Come viene prodotto il cicloesanone a livello industriale? Percorsi di produzione, processi e applicazioni

A livello industriale, il cicloesanone viene prodotto principalmente attraverso l'ossidazione del cicloesano, che produce una miscela di cicloesanolo-cicloesanone nota come olio KA, seguita da separazione e purificazione. Altre vie commerciali includono l'idrogenazione del fenolo e, meno comunemente, i processi basati sul cicloesene-. Comprendere come viene prodotto il cicloesanone è importante per gli acquirenti perché il processo di produzione del cicloesanone utilizzato influisce direttamente sulla purezza, sui costi e sull'affidabilità della fornitura - la scelta del percorso dipende dal costo della materia prima, dalla purezza desiderata e dal fatto che il produttore stia producendo anche acido adipico o caprolattame a valle.

Cos'è il cicloesanone?

• Nome chimico: Cicloesanone
• Numero CAS: 108-94-1
• Formula molecolare: C₆H₁₀O
• Peso Molecolare:98,14 g/mol
• Forma fisica:Liquido oleoso da incolore a giallo pallido-con odore simile all'acetone/menta piperita-
• Principali applicazioni:Precursore del caprolattame (per Nylon 6) e dell'acido adipico (per Nylon 66), solvente industriale e materia prima per rivestimenti, adesivi e altri intermedi chimici

Come viene prodotto il cicloesanone a livello industriale?

A livello commerciale vengono utilizzati tre percorsi principali, che nella pratica non sono intercambiabili - ciascuno è legato a una catena di fornitura di materie prime e a una struttura dei costi diversa.

1. Processo di ossidazione del cicloesano (percorso più comune)

Questo è il metodo industriale dominante, in particolare laddove il cicloesanone viene prodotto insieme all’acido adipico o al caprolattame in siti di produzione integrati di nylon. La produzione di cicloesanone dal cicloesano attraverso questo percorso di ossidazione rappresenta la maggior parte della capacità di sintesi globale del cicloesanone.

Flusso del processo:

Cicloesano
↓
Ossidazione aria/ossigeno (catalizzatore di cobalto o manganese, 150–160 gradi, ~0,9–1,0 MPa)
↓
KA Oil (miscela di cicloesanolo + cicloesanone)
↓
Distillazione/Separazione
↓
Cicloesanone (purificato)

Reazione:

C₆H₁₂ + O₂ → C₆H₁₀O + H₂O

In pratica la reazione produce insieme sia cicloesanolo che cicloesanone - questa miscela viene chiamataOlio KA(olio alcolico chetonico-). L'ossidazione viene effettuata in una serie di reattori in fase liquida-utilizzando un catalizzatore di cobalto solubile (come naftenato di cobalto o ottoato di cobalto), con aria compressa preriscaldata spruzzata per fornire ossigeno. Un vincolo operativo chiave: la conversione del cicloesano viene deliberatamente mantenuta al di sotto del 10% circa per passaggio, perché spingere la conversione più in alto degrada la selettività - i prodotti desiderati sono meno termicamente stabili del cicloesano iniziale, quindi la conversione in eccesso genera più prodotti by-indesiderati piuttosto che più olio KA. Ciò mantiene la selettività complessiva del KA intorno all'80%, con il cicloesano non reagito riciclato nell'alimentazione.

Perché questo percorso domina a livello industriale:

• Materia prima economica- Il cicloesano è una materia prima petrolchimica dai costi relativamente bassi-e dai volumi elevati-, generalmente prodotta mediante idrogenazione del benzene.
• Produzione su-scala su larga scala- Il processo è ben scalabile ed è-adatto per operazioni continue ed elevate-throughput.
• Infrastruttura esistente- Decenni di capacità installata, in particolare nei siti che già producono acido adipico o caprolattame, rendono questo il percorso di minor resistenza per l'espansione o la nuova capacità nelle catene di fornitura integrate del nylon.

2. Percorso di idrogenazione del fenolo

Flusso del processo:

Fenolo
↓
Idrogenazione (catalizzatore a base di palladio-, ~140 gradi)
↓
Cicloesanolo (o direttamente al cicloesanone nelle configurazioni a-passaggio singolo)
↓
Deidrogenazione (se in due-fasi)
↓
Cicloesanone

Questo percorso può essere eseguito come processo in un'unica-fase (fenolo idrogenato direttamente in cicloesanone) o in due-fasi (fenolo → cicloesanolo → deidrogenazione → cicloesanone), a seconda della progettazione del catalizzatore e del reattore. I catalizzatori a base di palladio- possono raggiungere rese di cicloesanone superiori al 90% nell'idrogenazione di un singolo-reattore, con un rapporto molare ottimale tra idrogeno-e-fenolo di circa 2,1 per la produzione equivalente di-olio-KA.

Vantaggi:

Elevata purezza- Generalmente considerato un processo più pulito con una selettività più elevata rispetto all'ossidazione del cicloesano, poiché evita la più ampia diffusione dei sottoprodotti-che deriva dall'ossidazione del cicloesano mediata dai radicali-.

Limitazioni:

Costo della materia prima più elevato- Il fenolo è generalmente più costoso del cicloesano e il suo prezzo è legato al processo cumene (benzene + propilene → cumene → fenolo + acetone tramite il processo Hock), aggiungendo uno strato di esposizione al mercato delle materie prime che l'ossidazione del cicloesano non ha nella stessa misura.

3. Percorso basato sul cicloesene-

Flusso del processo:

Cicloesene (da idrogenazione selettiva del benzene)
↓
Idratazione
↓
Cicloesanolo
↓
Deidrogenazione
↓
Cicloesanone

Questo percorso inizia dal cicloesene, a sua volta prodotto tramite l'idrogenazione parziale (selettiva) del benzene - un primo passaggio più complesso rispetto alla semplice idrogenazione completa del benzene in cicloesano, ma che apre un percorso di reazione diverso. Il cicloesene viene idratato a cicloesanolo, che viene poi deidrogenato a cicloesanone.

Caratteristiche:

• Percorso alternativo- Meno adottato a livello globale rispetto all'ossidazione del cicloesano, ma utilizzato a livello commerciale, in particolare nei processi sviluppati per la produzione diretta di intermedi di nylon.
• Migliore selettività- Può offrire profili di selettività migliorati rispetto all'ossidazione diretta del cicloesano, poiché evita alcune delle reazioni laterali della catena dei radicali- inerenti a tale processo.

Diagramma di flusso del processo di produzione del cicloesanone

Il percorso commerciale più comune, l'ossidazione del cicloesano, segue questa sequenza complessiva:

Cicloesano
|
Reattore di ossidazione
(Catalizzatore Co/Mn, 150-160 gradi, aria/O2)
|
Olio KA
(cicloesanolo + cicloesanone)
|
Separazione
|
Distillazione
|
Cicloesanone
(prodotto purificato)

Laddove il cicloesanone è il prodotto finale (piuttosto che un intermedio nel percorso verso l'acido adipico), la frazione cicloesanolica dell'olio KA viene generalmente deidrogenata cataliticamente per convertirla in ulteriore cicloesanone, massimizzando la resa del chetone desiderato anziché trattare il cicloesanolo come un co-prodotto.

Confronto dei percorsi di produzione industriale del cicloesanone

Leggere questa tabella nel contesto conta più delle singole celle:il miglior metodo di produzione del cicloesanone dipende interamente da cos'altro sta producendo un produttore.Un sito integrato con la produzione di acido adipico o caprolattame favorirà quasi sempre l’ossidazione del cicloesano, perché l’olio KA è la materia prima condivisa sia per il cicloesanone che per l’acido adipico, e il capitale è già disponibile. Un produttore autonomo di cicloesanone senza tale integrazione a valle, o senza un produttore che privilegia la purezza per applicazioni farmaceutiche o di solventi speciali-, è più propenso a prendere in considerazione l'idrogenazione del fenolo nonostante il costo più elevato delle materie prime.

Perché l'ossidazione del cicloesano è il metodo industriale dominante?

Oltre ai vantaggi a livello di processo- già descritti, alcuni fattori strutturali spiegano perché questo percorso detiene la maggior parte della capacità produttiva globale:

• Costo- Il cicloesano è un prodotto petrolchimico sfuso con prezzi competitivi e consolidati, a differenza del fenolo, che comporta un sovrapprezzo legato all'economia della coproduzione cumene/acetone.
• Disponibilità- Il cicloesano viene prodotto su larga scala appositamente per alimentare questa catena, con una fornitura globale affidabile.
• Scala- Il processo è stato testato con capacità di-treni singoli molto grandi, il che riduce il costo di capitale per-unità per i principali produttori.
• Industria esistente del nylon 6/nylon 66- La maggior parte della capacità globale di cicloesanone si trova presso o in prossimità di siti integrati che già consumano olio KA per l'acido adipico (Nylon 66) o convogliano il cicloesanone verso il caprolattame (Nylon 6), quindi il percorso di ossidazione rafforza gli investimenti di capitale esistenti anziché richiedere una catena di fornitura separata del fenolo.

Ruolo del cicloesanone nella produzione di nylon 6

Questo è il principale motore della domanda di cicloesanone a livello globale e vale la pena comprendere l'intera catena:

Cicloesano
↓
Cicloesanone
↓
Cicloesanone ossima (reazione con idrossilammina)
↓
Riarrangiamento di Beckmann
↓
Caprolattame
↓
Nylon6

Il cicloesanone viene prima convertito in cicloesanone ossima mediante reazione con idrossilammina (o un sale di idrossilammina). L'ossima subisce quindi laRiarrangiamento di Beckmann- una reazione-catalizzata da un acido che riorganizza l'ossima in un lattame ad anello a sette-membri, il caprolattame. Il caprolattame viene quindi polimerizzato con l'apertura dell'anello-per produrreNylon6, una delle fibre sintetiche e dei tecnopolimeri più prodotti a livello globale.

Vale la pena notare la catena parallela per il Nylon 66: in tal caso, l'intera miscela di olio KA (sia cicloesanolo che cicloesanone) viene ulteriormente ossidata, tipicamente con acido nitrico, peracido adipico, che viene poi combinato con l'esametilendiammina per produrre il nylon 66. Questo è il motivo per cui i siti di ossidazione integrati del cicloesano- spesso producono sia cicloesanone (per la catena del nylon 6) che acido adipico (per la catena del nylon 66) dallo stesso flusso di olio KA, regolando la suddivisione in base alla domanda del mercato per ciascun tipo di nylon.

Applicazioni industriali del cicloesanone

• Produzione di nylon- L'applicazione principale, come precursore del caprolattame (Nylon 6) e, tramite l'olio KA, dell'acido adipico (Nylon 66).
• Solvente- Utilizzato come forte solvente per resine, lacche e vari polimeri, soprattutto dove è necessaria una buona solvente sia per materiali polari che non-polari.
• Rivestimenti- Un componente solvente comune nei rivestimenti industriali e nelle formulazioni di vernici, apprezzato per il suo tasso di evaporazione e il profilo di solvibilità.
• Adesivi- Utilizzato nelle formulazioni adesive, in particolare dove aiuta a dissolvere o attivare i componenti polimerici.
• Intermedi chimici- Una materia prima per varie sintesi chimiche a valle oltre la catena del nylon.

Requisiti di qualità del cicloesanone per gli acquirenti industriali

La purezza e la consistenza sono importanti in modo significativo per la lavorazione a valle, poiché le impurità possono interferire con le reazioni di ossidazione e polimerizzazione. Le specifiche industriali tipiche includono:

Il cicloesanone è classificato come liquido combustibile (punto di infiammabilità intorno a 44 gradi) e viene generalmente spedito in fusti di acciaio, vagoni cisterna o autocisterne da 55-galloni (208 L). Non è corrosivo e la copertura con gas inerte-generalmente non è necessaria per il trasporto o lo stoccaggio, ma deve comunque essere etichettata come materiale infiammabile/combustibile e conservata lontano da fonti di calore, scintille e fiamme libere.

Come scegliere un fornitore affidabile di cicloesanone?

Per gli acquirenti industriali, in particolare quelli che alimentano il nylon a valle o i processi chimici speciali, la valutazione dei fornitori dovrebbe andare oltre il prezzo:

• Certificato di analisi (COA)- Ogni lotto deve essere spedito con un certificato di autenticità che conferma le specifiche di purezza, contenuto di acqua, acidità e colore rispetto al grado richiesto.
• Scheda dati di sicurezza (SDS)- Documentazione SDS attuale per la conformità di gestione, stoccaggio e trasporto.
• Scheda Tecnica (TDS)- Dati dettagliati sulle proprietà fisiche/chimiche specifici della qualità del prodotto del fornitore.
• Certificazione ISO- La certificazione di gestione della qualità ISO 9001 (o equivalente) indica un controllo di qualità batch-a-lotto più coerente.
• Esperienza di esportazione- Esperienza comprovata in materia di spedizioni internazionali, documentazione doganale e conformità alle normative sui prodotti chimici del mercato di destinazione- (ad esempio REACH per l'UE).
• Confezione- Conferma che le opzioni fusto, IBC, serbatoio ISO o sfuso corrispondano ai tuoi requisiti di volume e alla capacità di stoccaggio/movimentazione.

Domande frequenti

Come viene prodotto industrialmente il cicloesanone?

Principalmente attraverso l'ossidazione catalitica dell'aria del cicloesano, che produce una miscela di cicloesanolo-cicloesanone (olio KA) che viene poi separata e purificata. L'idrogenazione del fenolo e i percorsi basati sul cicloesene-vengono utilizzati come metodi commerciali alternativi, in particolare laddove sono prioritari una maggiore purezza o diverse economie delle materie prime.

Qual è la materia prima principale del cicloesanone?

Il cicloesano è la materia prima dominante a livello globale, attraverso la via dell'ossidazione. Il fenolo è la principale materia prima per il percorso alternativo di idrogenazione.

Il cicloesanone è fatto dal benzene?

Indirettamente sì. Nella via dominante, il benzene viene prima idrogenato a cicloesano, che viene poi ossidato per produrre cicloesanone (tramite olio KA). Nella via basata sul cicloesene-, il benzene viene parzialmente (selettivamente) idrogenato a cicloesene anziché completamente a cicloesano, quindi idratato e deidrogenato a cicloesanone. Nella via del fenolo, il benzene viene tipicamente convertito in cumene, quindi in fenolo, prima dell'idrogenazione in cicloesanone.

Cos'è l'olio KA nella produzione di cicloesanone?

L'olio KA (olio "chetone-alcol") è il flusso di prodotti misti di cicloesanolo/cicloesanone generato dall'ossidazione catalitica dell'aria del cicloesano. Viene separato mediante distillazione nei suoi composti componenti e qualsiasi cicloesanolo destinato alla produzione di cicloesanone viene generalmente ulteriormente deidrogenato per aumentare la resa complessiva di cicloesanone.

Qual è la relazione tra cicloesanone e caprolattame?

Il cicloesanone è il precursore diretto del caprolattame. Viene convertito in cicloesanone ossima (tramite reazione con idrossilammina), che poi subisce il riarrangiamento di Beckmann per formare caprolattame - il monomero con apertura dell'anello-polimerizzato per produrre Nylon 6.

Quale metodo è più comunemente utilizzato per produrre il cicloesanone?

L’ossidazione del cicloesano in olio KA è il metodo commerciale più utilizzato a livello globale, in gran parte a causa del minor costo delle materie prime e della sua integrazione con le infrastrutture di produzione esistenti di acido adipico e caprolattame.

La produzione del cicloesanone è rispettosa dell’ambiente?

Come la maggior parte dei processi petrolchimici su-scala su larga scala, la produzione del cicloesanone comporta considerazioni ambientali legate al consumo di energia, alle emissioni di COV e alla gestione dei-prodotti (in particolare dalla minore selettività per-passaggio del percorso di ossidazione). I produttori li gestiscono attraverso il riciclaggio dei catalizzatori, il recupero dei prodotti tramite-e il controllo delle emissioni, ma nessuna delle principali vie commerciali è a impatto zero--, gli acquirenti con specifici requisiti di approvvigionamento ambientale dovrebbero chiedere direttamente ai fornitori informazioni sul percorso del processo e sui dati sulle emissioni piuttosto che presumere sulla base di affermazioni generali del settore.