АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1.  Теоретические основы процесса алкилирования

Алкилирование – это широкий класс реакций, в результате которых в молекулу М вводят группу атомов R при условии, что при этом образуется связь какого-либо из атомов М с атомом С группы R. Эти реакции подразделяются на многие частные случаи: метилирование, этилирование, арилирование, бензилирование, хлорметилирование, винилирование и др.

Алкилирующими агентами могут выступать органические соединения различных классов: углеводороды (алкены, алкадиены и алкины), галоген-замещенные углеводороды, спирты, эфиры и т. д.

Среди многообразия реакций алкилирования наибольшие промышленные масштабы принадлежат процессам алкилирования изобутана алкенами в производстве моторных топлив и алкилирования бензола низшими алкенами.

Алкилароматические углеводороды широко используются в химии и химической технологии для получения полимеров, поверхностно-активных веществ, высокооктановых добавок к моторным топливам и в качестве полупродуктов в органическом синтезе.

Наибольшее значение имеют этилбензол и изопропилбензол (кумол) как исходные вещества для получения стирола и -метилстирола – мономеров в производстве каучуков. Изопропилбензол является также исходным сырьем в совместном производстве фенола и ацетона «кумольным» методом.

Непрерывный рост производства алкилароматических соединений обусловлен высокой потребностью в продуктах, получаемых на их основе. В качестве алкилирующих агентов могут применяться непредельные углеводороды, а также спирты и алкилгалогениды. Ведущее место среди подобных процессов занимает каталитическое алкилирование бензола олефинами. Около 80 % всего производимого в мире бензола потребляется для получения алкилбензолов. В промышленно развитых странах примерно 50 % бензола идет в производство этилбензола и 20 % – в производство изопропилбензола.

Алкилирование ароматических углеводородов представляет собой сложный многостадийный процесс, включающий взаимосвязанные реакции алкилирования, изомеризации, диспропорционирования, переалкилирования, полимеризации, деалкилирования и др.

Катализаторами в технологии алкилирования могут быть протонные и апротонные кислоты. При алкилировании бензола олефинами и спиртами используют протонные кислоты, причем их активность падает в ряду HF > H₂SO₄ > H₃PO₄. Кислоты Льюиса как катализаторы по своей активности располагаются в следующем порядке:

AlBr₃ > AlCl₃ > FeCl₃ > ZrCl₄ > TaCl₅ > BF₃ > UСl₄ > TiCl₃ > WCl₆ > CdCl₅ > ZnCl₂ > SnCl₄ > TiCl₄ > BeCl₂ > SbCl₅ > HgCl₂ > BiCl₅ > AsF₃.

При этом активность, селективность и стабильность катализаторов зависят от температуры, давления, химической природы алкилирующего агента.

Катализаторы алкилирования могут применяться в твердом и жидком состоянии. Использование твердых гетерогенных катализаторов предпочтительнее, т. к. в этом случае является более легким разделение продуктов реакции и каталитической композиции. Это позволяет существенно сократить затраты на очистку реакционной массы от катализатора, очистку и нейтрализацию сточных вод. Следует также обратить внимание на снижение коррозии оборудования при применении твердых катализаторов.

Особенно преимущество твердых катализаторов наблюдается при проведении технологического процесса в паровой фазе. Для этого случая пригодны катализаторы, обладающие не только высокой активностью и селективностью, но и способностью осуществлять реакции переалкилирования полиалкилбензолов в моноалкилбензолы.

В этом плане наиболее перспективными катализаторами алкилирования бензола олефинами и спиртами следует считать синтетические цеолиты. Известны также исследования по применению для этой цели катионнобменных смол, представляющих собой гетерополикислоты, состоящие из высокомолекулярной матрицы и катионогенных групп. Из них наиболее перспективны SO₃H⁺, COOH⁺, PO₃H₂⁺, AsO₃H₂⁺. Могут также применяться металлооганические катализаторы, которые обычно используют в комплексе с солями тяжелых металлов, например, TiCl₃ или TiCl₄. Очень активным является Al(C₂H₅)₃, но его активность под действием воды или воздуха стремительно падает.

В промышленности в качестве алкилирующих агентов наиболее распространены чистые олефины или их фракции, например этан-этиленовая и пропан-пропиленовая. Если используют чистые олефины, то катализаторами являются протонные кислоты и кислоты Льюиса.

Примесями, отрицательно влияющими на процесс алкилирования, являются С₂Н₂, бутадиен-1,3, СО, СО₂, СН₃СНО, эфиры и др. В их присутствии снижается выход целевого продукта. С₂Н₂ и бутадиен-1,3 полимеризуются на кислых катализаторах с образованием смол, которые осаждаются на активных центрах, что приводит к падению активности катализатора. Дезактивирует катализатор и СО, который трудно отделить от олефинов.

Присутствие в сырье кислорода, альдегидов и кетонов ведет к увеличению выхода полиалкилбензолов (ПАБ) и заметному изменению активности катализаторного комплекса. Это может происходить за счет образования катион-радикалов, которые меняют направление основного процесса. Поэтому сырье надо подвергать тщательной предварительной очистке перед подачей в процесс.

Наличие воды в реагентах приводит к необратимой дезактивации АlCl₃, который гидролизуется в гидроксид. Поэтому необходима глубокая осушка сырья. Кроме того, бензол необходимо очищать от сернистых соединений, которые необратимо отравляют катализатор.

Другая причина падения селективности реакции – несоблюдение параметров процесса. Повышение температуры, времени контакта, концентрации катализатора, низкая эффективность смешения реагентов и изменение их соотношения увеличивают долю примесей в продуктах процесса.

Для образования комплекса в сырье вводят инициатор НСl c концен-трацией 0,5 моля/моль AlCl₃. Его вводят в процесс, добавляя в сырье соответствующее количество алкилхлорида, который реагирует с бензолом, образуя алкилбензол и НСl, или частичным гидролизом AlCl₃ водой.

Промышленный процесс алкилирования бензола олефинами проводят в жидкой и газовой фазе. Применяют катализаторы кислотного типа, такие как AlCl₃,, H₂SO₄, безводный HF, BF₃,, H₃PO₄ на носителе, алюмосиликаты, цеолиты, ионообменные смолы. Наиболее перспективными считаются цеолиты и ионообменные смолы как наиболее экологически безопасные.

1.2. Характеристика промышленных способов алкилирования
бензола пропиленом

Известны три основных способа получения изопропилбензола, имеющие промышленное значение: