JPH09143155A - ε−カプロラクタムの製造方法 - Google Patents

ε−カプロラクタムの製造方法

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JPH09143155A
JPH09143155A JP22848596A JP22848596A JPH09143155A JP H09143155 A JPH09143155 A JP H09143155A JP 22848596 A JP22848596 A JP 22848596A JP 22848596 A JP22848596 A JP 22848596A JP H09143155 A JPH09143155 A JP H09143155A
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cyclohexanone
caprolactam
reaction
producing
oxime
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JP22848596A
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English (en)
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Tatsuya Ezaki
江▲崎▼達哉
Hidefumi Sano
英文 佐野
Yasuko Tanaka
靖子 田中
Kuniko Kira
久仁子 吉良
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Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Chemical Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の品質に劣らないε−カプロラクタムを
安価に製造する。 【解決手段】 シクロヘキセンの水和反応により得られ
るシクロヘキサノールを脱水素反応によりシクロヘキサ
ノンとし、ついでオキシム化反応によりシクロヘキサノ
ンオキシムとし、更にベックマン転位させるε−カプロ
ラクタムの製造方法において、前記ベックマン反応に供
するシクロヘキサノンオキシムとして、特定のガスクロ
マトグラフィー分析条件による特定不純物(主として2
−シクロヘキシル−2−シクロヘキセン−1−オン)の
含有量が50ppm以下であるシクロヘキサノンオキシ
ムを用いることを特徴とするε−カプロラクタムの製造
方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、出発原料をシクロ
ヘキセンとしたε−カプロラクタムの製造方法に関す
る。詳しくは、シクロヘキセンを水と反応させてシクロ
ヘキサノールを合成し、シクロヘキサノールを脱水素反
応してシクロヘキサノンとした後、ベックマン転位によ
りε−カプロラクタムを製造する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ε−カプロラクタムは、主としてシクロ
ヘキサノンをオキシム化し、生成したシクロヘキサノン
オキシムをベックマン転位することにより製造されてお
り、このシクロヘキサノンオキシムは、シクロヘキサノ
ンとヒドロキシルアミンとを反応させて製造するのが一
般的である。
【0003】従来、ε−カプロラクタム製造の原料とな
るシクロヘキサノンの製造方法としては、(1)シクロ
ヘキサンを分子状酸素で酸化してシクロヘキサノールと
シクロヘキサノンの混合物を製造し、蒸留によりシクロ
ヘキサノールとシクロヘキサノンを分離し、シクロヘキ
サノールは脱水素反応によりシクロヘキサノンとする方
法、(2)フェノールを部分水素還元し、転位反応によ
りシクロヘキサノンを製造する方法、などにより工業的
に生産されている。近年、シクロヘキサノールを工業的
に生産する方法として、シクロヘキセンをゼオライト系
触媒の存在下で水和する方法が注目されている。かかる
方法に関する報告は昭和40年代頃より多数なされてき
ているが、工業的規模での生産も最近になってようやく
行われるようになった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】シクロヘキセンを水和
してシクロヘキサノールを製造する方法は、コスト的に
有利な方法であり、シクロヘキサノールの好ましい製造
方法の一つである。従って、該方法で製造されたシクロ
ヘキサノールをε−カプロラクタムの製造原料として利
用することができれば工業的に有用であると考えられ
る。しかしながら、このようなシクロヘキセンの水和反
応を経由して製造されるε−カプロラクタムについて
は、これまで知見が少なく、特にε−カプロラクタムの
品質を左右する因子が何なのか不明な点が多かった。
【0005】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは当
該製法で得られたシクロヘキサノールを用いてε−カプ
ロラクタムの製造を検討したところ、他の方法で得られ
たシクロヘキサノールから製造されたε−カプロラクタ
ムと異なり、品質において本製造方法における特有の問
題が存在することが明らかとなった。
【0006】ところで、ε−カプロラクタムの品質につ
いては、PZ等の評価項目がある。PZとは、過マンガ
ン酸カリ価であり、ε−カプロラクタムの水溶液に過マ
ンガン酸カリウム水溶液を加え、比較標準液と同一色に
なるまでの時間で表せられる。これはε−カプロラクタ
ム中に極微量含まれる不純物に由来すると考えられる。
ε−カプロラクタムは、前記のように極めて長い工程を
経て製造されるため、ε−カプロラクタム中の不純物と
しては精製を行ったとしても様々なものが微量ではある
が存在する。換言すれば、製品ε−カプロラクタム中の
不純物としては様々なものが極微量存在するが、その品
質は個々の不純物の絶対量ではなく、不純物の種類と量
に由来する一括した数値で表せられる。
【0007】本発明者らは、前記のシクロヘキセンの水
和反応を経由して製造されるε−カプロラクタムの品質
を決定する要素を検討した結果、従来のシクロヘキサン
酸化を経由した場合には生成しない特有の不純物が存在
すること、この不純物がε−カプロラクタムの品質評価
項目であるPZ値に対して大きな影響を及ぼすこと、こ
の不純物は製品ε−カプロラクタムと沸点が近接してお
りこれまでのような精製方法では簡単には分離できない
こと、さらにはこの不純物はシクロヘキサノンオキシム
中には既に存在しておりこの段階までに除去するのが有
効であることを見出し、本発明に到達した。
【0008】すなわち、本発明の要旨は、シクロヘキセ
ンの水和反応により得られるシクロヘキサノールを脱水
素反応によりシクロヘキサノンとし、ついでオキシム化
反応によりシクロヘキサノンオキシムとし、更にベック
マン転位させるε−カプロラクタムの製造方法におい
て、前記ベックマン反応に供するシクロヘキサノンオキ
シムとして、下記のガスクロマトグラフィー分析条件に
よる不純物の含有量が50ppm以下であるシクロヘキ
サノンオキシムを用いることを特徴とするε−カプロラ
クタムの製造方法に存する。
【0009】[ガスクロマトグラフィ−分析条件] (1)カラム:内壁にメチル基の5%をフェニル基で置
換したジメチルポリシロキサンからなる液相を膜厚1.
5μmでコーテイングしたフューズドシリカのキャピラ
リーカラム (2)カラムサイズ:長さ30m×内径0.53mm (3)カラム温度:初期温度70℃で、昇温速度4.0
℃/分で300℃となるまで昇温する。 (4)検出方法:水素炎イオン化検出法(FID) (5)キャリヤーガス:ヘリウム (6)キャリヤーガス流量:内部標準物質として分析試
料中に添加されたビフェニルのピークの保持時間
(tR1)を(18±2)分になるように一定流量に調整
する。 (7)不純物の含有量:ビフェニルのピークの保持時間
(tR1)の(1.15〜1.30)倍の保持時間(tR2)
に検出される不純物ピークを定量する。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。本発明の製造方法では、まずシクロヘキセンと水
を反応させてシクロヘキサノールとする。シクロヘキセ
ンの水和反応は触媒として、通常、固体酸触媒を用いて
反応を行う。固体酸触媒としては、通常、ゼオライトや
イオン交換樹脂などが挙げられる。ゼオライトとして
は、結晶性のアルミノシリケートやアルミノメタロシリ
ケート、メタロシリケート等の種々のゼオライトが利用
でき、特にペンタシル型のアルミノシリケートまたはメ
タロシリケートが好ましい。メタロシリケートに含まれ
る金属としては、チタン、ガリウム、鉄、クロム、ジル
コニウム、ハフニウム等の金属元素が例示できるが、中
でもガリウムが好ましい。
【0011】水和反応としては、流動床式、攪拌回分方
式、連続方式等、一般的に用いられる方法で行われる。
連続方式の場合は、触媒充填連続流通式、及び攪拌槽流
通式のいずれも可能である。反応の温度は、シクロヘキ
センの水和反応の平衡の面や副反応の増大の面からは低
温が、また反応速度の面からは高温が有利である。最適
温度は、触媒の性質によっても異なるが、通常50〜2
50℃の範囲から選択される。
【0012】得られたシクロヘキサノールは、脱水素反
応に供されてシクロヘキサノンとされる。シクロヘキサ
ノールの脱水素反応は従来公知の方法のいずれでもよい
が、一般的には、脱水素触媒の存在下で200〜750
℃に加熱することにより行われる。脱水素触媒として
は、銅−クロム系酸化物、銅−亜鉛系酸化物などが例示
できる。この反応は平衡反応であり、生成物はシクロヘ
キサノンとシクロヘキサノールの混合物として得られる
ので、蒸留等によりシクロヘキサノンとシクロヘキサノ
ールを分離し、分離したシクロヘキサノールは脱水素反
応の原料として再利用される。
【0013】次に、以上の方法でシクロヘキサノンは、
公知のオキシム化反応によりシクロヘキサノンオキシム
とする。オキシム化の方法については、通常、ヒドロキ
シルアミンと反応させてシクロヘキサノンオキシムとす
る。ヒドロキシルアミンは単独では安定な化合物ではな
いため、ヒドロキシルアミンの硫酸塩や硝酸塩の形で使
用され、例えば、水溶液中または非水溶液中でシクロヘ
キサノンとヒドロキシルアミンの硫酸塩を反応させる。
また、オキシム化はヒドロキシルアミンとの反応に限定
されるものではなく、シクロヘキサノンを白金族金属触
媒の存在下で一酸化窒素、水素と反応させる方法(米国
特許第4929756号明細書参照)、シクロヘキサノ
ンを過酸化水素存在下でアンモニアと反応させる方法
(米国特許第4745221号明細書参照)などでシク
ロヘキサノンオキシムを得てもよい。
【0014】本発明者らの検討によれば、上記の方法で
得られたシクロヘキサノンオキシム中には、従来は注目
されていなかった不純物が含まれており、この不純物が
製品ε−カプロラクタムの品質を著しく損なう原因の一
つとなっていることが判明した。この不純物は、その後
のベックマン転位反応後においてもそのまま残存し、あ
るいはそのは分解物として、ε−カプロラクタムの品質
にに悪影響を及ぼすことを推定される。この不純物は、
従来のシクロヘキサン酸化によって得られるシクロヘキ
サノンから製造したシクロヘキサノンオキシム中には含
まれておらず、本発明で対象とするシクロヘキセンの水
和反応を経由する方法で特有の不純物である。
【0015】そこで、本発明では、ε−カプロラクタム
を得るためのベックマン反応に供するシクロヘキサノン
オキシムとして、前記のガスクロマトグラフィー分析条
件による不純物の含有量が50ppm以下、好ましくは
30ppm以下、特に好ましくは20ppm以下である
シクロヘキサノンオキシムを用いることを特徴とする。
不純物をかかる範囲内に調整する方法としては、生成し
たシクロヘキサノンオキシムと蒸留分離する方法、上記
不純物を水添して精製する方法、オキシム化の前の工程
である脱水素工程等で上記不純物の前駆体等を除去して
おき、オキシム化後のシクロヘキサノンオキシム中に上
記不純物を規定量以下とする方法等が挙げられる。ま
た、上記不純物を2−シクロヘキシル−2−シクロヘキ
セン−1−オンと同定した。すなわち、上記のガスクロ
マトグラフィ−の分析条件で定量される不純物ピーク
は、2−シクロヘキシル−2−シクロヘキセン−1−オ
ンに相当するピークである。
【0016】次いで、以上のシクロヘキサノンオキシム
は、公知の方法によりベックマン転位させてε−カプロ
ラクタムとする。例えば、濃硫酸または発煙硫酸中でベ
ックマン転位させてε-カプロラクタム硫酸塩とした
後、アルカリで中和する方法、シクロヘキサノンオキシ
ムを固体酸触媒存在下、気相もしくは液相でベックマン
転位させる方法、液相で触媒が均一に溶解した状態でベ
ックマン転位させる方法等が挙げられる。シクロヘキサ
ノンオキシムを硫酸又は発煙硫酸と接触させる場合、シ
クロヘキサノンオキシムに対する硫酸又は発煙硫酸の使
用量は、通常モル比で1.0〜2.0である。通常は発
煙硫酸と接触させるのが好ましい。発煙硫酸中の遊離の
三酸化硫黄の濃度は通常1〜30重量%である。ベック
マン転位の反応温度は、通常60〜130℃、好ましく
は70〜100℃であるが、より低温の方が収率がよい
傾向にある。この反応は発熱反応であり、通常は除熱を
行うが、これは反応液を外部循環させること及び/又は
内部に冷却水を通じたジャケットを備えることで行うこ
とができる。ベックマン転位は、1段又はそれ以上の多
段で行うことができる。また、ベックマン転位を行った
反応液を通常130〜200℃の温度で0.1〜10時
間程度の加熱処理をすることにより不純物を分解させる
品質を向上させることができる。以上のいずれの方法に
おいても得られたε-カプロラクタムは蒸留や晶析等に
より精製して製品とされる。
【0017】
【実施例】以下、実施例により本発明を更に詳細に説明
するが、本発明はその要旨を越えない限り実施例に限定
されるものではない。実施例におけるシクロヘキサノン
オキシム中の特定不純物の定量はガスクロマトグラフィ
ーにより行った。
【0018】[ガスクロマトグラフィー分析条件] ・装置:ヒューレット−パッカード社製ガスクロマトグ
ラフィー装置 ・カラム:J&W社製 DB−5(内壁にメチル基の5
%をフェニル基で置換したジメチルポリシロキサンから
なる液相を膜厚1.5μmでコーテイングしたフューズ
ドシリカのキャピラリーカラム)、長さ30m×内径
0.53mm ・カラム温度:初期温度70℃で、昇温速度4.0℃/
分で300℃となるまで昇温する。 ・検出方法:水素炎イオン化検出法(FID) ・キャリヤーガス:ヘリウム ・キャリヤーガス流量:内部標準物質として分析試料中
に添加されたビフェニルのピークの保持時間(tR1)を
(18±0.1)分になるように一定流量に調整した結
果、カラム温度70℃での供給圧力50kPa、セプタ
ムパージ流量1.8ml/min、スプリット流量10
ml/minに設定した。 ・注入口温度:220℃ ・検出器温度:250℃ ・試料注入量:1.0μl ・不純物の定量方法:ビフェニルのピークの保持時間
(tR1)の(1.15〜1.30)倍の保持時間(tR2)
に検出される不純物のピーク面積より、2−シクロヘキ
シルシクロヘキセノンを標準とし不純物量を定量した。
【0019】実施例1 (1)ベンゼンの部分水添反応 担持ルテニウム触媒1.4重量%、ベンゼン33.9重
量%、及び濃度が6重量%である硫酸亜鉛水溶液を6
4.7重量%の存在下、ノズル開口部より水素ガスを
6.8cm毎秒の線速度にて供給し、反応圧力5.0M
Pa、温度150℃にて、高速攪拌を行いながら、ベン
ゼンの部分水添反応を行った。反応時間20分にて反応
を停止した。得られた油相を分離した後、公知の方法に
従い、アジポニトリルを用いた抽出蒸留によってシクロ
ヘキセンを分離、精製した。
【0020】(2)シクロヘキセンの水和反応 水和触媒としてガリウムシリケート(Si/Ga原子比
=25/1)を用いた。撹拌翼を備えたオートクレーブ
にシクロヘキセン15重量部、水30重量部、水和触媒
10重量部を入れ窒素雰囲気化、120℃で1時間反応
させた。 (3)シクロヘキサノールの精製 上記で得られたシクロヘキサノール混合物を10段の精
留塔で精製し、純度99.9%の精製シクロヘキサノー
ルを得た。
【0021】(4)シクロヘキサノールの脱水素反応 精製シクロヘキサノールを気化して250℃に設定され
た銅−亜鉛触媒を充てんした管状反応器に、反応圧力
0.17MPa(0.7kg/cm2G)、LHSV
(液空間速度)2.4hr-1で供給して脱水素反応を行
った。シクロヘキサノンの収率は60%であった。 (5)シクロヘキサノンの精製 シクロヘキサノンを30段の精留塔で精留(還流比3
0)して低沸点成分を除去し、ついで、40段の精留塔
で精留(還流比10、回収率50%)で精留し、塔頂か
ら精製シクロヘキサノンを得た。
【0022】(6)シクロヘキサノンオキシムの製造 ジャケット付き撹拌槽に仕込んだ45%ヒドロキシルア
ミン硫酸塩水溶液を85℃に加熱して、上記シクロヘキ
サノンを滴下した。この時、反応液のpHが4.0〜
4.5になるようにアンモニア水を同時に滴下した。シ
クロヘキサノンの滴下が終了した後、反応を完結するた
め30分撹拌し続け、その後、静置分離して油相をシク
ロヘキサノンオキシムとして採取した。シクロヘキサノ
ンオキシム中に含まれる水分は減圧下で脱水した。上記
の方法で得られたシクロヘキサノンオキシムを分析した
ところ、上記分析方法で分析される不純物は検出限界
(約0.1ppm)以下であった。
【0023】(7)ベックマン転位 ベックマン転位液の酸度が57%、遊離のSO3濃度が
7.5%になるような比率で、かつ、反応器内での滞留
時間が1時間になるように、上記シクロヘキサノンオキ
シムと25%発煙硫酸(オリウム)をジャケット付き撹
拌槽に同時に滴下した。この時、局所的な発熱を抑制す
るため、撹拌速度1000rpm以上で撹拌し、また、
ジャケットに冷却水を流して反応温度を70〜100℃
に維持した。 (8)SO3処理 こうして得られたベックマン転位液をジャケット付き撹
拌槽(500ml)に移送し、SO3濃度を7.0〜
7.5%に保持し、撹拌速度300rpm以上で撹拌し
ながら、処理温度90〜125℃で2時間処理し、SO
3処理液を得た。
【0024】(9)後処理 得られたSO3処理液をアンモニア水で中和した。中和
反応はジャケット付き撹拌槽に温水を通し、中和温度7
0℃、pH7.0〜7.5で行った。続いて、上記中和
液をベンゼンにて抽出した。抽出は分液ロートに中和
液、ベンゼンを入れ、10分間震とう後、5分間静置し
て油相のみを採取し、水相は再度ベンゼンにて抽出し
た。この際、使用するベンゼン量は、理論量のε−カプ
ロラクタム濃度が18重量%になるように調整した。こ
うして合計3回、ベンゼンによる抽出を行った後、常法
によりベンゼンを留去して粗ε−カプロラクタムを得
た。最後に粗ε−カプロラクタムを蒸留により精製し
た。蒸留は粗ε−カプロラクタムに適量の25%苛性ソ
ーダ水溶液を添加した後、初留10重量%、主留80重
量%、釜残10重量%の3部分に分けて採取し、主留分
を品質評価の対象とした。
【0025】(10)ε−カプロラクタムの品質評価方
法 得られた精製ε−カプロラクタムの品質を以下の規格に
ついて評価した。結果を表−1に示す。 PZ(過マンガン酸カリ価) ε−カプロラクタム試料1gを水100mlに溶解し、
これに0.01N−過マンガン酸カリウム水溶液1ml
を加え、撹拌し、比較標準液(塩化コバルト(CoCl
2・6H2O)3.0gと硫酸銅(CuSO4・5H2O)
2.00gを水で1000mlに希釈したもの)と同一
色になるまでの時間をPZ値とする。結果を表−1に示
す。なお、(5)の工程で、40段、還流比10の精留
を行わなかった場合、その後のシクロヘキサノンオキシ
ム中の上記不純物濃度は100ppmであった。
【0026】実施例2 実施例1の(6)の工程で得られたシクロヘキサノンオ
キシムに対して、(5)の精製シクロヘキサノンの精留
で得られた上記不純物を3〜6%含む留分を、シクロヘ
キサノンオキシム中の上記不純物が40ppmとなるよ
うに添加したこと以外は実施例1と同様にしてPZ値を
測定した。結果を表−1に示す。
【0027】比較例1 実施例1の(6)の工程で得られたシクロヘキサノンオ
キシムに対して、(5)の精製シクロヘキサノンの精留
で得られた上記不純物を3〜6%含む留分を、シクロヘ
キサノンオキシム中の上記不純物が160ppmとなる
ように添加したこと以外は実施例1と同様にしてPZ値
を測定した。結果を表−1に示す。
【0028】
【表1】
【0029】実施例3 実施例2の(8)の工程の2時間のSO3処理を行わな
かったこと以外は実施例2と同様にしてPZ値を測定し
た。なお、このとき得られたカプロラクタム精製の主留
分中の前記不純物量は3ppmだった。結果を表−2に
示す。
【0030】比較例2 比較例1の(8)の工程の2時間のSO3処理を行わな
かったこと以外は比較例1と同様にしてPZ値を測定し
た。なお、この時得られたカプロラクタム精製の主留分
中の前記不純物量は90ppmだった。結果を表−2に
示す。
【0031】
【表2】
【0032】表−1及び表−2より、シクロヘキサノン
オキシム中の特定の不純物が特定量以下のシクロヘキサ
ノンオキシムを用いることにより、ε−カプロラクタム
の品質を向上させることができることがわかる。
【0033】参考例1 実施例1で得られたε−カプロラクタムを晶析により精
製したこと以外は実施例1と同様にしてPZ値を測定し
た。結果を表−3に示す。 参考例2 参考例1で得られたε−カプロラクタムに2−シクロヘ
キシル−2−シクロヘキセン−1−オンが1ppmとな
るように添加したこと以外は実施例1と同様にしてPZ
値を測定した。結果を表−3に示す。
【0034】参考例3 参考例1で得られたε−カプロラクタムに2−シクロヘ
キシル−2−シクロヘキセン−1−オンが10ppmと
なるように添加したこと以外は実施例1と同様にしてP
Z値を測定した。結果を表−3に示す。 参考例4 参考例1で得られたε−カプロラクタムに2−シクロヘ
キシル−2−シクロヘキセン−1−オンが20ppmと
なるように添加したこと以外は実施例1と同様にしてP
Z値を測定した。結果を表−3に示す。
【0035】参考例5 参考例1で得られたε−カプロラクタムに2−シクロヘ
キシル−2−シクロヘキセン−1−オンが30ppmと
なるように添加したこと以外は実施例1と同様にしてP
Z値を測定した。結果を表−3に示す。
【0036】
【表3】
【0037】
【発明の効果】本発明の方法によれば、シクロヘキセン
を出発原料として、高品質のε−カプロラクタムを安価
に製造することが可能となるので、産業上有用である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉良 久仁子 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石1番1号 三菱化学株式会社黒崎開発研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シクロヘキセンの水和反応により得られ
    るシクロヘキサノールを脱水素反応によりシクロヘキサ
    ノンとし、ついでオキシム化反応によりシクロヘキサノ
    ンオキシムとし、更にベックマン転位させるε−カプロ
    ラクタムの製造方法において、前記ベックマン反応に供
    するシクロヘキサノンオキシムとして、下記のガスクロ
    マトグラフィー分析条件による不純物の含有量が50p
    pm以下であるシクロヘキサノンオキシムを用いること
    を特徴とするε−カプロラクタムの製造方法。 [ガスクロマトグラフィ−分析条件] (1)カラム:内壁にメチル基の5%をフェニル基で置
    換したジメチルポリシロキサンからなる液相を膜厚1.
    5μmでコーテイングしたフューズドシリカのキャピラ
    リーカラム (2)カラムサイズ:長さ30m×内径0.53mm (3)カラム温度:初期温度70℃で、昇温速度4.0
    ℃/分で300℃となるまで昇温する。 (4)検出方法:水素炎イオン化検出法(FID) (5)キャリヤーガス:ヘリウム (6)キャリヤーガス流量:内部標準物質として分析試
    料中に添加されたビフェニルのピークの保持時間
    (tR1)を(18±2)分になるように一定流量に調整
    する。 (7)不純物の含有量:ビフェニルのピークの保持時間
    (tR1)の(1.15〜1.30)倍の保持時間(tR2)
    に検出される不純物ピークを定量する。
  2. 【請求項2】 シクロヘキセンの水和反応により得られ
    るシクロヘキサノールを脱水素反応によりシクロヘキサ
    ノンとし、ついでオキシム化反応によりシクロヘキサノ
    ンオキシムとし、更にベックマン転位させるε−カプロ
    ラクタムの製造方法において、前記ベックマン転位に供
    するシクロヘキサノンオキシムとして、2−シクロヘキ
    シル−2−シクロヘキセン−1−オンを50ppm以下
    含有するものを用いることを特徴とするε−カプロラク
    タムの製造方法。
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