纯苯上市系列专题（一）：芳烃与纯苯的基础知识概述

国联期货研究所研究所交易咨询业务资格编号证监许可[2011]1773号分析师：林菁从业资格证号：F03109650投资咨询号：Z0018461联系人：丁家吉从业资格证号：F03117223相关研究报告：《 纯 苯 上 市 系 列 专 题（二）纯苯的上、下游产业链综述》《纯 苯 上 市 系 列 专 题（三）纯苯的供需平衡、贸易流与成本估值》《纯 苯 上 市 系 列 专 题（四）纯苯的现货贸易模式及期货期权合约介绍》芳烃的理化知识纯苯的生产工艺化、甲苯加氢脱甲基等。纯苯上市系列专题（一） 目录一、芳烃理化知识概述：....................................................................-4-1.1芳烃的理化性质....................................................................-4-1.2按取代反应、不同催化方式对芳烃分类................................................-5-1.3傅-克烷基化反应＆甲苯歧化反应.....................................................-7-二、纯苯基础知识介绍：....................................................................-7-2.1定义..............................................................................-7-2.2运输与贮运方式....................................................................-8-2.3纯苯的生产工艺....................................................................-9- -2-请阅读正文之后的免责声明部分融通社会财富·创造多元价值 图表目录图1：凯库勒式（左）、鲍林式（右）............................................................-5-图2：苯环的低共轭能实验......................................................................-5-图3：单取代反应产物..........................................................................-6-图4：二取代反应产物..........................................................................-6-图5：三取代反应产物..........................................................................-6-图6：二联苯..................................................................................-6-图7：芳烃稠环................................................................................-6-图8：苯与溴乙烷生成乙苯和溴化氢的方程式......................................................-7-图9：甲苯歧化反应方程式......................................................................-7-图10：纯苯产品图示...........................................................................-8-图11：国内纯苯生产工艺示意图.................................................................-9-图12：石脑油催化重整制取芳烃工艺流程图......................................................-10-图13：乙烯裂解工艺流程图....................................................................-11-图14：甲苯歧化工艺流程图....................................................................-12-图15：加氢苯生产工艺流程图..................................................................-12-表1：芳烃系的物理属性表......................................................................-5- -3-请阅读正文之后的免责声明部分融通社会财富·创造多元价值 融通社会财富·创造多元价值一、芳烃理化知识概述：1.1芳烃的理化性质芳烃一般指带有苯环结构的化合物，具有芳香性，芳烃系化合物又称“芳香族”。苯环的结构表达式最早是由凯库勒在1865年提出的“凯库勒式”——C6碳分子连接六个氢分子组成平面六边形结构。凯库勒认为苯环中存在三个双键交替排列，它们来回不停地移动，该观点无法证明苯分子的稳定性。凯库勒式也无法解释“苯环既然有双键，为什么无法发生加成反应？”的问题。苯环另一种学术界常用的结构表达式是鲍林式。鲍林式由罗宾逊爵士提出，用内部带有一个圆圈的正六边形来表示苯，圆圈强调了6个π电子的离域作用和电子云的均匀分布，说明了碳碳双键键长的均等性和苯环的完全对称性。苯环的离域大π键（碳碳双键）键长约0.139nm，长度处于单键和双键之间，说明苯环较为稳定。此外，学术界通过共振论和分子轨道理论解释了苯环稳定的结构使其能量较低，难于氧化和加成，且易于发生亲电取代反应。苯环的碳碳双键是不饱和键，在六个碳氢分子上利于产生空位，方便取代基通过电子引力连接苯环。该特性使得苯化合物在原油炼化工程中能够通过取代基定位，生成甲苯、苯磺酸、硝基苯、氯苯等中间产品。关于苯环的芳香性——原本芳香性是指苯类化合物具有一股香精的气味，这是由于早期芳烃的提取源自于天然香树树脂和香精油。后来在共振论的出现后，苯环的芳香性有了新的定义，通俗地说——苯环具有稳定性，且无法发生亲电加成反应，只能发生亲电取代反应。芳香性的科学定义须符合以下三个特点，电子应可以在整个环状体系中离域，并使得体系的电子能大幅度降低，化合物明显变得比其它非环系、开链的共扼烯烃更加稳定。（1）含有共扼双键的环系结构。（2）在环上的每一个原子均有未杂化的p轨道。（3）这些未杂化的p轨道必须形成一个连续的、重叠的、平行轨道的环系。在多数情况下，其结构应该为平面的。 -4-请阅读正文之后的免责声明部分H6，由六个 来源：国联期货研究所，《基础有机化学》第四版苯环芳烃的物理性质有：非极性、不溶于水，但溶于有机溶剂，如乙醚、四氯化碳、石油醚等非极性溶剂。一般芳烃均比水轻，沸点随相对分子质量升高而升高。熔点除与相对分子质量有关外，还与其结构有关，通常对位异构体由于分子对称，熔点较高。沸点（℃）相对密度（g/cm3）0.8790.8660.8810.8640.8610.8661.0411.3421(d10)1.014(d90)0.90740.9625(100℃)1.283(25℃)来源：国联期货研究所，《基础有机化学》第四版苯环具有亲电取代的特性，亲电取代即指苯环上的氢原子被亲电试剂取代，常见的取代有硝化、卤化、磺化、烷基化和酰基化反应等。利用苯环上的取代反应可以制备品种繁多的芳香衍生物，从我们日常使用的药物到各类日常生活用品，如阿司匹林、苯乙烯、环己酮、TDI、PTA等化合物，其结构均含有单取代反应的衍生物主要有甲苯、硝基苯、异丙苯、氯苯、烷基苯和苯磺酸等，其中重要的工业原料甲苯由纯苯和一氯甲烷进行烷基化反应后生成，在实际生产中既可以用于调和汽油，又可用于化工生产，利用率较高。苯乙烯的原料乙苯，是通过纯苯和乙 -5-请阅读正文之后的免责声明部分融通社会财富·创造多元价值表1：芳烃系的物理属性表化合物熔点（℃）苯5.580甲苯-95111邻二甲苯-25144间二甲苯-48139对二甲苯13138乙苯-95136联苯70255二苯甲烷26263三苯甲烷93360苯乙烯-31145萘80.2218蒽2183421.2按取代反应、不同催化方式对芳烃分类单取代、双取代或多取代的苯环。 融通社会财富·创造多元价值烯进行烷基化反应后生成。二取代的衍生物主要有对二甲苯、邻二甲苯和间二甲苯等。对二甲苯是用于生产PTA的主要原料，同时二甲苯也是调油“工具”。三取代的衍生物主要有连三甲苯、均三甲苯和偏三甲苯等。一般三甲苯用作化学试剂、稳定剂等较多。图3：单取代反应产物多环苯基化合物可以分为多苯代烷烃和联苯两类。联苯最简单的结构是二联苯，每个苯环都保持了苯的结构特性，邻位两个氢原子的相互作用，两个苯环不出现在同一平面上。稠环芳烃是指由两个或多个苯环并接在一起的芳香化合物。在稠环芳烃结构中，多个苯环共享了两个或多个碳原子。这些化合物大多仍具有芳香性。多环芳烃中联苯用作化工过程的热载体。稠环芳烃中萘是制造染料和增塑剂的重要原料，其他稠环在工业上无生产和使用价值，一般是生产过程中形成的副产物随废气排放。21世纪以来，有多达16种多环芳烃因其致癌性，被欧美禁止使用。 -6-请阅读正文之后的免责声明部分图4：二取代反应产物来源：国联期货研究所图5：三取代反应产物来源：国联期货研究所图7：芳烃稠环来源：国联期货研究所 融通社会财富·创造多元价值1.3傅-克烷基化反应＆甲苯歧化反应傅-克烷基化反应的机理是，在催化剂（常用Lewis酸）的作用下产生的烷基碳正离子作为亲电试剂被苯环进攻，形成新的碳正离子，然后失去一个质子生成烷基苯。以苯的乙基化为例，除乙苯外，还生成二乙苯和三乙苯等。因为傅-克烷基化反应是可逆反应，如果加入过量的苯，则可以提高乙苯的产率，抑制多乙苯的生成。乙苯、异丙苯等重要工业中间体主要通过傅-克烷基化反应来制备。乙苯又是生产苯乙烯的核心原材料，异丙苯又是生产聚碳酸酯（PC塑料）的核心原材料。甲苯在催化剂（一般采用硅铝催化剂）作用下，使一个甲苯分子中的甲基转移到另一个甲苯分子上而生成一个苯分子和一个二甲苯分子，这种反应称作甲苯歧化反应（TDP）。一般应用在化工企业重整石脑油后得到的甲苯进一步歧化反应制混合二甲苯和纯苯（副产品），传统TDP工艺生成的混合二甲苯中，对二甲苯（PX）占比约25%。图8：苯与溴乙烷生成乙苯和溴化氢的方程式图9：甲苯歧化反应方程式二、纯苯基础知识介绍：2.1定义纯苯在常温下是一种无色、有甜味、有毒的透明液体，具有强烈的芳香气味。沸点为80.1℃， 液 体 密 度(20℃)为879.4 kg/m³， 气 体 密 度 为2.770 kg/m³， 燃 点为562.2℃，最大爆炸压力为9kg/cm²，最大爆炸压力的浓度为3.9%，最易引燃浓度为5%。纯苯不溶于水，溶于乙醇、乙醚等许多有机溶剂，水溶性约0.18g/100ml。纯苯是染料、塑料、合成橡胶、合成树脂、合成纤维、合成药物和农药等的重要原料，也是涂料、橡胶、胶水等的溶剂，在炼油工业中用作提高汽油辛烷值的掺合剂，也可以作为燃料。纯苯的直接下游是苯乙烯、