Синтез циклогексанона

Способы получения

1. Получение циклогексанона при окислении циклогексана.

СН₂ СО

/ \ / \

Н₂С СН₂ +0,5О₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СН₂ СН₂

Циклогексан содержится в нефти, и его можно извлекать из легких нефтяных фракции экстрактивной перегонкой, фракционной кристаллизацией и т.п. На практике циклогексан преимущественно получают каталитическим гидрированием бензола. Это объясняют трудностями, связанными с выделением чистого циклогексана из нефтяного сырья.

Окисление циклогексана можно осуществлять как в паровой, так и в жидкой фазе – некаталитическим путем или в присутствии катализатора.

Главным первичным продуктом окисления является гидроперекись циклогексила:

СН₂ СН₂

/ \ / \

Н₂С СН₂ +0,5О₂ Н₂С СН – ООН

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СН₂ СН₂

Каталитическое окисление циклогексана проводится в жидкой фазе воздухом или техническим кислородом при повышенном давлении и температуре. Катализаторами являются поливалентные металлы, например кобальт или медь в виде солей. Суммарный выход циклогексанола и циклогексанона достигает 85 %.

Наряду с циклогексанолом и циклогексаноном образуюся продукты более глубокого окисления, главным образом дикарбоновые кислоты (адипиновая, глутаровая и янтарная кислоты).

2. Дегидрирование (окисление) циклогексанола.

Циклогексанол тоже можно перевести в циклогексанон окислением или дегидрированием.

Циклогексанон получают из циклогексанола окислением (окислительным дегидрированием)

СНОН СО

/ \ / \

Н₂С СН₂ +0,5О₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СНОН СН₂

или дегидрированием:

СНОН СО

/ \ / \

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ –Н₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СНОН СН₂

Процесс дегидрирования циклогексанола достаточно хорошо освоен в промышленности.

Его проводят при 450 – 460⁰С над катализатором (оцинкованное железо). Кроме дегидрирования, при этом протекает побочная реакция дегидратации циклогексанола с образованием циклогексена

СНОН СН

/ \ / \\

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ –Н₂О Н₂С СН₂

\ / \ /

СНОН СН₂

а также происходит частичное расщепление молекулы циклогексанола с выделением углерода, водорода и воды.

На этом способе снован первый из осуществленных в промышленности методов синтеза циклогексанона – из фенола с предварительном гидрированием его в циклогеканол:

ОH ОH О

| | ||

+ 3Н₂

– Н₂

3. Из анилина через циклогексиламин:

NH₂ NH₂ NH₂ О

| | || ||

+ 3N₂ + Н₂О

– Н₂ – NH₃

Ввиду меньшего числа стадий и потребности в дополнительных реагентах заслуживает предпочтение метод получения циклогексанона окислением циклогексана.

Физические и химические свойства

Циклогексанон (или кетогексаметилен или пимелинкетон) – это бесцветная жидкость, молекулярная масса 98,15; плотность 0,94; температура плавления – 45⁰ С; температура кипения 156⁰ С. Растворим в воде (2,4³¹), этаноле, эфире.

Для циклогексанона (представителя кетонов) характерны реакции присоединения.

1. Реакции восстановления.

а. гидрирование в паровой фазе (использование молекулярного водорода)

О ОН

|| |

Ni, Co

+ Н₂

Pt, Pd

б. восстановление в присутствии амальгамы цинка

Н⁺, Zn, Hg

2. Нуклеофильное присоединение

а. взаимодействие с аммиаком:

О NН

|| |

+ NН₃ + Н₂О

б. реакция с гидроксиламином (применяется для количественного определения кетонов):

О N – ОН

|| ||

+ NН₂ОН + Н₂О

в. реакция с гидразином:

О N – NН₂

|| ||

+ Н₂N – NН₂ + Н₂О

г. реакция с PCl₅:

СО CCl₂

/ \ / \

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | + PCl₅ | | + POCl₃

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / \ /

СН₂ СН₂

3. Реакции с расширением цикла

а. реакция взаимодействия с диазометаном:

СО CО

/ \ / \

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | + СН₂NН₂ | | + N₂

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

\ / | |

СН₂ Н₂С – СН₂

Применение

Циклогексанон используют для производства капрлактама – исходного вещества для получения синтетического волокна капрон:

ОH NОH

| ||

_{перегруппировка Бекмана}

N NН

/ \\ / \\

Н₂С С ОН Н₂С С = О

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

| | | |

Н₂С СН₂ Н₂С СН₂

При энергичном окислении циклогексанона образуется адипиновая кислота, которую используют для получения синтетического волокна нейлона.

Вывод: Циклогексанон – это циклический кетон. Весьма реакционноспосоден. Применим для производства волокон.

Таблица 1. Данные материального баланса

Производительность реактора П, т/год		9700
Число дней работы реактора в году, n		332
Технологический выход продукта f, %		96
Молярное соотношение исходных реагентов, А : В		1 : 2
Степень превращения ХА, %		85
Селективность основной реакции Ф, %		98
Состав исходного реагента А, % масс.:	С6Н12	91
	примесь С6Н6	9,0
Состав исходного реагента В, % масс.:	О2	21
	примесь N2	79

Реакции синтеза:

Основная реакция

Побочная реакция

1. Расчет расходных коэффициентов

Это параметры, характеризующие расход различных видов сырья на единицу полученной продукции. Различают теоретические и практические расходные коэффициенты. Теоретические расходные коэффициенты учитывают расход исходящего сырья с учетом стехиометрии реакции. Практические расходные коэффициенты учитывают селективность процесса, выход продукта, степень превращения (и рассчитываются на базе теоретических). Задание:Рассчитать теоретические и практические расходные коэффициенты для реагентов по основной реакции на 1 тонну целевого продукта.

Найдем молярные массы веществ участвующих в реакциях:

1.1 Рассчитаем теоретические расчетные расходные коэффициенты

1.2 Рассчитаем практические расходные коэффициенты для циклогексана

1.3 Рассчитаем практические расходные коэффициенты для циклогексана в смеси с бензолом

1.4 Рассчитаем практические расходные коэффициенты для примеси (бензол)

1.5 Исходя из мольного соотношения исходных реагентов, рассчитаем практические расходные коэффициенты для кислорода

Рассчитаем практические расходные коэффициенты для кислорода в смеси с азотом:

Рассчитаем практические расходные коэффициенты для примеси (азот):

Вывод: Таким образом, для получения 1 т циклогексанона необходимо взять 857,14 кг циклогексана и 326,53 кг кислорода, но с учетом состава вещества, а также технико-экономических показателей практические расходные коэффициенты составляют:

по циклогексану – 1177,86 кг

по кислороду – 3888,76 кг.

II. Расчет материального баланса

Составление материального баланса – основное звено в оценке технико-экономической эффективности химического процесса.

На основании данных материального баланса определяют основные технико-экономические показатели, такие как выход, селективность, степень превращения, расходные коэффициенты. Данные материального баланса используются при составлении энергетического или теплового баланса, при термодинамических и кинетических расчетах, расчетах реакторов.

Материальный баланс химико-технологического процесса – это вещественное выражение закона сохранения вещества, левую часть которого составляет масса всех вступивших в реакцию веществ (приход), а правую – масса полученных продуктов (расход) и производственные потери.

2.1 Расчет теоретического материального баланса

Задание:Рассчитать на основании вышеприведенных данных материальный баланс реакции получения циклогексанона:

Молярные массы веществ участвующих в реакциях:

Рассчитаем количество циклогесканона в кмолях:

Рассчитаем количество кмоль/час циклогексана, необходимого для получения 10,20 кмоль/час циклогексанона:

Рассчитаем количество кмоль/час кислорода, необходимого для получения 10,20 кмоль/час циклогексанона:

Рассчитаем количество образовавшейся воды:

Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 2. Теоретический материальный баланс

Приход					Расход
вещество		% мольн.		% масс.	вещество		% мольн.		% масс.
С6Н12	10,20	50	856,8	72,4	С6Н10О	10,20	50	999,6	84,5
О2	10,20	50	326,4	27,6	Н2О	10,20	50	183,6	15,5
Итого:	20,40	100	1183,2	100	Итого:	20,40	100	1183,2	100

Вывод: Таким образом, в результате расчета установили, что при получении 1 тонны циклогексанона необходимо взять 856,8 кг циклогексана и 326,4 кг кислорода. При этом выделяется 183,6 кг воды.

2.2. Расчет практического материального баланса

Задание:Составить практический материальный баланс для получения циклогексанона:

Основная реакция

Побочная реакция

Молярные массы веществ участвующих в реакциях:

– основная реакция

– побочная реакция – примеси

Переведем годовую производительность реактора, выраженную в единицах массового потока, в единицу мольного потока:

где П - массовая производительность реактора, т/год;

G_n - мольная производительность, ;

n - число дней работы реактора в году;

M - молекулярная масса целевого продукта – циклогексанона;

где 1000, 24, 60 – переводные коэффициенты.

Производительность с учетом технологического выхода продукта:

Рассчитаем приходную часть материального баланса

Количество циклогексана, требуемого для получения 0,216 циклогексанона:

Количество циклогексана, требуемого для получения 0,216 циклогексанона с учетом селективности:

Количество циклогексана, необходимого для получения циклогексанона с учетом степени превращения:

Количество циклогексана, пошедшее на побочную реакцию:

Количество непрореагировавшего циклогексана:

Количество циклогексана, с учетом состава прореагировавшей смеси:

Количество примесей, поступающих с оксидом углерода:

Количество кислорода, поступающего с циклогексаном, с учетом мольного соотношения:

Количество кислорода, с учетом состава:

Количество примесей, поступающих с кислородом:

Количество кислорода, пошедшее на основную реакцию:

Количество кислорода, пошедшее на побочную реакцию:

Количество непрореагировавшего кислорода:

Рассчитаем расходную часть материального баланса

Количество циклогексанона, образовавшегося в ходе реакции:

Количество воды:

Количество циклогексанона, образовавшегося в ходе побочной реакции:

Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 3. Практический материальный баланс

Приход					Расход
Вещество		% мольн		% массов.	Вещество		% мольн		% массов.
С6Н12	0,26	8,54	21,84	21,15	С6Н10О	0,216	7,10	21,17	20,50
О2	0,52	17,08	16,64	16,11	Н2О	0,216	7,10	3,89	3,77
С6Н6	0,028	0,92	2,184	2,12	С6Н12О	0,004	0,13	0,4	0,39
N2	2,236	73,46	62,60	60,62	С6Н12 непр.	0,04	1,31	3,36	3,25
					О2 непр.	0,302	9,93	9,66	9,355
					С6Н6	0,028	0,92	2,184	2,115
					N2	2,24	73,51	62,60	60,62
Итого:	Почему животные так называются? «Новые» звери Ирга Гортензия метельчатая Нобелевская премия по физиологии и медицине за 1999 г. Актуально: Главная Актуальные статьи и новости © 2010-2021, referat-web.ru