Физические и химические свойства

Физические своства

Бесцветная жидкость со своеобразным резким запахом. Температура плавления = 5,5 °C, температура кипения = 80,1 °C, плотность = 0,879 г/см³, молярная масса = 78,11 г/моль. Подобно всем углеводородам бензол горит и образует много копоти. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует азеотропную смесь с температурой кипения 69,25 °C (91% бензола). Растворимость в воде 1,79 г/л (при 25 °C).

Химические свойства

Для бензола характерны реакции замещения — бензол реагирует с алкенами, хлоралканами, галогенами, азотной и серной кислотами. Реакции разрыва бензольного кольца проходят в жёстких условиях (температура, давление).

• Взаимодействие с хлором в присутствии катализатора:

С₆H₆ + Cl₂ -(FeCl₃)→ С₆H₅Cl + HCl

образуется хлорбензол

Катализаторы содействуют созданию активной электрофильной частицы путём поляризации между атомами галогена.

Cl-Cl + FeCl₃ → Cl^ઠ-[FeCl₄]^ઠ+

С₆H₆ + Cl^ઠ--Cl^ઠ+ + FeCl₃ → [С₆H₅Cl + FeCl₄] → С₆H₅Cl + FeCl₃ + HCl

В отсутствие катализатора при нагревании или освещении идёт радикальная реакция замещения.

С₆H₆ + 3Cl₂ -(освещение)→ C₆H₆Cl₆

 образуется смесь изомеров гексахлорциклогексана

• Взаимодействие с бромом (чистый):

С₆H₆ + Br₂ -(FeBr₃ или AlCl₃)→ С₆H₅Br + HBr

образуется бромбензол

• Взаимодействие с галогенопроизводными алканов (алкилирование бензола, реакция Фриделя-Крафтса):

С₆H₆ + С₂H₅Cl -(AlCl₃)→ С₆H₅С₂H₅ + HCl

образуется этилбензол

С₆H₆ + HNO₃ -(H₂SO₄)→ С₆H₅NO₂ + H₂O

Лабораторные способы получения

1. Ароматизация гексана:

2. Дегидрирование циклогексана:

3. Тримеризация ацетилена (реакция Зелинского):

4. Получение из бензойной кислоты (метод сплавления бензойной кислоты со щелочью):

5. При перегонке фенола с цинковой пылью, в результате замещения гидроксильной группы водородом, также происходит образование бензола:

Промышленные способы получения

Получение бензола из каменноугольного сырья:         Для получения кокса на металлургических предприятиях используют сухую перегонку каменного угля, который представляет собой в основном смесь полиядерных ароматических соединений с высокой молекулярной мас­сой. В процессе сухой перегонки каменный уголь нагревают без доступа воз­духа до 1200-1500ºС.  Из 1 тонны угля можно получить около 680 кг кокса и 227 кг каменноугольного газа, каменноугольной смолы и каменноугольного масла. Каменноугольное масло (сырой бензол) – это смесь бензола (63%), то­луола (14%) и ксилолов (7%).         Для коксохимического бензола необходима более глубокая очистка от ненасыщенных углеводородов, особенно от н-гептана и метилциклогексана. Коксохимический бензол подвергается ректификации трижды: при отборе сероуглеродной фракции, перегонке очищенной фракции БТК – получение бензола «для нитрации» - и окончательном выделении бензола после дополни­тельной очистки – получение бензола высших марок.         Получение бензола коксованием угля является традиционным и наибо­лее старым способом, однако в 1950-е годы он стал терять актуальность, так как рынок бензола стал расти существенно быстрее, чем рынок стали и прояви­лось производство бензола на основе  переработки нефти.

 Так, США - в силу особенностей природных условий быстро переориентирова­лись на производство бензола из нефтяного сырья, как более дешевого. И когда в 1960 году в Западной Европе даже не задумывались о получении ароматических соединений из сырой нефти, в США уже 83% этих веществ получали именно из нее. К 1990 году США полностью отказались от использования каменноугольного сырья в производстве ароматики, а в Запад­ной Европе к этому времени из нефти получали 93% бензола и его гомоло­гов. В настоящее время в Европе существует только четыре производства бен­зола, работающих на каменноугольном сырье: в Германии, Польше, Че­хии и Бельгии.

Получение бензола каталитическим риформингом: Содержание бензола в сырой нефти составляет обычно не более 0,5-1,0%. Этого недостаточно, для того чтобы оправдать затраты на оборудование необходимое для выделения бензола из сырой нефти. Гораздо более важным и коммерчески выгодным источником получения бензола является процесс каталитического риформинга, на долю которого приходится большая часть производимого в мире бензола.         Каталитический риформинг предназначен для повышения октанового числа прямогонных бензиновых фракций путём химического превращения углеводородов, входящих в их состав, до 92-100 пунктов. Процесс ведётся в присутствии алюмо-платино-рениевого катализатора. Повышение октанового числа происходит за счёт увеличения доли ароматических углеводородов. Продукты, полученные в результате риформинга узких бензиновых фракций, подвергаются разгонке с получением бензола, толуола и смеси ксилолов.        Сырьем для каталитического риформинга служит тяжелая бензиновая фракция (нафта, или лигроин) – смесь парафинов, нафтенов и ароматических углеводородов фракции С6-С9. В ходе каталитического риформинга состав нафты меняется следующим образом: - парафины превращаются в изопарафины, - парафины превращаются в нафтены, - нафтены превращаются в ароматические углеводороды, включая бензол. Также образуются побочные продукты: - парафины и нафтены могут распадаться с образование бутана и более легких газов, - боковые звенья ароматических соединений и нафтенов могут отщепляться и также давать бутан и более легкие газы.         Оба побочных процесса приводят к понижению октанового числа и снижению экономических показателей.        Мощность установок риформинга составляет от 300 до 1000 тыс. тонн и более в год по сырью. Оптимальным сырьём является тяжёлая бензиновая фракция с интервалами кипения 85-180°С. Сырьё подвергается предварительной гидроочистке - удалению сернистых и азотистых соединений, даже в незначительных количествах необратимо отравляющих катализатор риформинга.        Установки риформинга существуют 2-х основных типов - с периодической и непрерывной регенерацией катализатора - восстановлением его первоначальной активности, которая снижается в процессе эксплуатации. В России для повышения октанового числа в основном применяются установки с периодической регенерацией, но в 2000-х гг. в Кстово и Ярославле введены установки и с непрерывной регенерацией, которые эффективнее технологически, однако, стоимость их строительства выше.       Процесс осуществляется при температуре 500-530°С и давлении 18-35 атм (2-3 атм на установках с непрерывной регенерацией). Основные реакции риформинга поглощают существенные количества тепла, поэтому процесс ведется последовательно в 3-4 отдельных реакторах, объёмом от 40 до 140 м3, перед каждым из которых продукты подвергаются нагреву в трубчатых печах. Наличие нескольких реакторов позволяет поддерживать различные рабочие условия. В каждом из реакторов проходит одна из реакций, перечисленных выше. Выходящая из последнего реактора смесь отделяется от водорода, углеводородных газов и стабилизируется. Полученный продукт – стабильный риформат – охлаждается и выводится с установки.        При регенерации осуществляется выжиг образующегося в ходе эксплуатации катализатора кокса с поверхности катализатора с последующим восстановлением водородом и ряд других технологических операций. На установках с непрерывной регенерацией катализатор движется по реакторам, расположенным друг над другом, затем подаётся на блок регенерации, после чего возвращается в процесс.       Продукты, полученные в результате риформинга узких бензиновых фракций, подвергаются разгонке с получением бензола, толуола и смеси ксилолов  - центральную фракцию, кипящую в узком интервале температур. Для итогового выделения бензола используют один из двух процессов: извлечение растворителем или экстрактивную перегонку.        Выход бензола на установках каталитического риформинга зависит от состава сырья. Нафта различается по содержанию парафинов, нафтенов и ароматики (углеводороды группы ПНА). Высокое содержание нафтенов и ароматических веществ – признак хорошего сырья для риформинга, а высокое содержание парафинов означает, что это сырье лучше использовать для промышленного получения олефинов.         Выход бензола также зависит от условий проведения процесса, которые определяются экономическими соображениями.

Схема получения ароматических углеводородов:

Рис. 2. Технологическая схема облагораживания бензина:

1, 8 – теплообменники, 2 – печь двухсекционная, 3 – реактор гидроочистки, 4,10, 14 – холодильники, 5 – сепаратор гидроочистки, 6 – этаноламинный абсорбер, 7 – отпарная колонна, 9 – реактор платформинга, 11 – сепаратор платформинга высокого давления, 12 – сепаратор платформинга низкого давления, 13 – колонна стабилизации

На рисунке 2 представлена технологическая схема одного из способо получения риформата:

Исходное сырье, пройдя теплообменник 1, смешивается с циркулирующим газом гидроочистки и избыточным водородсодержащим газом риформинга и

Рис.3:Получение ароматических углеводородов из реформата

нагревается в первой секции печи 2. Образовавшаяся газосырьевая смесь поступает в реактор гидроочистки 3, где очищается от соединений серы, азота и кислорода. Очищенная парогазовая смесь охлаждается в теплообменнике 1 и холодильнике 4 и поступает в сепаратор гидроочистки высокого давления 5, где разделяется на циркуляционный газ и жидкий гидркэгенизат (очищенный бензин). Газ, 1 содержащий водород и сероводород, подается в абсорбер 6, где очищается от сероводорода раствором этаноламина, после чего в виде циркуляционного газа смешивается с сырьем, поступающим на гидроочистку. Гидрогенизат из сепаратора 5 поступа­ет в отпарную колонну 7, где из него удаляют остатки сероводо­рода, водяные пары и газообразные углеводороды. Стабильный гидрогенизат выводится из нижней части колонны, проходит теплообменник 8, смешивается с водородсодержащим газом риформинга и, пройдя вторую секцию печи 2, поступает в батарею из трех реакторов платформинга 9. Из последнего реактора батареи газопродуктовая смесь проходит теплообменник 8 и холодильник 10 и охлажденная до 30°С, поступает в сепара­тор высокого давления 11 для отделения циркуляционного газа от жидкого катализата. Циркуляционный газ возвращается в систему платформинга и гидроочистки, а нестабильный катализат (бензин) поступает в сепаратор низкого давления 12. Из сепаратора катализат направляется в колонну стабилизации 13, где из него отделяются легколетучие продукты, направляемые на сжижение. Стабильный бензин отбирается из нижней части колонны и, пройдя холодильник 14, поступает на фракционирование.

На рисунке 3 представлена схема выделения бензола из стабильного реформата :

Каталитический риформат разделяется на фракции С7_- и С₈₊ Фракция С7_- затем направляется на стадию экстрактивной дистилляции, где бензол и толуол отделяются от неароматических углеводородов С7_-.

Фракция С₈₊ направляется непосредственно в контур параксилола без экстракции кси­лолов, что не вызывает проблем, потому что она содержит очень мало неаромати­ческих углеводородов. Следовательно, достаточно экстрагировать бензол и толуол, а не все ВТК.

Толуол подается на стадию диспропорционировании, где он превращается в бензол и ксилолы.

Полученный бензол отделяется в качестве продукта высокой чистоты вместе с экстра­гированным бензолом, а непреобразованный толуол возвращается на стадию диспропорционирования.

Экстракция бензола:

Для выделения индивидуальных ароматических углеводородов высокой степени чистоты используют азеотропную и экстрактивную дистилляцию, а также селективную экстракцию. В настоящее время в промышленности наибольшее распространение получил метод экстракции растворителем.

Процесс экстракции основан на избирательном растворении ароматических углеводородов в растворителе при ограниченном растворении или отсутствии растворяющей способности по отношению к другим компонентам. Для выделения бензола в России используется, в основном, триэтиленгликоль (ТЭГ), на импортных комплексах но производству ароматики — сульфолан. ТЭГ, обладающий высокой растворяющей способностью, все-таки уступает таким экстрагентам, как тетраэтилен-гликоль (фирма Union Carbid, США), сульфолан (UOP, США), смеси растворителей N-метилпирролидон с диэтиленгликолем (процесс аросольван фирмы Largi, Германия), широко используемые за рубежом.

Бензол высокой чистоты получают экстрактивной перегонкой с диметилформамидом.

Получение бензола гидродеалкилированием толуола:         В процессе гидродеалкилирования (дезалкилирования) толуол смешивают с потоком водорода, нагревают и подают в реактор. Метильная группа отщепляется при прохождении толуола через слой катализатора с образованием бензола. Поток, выходящий из реактора, фракционируют на водород, метан и другие легкие газы и бензол. Бензол, как правило, очищают контактно-земляным методом. Полученный продукт представляет собой чистый бензол (марки «для нитрования»). Выход бензола на установке гидродеалкилирования толуола достигает 96-98%.

Получение бензола диспропорционированием толуола:       В течение последних 15 лет  спрос на бензол и ксилолы начал значительно опережать спрос на толуол. В результате был разработан технологический процесс диспропорционирования толуола, позволяющий повысить объем производства этих продуктов.       При диспропорционировании толуола происходит восстановаление до бензола с потерей метильной группы (т.е. гидродеалкилирование) и окисление до ксилола, так как метильная группа присоединяется к другой молекуле толуола (переалкилирование). Катализаторами процесса служат платина и палладий, редкоземельные металлы и неодим, нанесенные на оксид алюминия, а также хром, нанесенный на алюмосиликат.        Толуол подается в реактор, где находится неподвижный слой катализатора. В реактор также вводят некоторое количество водорода для подавления осаждения углеводородов на поверхности катализатора. Режим работы реактора – температура 650-950ºС и давление 10,5-35 атм. Поток, выходящий из реактора, охлаждают, из него извлекают водород на рецикл. Остальную смесь трижды перегоняют с выделением на первой стадии неароматических соединений, на второй – бензола, на третьей – ксилолов.

Получение бензола из смолы пиролиза:          Наиболее экономически выгодным является метод выделения бензола из жидких продуктов пиролиза нефтепродуктов, образующихся в производстве этилена и пропилена.         Производство бензола по данной технологии напрямую зависит от производства олефинов, сырья для производства олефинов и рынка смолы пиролиза (пироконденсата), который является весьма ограниченным.          Выделение бензола из пироконденсата заключается в гидроочистке соответствующей фракции продуктов пиролиза от непредельных и сернистых соединений, последующем гидродеалкилировании полученной смеси, содержащей бензол, толуол и ксилолы и последующей доочистке полученного бензола. Разделение БТК-фракции с получением бензола проводят экстракцией растворителя или экстрактивной перегонкой. Наиболее часто применяется экстракция смесью N-метилпирролидона с этиленгликолем. Также в качестве экстрагентов применяют гликоли, сульфолан, диметилсульфоксид и др. растворители.