección transversal del reactor, las temperaturas en el material de reacción, que son necesarias para la activación de las reacciones. Las temperaturas de la envoltura o también de los elementos de calentamiento, que se necesitan con el fin de garantizar la transferencia de calor necesaria, conducen junto a las superficies de calentamiento, con frecuencia a unos sobrecalentamientos locales (parciales) del material de reacción y, causado por ello, en muchos casos a unas reacciones secundarias indeseadas o también a unas descomposiciones del material de reacción , lo cual disminuye la calidad de los productos y/o su rendimiento. A escala técnica se establecen unos limites a la elevación de las temperaturas, además de ello, por medio de las presiones que aparecen en tal contexto. Por lo menos en unos grandes recipientes de reacción que tienen una capacidad de varios litros o varios metros cúbicos, la realización de las reacciones bajo unas altas presiones se puede efectuar solamente con un alto gasto técnico, si es que se puede, a causa de los riesgos para la seguridad que aparecen en tales casos. Por lo demás, las empaquetaduras de cuerpos sólidos dispuestas a granel, que se emplean usualmente como un catalizador, a causa de su pequeña porosidad conducen a una alta pérdida de presión en el reactor.

Con el fin de llevar a cabo unas reacciones continuas a la escala técnica a unas altas temperaturas y bajo unas altas presiones, usualmente se emplean unos recipientes de paredes gruesas o unos largos tubos con una pequeña sección transversal (tubos de circulación), que se hacen funcionar en paso continuo, con el fin de cumplir los requisitos técnicos de seguridad y por otro lado asegurar los periodos de tiempo de permanencia que son necesarios para la consecución de unos rendimientos interesantes. Para tales procedimientos, con el fin de ajustar las necesarias altas velocidades de calentamiento a unas temperaturas de la envoltura que van creciendo con la escala, las cuales, como ya se ha expuesto, pueden conducirá unas reacciones secundarias indeseadas o también a unas descomposiciones. Por el contrario, unas temperaturas moderadas de la envoltura, para la consecución de la temperatura objetivo, exigen largos periodos de tiempo de permanencia en unos recipientes, siendo restringido el grado de conversión por la mezcladura de retorno que entonces se presenta; en los tubos de circulación, unos pequeños gradientes de temperaturas exigen o bien unas bajas velocidades de circulación y/o unos largos tubos. Durante este lento calentamiento se observan en el caso de muchas reacciones, sin embargo, unas indeseadas reacciones secundarias que son favorecidas, por ejemplo, por unos medios cinéticos.

Un reciente enfoque para la síntesis química es la realización de unas reacciones en un campo de microondas. Asi, M. Hájek (en A. Loupy, Microwaves en Organic Synthesis [microondas en síntesis orgánicas], Wiley 26, capitulo 13) hace referencia a un gran número de reacciones catalizadas heterogéneamente, cuya velocidad de reacción y/o cuya selectividad se aumentan mediante el calentamiento con microondas. Esta técnica de reacción es utilizada hasta ahora principalmente a la escala del laboratorio y solo raramente a la pequeña escala técnica, puesto que no se conoce hasta ahora ningún dispositivo que haga posible la producción de más de unos pocos kilogramos por día y por consiguiente una síntesis a la escala industrial.

Wolf y colaboradores (AOSTRA J. of Research (1986) 3, 53) divulgan unos equipos de paso continuo, en los que se llevan a cabo, mediando una irradiación con microondas, unas reacciones que son catalizadas con unos polvos de níquel o respectivamente con unas aleaciones que contienen níquel. El diseño de los equipos está dimensionado para unas reacciones realizadas a la escala del laboratorio y, por lo menos a causa de la limitada profundidad de penetración de las microondas en la materia, no se puede aumentar hasta una escala que sea interesante para usos técnicos.

Shore y colaboradores (Angew. Chem. 26, 118, 2827-2832) divulgan unos capilares que están revestidos con unas películas de paladio, que tienen un diámetro de 1.15 pm, dentro de los cuales se llevan a cabo unas reacciones apoyadas por microondas. Mediante el revestimiento de paladio se consiguen unos grados de conversión manifiestamente aumentados.

El documento de solicitud de patente internacional WO 29/6451 divulga unos procedimientos para la desulfuración catalítica de aceites en bruto o petróleos crudos mediante una irradiación con microondas. El diseño de los aparatos que se propone, sin embargo, no puede ser transferido a una escala técnica, por lo menos a causa de la profundidad de penetración de las microondas en la materia, que está limitada a unos pocos centímetros.

El documento WO 26/24167 divulga un microrreactor, en el que el material de reacción, que circula a través de unos cuerpos que están revestidos con unas sustancias activas catalíticamente o que contienen unos cuerpos activos catalíticamente, es sometido a la acción de una radiación de microondas, que es Irradiada en dirección perpendicular al eje longitudinal de los capilares. A causa de la corta zona de irradiación así como de la profundidad de penetración de las microondas en el material de reacción, que es solamente de unos pocos centímetros, tales equipos están restringidos a unos trabajos realizados a la escala del laboratorio.

Mazzocchla y colaboradores, (C. R. Chemie, 24, 7, 61-65) divulgan unas transesterlficaclones apoyadas por microondas de unos triglicéridos con el metanol mediando una catálisis heterogénea por medio de unas zeolitas. En tales casos, a 17 °C y mediante una irradiación durante dos horas en un recipiente cerrado, se consiguen solamente unos moderados grados de conversión.

Esveld y colaboradores (Chem. Eng. Technol. 23 (2), 429-435 divulgan un procedimiento continuo para la producción de ásteres de ceras, en el cual un alcohol graso y un ácido graso se esterifican de un modo exento de disolventes en presencia de una montmorillonita. Sobre una cinta transportadora, la mezcla de reacción es calentada mediante una irradiación con microondas en el transcurso de 5 minutos hasta llegar a la temperatura de reacción y a continuación es mantenida a esta temperatura durante otros 3 minutos para la eliminación amplia del agua de reacción que ha resultado. Este procedimiento, naturalmente, es aplicable solamente a unos reaccionantes (y a unos productos de reacción) que hierven a altas temperaturas.

El documento de patente china CN 1351954 divulga la Irradiación de una espuma portadora de una especie química activa catalíticamente dentro de un tubo en una cavidad de microondas monomodal.

Una misión del invento fue, por consiguiente, la puesta a disposición de un dispositivo para la realización continua de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente a una escala técnica y a unas altas temperaturas,... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo para la realización continua de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente, que comprende un tubo que es transparente para las microondas, cuyo eje longitudinal se encuentra situado en la dirección de propagación de las microondas de un aplicadorde microondas monomodal, siendo llenado el tubo que es transparente para las microondas con una espuma de celdillas abiertas, que es portadora de una especie química activa catalíticamente o se compone de ésta.

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un tubo de reacción que es ampliamente transparente para las microondas y está situado dentro de un conductor hueco que está unido con un generador de microondas a través de unos conductores de ondas.

3. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 y 2, en cuyo caso el aplicador de microondas está estructurado como un resonador de cavidad.

4. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 3, en cuyo caso el aplicador de microondas está estructurado como un resonador de cavidad del tipo de reflexión.

5. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 4, en cuyo caso el tubo de reacción se alinea axialmente con un eje central de simetría del conductor hueco.

6. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 5, que comprende un resonador de cavidad con una transición coaxial de las microondas.

7. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 6, en cuyo caso el resonador de cavidad está constituido de tal manera que él puede ser hecho funcionar en la modalidad Eoin, siendo n un número entero de 1 a 2.

8. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 7, en cuyo caso el resonador de cavidad está constituido de tal manera que dentro de él se puede formar una onda estacionaria.

9. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 8, que hace posible una Irradiación con microondas a unas temperaturas comprendidas entre 1 y 4 °C.

1. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 9, que hace posible la irradiación microondas a unas presiones situadas por encima de la presión atmosférica.

11. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 -1, en el que la espuma de celdillas abiertas llena esencialmente de modo total al tubo de reacción en la región de la zona de calentamiento.

12. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 -11, en el que la espuma de celdillas abiertas se compone a base de un material cerámico que por sí mismo es activo catalíticamente.

13. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 -11, en el que la espuma de celdillas abiertas es un material cerámico que es portador de una especie química activa catalíticamente que es diferente de él.

14. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 -11, en el que la espuma de celdillas abiertas se compone de un metal activo catalíticamente.

15. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 - 14, en el que el número de poros de la espuma de celdillas abiertas, que se determina apoyándose en la norma ASTM D3576, está situado entre 1 y 15 ppi.

16. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 -15, en el que la porosidad de la espuma de celdillas abiertas es por lo menos de 2 %.

17. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 - 16, en el que la anchura de poros de la espuma de celdillas abiertas está situada entre ,1 mm y 1 cm.

18. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 - 17, en el que la resistencia mecánica promedia de la espuma de celdillas abiertas, determinable mediante impresión de una estampa, está situada entre 1 y 15. N.

19. Dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 - 18, en el que el tubo que es transparente a las microondas, llenado con una espuma de celdillas abiertas, que es portadora de una especie química activa catalíticamente o se compone de ésta, está dimensionado de tal manera que la pérdida de pr4esión condicionada por la espuma de celdillas abiertas es de menos que 5 15 Pa/m.

2. Procedimiento para la realización continua de unas reacciones químicas catalizadas heterogéneamente, en cuyo

caso el material de reacción es convertido químicamente por una irradiación con microondas dentro de un tubo que es transparente para las microondas, cuyo eje longitudinal se encuentra situado en la dirección de propagación de las microondas de un apllcador de microondas monomodal, siendo llenado el tubo que es transparente para las microondas con una espuma de celdillas abiertas, que es portadora de una especie activa catalíticamente o se 1 compone de ésta.

21. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, en cuyo caso las reacciones catalizadas heterogéneamente se llevan a cabo en un dispositivo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 hasta 19.