Основные стадии синтеза капролактама

Получение циклогексанона из циклогексана. Окисление циклогексана является одним из основных способов получения циклогексанона.

Первым промежуточным продуктом окислительной схемы производства капролактама является циклогексан, который получается преимущественно гидрированием бензола.

Получение циклогексана. Гидрирование бензола в циклогексан является обратимой реакцией, сопровождающейся выделением значительного количества тепла:

Термодинамика и кинетика гидрирования бензола. С понижением температуры и повышением давления реакция сдвигается в сторону образования циклогексана.

Расчетные значения равновесной степени конверсии бензола в циклогексан при различных давлениях, температуре и мольном соотношении водорода к бензолу представлены на рис.11.1.

Из приведенных данных видно, что при атмосферном давлении и температуре ниже 473 К процесс почти полностью сдвигается вправо (до циклогексана), а при температуре выше 623 К равновесие полностью сдвигается влево. Поэтому при использовании малоактивных катализаторов например, (сульфидных), когда температуру реакции необходимо повышать до 623-643 К, полного превращения бензола удается достичь только при давлении ~ 30 МПа.

На рис. 11.2 показана зависимость скорость реакции в кинетической области от его парциального давления при различных температурах.

В температурном интервале до 373 К скорость реакции остается практически постоянной вплоть до степени конверсии 80%, что свидетельствует о нулевом порядке по бензолу в этой области. При степени конверсии выше 80% скорость реакции снижается с уменьшением парциального давления бензола, а порядок по бензолу становится больше нуля. При высоких температурах область отклонений от нулевого порядка по бензолу значительно расширяется, и при 458 К порядок реакции по бензолу составляет 0,5.

По водороду порядок реакции при температурах до 373 К равен 0,5. С возрастанием температуры он повышается до 1,2, что связано с изменением адсорбционных характеристик катализатора. Продукт реакции - циклогексан - тормозит процесс лишь в небольшой степени. Значение кажущейся энергии активации процесса в кинетической области составляет ~ 50 кДж/моль.

Катализаторы гидрирования бензола. Еще в начале ХХ века П.Сабатье и Ж.Сандеран обнаружили, что бензол легко гидрируется в циклогексан в присутствии мелкораздробленного никеля. Позже было показано, что для этой цели можно с успехом применять скелетный никель, никель на носителях и смешанные никелевые катализаторы. Можно использовать также палладий, молибден, вольфрам и рений.

Особую группу составляют сульфидные катализаторы, представляющие собой смешанные сульфиды никеля, молибдена, вольфрама и других металлов. Важным достоинством этих катализаторов является отсутствие у них чувствительности к примесям сернистых соединений в исходном бензоле.

Гидрирование бензола на никелевых катализаторах проводят при низких и средних давлениях (до 3 МПа) при температурах 423-473 К. В этих условиях достигается практически полное превращение бензола в циклогексан, причем без образования побочных продуктов. Однако ввиду высокой чувствительности никелевых катализаторов к примесям серы, ее содержание в исходном бензоле не должно превышать десятитысячных долей процента. Наиболее часто применяют никелевые катализаторы на носителях: кизельгуре, оксиде алюминия, оксиде хрома, оксиде магния, угле и др.

Используемый для гидрирования бензола никельхромовый катализатор состоит из металлического никеля или никелевой черни (не менее 48%), нанесенного на оксид хрома. При его контакте с воздухом происходит сильный разогрев катализатора. Гидрирование бензола на никельхромовом катализаторе осуществляют при 393-423 К, 2,0 - 6,0 МПа и объемной скорости по бензолу 0,5-2 ч^-1. В этих условиях содержание циклогексана в катализаторе составляет 99,9%.

Никельхромовый катализатор, как и другие никелевые катализаторы, легко отравляется сернистыми соединениями.

В промышленности применяется также вольфрамникельсульфидный катализатор без носителя, приготавливаемый осаждением основного карбоната никеля из растворов никелевых солей. Гидрирование проводят при 27-30 МПа и температуре до 653 К.

На платиновых катализаторах гидрирование бензола протекает при тех же условиях, что и на никелевых: температура 423-523 К, давление до 3 МПа, мольное соотношение газ:бензол, равное 8:1, причем в этих условиях достигается практически полная конверсия при селективности, близкой к 100%. Платиновый катализатор, содержащий 0,3% платины на оксиде алюминия, готовят пропиткой гранул носителя водным раствором платинохлористоводородной кислоты с последующей сушкой и прокаливанием. Катализатор не должен содержать хлора и фтора, которые способствуют реакции изомеризации.

Отравление платиновых катализаторов соединениями серы, в отличие от никелевых катализаторов, обратимо.

Сульфидные катализаторы, обладая значительно меньшей активностью по сравнению с никелевыми и платиновыми, требуют значительно более жестких условий гидрирования: давление ~ 30 МПа и температура 523-653 К при низких объемных скоростях по бензолу: 0,2-0,4 ч^-1. В этих условиях возрастает скорость побочных реакций, в частности изомеризации циклогексана в метилциклопентан:

Принципиальная технологическая схема гидрирования бензола с применением трубчатого реактора представлена на рис.11.3.

Бензол испаряется в трубном пространстве теплообменника 2, смешивается с циркуляционным газом и свежим водородом, нагревается в подогревателе 3 и поступает в колонну форконтакта 5, в которой на медьмагниевом катализаторе сырье очищается от сернистых соединений. Гидрирование бензола осуществляется в реакторах 6 и 8. В первый реактор загружают 40% катализатора и во второй – 60%. Во втором реакторе превращение бензола достигает 99,9%. Реакционная смесь из реактора 8 поступает на охлаждение в межтрубное пространство теплообменника 2 и далее в холодильник-конденсатор 9, из которого газожидкостная смесь при 308 К передается в сепарационную колонну 10, где жидкий циклогексан отделяется от газа. Жидкий циклогексан из сепарационных колонн 10 и 12 поступает в сборник 14.

Окисление циклогексана. Жидкофазное окисление циклогексана является наиболее распространенным способом получения циклогексанола и циклогексанона – основных полупродуктов в синтезе капролактама.

Процесс протекает по радикальному механизму через образование и распад органических пероксидов.

Упрощенная схема окисления циклогексана:

Более детально последовательность превращений продуктов при окислении циклоксана можно описать следующим образом:

В качестве катализаторов окисления циклогексана обычно применяют соли органических кислот с металлами переменной валентности. Каталитическая активность металлов переменной валентности при окислении циклогексана убывает в ряду:

Co > Cr > Mn > Fe > Al > Pb.

В промышленности в основном применяют кобальтовые и марганцевые соли: нафтенаты, лауринаты, стеараты.

Окисление циклогексана проводят при различных температурах: от 403 до 473 К. Изменение давления в пределах 0,9-5 МПа при постоянной температуре практически не влияет на выход и состав продуктов.

Разработано несколько промышленных технологических схем окисления циклогексана, которые различаются условиями процесса, аппаратурным оформлением, а также методами обработки реакционной смеси. Одной из первых в промышленности реализована технологическая схема, разработанная фирмой "Дюпон". Реакцию проводят при ~423 К, 1,7 МПа и времени пребывания в каждом реакторе 1 ч.

При степени конверсии 15-20% выход циклогексанона и циклогексанола составляет 60-70%, а суммарный выход продуктов, окисляемых далее азотной кислотой в адипиновую кислоту, достигает 80-85%.

В отечественной промышленности реализована технологическая схема окисления циклогексана в одноступенчатом реакторе барботажного типа. Окисление проводят в одну стадию при 418-423 К и давлении 1-2 Мпа; в качестве катализатора применяют стеарат или нафтенат кобальта, растворенный в циклогексане. Время окисления составляет ~ 30 мин, а количество подаваемого воздуха – 40-60 м³ на 1 м³ циклогексана.

В результате жидкофазного окисления циклогексана получается смесь сложного состава, которая содержит значительные количества непрореагировавшего циклогексана. Последний необходимо выделить для возврата его на стадию окисления и получения чистых циклогексанона и циклогексанола.

Выделение непрореагировавшего циклогексана, выделение и очистку циклогексанона и циклогексанола осуществляют ректификацией под вакуумом.

При разделении продуктов окисления циклогексана необходимо учитывать ограниченную термическую стойкость циклогексанона, который при нагревании в результате самоконденсации образует димеры:

В связи с этим степень термического воздействия на продукты, содержащие циклогексанон, в условиях разделения должна быть минимальной.

Органические кислоты, присутствующие в оксидате, обычно нейтрализуют водным раствором едкого натра при температуре ~338 К. Нейтрализацию, как правило, совмещают с процессом омыления сложных эфиров и проводят последовательно в нескольких реакторах. Затем разделяют водный слой, содержащий соли и частично нейтрализованный органический слой продуктов окисления. Одновременно с реакцией нейтрализации разлагают гидропероксид циклогексила, при этом получается дополнительное количество циклогексанона и циклогексанола. Непрореагировавший циклогексан выделяется ректификацией. Содержание циклогексанона и циклогексанола в дистилляте ~ 0,15%. Циклогексан возвращают на стадию окисления, а оставшаяся смесь поступает на выделение циклогексанона и циклогексанола. Циклогексанол направляют далее на стадию дегидрирования.

Получение циклогексанола и циклогексанона из фенола. Получение циклогексанона из фенола включает две стадии: гидрирование фенола в циклогексанол на никелевых катализаторах и последующее дегидрирование циклогексанола в циклогексан.

Реакция гидрирования фенола в циклогексанол сопровождается выделением тепла:

При температуре ниже 473 К равновесие реакции практически полностью сдвигается в сторону образования циклогексанола.

Циклогексанон является продуктом продуктом дегидрирования циклогексанола:

Разработаны различные варианты гидрирования фенола в жидкой фазе в присутствии суспендированного палладиевого катализатора (1-10% палладия на угле, оксиде алюминия). При 413 К и атмосферном давлении через 30 ч в продуктах реакции обнаруживается 79% циклогексанона, 1% циклогексанола и ~ 20% непрореагировавшего фенола.

Возможно также жидкофазное гидрирование фенола на катализаторе, содержащем 5% палладия на угле, промотированном едким натром. При 458 К достигнута 99,5%-ная степень конверсии фенола при селективности по циклогексанону 97,5%.

Скорость гидрирования циклогексанона на никеле на порядок выше скорости гидрирования фенола. В то же время на палладии соотношение скоростей реакции обратное. Этим и обусловливается различная селективность металлов: на никеле процесс протекает с образованием циклогексанола, а на палладии в основном образуется циклогексанон.

Различие в протекании реакции гидрирования фенола на никеле и палладии можно объяснить различным соотношением циклогексанона и его енольной формы, образующейся в качестве промежуточного соединения:

На палладии преимущественно образуется кетон, который легко десорбируется в газовую фазу. На никеле эта реакция идет через преимущественное образование енола, десорбция которого затруднена, вследствие чего он легко гидрируется в циклогексанол.

Для гидрирования фенола применяют преимущественно никелевые и палладиевые катализаторы.

Никелевые катализаторы представляют собой восстановленный металлический никель на носителях: оксидах алюминия, хрома и др. Природа носителя в данном случае не оказывает существенного влияния на активность катализатора.

Палладиевые катализаторы готовят нанесением поверхностного слоя палладия на различные носители: оксиды алюминия, кремния, уголь и т. д. Высокая дисперсность палладия в катализаторе достигается в результате пропитки -А1₂О₃ раствором хлорида палладия с последующим восстановлением водородом.

Циклогексанол получают в колоннах при давлении в верхней части колонны 4-6 кПа, температуре в кубе 433-443 К.

Гидрирование фенола на никельхромовом катализаторе осуществляют в паровой фазе при 403-423 К, давлении 1,5-2,5 МПа и скорости подачи сырья 0,15-0,2 ч^-1. Гидрирование фенола на никельхромовом катализаторе протекает с селективностью по циклогексанолу 98-99% при практически 100%-ной конверсии.

Одностадийное парофазное гидрирование фенола до циклогексанона осуществляют на палладиевом катализаторе при 393-413 К и небольшом избыточном давлении – до 0,3 МПа. Оптимальная нагрузка по жидкому фенолу составляет ~ 0,8-1,2 кг/л (кат.)час.

Получение капролактама из анилина. Метод получения капролактама из анилина был разработан и реализован в промышленности в Германии в 1940-х годах и до настоящего времени не потерял своего значения. Метод включает в себя следующие технологические стадии: гидрирование анилина до циклогексиламина, гидролиз моно- и дициклогексиламинов и разделение бензольного экстракта.

Гидрирование анилина в циклогексиламин. Гидрирование анилина в циклогексиламин проводят в паровой фазе при 433-523 К и 9,5-16 МПа на кобальтовом или никельхромовом катализаторе:

В качестве побочных продуктов получаются циклогексан, дициклогексиламин и другие соединения:

Продукты реакции обычно имеют следующий состав(в % (мас.)):

Принципиальная технологическая схема процесса представлена на рис. 11.4.

Водород очищают от сернистых соединений на угольном фильтре 1, нагревают в подогревателях 2 и 3 до 443-473 К, очищают от оксида углерода путем его гидрирования до инертного метана на никельхромовом катализаторе в колонне форконтакта 4 и направляют в газовый цикл.

Анилин из емкости 5 насосом 6 закачивают в напорный бак 7, затем подают на смешение с циркулирующим водородом, предварительно подогретым в теплообменниках 10 до 438-443 К. В испарителе 9 образуется паро-газовая смесь анилина с водородом, которая нагревается до температуры реакции гидрирования 473 К и поступает в контактный аппарат 15 кожухотрубного типа. Трубки реактора заполнены катализатором, а в межтрубном пространстве циркулирует под давлением кипящая вода. Пароводяная смесь из контактного аппарата направляется в пароотделитель 16.

Тепло реакции используется для получения пара, а также для подогрева газа в теплообменниках 10, в которых смесь паров циклогексиламина, не прореагировавшего анилина и водорода охлаждается. Затем она поступает в холодильник-конденсатор11 и сепаратор 12, в котором сконденсированные продукты реакции отделяются от циркулирующего водорода.

Гидролиз моно-и дициклогексиламинов. Гидролиз моно- и дициклогексиламинов протекает по схеме

Циклогексиламин вначале переходит в циклогексанол, который затем частично дегидрируется в циклогексанон:

Гидролиз циклогексиламинов осуществляют при атмосферном давлении и 433-498 К водяным паром на твердых катализаторах, обычно никельхромовых. Конверсия циклогексиламина за проход составляет 75-90%. Продукты гидролиза на выходе из контактного аппарата имеют следующий состав (в % (мас.)):

Компоненты смеси образуют между собой азеотропные смеси и разделение их дистилляцией невозможно. Поэтому амины переводят в водорастворимые сульфаты аминов путем обработки смеси серной кислотой:

Циклогесанон и циклогексанол экстрагируют из смеси бензолом. Полученный при этом бензольный экстракт содержит ~ 75% бензола и ~ 25% циклогексанола и циклогексанона. При расслаивании продуктов нейтрализации выделяется слой, содержащий сульфат натрия, который направляется в отделение по очистке сточных вод. Водный слой после расслаивания нейтрализуют.

Дегидрирование циклогексанола. Циклогексанол является одним из основных продуктов в синтезе капролактама по фенольной и анилиновой схемам. Для получения циклогексанона циклогексанол подвергают дегидрированию:

Реакция является эндотермической, тепловой эффект реакции при 573 К составляет – 67 кДж/моль. Повышение температуры и понижение давление сдвигает равновесие вправо. Константы равновесия реакции и степени превращения циклогексанола при 433-653 К и атмосферном давлении приведены в табл. 11.1.

Равновесная степень превращения циклогексанола при 513 К достигает 60%, а при температуре выше 623 К равновесие практически полностью сдвигается вправо.

В качестве катализаторов дегидрирования циклогексанола можно использовать никель, кобальт, железо, медь, цинк, палладий, рутений и др. Наибольшее распространение в промышленности получили катализаторы на основе цинка и меди. Железоцинковый катализатор представляет собой железные кольца, поверхность которых покрывают цинком термическим или гальваническим способом. Дегидрирование осуществляют при температуре 673-693 К и объемной скорости свежего циклогексанола 1,2 ч^-1.

В промышленности применяется также оксидный цинковый катализатор, получаемый, например, разложением основного карбоната цинка при 673 К с последующим таблетированием смеси оксида цинка с 2% графита.

При 613-633 К и объемной скорости по жидкому циклогексанолу 1,0-1,5 ч^-1 выход циклогексанона на прореагировавший циклогексанол при 80-85%-ной степени конверсии достигает 98%.

В присутствии катализаторов на основе меди дегидрирование циклогексанола можно проводить при температурах ниже 573 К. Катализаторы готовят нанесением меди на носители, например кизельгур, пемзу, оксид алюминия или другие носители. При 523-553 К и объемной скорости 0,8-1,0 ч^-1 на этом катализаторе достигается практически равновесный выход.

Обычно дегидрирование циклогексанола сопровождается образованием побочных продуктов. Например, в результате дегидрирования циклогексанона в цикле получается циклогексенон

содержание которого возрастает с повышением температуры реакции.

Конденсация циклогексанона приводит к образованию 2-циклогексилиденциклогексанона, который при температуре выше 423 К изомеризуется в 2-циклогексенилциклогексанон:

Основной реакцией образования фенола является диспропорционирование водорода в циклогексаноне:

Следующая стадия – это превращение циклогексанона в циклический оксим по реакции с гидроксиламиносульфатом.

Получение гидроксиламиносульфата

Гидроксиламиносульфат NH₂OH0,5H₂SO₄ был впервые синтезирован в 1865г. Лоссеном. В конце ХIХ века Ф.Рашиг, а впоследствии Диверс и Хаг исследовали реакцию взаимодействия нитритов с гидросульфитом и сернистым ангидридом и получили гидроксиламиносульфат. Этот способ носит название "процесс Рашига".

Первой стадией процесса является получение дисульфоната гидроксиламина из нитрита натрия и гидросульфита натрия:

Синтез осуществляют при ~ 273 К и стехиометрическом соотношении между нитритом и гидросульфитом.

На второй стадии проводится гидролиз дисульфоната гидроксиламина с образованием гидроксиламинсульфата:

Получение циклогексаноноксима и его изомеризация в капролактам.

Циклогексаноноксим

представляет собой белое кристаллическое вещество с т.пл. 361,6 К. При нагревании с минеральными кислотами в водном растворе циклогексаноноксим гидролизуется с образованием циклогексанона и гидроксиламина.

Стадия процесса оксимирования циклогексанона входит в фенольную, анилиновую и окислительную схемы производства капролактама. В каждой из них основными полупродуктами являются циклогексанон и гидроксиламиносульфат, взаимодействующие между собой.

Циклогексаноноксим получают по открытой В. Мейером в 1882г. реакции между гидроксиламином и кетоном.

Оксимирование циклогексанона протекает по схеме

В кислой среде циклогексаноноксим находится в форме соединения с серной кислотой или же в протонированной форме. Эта химически активная форма определяет обратимый характер процесса. Для сдвига равновесия в сторону образования оксима в реакционную смесь вводят раствор аммиака:

Взаимодействие циклогексанона с гидроксиламиносульфатом протекает по механизму электрофильного замещения. Электрофильный характер атома углерода карбонильной группы в молекуле циклогексанона усиливается протонированием кислородного атома кислотой. При этом соответствующий углеродный атом приобретает положительный электрический заряд. Атом азота молекулы гидроксиламиносульфата присоединяется к нему своей неподеленной электронной парой. В то же время кислородный атом карбонильной группы присоединяет к себе атом водорода гидроксиламинсульфата с последующим отщеплением молекулы воды:

Сдвиг реакции оксимирования в сторону образования циклогексаноноксима существенно зависит от рН среды:

Реакцию проводят при 348-353 К при избытке гидроксиламиносульфата.

В гидроксиламиносульфате, получаемом по способу Рашига, может присутствовать свободная сера. Поэтому в процессе оксимирования возможно образование полисульфида аммония, димера 2-меркаптоциклогексана, производного тиазолина и некоторых других серосодержащих соединений, которые по технологической цепочке могут попасть в капролактам.

При наличии в гидроксиламиносульфате изомоно- и изодисульфокислот может образовываться сульфонат циклогексаноноксима, который, в свою очередь, вступает в реакцию с циклогексаноноксимом с образованием феназиновых соединений, в частности октагидрофеназина:

Последний является наиболее нежелательным соединением: его присутствие даже в незначительных количествах резко ухудшает оптическую плотность и окраску капролактама.

В основе процесса превращения циклогексаноноксима в капролактам лежит открытая в 1886г. Э. Бекманом реакция превращения оксимов в амиды кислот, известная как перегруппировка Бекмана. В случае циклических оксимов процесс протекает с образованием лактамов. Этот процесс является основным методом производства лактамов, например:

Перегруппировка Бекмана протекает под действием различных изомеризующих агентов, например олеума. Для предотвращения взрыва реакцию проводят при интенсивном охлаждении.

Первой стадией процесса является образование протонированной формы циклогексаноноксима:

Большое влияние на закономерности протекания изомеризации оказывает концентрация серного ангидрида в олеуме, т.е. фактор кислотности. Крайне нежелательной реакцией, характерной для оксима в присутствии кислот и щелочей, является их гидролиз. По мере повышения кислотности среды скорость гидролиза вначале возрастает, а затем уменьшается. Снижение константы скорости реакции гидролиза объясняется переходом протонированной формы циклогексаноноксима в нереакционноспособную ионную пару:

Кроме того, в условиях гидролиза протекает также реакция диссоциации этой ионной пары с образованием протонированной формы циклогексаноноксима. Таким образом, в олеуме циклогексаноноксим находится в трех равновесных формах: неионизированной, протонированной и в виде ионной пары.

На второй стадии ионная пара подвергается дегидратации и в результате дальнейшей внутримолекулярной перестройки образуется эфир, который гидролизуется с образованием капролактама и серной кислоты:

Процесс изомеризации циклогексаноноксима в капролактам сопровождается побочными реакциями. Гидроксиламиносульфат, который может присутствовать в смеси продуктов, поступающих на изомеризацию, из-за нарушений технологического режима, взаимодействует с капролактамом с образованием -аминокапрогидроксамовой кислоты:

Октагидрофеназин образуется, вероятно, в результате превращения циклогексаноноксима:

На стадии изомеризации циклогексаноноксима чрезвычайно важно выдерживать два основных параметра – соотношение концентраций циклогексаноноксим:олеум и температуру. Критерием оптимального соотношения циклогексаноноксим:олеум является содержание свободного SO₃ в продукте перегруппировки: оно должно составлять ~ 1,5%.

Принципиальная технологическая схема изомеризации циклогексаноноксима представлена на рис. 11.5.

Циклогексаноноксим со стадии оксимирования подается в реактор 1, в котором поддерживается вакуум (остаточное давление 10 кПа). Для предотвращения сублимации циклогексаноноксима в линию его подачи вводят азот, что одновременно исключает переброс продукта. Олеум поступает во всасывающую линию циркуляционного насоса 3. Тепло реакции изомеризации снимается за счет циркуляции реакционной смеси между реактором 1 и холодильником 4. Процесс ведут при температуре ~ 398 К.

Все технологическое оборудование стадии изомеризации изготавливается из кислотоупорной стали во избежание попадания в капролактам соединений железа и других металлов.

Недостатком описанного метода изомеризации циклогексаноноксима в капролактам являются образование значительных количеств побочного продукта – сульфата аммония – и связанный с этим дополнительный расход олеума и аммиака.

Японская фирма "Канебо" разработала способ превращения циклогеканоноксима в капролактам, который заключается во взаимодействии циклогексаноноксима с N-ацетилкапролактамом, в результате чего между молекулами обоих продуктов происходит обмен ацетильной группой. Реакцию проводят в интервале температур 403-503 К, в качестве катализатора используют уксусную кислоту. Образующиеся ацетилциклогексаноноксим и капролактам выделяют ректификацией. Капролактам направляют на очистку, а ацетилциклогексаноноксим в паровой фазе превращается на алюмосиликатном катализаторе в N-ацетилкапролактам:

Ацетилпроизводные циклогексаноноксима и капролактама являются термически нестойкими продуктами: при нагревании они частично деацетилируются, в связи с чем в продуктах превращения ацетилциклогексаноноксима в N-ацетилкапролактам содержится от 2 до 10% капролактама.

По другому варианту для превращения циклогексаноноксима в капролактам через ацетильные производные используется реакция циклогексаноноксима с кетеном, протекающая на алюмосиликатном катализаторе при 573 К с образованием ацетилкапролактама:

Последующий гидролиз парами воды позволяет получить два продукта – капролактам и уксусную кислоту.

В большинстве современных промышленных схем для выделения капролактама применяется двухступенчатая экстракция. На первой стадии проводят экстракцию органическими растворителями (бензол, толуол, трихлорэтилен), а на второй – реэкстракцию капролактама водой.