Ako sa priemyselne vyrába cyklohexanón? Výrobné cesty, procesy a aplikácie

Priemyselne sa cyklohexanón vyrába hlavne oxidáciou cyklohexánu, ktorá poskytuje zmes cyklohexanol-cyklohexanónu známu ako KA olej, po ktorej nasleduje separácia a čistenie. Iné komerčné spôsoby zahŕňajú hydrogenáciu fenolu a menej často postupy založené na cyklohexéne-. Pre kupujúcich je dôležité pochopiť, ako sa cyklohexanón vyrába, pretože použitý výrobný proces cyklohexanónu priamo ovplyvňuje čistotu, náklady a spoľahlivosť dodávok -, výber cesty závisí od nákladov na suroviny, požadovanej čistoty a od toho, či výrobca vyrába aj kyselinu adipovú alebo kaprolaktám.

Čo je cyklohexanón?

• Chemický názov: cyklohexanón
• Číslo CAS: 108-94-1
• Molekulový vzorec: C₆H₁₀O
• Molekulová hmotnosť:98,14 g/mol
• Fyzická forma:Bezfarebná až svetlo{0}}žltá olejovitá kvapalina s acetónovým/mätovým-zápachom
• Hlavné aplikácie:Prekurzor kaprolaktámu (pre Nylon 6) a kyseliny adipovej (pre Nylon 66), priemyselné rozpúšťadlo a surovina pre nátery, lepidlá a iné chemické medziprodukty

Ako sa priemyselne vyrába cyklohexanón?

Komerčne sa používajú tri hlavné cesty, ktoré nie sú v praxi zameniteľné -, každá je viazaná na iný dodávateľský reťazec surovín a štruktúru nákladov.

1. Proces oxidácie cyklohexánu (najbežnejší spôsob)

Toto je dominantná priemyselná metóda, najmä tam, kde sa cyklohexanón vyrába spolu s kyselinou adipovou alebo kaprolaktámom v integrovaných výrobných závodoch nylonu. Výroba cyklohexanónu z cyklohexánu prostredníctvom tejto oxidačnej dráhy predstavuje väčšinu globálnej kapacity syntézy cyklohexanónu.

Priebeh procesu:

cyklohexán
↓
Oxidácia vzduch/kyslík (kobaltový alebo mangánový katalyzátor, 150–160 stupňov, ~0,9–1,0 MPa)
↓
KA olej (zmes cyklohexanol + cyklohexanón)
↓
Destilácia/Separácia
↓
Cyklohexanón (čistený)

Reakcia:

C₆H₁₂ + O₂ → C₆H₁₀O + H₂O

V praxi reakciou vzniká cyklohexanol aj cyklohexanón spolu - táto zmes sa nazývaKA olej(ketónový-alkoholový olej). Oxidácia sa uskutočňuje v sérii reaktorov s kvapalnou{2}}fázou s použitím rozpustného kobaltového katalyzátora (ako je naftenát kobaltu alebo oktoát kobaltnatý), pričom sa privádza predhriaty stlačený vzduch, ktorý dodáva kyslík. Kľúčové prevádzkové obmedzenie: konverzia cyklohexánu je zámerne udržiavaná pod zhruba 10 % na jeden prechod, pretože zvyšovanie konverzie znižuje selektivitu -, požadované produkty sú menej tepelne stabilné ako východiskový cyklohexán, takže nadmerná konverzia vytvára viac nežiaducich vedľajších-produktov namiesto väčšieho množstva KA oleja. To udržuje celkovú selektivitu KA okolo 80 %, pričom nezreagovaný cyklohexán sa recykluje späť do suroviny.

Prečo táto trasa dominuje priemyselne:

• Lacná surovina- Cyklohexán je relatívne lacná -nákladová, veľkoobjemová- petrochemická surovina, ktorá sa zvyčajne vyrába hydrogenáciou benzénu.
• Veľkosériová-výroba- Proces je dobre škálovateľný a je vhodný- na nepretržitú prevádzku s vysokou{2}}priepustnosťou.
• Existujúca infraštruktúra- Desaťročia inštalovanej kapacity, najmä na miestach, kde sa už vyrába kyselina adipová alebo kaprolaktám, z nej robia cestu najmenšieho odporu pre expanziu alebo novú kapacitu v integrovaných nylonových dodávateľských reťazcoch.

2. Cesta hydrogenácie fenolu

Priebeh procesu:

Fenol
↓
Hydrogenácia (katalyzátor na{0}}paládiu, ~140 stupňov )
↓
cyklohexanol (alebo priamo na cyklohexanón v jedno{0}}krokových konfiguráciách)
↓
Dehydrogenácia (ak je dvojkroková-)
↓
cyklohexanón

Táto cesta môže prebiehať buď ako jedno{0}}krokový proces (fenol hydrogenovaný priamo na cyklohexanón), alebo ako dvojkrokový proces (fenol → cyklohexanol → dehydrogenácia → cyklohexanón), v závislosti od katalyzátora a konštrukcie reaktora. Katalyzátory na báze paládia- môžu dosiahnuť výťažky cyklohexanónu nad 90 % pri hydrogenácii v jednom-reaktore s optimálnym molárnym pomerom vodíka-k-fenolu približne 2,1 na výrobu ekvivalentu KA-oleja-.

Výhody:

Vysoká čistota- Vo všeobecnosti sa považuje za čistejší proces s vyššou selektivitou ako oxidácia cyklohexánu, pretože sa vyhýba rozsiahlejšiemu{1}}rozšíreniu vedľajších produktov, ktoré pochádza z radikálnej- oxidácie cyklohexánu.

Obmedzenia:

Vyššie náklady na suroviny- Fenol je vo všeobecnosti drahší ako cyklohexán a jeho cena je viazaná na proces kuménu (benzén + propylén → kumén → fenol + acetón prostredníctvom Hockovho procesu), čím sa pridáva vrstva vystavenia trhu so surovinami, ktorú oxidácia cyklohexánu nemá v rovnakej miere.

3. Cyklohexénová-trasa

Priebeh procesu:

Cyklohexén (zo selektívnej hydrogenácie benzénu)
↓
Hydratácia
↓
cyklohexanol
↓
Dehydrogenácia
↓
cyklohexanón

Táto cesta vychádza z cyklohexénu, ktorý sa sám vyrába parciálnou (selektívnou) hydrogenáciou benzénu -, čo je prvý zložitejší krok než jednoduchá úplná hydrogenácia benzénu na cyklohexán, ktorý však otvára inú reakčnú cestu. Cyklohexén sa hydratuje na cyklohexanol, ktorý sa potom dehydrogenuje na cyklohexanón.

Charakteristika:

• Alternatívna trasa- V celosvetovom meradle sa používa menej ako oxidácia cyklohexánu, ale používa sa komerčne, najmä v procesoch vyvinutých na priamu výrobu nylonových medziproduktov.
• Lepšia selektivita- Môže ponúknuť lepšie profily selektivity v porovnaní s priamou oxidáciou cyklohexánu, pretože sa vyhýba niektorým radikálnym-reťazovým vedľajším reakciám, ktoré sú tomuto procesu vlastné.

Vývojový diagram procesu výroby cyklohexanónu

Najbežnejšia komerčná cesta, oxidácia cyklohexánu, sa riadi touto celkovou sekvenciou:

cyklohexán
|
Oxidačný reaktor
(Co/Mn katalyzátor, 150-160 stupňov, vzduch/O2)
|
KA olej
(cyklohexanol + cyklohexanón)
|
Separácia
|
Destilácia
|
cyklohexanón
(čistený produkt)

Ak je konečným cieľovým produktom cyklohexanón (skôr ako medziprodukt na ceste ku kyseline adipovej), cyklohexanolová frakcia oleja KA sa typicky katalyticky dehydrogenuje, aby sa premenila na ďalší cyklohexanón, čím sa maximalizuje výťažok požadovaného ketónu, a nie spracovanie cyklohexanolu ako vedľajšieho produktu.

Porovnanie výrobných ciest priemyselného cyklohexanónu

Čítanie tejto tabuľky v kontexte je dôležitejšie ako jednotlivé bunky:najlepšia metóda výroby cyklohexanónu úplne závisí od toho, čo ešte výrobca vyrába.Miesto integrované s výrobou kyseliny adipovej alebo kaprolaktámu bude takmer vždy uprednostňovať oxidáciu cyklohexánu, pretože KA olej je spoločnou surovinou pre cyklohexanón aj kyselinu adipovú a kapitál už existuje. Samostatný výrobca cyklohexanónu bez tejto následnej integrácie alebo výrobca, ktorý uprednostňuje čistotu pre farmaceutické aplikácie alebo aplikácie špeciálnych rozpúšťadiel, s väčšou pravdepodobnosťou zváži hydrogenáciu fenolu napriek vyšším nákladom na suroviny.

Prečo je oxidácia cyklohexánu dominantnou priemyselnou metódou?

Okrem už opísaných výhod na úrovni procesu-vysvetľuje niekoľko štrukturálnych faktorov, prečo tento spôsob zahŕňa väčšinu globálnej výrobnej kapacity:

• náklady- Cyklohexán je hromadná petrochemická látka s dobre-zavedenými, konkurencieschopnými cenami, na rozdiel od fenolu, ktorý má vysokú cenu spojenú s ekonómiou koprodukcie kuménu/acetónu-.
• Dostupnosť- Cyklohexán sa vyrába vo veľkom meradle špeciálne na napájanie tohto reťazca so spoľahlivými globálnymi dodávkami.
• Mierka- Tento proces je overený pri veľmi veľkých kapacitách jednotlivých-vlakov, čo znižuje-jednotkové kapitálové náklady pre veľkých výrobcov.
• Existujúci priemysel Nylon 6/Nylon 66- Väčšina globálnych kapacít cyklohexanónu sa nachádza na integrovaných miestach alebo v ich blízkosti, ktoré už spotrebúvajú KA olej na výrobu kyseliny adipovej (Nylon 66) alebo smerujú cyklohexanón ďalej ku kaprolaktámu (Nylon 6), takže oxidačná cesta skôr posilňuje existujúce kapitálové investície než vyžaduje samostatný dodávateľský reťazec fenolu.

Úloha cyklohexanónu pri výrobe nylonu 6

Toto je jediný najväčší hnací motor celosvetového dopytu po cyklohexanóne a stojí za to pochopiť celý reťazec:

cyklohexán
↓
cyklohexanón
↓
Cyklohexanón-oxím (reakcia s hydroxylamínom)
↓
Beckmannovo preusporiadanie
↓
kaprolaktám
↓
Nylon 6

Cyklohexanón sa najprv premení na cyklohexanónoxím reakciou s hydroxylamínom (alebo soľou hydroxylamínu). Oxím potom podliehaBeckmannova prestavba- kyselina-katalyzovaná reakcia, ktorá reorganizuje oxím na sedem{2}}členný kruh laktámu, kaprolaktám. Kaprolaktám sa potom polymerizáciou-krúžku vyrobíNylon 6, jeden z celosvetovo najrozšírenejších syntetických vlákien a technických plastov.

Za zmienku stojí paralelný reťazec pre Nylon 66: v takom prípade sa celá zmes KA oleja (cyklohexanol aj cyklohexanón) ďalej oxiduje, zvyčajne kyselinou dusičnou, nakyselina adipová, ktorý sa potom kombinuje s hexametyléndiamínom za vzniku nylonu 66. To je dôvod, prečo integrované miesta oxidácie cyklohexánu- často produkujú cyklohexanón (pre reťazec nylonu 6) aj kyselinu adipovú (pre reťazec nylonu 66) z rovnakého prúdu oleja KA, čím sa rozdelenie upravuje na základe dopytu na trhu pre každý typ nylonu.

Priemyselné aplikácie cyklohexanónu

• Výroba nylonu- Primárna aplikácia ako prekurzor kaprolaktámu (Nylon 6) a prostredníctvom KA oleja kyseliny adipovej (Nylon 66).
• Rozpúšťadlo- Používa sa ako silné rozpúšťadlo pre živice, laky a rôzne polyméry, najmä tam, kde je potrebná dobrá rozpustnosť pre polárne aj -nepolárne materiály.
• Nátery- Bežná zložka rozpúšťadla v priemyselných náteroch a formuláciách farieb, cenená pre svoju rýchlosť odparovania a profil rozpustnosti.
• Lepidlá- Používa sa v lepidlách, najmä tam, kde pomáha rozpúšťať alebo aktivovať polymérne zložky.
• Chemické medziprodukty- Surovina pre rôzne následné chemické syntézy mimo nylonového reťazca.

Požiadavky na kvalitu cyklohexanónu pre priemyselných nákupcov

Čistota a konzistencia sú dôležité pre následné spracovanie, pretože nečistoty môžu interferovať s oximačnými a polymerizačnými reakciami. Typické priemyselné špecifikácie zahŕňajú:

Cyklohexanón je klasifikovaný ako horľavá kvapalina (bod vzplanutia približne 44 stupňov) a zvyčajne sa dodáva v 55-galónových (208 l) oceľových sudoch, cisternách alebo cisternách. Nie je žieravý a na prepravu alebo skladovanie sa vo všeobecnosti nevyžaduje zakrytie inertným plynom-. Musí však byť stále označené ako horľavý/horľavý materiál a skladované mimo dosahu tepla, iskier a otvoreného ohňa.

Ako si vybrať spoľahlivého dodávateľa cyklohexanónu?

Pre priemyselných nákupcov, najmä tých, ktorí napájajú nylón alebo špeciálne chemické procesy, by preverovanie dodávateľa malo ísť nad rámec ceny:

• Certifikát analýzy (COA)- Každá šarža by sa mala dodávať s certifikátom pravosti potvrdzujúcim čistotu, obsah vody, kyslosť a farebné špecifikácie podľa požadovaného stupňa kvality.
• Karta bezpečnostných údajov (KBÚ)- Aktuálna dokumentácia SDS pre manipuláciu, skladovanie a prepravu.
• Technický list (TDS)- Podrobné údaje o fyzikálnych/chemických vlastnostiach špecifické pre triedu produktu dodávateľa.
• Certifikácia ISO- Certifikácia manažérstva kvality podľa normy ISO 9001 (alebo ekvivalentnej) znamená konzistentnejšiu kontrolu kvality jednotlivých šarží-k{3}}zásobám.
• Exportné skúsenosti- Záznam o medzinárodnej preprave, colnej dokumentácii a súlade s predpismi na-trhovom trhu o chemikáliách (napr. REACH pre EÚ).
• Balenie- Potvrďte, že možnosti suda, IBC, nádrže ISO alebo hromadného balenia zodpovedajú vašim požiadavkám na objem a možnosti skladovania/manipulácie.

Často kladené otázky

Ako sa cyklohexanón vyrába priemyselne?

Hlavne prostredníctvom katalytickej oxidácie cyklohexánu vzduchom, pri ktorej vzniká zmes cyklohexanol-cyklohexanónu (KA olej), ktorá sa potom separuje a čistí. Spôsoby hydrogenácie fenolu a cyklohexénu- sa používajú ako alternatívne komerčné metódy, najmä tam, kde je prioritou vyššia čistota alebo odlišná ekonomika surovín.

Čo je hlavnou surovinou pre cyklohexanón?

Cyklohexán je celosvetovo dominantnou surovinou prostredníctvom oxidačnej cesty. Fenol je hlavnou surovinou pre alternatívnu hydrogenačnú cestu.

Je cyklohexanón vyrobený z benzénu?

Nepriamo áno. Dominantnou cestou sa benzén najskôr hydrogenuje na cyklohexán, ktorý sa potom oxiduje na cyklohexanón (cez KA olej). Pri ceste založenej na cyklohexéne- sa benzén čiastočne (selektívne) hydrogenuje na cyklohexén a nie úplne na cyklohexán, potom sa hydratuje a dehydrogenuje na cyklohexanón. Pri fenolovej ceste sa benzén typicky konvertuje na kumén, potom na fenol, pred hydrogenáciou na cyklohexanón.

Čo je KA olej pri výrobe cyklohexanónu?

KA olej ("ketón-alkoholový" olej) je zmiešaný produktový prúd cyklohexanol/cyklohexanón generovaný katalytickou oxidáciou cyklohexánu vzduchom. Rozdeľuje sa destiláciou na jednotlivé zložky a akýkoľvek cyklohexanol určený na výrobu cyklohexanónu sa typicky ďalej dehydrogenuje, aby sa zvýšil celkový výťažok cyklohexanónu.

Aký je vzťah medzi cyklohexanónom a kaprolaktámom?

Cyklohexanón je priamym prekurzorom kaprolaktámu. Premieňa sa na cyklohexanónoxím (prostredníctvom reakcie s hydroxylamínom), ktorý potom podlieha Beckmannovmu prešmyku za vzniku kaprolaktámu - monoméru, ktorý je-otvorom kruhu polymerizovaným za vzniku Nylonu 6.

Ktorá metóda sa najčastejšie používa na výrobu cyklohexanónu?

Oxidácia cyklohexánu na KA olej je celosvetovo najpoužívanejšou komerčnou metódou, najmä kvôli nižším nákladom na suroviny a jej integrácii s existujúcou infraštruktúrou výroby kyseliny adipovej a kaprolaktámu.

Je výroba cyklohexanónu šetrná k životnému prostrediu?

Ako väčšina-petrochemických procesov vo veľkom meradle, aj výroba cyklohexanónu nesie environmentálne aspekty spojené so spotrebou energie, emisiami VOC a vedľa{1}}manažmentom produktov (najmä z dôvodu nižšej selektivity oxidačnej cesty-prechodu). Výrobcovia to zvládajú prostredníctvom recyklácie katalyzátora, prostredníctvom{4}}zhodnocovania produktov a kontroly emisií, ale žiadna veľká komerčná cesta nemá „nulový{5}}vplyv“ -. Kupujúci so špecifickými požiadavkami na environmentálne zdroje by sa mali pýtať priamo dodávateľov na cestu ich procesu a údaje o emisiách, než predpokladať na základe všeobecných priemyselných tvrdení.