Методы получения капролактама

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Технология основного органического и нефтехимического синтеза»

КУРСОВАЯ РАБОТА

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЕ КАПРОЛАКТАМА

По дисцеплине:

Технологические аспекты промышленных производств химических продуктов

Выполнил:

магистрант кафедры ТООНС

Накып А.М.

Казань 2017

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Свойства

2. Методы получения капролактама

3. Схемы получение капролактама

4. Нитрозирование циклогексана

5. Получение из толуола

6. Сравнение методов получения капролактама

7. Применение капролактама

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.).

Для получения капролактама могут быть использованы углеводороды, такие как бензол, циклогексан, толуол, ацетилен. Получение капролактама через циклогексанон. Преимуществом этого метода является небольшое количество этапов, отсутствие побочного продукта - сульфат аммония - и высокий выход капролактама, достигающий 90%.

Синтез капролактама через анилин также осваивается в промышленном масштабе. Недостатками этого метода являются высокий уровень потребления азотсодержащих компонентов и стоимость дорогостоящего пероксида водорода.Капролактам используется в основном для производства полиамидных пластмасс, волокон. Большая часть потребления в мире поступает из пряжи и волокна, значительное количество также потребляется в производстве структурных пластмасс. Оставшийся объем используется для производства 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 - белый кристалл, легко растворимый в воде, спирте, эфире, бензоле. При нагревании в присутствии небольших количеств воды, спирта, аминов, органических кислот и некоторых других соединений капролактам полимеризуют с образованием полиамидной смолы, из которой получается капроновое волокно. Важным свойством капролактама является способность полимеризоваться с образованием ценного полимера - поликапроамида

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 ° C, плотность 1,140 г / см3, молекулярную массу, равную (8-25) * 10 3. В технике капрона используется для изготовления парашютов, орудий лова, приводных ремней , шины (шины), бытовые изделия: ковры, искусственная кожа. Капрон (полиамид) обладает высокой прочностью для воздействия на нагрузки, эластичность, коэффициент низкого трения, хорошую устойчивость к маслам и бензину. Полиамиды не растворяются в обычных растворителях, они растворяются только в концентрированных кислотах, фенолах, фторированных спиртах. Основным промышленным применением капролактама является производство полиамидных (нейлоновых) волокон и нитей (полиамид 6). Кроме того, капролактам используется в производстве инженерных пластмасс, полиамидных пленок В небольших количествах капролактам можно использовать для образования полиуретана и синтеза лизина, жестких текстильных накладок, пленочных покрытий, синтетической кожи, пластификаторов, растворителей краски.

2. Методы получения капролактама

Одним из основных методов синтеза капролактама является его получение из циклогексанона. Суть метода заключается в оксимировании циклогексанона гидроксиламином в циклогексаноноксиме и при лактации оксима методом Бекмана по переполнению. Окисление проводят при температуре 40 ° С путем взаимодействия циклогексанона с гидроксиламином с образованием оксида циклогексанона:

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 путем гидрирования бензола. В качестве катализатора гидрирования бензола в промышленности используется никель на подложке. Процесс проводят при температуре 120-200 ° С и давлении 1-5 МПа. Затем циклогексан окисляется. Когда циклогексан окисляется, образуется смесь циклогексанола и циклогексанона. Окисление циклогексана проводят в присутствии катализатора солей кобальта при 120-160 ° С при давлении 1-2 МПа. Окисление проводят в каскаде из 3-4 реакторов типа барботирующего типа. Циклогексанол подвергают окислительному дегидрированию до циклогексанона:

Когда циклогексанон получают через анилин, нитробензол сначала получают путем нитрования бензола; путем восстановления (путем гидрирования) нитробензола, образуется анилин; гидрирование анилина дает циклогексиламин; был синтезирован гидролиз циклогексиламина, циклогексанол. Циклогексанол окисляется до циклогексанона:

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 этапов: оксимирование циклогексанона в оксид циклогексанона; лактамизация, состоящая в перегруппировке Бекмана циклогексаноноксима в капролактаме; нейтрализация реакционной массы аммиачной водой с образованием лактама и сульфата аммония; отделение сульфата аммония от лактамового масла; извлечение лактама; упаковка растворителей; дистилляция лактама в вакууме. На фиг.8 показана блок-схема для приготовления капролактама из циклогексанона (этапы окисления и лактамирования).

Технология производства капролактама

В промышленности капролактам получают из бензола, фенола или толуола по схемам:

В промышленности наиболее широко применяемым методом был синтез капролактама из бензола. Схема процесса включает гидрирование бензола в циклогексан в присутствии Pt Al2O3 или никель-хромового катализатора при 250-350 и 130-220 ° C соответственно. Жидкофазное окисление циклогексана до циклогексанона проводят при 140-160 ° С, 0,9-1,1 МПа в присутствии нафтената или стеарата. Полученный циклогексанол, полученный в результате окисления, превращается в циклогексанон путем дегидрирования в цинк-хром (360- 400 ° C), цинк-железо (400 ° C) или медно-магниевый (260-300 ° C) смешанный катализатор.

Конверсия в оксим осуществляется действием избытка водного раствора гидроксиламина сульфата в присутствии щелочи или NH3 при 0-100 ° С. Заключительный этап синтеза капролактама. - Обработка оксима циклогексанона олеем или конц. H2SO4 при 60-120 ° C (перегруппировка Бекмана). Выход капролактама в пересчете на бензол составляет 66-68%. В фотохимическом методе синтеза капролактама из бензола циклогексан подвергают фотохимической нитрозации оксиму под действием NOCl при УФ-облучении. Способ синтеза капролактама из фенола включает гидрирование последнего в циклогексаноле в газовой фазе над Pd / Al2O3 при 120-140 ° С, 1-1,5 МПа, дегидрирование продукта до циклогексанона и дальнейшую обработку, как в бензоле обобщенный способ. Выход составляет 86-88%.

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 циклогексанон нитрозирование

4. Нитрозирование циклогексана

Промышленным интересом является метод фотохимической нитрозации циклогексана с NOCl нитрозилхлоридом. Этот метод является общим для производства лактамов. Реакция циклогексана с нитрозилхлоридом при 0-30 ° С приводит к образованию гидрохлорида циклогексаноноксима, которыйлактамизируется в присутствии олеума при 80 ° С с получением капролактама:

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:

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.

Получение капролактама из циклогексана через нитроциклогексан.

Нитроциклогексан восстанавливают в циклогексаноноксим водором в присутствии катализатора:

В качестве катализаторов предлагаются платина, палладий, хром, цинк, медь; Восстановление осуществляется при 140-160 ° С при давлении 100-120 ат. Выход оксида циклогексанона составляет 60% и может быть увеличен до 85-90%, если процесс осуществляется в присутствии жидкого аммиака и металлической меди в качестве катализатора при 80-130 ° С и 150-200 атм.

Восстановление нитроциклогексана в оксиме циклогексанона может быть осуществлено сульфидами, сульфитами или сероводородом в кислой среде. Полученный оксим циклогексанона подвергают перегруппировке Бекмана в капролактам, как упоминалось выше.

Получение капролактама из циклогексана через монохлорциклогексан.

Циклогексанол и, следовательно, капролактам и адепиновая кислота могут быть получены из циклогексана через монохлоргексан:

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%.

6. 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.

7. Сравнение методов получения капролактама

Из всех рассмотренных методов наиболее развитым в отрасли является производство капролактама через циклогексан, полученный из фенола. Однако этот метод имеет ряд недостатков, а основной из них - многоступенчатый, значительное потребление неограниченных реагентов и относительно высокая стоимость фенола. Синтез капролактама через аналит также осваивается в промышленном масштабе. Недостатками этого метода являются высокий уровень потребления азотсодержащих компонентов и стоимость дорогостоящего пероксида водорода. При освоении производства капролактама с помощью нитроциклогексана на стадии очистки полученного капролактама обнаруживалась большая трудность.

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. В мире капролактам получают преимущественно из бензола - 83,6%, из фенола - 12%, из толуола - 4,4%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Капролактам - лактам ?-аминокапроновой кислоты представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, которое является маслянистым на ощупь (т. Пл. 68,5-69єC, bp 262,5єC при 760 мм рт.ст. и 120єC при 10 мм рт.ст.). Легко растворим в воде и органических растворителях (бензол, ацетон, петролейный эфир и т. Д.).Капролактам, используемый для производства капронов, должен удовлетворять ряду требований (не менее 68,5єC, механических примесей не более 0,00075% и т. Д.).

Для получения капролактама могут быть использованы углеводороды, такие как бензол, циклогексан, толуол, ацетилен. Получение капролактама через циклогексанон. Преимуществом этого метода является небольшое количество этапов, отсутствие побочного продукта - сульфат аммония - и высокий выход капролактама, достигающий 90%.

Синтез капролактама через анилин также развивается в промышленном масштабе. Недостатками этого метода являются высокий уровень потребления азотсодержащих компонентов и стоимость дорогостоящего пероксида водорода.

Капролактам используется в основном для производства полиамидных пластмасс, волокон. Большая часть потребления в мире поступает из пряжи и волокна, значительное количество также потребляется в производстве структурных пластмасс. Оставшийся объем используется для производства упаковочных пленок и других материалов. Полиамидные волокна и пряжа обычно используются в производстве текстильных изделий, ковров, промышленных нитей, используемых в свою очередь для производства шнура шины.

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 пряжи обычно используются в производстве текстильных изделий, ковров, промышленных пряжи, которые, в свою очередь, используются для производства шнура шины. Шнур является самым крупным и быстрорастущим сегментом рынка PA6.

Смола PA6 также является основной для производства структурных пластмасс, используемых для производства компонентов электронного и электрического оборудования, автомобильных деталей.

В упаковочной промышленности используется ориентированная полиамидная пленка, также изготовленная на основе смолы PA6.

Небольшие количества капролактама расходуются на синтез лизина, а также в качестве агента при 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.

3. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Альянс,2013. - 592 с.

4. Гельбштейн А.И., Силинг М.И., Сергеева Г.А. и др. // Кинетика и катализ, 1963. Т.4, №1, С. 149, С. 303.

5. Робертс Дж., Касерио М. Основы органической химии. - М.: Мир, 1978.

6. Берзин Б.Д., Берзин Д.Б. Курс современной органической химии. - М.: Высш. шк., 1999.

Размещено на Allbest.ru