¿Cómo se produce industrialmente la ciclohexanona? Rutas de producción, procesos y aplicaciones

Industrialmente, la ciclohexanona se produce principalmente mediante la oxidación del ciclohexano, lo que produce una mezcla de ciclohexanol-ciclohexanona conocida como aceite KA, seguida de separación y purificación. Otras rutas comerciales incluyen la hidrogenación de fenol y, menos comúnmente, procesos basados ​​en ciclohexeno-. Comprender cómo se produce la ciclohexanona es importante para los compradores porque el proceso de producción de ciclohexanona utilizado afecta directamente la pureza, el costo y la confiabilidad del suministro - la elección de la ruta depende del costo de la materia prima, la pureza deseada y si el productor también produce ácido adípico o caprolactama posteriormente.

¿Qué es la ciclohexanona?

• Nombre químico: ciclohexanona
• Número CAS: 108-94-1
• Fórmula molecular: C₆H₁₀O
• Peso molecular:98,14 g/mol
• Forma física:Líquido aceitoso de incoloro a-amarillo pálido con olor a acetona o menta-
• Aplicaciones principales:Precursor de caprolactama (para Nylon 6) y ácido adípico (para Nylon 66), solvente industrial y materia prima para recubrimientos, adhesivos y otros productos químicos intermedios.

¿Cómo se produce industrialmente la ciclohexanona?

Se utilizan comercialmente tres rutas principales y, en la práctica, no son intercambiables. - cada una está vinculada a una cadena de suministro de materia prima y una estructura de costos diferentes.

1. Proceso de oxidación del ciclohexano (ruta más común)

Este es el método industrial predominante, especialmente cuando se produce ciclohexanona junto con ácido adípico o caprolactama en centros de producción integrados de nailon. La producción de ciclohexanona a partir de ciclohexano a través de esta vía de oxidación representa la mayor parte de la capacidad global de síntesis de ciclohexanona.

Flujo de proceso:

ciclohexano
↓
Oxidación por aire/oxígeno (catalizador de cobalto o manganeso, 150–160 grados, ~0,9–1,0 MPa)
↓
Aceite KA (mezcla de ciclohexanol + ciclohexanona)
↓
Destilación/Separación
↓
Ciclohexanona (purificada)

Reacción:

C₆H₁₂ + O₂ → C₆H₁₀O + H₂O

En la práctica, la reacción produce ciclohexanol y ciclohexanona juntos - esta mezcla se llamaaceite ka(cetona-aceite alcohólico). La oxidación se lleva a cabo en una serie de reactores-de fase líquida que utilizan un catalizador de cobalto soluble (como naftenato de cobalto u octoato de cobalto), con aire comprimido pre-rociado para suministrar oxígeno. Una restricción operativa clave: la conversión de ciclohexano se mantiene deliberadamente por debajo de aproximadamente el 10 % por pasada, porque aumentar la conversión degrada la selectividad - los productos deseados son menos estables térmicamente que el ciclohexano inicial, por lo que el exceso de conversión genera más subproductos-no deseados en lugar de más aceite KA. Esto mantiene la selectividad general de KA alrededor del 80%, con el ciclohexano sin reaccionar reciclado nuevamente a la alimentación.

Por qué esta ruta domina industrialmente:

• Materia prima barata- El ciclohexano es una materia prima petroquímica de costo relativamente bajo-y alto-volumen, que generalmente se produce mediante la hidrogenación de benceno.
• Producción a gran-escala- El proceso se escala bien y-se adapta bien a una operación continua y de alto-rendimiento.
• Infraestructura existente- Décadas de capacidad instalada, particularmente en sitios que ya producen ácido adípico o caprolactama, hacen de este el camino de menor resistencia para la expansión o nueva capacidad en las cadenas de suministro integradas de nailon.

2. Ruta de hidrogenación del fenol

Flujo de proceso:

Fenol
↓
Hidrogenación (catalizador a base de paladio-, ~140 grados)
↓
Ciclohexanol (o directamente a ciclohexanona en configuraciones de un solo-paso)
↓
Deshidrogenación (si hay dos-pasos)
↓
ciclohexanona

Esta ruta se puede ejecutar como un proceso de un solo-paso (fenol hidrogenado directamente a ciclohexanona) o un proceso de dos-pasos (fenol → ciclohexanol → deshidrogenación → ciclohexanona), dependiendo del diseño del catalizador y del reactor. Los catalizadores a base de paladio-pueden alcanzar rendimientos de ciclohexanona superiores al 90 % en la hidrogenación de un solo-reactor, con una relación molar óptima de hidrógeno-a-fenol de alrededor de 2,1 para la producción equivalente de KA-aceite-.

Ventajas:

Alta pureza- Generalmente se considera un proceso más limpio con mayor selectividad que la oxidación del ciclohexano, ya que evita la propagación más amplia de subproductos-que proviene de la oxidación del ciclohexano mediada por radicales-.

Limitaciones:

Mayor costo de materia prima- El fenol es generalmente más caro que el ciclohexano y su precio está ligado al proceso de cumeno (benceno + propileno → cumeno → fenol + acetona a través del proceso de Hock), lo que añade una capa de exposición al mercado de materias primas que la oxidación del ciclohexano no tiene en el mismo grado.

3. Ruta basada en ciclohexeno-

Flujo de proceso:

Ciclohexeno (procedente de la hidrogenación selectiva del benceno)
↓
Hidratación
↓
ciclohexanol
↓
Deshidrogenación
↓
ciclohexanona

Esta ruta comienza a partir del ciclohexeno, que se produce a través de la hidrogenación parcial (selectiva) del benceno - un primer paso más complejo que simplemente hidrogenar completamente el benceno a ciclohexano, pero que abre un camino de reacción diferente. El ciclohexeno se hidrata a ciclohexanol, que luego se deshidrogena a ciclohexanona.

Características:

• Ruta alternativa- Se adopta menos ampliamente a nivel mundial que la oxidación con ciclohexano, pero se utiliza comercialmente, especialmente en procesos desarrollados para la producción directa de nailon intermedio.
• Mejor selectividad- Puede ofrecer perfiles de selectividad mejorados en comparación con la oxidación directa del ciclohexano, ya que evita algunas de las reacciones secundarias radicales-en cadena inherentes a ese proceso.

Diagrama de flujo del proceso de fabricación de ciclohexanona

La vía comercial más común, la oxidación del ciclohexano, sigue esta secuencia general:

ciclohexano
|
reactor de oxidación
(Catalizador Co/Mn, 150-160 grados, aire/O2)
|
Aceite KA
(ciclohexanol + ciclohexanona)
|
Separación
|
Destilación
|
ciclohexanona
(producto purificado)

Cuando la ciclohexanona es el producto objetivo final (en lugar de un intermedio en el camino hacia el ácido adípico), la fracción de ciclohexanol del aceite de KA generalmente se deshidrogena catalíticamente para convertirla en ciclohexanona adicional, maximizando el rendimiento de la cetona deseada en lugar de tratar el ciclohexanol como un co-producto.

Comparación de rutas de producción de ciclohexanona industrial

Leer esta tabla en contexto importa más que las celdas individuales:El mejor método de producción de ciclohexanona depende completamente de qué más esté produciendo el productor.Un sitio integrado con la producción de ácido adípico o caprolactama casi siempre favorecerá la oxidación del ciclohexano, porque el aceite de KA es la materia prima compartida tanto para la ciclohexanona como para el ácido adípico, y el capital ya está disponible. Es más probable que un productor independiente de ciclohexanona sin esa integración posterior, o uno que priorice la pureza para aplicaciones farmacéuticas o de solventes especializados-, considere la hidrogenación de fenol a pesar del mayor costo de la materia prima.

¿Por qué la oxidación con ciclohexano es el método industrial dominante?

Más allá de las ventajas-a nivel de proceso ya descritas, algunos factores estructurales explican por qué esta ruta concentra la mayor parte de la capacidad de producción global:

• Costo- El ciclohexano es un petroquímico a granel con precios competitivos y bien-establecidos, a diferencia del fenol, que conlleva una prima de costo ligada a la economía de co-producción de cumeno/acetona.
• Disponibilidad- El ciclohexano se produce a escala específicamente para alimentar esta cadena, con un suministro global confiable.
• Escala- El proceso está probado en capacidades de un solo-tren muy grande, lo que reduce el costo de capital por-unidad para los principales productores.
• Industria existente de Nylon 6/Nylon 66- La mayor parte de la capacidad mundial de ciclohexanona se encuentra en o cerca de sitios integrados que ya consumen aceite KA para ácido adípico (Nylon 66) o dirigen la ciclohexanona hacia caprolactama (Nylon 6), por lo que la ruta de oxidación refuerza la inversión de capital existente en lugar de requerir una cadena de suministro de fenol separada.

Papel de la ciclohexanona en la producción de nailon 6

Este es el mayor impulsor de la demanda de ciclohexanona a nivel mundial, y vale la pena comprender la cadena completa:

ciclohexano
↓
ciclohexanona
↓
Ciclohexanona oxima (reacción con hidroxilamina)
↓
Reordenamiento de Beckmann
↓
caprolactama
↓
Nailon 6

La ciclohexanona se convierte primero en ciclohexanona oxima mediante reacción con hidroxilamina (o una sal de hidroxilamina). Luego la oxima sufre laReordenamiento de Beckmann- una reacción catalizada por un ácido-que reorganiza la oxima en un anillo de lactama de siete-miembros, la caprolactama. Luego, la caprolactama se polimeriza con apertura de anillo-para producirNailon 6, una de las fibras sintéticas y plásticos de ingeniería más producida a nivel mundial.

Vale la pena señalar la cadena paralela del Nylon 66: en ese caso, la mezcla completa de aceite KA (tanto ciclohexanol como ciclohexanona) se oxida aún más, generalmente con ácido nítrico, paraácido adípico, que luego se combina con hexametilendiamina para producir nailon 66. Esta es la razón por la que los sitios de oxidación de ciclohexano-integrados a menudo producen tanto ciclohexanona (para la cadena de nailon 6) como ácido adípico (para la cadena de nailon 66) a partir de la misma corriente de aceite KA, ajustando la división en función de la demanda del mercado para cada tipo de nailon.

Aplicaciones industriales de la ciclohexanona

• producción de nailon- La aplicación principal, como precursor de la caprolactama (Nylon 6) y, a través del aceite KA, del ácido adípico (Nylon 66).
• Solvente- Se utiliza como disolvente fuerte para resinas, lacas y diversos polímeros, especialmente cuando se necesita una buena solvencia para materiales polares y no-polares.
• Recubrimientos- Un componente solvente común en recubrimientos industriales y formulaciones de pinturas, valorado por su tasa de evaporación y perfil de solvencia.
• Adhesivos- Se utiliza en formulaciones adhesivas, particularmente cuando ayuda a disolver o activar componentes poliméricos.
• Intermedios químicos- Una materia prima para diversas síntesis químicas posteriores más allá de la cadena del nailon.

Requisitos de calidad de ciclohexanona para compradores industriales

La pureza y la consistencia son importantes para el procesamiento posterior, ya que las impurezas pueden interferir con las reacciones de oximación y polimerización. Las especificaciones industriales típicas incluyen:

La ciclohexanona está clasificada como un líquido combustible (punto de inflamación de alrededor de 44 grados) y normalmente se envía en tambores de acero, vagones cisterna o camiones cisterna de 55-galones (208 L). No es corrosivo y, por lo general, no se requiere una capa de gas-inerte para su transporte o almacenamiento, pero aún así debe etiquetarse como material inflamable/combustible y almacenarse lejos del calor, chispas y llamas abiertas.

¿Cómo elegir un proveedor confiable de ciclohexanona?

Para los compradores industriales, especialmente aquellos que alimentan procesos de nailon o químicos especializados, la investigación de proveedores debe ir más allá del precio:

• Certificado de Análisis (COA)- Cada lote debe enviarse con un COA que confirme las especificaciones de pureza, contenido de agua, acidez y color según el grado requerido.
• Hoja de datos de seguridad (SDS)- Documentación SDS actual para cumplimiento de manipulación, almacenamiento y transporte.
• Ficha Técnica (TDS)- Datos detallados de propiedades físicas/químicas específicas del grado del producto del proveedor.
• Certificación ISO- La certificación de gestión de calidad ISO 9001 (o equivalente) indica un control de calidad de lote-a-lote más consistente.
• Experiencia exportadora- Un historial de envíos internacionales, documentación aduanera y cumplimiento de las regulaciones químicas del mercado de destino-(por ejemplo, REACH para la UE).
• Embalaje- Confirme que las opciones de tambor, IBC, tanque ISO o a granel coincidan con sus requisitos de volumen y capacidad de almacenamiento/manipulación.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se produce industrialmente la ciclohexanona?

Principalmente a través de la oxidación catalítica del ciclohexano con aire, que produce una mezcla de ciclohexanol-ciclohexanona (aceite KA) que luego se separa y purifica. Las rutas basadas en hidrogenación de fenol y ciclohexeno-se utilizan como métodos comerciales alternativos, particularmente cuando una mayor pureza o diferentes economías de materia prima son prioridades.

¿Cuál es la principal materia prima de la ciclohexanona?

El ciclohexano es la materia prima dominante a nivel mundial, a través de la ruta de oxidación. El fenol es la principal materia prima para la ruta alternativa de hidrogenación.

¿La ciclohexanona está hecha de benceno?

Indirectamente, sí. En la ruta dominante, el benceno se hidrogena primero a ciclohexano, que luego se oxida para producir ciclohexanona (a través del aceite KA). En la ruta basada en ciclohexeno-, el benceno se hidrogena parcialmente (selectivamente) a ciclohexeno en lugar de completamente a ciclohexano, luego se hidrata y se deshidrogena a ciclohexanona. En la ruta del fenol, el benceno normalmente se convierte en cumeno, luego en fenol, antes de la hidrogenación a ciclohexanona.

¿Qué es el aceite KA en la producción de ciclohexanona?

El aceite KA (aceite de "cetona-alcohol") es la corriente de producto mixto ciclohexanol/ciclohexanona generada por la oxidación catalítica del ciclohexano con aire. Se separa por destilación en los compuestos que lo componen y cualquier ciclohexanol destinado a la producción de ciclohexanona generalmente se deshidrogena aún más para aumentar el rendimiento general de ciclohexanona.

¿Cuál es la relación entre ciclohexanona y caprolactama?

La ciclohexanona es el precursor directo de la caprolactama. Se convierte en ciclohexanona oxima (mediante reacción con hidroxilamina), que luego sufre el reordenamiento de Beckmann para formar caprolactama - el monómero que se polimeriza con apertura de anillo- para producir nailon 6.

¿Qué método se utiliza más comúnmente para producir ciclohexanona?

La oxidación de ciclohexano a aceite de KA es el método comercial más utilizado a nivel mundial, en gran parte debido al menor costo de la materia prima y su integración con la infraestructura de producción de ácido adípico y caprolactama existente.

¿La producción de ciclohexanona es respetuosa con el medio ambiente?

Como la mayoría de los procesos petroquímicos-a gran escala, la producción de ciclohexanona conlleva consideraciones ambientales relacionadas con el uso de energía, las emisiones de COV y la gestión de subproductos- (particularmente debido a la menor selectividad por paso- de la ruta de oxidación). Los productores los gestionan mediante el reciclaje de catalizadores, mediante-recuperación de productos y controles de emisiones, pero ninguna ruta comercial importante tiene "impacto-cero". - los compradores con requisitos de abastecimiento ambientales específicos deben preguntar a los proveedores directamente sobre la ruta de su proceso y los datos de emisiones en lugar de asumir basándose en afirmaciones generales de la industria.