Estudio cinético de la epoxidación catalítica de limoneno. (2005)
Colombia es un país con una gran riqueza vegetal, incluyendo los frutos cítricos como la naranja, cuyos desechos no son aprovechados y se convierten en un problema ambiental adicional. El limoneno es un compuesto orgánico que se encuentra en un alto porcentaje en los aceites esenciales de frutos cítricos; la adición de oxígeno a este compuesto mediante la reacción de epoxidación, permite obtener el epóxido que constituye una materia prima en la elaboración de fragancias, perfumes, y aditivos para alimentos. Mediante la epoxidación catalítica de limoneno con el catalizador de tungsteno PW-Amberlita, con H2O2 acuoso como agente oxidante, se han obtenido conversiones y selectividades superiores al 84 y al 93%, respectivamente. La oxifuncionalización de limoneno sobre PW-Amb es un sistema de reacción complejo en el cual participan dos fases líquidas, una orgánica y otra acuosa, y un catalizador sólido. La presencia de las dos fases líquidas se debe a que el limoneno es poco soluble en agua; por ejemplo a 25°C la solubilidad de limoneno es de 0.15 mmol/l [1]. Es por ello que con el objeto de alcanzar un sistema líquido en una fase, la reacción se realiza con una concentración alta del cosolvente, CH3CN. Sin embargo, industrialmente estas condiciones no son deseables. Ya que la obtención del epóxido de limoneno con el catalizador PW-Amb se presenta como una alternativa comercial atractiva y considerando que previo al diseño de un reactor a escala industrial se requiere un estudio más detallado del sistema catalítico; este proyecto tiene como objetivo general determinar el modelo cinético de la oxifuncionalización de limoneno a epóxido, sobre el catalizador PW, con el fin de encontrar la ecuación cinética de la reacción que pueda ser utilizada en el diseño del reactor. Adicionalmente, se calculará la ecuación cinética de la descomposición de peróxido de hidrógeno, el factor de efectividad para determinar si la oxidación de limoneno no está restringida por limitaciones de difusión, se determinará el tiempo de vida del catalizador y se realizará un modelaje matemático del proceso, partiendo de las ecuaciones de balance de masa y ecuaciones de velocidad de reacción. Para lograr los objetivos se realizarán ensayos en el laboratorio para determinar las velocidades iniciales de reacción, las cuales son calculadas a conversiones menores del 10%; se determinará la cantidad de oxígeno liberado en función del tiempo para determinar la ecuación cinética de descomposición de H2O2; se reutilizará el catalizador varias veces para determinar su tiempo de vida. Se estimará la concentración del limoneno en la fase acuosa mediante el cálculo del equilibrio termodinámico de solubilidad, con el modelo UNIQUAC, y estas concentraciones se introducirán en la ecuación de la velocidad de reacción como parámetros cinéticos. Se utilizará el programa de computador Aspen Plus para determinar las concentraciones de equilibrio. Con la realización de este proyecto se busca la formación de un estudiante de doctorado. Se espera diseñar el reactor y determinar en el sistema de epoxidación de limoneno con PW-Amb los siguientes parámetros: las concentraciones de equilibrio del limoneno en la fase acuosa y orgánica, los parámetros cinéticos, el efecto de la cantidad de solvente en la velocidad de reacción, la ecuación cinética de descomposición de peróxido de hidrógeno y el factor de efectividad de la reacción. Los resultados del proyecto serán presentados a la comunidad científica mediante la participación en un evento relacionado con el tema y se elaborará un artículo, para una revista internacional, con los resultados más importantes del proyecto.