طرح توجیهی تولید اسید بنزوئیک



طرح توجیهی تولید اسید بنزوئیک (C6H5COOH ) (benzoic acid)

مقدمه
اسید بنزوئیک پودر سفید یا سوزنی شکلی می باشد که به مقدار کمی در آب محلول است ولی در اتانول، کلروفرم، بنزن، دی سولفور کربن و تربانتین محلول است. اسید بنزوئیک یک ماده شیمیائی نگهدارنده غذاهای انسانی، ضدّ عفونی کننده و معطر است که به طور طبیعی در برخی از میوه ها و گیاهان خوراکی؛ مثل، کرن بری، آلو، دارچین و غیره یافت می شود. از اسید بنزوئیک در نوشابه های گازدار، آب میوه ها و شوریجات (شوری ها) به عنوان یک ماده افزودنی نگهدارنده استفاده می شود. در صنعت جهت تولید اسید بنزوئیک معمولا از سه روش استفاده میشود.

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی
پودر سفید بلورین یا سوزنی شکل می باشد که به مقدار کمی در آب محلول است ولی در اتانول ، اتر ، کلروفرم ، بنزن ، دی سولفور کربن و تربانتین محلول است .
این ماده دارای وزن مولکولی 12/122 ، وزن مخصوص 266/1 ( در 15 درجه سانتی گراد ) ، نقطه ذوب 38/122 درجه سانتی گراد ، نقطه جوش 2/249 درجه سانتی گراد و نقطه اشتعال ( در ظرف سربسته ) 121 درجه سانتی گراد می باشد.

کاربرد و موارد مصرف
اسید بنزوئیک کاربرد وسیعی در تهیه بنزوآت سدیم ، نرم کننده ها ، کلرید بنزول ،بنزوآت بنزول و سایر مواد شیمیایی گوناگون دارد .اسید بنزوئیک به عنوان محافظت کننده مواد غذایی ، ماده اضافه شونده گل حفاری ، در تهیه استر های بنزوآت و در ساخت رزین های آلکیدی ، کاربرد کمتری دارد .

بررسی جایگاه اقتصادی
قبل از سال 1961 ، اسید بنزوئیک عمدتا از طریق دی کربوکسیله کردن اسید فتالیک و به وسیله کلردار کردن تولوئن و تهیه بنزوتری کلرید و هیدرولیز قلیایی آن تولید می گردد . اما عموما روش اول ( که قبلا توضیح داده شد ) را ، ترجیح می دادند ، زیرا محصول بنزوتری کلرید با مقدار کمی از کلر ، ناخالص و آلوده می گردید ،و با توجه به این که اسید در تهیه عطر ها و چاشنی ها به کار می رفت لذا عملا نامطلوب و ناخوشایند بود .
در حال حاضر عمدتا اسید بنزوئیک از طریق اکسیداسیون تولوئن تولید می گردد. که در این طرح توجیه اقتصادی ارائه شده بر اساس تولید بر مبنای این روش میباشد.
بنزوآت سدیم بیشترین فروش اسید بنزویک را باعث شده است. معمولا بنزوآت سدیم و نرم کننده ها در مصارف اسید بنزوئیک سهم یکسانی دارند .پیش بینی می شود که در آینده نزدیک کاربرد اصلی اسید بنزوئیک در تهیه نرم کننده ها باشد زیرا تقاضای مصرف وینیل های حاوی نرم کننده به شدت در حال افزایش است . نرم کننده های بنزوآت در تهیه پلی وینیل کلرید و تولید رزین پلی وینیل استات به کار می روند .
مصرف اسید بنزوئیک در تولید کلرید بنزول عمدتا به خاطر افزایش ارزش کلر (CHLORINE VALUE) سریعا رشد کرده است این یکی از دلایلی است که باعث شده روش بنزوتری کلرید کمتر مورد توجه قرار گیرد. بنزوآت بوتیل ، که 10 درصد مصرف اسید بنزوئیک را در بر دارد به عنوان حامل و نگه دارنده رنگ پارچه در رنگ آمیزی الیاف و پارچه پلی استر به کار می رود .

تولید اسید بنزوئیک از تولوئن به وسیله اکسیداسیون هوا

واکنش:
C6H5CH3 + 1/2O2 ——> C6H5COOH + H2O

مواد اولیه مورد نیاز
جهت تولید 1 تن اسید بنزوئیک
تولوئن 925 کیلوگرم
هوا 1720 متر مکعب
کاتالیزور مقدار کم

فرایند و روش تولید
در اثراکسیداسیون پیوسته فاز مایع تولوئن در حضور کاتالیزور نفتنات کبالت ، اسید بنزوئیک تولید می گردد .
تولوئن ، کاتالیزور و هوا را به طور مداوم و پیوسته به داخل رآکتور حاوی اسید بنزوئیک و تولوئن واکنش نیافته و کاتالیزور وارد می کنند. شرایط واکنش در درجه حرارت 250-150 درجه سانتی گراد و در فشار 50-5 اتمسفر تنظیم می گردد. نسبت هوا به تولوئن را کنترل می کنند تا 10 الی 50 درصد تبدیل انجام بگیرد. تولوئن برگشتی ( refluxing toluene )و خنک کن پوشش رآکتور ، باعث تلف شدن گرمای مخلوط واکنش می گردد. بعد از این که 40 درصد تبدیل انجام شد ،مخلوط واکنش را به برج تقطیر منتقل می کنند، و در آن جا تولوئن واکنش نیافته و محصول فرعی بنزآلدئید از قسمت فوقانی برج جهت چرخش مجدد ، جدا می گردد . آب از جریان گاز متراکم شده ، قبل از برگشت تولوئن واکنش نیافته به رآکتور جدا و خارج می گردد.
ترکیبات قسمت تحتانی برج را با آب داغ مخلوط می کنند تا اسید بنزوئیک را استخراج نمایند .لایه مایع و آبکی را جدا نموده و سرد می کنند. تا اسید بنزوئیک رسوب گردد. سپس آن را فیلتر نموده و دوباره شستشو می دهند تا اسید بنزوئیک نوع صنعتی به دست آید. بازده محصول اسید بنزوئیک از اکسیداسیون تولوئن 90 درصد می باشد.

" نمودار جریان تولید اسید بنزوئیک از تولوئن به وسیله اکسیداسیون هوا "

تولید اسید بنزوئیک از بنزوتری کلرید ( تولوئن ) (benzotrichloride )
واکنش ها :
C6H5CH3 + 3 Cl2———-> C6H5CCl3 + 3 HCl
C6H5CCl3 + C6H5COOH ——–> 2C6H5COCl + HCl
2C6H5COCl + 2 H2O ———> 2 C6H5COOH + HCl
( بازده محصول 75 تا 80 درصد )

مواد اولیه مورد نیاز
جهت تولید 1 تن ( متریک ) اسید بنزوئیک :
بنزوتری کلرید 1783 کیلو گرم
آب 1250 کیلوگرم
کاتالیزور 13 کیلوگرم

فرایند و روش تولید
تولوئن در حضور نور در 100 تا 150 درجه سانتی گراد کلردار می گردد . زمانی که وزن مخصوص محلول به 385/1 – 375/1 در 20 درجه سانتی گراد برسد بنزوتری کلرید تولید شده است. مقدار کمی از مواد قلیایی ممکن است جهت خنثی سازی و وجود کلرور هیدروژن باقی مانده ، به واکنش اضافه گردد . کلرور هیدروژن در حین واکنش ظاهر می شود که معمولا توسط آب جذب گردیده و تولید اسید کلریدریک می نماید.
بنزوتری کلرید خام ممکن است به وسیله تقطیر در دیگ ( برج ) تقطیر و برج کاربات ( karbate column) تصفیه و تخلیص شود .سپس بنزوتری کلرید تخلیص شده و کاتالیزور ( کلرید روی تلقیح شده به سنگ آذرین ) (zinc chloride impregnated on pumice) را به اولین مرحله هیدرولیز کننده وارد کنند ،به طوری که بنزوتری کلرید با اسید بنزوئیک ترکیب شده و به صورت کلرید بنزول در می آید. هیدرولیز کننده یک مخزن فولادی می باشدکه توسط شیشه آستر و پوشش دار شده است ، و قبلا تا نیمه توسط اسید بنزوئیک مذاب پر شده است . درجه حرارت را در حدود 130-122 درجه سانتی گراد به مدت 8 ساعت نگه می دارند، یا تا زمانی که تست های مربوط به وزن مخصوص یا نقطه انجماد ،کامل شدن واکنش را نشان دهد .اسید کلریدریک تشکیل شده به وسیله کندانسور کاربات جدا می شود .
بعد از تخلیص به وسیله عمل تقطیر ،کلرید بنزول را به دومین هیدرولیز کننده وارد می کنند جائی که درجه حرارت را بین 130 -122 درجه سانتی گراد به مدت 8 ساعت نگه می دارند و آب مداوما بر روی بچ پاشیده می شود. محصول حاصل از دومین مرحله هیدرولیز کننده به دو جریان جدا و تقسیم می گردد . یک قسمت به خیدرولیز کننده اولی جهت تولید کلرید بنزول بیشتر برگشت می شود و قسمت دیگر جهت خالص سازی و یا تولید بنزوآت سدیم هدایت می شود .
اسید خام ممکن است تصفیه شود و توسط عملیات خاصی از جمله تصعید یا بلور سازی ، اسید بنزوئیک تولید گردد. تبدیل محصول خام به بنزوآت سدیم با کیفیت عالی توسط حل کردن با هیدروکسید سدیم ، فیلتر کردن و تخلیص محصول بنزوآت انجام می گیرد . بازده محصول اسید بنزوئیک 80 – 74 درصد می باشد که بر اساس وزن بنزوتری کلرید شارژ شده می باشد .

" نمودار جریان تولید اسید بنزوئیک از تولوئن "

تولید اسید بنزوئیک از انیدرید فتالیک
در این روش بازده محصول تولیدی 85% میباشد.

مواد مورد نیاز
جهت تولید 1 تن ( متریک ) اسید بنزوئیک
انیدریک فتالیک 1430 کیلوگرم
کاتالیزور 13 کیلوگرم

فرایند و روش تولید
ابتدا ، انیدرید فتالیک خام را به داخل دیگچه سر بسته ای که حاوی همزن می باشد ،می ریزند .2 تا 6 درصد وزنی کاتالیزور شامل تقریبا مقادیر مساوی کروم و دی سدیم فتالات به آن اضافه می کنند .
کاتالیزور ممکن است به صورت جدا گانه و یا به وسیله افزودن مستقیم مقدار برابر هیدروکسید کروم و سود سوزآور به مخزن انجام واکنش تهیه گردد. پس از این که مواد به داخل مخزن واکنش وارد شد مخلوط حاصل را تقریبا تا 200 درجه سانتی گراد حرارت می دهند و 2 تا 20 قسمت بخار بر ساعت ( بر اساسreflux condenser 100 قسمت انیدریک فتالیک )به پائین تر از سطح مخلوط وارد می کنند . یک کندانسور دارای سیستم برگشت (reflux condenser) آّ ب ، اسید بنزوئیک و اسید فتالیک را به دیگچه واکنش بر می گردانند در صورتی که دی اکسید کربن به هوا خارج می شود. واکنش را ادامه می دهند تا اینکه مقدار انیدرید فتالیک مخلوط کمتر از 5 درصد گردد .سپس اسید بنزوئیک را به وسیله تقطیر یا بدون کمک بخار از مخلوط واکنش جدا می کنند.جدا شدن کامل تر اسیدبنزوئیک از اسید فتالیک ممکن است با افزودن مقدار کافی سود سوزآور جهت ترکیب شیمیایی با اسید فتالیک قبل از عملیات تقطیر انجام گردد . این عمل معمولا در اثر تقطیر بخار ثانویه انجام می پذیرد . کاتالیزور باقی مانده در پس مانده را ممکن است مجددا برای چند بچ استفاده نمایند و در نهایت ممکن است به وسیله حل کردن پس مانده در محلول سود سوزآور و فیلتر کردن مواد ته نشین شده، بازیافت گردد .
اسید بنزوئیک ممکن است همچنین از طریق عبور بخارات انیدرید فتالیک و مخلوط با بخار ( 50 – 10 برابر وزن انیدرید) بر روی یک کاتالیزور ساکن در درجه حرارت 420 – 80 درجه سانتی گراد به دست آید . جهت تماس مناسب مخلوط (توده) با کاتالیزور ، کاتالیزور شامل مخلوطی از قسمت های تقریبا مساوی از کربنات مس و هیدروکسید کلسیم می باشد که به صورت پوشش یکنواخت بر روی دانه های سنگ آذرین به اندازه نخود قرار گرفته است .
نتیجه واکنش محصول فوق عمدتا شامل اسید بنزوئیک ناخالص با اسید فتالیک
بیشتر یا کمتر است ، که بستگی به بارگیری مواد دارد . گزارش شده است که وقتی بارگیری مواد شامل 4 قسمت انیدید فتالیک بر هر ساعت در 160 حجم توده تماس ( یافته) در درجه حرارت ذکر شده قبلی باشد میزان بازده محصول از نظر تئوری بر اساس انیدرید فتالیک خام اولیه برابر 85 درصد خواهد بود . همچنین ممکن است مقادیر کم بنزول ، دی فنیل ،بنزوفنون و آنتراکینون در واکنش گازی به وجود آیند .
اسید بنزوئیک را می توان به هر طریق مناسب جدا کرد، به عنوان مثال ، به وسیله تصعید در حضور بخار یا در حضور بخارات حلال های آلی برای اسید بنزوئیک.
مخلوط داغ واکنش را تا حدود 150 – 125 درجه سانتی گراد خنک می کنند و بخارات بنزول را تقریبا گرم می کنند. ممکن است در همان درجه حرارت هوا از میان مخلوط غلغل کند . اسید بنزوئیک تقریبا به طور کامل با آب موجود ،جدا و خارج می گردد. بخارات را در حدود 85 درجه سانتی گراد خنک می کنند، در این حرارت اسید بنزوئیک متراکم شده ، بخارات بنزول عبور می کنند که می توان آن را متراکم نموده و پس از جداسازی از آب آن ها را مجددا استفاده کرد.

" نمودار جریان تولید اسید بنزوئیک از انیدرید فتالیک "

لیست تجهیزات و ماشین آلات
1- مخزن انجام واکنش 2
2- مبدل حرارتی 1
3- برج های تقطیر 1
4- جداکننده ها 1
5- دستگاه فیلتر کننده 1
6- مخزن ذخیره سازی و مخلوط کن و بویلر 2
7- بخار 1
8- کندانسور 1

تجزیه و تحلیل هزینهها
جهت تولید 30 تن ( متریک ) اسید بنزوئیک در ماه:
1- سوله 500 متر مربع
2- تعداد کارکنان 10 نفر
3- زمین و ساختمان (اجاره ماهانه) 104$
4- تجهیزات و ماشین آلات 15813$
5- سرمایه ثابت 15813$
6- سرمایه لازم برای یک ماه کار 9254$
7- سرمایه لازم برای سه ماه کار 27762$
8- جمع کل سرمایه 43574$
9- هزینه تولید سالیانه 11592$
10- دریافت سالیانه 141407$
11- سود سالیانه 25494$
12- میزان برگشت سرمایه (بازدهی) 5/58درصد
13- نقطه سر به سر 39درصد (تقریبا)

15