Методы получения капролактама

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Кафедра "Технологии основного органического и нефтехимического синтеза"

Курсовая работа

На тему: "Методы получения капролактама"

Выполнил: магистрант кафедры ТООНС

Накып А.М.

Проверила: К.х.н., доцент кафедры ТООНС

Тагашева Р.Г.

Казань 2017

Содержание

Введение

1. Основная часть

1.1 Свойства

1.2 Методы получения капролактама

1.3 Схемы получение капролактама

1.4 Нитрозирование циклогексана

1.5 Получение из толуола

1.6 Сравнение методов получения капролактама

1.7 Применение

Заключение

Список литературы

Введение

Капролактам - лактам ?- аминокапроновой кислоты представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, маслянистое на ощупь (т. пл. 68,5-69єC; т. кип. 262,5єC при 760 мм рт.ст. и 120єC при 10 мм рт. ст.). Легко растворяется в воде и органических растворителях (бензоле, ацетоне, петролейном эфире и др.).

Капролактам, применяемой для производства капрона, должен отвечать ряду требований (т. пл. не менее 68,5єC; содержание механических примесей не более 0,00075% и др.).

Для получения капролактама могут быть использованы такие углеводороды, как бензол, циклогексан, толуол, ацетилен. Получение капролактама через циклогексанон. Преимущество этого способа является небольшое число стадий, отсутствие побочного продукта - сульфата аммония - и высокий выход капролактама, достигающий 90%.

Синтез капролактама через анилин также освоен в промышленных масштабах. Недостатками этого метода являются большой расход азотсодержащих компонентов и затраты дорогостоящей перекиси водорода.

Капролактам используется, в основном, для получения полиамидных пластмасс, волокон. Основная часть мирового потребления приходится на нити и волокна, значительное количество потребляется также в производстве конструкционных пластмасс. Остальной объем используется для изготовления упаковочных пленок и других материалов.

Полиамидные волокна и нити, как правило, применяются в производстве текстиля, ковровых покрытий, промышленных нитей, используемых в свою очередь для изготовления шинного корда.

1. Основная часть

1.1 Свойства

?-Капролактам - циклический амид (лактам) ?- аминокапроновой кислоты (гексагидро-2H-азепин-2-он С₆Н₁₁NО) имеет семичленную структуру; представляет собой бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 70 ° С. Температура кипения 262,5 ° С (139 ° С при остаточном давлении 120 мм. рт. ст.). ?- Капролактам хорошо растворяется в воде и органических растворителях. ПДК составляет 10 мг/м³ синтетического волокна капрон или найлон-6 и кормовой добавки - лизина (NН₂(СН₂)₄СН(NН₂)СООН).

Капролактам является мономером, при полимеризации которого образуется полиамидная смола, из которой производят химическое волокно капрон. Полимеризация идет через образование e-аминокапроновой кислоты гидратацией ?-капролактама (процесс активации) в атмосфере азота:

Вода служит активатором. Далее эта кислота взаимодействует со следующей молекулой лактама, образуя димер и т.д.:

Капрон имеет температуру плавления 215 ° С, плотность 1,140г/см³, молекулярную массу равной (8-25)·10 ³. В технике капрон применяется для изготовления парашютов, рыболовных снастей, приводных ремней, автопокрышек (корда), бытовых изделий: меха, ковров, искусственной кожи. Капрон (полиамид) обладает высокой прочностью к ударным нагрузкам, эластичностью, низким коэффициентом трения, хорошей масло- и бензостойкостью. Полиамиды не растворяются в обычных растворителях, растворяются лишь в концентрированных кислотах, фенолах, фторированных спиртах.

1.2 Методы получения капролактама

Одним из основных методов синтеза капролактама является получение его из циклогексанона. Сущность метода заключается в оксимировании циклогексанона гидроксиламином в цикло-гексаноноксим и лактамизации оксима процессом Бекмановской перегуппировки. Оксимирование проводится при температуре 40 ° С взамодействием циклогексанона с гидроксиламином с образованием циклогексаноноксима:

Лактамизация или перегруппировка Бекмана осуществляется при температуре 80 ° С в присутствии в качестве катализатора олеума с образованием капролактама:

При синтезе капролактама из циклогексанона методы различаются только способом получения циклогексанона из бензола - через фенол, циклогексан или анилин.

Фенол получают, в основном, кумольным способом. Затем фенол гидрируют с получением циклогексанола, который подвергают окислительному дегидрированию в циклогексанон:

Циклогексан получают гидрированием бензола. В качестве катализатора гидрирования бензола в промышленности используют никель на носителе. Процесс ведут при температуре 120-200 ° С и давлении 1-5 МПа. Далее окисляют циклогексан. При окислении циклогексана образуется смесь циклогексанола и циклогексанона. Окисление циклогексана проводится в присутствии катализатора солей кобальта при 120-160 ° С давлении 1-2 МПа. Окисление осуществляется в каскаде из 3-4 реакторов барботажного типа. Циклогексанол подвергают окислительному дегидрированию в циклогексанон:

При получении циклогесанона через анилин, сначала нитрованием бензола получают нитробензол; восстановлением (гидрированием) нитробензола производят анилин; гидрированием анилина получают циклогексиламин; гидролизом циклогексиламина синтезируют циклогексанол. Циклогексанол окисляют в циклогексанон:

Впервые капролактам был получен из фенола, но теперь более экономичным является синтез из циклогексана, так как метод состоит из меньшего количества химических стадий. Сравнительная себестоимость капролактама из фенола, циклогексана и анилина составляет 1 : 0,85 : 1,35.

Технология получения капролактама из циклогексанона состоит из следующих основных стадий: оксимирование циклогексанона в циклогексаноноксим; лактамизация, заключающаяся в Бекмановской перегруппировке циклогексаноноксима в капролактам; нейтрализация реакционной массы аммиачной водой с образованием лактама и сульфата аммония; сепарация сульфата аммония от лактамового масла; экстракция лактама; упарка растворителей; дистилляция лактама в вакууме. На рисунке 8 показана технологическая схема получения капролактама из циклогексанона (стадии оксимирования и лактамизации).

1.3 Схемы получение капролактама

Технологическая схема получения капролактама из циклогексанона

Циклогексанон непрерывно подают в реактор первой ступени 1, где при 40 ° С происходит взаимодействие его с раствором сульфата гидроксиламина в водном растворе сульфата аммония, поступающем из второй стадии оксимирования. Реакционная масса из реактора 1 стекает в сепаратор 2, где разделяется на нижний слой водного раствора сульфата аммония и верхний слой циклогексанона и оксима. Верхний слой насосом 3 подается на вторую стадию оксимирования в каскад из двух реакторов 4, 5. В реактор 4 вводится свежий раствор сульфата гидроксиламина, в реактор 5 добавляется аммиачная вода или газообразный аммиак для регулирования рН среды и выделения свободного гидроксиламина (NН₂ОН·Н₂SО₄ + 2NН₃ > NН₂ОН + (NН₄)₂SО₄). Из реактора второй стадии оксимирования 5 реакционная масса, которая почти не содержит циклогексанона, направляется в сепаратор 6. Реакционная масса в сепараторе расслаивается на нижний водно-сульфатный слой, содержащий гидроксиламин (NН₂ОН), который подают в реактор 1 и верхний слой сырого циклогексанон-оксима, направляемого насосом 7 в реактор 8. В реакторе 8 происходит лактамизация т.е., Бекмановская перегруппировка циклогексаноноксима в капролактам. Реактор 8 снабжен циркуляционным насосом 9 и выносным холодильником 10. Катализатор, олеум, вводят во всасывающую линию насоса 9. Лактам из реактора 8 направляется на нейтрализацию, которая осуществляется при температуре 40-50 ° С, и дальнейшую переработку c выделением капролактама.

капролактам нитрозирование толуол аминокапроновый

1.4 Нитрозирование циклогексана

Промышленный интерес представляет метод фотохимического нитрозирования циклогексана нитрозилхлоридом NOCl. Этот метод является общим для получения лактамов. Взаимодействие циклогексана с нитрозилхлоридом при 0- 30 ° С приводит к образованию циклогексаноноксимгидрохлорида, лактамизацией которого в присутствии олеума при 80 ° С получают капролактам:

Процесс протекает по радикально-цепному механизму: зарождение цепи происходит при гомолитическом распаде молекулы нитрозилхлорида на хлор и нитрозил радикалы:

Хлор-радикал взаимодействует с молекулой циклогексана с образованим циклогексил-радикала и НСl:

При взаимодействии циклогексил-радикала с нитрозо-радикалом образуется нитрозоциклогексан:

Образовавшийся нитрозоциклогексан перегруппировывается в циклогексаноноксим:

Циклогексаноноксим взаимодействует с НСl с образованием циклогексаноноксимгидрохлорида, после чего лактамизацией получают капролактам:

1.5 Получение из толуола

В производстве капролактама практический интерес представляет получение его из толуола. Химизм получения капролактама из толуола состоит из следующих стадий: окисление толуола в бензойную кислоту при 170 ° С и 1,4-1,5 МПа (катализатор - палладий на угле); гидрирование бензойной кислоты в циклогексанкарбоновую кислоту; обработка ее нитрозилсерной кислотой (ОN-ОSО₂ОН) при температуре 75-80 ° С с промежуточным образованием нитрозилциклогексанкарбоновой кислоты, далее нитрозилциклогексана, циклогексаноноксима и далее его перегруппировка в капролактам под действием выделившейся серной кислоты

Поскольку при нитрозировании на одной технологической стадии происходят ы последовательных реакции, процесс недостаточно селективен и получаемый этим методом капролактам-сырец нуждается в дополнительной сложной очистке. Выход капролактама ~70% в расчете на толуол.

Нитроциклогексан восстанавливают в циклогексаноноксим водором в присутствии катализатора:

Получение капролактама из циклогексана через нитроциклогексан.

В качестве катализаторов предложены платина, палладий, хром, цинк, медь; восстановление проводят при 140-160 єC под давлением 100-120 ат.Выход циклогексаноноксима составляет 60% и может быть повышен до 85-90%, если проводить процесс в присутсвии жидкого аммиака и металлической меди как катализатора при 80-130єC и 150-200 ат.

Восстановление нитроциклогексана в циклогексаноноксим можно проводить сульфидами, сульфитами или сероводородом - в кислой среде. Полученный циклогексаноноксим подвергают бекмановский перегруппировке в капролактам, как было указано выше.

Циклогексанол, а отсюда и капролактам и адепининовая кислота, могут быть получены из циклогексана через монохлоргексан:

Получение капролактама из циклогексана через монохлорциклогексан.

Монохлорциклогексан получают фотохлорированием циклогексана при низкой температуре(35єC). При дегидрохлорировании монохлорциклогексана образуется циклогексан, который гидратируется 85%-ной серной кислотой при 25єC. Получаемый циклогексилсульфат гидролизуют водой в циклогексанол.Выход циклогексанола 80%.

1.6 Сравнение методов получения капролактама

Из всех рассмотренных способов наиболее освоенным в промышленности является производства капролактама через циклогексан, получаемый из фенола. Однако этот способ имеет ряд недостатков, и главными из которых является многостадийность, значительный расход неогранических реагентов и сравнительно высокая стоимость фенола. Синтез капролактама через аналин также освоен в промышленных масштабах. Недостатками этого метода являются большой расход азотсодержащих компонентов и затраты дорогостоящей перекиси водорода. При освоении производства капролактама через нитроциклогексан встретились больший трудности на стадии очистки получаемого капролактама.

Наиболее перспективным на ближайщие годы оказалось производства капролактама через циклогексанон, получаемый окислением циклогексана воздухом. Это наглядно видно из следующего экономического сапоставления себестоимости капролактама, полученного разными методами (в %):

На основе кумольного фенола.................................... 100

Через аналин................................................................135

Окислением циклогексана ........................................85

Поэтому структура исходных веществ, разходуемых в производстве капролактама, в нашей промышленности выглядет следующим образом (в % от общего количества исходных вещества):

Фенол .............................. 69,0 60,5 22,0

Анилин ............................... 27,8 23,0 7,0

Циклогексан ....................... 3,2 16,5 71,0

Остальные методы производства капролактама требует дальнейшего техноко-экономического анализа.

1.7 Применение

Капролактам используется, в основном, для получения полиамидных пластмасс, волокон. Основная часть мирового потребления приходится на нити и волокна, значительное количество потребляется также в производстве конструкционных пластмасс. Остальной объем используется для изготовления упаковочных пленок и других материалов.

Полиамидные волокна и нити, как правило, применяются в производстве текстиля, ковровых покрытий, промышленных нитей, используемых в свою очередь для изготовления шинного корда. Кордная нить - крупнейший и наиболее быстрорастущий сегмент рынка ПА6.

Смола ПА6 также является основной для производства конструкционных пластиков, используемых для производства компонентов электронной и электрической техники, автомобильных деталей.

В упаковочной отрасли применяется ориентированная полиамидная пленка, также изготовленная на основе смолы ПА6.

Небольшие объемы капролактама уходят на синтез лизина, а также в качестве агента в производстве полиуретана.

Заключение

Капролактам - лактам ?- аминокапроновой кислоты представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, маслянистое на ощупь (т. пл. 68,5-69єC; т. кип. 262,5єC при 760 мм рт.ст. и 120єC при 10 мм рт. ст.). Легко растворяется в воде и органических растворителях (бензоле, ацетоне, петролейном эфире и др.).

Капролактам, применяемой для производства капрона, должен отвечать ряду требований (т. пл. не менее 68,5єC; содержание механических примесей не более 0,00075% и др.).

Для получения капролактама могут быть использованы такие углеводороды, как бензол, циклогексан, толуол, ацетилен. Получение капролактама через циклогексанон. Преимущество этого способа является небольшое число стадий, отсутствие побочного продукта - сульфата аммония - и высокий выход капролактама, достигающий 90%.

Синтез капролактама через анилин также освоен в промышленных масштабах. Недостатками этого метода являются большой расход азотсодержащих компонентов и затраты дорогостоящей перекиси водорода.

Капролактам используется, в основном, для получения полиамидных пластмасс, волокон. Основная часть мирового потребления приходится на нити и волокна, значительное количество потребляется также в производстве конструкционных пластмасс. Остальной объем используется для изготовления упаковочных пленок и других материалов.

Полиамидные волокна и нити, как правило, применяются в производстве текстиля, ковровых покрытий, промышленных нитей, используемых в свою очередь для изготовления шинного корда.

Капролактам используется, в основном, для получения полиамидных пластмасс, волокон. Основная часть мирового потребления приходится на нити и волокна, значительное количество потребляется также в производстве конструкционных пластмасс. Остальной объем используется для изготовления упаковочных пленок и других материалов.

Полиамидные волокна и нити, как правило, применяются в производстве текстиля, ковровых покрытий, промышленных нитей, используемых в свою очередь для изготовления шинного корда. Кордная нить - крупнейший и наиболее быстрорастущий сегмент рынка ПА6.

Смола ПА6 также является основной для производства конструкционных пластиков, используемых для производства компонентов электронной и электрической техники, автомобильных деталей.

В упаковочной отрасли применяется ориентированная полиамидная пленка, также изготовленная на основе смолы ПА6.

Небольшие объемы капролактама уходят на синтез лизина, а также в качестве агента в производстве полиуретана.

Список литературы

1. И.И Юкельсон "Технология основного органического синтеза", Москва 1968г.;

2. Р.Б.Султанова, Р.Р.Рахматуллин, В.Ф.Николаев,В.М. Бабаев "Технология основного органического и нефтехимического синтеза", часть 1, Казань 2014г.

Размещено на Allbest.ru