Sulu organik faz kullanımı ile kolemanitten borik asit üretimi veriminin iyileştirilmesi
Improvement of boric acid production yield with using aqeous organic phases
Yazar: HİLAL SEDA DEMİREL
Danışman: PROF. DR. BEKİR ZÜHTÜ UYSAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Ülkemizde borik asitin başlıca üretimi, kolemanit madeninin sulu fazda sülfürik asit ile reaksiyonu ile gerçekleştirilmektedir. Mevcut üretim yönteminde düşük konsantrasyonlu sulu ana çözeltiden borik asitin kristallenme ile ayrıştırılması gerekmektedir. Bu amaçla kullanılan kristalizatörün fiziksel boyutu, tesisteki diğer ekipmanlara göre maliyeti ve işletmedeki zorlukları çok büyüktür. Bu yönteme alternatif olmak üzere sulu organik faz kullanımı imkânları bu çalışmada araştırılmıştır. Borik asitin değişik organik maddelerdeki çözünürlüğünün incelenmesi sonunda metanol-su karışımlarının kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Kolemanitin metanol-su karışımlarında çözünmesi, bu ortamda uygun asitle reaksiyona girmesi, reaksiyon sonrası metanolün uçurularak geri kazanılması aşamasında oluşan aşırı doygun çözeltiden borik asitin kolayca ayrılabilmesi deneysel olarak incelenmiştir. Reaksiyon aşamasında iki farklı asitin, sülfürik asit ve asetik asitin kullanılması ve bunların etkileri de incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonunda, reaksiyon sıcaklığı olarak 60oC'nin yeterli olduğu, kolemanit için çözücü ve reaksiyon ortamı olarak da kütlece 1:1 oranında metanol-su karışımının uygun olduğu görülmüştür.  Hem sülfürik asit, hem de asetik asit ile saf borik asit üretimi başarıyla yapılabilmiştir. Daha zayıf asit olduğundan dolayı asetik asit gereksinmesi sülfürik asite göre daha fazla olmuştur. Çalışmanın ikinci kısmında, deneysel bulguların yardımıyla belirlenen en uygun çalışma koşulları dikkate alınarak endüstriye uyarlanabilecek proses akım şemaları oluşturulmuştur.  Tipik bir üretim kapasitesi olan 100 000 ton borik asit/yıl için toplam madde denkliği yapılmış ve her akım için akış hızları ve kompozisyonları hesaplanmıştır. Kullanılması gereken ekipmanlar belirlenmiş ve bunlara ait yaklaşık boyutlandırma yapılmıştır. Daha sonra bunlara göre yaklaşık yatırım maliyetleri ve yıllık toplam giderler hesaplanmıştır.  Beklendiği gibi, sülfürik asit ve asetik asit kullanımı sabit sermaye yatırımını çok fazla etkilememiştir ve bu değer yaklaşık 53 Milyon ₺ olarak bulunmuştur.  Yıllık toplam giderler ise, sülfürik asit kullanılması durumunda 84,5 Milyon ₺/yıl ve asetik asit kullanılması durumunda 96,5 Milyon ₺/yıl olarak bulunmuştur. Bu sonuçlara göre, borik asit ürün maliyeti sülfürik asit kullanılması durumunda 845 ₺/ton ve asetik asit kullanılması durumunda 965 ₺/ton olarak hesaplanmıştır. Yatırım geri dönüş hızı sülfürik asit kullanılması durumunda %160 ve asetik asit kullanılması durumunda %140 olarak belirlenmiştir. Sabit sermaye yatırımının geri ödeme süresi de her iki durumda yaklaşık 8 ay kadardır. Tüm bu değerlendirmeler, önerilen yöntemin endüstriye uygulanabilir ve ekonomik olduğunu göstermektedir. Ayrıca, prosesten çıkan yan ürünlerin değerlendirilmesi ile kârlılığın çok daha fazla olacağı anlaşılmıştır.

Abstract:
In our country, the main boric acid production is carried out by reacting colemanite mineral in aqeous phase with sulfuric acid.  In the current production method, boric acid should be separated from dilute aqeous mother liquor with crystallization. The crystallizer used for this purpose has a very big size, an enourmous cost relative to other equipment in the process and difficulty in running the operation. The possibility of using aqueous organic phase was investigated in this research.  After a thorough search of boric acid solubility in various organic matters, it was concluded that methanol-water mixtures could be used. Colemanite solubility in methanol-water mixtures, reaction with a suitable acid in this medium and ease in boric acid separation from over saturated solution obtained during methanol recovery stage by its evaporation after the reaction were experimentally investigated. Use of two different acids, i.e. sulfuric acid and acetic acid, in the reaction and their effects were also investigated. At the end of the experimental studies, it was decided that 60oC was sufficient as the reaction temperature and 1:1 methanol-water mixture by weight was suitable as solvent for colemanite and as the reaction medium. Pure boric acid could be obtained successfully with both sulfuric acid and acetic acid. Since acetic acid is weaker, its requirement in the reaction was more than sulfuric acid. In the second part of the study, considering the most suitable operating conditions found in the experiments, process flow sheets applicable in industry were developed. Overall mass balance was made, and all the streams' flow rates and compositions were calculated for a typical production capacity of 100 000 tons boric acid/year. Required equipments were specified and their approximate sizes were determined. Then, preliminary estimates were made for fixed capital invesment and total annual cost. As it was expected, use of sulfuric acid or acetic acid did not affect the fixed capital investment too much and this value was calculated as c. 53 Million  . Total annual costs were calculated as 84,5 Million  /year for using sulfuric acid and 96,5 Million  /year for using acetic acid. According to these results, boric acid product cost was calculated as 845  /ton for using sulfuric acid and 965  /ton for using acetic acid. Rate of return on investment was 160% for using sulfuric acid and 140% for using acetic acid. Payback period of fixed capital investment was estimated to be about 8 months for both processes. All these assessments indicated that recommended method was applicable in industy and economical. Furthermore, it could be foreseen that profitability would increase more with additional income from sales of the process by-products.