1.4 Теоретические основы принятого метода

Хлорбензол получают прямым хлорированием бензола. Процесс состоит из следующих стадий:

1 стадия – Подготовка сырья, включающая очистку бензола от сернистых соединений (тиофен, сероуглерод) моноэтаноламином методом хемабсорбции и тщательную осушку. Необходимо очищать бензол от сернистых соединений, так как тиофен при взаимодействии с хлорным железом и бензолом образует осадок, который не растворяется в бензоле и хлорбензоле, вызывая дезактивацию катализатора, загрязняя аппаратуру и трубопроводы, а присутствие сероуглерода в бензоле влияет на качество продукта – монохлорбензол получается окрашенным, приобретает кислую реакцию, и содержит соли железа. Имеющаяся в бензоле влага, которая гидролизует хлорное железо, что вызывает значительное усиление коррозии оборудования и трубопроводов. Осушку бензола обычно проводят путём азеотропной перегонки.

2 стадия – Хлорирование бензола. Процесс протекает по следующей реакции:

C₆H₆ + Cl₂C₆H₅Cl + HCl

^{хлорбензол}

Наряду с основной реакцией идут побочные реакции с образованием полихлоридов:

C₆H₆ + 2Cl₂ C₆H₄Cl₂ + 2HCl

C₆H₆ + 3Cl₂ C₆H₃Cl₃ + 3HCl и др.

Процесс хлорирования протекает по цепному–ионному механизму в три стадии на катализаторе FeCl₃.

1. Зарождение цепи:

FeCl₃ + Cl₂ FeCl₄^– + Cl⁺

2. Развитие цепи:

С₆H₆ +Cl⁺ C₆H₅Cl + H⁺

3. Обрыв цепи:

FeCl₄^– + H⁺ FeCl₃ + HCl

Мольное соотношение бензола и хлора поддерживают, равным 3,5 ÷ 1:1, а содержание хлорбензола примерно равно 40%. Процесс хлорирования идёт при температуре 75–83⁰С. На 1т образовавшегося хлорбензола берётся 1,5т бензола на испарение и избыточное количество бензола с таким расчётом, чтобы в продуктах реакции оставалось до 65% не прореагировавшего бензола. Процесс хлорирования бензола осуществляется в хлораторе (аппарат колонного типа, изнутри футерован кислотоупорными плитками, верхняя часть расширена и служит брызгоуловителем). Хлоратор наполнен керамическими кольцами и стальной стружкой. Через насадку пропускают хлор, при этом образуется FeCl₃, который является катализатором. Затем в нижнюю часть хлоратора подаётся бензол и хлор. Образующийся при хлорировании бензола хлористый водород вместе с парами бензола, хлорбензола, остатками влаги и газообразными примесями, содержащимися в хлоре, отводят в самой верхней части хлоратора. Из отходящих газов выделяют бензол, для чего их подвергают двухступенчатому охлаждению. В первой ступени газы охлаждают до 30⁰С, при этом конденсируется около 90% содержащегося в них бензола. Во второй ступени при –2⁰С из газов дополнительно выделяется более 9% бензола. Из расширенной части хлоратора непрерывно отбирают жидкие продукты реакции – смесь хлорбензола, бензола, полихлоридов, хлорного железа, хлористого водорода, растворённого в жидкости и др.

3 стадия – Выделение хлорбензола из продуктов реакции методом ректификации в двухколонном ректификационном агрегате. В первой ректификационной колонне отделяется бензол от продуктов реакции. Температуру колонны поддерживают в пределах 113–141⁰С в кубовой части и 75–81⁰С – в верхней части, колонна работает под атмосферным давлением. Дистиллят, отгоняемый из колонны, содержит 99,5% бензола и 0,5% хлорбензола. Из кубовой части колонны непрерывно вытекает хлорбензол–сырец, содержащий 0,15–0,25% бензола и 3,5–4,5% полихлоридов. Во второй ректификационной колонне отгоняют товарный хлорбензол от полихлоридов. В верхней части колонны поддерживается остаточное давление 200 мм рт. ст., что позволяет применять для обогрева кипятильника пар низкого давления. Получаемый хлорбензол содержит 0,3–1,1% полихлоридов и около 0,3% бензола. В смеси полихлоридов, вытекающей из куба, содержание хлорбензола обычно не превышает 10%.¹

4 стадия – Очистка хлорида водорода от бензола. Из хлористого водорода, образующегося при хлорировании бензола, получают соляную кислоту. Его можно также применять и для окислительного хлорирования бензола в хлорбензол:

С₆H₆ + HCl + 0,5O₂ C₆H₅Cl + H₂O

^{хлорбензол}