工業生產格氏試劑危險分析與控制措施

金軍江 丁春燕 王鋒(浙江醫藥股份有限公司新昌制藥廠 浙江 新昌312500)

格氏反應(Grignard反應)是有機化學中用途最廣泛的反應之一，即利用有機鎂試劑(Grignard試劑，格氏試劑)與醛、酮反應，然后水解制備醇的反應，該反應過程中最重要的環節即格氏試劑的制備。

由鹵代烴與鎂在醚類溶劑中直接反應，是制備格氏試劑的最廣泛的方法：

以異戊醛為原料通過格氏法合成異植物醇生產過程中大量用到格氏試劑氯乙烯鎂，下面以工業生產氯乙烯鎂為例探討生產過程各個環節存在的主要危險及宜采用的控制措施、注意事項。

一、氯乙烯鎂制備工藝過程簡單描述

將四氫呋喃(含套用四氫呋喃)、鎂粒(鎂屑)、投入已有母液(氯乙烯鎂四氫呋喃溶液，作為反應的引發劑)的反應釜，并一次性加入氯乙烯(VCM)配比投料量的10-20%，加畢，關閉氯乙烯滴加閥門，用蒸汽將混合物升溫到55-65℃后關蒸汽，排盡蒸汽，判斷開始反應(工業上一般稱為引發反應成功)后迅速通入冷卻水，控制反應溫度為：60-70℃，在一定時間內滴加入剩余VCM，滴加完畢繼續反應90分鐘，控制溫度在60-70℃，使反應完全，保溫反應畢，開啟冷卻水將釜溫冷至45℃以下并靜止10分鐘以上，使未反應完全的鎂粉得以沉淀。 沉淀后格氏試劑轉料去進行格氏反應，反應完畢回收溶劑四氫呋喃，并套用至格氏試劑的制備，回收四氫呋喃中含有一定量的氯乙烯。

二、試劑制備各環節主要危險及控制措施

格氏試劑制備過程用到的反應物、溶劑均為易燃、易爆或有毒物料，危險性較大，同時反應過程放熱劇烈，而產物格氏試劑本身又極為活潑，能與水、氧氣、二氧化碳反應并放熱，過程要求無水、密閉、隔絕空氣，一旦反應條件失控，極易導致超溫超壓泄爆，發生火災、爆炸、人員中毒、環境污染等事故。

1.氯乙烯的使用：氯乙烯常溫常壓下為氣體，無色有毒，比空氣重，容易在地溝處沉積，可以與空氣中氧形成具有爆炸危險性的過氧化物，閃點低(-78℃)、空氣中爆炸極限4-22%，容易導致爆炸、中毒等事故，儲存使用過程要嚴防泄漏。氯乙烯一般情況下帶壓儲存，為液體，當泄漏時汽化吸熱，泄漏點會產生白霜，相對比較容易發現。主要控制措施包括：高點設置可燃和有毒氣體檢測報警裝置，定時定點巡查，管道連接盡量焊接，法蘭墊片宜選用金屬纏繞墊。

2.套用四氫呋喃的使用：工業生產中使用的四氫呋喃均為循環套用，后續工序將四氫呋喃回收后再送至格氏試劑崗位使用，使用時有兩個問題需要注意：

(1)四氫呋喃含水：如果因為夾套、內盤管、冷凝器等故障導致四氫呋喃帶水，投料時其中水分將與反應釜內母液劇烈反應放熱，釜內溫度、壓力急劇上升，反應釜泄爆甚至爆炸；要解決此安全風險，一方面需要加大套用四氫呋喃含水量的監控，另一方面需要加強投料過程中釜內溫度變化的監控，因四氫呋喃一般是使用冷凍鹽水冷卻回收，溫度比較低，投入反應釜后正常情況下釜內溫度會下降，如果發現溫度有上升趨勢，則說明四氫呋喃內很可能含水，應立即停止投料，查明原因后再決定是否繼續操作。為防止系統進水，特別要注意設備泄漏尤其是內盤管、冷凝器的泄漏，必須把好設備制造關和年度監測關，包括材料選用、焊接工藝和質量等，從嚴要求。

(2)四氫呋喃含氯乙烯：后續溶劑回收崗位二三級冷阱會使用深冷冷凝，冷凝下來的四氫呋喃也要套用至格氏試劑制備崗位，該四氫呋喃內含有一定含量的氯乙烯，使用時必須考慮在配料時減去這一部分氯乙烯，否則引發反應過程可能相當劇烈，溫度、壓力難以控制，導致反應釜泄爆甚至爆炸；要解決此安全風險，一方面需要加大套用四氫呋喃中氯乙烯含量的監控，及時調整氯乙烯投料量，另一方面反應系統最好配備溫度、壓力報警裝置及壓力與放空系統的連鎖裝置。必要時主動放空泄壓。

3.物料的初始反應引發：工業上間歇反應裝置生產格氏試劑，存在一個引發反應的過程，引發是否順利一般取決于四氫呋喃含量、母液(引發劑)質量及數量、引發前加入氯乙烯的量(包括四氫呋喃中溶解的以及從滴加槽一次性加入的)等因素，大多數情況下會比較順利，大約幾分鐘后反應釜內溫度會迅速上升，這時候只要及時通入冷卻水，控制溫度在合理范圍內，繼續將剩余氯乙烯滴加完即可。但如果引發過程不順利，就可能帶來較大安全風險。如引發過程超過1小時，一般認為引發反應已經失敗，這時候嚴禁通過補加氯乙烯的方式來繼續嘗試引發，因為這樣如果引發成功，因反應釜內氯乙烯較多，很容易導致反應劇烈，短時間內溫度、壓力迅速上升，造成反應釜泄爆、爆炸等安全事故及后續安全環保事故；可以通過將反應釜內溫度適當提高，繼續保溫一段時間，嘗試是否有引發可能，如保溫30分鐘無引發跡象，不宜再嘗試引發，按照正常程序冷卻、靜止進行下一步處理。

4.未引發成功物料的處理：未引發的物料中存在大量四氫呋喃，少量格氏試劑，不可直接通過加熱方式回收其中的四氫呋喃，因為格氏試劑在溶液中不是簡單的CH2CHMg Cl，而是與溶劑形成類似四元環的穩定結構，一旦溶劑回收出來后，格氏試劑將極不穩定，很可能導致爆炸；需要先用適量后續格氏反應使用的醛或酮將其中的格氏試劑反應掉，再用常規的方法回收其中的溶劑。

5.反應過程停電或反應釜減速機故障：反應過程中如果發生停電或減速機異常停機，必須立即關閉氯乙烯滴加閥門，如果繼續滴加，導致釜內大量氯乙烯積聚，供電恢復正常重新開機時，釜內溫度、壓力很可能急劇上升，帶來安全風險，所以試劑制備反應釜最好配備電動機運轉狀態與氯乙烯滴加閥門之間的連鎖控制系統，如果沒有此連鎖系統，則重新開機時必須采用點動啟動的方式，觀察釜內溫度、壓力變化，如果壓力沒有明顯升高跡象時，再正常開啟攪拌繼續反應。

6.反應過程的溫度控制：反應釜內的壓力主要是四氫呋喃、氯乙烯汽化引起，當溫度升高時壓力會上升，所以從安全角度考慮也要控制溫度在適當范圍；溫度控制主要通過兩個途徑，一個是控制氯乙烯滴加速度，另一個是調整冷卻水閥門開啟度；如果反應過程中冷量不足或冷卻水系統出現故障，就會造成釜內溫度、壓力無法控制，所以在設計階段就要考慮好兩方面問題，一是反應釜冷卻面積必須足夠大，夾套面積不足時需要設置冷卻面積足夠的內盤管，二是冷卻水宜采用雙路供水，一路冷卻水故障時立即轉至備用冷卻水系統。

三、總結和展望

格氏試劑的制備雖然不屬于重點監管的十八種危險化工工藝，但其危險性完全可比對十八種危險化工工藝，況且格氏反應本身是烷基化反應，屬于重點監管危險化工工藝，實際生產中宜將試劑的制備列入危險化工工藝管理，參考烷基化反應重點監控內容(釜內溫度和壓力、攪拌速率、物料的流量及配比等)及其安全控制的基本要求、宜采用的控制方式，設置反應物料的緊急切斷系統、緊急冷卻系統、安全泄放系統等，將反應溫度和壓力與釜內攪拌、物料流量、反應釜夾套冷卻水進水閥形成聯鎖關系，當反應釜內溫度超標或攪拌系統發生故障時自動停止加料并緊急停車。

因為是間隙反應，試劑的引發判斷帶有一定的經驗性，每一次引發都是對安全生產的挑戰，對大噸位的生產來說，連續生產是方向和選擇，而要做到連續生產，必須解決密閉設備的固體連續進料問題，目前尚沒有穩定可靠設備能做到這一點。對現有間隙生產系統來說，尋找合適的在線反應分析儀、回收溶劑在線分析儀，監測判斷反應情況、溶劑含水量，將提升系統可靠性和安全性。

[1]黃培強，靳立人，陳安齊．有機合成．北京：高等教育出版社，2004：59.

[2]高鴻賓.有機化學.第四版.北京:高等教育出版社，2004.245～248.

[3]俞凌羽中.有機化學中的人名反應.北京:科學出版社,1984.402～404.

[4]國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知.安監總管三〔2009〕116號.