1.1) Sulfonación

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1.1) Sulfonación
Sulfonación es todo procedimiento por el cual se introduce el grupo sulfónico SO2OH (*) a un átomo de carbono, o algunas veces a un átomo de nitrógeno. El
resultado es la obtención de ácido sulfónico correspondiente.
(*)
=
O
-S =
O
-
OH
Los métodos de enlace del grupo -SO2OH al nitrógeno se denominan
ordinariamente N-sulfonación, o sulfamación.
La palabra sulfonación se emplea también para designar el tratamiento de
cualquier compuesto orgánico con el ácido sulfúrico, cualquiera sea la naturaleza
de los productos formados.
Los tipos de sulfonación especializados comprenden:
• Sulfocloración: introducción de un grupo - SO2Cl en un alcano empleando
cloruro de sulfurilo o anhídrido sulfuroso con cloro
• Clorosulfonación: introducción de un grupo -SO2Cl en un compuesto con
ácido clorosulfónico
• Sulfoxidación: sulfonación directa de un alcano con anhídrido sulfuroso y
oxígeno
• Sulfoalquilación: unión de un grupo sulfoalquílico a un compuesto orgánico
La sulfonación de los aromáticos implica los siguientes pasos
En primer termino se forma el trióxido de azufre electrofílico para luego
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reaccionar con el benceno formando el carbocatión intermediario.
En el paso cuarto el anión de ácido bencenosulfónico pierde un protón
Y finalmente se disocia por ser un ácido fuerte.
1.2) Sulfatación
Sulfatación designa el establecimiento de un grupo -OSO2OH (sulfato ácido)
en el carbono.
(*)
- O - S
=
O
=
O
-
OH
En algunos casos puede considerarse como la introducción de un grupo SO2OH sobre un oxígeno. Los tipos de compuestos sulfatados están limitados casi
enteramente a los que contienen enlaces olefínicos (principalmente alquenos) y a
los que tienen grupos hidroxilos fenólicos o alcohólicos, juntamente con los éteres
de los últimos.
El método general de sulfatación de estos tipos de compuestos es el
tratamiento con anhídrido sulfúrico, o un compuesto apropiado de este. Para los
alquenos se emplea corrientemente el ácido sulfúrico concentrado, en tanto que
para los alcoholes se emplea ácido sulfúrico, óleum o anhídrido sulfúrico.
Los sulfatos tiene importantes aplicaciones como:
• intermedios en la preparación de alcoholes (etílico, isopropílico, etc.)
• agentes de alquilación (sulfatos dimetílico y dietílico)
• detergentes (laurilsulfato sódico)
• colorantes
• anticoagulantes de la sangre
• reacción predominante en la sulfonación de aceites fijos
El equipo empleado en las sulfataciones industriales es del tipo corriente y
puede ser análogo al empleado para la sulfonación.
2.2) Usos (propiedades)
La mayor parte de los usos de los sulfonados se deben a la presencia en la
molécula del grupo -SO2OH, hidrófilo, altamente polar. En los detergentes, y
análogamente en los agentes mojadores, emulsivos y dispersantes, el grupo
sulfonato soluble en el agua está combinado con una porción orgánica soluble en
los aceites en varias maneras posibles para producir una variedad de efectos
deseados.
Para los colorantes, los compuestos contra la polilla y los agentes sintéticos
para el curtido, sirve como agente de unión firme de la molécula orgánica a la fibra
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o al cuero.
Las resinas de intercambio de iones funcionan como ácidos fuertes con
insolubilidad completa en el agua, combinación inusitada de propiedades que
conduce a muchas aplicaciones. Por otra parte, las resinas y polímeros sulfonados
solubles en el agua son de interés como gomas sintéticas y agentes de
espesamiento.
También se emplean los sulfonados como intermedios en la preparación de
otros productos químicos (colorantes) por reemplazo del grupo sulfónico.
Los cloruros sulfónicos RSO2Cl, son de interés especial como intermediarios
para la obtención de derivados sulfonados de amidas, ésteres y mercaptanes. Los
cloruros alcanosulfónicos se emplean como agentes de curtido y para hacer
detergentes y elastómeros, en tanto que los análogos aromáticos producen
sulfonamidas medicinales e insecticidas.
Tenemos entonces uso en:
• Detergentes,
elastómeros
agentes
mojadores,
emulsivos
y
dispersantes,
• Colorantes, compuestos contra la polilla y agentes sintéticos para el
curtido
• Resinas de intercambio de iones, gomas sintéticas y agentes de
espesamiento
• Intermedios en la preparación de otros productos químicos
• Sulfonamidas medicinales e insecticidas
Ejemplo de las propiedades de productos sulfonados para ser utilizados como
tensioactivos
SO3H
Zona polar Afín con

agua grupo sulfónico




Zona no polar Afín con grasas o
aceites de cadena larga
Los detergentes domésticos son sulfonatos o sulfatos en general de sodio:
El detergente lava vajilla más común era el derivado del dodecilbenceno
(molécula de un alifático ramificado de 12 carbonos con un grupo bencénico en
un extremo.) y que fue reemplazado por uno lineal con mayor biodegradabilidad
conocido como LAB (lineal alquilbenceno). Estos se obtienen en plantas
petroquímicas como ser la de YPF en Ensenada.
Se sulfonan dando el ácido sulfónico correspondiente y su sal sódica es el
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componente activo de los detergentes.
La cadena no polar derivada del dodecilbenceno o al lineal es la parte de la
molécula hidrofóbica a la grasa o aceite y el grupo sulfónico polar es la parte
hidrofílica.
Para uso más delicado como lavado de ropa fina y shampoo se utiliza el
laurilsulfato de sodio y es obtenido por la sulfatación del alcohol laurico (12
carbones en la estructura).
Dodecilbencensulfonato de sodio (no biodegradable)
La sulfatación de los distintos alcoholes derivados de aceites y grasas es muy
común para obtener distintos tipos de surfactantes
2.3) Agentes sulfonantes
Los agentes sulfonantes más utilizados:
• Anhídrido sulfúrico y sus compuestos
Ácido sulfúrico concentrado. Concentración comercial 98%
Óleum. Solución de ácido sulfúrico con 22 % de anhídrido sulfúrico disuelto
Ácidos clorosulfónico, fluorsulfónico y aminosulfónico
• Anhídrido sulfuroso y sus compuestos
Ácido sulfuroso y sulfitos y sulfitos ácidos
Anhídrido sulfuroso y cloro, anhídrido sulfuroso y oxígeno
• Otros agentes diversos
Métodos de obtención de los principales agentes.
Los principales métodos de producción de anhídrido sulfuroso, anhídrido sulfúrico,
ácido sulfúrico y óleum es utilizando azufre como materia prima, recuperación de
los gases de la industria metalúrgica (producción de cobre y zinc a partir de
sulfuros) y por la recuperación de ácido sulfúrico residuales de bajo titulo y con
contaminantes.
Producción a partir de azufre
El azufre se quema con una corriente de aire filtrado y exento de humedad en un
horno, esta reacción altamente exotérmica. El azufre se funde en piletas
adecuadas y se bombea a presión en la cámara de combustión del horno. Los
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gases de combustión formados son enfriados por un sistema de generación de
vapor de agua que es luego utilizado por otras instalaciones. Estas plantas
generan mayor cantidad de vapor del que consumen y por lo tanto son
proveedoras de vapor a otras instalaciones. El diseño del horno es similar a una
caldera de vapor de agua. En este caso el combustible es el azufre.
La ecuación de esta etapa es la de obtención del anhídrido sulfuroso:
S + O2
◊
SO2
En la segunda etapa el anhídrido sulfuroso ingresa a unos 400 ºC y se convierte
en unas cámaras catalíticas con pentóxido de vanadio. Esta reacción exotérmica
requiere que los gases se enfríen en cada paso por el catalizador donde se
aprovecha para generar vapor de menor presión.
En esta etapa se obtiene el anhídrido sulfúrico:
SO2
+
½ O2
◊
SO3
En las cámaras se debe llegar a una conversión superior al 99,7% a fin de cumplir
con las regulaciones en las emisiones de los gases de salida.
En la tercera etapa el anhídrido sulfúrico se absorbe con agua para formar el ácido
sulfúrico.
SO3
+
H2O
◊
H2SO4
Esta operación se realiza en una torre de absorción donde el gas rico en anhídrido
sulfúrico es absorbido con una corriente de ácido sulfúrico de menor concentración
a la comercial (98%) para evitar la fuerte reacción exotérmica de hidratación de
anhídrido.
Una corriente de ácido sulfúrico al 93 % es utilizada para el secado del aire de
proceso.
Ver detalle del diagrama de bloques.
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El óleum se obtiene mediante la absorción de ácido sulfúrico con anhídrido
sulfúrico hasta llegar a la concentración de 22 %.
La disponibilidad comercial del anhídrido sulfúrico está restringida a aquellos que
dispongan de plantas generadoras y hay empresas especializadas que proveen
toda la tecnología y equipamiento cuando los consumos son importantes como
ser plantas productoras de detergentes sintéticos.
2.4) Principales procedimientos
Los principales procedimientos de sulfonación pueden ser clasificados del
modo siguiente:
• tratamiento directo con anhídrido sulfúrico o un compuesto de éste
• procedimientos oxidantes
• reacciones con sulfitos
• métodos de condensación y polimerización
La clasificación en métodos directos e indirectos se emplea algunas veces
para indicar si un procedimiento de sulfonación comprende una o más etapas.
2.4.1) Tratamiento directo con anhídrido sulfúrico
Es este procedimiento mucho más extensamente aplicado que los demás, y
se emplea en la preparación de los químicos de sulfonados y en el tratamiento de
aceites fijos y fracciones de petróleo.
El ácido sulfúrico concentrado y el óleum de variada concentración son los
reactivos más comunes para la sulfonación directa. Las propiedades físicas del
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sistema SO3-H2O han sido investigadas desde el punto de vista de la sulfonación.
Otros reactivos que han encontrado extenso empleo son el anhídrido sulfúrico con
compuestos orgánicos (dioxano o piridina) y el ácido clorosulfónico. Son también
de este tipo, pero aplicados con menos frecuencia, el ácido fluorsulfónico, los
sulfatos ácidos, los pirosulfátos y el ácido aminosulfónico (sulfámico).
El anhídrido sulfúrico es teóricamente el agente de sulfonación más eficaz y
directo de este tipo, puesto que sólo entraña la adición directa sobre el compuesto
orgánico RH:
RH + SO3 ◊ RSO2OH
Por otra parte, el empleo de cualquiera de los compuestos del anhídrido
sulfúrico es siempre complicado por la liberación concomitante del otro
componente (agua, ácido clorhídrico, piridina), lo cual hace a tales agentes menos
eficaces que el anhídrido sulfúrico, aunque tienen otras ventajas. El ácido sulfúrico
y el anhídrido sulfúrico libre tienen propiedades opuestas como agentes de
sulfonación. El óleum (solución de anhídrido sulfúrico en ácido sulfúrico de 100%)
es un compromiso práctico entre estos dos extremos. Las ventajas del anhídrido
sulfúrico y las correspondientes del óleum han llegado a ser industrialmente
atractivas de manera creciente por la necesidad de obviar la eliminación de
ácidos de desecho, en tanto que las desventajas (elevado calor de reacción que
genera ennegrecimiento y descomposición y fuerte viscosidad) pueden ser
vencidas por el diseño de ingeniería, elección de las condiciones o el empleo de
un disolvente. Hay una tendencia a emplear agentes enérgicos de sulfonación de
este tipo.
RH + SO4H2 ◊ RSO2OH + H2O
La formación de agua produce un efecto dilutor del ácido sulfúrico y un
generador de ácido diluido con restos orgánicos difíciles de reutilizar y costoso el
tratamiento del residuo.
Comparación ácido sulfúrico versus anhídrido sulfúrico
Factor
H2SO4
SO3
Calor de reacción
Requiere calor para
completarse
Fuertemente exotérmica
todo el tiempo
Velocidad de reacción
Lenta
Instantánea
Extensión de la reacción
Parcial
Completa
Disponibilidad
Universal
Con generador propio
Ácido agotado
Usualmente sustancial
Ninguno
Formación de otros
productos
Pocos
Extensa
Capacidad del reactor
Importante
Mínima
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Viscosidad de la mezcla de
reacción
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Baja
Elevada en algunos
casos
El ácido clorosulfónico es empleado casi enteramente en la preparación de
cloruros sulfónicos aromáticos o heterocíclicos conforme a las ecuaciones
siguientes:
RH + ClSO3H ◊ RSO2OH + HCl↑ (1)
RSO2OH + ClSO3OH ◊ RSO2Cl + H2SO4 (2)
La reacción (1) se emplea algunas veces para preparar los ácidos sulfónicos,
no obstante el hecho de que el desprendimiento de HCl y la ocurrencia parcial
inevitable de la reacción (2) son objetables.
El ácido sulfúrico, el óleum y el ácido clorosulfónico son empleados
ordinariamente en exceso, con lo que de pasada obran como disolventes baratos,
de baja viscosidad, para el ácido sulfónico o el cloruro sulfónico formados. El
anhídrido sulfúrico puede emplearse directamente en la forma líquida comercial o
es fácilmente evaporado (44.8•C) y tal vez diluido con un gas inerte (aire seco)
antes de la introducción en el reactor. El anhídrido sulfuroso líquido es un
excelente disolvente de sulfonación para emplearlo con el anhídrido sulfúrico, el
ácido clorosulfónico, o el óleum. Sin embargo, los problemas de recuperación del
disolvente han impedido su aceptación industrial. En la preparación de cloruros
sulfónicos (con el ácido clorosulfónico) no se emplea ningún disolvente en la
práctica industrial; con frecuencia se emplea el cloroformo como medio de
reacción para preparaciones de laboratorio. El anhídrido sulfúrico puede
emplearse ventajosamente con varios disolventes clorados con los cuales es
miscible, tales como el tetracloruro de carbono y el triclorofluorometano.
2.4.2) Tratamiento directo con anhídrido sulfuroso
El desarrollo industrial de este estudio es relativamente reciente y es aplicable
especialmente a la preparación de alcanosulfonatos. Este procedimiento, conocido
como sulfocloración, comprende el tratamiento directo de los alcanos con una
mezcla de anhídrido sulfuroso y cloro en presencia de luz o de otros catalizadores
para formar los cloruros sulfonílicos, del modo siguiente:
RH + SO2 + Cl2 ◊ RSO2Cl + HCl↑
El cloruro de sulfurilo, SO2Cl2, reacciona de manera semejante. El
procedimiento estrechamente relacionado de la sulfoxidación se verifica por la
reacción:
RH + SO2 + 1/2O2 ◊ RSO2OH
La oxidación de los tioles (mercaptanes) y de los derivados de los tioles se
emplea frecuentemente para preparar los sulfonados de las series alifática y
heterocíclica. Pueden emplearse varios agentes oxidantes; la reacción es la
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siguiente:
2RSH + 3O2 ◊ 2RSO2OH
El cloruro sulfonílico correspondiente se forma cuando se emplea como
agente oxidante el cloruro acuoso:
RSH + 3Cl2 + 2H2O ◊ RSO2Cl + 5HCl
2.5) Reacciones principales y mecanismos de reacción.
Con ácido sulfúrico:
Los alcanos no reaccionan con el ácido sulfúrico.
Los alquenos lo hacen fácilmente formando sulfatos de alquilo
correspondiente por ejemplo:
◊
H2C:H2 + SO4 H2
Etileno
+ ácido sulfúrico
C2 H5 – O– SO2OH
sulfato de etilo
3.0) Otro ejemplo son las sulfataciones en las dobles ligaduras de los
ácidos grasos obtenidos de grasas y aceites
Los aromáticos se sulfonan fácilmente un ejemplo de ellos es la
sulfonación del benceno que se verá más adelante.
C6H6 + SO4H2
Benceno
◊
C6H5– SO2OH + H2O
ácido bencensufónico
La sulfonación / desulfonación de aromáticos es una reacción reversible y el
control de la termodinámica dependerá de la posición final de equilibrio.
Así se sulfona el benceno a unos 100 ºC y puede desulfonarlo a 227 ºC.
En el grafico se relaciona la entalpía del sistema con el grado de avance y
compuestos formados.
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La sulfonación del naftaleno que según se controlen la condiciones de
reacción se obtienen porcentajes de isómero.
◊
a
96% de Alfa naftalensulfónico
40 ºC ◊
4%
Beta naftalensulfónico
C10 H8
a 160 ºC
◊
85% de Beta naftalensulfónico
◊
15%
Alfa naftalensulfónico
Con Óleum:
Los alcanos se pueden sulfonar a partir de C6.
Los alquenos son reacciones más fáciles y en los aromáticos se
consiguen disulfonaciones y además se sulfona el nitrobenceno.
Con anhídrido sulfúrico las reacciones son rápidas y el problema es
controlarlas.
2.5) Métodos de sulfonación
Industrialmente el proceso admite la realización por cargas o en forma
continua, ésta sólo si los compuestos orgánicos poseen ciertas propiedades
físicas y químicas determinadas. Por lo general la mayoría de las operaciones se
efectúan por cargas o discontinuas.
Las operaciones continuas se pueden hacer y son prácticas cuando;
• El compuesto orgánico es volátil
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• Cuando la reacción es rápida
• Cuando la producción es grande
Las ventajas de la producción continua son múltiples (mayor producción,
control y calidad), pero se requieren instalaciones más complejas y más caras lo
cual se justifica sólo en grandes escalas de producción.
2.5.1) Sulfonaciones discontinuas
En los procesos de sulfonación discontinua o por cargas, la manera de
introducir los reactivos en el sulfonador depende de las propiedades físicas y
químicas de los componentes a sulfonar. A modo de ejemplo se añaden estos
sobre el sulfúrico fumante en los compuestos de antraquinona, e la obtención de
los sulfonados del naftol, el compuesto orgánico se añade sobre el ácido sulfúrico
concentrado.
Existe una relación entre la concentración de SO3, y su actividad de
sulfonación, de esta se deduce que a menos que se disponga de un procedimiento
capaz de eliminar el agua formada la velocidad de la reacción irá decreciendo
gradualmente.
En caso contrario la reacción se detendrá al llegar a cierta concentración de
SO3, o del H2SO4 diferente para cada compuesto orgánico sometido a la
sulfonación.
Con una adecuada separación del agua formada como consecuencia un
menor consumo de ácido sulfúrico. Los métodos industriales usados son con la
siguiente base:
-uso de óleum o anhídrido sulfúrico en lugar del ácido sulfúrico.
-Extracción de producto formado del reactor a medida que se produce.
-Destilar con un azeótropo el agua formada.
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El empleo de óleum agregándolo con el compuesto orgánico, al mismo
tiempo y gradualmente, sobre un gran volumen de ácido procedente de una
operación anterior elimina el agua de reacción tan pronto como se forma por el
anhídrido sulfúrico disuelto.
En algunas sulfonaciones como el benceno, se trabaja a presión reducida para
eliminar más fácilmente el agua de reacción.
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En el procedimiento de destilación a presión parcial nos basamos en la
capacidad del diluyente, o de un exceso de reactivo volátil (como la utilización de
solventes que formen mezclas azeotrópicas con el agua permitiendo la
extracción del reactor), para la separación del agua de reacción a medida que se
forma, y de aquí que puede mantenerse una concentración elevada de ácido
sulfúrico. Manteniendo una concentración elevada de sulfúrico, no es necesario
utilizar exceso del mismo.
2.5.2) Procedimiento Guyot. Sulfonación del Benceno
Se calienta en un recipiente cerrado ácido sulfúrico de 90% a 92% de 95C a
110C y se hacen pasar a su través los vapores de benceno producidos en una
caldera especial, que llegan por una tubería que desemboca debajo de un plato de
fundición perforado, colocado debajo del fondo del aparato de sulfonación.
Los vapores que salen del reactor (destilación azeotrópica) se condensan en
un intercambiador de calor y caen en un depósito en el que se separan las dos
capas de agua y benceno, el benceno recuperado de esta forma vuelve al
sulfonador.
Este procedimiento operando por cargas necesita de catorce horas y de 6 a 8
moles de benceno por cada uno que reacciona.
2.5.3) Sulfonaciones continúas
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Una de las formas es trabajar con seis rectores en cascada. El la sulfonación
del benceno se bombea éste con óleum al primer reactor y con el flujo rebalsando
a los otros se da el tiempo suficiente para la finalización de la reacción. Los
primeros dos reactores se enfrían mientras que los otros son calentados
Otra forma de llevar a cabo es en un aparato como el representado en la
figura utilizado para la sulfonación de grasas y aceites saturados y sin saturar.
El producto graso a sulfonar llega por una tubería de alimentación a una
cubeta colocada en al parte superior de un tabique provisto de camisa, de la
cubeta descarga la grasa por una fisura y desciende formando una fina película
sobre la superficie de la pared. A la vez sobre esa película se pulveriza el agente
de sulfonación mediante una boquilla que contiene ácido sulfónico, el producto
formado es recogido por un plato colector que se halla en el borde inferior del
tabique.
Con este dispositivo se logra que los reactivos se mezclen íntimamente en
condiciones que se permita una excelente regulación de la temperatura y sin
necesidad de emplear exceso de sulfonante.
En las plantas industriales
siguientes diseños:
la sulfonación en película
se realiza con los
1) Reactor rotativo: La materia prima a sulfonar es introducida por la parte
inferior entre un estator fijo y un rotor que presentan una superficie con aletas que
remueven el producto. El rotor y estator están refrigerados para controlar la
temperatura de reacción.
Se utiliza como agente sulfonante al anhídrido sulfúrico con aire seco para
controlar la concentración y la velocidad de reacción.
El material de las instalaciones es el acero inoxidable 316 dado que
resiste muy bien a los ácidos sulfúricos diluidos.
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2) Reactor multitubo laminar: La otra forma muy moderna de obtener la gran
cantidad de detergentes y tensioáctivos para uso doméstico como lavavajillas,
detergentes de lavado de ropa y shampoo es utilizar un reactor multitubo
de película descendente como el diseño Ballestra donde el agente sulfonador
ingresa por un alimentador central en cada uno de los tubo del rector. Como se ve
en la figura el diseño básico es el de un intercambiador de casco y tubo vertical.
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La materia prima ingresa por la parte superior a presión, su caudal se calibra
por fino agujero realizado en material ágata y es distribuido en todo el perímetro
interior de cada tubo.
La reacción va desarrollándose en el camino descendente y su temperatura se
controla por la refrigeración del lado carcasa.
La instalación completa de ultima tecnología comprende a la instalación de
generación del agente, mezcla de anhídrido sulfúrico y aire seco, el reactor
propiamente dicho, la etapa de purificación de gases de venteo
y la de
terminación del producto elaborado.
La obtención del agente puede conseguirse por tres caminos según la
disponibilidad de la materia prima y el volumen de inversión a realizar. Ellos son
-Generador a partir de azufre, el de mayor inversión y menor costo de
materias primas
-Destilación de óleum.
-Compra de anhídrido sulfúrico líquido – escasa disponibilidad
En el cuadro adjunto se pueden ver los pasos:
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La sulfonación ó sulfatación se lleva a cabo en el reactor multitubo .Los gases
de escape están compuesto por exceso de aire, nitrógeno, SO2, SO3 y niebla del
producto sulfonado y de la materia prima que no reaccionó.
Estos gases se limpian antes de enviarse a la atmósfera siguiendo las
siguientes operaciones:
-Separación de niebla con un demister separador que favorece la precipitación
de las gotas de líquido.
-Eliminación del SO3 residual por la acción de una corriente lavadora de agua.
-El SO2 que no se retiene en las operaciones anteriores es neutralizado con
una corriente de soda cáustica para formar sulfito de sodio.
El producto terminado se deja un tiempo en digestor para su homogenización
y luego se hidrata para la formación del ácido sulfónico correspondiente. En
sulfataciones el proceso tiene algunos cambios que se detallan en el flow sheet
adjunto.
El ácido sulfónico finalmente se neutraliza quedando listo para la producción
de agente tensioactivo
En la tabla siguiente se detallan las especificaciones y los consumos
específicos:
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Especificación del producto terminado:
DODECILBENCENO SULFONADO DE SODIO
Materia activa
42/45 %
Aceite libre –no sulfonado / sobre activo
1.5%
Sulfato de sodio/ sobre activo
1.5%
Color Klett
50/60
LAURILSULFATO DE SODIO
Materia activa
30 %
Aceite libre –no sulfonado / sobre activo
2 / 3%
Sulfato de sodio/ sobre activo
1.5%
Color Klett
40/50
LAURILETOXISULFATO DE SODIO
Materia activa
30 %
Aceite libre –no sulfonado / sobre activo
2%
Sulfato de sodio/ sobre activo
1.5%
Color Klett
40/50
ALCOHOL DE SEBO
Materia activa
30 %
Aceite libre –no sulfonado / sobre activo
4 / 5%
Sulfato de sodio/ sobre activo
2%
Color Klett
70/150
Consumos específicos y rendimientos
Referencias:
500 Kg. /h de materia prima 100%
Alquilado de 245 PM
Gas de sulfonación 4% en volumen de SO3
Consumos del proceso por combustión de azufre
Azufre 99,5%
52 Kg. /h
Energía eléctrica
55 Kwh.
Vapor saturado 7 atm
28 Kg. /h
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Agua enfriamiento 25 ºC 2 atm.
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15m3/h
2.6) Factores físicos y químicos que influyen en la sulfonación
Los productos resultantes de la sulfonación dependen de múltiples factores y
que estos no afectan sólo al grado sino también el curso de la misma. Algunos de
estos factores son:
• Concentración de agente de sulfonación
• Temperatura de reacción
• Tiempo de reacción
• Catalizadores y coadyuvantes
• Disolventes
Influencia de la concentración de SO3 en la sulfonación:
Cuando se emplea ácido sulfúrico se sabe que se detiene la reacción cuando
se alcanza una concentración determinada de SO3 diferente para cada compuesto
que se trate de sulfonar. Guyot designó esa concentración límite de SO3 como pi,
y encontró que en la preparación del ácido bencensulfónico, la sulfonación se
detiene prescindiendo de los factores, temperatura, agitación y catalizadores (si el
valor de pi es de 64% que corresponde al hidrato H2SO4.1/2H2O), quiere decir
que cuando se llega a esa concentración de SO3 no tiene ya lugar reacción
alguna. Esto indica que en los métodos ordinarios se consume una cantidad de
ácido excesiva.
La forma de continuar desplazando la reacción hacia la derecha es
incorporando mayor cantidad de SO3 (óleum, por ejemplo) o extrayendo el agua
formada (destilación azeotrópica, por ejemplo)
Influencia de la temperatura de reacción:
Al aumentar la temperatura de trabajo se aumenta la velocidad y el grado de
sulfonación.
Hay que tener cuidado en el control de la temperatura ya que un exceso de
esta hace tender la reacción a la polisulfonación, por esto se hace necesario en la
práctica operar con condiciones térmicas y con las proporciones de reactivos
adecuadas para obtener la menor cantidad posible de los productos que
impurifican al principal.
La temperatura de sulfonación puede también influir en la orientación de los
grupos sulfónicos (como en la sulfonación del tolueno y de los derivados del
naftaleno).
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Influencia del tiempo de reacción:
Por lo general, siempre que se prolonga el tiempo de reacción por más tiempo
del necesario, se forman impurezas que si bien no son muchas en cantidad,
pueden resultar difíciles de separar del producto principal.
Influencia de los Catalizadores y coadyuvantes de la sulfonación:
En los procesos de sulfonación existe una serie de sustancias que pueden
ejercer una influencia en la orientación, por ejemplo los compuestos de mercurio, o
bien acelerar la reacción normal sin tener ningún efecto sobre las posiciones que
ocupan los grupos sulfónicos, como ocurre en los compuestos del vanadio.
De esto se desprende que en algunas sulfonaciones es esencial la presencia
de un catalizador; mientras que en otras lo que determina se uso es alguna
ventaja económica.
Algunas sustancias usadas como catalizadores en sulfonaciones son:
• Mercurio y sus sales
• Vanadio, sus óxidos y sus sales disueltas
• Carbonatos alcalinos y piridina
• Ácido bórico y trifluoruro de boro
2.8) Bibliografía
• Enciclopedia Química
Kirk & Othmer
• Química Orgánica Morrison Boyd
• Procesos Unitarios de Química Orgánica P.H Groggins
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