Cos’è l’acido acetico?
L’acido acetico, noto anche come acido etanoico, è un comune acido organico con formula CH3COOH. È un liquido corrosivo e incolore che ha un odore pungente come l’aceto. È presente in soluzioni diluite in diversi sistemi vegetali e animali.
L’aceto, una soluzione acquosa che contiene circa il 4-12% di acido acetico, è in uso da oltre 5000 anni ed è prodotto dalla fermentazione del vino.
I principali produttori di acido acetico, che rappresentano oltre l’80% del totale mondiale, si trovano in Asia e Nord America. La capacità globale di produzione di acido acetico è superiore a 12 milioni di tonnellate all’anno.
L’acido acetico è utilizzato principalmente nella produzione di anidride acetica, acetato di vinile e come solvente di processo per la produzione di acido tereftalico.
L’acetato di vinile è utilizzato per produrre resine in emulsione di lattice che vengono applicate in vernici, adesivi, rivestimenti di carta e trattamenti tessili. L’anidride acetica è utilizzata nella produzione di fibre tessili di acetato di cellulosa, stoppa per filtri di sigarette e plastica di cellulosa.
Sommario
1. Produzione di acido acetico
Il processo di produzione dell’aceto si basa principalmente sul metodo tradizionale di fermentazione.
I moderni percorsi di sintesi per l’acido acetico prevedono la carbonilazione del metanolo e l’ossidazione in fase liquida di butano, nafta o acetaldeide.
1.1. Produzione di acido acetico mediante carbonilazione del metanolo
La carbonilazione del metanolo è stata il metodo preferito e dominante per la produzione su larga scala di acido acetico negli ultimi 35 anni.
La conversione di metanolo e monossido di carbonio in acido acetico ad alta temperatura e alta pressione è stata segnalata per la prima volta da BASF nel 1913.
Successivamente, nel 1941, REPPE presso BASF ha dimostrato l’efficacia dei carbonili metallici del gruppo VIII come catalizzatori per le reazioni di carbonilazione, il che ha portato allo sviluppo di un processo ad alta pressione e alta temperatura con un catalizzatore di ioduro di cobalto.
L’obiettivo principale di questa ricerca era sviluppare un processo di acido acetico che non dipendesse da materie prime a base di petrolio.
L’attuale superiorità del processo di carbonilazione del metanolo rispetto ad altri percorsi per l’acido acetico è attribuita ai suoi costi favorevoli di materie prime ed energia.
La materia prima del gas di sintesi richiesta per questo processo può essere reperita da varie fonti, come il gas naturale al carbone.
Il processo di carbonilazione a base di cobalto è stato lanciato commercialmente da BASF a Ludwigshafen, in Germania, nel 1960, con una capacità iniziale di 3600 t/a che è stata poi ampliata a 45.000 t/a entro il 1981.
Nello stesso anno, Borden Chemical Co. ha avviato un’unità di acido acetico da 45.000 t/a a Geismar, Louisiana, Stati Uniti, basata sulla tecnologia BASF.
Questa unità è stata ampliata a 64.000 t/a entro il 1981 prima di essere chiusa nel 1982, ma è stata poi riaperta per un anno nel 1988 per soddisfare la carenza di fornitura di acido acetico negli Stati Uniti.
Verso la fine degli anni ’60, Monsanto ha sviluppato un processo di acido acetico a bassa pressione con un sistema di catalizzatore promosso da ioduro di rodio che ha dimostrato maggiore attività e selettività rispetto al processo basato sul cobalto.
La produzione commerciale di acido acetico utilizzando il processo Monsanto è iniziata nel 1970 a Texas City, Texas, con una capacità iniziale dell’impianto di 135.000 t/a che è stata poi ampliata a 270.000 t/a dal 1975. Le condizioni operative nel reattore sono più miti (3 MPa e 180 °C) rispetto al processo BASF.
Grazie alle sue prestazioni superiori, il processo Monsanto è diventato la tecnologia preferita per le unità di acido acetico di livello basico e più di dieci aziende in tutto il mondo hanno ottenuto la licenza e hanno gestito questa tecnologia dall’avvio dell’impianto di Texas City da parte di Monsanto.
Il metanolo può anche essere carbonilato a pressione atmosferica con rese del 99% e del 90% rispetto al metanolo e al monossido di carbonio, rispettivamente.
a) Reattore; b) Flasher; c) Colonna Light-ends; d) Colonna di disidratazione; e) Colonna Heavy-ends
1.2. Produzione di acido acetico mediante ossidazione diretta di idrocarburi saturi
L’ossidazione in fase liquida (LPO) di idrocarburi alifatici è stata un processo industriale ampiamente adottato in passato. Tuttavia, a causa dell’emergere della tecnologia di carbonilazione, la produzione di LPO è stata notevolmente ridotta dagli impianti in tutto il mondo.
La disponibilità di materie prime, come n-butano e nafta leggera, può influenzare il processo utilizzato. Ad esempio, BP nel Regno Unito utilizza nafta leggera, mentre Celanese negli Stati Uniti e in Canada impiega butano per produrre acido acetico.
1.2.1. Meccanismo di reazione
L’ossidazione degli idrocarburi segue una cinetica simile sia in fase gassosa che liquida, in particolare in solventi leggermente polari. Tuttavia, il meccanismo di reazione è complesso e può essere considerato una reazione a catena radicale.
Ad esempio, l’ossidazione del butano avviene tramite fasi di inizio, ossidazione, propagazione e decomposizione. L’innesco, in particolare con i catalizzatori, influenza significativamente il periodo di induzione e la propagazione probabilmente coinvolge i radicali che estraggono l’idrogeno da un atomo di carbonio secondario del butano, seguito dalla reazione con l’ossigeno per produrre idroperossidi.
Questi intermedi si decompongono per produrre acido acetico, un processo accelerato dai catalizzatori, dall’agitazione e dall’alta temperatura. Sebbene non siano essenziali per l’LPO, i catalizzatori metallici possono influenzare la distribuzione del prodotto, il periodo di induzione e la temperatura di esercizio.
Il primo passaggio dell’ossidazione comporta l’estrazione di un atomo di idrogeno secondario per formare radicali alchilici, che vengono rapidamente convertiti dall’ossigeno nel solvente in radicali sec-butilperossidi.
Alcune interpretazioni suggeriscono che l’ossigeno reagisce direttamente con una o due molecole di alcano per formare radicali.
1.2.2. Operazioni industriali
L’aria o l’aria arricchita di ossigeno possono fungere da ossidante, mentre gli ioni metallici multivalenti, come Mn, Co, Ni e Cr, sono utilizzati come catalizzatori nel processo LPO, ma alcuni processi sono non catalitici.
Le condizioni di reazione comportano un intervallo di temperatura di 150-200 °C e una pressione di reazione di 5,6 MPa. Il solvente di reazione comprende acido acetico, intermedi, acqua e idrocarburi disciolti. La concentrazione di acqua deve essere controllata perché è fondamentale per il successo del processo.
a) Reattore; b) Refrigeratore d'aria; c) Collettore; d) Recipiente di separazione; e) Colonna di pressione; f) Colonna di distillazione
1.3. Produzione di acido acetico mediante processo di acetaldeide
L’ossidazione dell’acetaldeide rappresenta un processo importante per la produzione di acido acetico. L’ossidazione dell’acetaldeide ad acido acetico avviene attraverso una catena di radicali liberi che produce acido peracetico come intermedio.
L’acido peracetico reagisce con l’acetaldeide per generare acetaldeide monoperacetato. L’acetaldeide monoperacetato si decompone in modo efficiente in acido acetico tramite uno spostamento di idruro in una reazione di Baeyer-Villiger.
La migrazione del metile porta al sottoprodotto formiato di metile.
La migrazione alchilica diventa più pronunciata con aldeidi superiori, in particolare aldeidi che hanno una diramazione in posizione α. La terminazione della catena avviene principalmente attraverso reazioni bimolecolari di radicali acetilperossidi tramite un tetrossido intermedio.
L’ossidazione non catalizzata è efficiente finché la conversione dell’acetaldeide è bassa e c’è una concentrazione significativa di aldeide nel solvente. Ciò mantiene bassa la concentrazione allo stato stazionario dei radicali acetilperossidi e favorisce la reazione di Baeyer-Villiger.
2. Reazioni chimiche dell’acido acetico
Molti prodotti utili sono realizzati con l’acido acetico.
L’acido acetico forma esteri acetici quando reagisce con olefine o alcoli.
L’acetamide è prodotta dalla decomposizione termica dell’acetato di ammonio.
Il tricloruro di fosforo o cloruro di tionile reagisce con l’acido acetico per produrre cloruro di acetile.
L’acido acetico funge da importante materia prima che contribuisce alla produzione di vari prodotti chimici industriali.
Un esempio di questo processo è la conversione dell’acido acetico in acetato di vinile in presenza di etilene e ossigeno.
L’acido acetico è impiegato nella produzione di anidride acetica attraverso la formazione di chetene, che subisce un’ulteriore reazione con l’acido acetico per produrre l’anidride.
Inoltre, l’acido acetico è utilizzato nella produzione di acido cloroacetico utilizzando il cloro come reagente.
3. Usi dell’acido acetico
L’acido acetico ha una vasta gamma di applicazioni che abbracciano diversi settori industriali. In particolare, è utilizzato nella sintesi organica, nella produzione di polimeri, nei cosmetici, nella lavorazione alimentare, nei prodotti farmaceutici e nei detergenti.
Oltre il 65% della produzione globale di acido acetico è destinata alla produzione di polimeri derivati da acetato di vinile o cellulosa. Una parte significativa di poli(acetato di vinile) funge da componente in vernici, rivestimenti, nonché nella produzione di poli(alcol vinilico) e materie plastiche.
L’acetato di cellulosa è un derivato dell’acido acetico impiegato per la produzione di fibre di acetato.
Inoltre, l’acido acetico e i suoi esteri sono comunemente utilizzati come solventi per varie applicazioni. Queste proprietà versatili rendono l’acido acetico una risorsa essenziale e preziosa in diversi settori.
Riferimento
- Acetic Acid; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a01_045.pub3
