Cum este fabricată industrial ciclohexanona? Rute de producție, procese și aplicații

Industrial, ciclohexanona este produsă în principal prin oxidarea ciclohexanului, care dă un amestec de ciclohexanol-ciclohexanonă cunoscut sub numele de ulei KA, urmat de separare și purificare. Alte căi comerciale includ hidrogenarea fenolului și, mai puțin frecvent, procesele pe bază de ciclohexenă-. Înțelegerea modului în care se produce ciclohexanona contează pentru cumpărători, deoarece procesul de producție de ciclohexanonă utilizat afectează în mod direct puritatea, costul și fiabilitatea aprovizionării - alegerea rutei depinde de costul materiei prime, puritatea dorită și dacă producătorul produce și acid adipic sau caprolactamă în aval.

Ce este ciclohexanona?

• Denumire chimică: Ciclohexanona
• Număr CAS: 108-94-1
• Formula moleculară: C₆H₁₀O
• Greutate moleculară:98,14 g/mol
• Forma fizica:Lichid uleios incolor până la -galben pal, cu un miros asemănător acetonei/mentei-
• Aplicatii principale:Precursor al caprolactamei (pentru Nylon 6) și acidului adipic (pentru Nylon 66), solvent industrial și materie primă pentru acoperiri, adezivi și alți intermediari chimici

Cum este fabricată industrial ciclohexanona?

Trei rute principale sunt utilizate comercial și nu sunt interschimbabile în practică - fiecare este legată de un lanț de aprovizionare cu materii prime și de o structură de costuri diferite.

1. Procesul de oxidare a ciclohexanului (Cea mai comună cale)

Aceasta este metoda industrială dominantă, în special în cazul în care ciclohexanona este produsă alături de acid adipic sau caprolactamă la locurile de producție integrate de nailon. Producerea ciclohexanonei din ciclohexan prin această cale de oxidare reprezintă cea mai mare parte a capacității globale de sinteză a ciclohexanonei.

Fluxul procesului:

Ciclohexan
↓
Oxidarea aerului/oxigenului (catalizator de cobalt sau mangan, 150–160 grade, ~0,9–1,0 MPa)
↓
Ulei KA (amestec de ciclohexanol + ciclohexanonă)
↓
Distilare/Separare
↓
Ciclohexanonă (purificată)

Reacţie:

C₆H₁₂ + O₂ → C₆H₁₀O + H₂O

În practică, reacția produce împreună atât ciclohexanol, cât și ciclohexanonă - acest amestec se numeșteulei KA(ulei-cetonică). Oxidarea se efectuează într-o serie de reactoare în fază lichidă, folosind un catalizator de cobalt solubil (cum ar fi naftenatul de cobalt sau octoatul de cobalt), cu aer comprimat preîncălzit pentru a furniza oxigen. O constrângere cheie de funcționare: conversia ciclohexanului este menținută în mod deliberat sub aproximativ 10% pe trecere, deoarece împingerea conversiei mai mare degradează selectivitatea - produsele dorite sunt mai puțin stabile termic decât ciclohexanul de pornire, astfel încât conversia în exces generează mai multe produse nedorite-decât mai mult ulei KA. Acest lucru menține selectivitatea generală a KA în jur de 80%, ciclohexanul nereacționat fiind reciclat înapoi în furaj.

De ce această rută domină industrial:

• Materia prima ieftina- Ciclohexanul este o materie primă petrochimică cu cost-relativ scăzut,-de volum mare, produsă de obicei prin hidrogenarea benzenului.
• Producție la scară mare{0}- Procesul se scalează bine și este bine-potrivit operațiunii continue, cu-debit ridicat.
• Infrastructura existenta- Decenii de capacitate instalată, în special în locații care produc deja acid adipic sau caprolactamă, fac din aceasta calea cu cea mai mică rezistență pentru extindere sau pentru noi capacități în lanțurile de aprovizionare integrate din nailon.

2. Calea de hidrogenare a fenolului

Fluxul procesului:

Fenol
↓
Hidrogenare (catalizator pe bază de paladiu, ~140 de grade)
↓
Ciclohexanol (sau direct la Ciclohexanonă în configurații cu un singur-pas)
↓
Dehidrogenare (dacă sunt doi-pași)
↓
Ciclohexanona

Această rută poate fi desfășurată fie ca proces într-un singur-pas (fenol hidrogenat direct în ciclohexanonă), fie ca proces în două-etape (fenol → ciclohexanol → dehidrogenare → ciclohexanonă), în funcție de catalizatorul și proiectarea reactorului. Catalizatorii pe bază de paladiu-poate obține randamente de ciclohexanonă de peste 90% în hidrogenarea cu un singur-reactor, cu un raport molar optim de hidrogen-la{-fenol de aproximativ 2,1 pentru producția de echivalent KA{-ulei-.

Avantaje:

Puritate ridicată- Considerat în general un proces mai curat, cu o selectivitate mai mare decât oxidarea ciclohexanului, deoarece evită răspândirea mai largă a-produsului care provine din oxidarea ciclohexanului mediată-de radicali.

Limitări:

Cost mai mare al materiilor prime- Fenolul este, în general, mai scump decât ciclohexanul, iar prețul său este legat de procesul cumenului (benzen + propilenă → cumen → fenol + acetonă prin procesul Hock), adăugând un strat de expunere pe piața materiei prime pe care oxidarea ciclohexanului nu îl are în același grad.

3. Traseu bazat pe ciclohexenă-

Fluxul procesului:

Ciclohexenă (din hidrogenarea selectivă a benzenului)
↓
Hidratarea
↓
Ciclohexanol
↓
Dehidrogenare
↓
Ciclohexanona

Această rută începe de la ciclohexenă, ea însăși produsă prin hidrogenarea parțială (selectivă) a benzenului -, un prim pas mai complex decât simpla hidrogenare a benzenului în ciclohexan, dar care deschide o cale de reacție diferită. Ciclohexena este hidratată în ciclohexanol, care este apoi dehidrogenat în ciclohexanonă.

Caracteristici:

• Rută alternativă- Adopta mai puțin pe scară largă la nivel global decât oxidarea ciclohexanului, dar utilizată comercial, în special în procesele dezvoltate pentru producția directă a intermediarilor de nailon.
• Selectivitate mai bună- Poate oferi profiluri de selectivitate îmbunătățite în comparație cu oxidarea directă a ciclohexanului, deoarece evită unele dintre reacțiile secundare în lanț radical-inerente procesului respectiv.

Diagrama fluxului procesului de fabricație a ciclohexanonei

Cea mai comună cale comercială, oxidarea ciclohexanului, urmează această secvență generală:

Ciclohexan
|
Reactor de oxidare
(catalizator Co/Mn, 150-160 grade, aer/O2)
|
KA Ulei
(ciclohexanol + ciclohexanonă)
|
Separare
|
Distilare
|
Ciclohexanona
(produs purificat)

Acolo unde ciclohexanona este produsul țintă final (mai degrabă decât un intermediar pe drumul către acidul adipic), fracția de ciclohexanol a uleiului KA este dehidrogenată catalitic pentru a o transforma în ciclohexanonă suplimentară, maximizând randamentul cetonei dorite, mai degrabă decât tratând ciclohexanolul ca un co-produs.

Comparația rutelor industriale de producție a ciclohexanonei

Citirea acestui tabel în context contează mai mult decât celulele individuale:cea mai bună metodă de producție a ciclohexanonei depinde în totalitate de ce mai face un producător.Un loc integrat cu producția de acid adipic sau caprolactamă va favoriza aproape întotdeauna oxidarea ciclohexanului, deoarece uleiul KA este materia primă comună atât pentru ciclohexanonă, cât și pentru acidul adipic, iar capitalul este deja în vigoare. Un producător de ciclohexanonă independent, fără acea integrare în aval, sau unul care prioritizează puritatea pentru aplicații farmaceutice sau de specialitate-solvenți, are mai multe șanse să ia în considerare hidrogenarea fenolului, în ciuda costului mai mare al materiei prime.

De ce este oxidarea ciclohexanului metoda industrială dominantă?

Dincolo de avantajele-la nivel de proces descrise deja, câțiva factori structurali explică de ce această rută deține cea mai mare parte a capacității de producție globale:

• Cost- Ciclohexanul este o substanță petrochimică în vrac cu prețuri-concurențiale bine stabilite, spre deosebire de fenol, care implică o majoră de cost legată de co-economia de producție de cumen/acetonă.
• Disponibilitate- Ciclohexanul este produs la scară special pentru a alimenta acest lanț, cu aprovizionare globală fiabilă.
• Scară- Procesul este dovedit la capacități de tren unice-foarte mari, ceea ce reduce costul de capital pe-unitate pentru marii producători.
• Industria Nylon 6/Nylon 66 existentă- Cea mai mare parte a capacității globale de ciclohexanonă se află la sau în apropierea locațiilor integrate care consumă deja ulei KA pentru acid adipic (Nylon 66) sau direcționează ciclohexanona mai departe către caprolactamă (Nylon 6), astfel încât ruta de oxidare consolidează investițiile de capital existente, mai degrabă decât să necesite un lanț separat de aprovizionare cu fenol.

Rolul ciclohexanonei în producția de Nylon 6

Acesta este cel mai mare factor de cerere pentru ciclohexanonă la nivel global și merită să înțelegeți întregul lanț:

Ciclohexan
↓
Ciclohexanona
↓
Cyclohexanon Oxime (reacție cu hidroxilamină)
↓
Rearanjare Beckmann
↓
caprolactamă
↓
Nailon 6

Ciclohexanona este mai întâi transformată în ciclohexanon oximă prin reacția cu hidroxilamină (sau o sare de hidroxilamină). Oxima este apoi supusăRearanjare Beckmann- o reacție catalizată-acidului care reorganizează oxima într-un lactam inel cu șapte-membri, caprolactamă. Caprolactama este apoi polimerizată prin deschiderea-ciclului pentru a produceNailon 6, una dintre cele mai produse fibre sintetice și materiale plastice de inginerie la nivel global.

Merită remarcat lanțul paralel pentru Nylon 66: în acest caz, amestecul complet de ulei KA (atât ciclohexanol, cât și ciclohexanonă) este oxidat în continuare, de obicei cu acid azotic, pentruacid adipic, care este apoi combinată cu hexametilendiamină pentru a produce Nylon 66. Acesta este motivul pentru care site-urile integrate de oxidare a ciclohexanului-produc adesea atât ciclohexanonă (pentru lanțul Nylon 6) cât și acid adipic (pentru lanțul Nylon 66) din același flux de ulei KA, ajustând împărțirea în funcție de cererea pieței pentru fiecare tip de nailon.

Aplicații industriale ale ciclohexanonei

• Productie de nailon- Aplicația principală, ca precursor al caprolactamei (Nylon 6) și, prin intermediul uleiului KA, acid adipic (Nylon 66).
• Solvent- Folosit ca solvent puternic pentru rășini, lacuri și diferiți polimeri, în special acolo unde este necesară o bună solvabilitate atât pentru materiale polare, cât și pentru materiale ne-polare.
• Acoperiri- O componentă de solvenți obișnuită în vopselele industriale și formulările de vopsea, apreciată pentru rata de evaporare și profilul de solvabilitate.
• Adezivi- Folosit în formulările adezive, în special acolo unde ajută la dizolvarea sau activarea componentelor polimerice.
• Intermediari chimici- O materie primă pentru diferite sinteze chimice din aval, dincolo de lanțul de nailon.

Cerințe de calitate pentru ciclohexanona pentru cumpărătorii industriali

Puritatea și consistența contează în mod semnificativ pentru procesarea în aval, deoarece impuritățile pot interfera cu reacțiile de oximare și polimerizare. Specificațiile industriale tipice includ:

Ciclohexanona este clasificată ca lichid combustibil (punct de aprindere în jur de 44 de grade ) și este de obicei expediată în butoaie de oțel de 55-galoane (208 L), vagoane-cisternă sau camioane-cisternă. Nu este coroziv, iar acoperirea cu gaz-inert nu este, în general, necesară pentru transport sau depozitare - dar trebuie totuși etichetată ca material inflamabil/combustibil și depozitată departe de căldură, scântei și flacără deschisă.

Cum să alegi un furnizor de încredere de ciclohexanonă?

Pentru cumpărătorii industriali, în special cei care alimentează în aval nailon sau procese chimice de specialitate, verificarea furnizorului ar trebui să depășească prețul:

• Certificat de analiză (COA)- Fiecare lot trebuie să fie livrat cu un COA care confirmă puritatea, conținutul de apă, aciditatea și specificațiile de culoare față de gradul necesar.
• Fișă cu date de securitate (FDS)- Documentația SDS actuală pentru conformitate cu manipularea, depozitarea și transportul.
• Fișă cu date tehnice (TDS)- Date detaliate privind proprietățile fizice/chimice specifice gradului de produs al furnizorului.
• Certificare ISO- Certificarea de management al calității ISO 9001 (sau echivalent) indică un control al calității mai consecvent de la lot-la-loturi.
• Experiență de export- Un istoric de expediere internațională, documentație vamală și conformitate cu reglementările privind produsele chimice ale pieței de destinație-(de exemplu, REACH pentru UE).
• Ambalare- Confirmați că opțiunile de tambur, IBC, rezervor ISO sau vrac corespund cerințelor dvs. de volum și capacității de depozitare/manipulare.

Întrebări frecvente

Cum este produsă industrial ciclohexanona?

În principal prin oxidarea catalitică în aer a ciclohexanului, care produce un amestec de ciclohexanol-ciclohexanonă (ulei KA) care este apoi separat și purificat. Hidrogenarea fenolului și rutele pe bază de-ciclohexenă sunt utilizate ca metode comerciale alternative, în special acolo unde puritatea mai mare sau economia diferită a materiei prime sunt prioritare.

Care este principala materie primă pentru ciclohexanona?

Ciclohexanul este materia primă dominantă la nivel global, prin calea de oxidare. Fenolul este principala materie primă pentru calea alternativă de hidrogenare.

Este ciclohexanona făcută din benzen?

Indirect, da. Pe calea dominantă, benzenul este mai întâi hidrogenat în ciclohexan, care este apoi oxidat pentru a produce ciclohexanonă (prin ulei KA). Pe calea pe bază de ciclohexenă-, benzenul este parțial (selectiv) hidrogenat în ciclohexenă, mai degrabă decât complet în ciclohexan, apoi este hidratat și dehidrogenat în ciclohexanonă. Pe calea fenolului, benzenul este de obicei transformat în cumen, apoi în fenol, înainte de hidrogenare în ciclohexanonă.

Ce este uleiul KA în producția de ciclohexanonă?

Uleiul KA (ulei de „cetonă-alcool”) este fluxul de produs mixt ciclohexanol/ciclohexanonă generat de oxidarea catalitică în aer a ciclohexanului. Este separat prin distilare în compușii săi componente și orice ciclohexanol destinat producției de ciclohexanonă este, de obicei, dehidrogenat în continuare pentru a crește randamentul total de ciclohexanonă.

Care este relația dintre ciclohexanonă și caprolactamă?

Ciclohexanona este precursorul direct al caprolactamei. Este transformată în ciclohexanonoximă (prin reacție cu hidroxilamină), care apoi este supusă rearanjamentului Beckmann pentru a forma caprolactamă - monomerul care se polimerizează prin deschiderea inelului- pentru a produce Nylon 6.

Care metodă este folosită cel mai frecvent pentru a produce ciclohexanona?

Oxidarea ciclohexanului la ulei KA este cea mai utilizată metodă comercială la nivel global, în mare parte datorită costului mai scăzut al materiilor prime și integrării acesteia cu infrastructura de producție existentă a acidului adipic și a caprolactamei.

Producția de ciclohexanonă este ecologică?

La fel ca majoritatea proceselor petrochimice-la scară largă, producția de ciclohexanonă implică considerații de mediu legate de utilizarea energiei, emisiile de COV și de managementul-produsului (în special din cauza selectivității mai scăzute pe-persecție a rutei de oxidare). Producătorii le gestionează prin reciclarea catalizatorului, prin-recuperarea produselor și controlul emisiilor, dar nicio cale comercială majoră nu are „impact-zero” - Cumpărătorii cu cerințe specifice de aprovizionare de mediu ar trebui să întrebe direct furnizorii despre traseul procesului și despre datele despre emisii, în loc să presupună pe baza afirmațiilor generale ale industriei.