Wat is acrylonitril?
Acrylonitril is een chemische verbinding met de chemische formule C3H3N. Het is een heldere, kleurloze vloeistof bij kamertemperatuur en bezit een nitrilfunctionele groep die is bevestigd aan een koolstof-koolstof dubbele binding. Acrylonitril is een essentieel tussenproduct in de chemische industrie en dient als bouwsteen voor verschillende producten.
Het staat bekend onder verschillende namen, waaronder 2-propeennitril, propeennitril, acrylzuurnitril, propyleennitril, vinylcyanide en propeenzuurnitril.
De commerciële synthese van acrylonitril maakt gebruik van het propyleenammoxidatieproces, ook bekend als het SOHIO-proces. Deze methode, voor het eerst geïntroduceerd in 1960, omvat de reactie van propyleen, ammoniak en zuurstof met behulp van een heterogene katalysator:
C3H6 + NH3 + 1,5 O2 → C3H3N + 3 H2O
Voordat het propyleenammoxidatieproces werd ontdekt, werd acrylonitril voornamelijk geproduceerd via het ethyleencyaanhydrineproces.
De implementatie van het SOHIO-proces zorgde voor een aanzienlijke verlaging van de productiekosten van acrylonitril, wat leidde tot een aanzienlijke toename van de vraag naar deze verbinding in een breed spectrum van chemische en polymeerproducten.
Acrylvezel blijft de primaire toepassing voor acrylonitril, terwijl markten voor acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) harsen, adiponitril en acrylamide ook een snelle groei hebben doorgemaakt. Als gevolg hiervan overschrijdt de wereldwijde jaarlijkse productiecapaciteit voor acrylonitril nu 5 miljoen t/a.
Inhoudsopgave
1. Fysieke eigenschappen van acrylonitril
Acrylonitril is een heldere, kleurloze vloeistof bij kamertemperatuur. Dit molecuul heeft een polaire aard vanwege de elektronegatieve nitrilfunctionele groep, die geconjugeerd is met een koolstof-koolstof dubbele binding.
Qua oplosbaarheid vertoont acrylonitril mengbaarheid met verschillende organische oplosmiddelen, zoals aceton, benzeen, koolstoftetrachloride, di-ethylether, ethylacetaat, ethyleencyaanhydrine, petroleumether, tolueen, bepaalde kerosines en methanol.
De volgende tabel geeft enkele fysieke eigenschappen van acrylonitril.
| Eigenschap | Waarde |
|---|---|
| Molaire massa | 53,064 g/mol |
| Dichtheid | 0,81 g/cm³ |
| Smeltpunt | -83,5 °C |
| Kookpunt | 77,3 °C |
| Breukindex | 1,391 |
| Mengbaarheid in water | 7,30 gew.% |
| Viscositeit | 0,35 cP (bij 20 °C) |
| Kritische druk | 35,3 MPa |
| Kritische temperatuur | 245,8 °C |
| Zelfontbrandingstemperatuur | 481 °C |
2. Chemische reactiviteit van acrylonitril
De kenmerkende chemische reactiviteit van acrylonitril is afkomstig van de aanwezigheid van twee reactieve plaatsen, namelijk de koolstof-koolstof dubbele binding en de nitril functionele groep.
De belangrijkste chemische reacties die het ondergaat zijn polymerisatie en hydratatie. Acrylonitril polymeriseert gemakkelijk en exotherm bij afwezigheid van een hydrochinon-remmer, vooral bij blootstelling aan licht.
Dit polymerisatieproces wordt geïnitieerd door vrije radicalen, redoxkatalysatoren of basen en kan plaatsvinden in de vloeibare, vaste of gasfase. Vloeistoffasepolymerisatie is met name geschikt voor het produceren van homopolymeren en copolymeren.
Wanneer acrylonitril gehydrateerd wordt met zwavelzuur, vormt het acrylamidesulfaat (C3H5NO·H2SO4), dat kan worden omgezet in acrylamide door neutralisatie met een base en volledige hydratatie leidt tot de vorming van acrylzuur.
Acrylamide kan ook direct worden gegenereerd uit acrylonitril via gedeeltelijke hydratatie met kopergebaseerde katalysatoren, wat de voorkeursroute voor de productie van acrylamide is geworden.
Industrieel belangrijke acrylesters worden gevormd door de reactie van acrylamidesulfaat met organische alcoholen.
De commerciële productie van methylacrylaat omvat het toevoegen van methanol aan acrylamidesulfaat.
Bovendien ondergaat acrylonitril andere reacties, waaronder Diels-Alder-additie aan diënen, wat resulteert in cyclische producten.
Hydrogenering over metaalkatalysatoren levert propionitril en propylamine op. Bovendien is een belangrijke industriële reactie de hydrodimerisatie van acrylonitril, waarbij adiponitril ontstaat.
Bovendien kan acrylonitril halogeenadditie ondergaan over de dubbele binding om dihalopropionitrilen te genereren. Het neemt ook deel aan cyanoethyleringsreacties met alcoholen, aldehyden, esters, amiden, nitrillen, aminen, sulfiden, sulfonen en haliden.
3. Productie van acrylonitril
Acrylonitril wordt industrieel geproduceerd via een katalytisch dampfaseproces genaamd propyleenammoxidatie, ontwikkeld door SOHIO. Het proces maakt gebruik van een wervelbedreactor waarin propyleen, ammoniak en lucht reageren met een vaste katalysator bij temperaturen van 400-510 °C en drukken van 50-200 kPa gauge.
De reactie is een enkele doorgang, met ongeveer 98% omzetting van propyleen. Zeer selectieve katalysatoren hebben geleid tot een lager propyleenverbruik, ongeveer 1,1 kg per kilogram geproduceerd acrylonitril.
Naast acrylonitril levert het proces nuttige coproducten op zoals HCN (gebruikt bij de productie van methylmethacrylaat en natriumcyanide) en acetonitril (een waardevol oplosmiddel in farmaceutische en industriële toepassingen).
Bij de commerciële productie van acrylonitril wordt het hete reactoreffluent gekoeld met water in een tegenstroomabsorber en wordt niet-gereageerde ammoniak geneutraliseerd met zwavelzuur. Het resulterende ammoniumsulfaat wordt teruggewonnen en gebruikt als meststof.
a) Gefluïdiseerd bedreactor; b) Tegenstroomabsorber; c) Terugwinningskolom; d) Tweede terugwinningskolom; e) Fractioneringskolommen
Het absorber-afgas, dat N2, CO, CO2 en niet-gereageerde propyleen bevat, wordt ofwel direct afgevoerd of door een verbrandingsoven geleid om koolwaterstoffen en CO te verbranden. De acrylonitrilbevattende oplossing wordt vervolgens verwerkt in winningskolommen om ruw acrylonitril en ruw acetonitril te verkrijgen, met verdere zuivering voor acrylonitril van acrylvezelkwaliteit.
De commerciële levensvatbaarheid van acrylonitrilproductie uit propyleen en ammoniak werd bereikt in 1959 toen SOHIO een katalysator ontwikkelde met een hoge selectiviteit voor acrylonitril. Verbeteringen in de loop der jaren zijn voornamelijk te danken aan de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren met verhoogde acrylonitrilopbrengsten uit propyleen.
Gemengde metaaloxiden met meerdere componenten, voornamelijk gebaseerd op bismut-molybdeenoxide, zijn de belangrijkste katalysatoren geweest, met verschillende verbeteringen bereikt door de toevoeging van ijzer, kobalt, nikkel en alkalimetalen.
Katalysatoren op basis van molybdaat zijn dominant, maar antimonaatkatalysatoren worden ook commercieel gebruikt. Onderzoeksinspanningen hebben zich gericht op het begrijpen van de oppervlaktereactiechemie en vastestofmechanismen van bismutmolybdaatkatalysatoren.
Kinetische studies hebben aangetoond dat de snelheidsbepalende stap de abstractie van een waterstofatoom van propyleen omvat om een p-allylcomplex op het oppervlak te vormen, wat leidt tot de vorming van acroleïne en uiteindelijk acrylonitril.
Verschillende technieken, zoals Raman-spectroscopische analyse, röntgenstraling, neutronendiffractie, röntgenabsorptiespectroscopie, pulskinetische studies en onderzoek van probemoleculen, hebben een dieper begrip opgeleverd van de complexe vastestof- en oppervlaktemechanismen die betrokken zijn bij propyleenammoxidatie over bismutmolybdaatkatalysatoren.
4. Toepassingen van acrylonitril
Acrylonitril vindt belangrijke eindtoepassingen in verschillende industrieën, waaronder acrylvezels, acrylonitril-butadieen-styreen (ABS) harsen, adiponitril, acrylamide, nitrilrubbers en koolstofvezels. Van deze toepassingen is acrylvezel het grootste commerciële gebruik.
| Product | % |
|---|---|
| Acrylvezel | 42 |
| ABS-harsen | 34 |
| Adiponitril | 8 |
| Acrylamide | 7 |
| Nitrilrubber | 5 |
| Koolstofvezel | 2 |
| Anders | 2 |
