PROCESOS INDUSTRIALES PARA LA OBTENCION DEL FENOL Fenol es el nombre específico del monohidroxibenceno, C 6 H 5 OH, y el nombre genérico de cualquier compuesto que contiene uno o varios hidroxilos (OH) unidos a un anillo aromático. El fenol es un compuesto cristalino blanco, que se funde a 41ºC. en un líquido incoloro, que hierve a 182ºC. Tiene un olor característico, ataca ataca la piel humana y es un veneno muy potente. Encuentra su uso principal en la fabricación de resinas fenólicas por combinación con formaldehído. Es importante su uso como intermedio en la fabricación de medicamentos, colorantes, hormonas vegetales, etc. FUENTES Y FABRICACION El fenol se forma en la descomposición de muchos compuestos oxigenados. Se encuentra entre los productos de la descomposición natural de la proteínas y entre los productos de la descomposición térmica de la hulla, la madera y los esquistos bituminosos. La acción de la mayoría de las sustancias oxidantes sobre el benceno puede dirigirse para formar fenol. Donde que los hidroperóxidos se descomponen casi cuantitativamente con formación del fenol y un compuesto de c arbonilo. El hidroperóxido de cumeno da fenol y acetona según la ecuación:
La hidrólisis de bencenos sustituidos negativamente, como bencenos halogenados, ácido bencenosulfónicos, etc., forma fenol. Casi todo el fenol producido se obtiene por descomposición térmica de sustancias orgánicas más complejas o por hidroxilación del benceno. DESCOMPOSICION TERMICA DE SUSTANCIAS ORGANICAS Se forma como subproducto en la l a coquificación de la hulla, la destilación de esquistos bituminosos y la fabricación de carbón vegetal. El fenol preparado por este método se llama a menudo fenol "natural", por contraste con el fenol "sintético". El problema de su fabricación es esencialmente de extracción y purificación. El procedimiento ordinario, tal como se aplica al alquitrán de hulla, consiste en: concentrar el fenol por destilación fraccionada; separara sustancias neutras y básicas por extracción con solución de hidróxido de sodio (que transforma el fenol en el fenolato sódico, soluble en agua); regenerar el fenol del fenolato de sodio por acidificación y purificarlo por destilación y cristalización. Alquitrán: De la destilación continua o intermitente del alquitrán se separa una fracción que hierve entre 150 y 230ºC. Según el origen del alquitrán, esta fracción contiene entre 10 y 30% de ácidos del alquitrán y menos del 1% de bases del alquitrán.
La columna A es una columna de extracción, de acero, acero, de 1.35 m de diámetro, rellena de 25 pies de anillos Rasching de acero, de 1 pulgada. Por la parte inferior de la columna en 1.
Entran aproximadamente 3 200 Kg por hora de la fracción citada, que contiene aproximadamente 15% de ácidos del alquitrán, y se calientan a unos 100ºC. Por la parte superior de la columna en 2. Entran aproximadamente 2 200 Kg por hora de una solución de 10% de hidróxido de sodio, también a una temperatura próxima a 100ºC. El cáustico extrae el ácido en un paso continuo en c ontracorriente. El aceite sale de la columna 3 y pasa a la extracción con ácido para recuperar las bases de alquitrán. El extracto alcalino, que consiste principalmente en las sales de sodio del fenol, cresoles y xilenoles. Rebosa por 4 para entrar en la columna B, de acero, de un diámetro aproximado de 90 cm, que contiene 25 pies de anillos Rasching de acero, de 1 pulgada. Por el fondo de la columna en 5 se insuflan aproximadamente 230 Kg de vapor por hora. El vapor expulsa de la columna los hidrocarburos y las bases residuales. Los vapores son condensados en 6 y después se llevan a la extracción con ácido. El extracto alcalino se bombea hasta la parte superior de la columna C, donde los ácidos son puestos en libertad de sus sales de sodio por la acción de 280 m3 por hora de gases de horno de cal, que contienen aproximadamente 30% de CO 2. Los gases entran por 7 y salen de la columna de bicarbonato, D. Los productos en el fondo de C se separan en dos fases: una capa acuosa de solución de carbonato de sodio, que contiene aproximadamente 12% de Na 2 CO 3 , saturada con ácidos libres del alquitrán, y una capa orgánica que contiene los ácidos libres del alquitrán, agua y algún fenolato de sodio. Las fases se separan en 8. La capa orgánica pasa por 9 a la parte superior de la columna de bicarbonato D. Donde encuentra el gas del horno de cal, que entra por 10. El gran exceso de dióxido de carbono pone en libertad los ácidos y forma bicar bonato de sodio, que en parte se precipita como sólido. La lechada que sale por el fondo de D se bombea a un separador 11. La cantidad de gases de horno de cal que entra por 10 se controla de modo que queden sin convertir algunas unidades por ciento del fenolato de sodio en el líquido que sale de la columna C, porque de lo contrario la precipitación de cristales de bicarbonato en C produciría dificultades. La solución de carbonato procedente de 8 es causticada con cal. Agua de Lavado. Se han sugerido muchos métodos para recuperar el fenol de las aguas de lavado y otras aguas de las industrias de la fabricación de coque y de purificación del petróleo. Los métodos usados para recuperar fenoles y fenoles sustituidos de tales aguas son los siguientes: 1) Destilación con vapor, se hace circular a través del agua una mezcla gaseosa, después se hace circular a través de una solución cáustica y caliente; cuando pasa a través del agua absorbe, conforme a las condiciones de equilibrio fenol, luego se separan de la fase de vapor por contacto con la solución cáustica.
2) Extracción por medio de benceno, seguida por la recuperación de los ácidos en forma de fenolatos por extracción del benceno con cáustico, este método aplicado a las aguas de lavado del gas de hulla.
Cinco mil galones por hora (18 925 l) de aguas de lavado que contienen 2 gramos por litro de fenol, entran en el "filtro" cónico, A. Las aguas purificadas entran en una columna de extracción con agua, B, en 1; esta columna es de acero, de 2 m de diámetro y contiene 10.65 m de anillos Rasching de porcelana de 1 pulgada. Por la parte inferior de la torre en 2 entran 3500 gal./hr. (13 250 l) de benceno. El agua extraída, con su contenido de fenol reducido hasta 0.2 gramos por litro, sale por 3 para ir a la recuperación del amoniaco. El benceno fluye hasta el fondo 4 de la columna de extracción del benceno, C, que se compone de 6 a 8 compartimientos, en el cual son extraídos los ácidos del alquitrán por medio de 50 gal./hr. (1 890 l) de una solución de hidróxido de sodio al 10%, para formar fenolato de sodio. El benceno procedente de C se divide en dos corrientes. La mayor, que comprende 70-90% del total, según el grado de pureza del agua del lavado, vuelve a la columna de extracción con agua, mientras que el resto pasa por una destilación en D, en el cual se le quitan al benceno el alquitrán y otras impurezas recogidas durante su contacto con el agua.
PROBLEMAS Y PERSPECTIVAS
Diversos problemas se relacionan con la extracción del fenol de fuentes naturales distintas de los alquitranes de alta temperatura. Los problemas son: la reunión de los extractos impuros procedentes de muchas instalaciones pequeñas, la necesidad de una extracción más económica del fenol y una purificación más eficiente. Un tratamiento satisfactorio se basa en la oxidación del grupo -SH a -S-S-, y la separación subsiguiente de los sulfuros. Los pr oblemas de este tipo pueden adquirir importancia si aumenta la producción de fenol natural como consecuencia de acontecimientos económicos. HIDROXILACION DEL BENCENO
Todas las síntesis industriales que hoy se hacen parten del benceno como materia prima. El benceno se obtiene cantidades considerables de benceno del petróleo. La introducción, al parecer sencilla, de un grupo hidroxilo en el benceno ha conducido a un número tan grande de procedimientos que probablemente no existe ningún otro ejemplo de una variedad tan grande de métodos para convertir una misma sustancia sencilla en el mismo producto sencillo. Por lo menos cinco métodos están en uso efectivo o potencial para convertir benceno en fenol: 1. 2. 3. 4.
Oxidación Directa; Sulfonación, seguida de hidrólisis en solución alcalina; Cloración, seguida de hidrólisis en solución alcalina; Procedimiento Regenerativo, en el cual el clorobenceno es hidrolizado catalíticamente y el ácido clorhídrico producido se utiliza para la cloración del benceno; 5. Procedimiento del cumeno.
La oxidación directa del benceno sería el método más sencillo para introducir un grupo hidroxilo en el benceno y formar el fenol. El benceno puede oxidarse fácilmente, incluso por el aire, el fenol formado se oxida aún más fácilmente que el benceno, este método no se ha utilizado para la producción industrial.
Se usan métodos indirectos, en los cuales se forma un compuesto intermediario que después es convertido en fenol. Uno de los métodos indirectos es la sulfonación del benceno y la hidrólisis del sulfonato para formar fenol. La hidrólisis tiene que realizarse en un medio alcalino que da como resultado la formación de grandes cantidades de subproductos. La formación de clorobenceno, con su hidrólisis en solución alcalina, es un método importante. El cloruro de sodio, que es un subproducto, es electrolizado para obtener cloro para la cloración del benceno. A) Oxidación directa del benceno. Al parecer, ninguno de los procedimientos de este grupo se ha aplicado todavía en la industria. Los que siguen son los más dignos de mencionarse. Procedimientos en fase líquida. Describe la oxidación del benceno líquido por medio de oxígeno a presiones de varios cientos de libras por pulgada cuadrada y
temperatura de 230ºC., usando ácido fluorhídrico anhidro y como catalizadores óxido de plata, óxido arsenioso y óxido de hierro. Procedimientos en fase de vapor. Se utilizan la catálisis heterogénea, Como catalizadores homogéneos se han sugerido óxidos de nitrógeno y más recientemente promotores orgánicos, como éteres dialquílicos que contienen por lo menos 6 átomos de carbono. Reacción térmica. Es la reacción puramente térmica del benceno con el aire por el procedimiento elaborado por la Solvay Process Company. La instalación consiste esencialmente en: a) un reactor con dos regeneradores de calor, construidos los tres aparatos según el principio regenerativo; b) el sistema de recuperación del fenol; c) el sistema de purificación del fenol; d) el sistema de lavado de los gases residuales; e) el sistema para la purificación de la mezcla de reacción benceno-aire. El reactor consiste en una serie de pasajes relativamente estrechos con comunicaciones entre ellos para la mezcla de los gases de la reacción. Los pasajes están hechos de ladrillos refractarios, cuya superficie está impregnada de óxido de boro para impedir la acción catalítica de la superficie d e los ladrillos sobre la mezcla de la reacción. El sistema se ha puesto a la temperatura de la reacción calentándolo con gases de combustión, se hace pasar por él una corriente de vapor de benceno y aire, que contiene aproximadamente partes equimoleculares de benceno y oxígeno, durante un minuto, en una dirección. La temperatura de la reacción comprendida entre 600 y 800ºC., se controla por cambios en la razón benceno - aire, por la recirculación de gases residuales o por la inyección de fluidos fríos.
