Бензол используется. Получение и применение бензола

. Бензол играет чрезвычайно важную роль в разнообразных отраслях хим. промышленности. Впервые бензол был открыт в легких фракциях каменноугольного дегтя Фарадеем в 1825 г. Особенные свойства бензола и его производных нашли свое выражение в формуле строения, предложенной в 1865 г. Кекуле, в виде замкнутой цепи из шести углеродных атомов, при которых имеется по одному атому водорода. Однако такое строение не вполне согласуется со свойствами различных веществ, получающихся из бензола, и потому с течением времени различными исследователями в формулу строения бензола были внесены некоторые видоизменения, касающиеся гл. обр. распределения сил сродства внутри углеродного цикла. Главным источником добывания бензола служат продукты, получающиеся при переработке каменного угля на кокс и светильный газ. В последнее время были сделаны попытки получения бензола из нефти путем ее пирогенетического разложения, но они не привели еще к выработке достаточно рентабельных способов. Из газов коксовых печей, которые содержат главную массу бензола, он извлекается различными растворителями или адсорбируется твердыми телами. Обычно для растворения применяют фракцию каменноугольного дегтя, которая в пределах 200-300° дает не менее 80% дистиллята; иногда вместо каменноугольного масла применяют погоны нефти, известные под названием солярового масла. При хорошем масле можно извлечь из газа до 98% всего заключающегося в нем бензола.

Коксовый газ, пройдя через холодильники, смолоотделители и аммиачные промыватели, имея температуру не выше 20°, поступает в скруббера, где промывается поглотительным маслом, растворяющим бензол. Скруббера представляют собой высокие круглые башни, внутри которых делается насадка, способствующая более тесному перемешиванию газа с поглотительным маслом. Масло, насыщенное бензолом с содержанием последнего около 3%, поступает на регенерацию в колонные аппараты, где отгоняется так называемый сырой бензол, имеющий до 65% чистого бензола. Масло, освобожденное от бензола, охлаждается и идет снова на скруббера для промывания газа. Сырой бензол содержит большое число различных углеродистых соединений и неодинаков по составу. Колебания в составе в зависимости от характера производства видны из следующей таблицы:

Кроме указанных веществ, в состав сырого бензола входят также нафталин, кумол, тиотолен, фенол, крезолы, пиридин, кумароны. На заводах Донбасса содержание чистого бензола в сыром продукте в среднем составляет около 52%. Для получения чистого бензола сырой продукт подвергается очистке и ректификации. Первая ректификация дает 90%-ный бензол, который затем поступает на очистку и дальнейшую ректификацию для получения чистого бензола. Очистка заключается в последовательном промывании бензола раствором щелочи, кислоты и водой. Если бензол содержит основания и фенолы, то сначала его промывают разбавленной серной кислотой, чем достигается удаление оснований, а щелочь затем растворяет все кислые вещества. Сероуглерод, тиофен, ненасыщенные алифатические углеводороды удаляются обработкой крепкой серной кислотой 60-66° Вè, которая сульфирует и осмоляет все непредельные и сернистые соединения, переводя их в растворимые и легко вымываемые щелочью вещества. Очистка производится в особых аппаратах - мешалках, снабженных внутри приспособлениями для механического перемешивания жидкости, чтобы обеспечить возможно быструю и полную очистку. Бензол, освобожденный от примесей и сернистых соединений (для этой цели приходится прибегать к повторной обработке кислотой), поступает на окончательную ректификацию для получения чистого продукта. Совершенно чистый бензол - бесцветная, прозрачная, легко подвижная, очень горючая жидкость, которая затвердевает при 5,483° (по водородному термометру) и кипит при 80,08° (760 мм Hg). Удельный вес бензола D 25 = 0,87345, D 4 15,5 = 0,8845, он изменяется с температурой; по Коппу, v t =1+0,001171626t+0,00000127755t 2 +0,00000080648t 3 . Коэффициент лучепреломления n D 8,2 = 1,50808. Удельный объем при 20° - 0,67171. Удельная теплота чистого бензола, по Треену (Тгehin) при 16,2° - 0,402, 20,2° - 0,412, 30,0° - 0,419, 42,8° - 0,429, 50,4° - 0,437, 58,1°- 0,449; удельная теплота продажного бензола, очищенного вымораживанием, при 18,3° - 0,414, 22,7° - 0,418, 31,8° - 0,425, 40,3° - 0,439; 52,0° - 0,452.

Теплота горения при постоянном объеме 10,014 Cal. Бензол при 22° растворим в воде в количестве 0,082 объема на 100 объемов воды. Вода растворяется в бензоле в зависимости от температуры следующим образом (в %%):

Бензол является превосходным растворителем жиров, смол, каучука и других органических соединений.

Химические свойства . Бензол трудно реагирует с веществами, которые вступают во взаимодействие с этиленом и его производными. В присутствии катализаторов - никеля, палладия или платины - бензол присоединяет 6 атомов водорода и переходит в гексогидробензол или гексаметилен. Водородные атомы бензола могут быть заменены галоидами с образованием соответствующих галоидопроизводных. Крепкие серная и азотная кислоты при действии на бензол дают соответствующие сульфо-и нитропроизводные. Рыночные сорта бензола обычно не являются чистым бензолом, а содержат еще толуол и ксилол в различных количествах. По Крамеру и Шпилькеру, различают следующие сорта продажного бензола (в зависимости от %-ного содержания в нем веществ, отгоняющихся до 100°):

Области применения бензола весьма разнообразны. Большие количества бензола в настоящее время идут как примесь к моторному бензину, что значительно улучшает качество последнего. В Англии National Benzol Association предъявляет к моторному бензолу следующие требования: удельный вес 0,870-0,885; при перегонке бензол должен давать до 100° - 75%, 120° - 90%, 125° - 100%; содержание в нем серы не должно превышать 0,4%; бензол не должен содержать воды; степень очистки: при встряхивании 90 см 3 бензола с 10 см 3 90%-ной H 2 SО 4 в течение 5 минут кислота должна окраситься в цвет не темнее светло-коричневого; бензол не должен содержать кислот, щелочей и сероводорода; должен замерзать не ниже -14°.

Бензол применяют в качестве растворителя и для целей экстракции в различных производствах: для приготовления лаков и линолеума, для обезжиривания костей, для экстракции воска и канифоли , для химической чистки различных материалов. Бензол является одним из наиболее употребительных растворителей на резиновых фабриках. Он служит также исходным материалом для приготовления красителей, взрывчатых и душистых веществ, фармацевтических и фотографических препаратов. Огромные количества бензола перерабатываются на нитро- и динитробензол, из которых восстановлением получаются анилин , нитроанилин и фенилендиамин - важные продукты технологии органических веществ, служащие гл. образом исходным материалом при изготовлении целого ряда разнообразных анилиновых красителей. Сульфированием из бензола приготовляют моно- и дисульфокислоты, перерабатываемые далее на фенол и резорцин.

В довоенное время производство бензола в России было развито чрезвычайно слабо. С началом войны и, следовательно, с возрастанием потребности в бензоле, который шел на приготовление различных взрывчатых веществ, спешно пришлось организовать коксобензольные установки. Планомерное и успешное развитие бензольной промышленности началось с момента организации в СССР Акционерного общества «Коксобензол», и в настоящее время количество вырабатываемого ежегодно бензола значительно превышает наиболее производительные годы довоенного времени.

Профессиональные отравления бензолом . Бензол является одним из наиболее сильных профессиональных ядов. Отравление бензолом рабочих возможно: в коксобензольном производстве, при перегонке каменноугольной смолы; на химических и фармацевтических заводах при производстве различных веществ ароматического ряда; в процессах производства различных органических красок; в производстве взрывчатых веществ; при извлечении жиров из костей и кокосовых орехов; на клееваренных заводах, где бензол применяется в качестве растворителя смол, лаков, жиров, йода, фосфора и серы; в резиновом производстве; при изготовлении непромокаемых тканей, линолеума, целлулоида; при окраске различных предметов быстро высыхающими красками и лаками (в частности, аэропланных крыльев); при карбюрации светильного и водяного газа; в химических красильнях и при очистке от жиров тканей, одежды и т. п.; при обслуживании двигателей внутреннего сгорания, и т. д. В последнее время на Западе выпускается множество патентованных фабрикатов, содержащих бензол (лаки, краски, составы для очистки разных предметов) под самыми различными названиями и вызывающих серьезные отравления рабочих.

Бензол проникает в организм гл. образом через дыхательные пути и через легкие проникает в кровь. Вместе с тем бензолом может всасываться также и через неповрежденную кожу. Бензол значительно ядовитее бензина (по Леману и Кравкову, - в 4 раза, по Кону-Абресту, - в 10 раз). Содержание в воздухе 10 мг паров бензола на 1л (по объему 3-4 ч. на 1000 ч.) уже вызывает неприятные ощущения; присутствие в 1 л воздуха 20-30 мг бензола обычно вызывает потерю сознания на несколько часов. Иногда, однако, даже содержание в воздухе 0,001 бензола по объему вызывало смерть. Чтобы предупреждать и медленное действие на рабочих длительного вдыхания паров бензола, не следует допускать их содержания в рабочей атмосфере выше 1:10000, или, примерно, 0,25 мг/л (хотя, по данным специальной американской комиссии, опубликовавшей свой отчет в 1927 г., даже при этих условиях нельзя вовсе избежать воздействия бензола на организм).

Отравление бензолом может иметь острый и хронический характер. В последние годы в медицинской литературе был опубликован ряд смертельных случаев либо немедленно после однократного вдыхания значительного количества паров бензола, либо в результате остро протекающего заболевания после короткого периода работы в атмосфере со значительным количеством паров бензола в воздухе. Немедленная смерть наступает обычно при работе в недостаточно проветренных цистернах, баках и т. п. вместилищах, а также при разрывах сосудов или труб и при незамеченных неисправностях в аппаратуре. Серьезные заболевания, нередко кончающиеся смертью, обычно имеют место при недостаточной кубатуре помещения, отсутствии вентиляции и особенно при высокой температуре помещения. Острые отравления, не кончающиеся немедленной смертью, при вдыхании больших доз вызывают тяжелые изменения со стороны центральной нервной системы: дрожание, судороги, сильное побледнение, расстройства чувствительности, обмороки, а также нередко и злокачественное малокровие (поражающее особенно женщин). Более легкие случаи вызывают головокружение, головную боль, шум в ушах, рвоту. Большей частью скоро наступает состояние как бы опьянения и общей эйфории, в результате чего отравленный теряет правильное восприятие происходящего, не замечает опасности, не уходит с места выделения паров и, при отсутствии помощи со стороны, может стать жертвой дальнейшего отравления. При хроническом отравлении, тянущемся месяцами и даже годами, помимо нервной системы, поражаются в первую очередь органы кровообращения и кроветворения, в результате чего, помимо сильного малокровия, появляются многочисленные мелкие кровоизлияния, как в слизистых оболочках различных внутренних органов, так и в коже. В результате - так наз. «пятнистая болезнь» и напоминающие цингу изменения слизистой оболочки во рту. У женщин появляются обычно сильные маточные кровотечения. Выздоровление наступает редко и даже в благоприятных случаях весьма затягивается. Столь тяжелое действие бензола объясняется тем, что он является сильным ядом, действующим на протоплазму всех клеток организма и на основные окислительные процессы. Мероприятия по предупреждению отравления бензолом в основном те же, как и при отравлении бензином . Необходимо добавить, что всюду, где возможно, следует заменять бензол гораздо менее ядовитыми ксилолом, толуолом, тетрахлоруглеродом или бензином и на работы с бензолом не следует допускать женщин.

Бензол – одно из самых токсичных веществ, которое окружает нас повсюду. Смог, выбросы промпредприятий – об их вреде для здоровья знает каждый. Но не все понимают, что это – не самая главная угроза. Намного опаснее постоянное пребывание в атмосфере, отравленной бензолом. А избежать этого очень сложно.

Где встречается бензол

Промышленность не может существовать без бензола. Горючая, с легким сладковатым запахом жидкость, имеющая формулу С 6 Н 6 – едва ли не самое основное химическое вещество для многих промышленных отраслей. Его применяют:

• Для производства косметики, парфюмерии анилиновых красителей.
• Резина, пластмасса, множество других синтетических материалов, – все они в своей основе содержат ароматические углеводороды, которые получают из бензола.
• Те же ароматические углеводороды используют при производстве лекарств, резины, взрывчатки, искусственной кожи.
• Работа коксобензольных заводов также немыслима без использования С 6 Н 6 .
• В состав парафиновых свечей (обычных и ароматических) входит бензол.
• Все водонепроницаемые ткани пропитывают составами на основе бензола.

Эта жидкость – отличный растворитель. Иногда бензол даже называют «органической водой», которая способна растворить все что угодно. Именно поэтому бензол используют в следующих целях:

• чтобы выделить из растений алкалоиды;
• чтобы вычленить фосфор и жиры из костей, мяса и орехов;
• чтобы превратить йод в полезные растворы;
• чтобы растворять резиновые клеи, каучук, любые другие лакокрасочные материалы.

С помощью бензола в химчистках удаляют самые сложные пятна. А еще С 6 Н 6 – это светильный газ, реагенты для сварки, спирт и множество других продуктов, без которых жизнь современного человека невозможна.

Автомобилисты знают: именно бензол дал свое название автомобильному топливу, именно с его помощью можно поднять октановое число и снизить способность топлива самовоспламеняться.

Есть еще сотни других отраслей, в которых используется С 6 Н 6 . Именно широкая распространенность этого вещества делает его особенно опасным.

Почему бензол опасен?

С 6 Н 6 – вещество настолько опасное, что:

• Международное агентство, занимающееся изучением раковых заболеваний, признало его одним из самых сильных канцерогенов.
• В Женеве еще в 1971 году приняли «Конвенцию о бензоле», которая призывает ограничить использование вещества, потому что оно несет смертельную угрозу человечеству.

Тем не менее, сегодня в промышленности не только не сокращается, а увеличивается использование этого вещества.

Так чем же опасен бензол?

• Жидкость со сладковатым запахом сильно испаряется. Смешиваясь с кислородом, находящимся в воздухе, она способна образовать мощную взрывчатую смесь.
• Пары С 6 Н 6 тяжелее воздуха. Скапливаясь с нижней части помещения, они могут вызвать тяжелейшее отравление.
• При горении все материалы, содержащие производные бензола, выделяют огромное количество копоти и гари. Именно из-за них, а не из-за открытого огня чаще всего погибают люди при пожарах.

Естественно, острое отравление бензолом может привести к почти моментальной смерти, которой будут предшествовать следующие симптомы:

• учащение пульса;
• резкое падение давления;
• тошнота;
• головокружение или резкие головные боли;
• возбуждение, которое довольно быстро сменяется полнейшей апатией. Иногда она бывает настолько сильной, что человек не в состоянии покинуть место аварии;
• судороги;
• потеря сознания.

Еще опаснее хроническое отравление организма бензолом. Оно возможно в тех ситуациях, когда людям долгое время приходится находиться в помещениях с превышающей ПДК, но не вызывающей острого отравления концентрацией С 6 Н 6 . Обычно такая угроза нависает над работниками промышленных предприятий, гаражей, автомобилистами.

Основное применение бензола - это синтез множества других органических веществ. Процесс, в течение которого можно получить продукт, - это коксование угля. Если нагревать это сырье при высоких температурах и при этом ограничить доступ воздуха, то будет образовываться множество летучих продуктов горения, среди которых выделяют и бензол.

Образование вещества

Ученый Н. Д. Зелинский в свое время доказал, что получить бензол можно не только при коксовании угля. Получить это вещество можно и из такого продукта, как циклогексан, если будет наблюдаться каталитическое воздействие платины или палладия на это вещество (при температуре в 300 градусов по Цельсию). Кроме того, такое вещество, как гексан, также способно преобразовываться в бензол, если применить правильный каталитический процесс и процедуру нагревания.

На сегодняшний день большое практическое значение получили такие операции, как получение бензола из предельных углеводородов и циклопарафинов. Это обусловлено тем, что потребность в этом веществе стремительно растет.

Использование летучего вещества

Область применения бензола довольно обширна. Основным направлением стало получение других веществ на основе этого реактива. Так, к примеру, если использовать реакцию нитрирования, то можно получить нитробензол, если провести процедуру хлорирования, то можно получить хлорбензол, который в жизни чаще всего называют растворителем, а также множество других составов.

Широкое распространение получила процедура применения бензола в качестве исходного продукта для создания лекарственных и душистых веществ. Часто применяется в процессах синтеза мономеров для высокомолекулярных соединений, для создания красителей.

Производные хлора и бензола в настоящее время успешно используются в сельском хозяйстве. Здесь их применяют в качестве химических средств защиты для растений. К примеру, продукт, в котором атомы водорода замещены атомами хлора, гексахлорбензол, активно применяется в качестве продукта для сухого протравливания семян пшеницы и ржи.

Химическая промышленность

Если перечислять области применение бензола, то их очень много. Однако в некоторых он играет одну из ключевых ролей, например в химической промышленности. Здесь этот компонент является одним из наиболее востребованных, так как он является исходным элементом для производства множества других, а также является растворителем во многих операциях. Стоит отметить, что бензол способен растворить практически любые органические соединения. Если в первой половине 20-го века применение бензола приходилось в основном на создание таких составов, как нитро- и динитросоединения, то на сегодняшний день самыми распространенными веществами стали этилбензол, кумол и циклогексан. 60 % всего бензола приходится именно на создание первых двух элементов.

Разновидности состава и их применение

Сам по себе бензол в чистом виде практически не используется. Однако его производные получили очень широкое применение.

Этилбензол, к примеру, распространен в качестве промежуточного компонента при изготовлении стирола, а также успешно используется в качестве добавки для моторного топлива.

Широкий интерес вызывает и один из новых процессов, используя который можно получить стирол прямо из бензола. Применение этого вещества в сочетании с этиленом и Pd-катализатором во время окислительного процесса и является таким способом. Стоит отметить, что при получении этилбензола выделяется побочное вещество, которое стали называть диэтилбензолом. Сам по себе этот элемент не слишком активно применяется, однако с его помощью стало возможным получение дивинилбензола, а уже этот компонент является очень ценным мономером для производства

Еще одним важным компонентом является кумол. Этот продукт - также производная от бензола, а используется он для создания вещества - фенола, который получил широкое практическое применение.

Стоит отметить, что веществ, которые образуются при помощи бензола, очень и очень много.

Бензилхлорид - продукт хлорметирования. Наибольшее распространение он получил при изготовлении бензилового спирта, сложных эфиров, красителей и т. д.

Дифенилметан - вещество, полученное при взаимодействии бензола с такими компонентами, как бензилхлорид или формальдегид. Этот продукт может быть использован в качестве душистого вещества, так как имеет запах герани, или же в качестве растворителя для лакокрасочных изделий.

Известны также сульфопроизводные бензола. Эти продукты являются промежуточными веществами, основное предназначение которых, - получение более сложных промежуточных компонентов. На основе определенных бензолсульфокислот можно получить конечные составы, которые можно применять в производстве полимерных материалов.

Первые попытки использования бензола в медицине были сделаны еще очень давно. Первое направление, где он был применен, - это онкогематология. Основная идея применения бензола состояла в том, чтобы использовать его для лечения такой болезни, как лейкемия. Скорость распространения этой идеи была огромной. В 1912 году медики по всему миру применяли это вещество для того, чтобы лечить белокровие у пациентов. Сначала вещество использовалось только для приема внутрь. Однако довольно скоро были проведены попытки инъекции. К этому времени вспышка использования сырья в лечебных целях уже спадала. Выяснилось, что все же вылечить лейкемию таким способом не получается. Кроме того, этот химикат обладает множеством опасных побочных эффектов.

Однако пока состав все еще применялся, врачи выделяли некоторые положительные моменты. К примеру, бензол приводил к тому, что количество белых шариков в крови значительно уменьшалось к концу 2-й и началу 3-й недели. Красные кровяные тельца изначально уменьшались в своем количестве, однако потом это быстро проходило, а количество снова росло. Отмечалось также, что бензол способен улучшить лейкемический состав крови в тех случаях, когда рентгеновский способ был не способен справиться.

Однако, как уже говорилось, этот метод довольно быстро был признан недейственным, опасным.

Применение бензола.

1. Бензол служит исходным веществом для синтеза очень многих органических соединений.

2. Реакцией нитрования получают нитробензол C 6 H 5 NO 2 , хлорированием бензола – хлорбензол С 6 Н 5 Сi (растворитель) и другие хлорпроизводные.

3. Бензол используется как исходный продукт при синтезе лекарственных и душистых веществ, разнообразных красителей, мономеров для синтеза высокомолекулярных соединений и т. д.

4. Он применяется также в качестве растворителя и как добавка к моторному топливу в целях улучшения его свойств.

5. Хлорпроизводные бензола и других углеводородов используются в сельском хозяйстве в качестве химических средств защиты растений.

6. Так, продукт замещения в бензоле атомов водорода хлором – гексахлорбензол C 6 Cl 6 применяется для сухого протравливания семян пшеницы и ржи против твердой головни.

7. Из галогенопроизводных других углеводородов можно назвать гексахлорбутадиен С 4 Сl 6 , аналогичный по строению бутадиену-1,3, необходимый для борьбы с филлоксерой на виноградниках.

8. В сельском хозяйстве используется много других ядохимикатов для борьбы с насекомыми.

9. Также бензол используется для уничтожения сорняков, защиты растений от болезней и т. д.

10. Применение ядохимикатов требует хорошего знания их свойств и строгого следования установленным правилам их использования, так как при неправильном обращении они небезопасны для человека и могут нанести большой ущерб окружающей природе.

Получение бензола.

1. Важный источник получения бензола – коксование каменного угля.

2. В процессе коксования – сильного нагревания угля без доступа воздуха – образуется много летучих продуктов, из которых наряду с другими веществами извлекается бензол.

3. Н.Д. Зелинский показал, что бензол легко образуется из циклогексана при каталитическом воздействии платины или палладия и температуре около 300 °C.

4. Было установлено также, что при соответствующих катализаторах и нагревании гексан может превращаться в бензол.

5. Реакции получения бензола из предельных углеводородов и циклопарафинов приобрели сейчас в связи с возрастающей потребностью в этом веществе большое практическое значение.

Особенности теории электронного строения.

1. Все атомы углерода в молекуле бензола находятся в состоянии sp 2 -гибридизации.

2. Три гибридных электронных облака каждого атома углерода, имеющие форму вытянутых объемных восьмерок, образуют в плоскости кольца две δ-связи с соседними атомами углерода и одну π-связь с атомом водорода; углы между этими тремя связями равны 120°. Негибридная p-орбиталь располагается перпендикулярно плоскости кольца.

30. Гомологи бензола

Строение гомологов бензола:

1) бензол, как и другие углеводороды, начинает соответствующий гомологический ряд;

2) его гомологи рассматриваются как продукты замещения одного или нескольких атомов водорода в молекуле бензола на различные углеводородные радикалы;

3) атомы углерода в формулах нумеруются и при помощи цифр, в название вещества указывается положение замещающих групп.

Химические свойства гомологов бензола:

1) при нитровании в жестких условиях в молекулу бензола и толуола С 6 Н 5 -СН 3 можно ввести три нитрогруппы;

2) толуол нитрируется несколько легче, чем бензол;

3) при этом образуется 2,4,6-тринитротолуол – взрывчатое вещество, которое называется толом или тротилом;

4) большая реакционная способность бензольного ядра в положениях 2,4,6 объясняется влиянием на него радикала – СН 3 .

Толуол можно рассматривать не только как бензол, в молекуле которого атом водорода замещен на метильную группу, но и как метан, в молекуле которого атом водорода заменен ароматическим радикалом фенилом С 6 Н 5 .

Метан очень устойчив к действию окислителей.

Если же раствор перманганата калия мы добавим к толуолу и смесь нагреем, то заметим, что фиолетовый раствор постепенно обесцвечивается. Это происходит потому, что группа – СН 3 в толуоле подвергается окислению;

5) при действии раствора перманганата калия на толуол метильная группа окисляется в карбоксильную, образуется бензойная кислота.

На опытах можно убедиться, что: а) в толуоле метильная группа влияет на бензольное ядро, облегчая течение реакций замещения (в положениях 2, 4, 6); б) бензольное ядро влияет на метильную группу, обусловливая меньшую устойчивость ее к действию окислителей.

В основе этого явления лежит влияние друг на друга электронных структур атомов;

6) повышение реакционной способности бензольного ядра в самом общем виде можно объяснить так.

Метильная группа, находясь в соединении, смещает от себя электроны связи. Смещая в толуоле электронную пару к бензольному ядру, она нарушает равномерное расположение в нем р-электронного облака;

7) в положениях 2,4,6 возрастает электронная плотность, эти места и подвергаются «атаке» реагентами;

8) они могут реагировать, например, с галогенами (по месту атомов водорода в бензольном ядре и в боковой цепи), присоединять водород и т. п.

Применение и получение гомологов бензола.

1. Гомологи бензола используются в качестве растворителей.

2. Также гомологи бензола используются для производства красителей, лекарств, взрывчатых, душистых веществ и т. д.

Технология производства бензола и сферы его использования

Бензол (C6H6, PhH) — ароматический углеводород. Входит в состав бензина, широко применяется в промышленности, является исходным сырьём для производства лекарств, различных пластмасс, синтетической резины, красителей. Бензол - один из наиболее распространенных химических продуктов и самое распространенное ароматическое соединение. В физическом весе пластмасс около 30%, в каучуках и резинах - 66%, в синтетических волокнах - до 80% приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол.
Бензол входит в состав сырой нефти, но в промышленных масштабах по большей части синтезируется из других её компонентов.

Свойства продукта и технические характеристики
Бензол - бесцветная жидкость со своеобразным нерезким запахом. Температура плавления — 5,5 °C, температура кипения — 80,1 °C, плотность — 0.879 г/см³, молекулярная масса — 78,11г/моль. С воздухом образует взрывоопасные смеси, хорошо смешивается с эфирами, бензином и другими органическими растворителями, с водой образует смесь с температурой кипения 69,25 °C. Растворимость в воде 1.79 г/л (при 25°C). Токсичен, опасен для окружающей среды, огнеопасен.
Бензол по составу относится к ненасыщенным углеводородам (гомологический ряд CnH2n-6), но в отличие от углеводородов ряда этилена C2H4, при жёстких условиях проявляет свойства присущие насыщенным углеводородам, более склонен к реакциям замещения. Свойства бензола объясняются наличием в его структуре сопряжённого π-электронного облака.
Транспортировку бензола осуществляют в железнодорожных цистернах и автоцистернах, на баржах и в металлических бочках. Перекачивание из одного сосуда в другой происходит в закрытой системе, так как бензол ядовит.
В зависимости от технологии производства получают различные марки бензола. Бензол нефтяной получают в процессе каталитического риформинга бензиновых фракций, каталитического гидродеалкилирования толуола и ксилола, а также при пиролизе нефтяного сырья.
В зависимости от технологии производства и назначения установлены следующие марки нефтяного бензола: высшей очистки, очищенный и для синтеза. Нормы для марок регламентированы ГОСТ 9572-93.
ГОСТ 8448-61 распространяется на каменноугольный и сланцевый бензол, получаемый в процессе термической переработки каменных углей и сланцев. Выпускается двух марок: для синтеза и для нитрации.
Бензол сырой каменноугольный представляет собой смесь, содержащую 81-85% бензола, 10-16% толуола, 1-4% ксилола. Содержание примесей не регламентируются.
ГОСТ 5955-75 соответствует бензолу как химическому реактиву, применяемому в лабораториях.
Ниже приведены технические характеристики марок нефтяного и каменноугольного бензола согласно вышеперечисленным ГОСТам.

Техническая характеристика марок каменноугольного бензола

Техническая характеристика марок нефтяного бензола

Области применения бензола

Бензол - один из наиболее распространенных химических продуктов и самое распространенное ароматическое соединение. В физическом весе пластмасс около 30%, в каучуках и резинах - 66%, в синтетических волокнах - до 80% приходится на ароматические углеводороды, родоначальником которых является бензол.
Основные области применения бензола - производство этилбензола, кумола и циклогексана. На долю этих продуктов приходится около 70% мирового потребления бензола. Этилбензол является важным нефтехимическим продуктом, основной объем которого используются для производства стирола. Наиболее значимыми продуктами, в производстве которых используется фенол, является бисфенол-А и фенолформальдегидные смолы. Циклогексан используется в качестве сырья для получения капролактама, растворителя. Капролактам в свою очередь применяется для производства термопластичных смол (полиамид 6), капроновых волокон и нитей. Нитробензол является полупродуктом для получения анилина.
Бензол также используется для получения анилина, малеинового ангидрида, является сырьем для производства синтетических волокон, каучуков, пластмасс. Бензол применяется как компонент моторного топлива для повышения октанового числа, как растворитель и экстрагент в производстве лаков, красок, поверхностно-активных веществ.
Более подробно области применения бензола рассмотрены в главе 5.

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Историческая справка

Впервые бензол описал немецкий химик Иоганн Глаубер, который получил это соединение в 1649 году в результате перегонки каменноугольной смолы. Но ни названия вещество не получило, ни состав его не был известен.
Своё второе рождение бензол получил благодаря работам английского физика Майкла Фарадея, который в 1825 году выделил его из жидкого конденсата светильного газа. Великое открытие Фарадея было сделано случайно. В начале девятнадцатого века в Лондоне для уличного освещения стали использовать светильный газ, получаемый из каменноугольной смолы. Однако он имел ряд существенных недостатков: при его горении не только выделялось большое количество дыма, чем были весьма недовольны жители туманного Альбиона, но и со временем этот газ утрачивал свою горючесть, а на дне баллонов оседала неизвестная маслянистая жидкость. Этой проблемой, исключительно из практических соображений, и занялся Майкл Фарадей. Результатом множества разнообразных испытаний стала белая кристаллическая масса, получаемая вымораживанием остатка «светильного газа» при температуре 7 °С.
В 1833 году немецкий физик и химик Эйльгард Мичерлих получил бензол при сухой перегонке кальциевой соли бензойной кислоты (именно от этого и произошло название бензол).
Современное представление о свойствах и электронной природе связей в бензоле основывается на гипотезе Лайнуса Полинга, который предложил изображать молекулу бензола в виде шестиугольника с вписанной окружностью, подчёркивая тем самым отсутствие фиксированных двойных саязей и наличие единого электронного облака, охватывающего все шесть атомов углерода цикла.
В XIX веке коммерческая ценность бензола была ограниченной. Он применялся в первую очередь как растворитель. В XX столетии производители бензина обнаружили у бензола ряд свойств, позволяющих использовать его в качестве компонента автомобильного топлива (высокое октановое число). Как следствие, возник экономический стимул для более полного выделения бензола, который получали как побочный продукт при коксовании в производстве стали. Начало Второй мировой войны выявило и другие - химические - области применения бензола, в основном в производстве взрывчатых веществ. В результате, в середине XX века не только бензол коксования стал направлять в химическую промышленность (а не использоваться как компонент бензина), но и сама нефтеперерабатывающая промышленность начала производить огромное количество бензола для обеспечения потребностей химической индустрии. Так, крупнейший потребитель бензола - нефтяная индустрия - стал его главным производителем.
Постоянно возрастающие потребности нефтехимической промышленности в бензоле привели к появлению новых, усовершенствованных процессов его производства - каталитического риформинга, деалкилирования толуола, а также более нового - диспропорционирования толуола.
Случайный вклад в развитие отрасли был сделан в 1970-е годы, когда заводы по производству олефинов начали использовать тяжелый газойль как сырье и получать бензол в качестве побочного продукта.

Промышленные методы производства бензола

Производство бензола основано на переработке целого ряда сырьевых компонентов: нафты, толуола, тяжелой фракции пиролиза, смолы коксования угля, поэтому выпуск бензола ведется как на предприятиях нефтехимии, так и на металлургических заводах. В зависимости от технологии получения и назначения бензол подразделяют на бензол нефтяной и каменноугольный «высшей очистки», «для синтеза», «высшего сорта», «первого сорта», «для нитрации», «технический», «сырой».
Наиболее старый метод промышленного получения бензола - выделение его из предварительно охлажденных пирогазовых продуктов коксования каменных углей абсорбцией органическими поглотителями, например маслами каменно-угольного и нефтяного происхождения; для отделения поглотителя используют перегонку с водяным паром. От примесей (например, тиофена) сырой бензол отделяют гидроочисткой.
Основное количество бензола получают каталитическим риформингом (470-550°С) нефтяной фракции, выкипающей при 62-85°С. Бензол высокой чистоты получают экстрактивной перегонкой с диметилформамидом.
Бензол выделяют и из жидких продуктов пиролиза нефтепродуктов, образующихся в производствах этилена и пропилена. Этот способ является более выгодным экономически, поскольку в образующейся смеси продуктов на долю бензола приходится около 40% против 3% при риформинге. Однако сырьевые ресурсы для этого способа весьма ограничены, поэтому большую часть бензола производят риформингом. Доля коксохимического бензола в общем балансе невелика.

Состав смесей, образующихся в результате пиролиза и риформинга нефтяного сырья

Источник: Евразийский химический рынок

При избытке ресурсов толуола бензол производят также деалкилированием последнего, которое проводят термическим способом при 600-820°С в присутствии водорода и водяного пара или каталитически при 227-627°С в присутствии цеолитов или оксидных катализаторов.

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.
Производство бензола в России еще тесно связано с конъюнктурой рынка металлов, основная часть которых перерабатывается на 10 имеющихся предприятиях.

Получение бензола каталитическом риформингом нефтяных фракций
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 условий проведения процесса, которые определяются экономическими соображениями.

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 растворителем или экстрактивной перегонкой. Наиболее часто применяется экстракция смесью N-метилпирролидона с этиленгликолем. Также в качестве экстрагентов применяют гликоли, сульфолан, диметилсульфоксид и др. растворители.

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%.

Материальный баланс процесса гидродеалкилирования толуола

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.

Материальный баланс процесса диспропорционирования толуола

Как показывает материальный баланс процесса, выход продуктов за одну стадию довольно высок. При экономической обоснованности получения бензола из толуола, выбор между процессами гидродеалкилирования и диспропорционирования зависит от других экономических соображений, в частности от необходимого конечного состава продуктов.

Области применения бензола
Спрос на бензол определяется развитием потребляющих его отраслей. Основные области применения бензола - производство этилбензола, кумола и циклогексана и анилина.
Этилбензол является важным нефтехимическим продуктом, основной объем которого используются для производства стирола. Более 65 % производимого стирола в свою очередь используется для производства полистирола. Оставшаяся часть используется в производстве акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС) и стирол-акрилонитрила (САН), ненасыщенных полиэфиров и стирол-бутадиенового каучука.
Основной сферой применения фенола является химическая промышленность. Наиболее значимыми продуктами, в производстве которых используется фенол, является бисфенол-А и фенолформальдегидные смолы. Фенол также используется в производстве синтетического волокна капрона, красителей, пестицидов, лекарственных препаратов (аспирин, салол). Разбавленные водные растворы фенола (карболка, 5%) применяют для дезинфекции помещений, белья.
Циклогексан используется в качестве сырья для получения капролактама, растворителя. Капролактам в свою очередь применяется для производства термопластичных смол (полиамид 6), капроновых волокон и нитей.
Нитробензол является полупродуктом для получения анилина, который используется для производства метилдиизоцианатов, из которых получают полиуретаны. Анилин также используется при производстве искусственных каучуков, гербицидов и красителей.
Бензол также используется для получения малеинового ангидрида, является сырьем для производства синтетических волокон, каучуков, пластмасс. Применяется как компонент моторного топлива для повышения октанового числа, как растворитель и экстрагент в производстве лаков, красок, поверхностно-активных веществ.
Схематично основные синтезы на основе бензола можно представить следующим образом:

Схема основных синтезов на основе бензола

Применение продуктов переработки бензола

Продукт	Химическая формула	Применение
Стирол		Основная сфера применения - производство полистирола.
Фенол		Применяют в производстве бисфенола-А, фенолформальдегидных пластмасс, синтетического волокна капрона, красителей, пестицидов, лекарственных препаратов (аспирин, салол). Разбавленные водные растворы фенола (карболка, 5%) применяют для дезинфекции помещений, белья.
Капролактам		Является основным сырьем для получения полиамида-6 (нейлон, капрон, ультрамид).
Анилин		Применяется в качестве полупродукта в производствеполиуретанов, красителей, взрывчатых веществ и лекарственных средств (сульфаниламидные препараты).
Малеиновый ангидрид		Применяется для получения полимерных материалов, алкидных и полимерных смол, в производстве синтетических волокон, моющих средств, фармацевтических препаратов, присадок и стабилизаторов топлива, фумаровой и яблочных кислот, сельскохозяйственных препаратов
Алкилбензолы		Похожие публикации Именины романа, и что означает имя по церковному календарю Виды смеха психология. Что такое смех? Смех, который лечит Установочная и экзаменационная фаза Гештальт-психология и гештальт- терапия (литературный обзор) Принципы гештальтпсихологии