سیکلوهگزانون چگونه به صورت صنعتی ساخته می شود؟ مسیرهای تولید، فرآیندها و کاربردها

به طور صنعتی، سیکلوهگزانون عمدتاً از طریق اکسیداسیون سیکلوهگزان تولید می‌شود که یک مخلوط سیکلوهگزانول-سیکلوهگزانون معروف به روغن KA را تولید می‌کند و به دنبال آن جداسازی و خالص‌سازی می‌شود. سایر مسیرهای تجاری عبارتند از هیدروژناسیون فنل و به طور معمول فرآیندهای مبتنی بر سیکلوهگزن-. درک نحوه تولید سیکلوهگزانون برای خریداران اهمیت دارد زیرا فرآیند تولید سیکلوهگزانون مورد استفاده مستقیماً بر خلوص، هزینه و قابلیت اطمینان عرضه تأثیر می‌گذارد.

سیکلوهگزانون چیست؟

• نام شیمیایی: سیکلوهگزانون
• شماره CAS: 108-94-1
• فرمول مولکولی: C₆H₁₀O
• وزن مولکولی:98.14 گرم در مول
• فرم فیزیکی:مایع روغنی بی رنگ تا کم رنگ-با بوی استون/نعناع{1}}
• برنامه های کاربردی اصلی:پیش ساز کاپرولاکتام (برای نایلون 6) و اسید آدیپیک (برای نایلون 66)، حلال صنعتی، و مواد خام برای پوشش ها، چسب ها و سایر واسطه های شیمیایی

سیکلوهگزانون چگونه به صورت صنعتی ساخته می شود؟

سه مسیر اصلی به صورت تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرند و در عمل قابل تعویض نیستند - که هر کدام به زنجیره تامین مواد اولیه و ساختار هزینه متفاوتی مرتبط هستند.

1. فرآیند اکسیداسیون سیکلوهگزان (متداول ترین مسیر)

این روش صنعتی غالب است، به ویژه در جایی که سیکلوهگزانون در کنار اسید آدیپیک یا کاپرولاکتام در سایت های تولید نایلون یکپارچه تولید می شود. تولید سیکلوهگزانون از سیکلوهگزان از طریق این مسیر اکسیداسیون اکثر ظرفیت سنتز سیکلوهگزانون جهانی را تشکیل می دهد.

جریان فرآیند:

سیکلوهگزان
↓
اکسیداسیون هوا/اکسیژن (کاتالیزور کبالت یا منگنز، 150-160 درجه، ~0.9-1.0 مگاپاسکال)
↓
روغن KA (مخلوط سیکلوهگزانول + سیکلوهگزانون)
↓
تقطیر/جداسازی
↓
سیکلوهگزانون (تصفیه شده)

واکنش:

C₆H₁₂ + O₂ → C₆H₁₀O + H₂O

در عمل، واکنش هر دو سیکلوهگزانول و سیکلوهگزانون را با هم تولید می کند - این مخلوط نامیده می شودروغن KA(کتون-روغن الکل). اکسیداسیون در یک سری از راکتورهای فاز مایع با استفاده از یک کاتالیزور کبالت محلول (مانند نفتنات کبالت یا اکتوات کبالت) با هوای فشرده از قبل گرم شده برای تامین اکسیژن انجام می‌شود. یک محدودیت عملیاتی کلیدی: تبدیل سیکلوهگزان عمداً زیر تقریباً 10٪ در هر پاس نگه داشته می‌شود، زیرا فشار تبدیل بیشتر باعث کاهش گزینش پذیری می‌شود - محصولات مورد نظر از نظر حرارتی پایدارتر از سیکلوهگزان شروع می‌شوند، بنابراین تبدیل اضافی باعث تولید ناخواسته‌تر توسط محصولات-به جای روغن KA بیشتر می‌شود. این گزینش پذیری کلی KA را در حدود 80 درصد نگه می دارد و سیکلوهگزان واکنش نداده به خوراک بازیافت می شود.

چرا این مسیر از نظر صنعتی غالب است:

• مواد اولیه ارزان- سیکلوهگزان یک ماده اولیه-کم هزینه-پتروشیمی با حجم بالا است که معمولاً با هیدروژنه کردن بنزن تولید می‌شود.
• تولید در مقیاس بزرگ-- این فرآیند به خوبی مقیاس می‌شود و-به خوبی برای عملیات مستمر- با توان عملیاتی بالا مناسب است.
• زیرساخت های موجود- دهه‌ها ظرفیت نصب‌شده، به‌ویژه در سایت‌هایی که قبلاً اسید آدیپیک یا کاپرولاکتام تولید می‌کنند، این مسیر را به کمترین مقاومت برای گسترش یا ظرفیت جدید در زنجیره‌های تأمین نایلون یکپارچه تبدیل کرده است.

2. مسیر هیدروژناسیون فنل

جریان فرآیند:

فنل
↓
هیدروژناسیون (کاتالیزور مبتنی بر پالادیوم، ~140 درجه)
↓
سیکلوهگزانول (یا مستقیماً به سیکلوهگزانون در پیکربندی‌های تک مرحله‌ای-)
↓
هیدروژن زدایی (اگر دو-مرحله ای)
↓
سیکلوهگزانون

این مسیر بسته به طراحی کاتالیزور و راکتور، می‌تواند به‌عنوان یک-فرایند تک مرحله‌ای (فنل هیدروژنه شده مستقیم به سیکلوهگزانون) یا یک فرآیند دو مرحله‌ای (فنل → سیکلوهگزانول → هیدروژن زدایی → سیکلوهگزانون) اجرا شود. کاتالیزورهای مبتنی بر پالادیوم می‌توانند بازده سیکلوهگزانون بالاتر از 90 درصد را در هیدروژناسیون تک راکتوری، با نسبت مولی هیدروژن به فنل بهینه حدود 2.1 برای تولید معادل KA-به دست آورند.

مزایا:

خلوص بالا- عموماً فرآیندی تمیزتر با گزینش پذیری بالاتر نسبت به اکسیداسیون سیکلوهگزان در نظر گرفته می‌شود، زیرا از انتشار گسترده‌تر محصول توسط-که ناشی از اکسیداسیون سیکلوهگزان با واسطه-رادیکال است، جلوگیری می‌کند.

محدودیت ها:

هزینه مواد اولیه بالاتر- فنل عموماً گران‌تر از سیکلوهگزان است و قیمت آن به فرآیند کومن (بنزن + پروپیلن → کومن → فنل + استون از طریق فرآیند هاک) وابسته است، و لایه‌ای از قرار گرفتن در معرض بازار مواد اولیه را اضافه می‌کند که اکسیداسیون سیکلوهگزان به همان درجه ندارد.

3. مسیر مبتنی بر سیکلوهگزن{1}

جریان فرآیند:

سیکلوهگزن (از هیدروژناسیون انتخابی بنزن)
↓
هیدراتاسیون
↓
سیکلوهگزانول
↓
هیدروژن زدایی
↓
سیکلوهگزانون

این مسیر از سیکلوهگزن شروع می‌شود که خود از طریق هیدروژناسیون جزئی (انتخابی) بنزن تولید می‌شود - مرحله اول پیچیده‌تری نسبت به هیدروژنه کردن کامل بنزن به سیکلوهگزان، اما مسیر واکنش متفاوتی را باز می‌کند. سیکلوهگزن به سیکلوهگزانول هیدراته می شود و سپس هیدروژنه می شود و به سیکلوهگزانون تبدیل می شود.

خصوصیات:

• مسیر جایگزین- در سطح جهانی کمتر از اکسیداسیون سیکلوهگزان پذیرفته شده است، اما به صورت تجاری استفاده می شود، به ویژه در فرآیندهای توسعه یافته برای تولید مستقیم نایلون واسطه.
• گزینش پذیری بهتر- می‌تواند نمایه‌های انتخاب‌پذیری بهبود یافته‌ای را در مقایسه با اکسیداسیون مستقیم سیکلوهگزان ارائه دهد، زیرا از برخی واکنش‌های جانبی زنجیره‌ای رادیکال-در آن فرآیند جلوگیری می‌کند.

نمودار جریان فرآیند تولید سیکلوهگزانون

رایج ترین مسیر تجاری، اکسیداسیون سیکلوهگزان، از این توالی کلی پیروی می کند:

سیکلوهگزان
|
راکتور اکسیداسیون
(کاتالیزور Co/Mn، 150-160 درجه، هوا/O2)
|
روغن KA
(سیکلوهگزانول + سیکلوهگزانون)
|
جدایی
|
تقطیر
|
سیکلوهگزانون
(محصول تصفیه شده)

در جایی که سیکلوهگزانون محصول هدف نهایی است (به جای واسطه در مسیر رسیدن به اسید آدیپیک)، بخش سیکلوهگزانول روغن KA معمولاً به صورت کاتالیزوری هیدروژنه می‌شود تا آن را به سیکلوهگزانون اضافی تبدیل کند، به‌جای اینکه سیکلوهگزانول را به عنوان یک محصول مشترک{0}دریافت کند.

مقایسه مسیرهای تولید سیکلوهگزانون صنعتی

خواندن این جدول در زمینه بیشتر از سلول های جداگانه اهمیت دارد:بهترین روش تولید سیکلوهگزانون کاملاً به آنچه تولیدکننده می‌سازد بستگی دارد.سایتی که با تولید اسید آدیپیک یا کاپرولاکتام ادغام شده باشد تقریباً همیشه به دنبال اکسیداسیون سیکلوهگزان است، زیرا روغن KA خوراک مشترک برای سیکلوهگزانون و اسید آدیپیک است و سرمایه در حال حاضر وجود دارد. یک تولیدکننده مستقل سیکلوهگزانون بدون آن ادغام پایین دستی، یا خلوص اولویت‌دار برای کاربردهای دارویی یا حلال‌های تخصصی، به احتمال زیاد هیدروژنه کردن فنل را علی‌رغم هزینه مواد اولیه بالاتر در نظر می‌گیرد.

چرا اکسیداسیون سیکلوهگزان روش صنعتی غالب است؟

فراتر از مزایای سطح فرآیند{0}}که قبلاً توضیح داده شد، چند عامل ساختاری توضیح می‌دهند که چرا این مسیر بیشترین ظرفیت تولید جهانی را در اختیار دارد:

• هزینه- سیکلوهگزان یک پتروشیمی انبوه با قیمت‌گذاری مناسب و رقابتی-بر خلاف فنل است که هزینه‌ای را به همراه دارد که با اقتصاد تولید کومن/استون{2}}همبسته است.
• در دسترس بودن- سیکلوهگزان در مقیاسی خاص برای تغذیه این زنجیره با عرضه جهانی قابل اعتماد تولید می‌شود.
• مقیاس- این فرآیند در ظرفیت‌های بسیار بزرگ یک قطار- ثابت شده است، که هزینه سرمایه هر-واحد را برای تولیدکنندگان اصلی کاهش می‌دهد.
• صنعت نایلون 6/نایلون 66 موجود- بیشتر ظرفیت جهانی سیکلوهگزانون در یا نزدیک سایت‌های یکپارچه قرار دارد که قبلاً روغن KA را برای اسید آدیپیک (نایلون 66) مصرف می‌کنند یا سیکلوهگزانون را به سمت کاپرولاکتام (نایلون 6) هدایت می‌کنند، بنابراین مسیر اکسیداسیون به جای نیاز به زنجیره تامین فنل جداگانه، سرمایه‌گذاری سرمایه موجود را تقویت می‌کند.

نقش سیکلوهگزانون در تولید نایلون 6

این تنها بزرگترین محرک تقاضا برای سیکلوهگزانون در سطح جهان است، و ارزش درک زنجیره کامل را دارد:

سیکلوهگزان
↓
سیکلوهگزانون
↓
سیکلوهگزانون اکسیم (واکنش با هیدروکسیل آمین)
↓
بازآرایی بکمن
↓
کاپرولاکتام
↓
نایلون 6

سیکلوهگزانون ابتدا با واکنش با هیدروکسیل آمین (یا نمک هیدروکسی آمین) به سیکلوهگزانون اکسیم تبدیل می شود. اکسیم پس از آن تحتبازآرایی بکمن- یک واکنش کاتالیزور اسیدی-که اکسیم را مجدداً به یک لاکتام حلقه‌ای هفت عضوی-کاپرولاکتام سازماندهی می‌کند. سپس کاپرولاکتام برای تولید حلقه-پلیمریزه می‌شودنایلون 6یکی از پرفروش ترین الیاف مصنوعی و پلاستیک های مهندسی در سطح جهان است.

شایان ذکر است که زنجیره موازی نایلون 66: در این حالت، مخلوط روغن کامل KA (هم سیکلوهگزانول و هم سیکلوهگزانون) بیشتر اکسید می شود، معمولاً با اسید نیتریک، تااسید آدیپیک، که سپس با هگزامتیلن دی آمین ترکیب می شود تا نایلون 66 تولید شود. به همین دلیل است که سایت های اکسیداسیون یکپارچه سیکلوهگزان اغلب هم سیکلوهگزانون (برای زنجیره نایلون 6) و هم اسید آدیپیک (برای زنجیره نایلون 66) را از یک جریان نفت KA تولید می کنند و تقاضای بازار را بر اساس نوع تقسیم شده در بازار تنظیم می کنند.

کاربردهای صنعتی سیکلوهگزانون

• تولید نایلون- کاربرد اصلی، به عنوان پیش ساز کاپرولاکتام (نایلون 6) و از طریق روغن KA، اسید آدیپیک (نایلون 66).
• حلال- به عنوان یک حلال قوی برای رزین‌ها، لاک‌ها و پلیمرهای مختلف استفاده می‌شود، مخصوصاً در مواردی که حلالیت خوبی برای مواد قطبی و غیر قطبی لازم است.
• پوشش ها- یک جزء حلال رایج در پوشش‌های صنعتی و فرمول‌بندی رنگ، که به دلیل نرخ تبخیر و نمایه حلالیت آن ارزش دارد.
• چسب ها- در فرمولاسیون های چسب استفاده می شود، به ویژه در مواردی که به حل یا فعال شدن اجزای پلیمری کمک می کند.
• واسطه های شیمیایی- یک ماده خام برای سنتزهای شیمیایی پایین دستی فراتر از زنجیره نایلون.

الزامات کیفیت سیکلوهگزانون برای خریداران صنعتی

خلوص و قوام به طور قابل توجهی برای پردازش پایین دست اهمیت دارد، زیرا ناخالصی ها می توانند در واکنش های اکسیماسیون و پلیمریزاسیون تداخل ایجاد کنند. مشخصات صنعتی معمولی عبارتند از:

سیکلوهگزانون به عنوان مایع قابل احتراق طبقه بندی می شود (نقطه اشتعال در حدود 44 درجه)، و معمولاً در بشکه های فولادی 55 -گالن (208 لیتر)، اتومبیل های تانک یا کامیون های تانک حمل می شود. خورنده نیست و پوشش گاز بی‌اثر معمولاً برای حمل و نقل یا ذخیره‌سازی لازم نیست - اما همچنان باید به‌عنوان ماده قابل اشتعال/اشتعال برچسب‌گذاری شود و دور از حرارت، جرقه و شعله باز نگهداری شود.

چگونه یک تامین کننده قابل اعتماد سیکلوهگزانون انتخاب کنیم؟

برای خریداران صنعتی، به ویژه آنهایی که نایلون های پایین دستی یا فرآیندهای شیمیایی ویژه را تغذیه می کنند، بررسی تامین کننده باید فراتر از قیمت باشد:

• گواهی آنالیز (COA)- هر دسته باید با COA ارسال شود که خلوص، محتوای آب، اسیدیته، و مشخصات رنگ را مطابق با درجه مورد نیاز شما تأیید می‌کند.
• برگه اطلاعات ایمنی (SDS)- اسناد SDS فعلی برای مطابقت با جابجایی، ذخیره سازی و حمل و نقل.
• برگه اطلاعات فنی (TDS)- داده‌های دقیق خصوصیات فیزیکی/شیمیایی خاص برای درجه محصول تأمین‌کننده.
• گواهینامه ISO- گواهینامه مدیریت کیفیت ISO 9001 (یا معادل آن) نشان‌دهنده کنترل کیفیت دسته‌ای-به-دسته‌ای سازگارتر است.
• تجربه صادرات- سابقه حمل‌ونقل بین‌المللی، اسناد گمرکی، و مطابقت با مقررات شیمیایی بازار مقصد{{1} (مثلاً REACH برای اتحادیه اروپا).
• بسته بندی- تأیید کنید که گزینه‌های درام، IBC، مخزن ISO یا حجیم مطابق با نیازهای حجمی و قابلیت ذخیره‌سازی/حرکت شما هستند.

سوالات متداول

سیکلوهگزانون چگونه به صورت صنعتی تولید می شود؟

عمدتاً از طریق اکسیداسیون کاتالیزوری سیکلوهگزان در هوا، که یک مخلوط سیکلوهگزانول-سیکلوهگزانون (روغن KA) تولید می‌کند که سپس جدا و خالص می‌شود. هیدروژنه کردن فنل و مسیرهای مبتنی بر سیکلوهگزن-به عنوان روش‌های تجاری جایگزین استفاده می‌شوند، به‌ویژه در مواردی که خلوص بالاتر یا اقتصاد مواد اولیه در اولویت هستند.

ماده اولیه اصلی سیکلوهگزانون چیست؟

سیکلوهگزان ماده خام غالب در سطح جهان از طریق مسیر اکسیداسیون است. فنل ماده خام اصلی برای مسیر هیدروژناسیون جایگزین است.

آیا سیکلوهگزانون از بنزن ساخته شده است؟

غیر مستقیم بله. در مسیر غالب، بنزن ابتدا به سیکلوهگزان هیدروژنه می‌شود، که سپس برای تولید سیکلوهگزانون (از طریق روغن KA) اکسید می‌شود. در مسیر مبتنی بر سیکلوهگزن، بنزن به طور جزئی (انتخابی) به سیکلوهگزن هیدروژنه می شود تا اینکه به طور کامل به سیکلوهگزان تبدیل شود، سپس هیدراته و به سیکلوهگزانون هیدروژنه می شود. در مسیر فنل، بنزن به طور معمول به کومن، سپس به فنل، قبل از هیدروژناسیون به سیکلوهگزانون تبدیل می شود.

روغن KA در تولید سیکلوهگزانون چیست؟

روغن KA (روغن "کتون-الکل") جریان محصول مخلوط سیکلوهگزانول/سیکلوهگزانون است که توسط اکسیداسیون کاتالیزوری سیکلوهگزان در هوا ایجاد می شود. با تقطیر به ترکیبات تشکیل دهنده آن جدا می شود و هر سیکلوهگزانولی که برای تولید سیکلوهگزانون در نظر گرفته شده است، معمولاً بیشتر هیدروژنه می شود تا بازده کلی سیکلوهگزانون افزایش یابد.

چه رابطه ای بین سیکلوهگزانون و کاپرولاکتام وجود دارد؟

سیکلوهگزانون پیش ساز مستقیم کاپرولاکتام است. این ماده به سیکلوهگزانون اکسیم تبدیل می شود (از طریق واکنش با هیدروکسیل آمین)، که سپس تحت بازآرایی بکمن قرار می گیرد تا کاپرولاکتام - مونومری که حلقه باز می شود- پلیمریزه شده و نایلون 6 تولید کند.

کدام روش بیشتر برای تولید سیکلوهگزانون استفاده می شود؟

اکسیداسیون سیکلوهگزان به روغن KA پرکاربردترین روش تجاری در سطح جهانی است که عمدتاً به دلیل هزینه کمتر خوراک و ادغام آن با زیرساخت‌های تولید آدیپیک اسید و کاپرولاکتام موجود است.

آیا تولید سیکلوهگزانون سازگار با محیط زیست است؟

مانند بسیاری از فرآیندهای پتروشیمی در مقیاس بزرگ، تولید سیکلوهگزانون ملاحظات زیست محیطی مرتبط با استفاده از انرژی، انتشار VOC، و مدیریت محصول (مخصوصاً از طریق انتخاب پذیری کمتر در مسیر اکسیداسیون در هر-گذر) دارد. تولیدکنندگان این موارد را از طریق بازیافت کاتالیزور، با{4}بازیابی محصول و کنترل‌های آلاینده‌ها مدیریت می‌کنند، اما هیچ مسیر تجاری عمده‌ای «تأثیر صفر-- ندارد، خریدارانی که نیازمندی‌های منابع زیست‌محیطی خاص هستند، به‌جای اینکه بر اساس ادعاهای کلی صنعت فرض کنند، باید مستقیماً از تأمین‌کنندگان درباره مسیر فرآیند و داده‌های انتشار سؤال کنند.