Ácido acético: Producción, Reacciones y Usos

acetic acid structure

El ácido acético es un líquido corrosivo e incoloro que tiene un olor acre y es un vesicante de gran peligro. Está presente en soluciones diluidas en varios sistemas vegetales y animales.

El vinagre, una solución acuosa que contiene aproximadamente entre un 4% y un 12% de ácido acético, se utiliza desde hace más de 5000 años y se produce mediante la fermentación del vino.

Los principales productores de ácido acético, que representan más del 80% del total mundial, se encuentran en Asia y América del Norte. La capacidad mundial de producción de ácido acético supera los 12 millones de toneladas al año.

El ácido acético se utiliza principalmente en la fabricación de anhídrido acético, acetato de vinilo y como disolvente de proceso para la producción de ácido tereftálico.

El acetato de vinilo se utiliza para producir resinas en emulsión de látex que se aplican en pinturas, adhesivos, revestimientos de papel y tratamientos textiles. El anhídrido acético se utiliza en la producción de fibras textiles de acetato de celulosa, estopas para filtros de cigarrillos y plásticos de celulosa.

Tabla de contenido

1. Producción de ácido acético

El proceso de producción de vinagre se basa principalmente en el método tradicional de fermentación.

Las rutas sintéticas modernas para obtener ácido acético implican la carbonilación de metanol y la oxidación en fase líquida de butano, nafta o acetaldehído.

1.1. Carbonilación de metanol

La carbonilación de metanol ha sido el método preferido y dominante para la producción a gran escala de ácido acético durante los últimos 35 años.

La conversión de metanol y monóxido de carbono en ácido acético a alta temperatura y alta presión fue reportada por primera vez por BASF en 1913.

Posteriormente, en 1941, REPPE en BASF demostró la eficacia de los carbonilos de metales del grupo VIII como catalizadores para reacciones de carbonilación, lo que condujo al desarrollo de un proceso de alta presión y alta temperatura con un catalizador de yoduro de cobalto.

El objetivo principal de esta investigación fue desarrollar un proceso de ácido acético que no dependa de materias primas a base de petróleo.

La superioridad actual del proceso de carbonilación de metanol sobre otras rutas para obtener ácido acético se atribuye a sus costos favorables de materia prima y energía.

La materia prima del gas de síntesis necesaria para este proceso puede obtenerse de diversas fuentes, desde gas natural hasta carbón.

El proceso de carbonilación a base de cobalto fue lanzado comercialmente por BASF en Ludwigshafen, Alemania, en 1960, con una capacidad inicial de 3600 t/a que luego se amplió a 45 000 t/a en 1981.

Ese mismo año, Borden Chemical Co. puso en marcha una unidad de ácido acético de 45.000 t/a en Geismar, Luisiana, Estados Unidos, basada en la tecnología de BASF.

Esta unidad se amplió a 64 000 t/a en 1981 antes de cerrarse en 1982, pero luego se reabrió durante un año en 1988 para hacer frente a la escasez de suministro de ácido acético en los Estados Unidos.

A finales de la década de 1960, Monsanto desarrolló un proceso de ácido acético a baja presión con un sistema catalizador promovido por yoduro de rodio que demostró mayor actividad y selectividad que el proceso a base de cobalto.

La producción comercial de ácido acético utilizando el proceso de Monsanto comenzó en 1970 en Texas City, Texas, con una capacidad de planta inicial de 135 000 t/a que desde 1975 se ha ampliado a 270 000 t/a. más suave (3 MPa y 180°C) que en el proceso BASF.

Debido a su rendimiento superior, el proceso de Monsanto se convirtió en la tecnología preferida para las unidades de ácido acético de nivel básico, y más de diez empresas en todo el mundo han autorizado y operado esta tecnología desde la puesta en marcha de la planta de Texas City por parte de Monsanto.

El metanol también se puede carbonilar a presión atmosférica con rendimientos del 99% y 90% con respecto al metanol y al monóxido de carbono, respectivamente.

Production of acetic acid (Monsanto process)
Figura 1: Producción de ácido acético (proceso Monsanto)
a) Reactor; b) intermitente; c) Columna de extremos ligeros; d) Columna de deshidratación; e) Columna de extremos pesados

1.2. Oxidación directa de hidrocarburos saturados

La oxidación en fase líquida (LPO) de hidrocarburos alifáticos ha sido un proceso industrial ampliamente adoptado en el pasado. Sin embargo, debido a la aparición de la tecnología de carbonilación, las plantas de todo el mundo han reducido significativamente la producción de LPO.

La disponibilidad de materias primas, como el n-butano y la nafta ligera, puede influir en el proceso utilizado. Por ejemplo, BP en el Reino Unido utiliza nafta ligera, mientras que Celanese en Estados Unidos y Canadá emplea butano para producir ácido acético.

1.2.1. Mecanismo de reacción

La oxidación de hidrocarburos sigue una cinética similar tanto en fase gaseosa como líquida, particularmente en disolventes ligeramente polares. Sin embargo, el mecanismo de reacción es complejo y puede considerarse una reacción en cadena radicalaria.

Por ejemplo, la oxidación del butano se produce mediante pasos de iniciación, oxidación, propagación y descomposición. La iniciación, particularmente con catalizadores, afecta significativamente el período de inducción y la propagación probablemente involucra radicales que extraen hidrógeno de un átomo de carbono secundario de butano, seguido de una reacción con oxígeno para producir hidroperóxidos.

Estos intermedios se descomponen para producir ácido acético, un proceso acelerado por catalizadores, agitación y altas temperaturas. Aunque no son esenciales para LPO, los catalizadores metálicos pueden afectar la distribución del producto, el período de inducción y la temperatura de funcionamiento.

El primer paso de la oxidación implica la extracción de un átomo de hidrógeno secundario para formar radicales alquilo, que el oxígeno del disolvente convierte rápidamente en radicales sec-butilperoxi.

Algunas interpretaciones sugieren que el oxígeno reacciona directamente con una o dos moléculas de alcano para formar radicales.

1.2.2. Operación Industrial

El aire o el aire enriquecido con oxígeno pueden servir como oxidante, mientras que los iones metálicos multivalentes, como Mn, Co, Ni y Cr, se utilizan como catalizadores en el proceso LPO, aunque algunos procesos no son catalíticos.

Las condiciones de reacción implican un intervalo de temperatura de 150-200°C y presiones de reacción de 5,6 MPa. El disolvente de reacción comprende ácido acético, intermedios, agua e hidrocarburos disueltos. Se debe controlar la concentración de agua porque es fundamental para el éxito del proceso.

production of acetic acid by Oxidation of n-butane in the liquid phase (Chemische Werke H€uls process)
Figura 2: Oxidación de n-butano en fase líquida (proceso Chemische Werke H€uls)
a) Reactor; b) enfriador de aire; c) Coleccionista; d) Recipiente de separación; e) columna de presión; f) Columna de destilación

1.3. Proceso de acetaldehído

La oxidación del acetaldehído representa un proceso importante para producir ácido acético. La oxidación del acetaldehído a ácido acético se realiza a través de una cadena de radicales libres que produce ácido peracético como intermediario.

oxidation of acetaldehyde to acetic acid

El ácido peracético reacciona con acetaldehído para generar monooperacetato de acetaldehído. El monooperacetato de acetaldehído se descompone eficazmente en ácido acético mediante un cambio de hidruro en una reacción de Baeyer-Villiger.

La migración de metilo conduce al subproducto formiato de metilo.

La migración de alquilo se vuelve más pronunciada en el caso de aldehídos superiores, particularmente en aldehídos que tienen una ramificación en la posición α. La terminación de la cadena se produce principalmente mediante reacciones bimoleculares de radicales acetilperoxi a través de un tetróxido intermedio.

La oxidación no catalizada es eficaz siempre que la conversión de acetaldehído sea baja y exista una concentración significativa de aldehído en el disolvente. Esto mantiene baja la concentración en estado estacionario de radicales acetilperóxido y favorece la reacción de Baeyer-Villiger.

2. Reacciones químicas del ácido acético

Muchos productos útiles están hechos de ácido acético.

El ácido acético forma ésteres de acetato al reaccionar con olefinas o alcoholes.

La acetamida se produce por descomposición térmica del acetato de amonio.

El tricloruro de fósforo o cloruro de tionilo reacciona con el ácido acético para formar cloruro de acetilo.

El ácido acético sirve como una materia prima importante que contribuye a la producción de diversos productos químicos industriales.

Un ejemplo de este proceso es la conversión de ácido acético en acetato de vinilo en presencia de etileno y oxígeno.

El ácido acético se emplea en la producción de anhídrido acético mediante la formación de cetena, que luego reacciona con el ácido acético para producir el anhídrido.

Además, el ácido acético se utiliza en la fabricación de ácido cloroacético utilizando cloro como reactivo.

3. Usos del ácido acético

El ácido acético tiene una amplia gama de aplicaciones que abarcan varias industrias. Se utiliza en síntesis orgánica, producción de polímeros, cosméticos, procesamiento de alimentos, productos farmacéuticos y detergentes.

Más del 65% de la producción mundial de ácido acético se destina a la producción de polímeros derivados del acetato de vinilo o la celulosa. Una parte importante del poli(acetato de vinilo) sirve como componente en pinturas, revestimientos, así como en la fabricación de poli(alcohol vinílico) y plásticos.

El acetato de celulosa es un derivado del ácido acético empleado para la producción de fibras de acetato.

Además, el ácido acético y sus ésteres se utilizan habitualmente como disolventes para diversas aplicaciones. Estas propiedades versátiles hacen del ácido acético un recurso esencial y valioso en varias industrias.

Referencia