Purificación de ciclohexanona obtenida en la oxidación de ciclohexano para la fabricación de caprolactama

Resumen

Empresas líderes en el sector de producción de Nylon 6 y/o sus precursores invierten muchos recursos en proyectos de desarrollo que les ayuden a entender la generación y la repercusión impurezas y a diseñar estrategias que les permitan reducir su formación, o favorecer su eliminación, en las etapas de obtención de la caprolactama, monómero del Nylon 6. Estas etapas son numerosas y van desde el tratamiento de la materia prima del petróleo (generalmente benceno) hasta la obtención de la poliamida en su forma final para su comercialización. Una de las etapas clave en este proceso es la obtención de la ciclohexanona, precursor de la caprolactama. La obtención de ciclohexanona se lleva a cabo principalmente por oxidación de ciclohexano. Tras la oxidación hay etapas de recuperación de subproductos de oxidación (principalmente ácidos) y reciclo de ciclohexano para obtener una mezcla ciclohexanol/ciclohexanona que contiene ciertas impurezas denominada KA-OIL. Esta mezcla debe purificarse para obtener ciclohexanona con una calidad suficiente para ser empleada en las etapas de obtención de caprolactama. Este proceso incluye la deshidrogenación catalítica de ciclohexanol y etapas de destilación para eliminar impurezas. Debido a sus puntos de ebullición o formación de azeótropos, la eliminación de alguna de estas impurezas, en la ciclohexanona por destilación, requeriría gastos elevados de energía. Sin embargo, ciertas impurezas deben eliminarse por su importante repercusión en la calidad del Nylon. Este es el caso de la 2-ciclohexen-1-ona y aldehídos como el hexanal. En estos casos, su eliminación por destilación reactiva sería una alternativa efectiva y económica a la destilación tradicional. Por ello, el principal objetivo de esta Tesis Doctoral es la intensificación del proceso de eliminación de las citadas impurezas en la columna de rectificación, diseñando una etapa de destilación reactiva que permita obtener la ciclohexanona con la pureza requerida. La eliminación de las citadas impurezas por destilación reactiva se consigue promoviendo su condensación con la ciclohexanona, lo cual permite la formación de productos más pesados que son fácilmente eliminados por los fondos de las columnas de purificación, mientras que la ciclohexanona pura se obtiene por cabeza de torre. Entre los catalizadores ácidos (Amberlita-15, \ce(H_2SO_3), \ce(NaHSO_3) y ácido oxálico) y básicos (\ce(NaOH)) utilizados se ha comprobado que los primeros producen una mayor pérdida de materia prima para una cierta reducción de impureza. Por ello, en el diseño de la destilación reactiva se ha seleccionado el empleo de un catalizador básico adicionado en continuo mediante una disolución acuosa de NaOH. Una vez conocida la etapa química y los mecanismos de condensación, es necesario describir el comportamiento de los compuestos en destilación. La falta de datos de interacción binaria para las mezclas 2-ciclohexen-1-ona + ciclohexanol y 2- ciclohexen-1-ona + ciclohexanona ha requerido de la estimación experimental de las propiedades termodinámicas de estos sistemas. Para ello, se han obtenido datos en una etapa (VLE) que se han validado en una columna de destilación a escala de laboratorio. Conocidas las propiedades termodinámicas y los parámetros cinéticos de los compuestos y reacciones en el sistema de destilación reactiva, se modeló esta etapa utilizando el programa gProms, comercializado por la empresa Process Systems Enterprise (PSE), cuya licencia es propiedad de la University College of London (UCL). El modelo se valida en una instalación de destilación de laboratorio, que puede operar en continuo y en estado estacionario. Por último el modelo se usa para optimizar el proceso mediante técnicas de optimización no lineal (MINLP), lo que sirve de aproximación a las variables de diseño industrial óptimas para el sistema aquí estudiado.