Jak se cyklohexanon vyrábí průmyslově? Výrobní cesty, procesy a aplikace

Průmyslově se cyklohexanon vyrábí hlavně oxidací cyklohexanu, která poskytuje směs cyklohexanol-cyklohexanonu známou jako KA olej, po které následuje separace a čištění. Mezi další komerční cesty patří hydrogenace fenolu a méně často postupy založené na cyklohexenu-. Pro kupující je důležité pochopit, jak se cyklohexanon vyrábí, protože použitý proces výroby cyklohexanonu přímo ovlivňuje čistotu, náklady a spolehlivost dodávek -, výběr cesty závisí na ceně suroviny, požadované čistotě a na tom, zda výrobce vyrábí také kyselinu adipovou nebo kaprolaktam.

Co je cyklohexanon?

• Chemický název: Cyklohexanon
• Číslo CAS: 108-94-1
• Molekulární vzorec: C₆H₁₀O
• Molekulová hmotnost:98,14 g/mol
• Fyzická podoba:Bezbarvá až bledě{0}}žlutá olejovitá kapalina s vůní připomínající aceton/mátu-
• Hlavní aplikace:Prekurzor kaprolaktamu (pro Nylon 6) a kyseliny adipové (pro Nylon 66), průmyslové rozpouštědlo a surovina pro nátěry, lepidla a další chemické meziprodukty

Jak se cyklohexanon vyrábí průmyslově?

Komerčně se používají tři hlavní cesty, které nejsou v praxi zaměnitelné - každá je vázána na jiný dodavatelský řetězec surovin a strukturu nákladů.

1. Proces oxidace cyklohexanu (nejběžnější cesta)

Jedná se o dominantní průmyslovou metodu, zejména tam, kde se cyklohexanon vyrábí spolu s kyselinou adipovou nebo kaprolaktamem v integrovaných výrobních závodech nylonu. Výroba cyklohexanonu z cyklohexanu prostřednictvím této oxidační cesty představuje většinu globální kapacity syntézy cyklohexanonu.

Průběh procesu:

cyklohexan
↓
Oxidace vzduch/kyslík (kobaltový nebo manganový katalyzátor, 150–160 stupňů, ~0,9–1,0 MPa)
↓
KA olej (směs cyklohexanol + cyklohexanon)
↓
Destilace/Separace
↓
Cyklohexanon (čištěný)

Reakce:

C₆H₁₂ + O₂ → C₆H₁₀O + H₂O

V praxi reakce společně produkuje jak cyklohexanol, tak cyklohexanon - tato směs se nazýváKA olej(keton-alkoholový olej). Oxidace se provádí v řadě reaktorů v kapalné fázi-za použití rozpustného kobaltového katalyzátoru (jako je naftenát kobaltu nebo oktoát kobaltu) s předehřátým stlačeným vzduchem, který se přivádí kyslíkem. Klíčové provozní omezení: konverze cyklohexanu je záměrně udržována pod zhruba 10 % na jeden průchod, protože zvýšení konverze snižuje selektivitu -, požadované produkty jsou méně tepelně stabilní než výchozí cyklohexan, takže nadměrná konverze vytváří více nežádoucích-produktů spíše než více KA oleje. To udržuje celkovou selektivitu KA kolem 80 %, přičemž nezreagovaný cyklohexan se recykluje zpět do suroviny.

Proč tato trasa průmyslově dominuje:

• Levná surovina- Cyklohexan je relativně levná -nákladová, velkoobjemová- petrochemická surovina, která se obvykle vyrábí hydrogenací benzenu.
• Velkosériová-výroba- Proces je dobře škálovatelný a je dobře-vhodný pro nepřetržitý-propustný provoz.
• Stávající infrastruktura- Desítky let instalované kapacity, zejména v závodech, kde se již vyrábí kyselina adipová nebo kaprolaktam, z nich činí cestu nejmenšího odporu pro expanzi nebo novou kapacitu v integrovaných nylonových dodavatelských řetězcích.

2. Cesta hydrogenace fenolu

Průběh procesu:

Fenol
↓
Hydrogenace (katalyzátor na -palladiu, ~140 stupňů)
↓
Cyklohexanol (nebo přímo na cyklohexanon v jedno{0}}krokových konfiguracích)
↓
Dehydrogenace (pokud je dvou-kroková)
↓
Cyklohexanon

Tato cesta může probíhat buď jako jedno{0}}krokový proces (fenol hydrogenovaný přímo na cyklohexanon), nebo dvoustupňový proces (fenol → cyklohexanol → dehydrogenace → cyklohexanon), v závislosti na katalyzátoru a konstrukci reaktoru. Katalyzátory na bázi palladia- mohou dosáhnout výtěžků cyklohexanonu nad 90 % při hydrogenaci v jednom-reaktoru s optimálním molárním poměrem vodíku-k-fenolu přibližně 2,1 pro výrobu ekvivalentu KA-oleje-.

výhody:

Vysoká čistota- Obecně považován za čistší proces s vyšší selektivitou než oxidace cyklohexanu, protože se vyhýbá širšímu -rozšíření produktů, které pochází z radikální- oxidace cyklohexanu.

Omezení:

Vyšší cena surovin- Fenol je obecně dražší než cyklohexan a jeho cena je vázána na kumenový proces (benzen + propylen → kumen → fenol + aceton prostřednictvím Hockova procesu), což přidává vrstvu expozice na trhu se surovinami, kterou oxidace cyklohexanu nemá ve stejné míře.

3. Cyklohexenová-cesta

Průběh procesu:

Cyklohexen (ze selektivní hydrogenace benzenu)
↓
Hydratace
↓
cyklohexanol
↓
Dehydrogenace
↓
Cyklohexanon

Tato cesta vychází z cyklohexenu, který se sám vyrábí částečnou (selektivní) hydrogenací benzenu -, což je složitější první krok než jednoduchá úplná hydrogenace benzenu na cyklohexan, ale otevírá jinou reakční cestu. Cyklohexen se hydratuje na cyklohexanol, který se pak dehydrogenuje na cyklohexanon.

Vlastnosti:

• Alternativní trasa- Celosvětově méně rozšířené než oxidace cyklohexanu, ale komerčně používané, zejména v procesech vyvinutých pro přímou výrobu nylonových meziproduktů.
• Lepší selektivita- Může nabídnout lepší profily selektivity ve srovnání s přímou oxidací cyklohexanu, protože se vyhýbá některým z radikálových-řetězových vedlejších reakcí, které jsou tomuto procesu vlastní.

Vývojový diagram procesu výroby cyklohexanonu

Nejběžnější komerční cesta, oxidace cyklohexanu, sleduje tuto celkovou sekvenci:

cyklohexan
|
Oxidační reaktor
(Co/Mn katalyzátor, 150-160 stupňů, vzduch/O2)
|
Olej KA
(cyklohexanol + cyklohexanon)
|
Oddělení
|
Destilace
|
Cyklohexanon
(čištěný produkt)

Tam, kde je cyklohexanon koncovým cílovým produktem (spíše než meziproduktem na cestě ke kyselině adipové), se cyklohexanolová frakce KA oleje typicky katalyticky dehydrogenuje, aby se přeměnila na další cyklohexanon, čímž se maximalizuje výtěžek požadovaného ketonu spíše než zpracováním cyklohexanolu jako ko{0}}produktu.

Srovnání výrobních cest průmyslového cyklohexanonu

Čtení této tabulky v kontextu je důležitější než jednotlivé buňky:nejlepší způsob výroby cyklohexanonu zcela závisí na tom, co dalšího výrobce vyrábí.Místo integrované s výrobou kyseliny adipové nebo kaprolaktamu bude téměř vždy upřednostňovat oxidaci cyklohexanu, protože KA olej je sdílenou surovinou pro cyklohexanon i kyselinu adipovou a kapitál je již zaveden. Samostatný výrobce cyklohexanonu bez této následné integrace nebo výrobce upřednostňující čistotu pro farmaceutické aplikace nebo aplikace speciálních-rozpouštědel bude pravděpodobněji zvažovat hydrogenaci fenolu navzdory vyšším nákladům na suroviny.

Proč je oxidace cyklohexanu dominantní průmyslovou metodou?

Kromě již popsaných výhod na úrovni procesu-vysvětluje několik strukturálních faktorů, proč tato cesta drží většinu globální výrobní kapacity:

• Náklady- Cyklohexan je velkoobjemová petrochemie s dobře-zavedenými, konkurenceschopnými cenami, na rozdíl od fenolu, u kterého jsou náklady spojené s ekonomikou koprodukce kumenu/acetonu-.
• Dostupnost- Cyklohexan se vyrábí ve velkém měřítku speciálně pro zásobování tohoto řetězce se spolehlivými globálními dodávkami.
• Měřítko- Tento proces se osvědčil na velmi velkých-kapacitách jednotlivých vlaků, což u hlavních výrobců snižuje-jednotkové kapitálové náklady.
• Stávající odvětví nylonu 6/Nylonu 66- Většina globální kapacity pro cyklohexanon se nachází v integrovaných závodech nebo v jejich blízkosti, které již spotřebovávají KA olej na kyselinu adipovou (Nylon 66) nebo směrují cyklohexanon dále ke kaprolaktamu (Nylon 6), takže oxidační cesta spíše posiluje stávající kapitálové investice než vyžaduje samostatný dodavatelský řetězec fenolu.

Role cyklohexanonu při výrobě nylonu 6

Jedná se o jediný největší celosvětový motor poptávky po cyklohexanonu a stojí za to pochopit celý řetězec:

cyklohexan
↓
Cyklohexanon
↓
Cyklohexanon oxim (reakce s hydroxylaminem)
↓
Beckmannovo přeskupení
↓
kaprolaktam
↓
Nylon 6

Cyklohexanon se nejprve převede na cyklohexanonoxim reakcí s hydroxylaminem (nebo hydroxylaminovou solí). Oxim pak podstoupíBeckmannovo přeskupení- kyselina-katalyzovaná reakce, která reorganizuje oxim na sedmi{2}}členný kruhový laktam, kaprolaktam. Kaprolaktam se poté polymeruje-otevřením kruhu a vznikáNylon 6, jedno z celosvětově nejrozšířenějších syntetických vláken a technických plastů.

Za zmínku stojí paralelní řetězec pro Nylon 66: v takovém případě se celá směs KA oleje (cyklohexanol i cyklohexanon) dále oxiduje, obvykle kyselinou dusičnou, nakyselina adipová, který je poté kombinován s hexamethylendiaminem za vzniku Nylonu 66. To je důvod, proč integrovaná cyklohexan-oxidační místa často produkují jak cyklohexanon (pro řetězec Nylon 6), tak kyselinu adipovou (pro řetězec Nylon 66) ze stejného proudu oleje KA, přičemž rozdělení se upravuje na základě poptávky trhu pro každý typ nylonu.

Průmyslové aplikace cyklohexanonu

• Výroba nylonu- Primární aplikace jako prekurzor kaprolaktamu (Nylon 6) a prostřednictvím KA oleje kyseliny adipové (Nylon 66).
• Rozpouštědlo- Používá se jako silné rozpouštědlo pro pryskyřice, laky a různé polymery, zejména tam, kde je zapotřebí dobrá rozpustnost pro polární i -nepolární materiály.
• Nátěry- Běžná složka rozpouštědla v průmyslových nátěrech a složeních barev, ceněná pro svou rychlost odpařování a profil rozpustnosti.
• Lepidla- Používá se v lepidlech, zejména tam, kde pomáhá rozpouštět nebo aktivovat polymerní složky.
• Chemické meziprodukty- Surovina pro různé následné chemické syntézy mimo nylonový řetězec.

Požadavky na kvalitu cyklohexanonu pro průmyslové zákazníky

Čistota a konzistence jsou důležité pro následné zpracování, protože nečistoty mohou interferovat s oximačními a polymerizačními reakcemi. Mezi typické průmyslové specifikace patří:

Cyklohexanon je klasifikován jako hořlavá kapalina (bod vzplanutí kolem 44 stupňů) a je obvykle dodáván v 55-galonových (208 l) ocelových sudech, cisternách nebo cisternách. Není korozivní a při přepravě nebo skladování se obecně nevyžaduje pokrývka inertním-plynem – přesto musí být označena jako hořlavý/hořlavý materiál a skladována mimo dosah tepla, jisker a otevřeného ohně.

Jak si vybrat spolehlivého dodavatele cyklohexanonu?

Pro průmyslové nákupčí, zejména ty, kteří dodávají navazující nylon nebo speciální chemické procesy, by prověřování dodavatele mělo přesahovat cenu:

• Certifikát o analýze (COA)- Každá šarže by měla být odeslána s certifikátem pravosti potvrzujícím čistotu, obsah vody, kyselost a barvu podle požadovaného stupně.
• Bezpečnostní list (SDS)- Aktuální dokumentace SDS pro manipulaci, skladování a přepravu.
• Technický list (TDS)- Podrobné údaje o fyzikálních/chemických vlastnostech specifické pro jakost produktu dodavatele.
• Certifikace ISO- Certifikace managementu kvality podle ISO 9001 (nebo ekvivalentní) znamená konzistentnější kontrolu kvality jednotlivých šarží-k-dávkám.
• Exportní zkušenosti- Záznamy o mezinárodní přepravě, celní dokumentaci a dodržování chemických-předpisů cílového trhu (např. REACH pro EU).
• Obal- Potvrďte, že možnosti sudu, IBC, nádrže ISO nebo hromadného balení odpovídají vašim požadavkům na objem a skladovací/manipulační schopnosti.

Často kladené otázky

Jak se cyklohexanon vyrábí průmyslově?

Především katalytickou oxidací cyklohexanu vzduchem, při které vzniká směs cyklohexanol-cyklohexanonu (KA olej), která je následně separována a čištěna. Jako alternativní komerční metody se používají způsoby hydrogenace fenolu a cyklohexen{2}}, zejména tam, kde je prioritou vyšší čistota nebo odlišná ekonomika surovin.

Jaká je hlavní surovina pro cyklohexanon?

Cyklohexan je celosvětově dominantní surovinou cestou oxidace. Fenol je hlavní surovinou pro alternativní hydrogenační cestu.

Je cyklohexanon vyroben z benzenu?

Nepřímo ano. V dominantní cestě se benzen nejprve hydrogenuje na cyklohexan, který se pak oxiduje na cyklohexanon (přes KA olej). Při postupu na bázi cyklohexenu- je benzen částečně (selektivně) hydrogenován na cyklohexen spíše než plně na cyklohexan, poté hydratován a dehydrogenován na cyklohexanon. Při fenolové cestě se benzen typicky převádí na kumen, poté na fenol, před hydrogenací na cyklohexanon.

Co je KA olej při výrobě cyklohexanonu?

KA olej ("keton-alkoholový" olej) je směsný proud produktu cyklohexanol/cyklohexanon generovaný katalytickou oxidací cyklohexanu vzduchem. Rozdělí se destilací na jednotlivé složky a jakýkoli cyklohexanol určený pro výrobu cyklohexanonu se typicky dále dehydrogenuje, aby se zvýšil celkový výtěžek cyklohexanonu.

Jaký je vztah mezi cyklohexanonem a kaprolaktamem?

Cyklohexanon je přímým prekurzorem kaprolaktamu. Převádí se na cyklohexanonoxim (prostřednictvím reakce s hydroxylaminem), který pak podléhá Beckmannovu přesmyku za vzniku kaprolaktamu - monomeru, který je -otevřeným kruhem, polymerizovaným za vzniku Nylonu 6.

Která metoda se nejčastěji používá k výrobě cyklohexanonu?

Oxidace cyklohexanu na KA olej je celosvětově nejrozšířenější komerční metodou, a to především kvůli nižším nákladům na suroviny a její integraci se stávající infrastrukturou výroby kyseliny adipové a kaprolaktamu.

Je výroba cyklohexanonu šetrná k životnímu prostředí?

Jako většina-petrochemických procesů ve velkém měřítku, i výroba cyklohexanonu s sebou nese ekologické aspekty spojené s využitím energie, emisemi VOC a vedlejším{1}}řízením produktu (zejména z důvodu nižší selektivity oxidační cesty na-průchod). Výrobci to zvládají prostřednictvím recyklace katalyzátoru,-regenerace produktu a kontroly emisí, ale žádná velká komerční cesta nemá „nulový{5}}dopad“ - kupující se specifickými požadavky na ekologické zdroje by se měli ptát přímo dodavatelů na jejich procesní cestu a údaje o emisích, spíše než předpokládat na základě obecných průmyslových tvrzení.