Producto obtenido por hidrólisis y deshidratación del pentosano en materias primas de fibras vegetales. También conocido como 2-furancarbaldehído. La fórmula molecular es: C4H3OCHO, y la fórmula estructural es:
Breve historia y situación actual
En 1832, J.W.D?berei-ner informó sobre la adición de dióxido de manganeso y ácido sulfúrico a sacarosa Al preparar ácido fórmico, se separa una sustancia oleosa de color amarillo del destilado turbio. Debido al pequeño número, no se pudo identificar ni nombrar. En 1840, J. Stenhouse obtuvo el mismo producto utilizando mazorcas de maíz y cáscaras de avena, realizó investigaciones sobre la composición química y determinó la fórmula molecular, deduciendo así que el furfural y sus productos afines se pueden obtener a partir de cualquier materia prima vegetal. Sin embargo, su nombre fue nombrado por primera vez aceite de furfural por G. Fownes en 1845. Más tarde, descubrió que tenía propiedades aldehídicas y lo cambió a furfural. No fue hasta 1922 que The Quaker Oats Co. de Estados Unidos anunció por primera vez la producción industrial de furfural. En 1988, la producción anual de los Estados Unidos fue de aproximadamente 60.000 toneladas, ocupando el primer lugar en el mundo. Los principales países productores incluyen Dominica, China, la Unión Soviética, Francia, la Federación de Sudáfrica y otros países. La producción anual mundial es de unas 300.000 toneladas. China produce furfural desde 1943 y en 1989 su producción superó las 40.000 toneladas, lo que la convierte en uno de los principales países exportadores del mundo.
Proceso de producción
El furfural se produce a partir de materias primas vegetales ricas en pentosano. Los más utilizados incluyen mazorcas de maíz, cáscaras de avena, cáscaras de semillas de algodón, bagazo de caña de azúcar, cáscaras de arroz, etc., siendo las mazorcas de maíz las mejores. Su contenido teórico promedio de furfural (%) es: mazorca de maíz 23,4, cáscara de avena 22,3, cáscara de semilla de algodón 18,6, bagazo de caña de azúcar 17,4 y cáscara de arroz 11,4. El proceso de reacción de conversión de pentosano en furfural se lleva a cabo en dos pasos:
Si las dos reacciones anteriores se llevan a cabo simultáneamente en el mismo equipo, se denomina método directo (o método de un solo paso); Se llama método indirecto (o método de dos pasos). El método directo comúnmente utilizado tiene las ventajas de un equipo simple, alto rendimiento, bajo costo y gran capacidad de producción. Sin embargo, la utilización integral de cada componente de la materia prima es deficiente, por lo que el método indirecto aún está bajo investigación y mejora.
Durante la reacción, el furfural se descompondrá aún más en ácido fórmico y sustancias húmicas. El rendimiento de furfural depende de dos reacciones: la generación de furfural y la descomposición de furfural. Además de las características de las materias primas, los factores que afectan el rendimiento de furfural incluyen el tipo y concentración del catalizador, la relación sólido-líquido, la temperatura, la cantidad de vapor y el estado de flujo del vapor en la capa de material. Los países utilizan diferentes equipos de reacción, procesos de hidrólisis y métodos de procesamiento según las características de las materias primas, los tipos de catalizadores y otras condiciones. Como el método American Quaker Oats Company (incluido el intermitente y el continuo), el método agrícola francés del furano, etc. China adopta un proceso de hidrólisis de ácido sulfúrico diluido en recipiente de hidrólisis intermitente vertical.
El proceso esquemático del método directo de producción de furfural es:
Después de mezclar las materias primas y el ácido sulfúrico diluido, se colocan directamente en la olla de hidrólisis para cocinar y la temperatura de reacción ronda los 170°C. Por lo general, se utiliza vapor de agua sobrecalentado a 220 °C para hidrolizar el pentosano de la materia prima en azúcar pentosa y deshidratarlo aún más para generar furfural. Bajo el calentamiento y el flujo de vapor de agua, el furfural generado se saca del recipiente de hidrólisis. Luego, la energía térmica se recupera a través del generador de vapor secundario y el vapor de aldehído se condensa en el líquido original. El vapor secundario generado tiene baja presión y puede utilizarse como fuente de calor para destilación, refinación, etc. La concentración de furfural en la solución original varía según el proceso de hidrólisis y las condiciones de operación, y generalmente es del 3 al 6%.
El líquido bruto se procesa a través de la torre de destilación primaria y el vapor de furfural con una concentración del 20 al 30 % (cambiado por el contenido de impurezas de bajo punto de ebullición) se recoge en la parte superior de la torre. condensación y enfriamiento, se divide en dos capas: la capa superior es la capa de aldehído diluido, que contiene 10% de aldehído y 90% de agua; la capa inferior es una capa de aldehído concentrado, que contiene 90-93% de aldehído y 7-10%; agua. La capa superior de aldehído diluido se devuelve a la columna de reflujo o de bajo punto de ebullición para su tratamiento, y la capa inferior de aldehído concentrado se deshidrata y se destila para obtener productos terminados.
Las materias primas y los procesos tecnológicos tienen un mayor impacto en la calidad del producto. Si el contenido de ácido orgánico en el aldehído crudo es demasiado alto y el procesamiento no cumple con los requisitos estándar, se puede utilizar la neutralización o el lavado con agua. Los subproductos metanol y ácido acético se pueden recuperar cuando sea necesario. Los residuos del proceso de cocción por hidrólisis se utilizan principalmente como combustible para calderas.
Propiedades físicas y químicas
El producto recién destilado es un líquido oleoso incoloro y transparente. Al contacto con el aire, el color cambia gradualmente a marrón oscuro. Es miscible con la mayoría de los disolventes comunes, pero sólo ligeramente miscible con hidrocarburos alifáticos saturados. Las sales inorgánicas son generalmente insolubles en furfural.
El peso molecular del furfural es 96,08, el punto de ebullición (101,3 kPa) es 161,7°C, el punto de congelación es -36,5°C, el índice de refracción es 1511211,5261, la densidad es 1511211,1598, el punto de inflamación (vaso cerrado) es 61,7°C y el punto de ignición es 315°C. El furfural y el agua forman un azeótropo con el punto de ebullición más bajo, con un punto de ebullición de 97,9°C a presión normal y que contiene 35,2% (peso) de furfural. Es parcialmente miscible con agua a 20°C, la capa de agua y la capa de furfural contienen 8,3% de furfural y 95,2% de agua (en peso), respectivamente.
Las propiedades químicas del furfural están relacionadas con el anillo furano y el grupo aldehído. El furfural es térmicamente estable en condiciones anaeróbicas. Después de exponerse a altas temperaturas (230 °C) durante varias horas, otras propiedades físicas no cambiarán excepto que el color se vuelve más oscuro.
El furfural se oxida a ácido furfúrico en presencia de un catalizador, se reduce a alcohol furfurílico, se descarbonila a furano y sufre la reacción de Canizzaro con una base fuerte para generar alcohol furfurílico y furoato. Al igual que otros aldehídos, el furfural se condensa con compuestos con grupos funcionales metileno activos (como aldehídos alifáticos, cetonas, nitrilos, etc.) y también puede reaccionar con alcohol furfurílico y compuestos fenólicos para formar resina.
El furfural se descompondrá aún más en ácido diluido, lo que dará como resultado la formación de un polímero negro. La velocidad de reacción está relacionada con la concentración de iones de hidrógeno y la temperatura de reacción. El anillo de furano se ve fácilmente afectado por el oxígeno de la atmósfera y genera óxidos ácidos. La adición de sustancias alcalinas puede prevenir la reacción de autooxidación. El color del furfural se vuelve más oscuro a medida que aumenta el contenido de ácido y polímero.
La reacción entre furfural y anilina-ácido acético glacial produce un color rojo brillante, que se utiliza a menudo en la reacción de color cualitativa del furfural. El análisis cuantitativo se basa en las dos propiedades del grupo aldehído y el anillo furano. Los métodos volumétricos comúnmente utilizados incluyen el método del clorhidrato de hidroxilamina y el método de bromación. El método gravimétrico es el método del floroglucinol. Al seleccionar un ensayo, se deben considerar los efectos de las impurezas. El método del clorhidrato de hidroxilamina se utiliza para analizar productos terminados en China. Los requisitos técnicos de la norma nacional nacional de furfural industrial de China se muestran en la tabla de la derecha.
Usos
El furfural se utiliza principalmente como materia prima para la producción de derivados del furano (alcohol furfurílico, alcohol tetrahidrofurfurílico, fármacos nitrofuránicos). El alcohol furfurílico se utiliza principalmente en la producción de resina para fundición. El uso de resina de alcohol furfurílico en la industria de la fundición puede mejorar la calidad de las piezas fundidas y reducir costos. La resina de alcohol furfurílico también se utiliza en equipos anticorrosión y otros aspectos. La resina de alcohol furfurílico, la resina de acetona furfural y la resina producida por la reacción de furfural (o alcohol furfurílico) y fenol formaldehído se denominan colectivamente resina de furano. La resina de furano es resistente a los ácidos, a los álcalis y a las altas temperaturas, y se utiliza en adhesivos para muelas abrasivas, revestimientos anticorrosivos, etc. El furfural es un buen disolvente selectivo para separar compuestos insaturados y pigmentos de compuestos alifáticos saturados. Se utiliza para refinar aceites lubricantes y aceites vegetales, decolorar colofonia, diluir resinas, inhibir la polimerización y aislar butileno de fracciones de cuatro carbonos para extracción y. destilación de olefinas