Estudio de la síntesis de acetato de butilo. 4. Cinética de reacción

A study of butyl acetate synthesis. 4. reaction kinetics

En este trabajo se adelantó un estudio de la reacción de esterificación de ácido acético y n-butanol en fase líquida (P_atm= 0,76 Bar), utilizando unas resinas de intercambio catiónico (Lewatit K-2431) como catalizador. Se estableció la ausencia de efectos de transferencia de masa dentro y fuera de las partículas de catalizador en las condiciones estudiadas. Se efectuaron ensayos para determinar la influencia de la carga del catalizador (0.5 %,1%, 2% p/p), la temperatura (73°C, 80°C, 87°C) y la relación molar de alimentación (ácido/alcohol 1:2, 1:1, 2:1) sobre la velocidad de la reacción, y se obtuvieron dos expresiones cinéticas del tipo LHHW y seudo homogéneo que representa adecuadamente los datos experimentales.

Introducción

La producción de ésteres orgánicos es bien conocida desde hace tiempo y ha sido objeto de diversas investigaciones debido a su gran importancia en el ámbito industrial por su uso como materia prima para diversos procesos (Croggins, 1953; Peterson, 1956; Sánchez, 1996), y también como método para el tratamiento de aguas residuales provenientes de plantas de procesamiento con alto contenido de ácido (producción de acetatos de celulosa, acetilación, destilación de madera, fermentación, etc.) (Bianchi et al., 2003; Cardona et al., 2004; Saha et al., 2000). En general, la producción de acetato de butilo se realiza por esterificación directa de ácido acético y butanol en fase líquida, a temperatura de ebullición de la mezcla y en presencia de catalizadores ácidos homogéneos (Oleum, H₂SO₄, ácido pToluen-sulfónico) o heterogéneos (resinas de intercambio, zeolitas, óxidos metálicos, etc.). La reacción de esterificación es reversible y termodinámicamente factible, y no presenta efectos térmicos muy marcados (Orjuela et al., 2003, 2004, 2005).

El mecanismo de reacción (Figura 1) indica que la activación se da por protólisis del ácido carboxílico acelerada por el catalizador. Por este hecho, la velocidad de la reacción depende principalmente del impedimento estérico entre el alcohol y el ácido (a medida que este aumenta, disminuye la velocidad y el rendimiento en la formación del éster), y la fuerza ácida del ácido carboxílico desempeña un papel secundario (Croggins, 1953; Sánchez, 1996).

En los procesos industriales convencionales ha ganado terreno el uso de catalizadores heterogéneos, debido a su menor efecto corrosivo sobre los equipos, facilidad de recuperación del medio de reacción, disminución en los costos de purificación de los productos, facilidad de almacenamiento, su reutilización en varios ciclos de operación y, en algunos casos, aumentos de selectividad y conversión al producto de interés.

Debido a la importancia de la esterificación, el estudio del proceso y el uso de catalizadores ha sido ampliamente reportado en la literatura para diversos sistemas (Altiokka, 2003; Lee et al., 2000, 2002; Lilja et al., 2002; Mazzotti et al., 1997; Song et al., 1998; Xu, 1996; Yadav, 2000; Yu et al., 2004), y específicamente en la producción de acetato de butilo (Bianchi et al., 2003; Orjuela et al., 2004; Lee et al., 2000; Al-Saadi, 1981; Chu et al., 2004; Dhanuka et al., 1977; Cangadwala et al. 2003; Liu, 2002; Steinigeweg, 2002).