ES2726909T3 - Método para la purificación de ácido benzoico - Google Patents

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Abstract

Un método para purificar un ácido benzoico en bruto que contiene del 5 al 20 % en peso de subproductos y del 80 al 95 % en peso de ácido benzoico, por medio de destilación, caracterizado por que la destilación se lleva a cabo en una planta que comprende un primer sistema de destilación, que comprende una columna de pared divisoria.

Description

DESCRIPCIÓN
Método para la purificación de ácido benzoico
La presente invención se refiere a un método para la purificación de ácido benzoico.
El ácido benzoico, que es el ácido carboxílico aromático estructuralmente más simple, ha encontrado una aplicación generalizada en varios sectores de la industria. Por ejemplo, el ácido benzoico es un producto intermedio importante en la industria química, que se usa, por ejemplo, como un precursor para la preparación de fenol y benzoatos, es decir, ésteres del ácido benzoico. Por ejemplo, los diésteres de etilenglicol, dietilenglicol o trietilenglicol con ácido benzoico se usan como plastificantes en composiciones de polímeros. Además, ciertos ésteres del ácido benzoico, tal como el benzoato de metilo y el benzoato de etilo, se utilizan como fragancias en perfumes y cosméticos. Otra propiedad importante del ácido benzoico y las sales formadas a partir del mismo es su impacto sobre los microorganismos. Dado que estos compuestos inhiben el crecimiento de hongos, levaduras y bacterias específicas, el ácido benzoico y sus sales se utilizan como conservantes en alimentos, tabaco, productos cosméticos y artículos de tocador. Debido a su efecto fungistático y bacteriostático, el ácido benzoico también tiene aplicación como agente farmacéutico en la terapia de enfermedades fúngicas de la piel y como antiséptico.
Como consecuencia de sus múltiples aplicaciones, la producción de ácido benzoico se ha incrementado continuamente y se estima que ha alcanzado una producción mundial actual de 900 a 1.100 kilotones por año.
Un método comúnmente utilizado para la preparación industrial de ácido benzoico es la oxidación de tolueno con oxígeno, en donde la cadena lateral de metilo del tolueno se convierte en un grupo ácido carboxílico. Este procedimiento se realiza, a modo de ejemplo, haciendo uso del aire como fuente de oxígeno en presencia de un catalizador de metal de transición. Sin embargo, se forman varios subproductos durante la producción de ácido benzoico. Por lo tanto, generalmente se requiere una purificación del ácido benzoico en bruto después de la reacción con el fin de obtener un producto purificado, que cumpla con la especificación para la aplicación adicional deseada. Los procedimientos conocidos para la preparación de ácido benzoico purificado incluyen, por ejemplo, destilación y cristalización.
Un método conocido para la purificación de ácido benzoico en bruto es un método de destilación, que se realiza en una planta que comprende dos columnas de destilación dispuestas en serie. Dicho sistema de destilación de dos columnas se describe, por ejemplo, en los documentos de patente de patente US 3.472.630 y DE 1443 155. De acuerdo con una alternativa, se introduce una alimentación de ácido benzoico en bruto preparada por oxidación de tolueno en la primera columna de destilación. Mientras que los componentes de bajo punto de ebullición, es decir, los que tienen un punto de ebullición más bajo que el ácido benzoico, se separan y se extraen en la cabeza de la columna, una corriente enriquecida con ácido benzoico se extrae en el producto de la parte inferior de la columna de la primera columna de destilación y se alimenta a la entrada de la segunda columna de destilación. El ácido benzoico se separa en la segunda columna de destilación de los componentes de alto punto de ebullición y se extrae en la cabeza de la columna como fracción del producto, mientras que los componentes de alto punto de ebullición, es decir, los que tienen un punto de ebullición más alto que el ácido benzoico, se retiran en la parte inferior de la columna. En general, se denomina secuencia de columna directa a una disposición de las dos columnas, en la que la fracción enriquecida con ácido benzoico se extrae desde la parte inferior de la primera columna y luego se introduce en la segunda columna.
Si bien un método de destilación de dos columnas de este tipo permite obtener ácido benzoico purificado con un alto grado de pureza, presenta importantes desventajas. En primer lugar, este método implica un consumo de energía desfavorable, debido al hecho de que se necesitan dos columnas de destilación separadas, cada una de las cuales debe recibir la energía térmica necesaria para realizar la evaporación de la fase líquida y la separación del ácido benzoico. Incluso en el mejor de los casos, el consumo de energía asciende a aproximadamente 750 kWh/ton de ácido benzoico purificado. Además, la planta utilizada en este método tiene altos costes de inversión. Esto no sólo se debe al hecho de que se debe invertir en dos columnas de destilación, sino que también son necesarios gastos para los dispositivos adicionales asociados a ellas, tales como, por ejemplo, condensadores, hervidores y bombas. Normalmente, una planta de este tipo comprende dos columnas de destilación, 6 intercambiadores de calor y 5 bombas, es decir, en total 13 dispositivos principales. Además, debido a la participación de dos columnas de destilación, se requiere un espacio grande comparable para la instalación de la planta de purificación.
Como una alternativa al método de destilación anteriormente mencionado que utiliza una secuencia de columna directa, los documentos de patente anteriormente mencionados US 3.472.630 y DE 1443 155 también describen una disposición invertida de las dos columnas de destilación. Asimismo, en este procedimiento invertido la alimentación de ácido benzoico en bruto se introduce en la primera columna de destilación, en la que, sin embargo, a diferencia del procedimiento directo, una fracción que incluye el ácido benzoico y los componentes de bajo punto de ebullición se extraen en la cabeza de la columna, mientras que una fracción que incluye los componentes de alto punto de ebullición se concentra en la parte inferior. A continuación, el producto de cabeza enriquecido en ácido benzoico se condensa y luego se alimenta a la segunda columna de destilación, que separa los componentes de bajo punto de ebullición del ácido benzoico. Por lo tanto, se extrae una fracción que incluye los componentes de bajo punto de ebullición en la cabeza de la segunda columna, al tiempo que se obtiene el ácido benzoico purificado como producto de la parte inferior de la columna. Sin embargo, también en este caso el consumo de energía es alto y los costes de inversión para la planta son altos.
Xu Jiao et al., describen en J. Chem. Engin 2009, páginas 608 a 612, un procedimiento para la purificación de ácido benzoico que comprende la destilación por evaporación al vacío seguida de cristalización.
El objeto subyacente de la presente invención es proporcionar un método para la purificación de ácido benzoico en bruto, que supere los problemas anteriormente mencionados, es decir, proporcionar un método para la purificación de ácido benzoico en bruto, que dé como resultado ácido benzoico de alta pureza, que implique un menor consumo de energía y, que requiera una planta con bajos costes de inversión comparables.
De acuerdo con la presente invención, este objeto se cumple al proporcionar un método para purificar un ácido benzoico en bruto que contiene del 5 al 20 % en peso de subproductos y del 80 al 95 % en peso de ácido benzoico, por medio de destilación, en el que la destilación se realiza en una planta que comprende un primer sistema de destilación, que comprende una columna de pared divisoria.
De acuerdo con la definición habitual de la expresión "columna de pared divisoria", la columna de pared divisoria comprende preferiblemente:
- una parte superior que tiene una sección superior no dividida para concentrar los componentes de bajo punto de ebullición, en la que los componentes de bajo punto de ebullición tienen un punto de ebullición más bajo que el ácido benzoico, y una salida para retirar los componentes de bajo punto de ebullición de la columna,
- una parte inferior que tiene una sección inferior no dividida para concentrar componentes de alto punto de ebullición, en la que los componentes de alto punto de ebullición tienen un punto de ebullición más alto que el ácido benzoico, y una salida para retirar los componentes de alto punto de ebullición de la columna, y
- una parte central dispuesta entre la parte superior y la parte inferior que tiene al menos una pared divisoria vertical que divide la parte central en al menos una sección de alimentación y al menos una sección de retirada, teniendo la sección de alimentación una entrada para la alimentación de ácido benzoico en bruto y la sección de retirada que tiene una salida de extracción lateral para el ácido benzoico purificado.
Esta solución se basa en el descubrimiento de que al utilizar una columna de pared divisoria para la destilación del ácido benzoico en bruto y al extraer el ácido benzoico purificado de la sección de retirada de la parte central de la columna, el consumo de energía del método así como los costes de inversión para la planta requerida se reducen significativamente, al tiempo que se obtiene un ácido benzoico purificado, que tiene al menos el mismo grado de purificación que el obtenido con los métodos de destilación conocidos en la técnica anterior. Más específicamente, el consumo de energía del método de acuerdo con la presente invención es de aproximadamente 540 kWh/ton, que es casi un 30 % menor que el de los métodos anteriormente mencionados conocidos en la técnica anterior, que requieren un consumo de energía de aproximadamente 750 kWh/ton. Además, la planta necesaria para realizar el método de acuerdo con la presente invención comprende una columna de pared divisoria que necesita como máximo 5 intercambiadores de calor y como máximo 4 bombas, es decir, en total 10 dispositivos principales, que es menor que los 13 dispositivos principales necesarios para la planta de los métodos anteriormente mencionados conocidos en la técnica anterior. Sin embargo, el método de acuerdo con la presente invención da lugar a ácido benzoico purificado que tiene al menos el mismo grado de purificación que los métodos anteriormente mencionados conocidos en la técnica anterior.
Durante el desarrollo del método de acuerdo con la presente invención, el autor de la misma también probó un método para purificar ácido benzoico en bruto utilizando una disposición invertida de dos columnas de destilación normales, según el cual se suministró ácido benzoico en bruto a la primera columna, de la que se extrajo una fracción que incluía ácido benzoico y componentes de bajo punto de ebullición en la cabeza de la columna y los componentes de alto punto de ebullición se separaron como producto de la parte inferior. Luego, la fracción de cabeza que incluía ácido benzoico y los componentes de bajo punto de ebullición se alimentaron a la segunda columna, en la que se separó un ácido benzoico purificado como producto de la parte inferior y los componentes de bajo punto de ebullición se retiraron como producto de cabeza. A diferencia de los métodos de la técnica anterior anteriormente mencionados, que utilizan una disposición de dos columnas invertidas descrita en los documentos de patente US 3.472.630 y DE 1443 155, que comprenden la condensación del producto de cabeza extraído de la primera columna antes de que se introduzca en la segunda columna, en el método que utiliza una disposición invertida de dos columnas de destilación normales probado por el inventor, el producto de cabeza que contiene el ácido benzoico de la primera columna se alimentó directamente a la segunda columna de destilación como una corriente de vapor sin condensación previa. Se descubrió que, como se esperaba, al alimentar la corriente de vapor obtenida en la cabeza de columna de la primera columna al interior de la alimentación de la segunda columna sin condensación intermedia, el consumo de energía del método se redujo en comparación con las dos alternativas de métodos descritas en los documentos de patente antes mencionados de la técnica anterior. Sin embargo, el grado de reducción en el consumo de energía es bastante bajo, porque este método requiere una relación de reflujo más alta que las dos alternativas de métodos descritas en los documentos de patente de la técnica anterior anteriormente mencionados y, por lo tanto, sigue habiendo una alta exigencia de energía comparable. Además, se encontró que el grado de purificación del ácido benzoico obtenido se redujo significativamente debido a una menor relación de separación de los componentes de bajo punto de ebullición/ácido benzoico.
En vista de esto, fue sorprendente que, al hacer uso de una columna de pared divisoria para la destilación del ácido benzoico en bruto, no sólo se redujo significativamente el consumo de energía en comparación con los métodos conocidos en la técnica anterior, sino que, pese a ello, se obtuvo ácido benzoico con al menos el mismo grado de purificación, es decir, pese a ello, no se deterioró la eficacia de purificación del procedimiento.
Además, dado que las dos columnas de destilación convencionales se reemplazan en el método de acuerdo con la presente invención por una sola columna, a saber, una columna de pared divisoria, los costes de inversión y el espacio requerido para la instalación de la planta de purificación se reducen significativamente.
En resumidas cuentas, el método de acuerdo con la presente invención da lugar a una purificación eficaz del ácido benzoico en bruto a bajos costes de operación y bajos costes de inversión, es decir, da como resultado un ácido benzoico de alta pureza, al tiempo que el método conlleva un consumo de energía reducido y requiere una planta con bajos costes de inversión comparables.
De acuerdo con la presente invención, la expresión "ácido benzoico" no sólo indica ácido benzoico no sustituido, es decir, C6 H5 CO2 H, sino también ácido benzoico sustituido y en particular ácido benzoico, en el que uno o más átomos de hidrógeno son reemplazados por un halógeno, tal como en particular flúor, cloro y/o bromo, un grupo hidroxilo, un grupo alquilo C1-6 , un grupo alcoxi C1-6 , un grupo nitro, un grupo aldehído, un grupo ciano o similares. En particular, un átomo de hidrógeno puede ser reemplazado por uno de los grupos anteriormente mencionados, en donde el grupo se encuentra, por ejemplo, en posición para del anillo fenilo del ácido benzoico.
El ácido benzoico de alta pureza significa a este respecto una composición que incluye al menos el 98 % en peso de ácido benzoico, preferiblemente al menos el 99 % en peso, más preferiblemente al menos el 99,2 % en peso, incluso más preferiblemente al menos el 99,4 % en peso y lo más preferiblemente al menos 99,5 % en peso de ácido benzoico, basado en el 100 % en peso de la corriente de ácido benzoico purificado extraída de la columna de pared divisoria.
Como se expuso anteriormente, la columna de pared divisoria de la presente invención comprende al menos una, y de manera preferible exactamente una pared divisoria vertical, que divide la parte central de la columna en al menos una sección de alimentación y una sección de retirada. Los medios verticales a este respecto indican que la pared está dispuesta sustancialmente en vertical, en donde el ángulo entre la pared y el plano vertical es como máximo de 10°, preferiblemente como máximo de 5°, más preferiblemente como máximo de 2°, incluso más preferiblemente como máximo de 1° y más preferiblemente de 0°.
Preferiblemente, la pared divisoria divide la parte central de la columna de pared divisoria de manera que la sección de alimentación y la sección de retirada de la parte central de la columna de pared divisoria tengan sustancialmente el mismo volumen, es decir, el área de la sección transversal de la parte central de la columna de pared divisoria comprende aproximadamente el 50 % de la sección de alimentación y aproximadamente el 50 % de la sección de retirada, en donde aproximadamente el 50 % significa de 30 a 70 %, preferiblemente de 40 a 60 %, más preferiblemente de 45 a 65 % y lo más preferiblemente de 48 a 52%.
La columna de pared divisoria tiene preferiblemente una forma esencialmente cilíndrica, es decir, la columna de pared divisoria tiene esencialmente una sección transversal circular.
De acuerdo con una realización preferida adicional de la presente invención, las partes inferior, central y superior de la columna de pared divisoria se extienden, desde la parte inferior hasta la parte superior de la columna vista en dirección vertical, de la siguiente manera:
- la parte inferior de aproximadamente 10 al 40 %, preferiblemente del 15 al 30 % y más preferiblemente del 22 al 27 %, basándose en la longitud total de la columna de pared divisoria,
- la parte central de aproximadamente 20 al 80 %, preferiblemente del 30 al 70 % y más preferiblemente del 40 al 60 %, basándose en la longitud total de la columna de pared divisoria y
- la parte superior de aproximadamente 10 al 40 %, preferiblemente del 15 al 30 % y más preferiblemente del 22 al 27 %, basándose en la longitud total de la columna de pared divisoria.
Particularmente, se logran buenos resultados, por ejemplo, con una columna de pared divisoria, en la cual la parte inferior se extiende desde el 15 hasta el 25 %, la parte central se extiende hasta el 70 % y la parte superior se extiende desde el 15 hasta el 25 % de la longitud total de las secciones activas de transferencia de masa de la columna.
En principio, la presente invención no está particularmente limitada con respecto a las dimensiones de la columna de pared divisoria. El diámetro óptimo depende, por ejemplo, de la capacidad de funcionamiento deseada, la pureza del producto y la presión de funcionamiento. Sin embargo, se logran resultados particularmente buenos, si la columna de pared divisoria tiene una forma circular y un diámetro entre 100 y 6.000 mm, preferiblemente entre 200 y 5.000 mm y más preferiblemente entre 400 y 4.750 mm. Si el diámetro de la columna no fuera constante a lo largo de la columna, el diámetro anteriormente mencionado es el diámetro máximo de la columna de pared divisoria.
Además, se prefiere que la columna de pared divisoria tenga una longitud de entre 2.000 y 30.000 mm, preferiblemente entre 2.500 y 25.000 mm y más preferiblemente entre 3.000 y 20.000 mm. La longitud óptima depende en particular del tipo de empaquetadura utilizado.
Una ventaja particular del método de acuerdo con la presente invención, es que se puede aplicar cualquier ácido benzoico en bruto como material de partida, independientemente de cómo se compone. En particular, la presente invención es adecuada para purificar ácido benzoico en bruto, que se obtiene por oxidación de tolueno con oxígeno, por ejemplo, en forma de aire, en presencia de un catalizador de metal de transición, tal como un catalizador basado en cobalto o un catalizador basado en manganeso.
El ácido benzoico en bruto aplicado como material de partida en el método de acuerdo con la presente invención contiene del 5 al 20 % en peso y preferiblemente del 10 al 15 % en peso de subproductos, o del 80 al 95 % en peso y preferiblemente del 85 al 93 % en peso de ácido benzoico, respectivamente. La naturaleza química y la cantidad de los subproductos dependen del método con el que se prepara el ácido benzoico en bruto. En particular, si se prepara por oxidación de tolueno con oxígeno en presencia de un catalizador de metal de transición, los subproductos incluyen al menos un subproducto seleccionado del grupo que consiste en acetofenona, benzaldehído, formiato de bencilo, acetato de bencilo, ácido acético, benzoato de metilo, fluorenona, tolueno, benzoato de bencilo, ácido ftálico, alcohol bencílico, benzoato de 2-metil-difenilo, benzoato de difenilo, benzoato de 2,2-dimetil-difenilo, benzoato de 2,3-dimetildifenilo, benzoato de 3 metil-difenilo, benzoato de 3,3-dimetil-difenilo y cualquiera de sus combinaciones.
Con el fin de lograr una buena separación de las tres fracciones obtenidas en la parte superior, central e inferior de la columna de pared divisoria, manteniendo a la vez el impacto térmico y, por lo tanto, la formación de subproductos durante la purificación, la destilación en la columna de pared divisoria se lleva a cabo preferiblemente a vacío. En particular, se obtienen una buena supresión de la formación de subproductos y, en consecuencia, altos rendimientos de ácido benzoico purificado, cuando la presión y la temperatura en la parte inferior de la columna de pared divisoria están en los intervalos de 50 a 500 mbar y de 120 a 240 °C, preferiblemente de 100 a 400 mbar y de 130 a 230 °C y más preferiblemente de 150 a 300 mbar y de 140 a 220 °C y/o cuando la presión y la temperatura en la cabeza de la columna de pared divisoria están en los intervalos de 55 a 505 mbar y de 125 a 245 °C, preferiblemente de 105 a 405 mbar y de 135 a 235 °C y más preferiblemente de 155 a 305 mbar y de 145 a 225 °C.
Se ha reconocido dentro de la presente invención que, aunque el ácido benzoico se obtiene mediante el método de acuerdo con la presente invención con una pureza excelente, el producto después de la destilación en la columna de pared divisoria contiene una cantidad menor de benzoato de bencilo, que se forma durante la destilación por esterificación de ácido benzoico con el subproducto alcohol bencílico. Además, se ha reconocido dentro de la presente invención que la cantidad de benzoato de bencilo presente en el producto purificado, depende del tiempo de residencia de la corriente de ácido benzoico en la columna de pared divisoria. Con el fin de minimizar la cantidad de alcohol bencílico en el producto purificado, se propone, por lo tanto, asegurar que el tiempo de residencia de la corriente de ácido benzoico en la columna de pared divisoria no exceda un cierto valor. Más específicamente, el método se realiza preferiblemente de manera que el tiempo de residencia del ácido benzoico en la columna de pared divisoria medido en el sumidero, ya que se puede medir con precisión por medio de mediciones de balance de masa usando un hervidor de productos pesados inertes, sea entre 120 y 1.440 minutos, preferiblemente entre 180 y 1.080 minutos y más preferiblemente entre 240 y 720 minutos.
El ajuste del tiempo de residencia anteriormente mencionado de la corriente de ácido benzoico en la columna de pared divisoria se puede lograr, por ejemplo, al proporcionar en la columna de pared divisoria una bota de columna que tenga un área de sección transversal que sea de aproximadamente el 15 al 40 % del diámetro de la columna anteriormente indicada.
Además de la realización anteriormente mencionada o como alternativa a la realización anteriormente mencionada, el ajuste del tiempo de residencia anteriormente mencionado de la corriente de ácido benzoico en la columna de pared divisoria se puede lograr al proporcionar un evaporador de película descendente y/o un hervidor de película en la planta. Debido a su particular retención de líquido reducida, se prefiere un evaporador de película descendente y se prefiere particularmente un hervidor de película agitado (batido).
Además, se prefiere que la planta y en particular el primer sistema de destilación carezca de un dispositivo seleccionado de un hervidor de tipo tetera, un termosifón, un hervidor de circuito forzado y cualquiera de sus combinaciones, para ajustar un tiempo de residencia apropiado de la corriente de ácido benzoico en la columna de pared divisoria. Esto se debe al hecho de que los hervidores de tipo tetera, los termosifones y los hervidores de circuito forzado tienen un alto nivel de retención de líquidos comparable, lo que favorece las reacciones secundarias que dan lugar a que se produzca benzoato de bencilo.
En general, al controlar el tiempo de residencia de la corriente de ácido benzoico en la columna de pared divisoria, la cantidad de benzoato de bencilo en el ácido benzoico purificado extraída de la salida de extracción lateral de la columna de pared divisoria se ajusta a menos del 0,5 % en peso, preferiblemente a menos del 0,4 % en peso, más preferiblemente a menos del 0,3 % en peso y lo más preferiblemente a menos del 0,2 % en peso, basado en el 100 % en peso del ácido benzoico purificado.
De acuerdo con una realización preferida adicional de la presente invención, se extrae una corriente en la parte inferior de la columna de pared divisoria, antes de que una parte de la corriente se vuelva a hervir y devuelva posteriormente a la columna de pared divisoria a través de una alimentación lateral en la sección inferior no dividida. La corriente extraída en la parte inferior está enriquecida con componentes de alto punto de ebullición y, además, esta corriente contiene una pequeña cantidad de ácido benzoico acumulado en la parte inferior. Al alimentar una parte de esta corriente de vuelta a la columna de pared divisoria, se logra que al menos una parte del ácido benzoico retirado se reintroduzca en la columna de destilación, lo que aumenta el rendimiento de ácido benzoico purificado ya que finalmente se descarga menos ácido benzoico con el producto de la parte inferior. Preferiblemente, la mayor parte de la corriente y preferiblemente al menos el 90 % de la corriente extraída en la parte inferior de la columna de pared divisoria se vuelve a hervir y se alimenta de nuevo a la columna de pared divisoria a través de una alimentación lateral en la sección inferior no dividida.
Debido a motivos similares, alternativamente a la realización antes mencionada o, preferiblemente, además de la realización antes mencionada, la corriente extraída en la cabeza de la columna de pared divisoria se puede condensar posteriormente, antes de que una parte del condensado obtenido vuelva a alimentarse a la columna de pared divisoria a través de una alimentación lateral en la sección superior no dividida. Esta corriente extraída en la cabeza está enriquecida con componentes de bajo punto de ebullición y contiene una pequeña cantidad de ácido benzoico acumulada en la cabeza. Por lo tanto, de manera similar al reciclo de la corriente de la parte inferior, la retroalimentación parcial de la corriente extraída en la cabeza también da lugar a un aumento del rendimiento del ácido benzoico purificado. Previamente, entre el 70 y el 99% de la corriente extraída en la cabeza de la columna de pared divisoria se condensa posteriormente y se alimenta de vuelta a la cabeza de la columna de pared divisoria a través de una entrada lateral. Alternativamente, se podría usar un reflujo interno.
Con el fin de lograr una eficacia de separación apropiada durante la destilación en la columna de pared divisoria, un medio de separación o auxiliar de separación, respectivamente, está dispuesto preferiblemente en al menos una de la sección superior no dividida, la sección inferior no dividida, la sección de alimentación y la sección de retirada y más preferiblemente en toda la sección superior no dividida, la sección inferior no dividida, la sección de alimentación y la sección de retirada. La presente invención no está particularmente limitada con respecto al tipo de medios de separación o auxiliar de separación, respectivamente. Los buenos resultados se obtienen utilizando un medio de separación adecuado seleccionado del grupo que consiste en bandejas, empaquetaduras aleatorias, empaquetaduras estructuradas y cualquier combinación de los mismos. Se obtiene una eficacia de separación particularmente buena, cuando se utiliza una empaquetadura estructurada como medio de separación. Lo más preferiblemente, se utilizan empaquetaduras estructuradas que tienen una superficie específica en el intervalo de 125 a 900 m2/m3, preferiblemente de 200 a 750 m2/m3y más preferiblemente de 250 a 500 m2/m3. Una ventaja particular del uso de empaquetaduras estructuradas es que esto permite un diseño compacto de la columna de pared divisoria y reduce la retención de líquidos. Las empaquetaduras estructuradas, que han resultado proporcionar una excelente eficacia de separación en la destilación del ácido benzoico en una columna de pared divisoria, son las empaquetaduras Sulzer Chemtech Mellapak Plus™.
Con el fin de lograr un consumo de energía significativamente bajo, el primer sistema de destilación y, preferiblemente, toda la planta, de acuerdo con una realización particular preferida de la presente invención, no comprende ninguna columna de destilación adicional además de la columna de pared divisoria.
Por otro lado, desde el punto de vista de la eficacia de separación lograda por la destilación en la columna de pared divisoria, en ciertos casos puede ser ventajoso eliminar ciertos componentes de bajo punto de ebullición del ácido benzoico en bruto antes de que se alimente a la columna de pared divisoria. Por lo tanto, se considera que en ciertos casos podría ser ventajoso someter el ácido benzoico en bruto a una destilación en un segundo sistema de destilación antes de la destilación en el primer sistema de destilación, en donde la destilación en el segundo sistema de destilación se realiza de manera que los componentes de bajo punto de ebullición tales como, por ejemplo, los seleccionados del grupo que consiste en agua, tolueno, catalizador y una combinación de los mismos, se retiren del ácido benzoico en bruto antes de que se alimente al primer sistema de destilación. Debido a que, en esta realización, al menos una parte de los componentes de bajo punto de ebullición ya se han retirado en el segundo sistema de destilación antes de que el ácido benzoico se purifique aún más en el primer sistema de destilación, se puede reducir el tiempo requerido para la purificación del ácido benzoico en el primer sistema de destilación y, por lo tanto, en particular, el tiempo de residencia en la columna de pared divisoria. Como consecuencia, se reduce la formación de subproductos, lo que da como resultado un mayor rendimiento de ácido benzoico. Por ejemplo, el segundo sistema de destilación puede comprender de una a tres y, por ejemplo, dos o tres columnas de destilación, en donde las columnas de destilación del segundo sistema de destilación no tienen preferiblemente una pared divisoria. Para completar, se observa que una o varias columnas de destilación del segundo sistema de destilación son precolumnas, que generalmente se usan en las plantas de la técnica anterior para eliminar productos de bajo punto de ebullición, tales como el agua y/o el tolueno.
En particular para la realización anteriormente mencionada, se prefiere que el ácido benzoico en bruto, que se alimenta al segundo sistema de destilación, se prepare mediante una reacción oxidativa de tolueno y oxígeno en presencia de un catalizador de metal de transición, preferiblemente un catalizador a base de cobalto.
Con las realizaciones anteriormente mencionadas, se obtiene ácido benzoico con una pureza de al menos el 98 % en peso, preferiblemente de al menos el 99 % en peso, más preferiblemente de al menos el 99,2 % en peso, incluso más preferiblemente de al menos el 99,4% en peso y lo más preferiblemente de al menos el 99,5 %.
Aunque la destilación de un ácido benzoico en bruto en una columna de pared divisoria como se ha descrito anteriormente da lugar a un producto de ácido benzoico altamente purificado, en ciertos casos específicos, tales como para el uso del ácido benzoico en aplicaciones de calidad alimentaria o farmacéutica, se requiere una pureza aún mayor del ácido benzoico.
Si se requiere ácido benzoico con una pureza tan alta, por ejemplo, para su uso en aplicaciones de calidad alimentaria o de calidad farmacéutica, se sugiere de acuerdo con otra realización particularmente preferida de la presente invención, someter posteriormente la corriente de ácido benzoico purificado retirada de la salida de extracción lateral de la columna de pared divisoria a una etapa de purificación adicional, que preferiblemente comprende al menos una etapa de cristalización en masa fundida.
Al realizar al menos una etapa de cristalización en masa fundida posteriormente a la destilación en la columna de pared divisoria, se obtiene una purificación adicional del producto de ácido benzoico. Más específicamente, con esta realización el ácido benzoico contiene al menos el 99,6 % en peso de ácido benzoico, preferiblemente al menos el 99,7 % en peso de ácido benzoico, más preferiblemente al menos el 99,9 % en peso de ácido benzoico y lo más preferiblemente al menos el 99,95 % en peso de ácido benzoico, basado en el 100 % en peso del producto de ácido benzoico adicionalmente purificado.
Después de la destilación en la columna de pared divisoria, la corriente de ácido benzoico purificado, que luego se somete al procedimiento de cristalización en masa fundida, puede comprender pequeñas cantidades de subproducto seleccionado del grupo que consiste en benzoato de bencilo, ácido Itálico, alcohol bencílico, benzoato de 2-metildifenilo, benzoato de difenilo, benzoato de 2,2 dimetil-difenilo, benzoato de 2,3 dimetil-difenilo, benzoato de 3-metildifenilo, benzoato de 3,3-dimetil-difenilo y cualquier combinación de los mismos. La cristalización en masa fundida es particularmente adecuada para reducir significativamente la cantidad de estos subproductos.
Con el fin de obtener una buena purificación específica, la cristalización en masa fundida se realiza preferiblemente mediante una cristalización estática, una cristalización dinámica o una combinación de las mismas. Para este fin, se puede usar cualquier tipo de cristalizadores estáticos y/o de cristalizadores dinámicos conocidos por los expertos en la técnica. Un ejemplo preferido específico de un cristalizador dinámico es un cristalizador de película descendente.
Además de dar lugar a un alto rendimiento de producto, la cristalización estática tiene la ventaja de una alta flexibilidad, un amplio intervalo operacional, es de fácil funcionamiento ya que no se trabaja con suspensión cristalina ni filtración, de alta fiabilidad y bajos costes de funcionamiento debido a la falta de partes móviles.
La cristalización de película descendente da lugar a un alto rendimiento del producto y se caracteriza por un funcionamiento fácil, ya que no se trabaja con suspensión cristalina ni filtración, una alta fiabilidad y bajos costes de funcionamiento. La cristalización de película descendente es ventajosamente más rápida que la cristalización estática
De acuerdo con una realización muy preferida de la presente invención, se obtiene un producto de ácido benzoico que tiene una pureza excelente llevando a cabo la cristalización en masa fundida después de la destilación en la columna de pared divisoria, por medio de una combinación de cristalización de película descendente y cristalización estática. Además de proporcionar un producto de ácido benzoico altamente puro, el método de acuerdo con esta realización da lugar a un mayor rendimiento del ácido benzoico purificado, con menos cantidades de ácido benzoico que permanecen en el residuo de cristalización. Además, esta combinación de etapas de crecimiento da lugar a ahorros de inversión y costes de operación debido a la integración de procedimientos optimizados y permite una operación altamente flexible. En particular, la inclusión de una cristalización de película descendente (también cristalización en suspensión) permite, como se ha indicado anteriormente, una reducción del tiempo de residencia en la columna de pared divisoria con las ventajas relacionadas al respecto.
Preferiblemente, la etapa de cristalización estática se realiza aguas abajo de la etapa de cristalización de película descendente.
De acuerdo con una realización preferida específica de la presente invención, aguas abajo de la columna de pared divisoria se dispone un cristalizador de película descendente y, aguas abajo del cristalizador de película descendente, se dispone un cristalizador estático. Preferiblemente, la combinación de cristalización de película descendente y cristalización estática se realiza en una disposición específica de un cristalizador de película descendente y un cristalizador estático, en donde la corriente de ácido benzoico purificado de la salida de retirada lateral de la columna de pared divisoria se introduce en un cristalizador de película descendente que está conectado con una primera tubería de circuito, que está conectada, por ejemplo, con un tubería de salida para el ácido benzoico purificado. Además, el cristalizador estático situado aguas abajo del cristalizador de película descendente está provisto de una segunda tubería de circuito, que conecta el cristalizador estático con el cristalizador de película descendente. Además, el cristalizador estático está provisto de una tubería de salida para retirar el residuo de la purificación del ácido benzoico. Durante el funcionamiento de esta planta, el ácido benzoico extraído de la columna de pared divisoria se introduce en un primer cristalizador de película descendente, en el que se realiza una primera cristalización del ácido benzoico para producir una segunda corriente de ácido benzoico purificado y una primera corriente de residuos, que se alimenta al cristalizador estático. La pureza de la segunda corriente de ácido benzoico purificado se incrementa al alimentarla a un segundo cristalizador de película descendente para formar una tercera corriente de ácido benzoico purificado (el producto purificado que tiene normalmente una pureza de calidad farmacéutica) y una segunda corriente de residuos. La segunda corriente de residuos se alimentará normalmente al primer cristalizador de película descendente para aumentar el rendimiento. La pureza del primer residuo procedente del primer cristalizador de película descendente se incrementa aún más mediante una etapa de cristalización estática. Si bien el tercer residuo procedente de la cristalización estática, que contiene principalmente subproductos, se extrae del cristalizador estático a través de la tubería de salida respectiva, el producto purificado de la cristalización estática se alimenta de vuelta al primer cristalizador de película descendente. Esta realización es particularmente útil en la producción de calidades farmacéuticas, tales como las que tienen una pureza de más del 99,95 % en peso.
De acuerdo con otra realización más de la presente invención, una parte del residuo, que se obtiene en la cristalización estática y se extrae del cristalizador estático, se puede alimentar de vuelta a la destilación en la columna de pared divisoria. Por ejemplo, se puede reintroducir del 50 al 70 % en peso del residuo en la destilación de la columna de pared divisoria. Dicho reciclo del residuo da lugar a un aumento del rendimiento global de ácido benzoico purificado.
El método de acuerdo con las realizaciones anteriormente mencionadas que hace uso de al menos una etapa de cristalización en masa fundida porterior a la destilación en la columna de pared divisoria da lugar a un producto de ácido benzoico purificado que incluye al menos el 99,5 % en peso, preferiblemente al menos el 99,6% en peso, más preferiblemente al menos el 99,7 % en peso, incluso más preferiblemente al menos el 99,8 % en peso, aún más preferiblemente al menos el 99,9 % en peso y lo más preferiblemente al menos el 99,9 % en peso de ácido benzoico.
De acuerdo con un aspecto adicional, la presente invención se refiere a una planta para purificar un ácido benzoico en bruto, en el que la planta comprende un primer sistema de destilación, que comprende una columna de pared divisoria, y aguas abajo de la misma al menos un cristalizador.
Preferiblemente, el al menos un cristalizador se selecciona del grupo que consiste en cristalizadores en suspensión, cristalizadores estáticos, cristalizadores de película descendente y combinaciones de los mismos.
De acuerdo con una realización preferida específica de la presente invención, se dispone un cristalizador de película descendente aguas abajo de la columna de pared divisoria, y se dispone un cristalizador estático aguas abajo del cristalizador de película descendente. Esta realización es particularmente preferida cuando la pureza del producto de ácido benzoico de la columna de pared divisoria es bastante alta, tal como de más del 99 %.
En la realización más preferida, por ejemplo, para un producto de ácido benzoico procedente de la columna de pared divisoria que tiene una pureza inferior al 99 %, se colocan un primer y un segundo cristalizadores de película descendente aguas abajo de la columna de pared divisoria, y se dispone un cristalizador estático aguas abajo de los cristalizadores de película descendente.
El método se puede realizar en una planta para purificar un ácido benzoico en bruto mediante destilación, en particular, para llevar a cabo el método descrito anteriormente, en el que la planta comprende:
i) un suministro de oxígeno o aire comprimido,
ii) un suministro de catalizador de metal de transición,
iii) un suministro que contiene tolueno y
iv) un reactor para la oxidación parcial de tolueno con oxígeno para formar ácido benzoico en bruto, que tiene al menos dos entradas y una salida,
en donde el suministro de oxígeno o aire comprimido, el suministro de catalizador de metal de transición y el suministro que contiene tolueno están todos en comunicación fluida con el reactor para alimentar oxígeno o aire comprimido, catalizador de metal de transición y tolueno al reactor, en donde un primer sistema de destilación, que comprende una columna de pared divisoria, está en comunicación fluida con la salida del reactor para la oxidación parcial de tolueno con oxígeno para formar ácido benzoico en bruto.
Preferiblemente, el reactor para la oxidación parcial de tolueno con oxígeno para formar ácido benzoico en bruto es un reactor de bucle.
En un desarrollo adicional de la presente invención, se sugiere que el suministro de catalizador de metal de transición y el suministro que contiene tolueno estén conectados cada uno por medio de una tubería de suministro con una tubería de alimentación, que está conectada con una entrada del reactor para la oxidación parcial de tolueno con oxígeno para formar ácido benzoico en bruto, de modo que durante la operación de la planta se introduzca una mezcla de catalizador y tolueno en el reactor para la oxidación parcial de tolueno con oxígeno para formar ácido benzoico en bruto.
La parte central de la columna de pared divisoria, que está dividida por la pared en dos lados puede ser, o bien simétrica, o bien asimétrica, con respecto a la relación de altura de las secciones superiores individuales (rectificadoras) y las secciones inferiores (evaporadoras) a ambos lados de la parte central de la columna de pared divisoria y/o con respecto al número de lechos situados en las secciones superiores individuales (rectificadoras) y en las secciones inferiores (evaporadoras) a ambos lados de la parte central de la columna de pared divisoria. En particular, las dos secciones superior e inferior de la parte central pueden comprender cada una, uno o más lechos. La altura del lecho corresponde a la altura total de la empaquetadura de esa sección y cada lecho puede constar de una o más capas de empaquetadura. Por ejemplo, la parte superior del lado de alimentación puede consistir en dos lechos y su lado inferior puede consistir en un lecho individual, mientras que la sección superior del lado de retirada puede consistir en un lecho individual y su lado inferior puede consistir en tres lechos.
Se ha descubierto sorprendentemente en la presente invención que, para purificar un ácido benzoico en bruto, el lado de alimentación tiene una relación de altura de la sección superior con respecto a la inferior que varía de preferiblemente 0,66 a 1,5, más preferiblemente de 0,8 a 1,2 y lo más preferiblemente de 0,9 a 1,1. Se ha descubierto además en la presente invención que la relación de altura óptima en el lado de retirada depende de la composición de la alimentación a la columna de pared divisoria. Asimismo, se ha descubierto que a medida que disminuye la pureza de la alimentación (ácido benzoico en bruto), por ejemplo, debido a una mayor concentración de 2-metilbifenilo y 4-metilbifenilo, debe aumentarse la relación de altura en el lado de retirada, y la altura de la parte superior es en este caso preferiblemente mayor que la de la parte inferior. La relación de altura óptima en el lado de retirada varía, por lo tanto, dependiendo principalmente de la pureza de la alimentación. Además, el autor de la presente invención ha descubierto sorprendentemente que, para la mayoría de los ácidos benzoicos en bruto típicos, una relación de altura adecuada en el lado de retirada es preferiblemente de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,35, más preferiblemente de aproximadamente 0,25 a aproximadamente 0,3 y lo más preferiblemente de aproximadamente 0,28.
También en este aspecto de la presente invención, se prefiere que se proporcione al menos un cristalizador aguas abajo del primer sistema de destilación.
Preferiblemente, el al menos un cristalizador se selecciona del grupo que consiste en cristalizadores en suspensión, cristalizadores estáticos, cristalizadores de película descendente y combinaciones de los mismos.
De acuerdo con una realización preferida específica de la presente invención, se dispone un cristalizador de película descendente aguas abajo de la columna de pared divisoria, y se dispone un cristalizador estático aguas abajo del cristalizador de película descendente. Esta realización es particularmente preferida cuando la pureza del producto de ácido benzoico de la columna de pared divisoria es bastante alta, tal como de más del 99 %.
En la realización más preferida, por ejemplo, para un producto de ácido benzoico de la columna de pared divisoria que tiene una pureza inferior al 99 %, se dispone un primer y un segundo cristalizadores de película descendente aguas abajo de la columna de pared divisoria, y se dispone un cristalizador estático aguas abajo de los cristalizadores de película descendente.
Las realizaciones específicas de acuerdo con la presente invención se describen ahora con referencia a los dibujos anexos y mediante un ejemplo.
Figura 1 muestra una planta para llevar a cabo el método para purificar ácido benzoico de acuerdo con una primera realización de la presente invención.
Figura 2 muestra una planta para llevar a cabo un método para purificar ácido benzoico de acuerdo con una segunda realización de la presente invención.
Figura 3 muestra un dispositivo de postpurificación para ser usado aguas abajo de una columna de pared divisoria como se muestra, por ejemplo, en la Figura 1 o en la Figura 2, de acuerdo con una tercera realización de la presente invención.
Figuras 4A y B muestran dos ejemplos de columna de pared divisoria de una planta para llevar a cabo el método para purificar ácido benzoico de acuerdo con otras realizaciones de la presente invención.
La Figura 1 muestra una planta para llevar a cabo el método para purificar ácido benzoico de acuerdo con una realización de la presente invención. Esta planta comprende sólo una columna de destilación, concretamente una columna de pared divisoria cilíndrica 10 para purificar ácido benzoico por destilación que tiene una altura de 22.500 mm y un diámetro de 1.500 mm. Esta columna de pared divisoria 10 incluye una parte superior que tiene una sección superior no dividida 12, una parte inferior que tiene una sección inferior no dividida 14 y una parte central, que está situada entre la parte superior y la parte inferior de la columna y que está separada por una pared vertical 20 en una sección de alimentación 16 y una sección de retirada 18. Más específicamente, la pared vertical 20 divide la parte central de la columna de pared divisoria 10 de manera que la sección de alimentación 16 y la sección de retirada 18 tengan sustancialmente el mismo volumen. Tanto la sección superior no dividida 12 como la sección inferior no dividida 14 consisten en una empaquetadura estructurada, tal como una de la serie Mellapak Plus™ de Sulzer Chemtech, tal como la Mellapak Plus™ 452Y. En contraste con esto, la parte central comprende cuatro empaquetaduras estructuradas, tal como de la serie Mellapak Plus™ de Sulzer Chemtech, tal como la Mellapak Plus™ 452Y, en donde una de estas cuatro empaquetaduras estructuradas define la sección de rectificación 22 de la sección de alimentación 16, otra de estas cuatro empaquetaduras estructuradas define la sección de evaporación 24 de la sección de alimentación 16, otra de estas cuatro empaquetaduras estructuradas define la sección de evaporación 26 de la sección de retirada 18 y la última de estas cuatro empaquetaduras estructuradas define la sección de rectificación 28 de la sección de retirada 18.
Durante la operación de esta planta, se alimenta continuamente una corriente de ácido benzoico en bruto 32 a través de una entrada en la sección de alimentación 16 entre la sección de rectificación 22 y la sección de evaporación 24 de la parte central de la columna de pared divisoria 10. El ácido benzoico en bruto 32 se puede haber obtenido, a modo de ejemplo, por oxidación de tolueno con aire y generalmente contiene una serie de subproductos, tales como uno o más compuestos seleccionados del grupo que consiste en acetofenona, benzaldehído, formiato de bencilo, acetato de bencilo, ácido acético, benzoato de metilo, fluorenona, tolueno, benzoato de bencilo, ácido ftálico, alcohol bencílico, benzoato de 2-metil-difenilo, benzoato de difenilo, benzoato de 2,2-dimetil-difenilo, benzoato de 2,3-dimetildifenilo, benzoato de 3-metil-difenilo, benzoato de 3,3-dimetil-difeniol y cualquiera de sus combinaciones. Típicamente, el ácido benzoico en bruto 32 comprende del 5 al 20 % en peso de los subproductos anteriormente mencionados y usualmente del 10 al 15 % en peso de los subproductos anteriormente mencionados.
La columna se hace funcionar a una presión de cabeza, a una presión de fondo, a una temperatura de cabeza y a una temperatura de fondo, de modo que una corriente de producto de ácido benzoico purificado 34 con una pureza de al menos el 98 % en peso y preferiblemente de al menos 99 % en peso se extraiga de la sección de retirada 18 a través de la salida de extracción lateral, que se proporciona entre la sección de evaporación 26 y la sección de rectificación 28. Los componentes de bajo punto de ebullición, es decir, los compuestos que tienen un punto de ebullición, que es más bajo que el del ácido benzoico, se concentran durante la destilación en la sección superior no dividida 12, y se extraen a través de la cabeza de la columna 38 como una corriente de cabeza 36, que posteriormente se condensa en el condensador 40. La corriente de cabeza condensada se divide luego en una corriente de componentes de bajo punto de ebullición 42, que se descarga desde el sistema de destilación, y en una corriente de reciclo de componentes de bajo punto de ebullición 44, que se alimenta de vuelta a la sección superior no dividida 12 a través de una entrada lateral. Los componentes de alto punto de ebullición, es decir, los compuestos que tienen un punto de ebullición que es más alto que el del ácido benzoico, se concentran en la sección inferior no dividida 14 y se extraen como una corriente de la parte inferior 46 a través de la parte inferior 48 de la columna. Posteriormente, se divide en un flujo de componentes de alto punto de ebullición 50, que se extrae de la planta de destilación, y una corriente de reciclo de componentes de alto punto de ebullición 52, que se vuelve a hervir en el hervidor 53 y se alimenta de vuelta a la sección inferior no dividida 14 a través de una entrada lateral.
La Figura 2 muestra una planta para llevar a cabo un método para purificar ácido benzoico de acuerdo con una segunda realización de la presente invención. En contraste con la primera realización anteriormente mencionada, esta planta de acuerdo con una segunda realización de la presente invención comprende un primer sistema de destilación 54, que es una columna de pared divisoria como se muestra en la Figura 1 y como se ha descrito anteriormente con respecto a la Figura 1, así como un segundo sistema de destilación 56, que se sitúa aguas arriba del primer sistema de destilación 54. El segundo sistema de destilación 56 comprende como una columna de predestilación 58 una columna de destilación convencional de forma cilíndrica, es decir, una columna de destilación, que no comprende una pared divisoria. Se proporciona una empaquetadura estructurada 60 en el volumen interno de la columna de predestilación 58, en donde esta empaquetadura estructurada 60 puede comprender una o más capas de la misma o de diferentes empaquetaduras estructuradas 60, tal como una o más capas de la empaquetadura estructurada tal como una de la serie Mellapak Plus™ de Sulzer Chemtech, tal como la Mellapak Plus™ 452Y. La parte inferior 62 de la columna de predestilación 58 y la sección de alimentación 16 de la columna de pared divisoria 10 están conectadas a través de una tubería de transferencia 64.
Durante el funcionamiento de esta planta, se alimenta una corriente de ácido benzoico en bruto 32 a la columna de predestilación 58, que se hace funcionar a una presión de cabeza, a una presión de fondo, a una temperatura de cabeza y a una temperatura de fondo, de modo que parte de los componentes de bajo punto de ebullición, principalmente el tolueno y el agua, se separa y se extrae como una corriente de cabeza 66 a través de la cabeza de la columna 68. El ácido benzoico se concentra en la columna de predestilación 58 y se extrae a través de la parte inferior 62 junto con subproductos no separados como una corriente de la parte inferior. Esta corriente de la parte inferior luego se alimenta a la sección de alimentación 16 de la columna de pared divisoria 10 a través de la tubería de transferencia 64. La corriente de ácido benzoico purificado 34 se retira luego de la sección de retirada 18, mientras que una corriente de cabeza 36 que comprende los componentes de bajo punto de ebullición se retira a través de la cabeza de la columna 38 y una corriente de la parte inferior 46 que contiene los componentes de alto punto de ebullición se descarga a través de la parte inferior 48 de la columna de pared divisoria.
La Figura 3 muestra una parte de una planta para llevar a cabo un método para purificar ácido benzoico de acuerdo con una tercera realización de la presente invención, concretamente, el dispositivo de postpurificación situado aguas abajo de la columna de pared divisoria. Dicha planta se usa ventajosamente para la purificación de ácido benzoico en bruto, en el caso de que se requiera una purificación adicional del ácido benzoico después de la destilación. La corriente de ácido benzoico 34 purificada por destilación y extraída de una planta, concretamente, por ejemplo, una como se muestra en la Figura 1, o como se muestra en la Figura 2, se carga en esta realización en un cristalizador en masa fundida 70. El cristalizador en masa fundida 70 comprende un cristalizador de película descendente 72, que está conectado con una primera tubería de circuito 74, que está provista de una bomba 76 y conectada con una tubería de salida para el ácido benzoico purificado 84. Además, el cristalizador de fusión 70 comprende un cristalizador estático 80 ubicado aguas abajo del cristalizador de película descendente 72 y está provisto de una segunda tubería de circuito de fusión 78, que conecta el cristalizador 80 estático con el cristalizador de película descendente 72. Además, el cristalizador estático 80 está provisto de una tubería de salida para eliminar el residuo 82 de la purificación con ácido benzoico.
Durante el funcionamiento, el ácido benzoico extraído de la tubería 34 de la planta de purificación que se muestra en la Figura 1, o de la tubería 34 de la planta de purificación que se muestra en la Figura 2, se introduce en el cristalizador de película descendente 72, en el cual se lleva a cabo una primera cristalización del ácido benzoico. La masa fundida resultante, que se enriquece aún más en ácido benzoico, se extrae del fondo del cristalizador de película descendente 72 y se divide posteriormente en dos corrientes parciales. Una primera corriente parcial de la masa fundida se dirige a la alimentación de un cristalizador estático 80, en el que la pureza del ácido benzoico se incrementa aún más mediante una etapa de cristalización estática. Mientras el residuo 82 de la cristalización estática, que contiene principalmente subproductos, se extrae del cristalizador estático 80 a través de la tubería de salida, la masa fundida de ácido benzoico purificado se alimenta de vuelta al cristalizador de película descendente 72 a través de la segunda tubería de circuito 78. Una segunda corriente parcial de la masa fundida extraída del fondo del cristalizador de película descendente 72 se alimenta de vuelta a la parte de la cabeza del cristalizador de película descendente 72 a través de la primera tubería de circuito 74, en donde una corriente del ácido benzoico aún más purificado final 84, tiene una pureza de más del 99,95 % en peso, que es el producto final del procedimiento combinado de destilación y cristalización en masa fundida, se desvía de la corriente recirculada a través del primer circuito de circulación 74.
Las figuras 4A y 4B muestran detalles de dos columnas de pared divisoria 10 de acuerdo con realizaciones preferidas de la presente invención. Más específicamente, las figuras 4 A y B ilustran columnas de pared divisorias 10 "asimétricas".
En estas realizaciones, cada lado de la parte central de la columna de pared divisoria 10, que está situada entre la sección superior 12 y la sección inferior 14, consiste en dos secciones, a saber, una sección superior y una inferior.
La sección superior en el lado de alimentación o el lado de retirada corresponde a la parte de rectificación 22, 28 de ese lado de columna 16, 18 y la sección inferior corresponde a la parte de evaporación 24, 26 de ese lado de columna 16, 18. En la presente memoria, una columna de pared divisoria "asimétrica" 10 se refiere al hecho de que la relación de altura de la sección superior (rectificadora) 22, 28 con respecto a la sección inferior (evaporadora) 24, 26 es diferente a cada lado de la columna (por ejemplo, el lado de alimentación frente al lado de retirada) 16, 18.
Las dos secciones (superior e inferior) de la parte central pueden comprender cada una, uno o más lechos. La altura del lecho corresponde a la altura de empaquetadura total de esa sección, y cada lecho puede constar de una o más capas de empaquetadura. La Figura 4A muestra que la sección superior e inferior de cada lado 16, 18 tiene un solo lecho. En contraste con esto, la Figura 4B ilustra que cada una de las secciones superior e inferior de cada lado tiene un número diferente de lechos. En la realización de la Figura 4B, la sección superior del lado de alimentación 16 consiste en dos lechos y su lado inferior consiste en un lecho individual; mientras que la sección superior del lado de retirada 18 consiste en un lecho individual y su lado inferior consisten en tres lechos.
Se ha descubierto sorprendentemente en la presente invención que, para purificar un ácido benzoico en bruto, el lado de alimentación tiene una relación de altura de la sección superior con respecto a la inferior que varía de preferiblemente 0,66 a 1,5, más preferiblemente de 0,8 a 1,2 y lo más preferiblemente de 0,9 a 1,1. Se ha descubierto además en la presente invención que, la relación de altura óptima en el lado de retirada 18, depende de la composición de la alimentación a la columna de pared divisoria. Se ha descubierto además que, a medida que disminuye la pureza de la alimentación (ácido benzoico en bruto), por ejemplo, debido a una mayor concentración de 2-metilbifenilo y 4-metilbifenilo, se debe de aumentar la relación de altura en el lado de retirada 18, y la altura de la parte superior puede ser de hecho mayor que la de la parte inferior. La relación de altura óptima en el lado de retirada 18 varía, por lo tanto, dependiendo principalmente de la pureza de la alimentación. Además, el autor de la presente invención ha descubierto sorprendentemente que, para la mayoría de los ácidos benzoicos en bruto típicos, una relación de altura adecuada en el lado de retirada es preferiblemente de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 0,35, más preferiblemente de aproximadamente 0,25 a aproximadamente 0,3 y lo más preferiblemente de aproximadamente 0,28.
A continuación, la presente invención se describe por medio de un ejemplo ilustrativo.
Ejemplo
El siguiente ejemplo se basa en una simulación por ordenador (SIMSCI PRO II) que usa datos VLE internos.
Se ha purificado una corriente líquida de ácido benzoico en bruto en una planta como se muestra en la Figura 1. La corriente líquida de ácido benzoico en bruto tenía la siguiente composición:
trazas de tolueno,
1 % en peso de acetofenona,
6 % en peso de benzaldehído,
0,001 % en peso de formiato de bencilo,
0,5 % en peso de alcohol bencílico,
0,001 % en peso de acetato de bencilo,
87,4 % en peso de ácido benzoico,
0,4 % en peso de bifenilo,
0,001 % en peso de 2-metilbifenilo,
0,001 % en peso de anhídrido succínico,
0,001 % en peso de 4-metilbifenilo,
0,6 % en peso de difenilmetano,
0,001 % en peso de 3-metilbifenilo,
0,001 % en peso de anhídrido ftálico,
3,993 % en peso de benzoato de bencilo y
0,1 % en peso de bencilo.
Se ha introducido continuamente una corriente líquida de ácido benzoico en bruto con la composición anteriormente mencionada, en la columna de pared divisoria 10 a través de una entrada en la sección de alimentación con un caudal másico de 8,329 kg/h. La destilación se llevó a cabo a una presión en el fondo de la columna de 240 mbar y a una temperatura del fondo de 209 °C. La presión en la cabeza de la columna fue de 200 mbar y la temperatura fue de 191 °C. Se extrajeron 3.900 kg/h de una corriente de ácido benzoico purificado a través de la salida de extracción lateral de la sección de retirada. La corriente de ácido benzoico purificado estaba compuesta por el 99,52 % en peso de ácido benzoico y contenía el 0,1 % en peso de bifenilo, el 0,17 % en peso de difenil metano, el 0,20 % en peso de benzoato de bencilo y el 0,01 % en peso de productos de bajo punto de ebullición y de alto punto de ebullición adicionales, basándose en el 100 % en peso de la corriente de ácido benzoico purificado.
El consumo de energía fue tan bajo como de 540 kWh/ton de producto de ácido benzoico purificado.
Lista de números de referencia
10 columnas de pared divisoria
12 sección superior no dividida
14 sección inferior no dividida
16 sección de alimentación
18 sección de retirada
20 pared divisoria vertical
22 sección rectificadora de la sección de alimentación.
24 sección de evaporación de la sección de alimentación
26 sección de evaporación de la sección de retirada
28 rectificación de la sección de retirada
30 empaquetadura estructurada
32 corriente de ácido benzoico en bruto
34 corriente de ácido benzoico purificado
36 corriente de cabeza
38 cabeza de columna
condensador
corriente de producto de componentes de bajo punto de ebullición corriente de reciclo de componentes de bajo punto de ebullición corriente inferior
fondo de columna
corriente de producto de componentes de alto punto de ebullición corriente de reciclo de componentes de alto punto de ebullición hervidor
primer sistema de destilación
segundo sistema de destilación
columna de predestilación
empaquetaduras estructuradas de la columna de predestilación. fondo de la columna de predestilación
tubería de transferencia
corriente de cabeza de la columna de predestilación
cabeza de la columna de predestilación
cristalizador en masa fundida
cristalizador de película descendente
primera tubería de circuito
bomba
segunda tubería de circuito
cristalizador estático
residuo
corriente de ácido benzoico más purificado

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un método para purificar un ácido benzoico en bruto que contiene del 5 al 20 % en peso de subproductos y del 80 al 95 % en peso de ácido benzoico, por medio de destilación,
caracterizado por que la destilación se lleva a cabo en una planta que comprende un primer sistema de destilación, que comprende una columna de pared divisoria.
2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la columna de pared divisoria comprende:
- una parte superior que tiene una sección superior no dividida para concentrar los componentes de bajo punto de ebullición, en la que los componentes de bajo punto de ebullición tienen un punto de ebullición más bajo que el ácido benzoico, y una salida para retirar los componentes de bajo punto de ebullición de la columna,
- una parte inferior que tiene una sección inferior no dividida para concentrar componentes de alto punto de ebullición, en la que los componentes de alto punto de ebullición tienen un punto de ebullición más alto que el ácido benzoico, y una salida para retirar los componentes de alto punto de ebullición de la columna, y
- una parte central dispuesta entre la parte superior y la parte inferior que tiene al menos una pared divisoria vertical que divide la parte central en al menos una sección de alimentación y al menos una sección de retirada, teniendo la sección de alimentación una entrada para la alimentación de ácido benzoico en bruto y la sección de retirada que tiene una salida de extracción lateral para el ácido benzoico purificado.
3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en el que el ácido benzoico en bruto introducido en la columna de pared divisoria comprende del 5 a 20 % en peso de al menos un subproducto seleccionado del grupo que consiste en acetofenona, benzaldehído, formiato de bencilo, acetato de bencilo, ácido acético, benzoato de metilo, fluorenona, tolueno, benzoato de bencilo, ácido Itálico, alcohol bencílico, benzoato de 2-metil-difenilo, benzoato de difenilo, benzoato de 2,2-dimetil-difenilo, benzoato de 2,3-dimetil-difenilo, benzoato de 3-metil-difenilo, benzoato de 3,3-dimetildifenilo y cualquiera de sus combinaciones.
4. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la presión y la temperatura del fondo de la columna de pared divisoria están en los intervalos de 50 a 500 mbar y de 120 a 240 °C y/o en el que la presión y temperatura de la cabeza de la columna de pared divisoria están en los intervalos de 55 a 505 mbar y 125 a 245 °C.
5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el tiempo de residencia del ácido benzoico en la columna de pared divisoria medido en el sumidero es entre 120 y 1.440 minutos.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en el que la planta comprende un evaporador de película descendente y/o un hervidor de película.
7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que se dispone un medio de separación en al menos uno de la sección superior no dividida, la sección inferior no dividida, la sección de alimentación y la sección de retirada, en el que se selecciona el medio de separación del grupo que consiste en bandejas, empaquetaduras al azar, empaquetaduras estructuradas y cualquier combinación de las mismas.
8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el medio de separación es una empaquetadura estructurada que tiene una superficie específica en el intervalo de 125 a 900 m2/m3.
9. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el primer sistema de destilación no incluye ninguna columna de destilación adicional además de la columna de pared divisoria.
10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el ácido benzoico en bruto se somete a una destilación en un segundo sistema de destilación antes de la destilación en el primer sistema de destilación, en el que la destilación en el segundo sistema de destilación se lleva a cabo de manera que esos componentes de bajo punto de ebullición seleccionados del grupo que consiste en agua, tolueno, catalizador y una combinación de los mismos, se retiren del ácido benzoico en bruto antes de éste que se alimente al primer sistema de destilación.
11. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la corriente de ácido benzoico purificado retirada de la columna de pared divisoria se somete a una etapa de purificación adicional, que comprende al menos una etapa de cristalización en masa fundida.
12. El método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la cristalización en masa fundida se lleva a cabo por medio de cristalización en suspensión, cristalización estática, cristalización de película descendente o una combinación de las mismas.
13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la cristalización en masa fundida se lleva a cabo por medio de una combinación de cristalización de película descendente y cristalización estática, en el que la corriente de ácido benzoico purificado que se retira de la columna de pared divisoria se introduce primero en un cristalizador de película descendente, y después se introduce un residuo procedente del cristalizador de película descendente en un cristalizador estático.
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