Bisfenol-a üretim prosesinin optimum işletme ve yatırım maliyetlerinin araştırılması

Bisfenol-A (BPA) özellikle polikarbonat ve epoksi reçinelerin üretiminde kullanılan önemli bir endüstriyel hammaddedir. Bunların dışında fenoksi, akrilik ve polisülfon reçineler, antioksidanlar (PVC) ve kompakt disklerin üretiminde kullanılmaktadır. BPA, teorik olarak sitokiometrik 2 mol fenol ile 1 mol asetonun kondenzasyonu ile sentezlenmektedir. Homojen, sıvı (HCl, H2SO4) ve heterojen, katı (amberlist, zeolit) fazda katalizörler bu sentezde kullanılabilmektedir. Her iki katalizör çeşidinin avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Homojen katalizörler ile düşük sıcaklıkta kısa sürede yüksek dönüşümle BPA elde edilebilir. Buna karşılık yüksek korozyon ve katalizörün geri kazanılmasındaki zorluklar homojen katalizörlerin önemli problemleri arasındadır. Heterojen katalizörler düşük korozyon ve üründen kolay ayrılması gibi avantajlara sahip olsa da seçicilik homojen katalizörlere kıyasla düşük olup reaksiyon daha yavaş gerçekleşir. Sitokiometrik (2:1) fenol:aseton oranında çalışılması asidik ortamda yan ürünlerin oluşmasına sebep olmaktadır. Şöyle ki asidik reaksiyon ortamında bulunan aseton belirtildiği üzere kendi içinde kondenzasyon reaksiyonu vermekte ve mesitil oksit oluşmaktadır. Bu sebeple ortamda fazla miktarda aseton bulunması dönüşüm ve saflığı düşürecektir. Yan ürünlerin olumsuz etkisini azaltmak için endüstride 10:1, 15:1 gibi yüksek mol oranlarında üretim yapılmaktadır. Bu çalışmada literatürde görülen fazla miktarda fenol kullanımının azaltılması dolayısıyla maliyetin düşürülmesi istenmektedir. Bu sebeple stokiometrik fenol:aseton 2:1 oranında çalışmalar yürütülmüştür. Sentezler HCl ve amberlist-15 katalizörleriyle gerçekleştirilmiştir. Asetonun ortamdaki konsantrasyonunu minimumda tutmak adına, aseton reaksiyon ortamına yarı kesikli bir şekilde beslenmiştir. Yarı kesikli besleme şekli çeşitli modlarda gerçekleştirilmiş ve ürün dönüşüm ve saflıkları araştırılmıştır. BPA üretimi için maliyet hesabı tez kapsamındadır. Yukarıda bahsedilen modlar dışında farklı miktarlarda (molce %5-15-25) HCl asit ile BPA sentezi denenmiştir. Bu denemelerdeki amaç katalizör miktarının farklı olması sebebiyle elde edilen farklı dönüşüm ve saflıktaki ürünün ortamdan ayrılması için gerekli olan enerji yani işletme maliyeti düşünülerek optimum maliyetin hesaplanmasıdır. Yukarıda belirtilen döngüler ve katalizör miktarlarıyla yapılan denemelerin içinden en yüksek dönüşüm ve saflığın elde edildiği deneme; merkapto etanol ek katalizörü ilavesiyle ve aynı deneyin amberlist ve farklı fenol:aseton (5:1-3,5:1) oranları ile tekrarlanmıştır. Bütün bu denemelere göre tasarım maliyeti göz önünde bulundurularak olabilecek optimum dönüşüm ve saflığın bulunması hedeflenmiştir. Sonuçlar, erime noktası tayin cihazı, NMR, GC-MS, GC-FID kullanılarak analiz edilmiştir. Deneylerde elde edilen sonuçlar kullanılarak, zamana karşılık dönüşüm grafikleri Matlab ile çizdirilmiş ve Chemcad ile reaktör ve distilasyon için gerekli ısıl yükler hesaplanmıştır. Sonuç olarak, katalizör artışı ile aseton dönüşümünde artış görülmüştür. Ayrıca ko-katalizör kullanımı aseton dönüşümünü artırmıştır. Sitokiometrik 2:1 fenol:aseton molar oranda yürütülen kesikli reaktör deneylerinden elde edilen sonuçların yarı kesikli reaktörde yürütülen deneylere göre daha fazla safsızlık içerdiği görülmüştür. Aynı zamanda kesikli reaktördeki örneklerin daha koyu renkte olduğu görülmüştür. BPA ürünü saf halde beyaz renktedir ve üründeki koyu renk safsızlık belirtisidir. Chemcad'den faydalanılarak yapılan simülasyonlar, safsızlıkları gidermek adına fazla miktarda fenol ile yapılan denemelerde (fenol:aseton molar oranı 10:1-5:1-3,5:1) sitokiometrik besleme ile yürütülen (2:1) denemelere kıyasla daha fazla enerjiye gereksinim olduğunu göstermektedir. Ayrıca reaktör ve distilasyon kolonu çap ve boyu daha fazla madde beslemesi sebebiyle artacaktır ve bu sebeple sitokiometrik orana nazaran yatırım maliyeti de artacaktır.