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/benzene/
条目作者李经球

李经球

最后更新 2023-08-18
浏览 465
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结构最简单的芳烃。由六个碳原子构成一个六元环,每个碳原子连接一个氢原子。别名安息油。1865年德国化学家F.A.凯库勒提出了苯的环状结构式a,沿用至今。根据量子化学的描述,苯分子中的6个π电子作为一个整体,分布在环平面的上方和下方,因此后来亦用b式表示苯的结构。

英文名称
benzene
别名
安息油
所属学科
化工

常温下无色、有甜味的透明液体,并具有强烈的芳香气味。可燃,其蒸气与空气可形成爆炸性混合物,爆炸极限为1.2%~8%(体积分数)。有毒,也是一种致癌物质。相对水的密度为0.8786。沸点80.1℃,熔点5.5℃,闪点-11℃。难溶于水,易溶于有机溶剂,本身也是一种良好的有机溶剂,溶解有机分子和一些非极性的无机分子的能力很强,除甘油、乙二醇等多元醇外能与大多数有机溶剂混溶。是重要的基本有机化工原料,其产能和生产技术水平是一个国家石油化工发展水平的标志之一。

1825年英国科学家M.法拉第首先发现了苯,他用蒸馏的方法将这种油状液体进行分离,得到另一种液体,实际上就是苯。当时法拉第将这种液体称为“氢的重碳化合物”。1834年,德国科学家E.米切利希[注]通过蒸馏苯甲酸和石灰的混合物,得到了与法拉第所制液体相同的一种液体,并命名为苯。待有机化学中正确的分子概念和原子价概念建立之后,法国化学家C.-F.热拉尔等人又确定了苯的相对分子质量为78,分子式为C6H6。苯的碳氢比值高,表明苯是高度不饱和的化合物。但它又不具有典型的不饱和化合物应具有的易发生加成反应的性质。

苯生产主要为石油基苯,少量为煤基苯。由含碳量高的物质不完全燃烧获得苯。自然界中,火山爆发和森林火险都能生成苯。苯也存在于香烟的烟气中。煤干馏得到的煤焦油中,主要成分为苯。直至第二次世界大战,苯还是一种钢铁工业焦化过程中的副产物。这种方法只能从1吨煤焦油中提取出1千克苯。20世纪50年代后,随着工业上,尤其是日益发展的塑料工业对苯的需求增多,由石油生产苯的过程应运而生。21世纪以来全球大部分的苯来源于石油化工。从石油产品中提取苯是广泛使用的工业制备方法,主要是催化重整、甲苯加氢脱烷基化和蒸汽裂解。

煤炼焦过程中生成的轻焦油含有大量的苯,这是最初生产苯的方法。将生成的煤焦油和煤气一起通过洗涤和吸收设备,用高沸点的煤焦油作为洗涤和吸收剂回收煤气中的煤焦油,蒸馏后得到粗苯和其他高沸点馏分。粗苯经过精制可得到工业级苯。这种方法得到的苯纯度比较低,而且环境污染严重,工艺比较落后。

使石脑油中环烷烃和部分链烷烃转化生产芳烃过程。在500~525℃、8~50个大气压下,各种沸点在60~200℃之间的脂肪烃,经铂-铼或铂-锡催化剂,通过脱氢、环化转化为苯和其他芳香烃混合物。从混合物中经抽提分离出非芳香烃后,再经蒸馏即分出苯。

烃类蒸汽裂解生产烯烃副产的裂解汽油中富含苯,苯含量为40%~60%,同时还含有二烯烃以及苯乙烯等其他不饱和组分,这些杂质在贮存过程中易进一步反应生成高分子胶质。所以先经过加氢处理过程来除去裂解汽油中的杂质和硫化物,然后再进行适当的分离得到苯产品。

采用不同裂解原料得到的含苯馏分,其组分非常复杂,用普通的分离方法很难见效,一般采用溶剂进行液-液萃取或者萃取蒸馏的方法进行芳烃分离,然后再采用一般的分离方法分离苯、甲苯、二甲苯。根据采用的溶剂和技术的不同又有多种分离方法,主要有:Udex法,由美国陶氏化学公司和美国环球油品公司在1950年联合开发,最初用二乙二醇醚作溶剂,后来改进为三乙二醇醚和四乙二醇醚作溶剂,过程采用多段升液通道萃取器。苯的收率为100%。②Suifolane法,荷兰壳牌公司开发,专利为美国环球油品公司所有。溶剂采用环丁砜,使用转盘萃取塔进行萃取,产品需经白土处理。苯的收率为99.9%。③Arosolvan法,由联邦德国的鲁奇公司在1962年开发。溶剂为N-甲基吡咯烷酮,为了提高收率,有时还加入10%~20%的乙二醇醚。采用特殊设计的Mechnes萃取器,苯的收率为99.9%。④IFP法,由法国石油研究院在1967年开发。采用不含水的二甲基亚砜作溶剂,并用丁烷进行反萃取,过程采用转盘塔。苯的收率为99.9%。

采用催化加氢脱烷基化,或是不用催化剂的热脱烷基。原料可以用甲苯及其与二甲苯的混合物,或含有苯及其他烷基芳烃和非芳烃的馏分。

采用铬、钼或氧化铂等催化剂,500~600℃高温和4.0兆~6.0兆帕条件下,甲苯与氢气混合可以生成苯,这一过程称为加氢脱烷基化作用。如果温度更高,则可以省去催化剂。根据所用催化剂和工艺条件的不同有多种工艺方法。①Hydeal法,由美国环球油品公司在1961年开发。原料可以是重整油、加氢裂解汽油、甲苯、C6~C8混合芳烃、脱烷基煤焦油等。催化剂为氧化铝-氧化铬,反应温度600~650℃,压力3.43兆~3.92兆帕。苯的理论收率为98%,纯度可达99.98%以上。②Detol法,美国胡德利公司开发。以氧化铝和氧化镁为催化剂,反应温度540~650℃,反应压力0.69兆~5.4兆帕,原料主要是C7~C9芳烃。苯的理论收率为97%,纯度可达99.97%。③Pyrotol法,美国空气产品公司开发。适用于从乙烯副产裂解汽油中制苯。催化剂为氧化铝-氧化铬,反应温度600~650℃,压力0.49兆~5.4兆帕。

此外还有荷兰壳牌公司研发的Bextol法,美国环球油品公司研发的Unidak法等。

甲苯在高温氢气流下可以不用催化剂进行脱烷基制取苯。反应为放热反应,开发出了多种工艺过程。主要有:①MHC加氢脱烷基过程,由日本三菱石油化学公司和千代田建设公司在1967年开发。原料用甲苯等纯烷基苯,含非芳烃30%以内的芳烃馏分。操作温度500~800℃,操作压力0.98兆帕,氢/烃比为1~10。过程选择性97%~99%(摩尔),产品纯度99.99%。②HDA加氢脱烷基过程,由美国烃研究和大西洋里奇菲尔德公司在1962年开发。原料采用甲苯,二甲苯,加氢裂解汽油,重整油。从反应器不同部位通入氢气控制反应温度,反应温度600~760℃,压力3.43兆~6.85兆帕,氢/烃比为1~5,停留时间5~30秒。选择性95%,收率96%~100%。

随着二甲苯用量的上升,在20世纪60年代末相继开发出了可以同时增产苯和二甲苯的甲苯歧化和烷基转移技术。这个反应为可逆反应,根据使用催化剂、工艺条件、原料的不同而有不同的工艺过程。典型工艺过程有Tatoray工艺、Transplus工艺及S-TDT工艺。①LTD液相甲苯歧化过程,美国美孚化学公司在1971年开发,使用非金属沸石或分子筛催化剂,反应温度260~315℃,反应器采用液相绝热固定床,原料为甲苯,转化率99%以上。②Tatoray过程,日本东丽公司和美国环球油品公司于1969年开发,以甲苯和混合碳九芳烃为原料,催化剂为丝光沸石,反应温度350~530℃,采用绝热固定床反应器,单程转化率45%以上,选择性88%以上,产品为苯和二甲苯混合物。③Transplus工艺过程,由美国埃克森美孚公司开发。采用甲苯和碳九及以上重芳烃为原料,使用贵金属改性分子筛做催化剂,反应器为固定床,反应温度为380~450℃,转化率45%以上。④S-TDT过程,由中国石化开发,采用甲苯和碳九及以上重芳烃为原料,临氢条件下在非贵金属催化剂上反应生成苯和二甲苯,采用固定床反应器,反应温度330~420℃,单程转化率45%以上,选择性89%以上。

苯主要用作有机化工原料。最主要的用途是生产乙苯-苯乙烯,消费量占产量的约55%;其次是生产异丙苯或苯酚,约占产量的18%;环己烷、硝基苯-苯胺分别占12%和7%。此外苯还可以用于生产各种烷基苯、顺酐、蒽醌等化工产品。

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