Estudio de Mercados Para El Producto Ácido Benzóico

Universidad de Antioquia, Departamento de Ingeniería Química. 0

Producción Industrial de Ácido benzoico.

Universidad de Antioquia, Departamento de Ingeniería Química.

Producción Industrial de Ácido benzoico. Molina Rave, Johan Felipe. Velásquez Granados, Mariella. Vélez, Sebastián.

Profesor Heberto Tapias. Diseño I



PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE ÁCIDO BENZOICO 1. 1.1.

PERFIL DEL PRODUCTO. Especificaciones del producto.

El ácido benzoico se producirá a un grado de pureza del 99% puesto que se destinará a la fabricación de plastificantes. [1] El producto será presentado en forma de cristales sólidos.

Figura 1. Estructura molecular del ácido benzoico HOJA HOJA T CNIC CNICA A

Nombre Nombre IUPAC Fórmula molecular Sinónimos

Categoría química Registro CAS No. Número EC Número RTECS Número ICSC

Ácido benzoico cido benzoico C7H6O2. Ácido bencenocarboxílico bencenocarboxílico Ácido bencenofórmico Ácido bencenometanoico Ácido fenil carboxílico Äcido carboxílico aromático 65-85-0 200-618-2 DG0875000 0103

El ácido benzoico es un sólido, de consistencia blanca y apariencia cristalina, cuyo grupo carboxílico puede pasar por distintas reacciones como sulfinización, nitración y halogenación para formar productos tales como sales, ésteres y haluros de ácido. El ácido benzoico en estado libre o en la forma simple de sus derivados (sales, esteres y amidas), está ampliamente distribuido en la naturaleza como goma de benzoína, la cual puede contener alrededor de 20% de ácido benzoico libre o en combinación, el cual se descompone fácilmente por acción del calor. Este ácido se puede encontrar en cantidades muy pequeñas en productos naturales como las glándulas odoríferas de los castores, en la corteza de los árboles de bayas, arándanos, ciruelas pasas, clavos de olor maduro y aceite de semillas de anís. La orina de los animales herbívoros también contiene contiene una pequeña proporción de glicina, glicina, un derivado del ácido benzoico. [1] Durante la II Guerra Mundial, Alemania desarrolló la oxidación discontinua en fase líquida de tolueno con aire para producir industrialmente ácido benzoico y a finales del año 1950 y principios de 1960, tanto Dow Chemical como Snia Viscosa, las más grandes compañías de la época en el campo de la producción química, construyeron instalaciones para llevar a cabo este proceso y satisfacer los requerimientos de ácido benzoico para producir fenol y caprolactama. Actualmente gran parte de la producción mundial de ácido benzoico se realiza usando tolueno como materia



PRODUCCIÓN INDUSTRIAL DE ÁCIDO BENZOICO 1. 1.1.

PERFIL DEL PRODUCTO. Especificaciones del producto.

El ácido benzoico se producirá a un grado de pureza del 99% puesto que se destinará a la fabricación de plastificantes. [1] El producto será presentado en forma de cristales sólidos.

Figura 1. Estructura molecular del ácido benzoico HOJA HOJA T CNIC CNICA A

Nombre Nombre IUPAC Fórmula molecular Sinónimos

Categoría química Registro CAS No. Número EC Número RTECS Número ICSC

Ácido benzoico cido benzoico C7H6O2. Ácido bencenocarboxílico bencenocarboxílico Ácido bencenofórmico Ácido bencenometanoico Ácido fenil carboxílico Äcido carboxílico aromático 65-85-0 200-618-2 DG0875000 0103

El ácido benzoico es un sólido, de consistencia blanca y apariencia cristalina, cuyo grupo carboxílico puede pasar por distintas reacciones como sulfinización, nitración y halogenación para formar productos tales como sales, ésteres y haluros de ácido. El ácido benzoico en estado libre o en la forma simple de sus derivados (sales, esteres y amidas), está ampliamente distribuido en la naturaleza como goma de benzoína, la cual puede contener alrededor de 20% de ácido benzoico libre o en combinación, el cual se descompone fácilmente por acción del calor. Este ácido se puede encontrar en cantidades muy pequeñas en productos naturales como las glándulas odoríferas de los castores, en la corteza de los árboles de bayas, arándanos, ciruelas pasas, clavos de olor maduro y aceite de semillas de anís. La orina de los animales herbívoros también contiene contiene una pequeña proporción de glicina, glicina, un derivado del ácido benzoico. [1] Durante la II Guerra Mundial, Alemania desarrolló la oxidación discontinua en fase líquida de tolueno con aire para producir industrialmente ácido benzoico y a finales del año 1950 y principios de 1960, tanto Dow Chemical como Snia Viscosa, las más grandes compañías de la época en el campo de la producción química, construyeron instalaciones para llevar a cabo este proceso y satisfacer los requerimientos de ácido benzoico para producir fenol y caprolactama. Actualmente gran parte de la producción mundial de ácido benzoico se realiza usando tolueno como materia



prima y en Estados Unidos los demás procesos se han eliminado por completo y el ácido benzoico es fabricado únicamente por este proceso de oxidación en fase líquida. [1] 1.2.

Propiedades químicas y físicas.

Las propiedades físicas y químicas del ácido benzoico se resumen en las tablas listadas a continuación y fueron obtenidas de *Kirck, O [1] y **Perry, R [2] y Lide, D. [3] Tabla 1. Propiedades físicas. Estado Color Olor Umbral olfativo Formula molecular Peso molecular (g/mol) Punto de ebullición (°C) Punto de fusión (°C) Punto de sublimación (°C) Densidad a 15°C (g/cm3) Densidad del sólido (g/cm3) Densidad del líquido (g/cm3) Densidad relativa del vapor (aire=1) Temperatura de auto-inflamación °C Energía mínima de inflación Presión de vapor (Pa) a 96 °C pH (solución salina) a 25 °C °C Coeficiente de reparto octanol / agua (log Pow) Índice de refracción, n D, a 131 °C (liquido) Viscosidad a 139 °C (cP) Tensión superficial a 130 °C (mN/m) Tensión superficial a 20 °C (mN/m) Calor específico del sólido (J/g) Calor específico del líquido (J/g) Calor de formación del sólido a 26.16°C f H° (KJ/mol) e H° (KJ/mol) Calor de fusión a 122.35 °C fus H° (KJ/mol) Calor de vaporización a 140°C vap H° (J/g) Calor de vaporización a 249°C vap H° (J/g) Entropía cristal S°(J/molK) Capacidad calorífica cristal Cp° (J/molK) Constante de disociación K a a 25 °C Punto flash (°C) Temperatura crítica T C (K) Presión crítica P C (Pa) 1E-6 Volumen crítico V C (m3/kmol) Factor de compresibilidad crítico Z C Factor acéntrico

Solido Blanco Característico No establecido C7H6O2 122.122 249.2 122.4 100 1.2659 1.316* 1.029* 4.2 571 3 – 10 10 mJ 133 2.8 1.87 1.504* 1.26* 31* 67.5* 1.1966* 1.774* -385.2 3226.9 18.02 534* 425* 167.6 146.8 6.339*10-5 * 121-131* 751 ** 4.47** 0.347** 0.248** 0.603**



Tabla 2. Solubilidad del Ácido benzoico en agua, tomado de Kirk, O. Gramos de ácido benzoico/100 Temperatura (°C) gramos de agua 0 0.17 10 021 20 0.29 25 0.34 30 0.42 40 0.6 50 0.85 60 1.20 70 1.77 80 2.75 90 4.55 95 6.80

[1]

Tabla 3. Solubilidad del ácido benzoico en diferentes solventes a 25 °C, tomado de Kirk, O. Solvente Gramos de ácido benzoico/100 gramos de solvente Acetona 55.6 Benceno 12.2 Tetracloruro de carbono 4.1 Cloroformo 15 etanol 58.4 ter etílico 40.8 Hexano (17 °C) 0.9 Metano (23 °C) 71.5 tolueno 10.6

Tabla 4. Presión de vapor, tomado de Kirk, O. [1] Temperatura (°C) Presión (KPa) 96.0 0.13 119.5 0.67 132.1 1.33 146.7 2.66 162.6 5.32 172.8 8.0 186.2 13.3 205.8 26.6 227.0 53.3 249.2 101.3

[1]



Tabla 5. Coeficientes de difusión de ácido benzoico en solventes orgánicos, tomado de Kirk, O. Solvente orgánico Coeficiente -5 DAB 10 (cm2/s) solvente acetona 2.62 -5 DAB 10 (cm2/s) solvente etilenglicol 0.043 -5 DAB 10 (cm2/s) solvente CCL4 0.91 -5 DAB 10 (cm2/s) solvente benceno 1.38 -5 DAB 10 (cm2/s) solvente tolueno 1.49

Tabla 6. Capacidad calorífica del ácido benzoico, tomado de Perry, R. [2] C1 C2 Temperatura Cp *10-5(T Temperatura Cp *10-5(T mínima (K) mínima) máxima (K) máxima)

Estado Líquido 1.3.

[1]

-5.48*10 3

6.4712*102

395.45

2.5042

450

2.8572

Seguridad.

El ácido benzoico muestra un nivel de inflamabilidad grado 1 que corresponde a una sustancia que se inflama a una temperatura superior a 93 oC, un grado 0 de reactividad ya que es una sustancia químicamente estable, es potencialmente peligroso en cuanto a riesgos para la salud con un grado 2 y no presenta riegos específicos de acuerdo a su diamante de seguridad.

Figura 2. Diamante de seguridad del ácido benzoico, tomado de CORVIQUEN, C. A. 1.3.1. Efectos para la salud. Tomado de CORVIQUEN, C. A. Material Safety Data Sheet, Benzoic Acid. [5]

Riesgo Inhalación

[4]

[4]

y primeros auxilios, tomados de

Tabla 7. Efectos para la salud y primeros auxilios. Efectos Primeros auxilios Irritación del tracto Llevar al aire libre, hacer respiración respiratorio, nariz y garganta, artificial o suministrar oxígeno. Acudir a un médico. acompañado de tos.

Ingestión

Náuseas, vómito, diarrea y Lavar la boca con agua, no ingerir nada, ni trastornos gastro entéricos. inducir el vómito. Acudir a un médico.

Contacto con la piel

Reacciones alérgicas Lavar la piel con abundante agua. Quitar (enrojecimiento), dermatitis y ropa y zapatos contaminados. Acudir a un otros riesgos por absorción. médico si la irritación persiste.

Contacto con los ojos

Irritación ocular severa y Lavar los ojos con abundante agua durante posibles lesiones graves. mínimo 15 minutos. Acudir al médico.



1.3.2. Medidas contra incendios. Tomado de CORVIQUEN, C. A. [4] y Material Safety Data Sheet. [5] 

 

Medidas contra incendios. Peligro de incendio y/o explosión: El ácido benzoico es un sólido inflamable, puede encenderse por calor, chispas o llamas y el polvo puede formar una mezcla explosiva con aire. En caso de incendio el procedimiento a seguir es evacuar o aislar el área, restringiendo el acceso a personas innecesarias sin la debida protección, ubicarse a favor del viento y usar el equipo de protección personal. Se deben retirar los contenedores de la zona de peligro y enfriarlos aplicando agua desde la máxima distancia posible. Medios de extinción: Polvo seco, dióxido de carbono. En caso de incendio utilizar agua pulverizada, espuma y polvo seco. Productos de la combustión: Dióxido y monóxido de carbono. Si la combustión es incompleta se pueden producir humos irritantes.

1.3.3. Medidas en caso de vertido accidental. Tomado de CORVIQUEN, C. A. [4] En caso de vertido de vertido accidental se debe usar equipo de protección personal y evacuar o aislar el área de peligro, restringiendo el acceso a personas innecesarias y sin la debida protección. Se debe eliminar toda fuente de ignición y reducir los vapores usando agua en forma de rocío. El derrame se debe cubrir con plástico o polvo químico seco, recoger el material con pala en contenedores secos de cierre hermético y los residuos pequeños se deben cubrir con soda, diluirlos en agua o mezclar, neutralizar y enviar al personal adecuado. Para proteger el medio ambiente se debe evitar el paso del derrame a sistemas de agua, desagües y suelos expuestos.

1.3.4. Manipulación y almacenamiento. Tomado de CORVIQUEN, C. A. 

 

[4]

Almacenamiento: El ácido benzoico se debe almacenar en lugares secos y bien ventilados, lejos de fuentes de ignición y sustancias incompatibles. Se debe evitar la acumulación de cargas electrostáticas manteniendo sistemas de ventilación, equipos eléctricos y de alumbrado, antideflagrantes. Material de embalaje: Polietileno. Manipulación: Siempre se debe usar equipo de protección personal, así la exposición a la sustancia sea por poco tiempo. Mantener estrictas normas de higiene, no fumar ni comer en los sitios donde se manipule la sustancia y usar las menores cantidades posibles de ésta. Se debe conocer claramente la ubicación del equipo de atención a emergencias, además de leer las instrucciones de la etiqueta antes de usar el producto y rotular los recipientes adecuadamente.



1.3.5. Control de exposición. Tomado de Material Safety Data Sheet, Benzoic Acid.

[5]

Tabla 8. Parámetros de control. DNEL/DMEL (Trabajadores) A largo plazo - efectos sistemáticos, cutánea 34.7 mg/kg de peso corporal/día A largo plazo - efectos locales, cutánea 4.5 mg/cm2 A largo plazo - efectos sistemáticos, inhalación 10.4 mg/m3 A largo plazo - efectos locales, inhalación 6.3 mg/m3 DNEL/DMEL (Población general) A largo plazo - efectos sistemáticos, oral 25 mg/kg de peso corporal/día A largo plazo - efectos sistemáticos, inhalación 2.1 mg/m 3 A largo plazo - efectos sistemáticos, cutánea 20.8 mg/kg de peso corporal/día A largo plazo - efectos locales, cutánea 2.7 mg/cm2 A largo plazo - efectos locales, inhalación 1.3 mg/m3 Los parámetros de exposición se listan a continuación. 

   

1.4.

Protección de las manos: Guantes de caucho de butilo (0.5 mm), caucho de nitrilo (0.35 mm), neopreno (0.5 mm), PVC (0.5 mm) o VITON (0.4 mm) cuyo tiempo de penetración es mayor a 480 minutos. Protección ocular: gafas de seguridad con protección laterales. Protección de la piel y del cuerpo: ropa de protección. Protección de vías respiratorias: Anti-polvo con filtro P2. Limitación y vigilancia de la exposición ambiental: Tomar todas las disposiciones necesarias para evitar el envío accidental del producto al exterior, en caso de rotura de los recipientes o de los sistemas de transvase.

Toxicidad. Tomado de Material Safety Data Sheet, Benzoic Acid. [5]

La toxicidad del ácido benzoico es moderada (3 en escala de 1-6). El índice LD50 (rata oral) es de 2565 mg/kg, el LD50 (cutáneo conejo) es 2000 mg/kg y el LC50 (rata inhalación) es 12.2 mg/L. Las personas sanas pueden tolerar pequeñas dosis (aproximadamente 0.5 gramos) de benzoato por día) mezclado con alimentos, sin embargo dosis de 4 g de benzoato de sodio por día pueden ocasionar dolor de estómago, vómito y nauseas. En el año 1900 se emitieron varias decisiones de inspección en relación con el uso de ácido benzoico y el benzoato de sodio, este último basado en estudios en la alimentación en humanos. Como resultado de estas decisiones se ha permitido que se añadan a los alimentos concentraciones que no excedan el 0.1% de benzoato de sodio y ácido benzoico. El ácido benzoico es una sustancia fácilmente biodegradable. Se considera que tiene un débil potencial de adsorción en el suelo, dado el bajo valor de su log Pow (1.87).



Tabla 9. Toxicidad del ácido benzoico en algunos organismos. Tomado de Material Safety Data Sheet, Benzoic Acid. [5] Toxicología Valor CL50 peces  100 mg/L en 96h CE50 Daphnia  100 mg/L en 48h (Daphnia magna) CE50 organismo acuáticos  100 mg/L en 3h Microorganismos ErC50 (algas)  100 mg/L en 72h 1.5.

Propiedades de transporte, tomado de CORVIQUEN, C. A.

[4]

El ácido benzoico no se considera un producto peligroso de acuerdo a los criterios de la reglamentación de transporte. Sin embargo no se debe transportar junto a sustancias explosivas, gases inflamables o sustancias que puedan experimentar combustión espontánea, comburentes y peróxidos, ni junto a sustancias radioactivas o con riesgos de incendio. 1.6.

Métodos analíticos. Tomado de INCHEM International Programme on Chemical Safety. [6]

La determinación analítica de ácido benzoico incluye métodos espectrofotométricos, los cuales necesitan extensos procedimientos de extracción y no son muy específicos, cromatografía de gases (GC) la cual es más simple y específica pero necesita largas preparaciones de la mezcla y cromatografía liquida de alto rendimiento (HPLC), la cual tiene una alta especificidad y una preparación mínima. 1.7.

Procesos de obtención.

El ácido benzoico puede prepararse a partir de benceno mediante una alquilación Friedel-Crafts con un halogenuro de metilo en presencia de AlCl3 generando tolueno. Posteriormente el tolueno se oxida con permanganato de potasio en un medio alcalino dando como resultado benzoato de sodio (soluble) y dióxido de manganeso (insoluble). A continuación se realiza un filtrado y un posterior proceso de acidificación del compuesto con permanganato de potasio, obteniéndose ácido benzoico en la forma de un precipitado de color blanco. [2] El proceso se ilustra a continuación.

Figura 3. Ruta química en la síntesis de Ácido benzoico. El ácido benzoico también puede producirse por oxidación en fase líquida de tolueno con aire, en presencia de cobalto. El proceso consiste en un reactor cargado con tolueno líquido presurizado en presencia de cobalto soluble al cual se burbujea aire, un sistema para recuperar hidrocarburos gaseosos provenientes del reactor y un sistema de purificación para el ácido benzoico como producto final. [1] Las condiciones típicas para la reacción en fase líquida son las siguientes de acuerdo a Kirck, O. [1]



Tabla 10. Condiciones de la reacción típica de oxidación de tolueno. Presión del reactor (KPa) 200-700 Temperatura del reactor (°C) 136-160 Concentración del catalizador (ppm) 25-1000 Un número diferente de sales de cobalto ha sido usado en la oxidación del tolueno como especie catalítica, entre éstas acetato, naftenato y octoato de cobalto; el manganeso también ha sido usado como co-catalizador. El bromuro de cobalto también puede ser usado como catalizador ya que acelera la velocidad de reacción e incide positivamente en la conversión, sin embargo, las sales de bromuro son muy corrosivas, de manera que los materiales de construcción para el reactor deben ser lo suficientemente resistentes a estos efectos, tales como Hastelloy C o titanio. Actualmente solo hay una instalación en el Reino Unido que utiliza bromuro de cobalto para la producción de ácido benzoico. [1] La oxidación de tolueno líquido produce subproductos de reacción en pequeñas cantidades, tales como el ácido acético, ácido fórmico, benceno, benzaldehído, alcohol bencílico, esteres de bencilos (formiato de bencilo y acetato de bencilo), bifenil,2-,3-, y 4-metilbifenil y acido ftálico, de los cuales solo son separados el benzaldehído y benceno para uso comercial. [1] La recuperación y purificación del ácido benzoico puede involucrar solo un proceso de destilación o puede envolver una serie de combinaciones de destilación, seguidas de procesos de extracción y cristalización. Las plantas industriales producen ácido benzoico al grado de pureza requerido en la síntesis de fenol, con el fin de usarlo como materia prima. Estas plantas rechazan impurezas indeseables como el metil-bifenil mediante procesos de destilación, extracción o cristalización, estas impurezas resultan beneficiosas para la planta de fenol, asistiendo en la eliminación de alquitranes de la reacción. El tolueno es típicamente recuperado de los gases de oxidación a través de un proceso de refrigeración seguido de una adsorción por carbón activado. [1] 1.8.

Principales usos y aplicaciones.

El ácido benzoico se usa principalmente como materia prima en la síntesis de otros productos químicos usados en las industrias alimenticia, farmacéutica y en la producción de plastificantes; sin embargo, el ácido benzoico también tiene diversos usos directos. [1] 





El ácido benzoico se usa para mejorar las propiedades de diversas formulaciones de revestimientos de resina alquílica, ya que confiere mayor brillo y aumenta la adherencia, la dureza y la resistencia química de las resinas. [1] En el campo de la medicina, el ácido benzoico se emplea como estimulante antiséptico en dermatología, cuando se combina con ácido salicílico se usa como fungicida en el tratamiento de la tiña del cuero cabelludo y otras enfermedades de la piel 1 y combinado con con dióxido de azufre o algunos otros sulfitos es utilizado para atacar microorganismos de espectro más amplio tales como el Trichophyton rubrum, que produce el pie de atleta. [7] En la industria alimenticia se usa bajo estricta vigilancia como conservante en bebidas refrescantes, zumos para uso industrial, en cierto tipo de productos lácteos, en repostería y



 

galletas, en conservas vegetales, mermeladas, margarinas y salsas, así como en crustáceos frescos o congelados. [7] Los niveles típicos de uso para el ácido benzoico como conservante en alimentos están entre 0.05% y 0.1%. Estos niveles, así como el tipo de alimentos en los que el ácido benzoico se puede utilizar, son controlados por la legislación alimentaria internacional. [7] El ácido benzoico también es usado como aditivo en los lodos de perforación para aplicaciones de recuperación de petróleo crudo. [8] En la industria de plásticos, el ácido benzoico también es utilizado como activador en el proceso de polimerización del caucho y como retardante, [8] además de aplicarse para ablandar plásticos como el PVC. [9] Adicionalmente se usa en la manufactura de plastificantes de benzoato, tales como el glicol, dietilenglicol y ésteres de trietilenglicol, los cuales se obtienen por transesterificación de benzoato de metilo con el diol correspondiente o de forma alternativa estas especies surgen por el tratamiento de cloruro de benzoilo con el diol. Estos plastificantes se utilizan de manera similar a los derivados de éster de ácido tereftálico. [7]

El ácido benzoico también se emplea en menor proporción como condimento de tabaco, componente de pastas de dientes o dentífricos, producto de salida para la producción de ésteres a partir de ácidos en la industria de la perfumería y en forma de peróxido es usado para iniciar reacciones de tipo radicalarias. [9] Los principales productos obtenidos sintéticamente a partir de ácido benzoico son fenol, caprolactama, ésteres de di benzoato de glicol y de sodio o benzoato de potasio. Las reacciones se muestran a continuación. Tabla 11. Reacciones de síntesis de algunos productos de Ácido benzoico. Producto Reacción química Fenol

Benzoato de sodio

Benzoato de potasio

Caprolactama ( Proceso Snia Viscosa*) * Proceso Snia Viscosa para la síntesis de Caprolactama. Tomado de Weissermel, K. Arpe, H-J. [10]



1.9.

Descripción de la actividad económica.

El proceso de producción/síntesis de Ácido benzoico a nivel industrial es una actividad que se enmarca dentro del sector secundario de la economía y se incluye en la Sección D, División 24, Grupo 242, Clase 2429 de la Clasificación Industrial Internacional Uniforme de las Actividades Económicas CIIU, Revi sión 3.1 adaptada para Colombia, la cual corresponde a “Fabricación de otros productos químicos ncp”.

2.

[11]

Tecnologías en los procesos de producción.

Las tecnologías desarrolladas para la producción de ácido benzoico se basan en la reacción de oxidación de tolueno en fase líquida con aire. La gran mayoría de estos procesos de producción son patentes de investigación que se diferencian en la cantidad de unidades de separación y de reacción y en las corrientes objeto de recirculación, algunos desarrollos han demostrado obtener mejores resultados al variar determinadas condiciones de operación en el sistema. Los procesos se describen a continuación y se ilustran mediante diagramas SPFD. 2.1.

Proceso para la producción de Ácido benzoico y ácido ftálico. US Patent 2009/005591 A1. [12]

El proceso muestra un método de producción de ácido benzoico a través de la oxidación de tolueno en fase líquida usando una dispersión de burbujas de oxígeno gaseoso (diámetro medio inferior a 1 micra) o para la producción de isómeros de ácido metil benzoico e isómeros de ácido ftálico a partir de isómeros de xileno.

Figura 4. Diagrama del proceso de producción de Ácido benzoico propuesto por Hassan, et al, en No. US2009/005591 A1. [12]



El método comprende someter el gas que contiene oxígeno y tolueno a un proceso de mezclado de alta cizalladura en un dispositivo mecánico externo que proporciona un contacto rápido de la mezcla en un ambiente controlado, este dispositivo funciona como reactor/mezclador y reduce las limitaciones de transferencia de masa sobre la reacción, aumentando la velocidad de reacción global. Los equipos básicos del sistema representativo incluyen un dispositivo de alto esfuerzo cortante (HSD) M1, el reactor R1 y la bomba P1. Tal como se muestra en la figura 4, el dispositivo de alto esfuerzo cortante está situado externamente al recipiente de reacción R1, la línea 72 está conectada a la bomba P1 para el ingreso del tolueno reactivo. La línea 13 es la conexión de la bomba P1 al dispositivo HSD M1 y la línea 18, lo conecta al reactor R1. La línea 22 es conectada a la línea 13 para introducir el gas que contiene oxígeno. La línea 17 está conectada al reactor R1 para la eliminación de tolueno u oxígeno sin reaccionar, nitrógeno y otros gases de reacción. Los componentes adicionales o etapas de proceso se pueden incorporar entre el reactor R1 y el dispositivo HSD M1, o por delante de la bomba P1, así pues la línea 72 puede estar conectada a la línea 21 o la línea 13, para proporcionar para una operación de múltiples pasos. La columna de destilación T1 se conecta al rector R1 a través de la línea 16 y un pre-calentador E1, el cual puede estar incluido en esta línea. Los conductos 55, 53 y 51 están conectados a la columna T1 para la eliminación de ácido benzoico, tolueno no convertido y pequeñas cantidades de agua y subproductos, respectivamente. La línea 53 se conecta a un condensador C1, que a su vez está unido al sedimentador D1 a través de la línea 62 al igual que la línea de productos intermedios 51. La línea 75 está conectada al sedimentador D1 para la eliminación de la fase acuosa y la línea 72 para la eliminación del sobrenadante de tolueno. Además la línea 72 puede unirse a la línea 21 para reciclar el tolueno sin reaccionar y los productos intermedios en el dispositivo HSD M1 a través de la bomba P1. El gas que contiene oxígeno puede ser alimentado directamente en el dispositivo HSD M1, en lugar de ser combinado con el reactivo líquido (tolueno) en la línea 13. Este líquido es impulsado por la bomba P1 a través del conducto 21 para acumular presión y alimentar el dispositivo HSD M1, proporcionando un flujo controlado a lo largo de éste. Si se usa un catalizador para promover la reacción de oxidación parcial, éste puede ser introducido en el recipiente a través de la línea 15. La corriente de producto de reacción contiene tolueno líquido no convertido, ácido benzoico, benzaldehído y otros derivados y subproductos que salen del reactor R1 a través de la línea 16, la cual puede comprender entre 20 % y 35 % de ácido benzoico. La columna de destilación T1 produce una fracción de ácido benzoico o metilbenzoico que se separa y se retira por la línea 55. La columna T1 también produce una fracción de productos intermedios y una fracción de cabezas, que contiene tolueno o xileno no convertido y pequeñas cantidades de agua y subproductos, respectivamente. La fracción de cabezas se elimina a través de la línea 53, se condensa en el condensador C1 y se envía al tanque de sedimentación D1 a través de la línea 62. La fracción de intermedios también se alimenta en sedimentador D1 donde se combina con el condensado proveniente del condensador C1 y la línea 62. En el sedimentador D1, una fase acuosa se asienta y



descarga a través de la línea 75. El tolueno sobrenadante en el tanque de sedimentación D1 puede ser recirculado. El reactor R1 puede ser de tanque agitado continuo o semi – continuo, una batería de reactores por lotes en serie o en paralelo, un reactor de torre o reactores multi-tubulares o tubulares y puede estar provisto de sistemas de agitación, calefacción, refrigeración y uno o más puntos de inyección, más aún puede ser omitido si se utilizan varios mezcladores de alto cizallamiento en serie, mientras que la bomba 5 puede ser configurada para la operación en continuo o semi – continuo. Los dispositivos de transferencia de calor pueden ubicarse entre la bomba P1 y el dispositivo HSD M1, entre el HSD M1 y el rector R1 o entre el reactor R1 y la bomba P1 cuando el sistema se hace funcionar en múltiples pasos. 2.2.

Recuperación de ácido benzoico por contacto de los efluentes de la fase liquida y gaseosa en la oxidación con solución de ácido benzoico saturado. U.S. Patent No 3163671. [13]

El proceso integra la oxidación de hidrocarburos de mono alquil benceno en fase líquida y la recuperación de ácido benzoico.

Figura 5. Diagrama del proceso de producción de Ácido benzoico propuesto por Fragen, et al. En U.S. Patent No 3163671. [13]



Los hidrocarburos de mono alquil benceno pueden ser oxidados en fase líquida con gas que contenga oxígeno molecular, empleado un catalizador que contenga un metal pesado. La presencia de ácido benzoico en el medio favorece la rata de oxidación sin introducir un disolvente adicional que debe ser separado y recuperado del proceso. Este sistema incluye una zona de oxidación, un proceso de cristalización, un conducto con un reductor de presión para la transferencia de la mezcla gaseosa de la zona de oxidación a la zona de cristalización, un conducto con un reductor de presión para la transferencia del efluente líquido de la zona de oxidación a la zona de cristalización, un conducto y una bomba para retirar el líquido insoluble en agua del cristalizador para reciclarlo a la zona de oxidación, un separador, un separador líquido-sólido, un conducto y una bomba para la transferencia de la suspensión de cristales de ácido benzoico a una solución acuosa de ácido benzoico en el separador, un conducto y una bomba para reciclar la solución acuosa de ácido benzoico a la zona cristalización y un conducto para la descarga de los gases no condensados de la zona de contacto. El sistema se pone en marcha mediante la carga al reactor R1 cuya parte inferior es la zona de oxidación, a través del conducto con válvula 11 y el conducto 15, el tolueno contiene manganeso, benzoatos de cobalto (0.6 % peso) y tetrabromoetano (0.4 % peso), el reactor R1 se carga hasta la mitad aproximadamente. La solución se calienta a 175 ºC, la presión de alrededor de 280/285 psig (aproximadamente 21 atmósferas) y se hace pasar aire a la mezcla de reacción a una rata entre 50 y 200 scfh (pies cúbicos estándar por hora) por libra de tolueno, a través del conducto 12. El gas de salida del reactor R1 pasa a través del conducto 19 al cristalizador C1, a través del cual circula una solución acuosa de ácido benzoico saturado proveniente del tanque colector V2, esta solución llega a través de los conductos 41 y 48 y es impulsada por la bomba P4. Los gases no condensados se ventilan desde el cristalizador C1 a través del conducto 21 y se enfrían en el intercambiador E2 y el tolueno en el condensado, es recogido en el separador T1 y se lleva al tanque de compensación V1. El efluente líquido del reactor R1 se retira por el conducto 13 a 220 °C hacia el intercambiador de calor E1 donde se enfría a 170 °C para eliminar el calor de reacción y luego pasa al conducto 17, la bomba P1 y el conducto de carga 15 hasta que el intercambio de calor externo en el circuito es llenado. Posteriormente una parte de la circulación del efluente líquido es retirado a través del conducto con válvula 18 que contiene la válvula de alivio de presión 18a y cargado al cristalizador C1 con solución acuosa de ácido benzoico. El efluente liquido del reactor contiene acido benzoico en una proporción aproximada de 70 partes de ácido benzoico por 30 partes de tolueno. Una capa de tolueno es extraída en el cristalizador C1 a través del conducto 29 hacia el tanque de compensación de tolueno V1, y combinado con el tolueno proveniente del separador T1, ambos se llevan a través del conducto 26 por la bomba P2 para cargar el conducto 15 a través del conducto 28. Los cristales de ácido benzoico suspendidos en la solución acuosa de ácido benzoico se retiran del cristalizador C1 a través de línea de suspensión 32 y la bomba de suspensión P3 y son cargados a través del conducto 34 al separador S1, el cual puede ser una prensa de filtro, filtro de centrífuga o cualquier otro medio para separar sólidos en suspensión. La solución de ácido benzoico acuosa se retira del separador 35 a través del conducto 36 hacia el tanque colector 45. El producto de ácido benzoico recuperado en el separador S1 puede lavarse con agua reciclada, cargada a través del conducto 44, esta agua de lavado puede ser recogida y cargada al cristalizador C1. El agua de llenado es cargada al tanque V3 a través del conducto 41. El ácido benzoico lavado es retirado a través de la línea 37.



La presencia de catalizador en la solución de ácido benzoico reciclada se impide con una corriente de purga desde el conducto 48 a través de la válvula de purga del conducto 49. Una pequeña porción del efluente enfriado se retira a través del reductor de presión 18a a través del conducto 18 a 15 psig, hacia el cristalizador C1 y el resto del efluente de líquido frío es reciclado para cargar el conducto 15. El efluente gaseoso es cargado al cristalizador C1 a 300 psig a través del reductor de presión 19a y por el conducto 19 a 15 psig. El condensado es enfriado en el separador líquido T1, mientras que el tolueno se retira por la línea 24 y se colecta en el tanque V1, de donde es recirculado al reactor R1. El agua se retira por la línea 31 y se lleva al tanque V3. El licor madre y el licor de lavado son mezclados y recirculados al cristalizador C1. El producto final (ácido benzoico húmedo) es retirado del separador de sólidos S1 a través de la línea 37. 2.3.

Manufactura de ácido benzoico a partir de tolueno. U. S. Patente US3210416. [14]

Este proceso integrado y continuo de síntesis, se realiza mediante la conversión de tolueno a ácido benzoico por oxidación catalítica con aire, el proceso se da en fase líquida en presencia de catalizadores como manganeso, cobalto, níquel, cromo, vanadio, molibdeno, tungsteno, estaño, cerio o mezclas de los mismos y con medios para efectuar la recuperación del ácido benzoico con una alta pureza y adecuado para comercial. Puesto que el proceso es continuo se obtienen resultados superiores en cuanto a calidad del producto y rendimientos del proceso, en comparación con la operación por lotes.

Figura 6. Diagrama del proceso de producción descrito por Hammond y Hundley en U.S. Patent No. 3210416. [14]



El producto de oxidación de la reacción se introduce en un concentrador, que puede ser una cámara de vacío u otro aparato adecuado para la eliminación de tolueno como una corriente de cabeza. La cámara de flash o separador se opera a una temperatura entre 300-325 ° F y la presión está entre la presión atmosférica y 10 psig; estas condiciones se emplean para concentrar el efluente del reactor a 40-60% en peso de ácido benzoico. Luego, el ácido benzoico de la corriente enriquecida proveniente del concentrador se introduce a un intercambiador de calor, en el que la corriente entra en contacto indirecto con el licor madre reciclado a partir de la etapa de filtración posterior. Esta etapa proporciona una corriente de reciclado que se introduce en el reactor a una temperatura cercana a la temperatura de reacción. La corriente de ácido benzoico enfriada se ajusta posteriormente a una temperatura entre 110° F y 130 ° F para precipitar una cantidad sustancial del ácido benzoico disuelto en el mismo, y el ácido precipitado se separa por centrifugación, filtración u otros medios de separación líquido-sólido. Todo o una porción del tolueno recuperado del concentrador se emplea como un licor de lavado para la torta de filtración y se recicla con el licor madre al intercambiador de calor. La torta de ácido benzoico sólido puede ser purificada adicionalmente mediante disolución en tolueno fresco y recristalización de la misma, a una temperatura alrededor de 130 y 140°F, el licor madre de la segunda cristalización se introduce a la primera para la recuperación y el reciclaje de ácido benzoico disuelto. Finalmente, el producto de ácido benzoico purificado se seca o se funde. El tolueno reciclado (contiene alrededor de 10% en peso de ácido benzoico en base a la carga total) es introducido por la línea 10 al reactor de oxidación R1, el cual tiene una entrada de aire en la parte inferior y equipos de condensación en la parte superior. El catalizador (solución acuosa de acetato de manganeso o bromuro de amonio) se introduce desde el recipiente 12 a través de la línea 13 (el tanque 12 no se muestra en la figura y la línea 13 esta entra la línea 10 y E2). El aire se introduce a través de la línea 14 y los gases inertes y vapores son retirados del reactor R1 por la línea 15 a través del condensador E1 y el separador T1, el tolueno condensado es retirado por la línea 18 y retorna al reactor R1 por la línea 19; el vapor se retira a través de la línea 20. La válvula 21 (no se muestra en la figura) desvía el tolueno condensado superior por la línea 22, al depósito de retención de tolueno V1, lo cual proporciona medios para controlar la tasa de reflujo de tolueno al reactor R1. El agua que se separa del condensado se descarga del receptor T1 a través de la línea 24a. La válvula 24 (no se muestra en la figura) permite regular la concentración de oxígeno en la fase gaseosa que va por las líneas 16, 17 y 20 (inferior a 8%). El efluente del reactor que consiste en una solución de ácido benzoico sobre 20% en tolueno, junto con el catalizador disuelto, se retira a través del reductor de presión de la válvula 25 (no se muestra en la figura) y se introduce a través de la línea 26 al separador de tolueno T2. El recipiente T2 consiste en un flash dotado con medios auxiliares de calentamiento, por ejemplo, un serpentín de vapor, y se hace funcionar a una temperatura inferior de 310 ° F. El tolueno se vaporiza instantánea en el separador, los vapores se eliminan a través de la línea 29 y una solución concentrada de ácido benzoico en tolueno que contiene ácido benzoico aproximadamente en un 50% en peso, se retira a través de la línea 30.



El ácido benzoico concentrado que va por la línea 30 pasa al intercambiador de calor indirecto E3, a través de la línea 32 y entra en contacto con las corrientes de reciclaje de las aguas madre obtenidas de la cristalización posterior. Adicionalmente el calor puede ser proporcionado por el paso del licor de reciclado a través del pre-calentador E2 y las aguas madre que se reciclan al reactor R1 a través de la línea 10. La línea de purga (no se muestra en la figura) permite la eliminación continua de una porción del licor madre de la separación C1 con el fin de evitar la acumulación de impurezas indeseables. En el intercambiador de calor E3, el concentrado de ácido benzoico pasa a través de la línea 37 al cristalizador C1 en el que se enfría a una temperatura de alrededor 120 ° F. Cuando se emplea una segunda etapa de cristalización (C2) para la purificación de ácido benzoico, como se muestra en la figura, los licores madre reciclados de la segunda cristalización se introducen al cristalizador C1 a través de la línea 39. La suspensión de ácido benzoico proveniente del cristalizador C1, se bombea a través de la línea 40 a los medios de filtrado F1, estos pueden ser centrifugados en continuo o en un filtro rotativo provisto de medios para la introducción de tolueno de lavado a partir del tolueno del tanque de retención V1, la torta de filtro que se separa se descarga de forma continua a través de la línea 43 al recipiente de disolución S1, el filtrado de F1 se recircula al intercambiador de calor E3 para su posterior paso al reactor de oxidación. La solución remanente pasa a través de la línea 45 al segundo cristalizador C2 en el que se forma una suspensión de ácido benzoico enfriamiento. Los sólidos precipitados en suspensión del cristalizador C2 se bombean a través de la línea 47 al medio de filtración F2 que es preferiblemente un filtro rotatorio continuo similar a F1. La torta de filtro se lava con tolueno fresco, introducido a través de la línea 49 (no se muestra) y los licores madre de la segunda filtración se reciclan al primer cristalizador C1. La torta solida de ácido benzoico se retira continuamente del filtro F2 a través de la línea 50 donde la humedad se puede eliminar mediante secado a vacío del producto. El producto final se pasa a un triturador u otros medios para la obtención de producto de ácido benzoico como un sólido seco de más del 99% de pureza. 2.4.

Proceso continuo de oxidación para la producción de ácido benzoico. US Patent No. 3187038. [15]



Figura 7. Diagrama para la producción de ácido benzoico propuesto por Hundley en US No. 3187038. [15] El tolueno entra al sistema a través de la línea 10 y se mezcla en la línea 12 con el ácido benzoico de reciclaje, el cual entra a través de la línea 13. El catalizador usado para la oxidación entra a través de la línea 14. La mezcla alimentada en 12 se pasa por el reactor de oxidante R1 que puede ser un recipiente resistente a la presión, hecho de acero inoxidable u otro material resistente al ácido, provisto por deflectores y dispositivos de agitación 16 los cuales con accionados por el motor 17 (las especificaciones no se muestran en la figura). El oxígeno se introduce en el recipiente de oxidación a través de la línea 19. Los gases gastados son ventilados por la línea 21 del aire que se mantiene a una temperatura de aproximadamente 300 ° F, el vapor de agua y los gases no condensables se evacuan a través de la línea 23 , mientras que el ácido benzoico que es arrastrado y los condensables se devuelven a través de la línea 24. El reactor R1 se carga inicialmente con ácido benzoico calentado a 430 °F aproximadamente, el tolueno puede ser cargado en el reactor junto al catalizador. Durante el funcionamiento continuo, la presión se mantiene a aproximadamente a 300 psig, el ácido benzoico recirculado que contiene impurezas se introduce al reactor a través de la línea 12 a una temperatura de 340 °F junto a la alimentación de tolueno fresco, mientras que efluente líquido es retirado continuamente de la parte superior del reactor. El agua se elimina a través de la línea 23 con los gases del reactor y el efluente del reactor se retira continuamente por medio de la bomba P1 a través de la línea 25, esta línea se divide en dos corrientes, una porción principal que pasa por la línea 27 a la bobina de cerrado 28(no se muestra en la figura) situada dentro del tambor de vaporización instantánea T2 y una porción menor que se retira a través de la línea 31 controlada por una válvula. La temperatura de la corriente de recirculación se reduce en el intercambiador de calor E2. La recirculación de ácido benzoico que contiene impurezas pasa entonces por la línea 13 a la 12 para la recarga de al reactor. El equipo T2 puede ser un tambor de evaporación convencional o una torre de flash provista con varias bandejas de fraccionamiento y un condensador parcial encima de la cabeza para proporcionar una relación de reflujo de aproximadamente 1:10 en la torre. La corriente de fondos que se retira de la columna de destilación a través de la línea 33. El resto de los fondos pasa por la línea 41 hacia el tambor V1 que puede ser un recipiente de retención convencional con camisa, el cual se calienta para mantener el ácido benzoico a las condiciones deseadas. La bomba P2 proporciona una recirculación de la línea 43 desde el tambor V2 y a través de la línea 46 a la línea 12 para retornar al reactor de oxidación. El efluente del reactor introducido a través de la línea 31 proporciona una corriente de vapor a la torre de destilación T2. Esta corriente de vapor pasa por la línea 51 controlada por la válvula 52 del condensador E5 y desde allí, por la línea 54 a la torre de refinación T5; el condensador E5 efectua la condensación parcial de la corriente de vapor de la torre de flash T2 y de esta manera reducir el número de bandejas necesarias en la parte inferior de la torre de refinación T5. La torre de refinación T5 comprende una columna de destilación convencional provista de un intercambiador de calor. Los vapores de la torre refinación pasan por la línea 57 al condensador encima de la cabeza que es operado a una temperatura de 260 - 2S0 °F, las impurezas ligeras se devuelven por la línea 59 al separador de reflujo. Una parte importante de la corriente de reflujo se devuelve por la línea 62 a la parte superior de la torre T5, mientras que el resto (aproximadamente el 10 %) se devuelve por la línea 63 para reciclar el tambor V1.



Durante el funcionamiento continuo, la torre de refinación T5 se opera a una relación de reflujo de aproximadamente 10:1 y los residuos del condesando se descargan a través del condensador E4, el tambor T4 y la línea 68. El producto se retira a través de la línea 69 por la bomba P3 hacia la línea de producto 72. 2.5.

Fabricación de ácido benzoico a partir de la oxidación de tolueno. Tomado de Wells, M.

[16]

El tolueno, aire y el catalizador que consiste en 0.1% de naftenoato de cobalto se alimentan al reactor. El tolueno debe ser puro porque los compuestos nitrogenados, los sulfuros y el fenol inhiben la reacción, la cual se da a las siguientes condiciones 160-170 °C y una presión entre 8 y 10 bar. La reacción es altamente exotérmica, por lo que el calor debe ser removido mediante una circulación externa de los líquidos de reacción a través de un intercambiador de calor.

Figura 8. Proceso de obtención de ácido benzoico. Tomado de Wells, M.

[16]

Cuando se alcanza una conversión entre 40-50%, los líquidos de la reacción pasan por una columna donde la presión es reducida a la presión atmosférica y el tolueno gaseoso que no ha reaccionado es despojado. El producto bruto de oxidación se rectifica para producir acido benzoico puro en la parte superior y productos pesados en el fondo, estos contienen los catalizadores metálicos. Se debe tener en cuenta el calor generado por la reacción para evitar la producción de productos indeseados como el benzaldehído. El tolueno se alimenta al reactor R1 a través de la línea 1 y el aire a través de la corriente 6. La corriente que sale de R1 ingresa a la columna de destilación T1 a través de la línea 3. Esta torre posee una corriente de cabeza que ingresa al intercambiador de calor E1 por la línea 4 y una corriente de fondos 8 que se lleva a la torre de destilación T2. La línea que sale del intercambiador E1 se lleva al condensador C1.



La corriente de fondos de la torre T2 es llevada a un rehervidor y recirculada a la torre, mientras que la del tope es condensada. Una porción del líquido condensado se recircula a la columna y parte de éste se lleva a través de la línea 10 hacia el intercambiador de calor E3, aquí se calienta y se sigue a través de la línea 5 para cargar continuamente el reactor R1 con una solución de ácido benzoico. La corriente 11 que sale de la columna T2 ingresa a la tercera columna destiladora T3, aquí la corriente de fondos sale por medio de la línea 14 y la del tope es llevada a un intercambiador de calor E3 por la línea 13 para enfriar la corriente. El líquido se recircula a T3 por medio de la línea 12 y sale del sistema a través de la línea 15. 3.

Estudio del mercado consumidor. 3.1. Datos estadísticos a nivel mundial.

En el año 2009 el 49% del consumo mundial de Ácido benzoico correspondió a la industria alimenticia y para este mercado se estimó un crecimiento promedio de 3% anual entre 2009 y 2014. Los principales consumidores para tales fines son Asia, Europa Oriental y Centro y Sur América, mientras que en Europa Occidental y Norteamérica el consumo está orientado a la producción de plastificantes de benzoato. Tal como se ilustra en la siguiente figura, China consumió alrededor del 26% del total mundial, mientras que los porcentajes de consumo para Estados Unidos y Europa (región central y oriental) fueron 12% y 16% respectivamente. [17] Durante el año 2013 el 64% del consumo mundial correspondió al Pacífico Asiático (China, Taiwan y Japón), el 12% a Estados Unidos y alrededor del 22.5% al continente Europeo. Entre los años 2009 y 2013 el consumo mundial de ácido benzoico en la industria de plastificantes creció a un ritmo acelerado de 10.7% anual debido al reemplazo de los plastificantes de ftalato, por lo que esta industria constituye un fuerte mercado con una clara tendencia al crecimiento durante los próximos años. [18]

Figura 9. Consumo mundial de Ácido benzoico durante el año 2009. Fuente IHS Chemical Economics Handbook. [17]

Figura 10. Consumo mundial de Ácido benzoico durante el año 2013. Fuente IHS Chemical Economics Handbook. [18]

Los países con mayor evolución en sus importaciones de Ácido benzoico, sus sales y sus ésteres durante al año 2008 fueron Alemania y Estados Unidos, mientras que los principales exportadores



de esta sustancia fueron China, Estonia y los Países Bajos. China es además uno de los más grandes consumidores de la sustancia, mientras que los Países Bajos es el principal proveedor en todo el continente europeo exportando ácido benzoico a países como Alemania, Italia, Reino Unido, Dinamarca, Rusia, entre otros. [19] Estados Unidos es uno de los grandes importadores de ácido benzoico a nivel mundial, recibiendo el producto de Canadá, Países Bajos, China y Reino Unido principalmente por lo se constituye como un atractivo mercado potencial. [20] A continuación se muestran los cambios en la cuota de mercado hacia Estados Unidos a nivel mundial.

Figura 11.Cambios en la cuota de mercado a nivel mundial en las importaciones de Ácido benzoico a Estados Unidos. Tomado de Panjiva. Benzoic Acid Products and Bussiness. [20] 3.2. Localización geográfica del mercado objetivo. Los criterios que se tuvieron en cuenta en la selección del mercado objetivo fueron el índice de importaciones y el crecimiento del tipo de industria en la cual se destinará el producto, ya que al ser un bien intermedio, éste es utilizado como materia prima en la obtención y síntesis de otros. De esta manera, el mercado objetivo se limitó dentro de los países cuya industria de elaboración de plastificantes estuviera en crecimiento y en los cuales el uso principal del Ácido benzoico, bien fuera producido o importado, estuviera destinado a tal industria, además se tuvieron en cuenta los acuerdos comerciales entre Colombia y estos países para facilitar las operaciones de importación y exportación de la sustancia; por tanto los clientes potenciales estarían en Estados Unidos y los países de Europa Occidental. Se seleccionaron Italia, Alemania y Reino Unido como lo mercados potenciales en Europa Occidental. 3.3. Producción.



La producción de ácido benzoico en Estados Unidos ha aumentado en los últimos años a razón de 2% con el fin de satisfacer las exigencias de la demanda interna del producto, compañías como Velsicol y Emerald Kalama Chemical son las responsables de tal aumento y las principales productoras de la sustancia a nivel industrial, esta última compañía planea que para el 2014 su capacidad aumentará en 75000 toneladas gracias a la implementación de un nuevo reactor en el proceso. [21] Tabla 12. Producción de Ácido benzoico en Estados Unidos en el año 2009. Fuente ICIS Chemical Business. [22] Compañía Emerald Kalama Chemical Velsicol Chemical TOTAL

Ubicación Kalama, Washintong Chattanooga, Tennessee

Capacidad (toneladas) 95200 34000 129200

Las cifras precisas acerca de la producción de ácido benzoico en los países de Europa Occidental durante los últimos 5 años es información protegida, de carácter privado a la cual se tiene acceso mediante el pago de los derechos, por tanto sólo se tendrá en cuenta la cantidad producida en los Estados Unidos durante este lapso y el cálculo de la demanda en el mercado es simplemente una aproximación. 3.4. Importaciones. El total de importaciones de los países que conforman el mercado potencial se calculó en el lapso comprendido entre los años 2008 y 2013 con el fin de obtener una tendencia histórica en los últimos años, este cálculo se realizó sin tener en cuenta las interacciones comerciales entre los países que lo conforman, es decir se eliminaron las importaciones provenientes de cada uno de éstos. No obstante para tener una mejor apreciación del mercado se examinó cada país de forma individual; todos los datos estadísticos fueron obtenidos de International Trade Centre. [24] 3.4.1. Importaciones hacia Estados Unidos. Durante el lapso comprendido entre los años 2008 y 2012 los países que tuvieron una mayor interacción comercial con Estados Unidos en materia de importaciones fueron Países Bajos, China, Estonia, Canadá y Francia, siendo China y los Países bajos los mercados con mayor cr ecimiento. En el año 2008 China importaba hacia Estados Unidos un total de 3170 toneladas de ácido benzoico y para el año 2012 esta cifra aumentó a 6562 toneladas, mientras que en los Países Bajos la cifra pasó de 3787 a 8533 toneladas durante el mismo período. Estados Unidos además recibió un flujo de 2262 toneladas de ácido benzoico proveniente de Italia, Alemania y Reino Unido en los últimos años, cifra que no se consideró al determinar las importaciones totales del mercado objetivo. A continuación se ilustra el movimiento de las importaciones hacia Estados Unidos de los 5 países con mayor flujo de producto.



Figura 12. Importaciones de Ácido benzoico hacia Estados Unidos. Fuente. International Trade Centre. [24] 3.4.2. Importaciones hacia Italia. Los principales países exportadores de Ácido benzoico hacia Italia son Países Bajos, Bélgica, Estonia, Rumania y Alemania, estando éste último país comprendido dentro del mercado potencial. A pesar de que no se cuenta con cifras correspondientes al año 2013 gráficamente se puede evidenciar una clara tendencia al crecimiento de las importaciones desde los Países Bajos cuyo total



de importaciones en el año 2012 superó las 9000 toneladas. No obstante las importaciones provenientes de los demás países no alcanzan cifras tan considerables; Italia es el mercado con mayor crecimiento en importaciones dentro del mercado potencial ya que ha aumentado en un 86.38%. La siguiente figura muestra las importaciones del producto hacia Italia.

Figura 13. Importaciones de Ácido benzoico hacia Italia. Fuente. International Trade Centre.

[24]

3.4.3. Importaciones hacia el Reino Unido. Durante el lapso comprendido entre 2008 y 2013 Reino Unido importó un total de 26779 toneladas de ácido benzoico sin considerar el flujo proveniente de Alemania, Italia y Estados Unidos, siendo los Países Bajos el principal proveedor, además de Bélgica, Rumania, Estonia y Alemania. Las



importaciones aumentaron en un 50.78% desde el 2008 y la tendencia del mercado es creciente. La siguiente figura muestra las importaciones más significativas a partir del año 2008.

Figura 14. Importaciones de Ácido benzoico hacia el Reino Unido. Fuente. International Trade Centre. [24] 3.4.4. Importaciones hacia Alemania.



En el año 2013 Alemania importó un total de 30401 toneladas de ácido benzoico a nivel mundial. El flujo de importaciones ha aumentado al punto de requerir 7000 toneladas más en un período de 5 años. Alemania recibe ácido benzoico de los Países bajos, China, Estonia, Italia y Bélgica, siendo una tendencia constante en todo el mercado europeo que los Países Bajos sea el principal proveedor de esta materia prima. El crecimiento en las importaciones en Alemania es el menor dentro del grupo de países pertenecientes al mercado objetivo, con un 30.54%, sin embargo esta cifra continúa siendo atractiva para un mercado potencial.

22

Figura 15. Importaciones de Ácido benzoico hacia Alemania. Fuente. International Trade Centre. [24]

3.4.5. Importaciones en el mercado potencial. El grupo de países que conforman el mercado potencial muestran un crecimiento conjunto de 53.86% en sus importaciones, cabe resaltar que esta cifra no tiene en cuenta los movimientos comerciales dentro del grupo. La siguiente tabla muestra el total de importaciones anuales de cada uno de los países que integran el mercado potencial, así como los datos conjuntos por año y la tasa de crecimiento. Tabla 13. Importaciones hacia el grupo de países que conforman el mercado potencial. País Estados Unidos Alemania Italia Reino Unido Total

2009

2010

2011

2012

2013

% Crecimiento (2009-2013)

13480

17424

17666

19764

23446

73.93

21742 7665 4185 47072

25894 11742 4797 59857

25114 12747 5535 61062

27557 13151 5952 66424

28382 14286 6310 72424

30.54 86.38 50.78 53.86

Importaciones (Toneladas por Año)

3.5. Exportaciones. Los datos estadísticos se obtuvieron de International Trade Centre. [24] Se realizó un seguimiento de las exportaciones de ácido benzoico en cada uno de los países que conforman el mercado objetivo y posteriormente se reunieron y agruparon estos datos en el mismo conjunto. 3.5.1. Exportaciones desde Alemania. Alemania exporta ácido benzoico principalmente a Luxemburgo, Rusia, Serbia, Bélgica y Noruega, siendo Luxemburgo el país con la mayor demanda a satisfacer, durante los últimos 5 años analizados el promedio de exportaciones fue de 14600 toneladas anuales, siendo 2013 el año con mayor cantidad de éstas, alcanzando las 17000 toneladas. Las exportaciones en Alemania han tenido un crecimiento de 49.21% en este mismo período. A continuación se ilustra el mercado de exportaciones desde Alemania.



Figura 16. Exportaciones del producto desde Alemania. Fuente International Trade Centre.

[24]

3.5.2. Exportaciones desde Estados Unidos. El principal consumidor del ácido benzoico exportado por Estados Unidos es México alcanzando las 22905 toneladas en los últimos 5 años, sin embargo otros mercados con participación importante son la República de Corea, Canadá, Vietnam y Brasil, siendo éste el principal mercado latinoamericano. A continuación se ilustra el flujo anual de exportaciones hacia estos merca dos.



Figura 17. Exportaciones del producto desde Estados Unidos. Fuente. International Trade Centre. [24]

3.5.3. Exportaciones desde el Reino Unido. El total de exportaciones de ácido benzoico desde el Reino Unido fue 8749 toneladas durante los últimos 5 años, excluyendo los demás países dentro del mercado objetivo siendo los principales destinos Alemania, la Federación Rusa, Francia, España e Irlanda, dentro de los cuales el de mayor



afluencia es Alemania, con una cifra promedio durante los últimos 5 años de 408.4 toneladas por año, cabe resaltar que el Reino Unido es el país con menor índice de exportaciones dentro del grupo. A continuación se muestran las cantidades exportadas en el lapso comprendido entre 2009 y 2013 para cada uno de los países con mayor demanda.

Figura 18. Exportaciones de Ácido benzoico desde el Reino Unido. Fuente. International Trade Centre. [24]



3.5.4. Exportaciones desde Italia. Durante el año 2009 Italia exportó un total de 2179 toneladas de ácido benzoico, mientras que en al año 2013 la cifra llegó a 4182 toneladas, siendo el país con la mayor tasa de crecimiento dentro del grupo perteneciente al mercado objetivo, esta tasa fue de 91.92% y el principal mercado a satisfacer fue Alemania con un total de 1871 toneladas exportadas en el último año corrido. A continuación se muestran las principales interacciones comerciales en materia de exportación.

Figura 19. Exportaciones desde Italia. Fuente International Trade Centre.

[24]



3.5.5. Exportaciones en el mercado potencial. La tasa de crecimiento conjunto en las exportaciones entre los países que integran el mercado objetivo fue de 26.15% en un lapso de 5 años. A continuación se muestra el crecimiento individual de cada uno de los países, así como las cantidades totales que fueron objeto de exportación para cada año. Tabla 14. Exportaciones en el grupo de países que integran el mercado potencial. País Estados Unidos Alemania Italia Reino Unido Total

Exportaciones (Toneladas por Año) 2009 2010 2011 2012 2013

% Crecimiento (2009-2013)

18104

19256

20518

19627

18275

0.94

11448 2179 1173 32904

13666 3411 1620 37953

14728 3609 2026 40881

16275 3478 1964 41344

17085 4182 1966 41508

49.24 91.92 67.60 26.15

3.5.6. Relación entre las importaciones y las exportaciones. La siguiente figura muestra las importaciones y las exportaciones del mercado potencial en general, de acuerdo a International Trade Centre [24], así como los datos estimados para la producción de la sustancia en los Estados Unidos. Gráficamente se evidencia que para cada año el volumen de importaciones es superior al de exportaciones y que a partir del año 2011 éstas últimas no han aumentado significativamente, permaneciendo casi constantes. Por otro lado las importaciones han crecido considerablemente a lo largo de los últimos años, con una diferencia entre 2009 y 2013 de 25352 toneladas de ácido benzoico. Se evidencia además que la producción en Estados Unidos aumenta de manera uniforme.



Interacciones comerciales 160000

Exportaciones Importaciones

140000 o c i o z n e b o d i c Á e d s a d a l e n o T

Producción en Esados Unidos

120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 2009

2010

2011

2012

2013

Año

Figura 20. Exportaciones, importaciones y producción en el mercado potencial. 3.6. Tendencia histórica de la demanda. La demanda del mercado a satisfacer se estimó como una diferencia entre la cantidad de ácido benzoico disponible, bien sea por producción o por importaciones y la cantidad de éste que sale de la región, es decir, la suma entre las cantidades producidas, importadas y exportadas, siendo éste último término de valor negativo. Sin embargo estas cifras son sólo una aproximación puesto que no se pudo obtener información confiable acerca de las cifras en Europa Occidental.

Demanda en Estados Unidos o c i o z n e b o d i c Á e d s a d a l e n o T

150000 145000

y = 4818.4x - 1E+07 R² = 0.9571

140000 135000 130000 125000 120000 2008

2009

2010

2011

2012

2013

Año

Figura 21. Tendencia histórica de la demanda en Estados Unidos.



3.7. Definición del mercado meta. Se desea participar en el mercado con una cifra aproximada a la de Estados Unidos, la cual en el año 2013 equivalió a aproximadamente 145000 toneladas de ácido benzoico, puesto que si bien no se cuenta con las cifras de los países de Europa Occidental, es claro que si el índice de importaciones supera al de las exportaciones en estos países es porque existe una carencia del producto en el mercado y por tanto una necesidad a satisfacer. 4. Definición de la capacidad de la planta. La planta deberá atender un porcentaje de la demanda en Estados Unidos y de la demanda en Italia, Alemania y Reino Unido, puesto que no se obtuvieron cifras exactas de producción del mercado objetivo total, se estableció iniciar una planta de producción de ácido benzoico cuya capacidad sea aproximada a la capacidad de producción en Estados Unidos, lo cual equivale a atender un mercado de aproximadamente 12% del consumo a nivel mundial, de acuerdo a IHS Chemical Economic Handbook. [18] No obstante tal porcentaje es significativamente alto para una planta emergente, por lo cual este no debe superar el 10% del total de la demanda en el mercado objetivo. La planta tendría una capacidad instalada de producción de 200000 toneladas anuales de ácido benzoico luego de los procesos de ejecución y puesta en marcha de la misma, sin embargo durante el primer año deberá a operar con una capacidad de 160000 toneladas, lo cual equivale al 80% de la capacidad total. 5. Selección del proceso de producción. Para seleccionar el proceso idóneo a implementar en la planta de producción de ácido benzoico se tuvieron en cuenta aspectos tecnológicos, financieros y relacionados con la conservación del medio ambiente. Cada uno de estos aspectos encierra determinados criterios clave en la selección del proceso a los cuales les fue asignada una calificación de 1 a 10, siendo 10 el mayor puntaje posible y 1 el menor, a cada aspecto y criterio se le asignó un porcentaje de acuerdo a la importancia que se considera deben tener en la selección del proceso de producción. 

El aspecto tecnológico se consideró como el más importante y se tuvieron en cuenta criterios como la obsolescencia que hace alusión a la ineficacia del proceso en la época actual con un porcentaje de 10%. La aplicación o implementación industrial cuyo valor es del 15% y por último la complejidad que tiene que ver con el número de equipos y unidades de transformación o separación utilizadas para desarrollar el proceso y representa el mayor porcentaje, 20%.

Se consideró que las tecnologías de producción 1 y 5 son igualmente complejas y se les dio una calificación de 8 puesto que son las que emplean el menor número de unidades en el proceso lo que hace más fácil especificarlo y operar sobre éste. Por otra parte las demás tecnologías muestran procesos de mayor complejidad con un gran número de equipos de transferencia de masa, calor y sistemas de bombeo. Se les asignaron calificaciones de 5, 6 y 4 a los procesos 2, 3 y 4, siendo éste último el de mayor complejidad. En los campos de la aplicación industrial y la obsolescencia las 5 tecnologías fueron calificadas de forma muy similar puesto que a pesar de que algunas fueron desarrolladas en la década de los años



60, aún continúan siendo procesos válidos y aceptación en la industria química. La tecnología 1 recibió las mayores calificaciones (7 en aplicación industrial y 8 en obsolescencia) debido a que es la más reciente. 

El aspecto relacionado con la protección del medio ambiente tiene que ver con la cantidad de desechos arrojados o subproductos que no se utilizan en el sistema y dada la implementación nivel mundial de las tecnologías de producción limpia a este aspecto se le asignó un porcentaje del 15%.

En este aspecto las tecnologías 2, 3 y 4 obtuvieron la misma calificación (8) ya que son procesos con un gran número de corrientes de recirculación que disminuyen la cantidad de desechos y subproductos arrojados al medio ambiente y los aprovechan para obtener mejores rendimientos en los procesos. La tecnología 5 obtuvo una calificación de 6 mientras que la menor calificación fue para la tecnología 1 (4). 

El aspecto financiero tiene una importancia relativa del 40% basada en criterios como la disponibilidad de materias primas, el costo de las unidades y equipos empleados en el sistema, criterios relacionados con la seguridad ya que en la industria los recursos financieros dedicados a cubrir este ítem son de suma importancia y el gasto energético.

La disponibilidad en las materias primas implica costos asociados al transporte y manipulación, sin embargo este no es un factor decisivo porque todas las tecnologías emplean las mismas materias primas y éstas son de fácil adquisición, a todas se les asignó un valor de 9. En cuanto al costo de unidades y equipos es evidente que aquellos procesos con mayor número de unidades tendrán mayores costos de inversión por lo que a las tecnologías 3, 4 y 5 se le asignaron las menores calificaciones. Las tecnologías 1 y 2 emplean el menor número de equipos y por ende el costo asociado a éstos es mucho menor, sus calificaciones fueron 9 y 8, respectivamente.

El criterio relacionado con los costos de seguridad implica que aquellos procesos en los que se trabaje con equipos de mayor riesgo químico o mecánico deberán invertir más en reducir tales riesgos, es por ello que los procesos con mayor número de reactores, torres de destilación e intercambiadores de calor tendrán las calificaciones más bajas. Las tecnologías 3, 4 y 5 fueron las de menor calificación, mientras que las tecnologías 1 y 2 las más altas. Por otro lado el consumo energético se asoció a la cantidad de equipos con mayor gasto de energía eléctrica, como intercambiadores de calor, bombas y rotores eléctricos, las tecnologías 1 y 3 obtuvieron una calificación de 9 dada su poca cantidad de estos equipos en el proceso productivo.

Las calificaciones asignadas a cada una de las tecnologías, así como la importancia relativa o porcentaje de cada uno de los aspectos y criterios se ilustran a continuación en la siguiente tabla.



Tabla 15. Importancia relativa de los criterios de selección. TECNOLOGÍA 1

2

3

4

5

8

5

6

4

8

Aplicación industrial (15%)

7

5

6

5

6

Obsolescencia (10%)

8

7

7

7

7

Recirculaciones

4

8

8

8

6

Disponibilidad de materias primas (12%)

9

9

9

9

9

Costo de unidades y equipo (15%)

9

8

3

5

5

Aspectos de seguridad (10%)

8

8

6

4

3

Uso de energía (9%)

9

5

9

4

6

7.55

6.65

6.7

5.65

6.4

CRITERIOS

Complejidad del proceso (20%) Tecnológico (45%)

Medio ambiente (15%)

Financiero (40%)

Total (100%)

En la tabla anterior se muestra que las puntuaciones para cada uno de los procesos no están tan desviadas entre sí, sin embargo el proceso de producción desarrollado en la Tecnología 1 obtuvo la calificación más alta de acuerdo a los criterios previamente establecidos. Este proceso fue propuesto en el año 2009 por Hassan, et al. y emplea un número razonable de unidades y equipos para llevar a cabo el proceso, se puede aplicar fácilmente a nivel industrial y no acarrea costos innecesarios, no obstante, el proceso involucra una cantidad mínima de corrientes recirculadas que podrían disminuir la cantidad de desechos de la producción.



Referencias. [1] Kirk, O. Encyclopedia of Chemical Technology. Wiley, Ed. 4. Vol. 1-27. (1991-1998). [2] Perry, R. Chemical Engineering Handbook. McGraw – Hill, Ed. 7. United States (1999). [3] Lide, D. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Ed. Advisory Board. [4] Corporación Química Venezolana CORVIQUEN, C. A. Hoja de seguridad MSDS Ácido benzoico. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.corquiven.com.ve/esp/MSDS/MSDSACIDO_BENZOICO.pdf [5] Material Safety Data Sheet, Benzoic Acid. Cita en línea: Abril de 2014. http://avogadro.chem.iastate.edu/MSDS/benzoic_acid.htm [6] INCHEM International Programme on Chemical Safety. Concise International Chemical Assessment Document No. 26. Benzoic Acid and Sodium Benzoate. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.inchem.org/documents/cicads/cicads/cicad26.htm#SubSectionNumber:4.3.1 [7] E-Centro. Artículos. El ácido benzoico, historia y producción. Cita en línea: Abril de 2014. http://centrodeartigos.com/articulos-utiles/article_101850.html [8] The Chemical Company. Benzoic acid. Cita en línea: Abril de 2014. https://www.thechemco.com/chemical/benzoic-acid/ [9] Quiminet. Información y negocios. Cita en línea: Mayo de 2014. http://www.quiminet.com/articulos/que-es-el-acido-benzoico-2641618.htm [10] Weissermel, K. Arpe, H-J. Química Orgánica Industrial. Reverté S.A. España (1981). Capítulo 10. [11] Departamento Administrativo Nacional de Estadística DANE. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.dane.gov.co/files/correlativas/CIIU_rev_3_1_parI.pdf [12] Hassan, et al. United States, Patent Aplication Publication. Pub. No. US2009/005591 A1. Jan 1 (2009). [13] Fragen, N. et al. Benzoic acid recovery by contacting gasiform and liquid effluents of liquids phase oxidation with saturated aqueous benzoic acid. U.S. Patent No. 3163671. Dec. 29 (1964). [14] Hammond, N. Hundley, J. Manufacture of benzoic acid form toluene. U.S. Patent No. 3210416. Oct 5 (1965). [15] Hundley, J.G. Continuous oxidation process for production of benzoic acid. US Patent No. 3187038. Jan 9 (1961). [16] Wells Margaret. Handbook of Petrochemical and Processes. Ed. 2 (1999). [17]IHS Chemical Industries. Cita en línea: Abril de 2014. http://chemical.ihs.com/nl/Public/2010/1006/1006.html [18]IHS Chemical Economics Handbook ®. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.ihs.com/products/chemical/planning/ceh/benzoic-acid.aspx [19] SmartExport Estudio y seguimiento de los mercados de exportación. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.smartexport.com/es/Acido_benzoico_sus_sales_y_sus_esteres.291631.html [20] Panjiva. Benzoic Acid Products and Bussiness. Cita en línea: Abril de 2014. http://es.panjiva.com/industries/Chemicals/Feed-Food-Additives/-/benzoic-acid/255 [21] Port of Rotterdam. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.portofrotterdam.com/en/News/pressreleases-news/Pages/emerald-expand-benzoic-acid production.aspx?WT.rss_f=pressreleasesnews&WT.rss_a=Emerald_to_Expand_Benzoic_Acid_Production_RSS&WT.rss_ev=a [22] ICIS CHEMICAL BUSINESS. Chemical Profile Benzoic Acid. Cita en línea: Abril de 2014. http://www.icis.com/resources/news/2008/06/02/9128511/chemical-profile-benzoic-acid/

Estudio de Mercados Para El Producto Ácido Benzóico

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