微反應(yīng)器在硝化反應(yīng)中的應(yīng)用

原 磊

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

1 微反應(yīng)器的概述

微反應(yīng)器是一種依托于微加工技術(shù)集混合、換熱、反應(yīng)、分離操作單元為一體的管道反應(yīng)器，水力學(xué)直徑在1μm-1mm范圍內(nèi)。與釜型反應(yīng)器相比，表現(xiàn)下列特征：1）微米級管道，使理想流體呈獨(dú)特的流體力學(xué)性質(zhì)；2）管道比表面積是 104～106m2/m3，傳熱系數(shù)約為 25 000W/(m2·K)，傳熱傳質(zhì)的效率得到大幅度升高，促進(jìn)物料均勻分散，由于體系溫度分布較為集中，不利于產(chǎn)生副反應(yīng)的“熱點(diǎn)”。3）反應(yīng)器的體積較小，節(jié)約了生產(chǎn)成本。4）可連續(xù)化制備，生產(chǎn)效率迅速提高。5）無放大效應(yīng)，生產(chǎn)中無需變換原參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量調(diào)整，縮短周期，達(dá)到柔性生產(chǎn)的目標(biāo)。6）能夠在高溫、強(qiáng)光照、高壓條件下反應(yīng)，衍生新的合成手段。所以，微反應(yīng)器在硝化反應(yīng)中的應(yīng)用，在強(qiáng)放熱反應(yīng)中傳質(zhì)傳熱效率高、持液量小、安全性能好、生成的酸性廢水少、工藝環(huán)保，周期短、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，且無放大效應(yīng)。

2 微反應(yīng)器中的幾種常見的硝化反應(yīng)

2.1 以芳香族化合物作為底物

1）以芳香環(huán)化合物為底物的硝化反應(yīng)

相關(guān)專家在開展水楊酸 (la)的硝化實(shí)驗(yàn)（如圖1）中了解到[1]，采用以往的硝化手段，既生成了一硝基化合物，又生成了二硝基化合物。然而，若采用SS316管式微反應(yīng)設(shè)備，幾乎未生成二硝基化合物，增強(qiáng)了目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。而且，通過增加反應(yīng)溫度或硝化劑的方式，也能夠使硝基化合物 (1b)的選擇性提高，具體產(chǎn)率從釜型的40%，上升至60%。SS316管式微反應(yīng)設(shè)備，為金屬材質(zhì)，具有較好的導(dǎo)熱性，傳熱效率、原料的轉(zhuǎn)化率均有所提高。

圖1 水楊酸的硝化反應(yīng)

鄰硝基苯甲醛 (2b)通常直接硝化苯甲醛(2a)，但因受到空間位阻、鄰位碳原子親核性差的影響，引發(fā)鄰位化合物2b物質(zhì)量比偏低。這可能與間位產(chǎn)物2c采用熱力學(xué)控制有關(guān)，但鄰位產(chǎn)物為動力學(xué)控制，其中的濃度受到溶解性影響產(chǎn)生局限性。采用履帶型微混合設(shè)備，加大兩相的接觸面積，然后，適量地上調(diào)硝化劑的硝酸含量、增加反應(yīng)溫度等，以此提升鄰位化合物的物質(zhì)量比（最低鄰間比1∶2.8)。還可有效地選擇混合器，壓縮反應(yīng)的保留時間。

有的研究人員在微反應(yīng)器里也做到了二甲戊樂靈的合成，運(yùn)用一步硝化的方式，以1，2-氯乙烷為溶劑，反應(yīng)溫度60℃，保留時間只需0.8s，達(dá)到100%的原料轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)的選擇性也在97%左右，化合物3d和3e(亞硝基的取代物)其物質(zhì)量比：4.2∶1。而別的N-烷基取代的苯胺衍生物，能夠在未添加溶劑，且保留時間低于2s的狀態(tài)下，安全、有效地合成目標(biāo)產(chǎn)物。

2）以芳雜環(huán)化合物作為底物

研究人員[2]通過微反應(yīng)器對吡啶類化合物(5b)的硝化合成情況進(jìn)行研究。在釜型硝化反應(yīng)中，絕熱溫度升高到76℃，目標(biāo)產(chǎn)物5b在溫度80℃的條件下 (有發(fā)煙的硝酸)則會分解，反應(yīng)熱無法隨時排出，體系里易于產(chǎn)生“熱點(diǎn)”等安全隱患。然而，通過微反應(yīng)器，能夠控制反應(yīng)體系的溫度，使其始終低于1.8℃，抑制了副反應(yīng)的發(fā)生，已成功進(jìn)行10、100 kg的連續(xù)流實(shí)驗(yàn)，其產(chǎn)品的純度較高為99.7%，產(chǎn)率約50%，或許與控制流動速度不穩(wěn)定有關(guān)。對此，可用N2壓力裝載取代用泵運(yùn)輸?shù)氖侄我苑€(wěn)定地控制流速。

相關(guān)人員在微反應(yīng)器里對吡唑類化合物的硝化反應(yīng)展開了研究（如圖2），對背壓閥裝置加以設(shè)計(jì)，以防壓力劇烈變化導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生爆炸。可對反應(yīng)溫度進(jìn)行控制，遏制二硝化衍生物的生成。添加微混合器的數(shù)量，能夠使反應(yīng)時間延長，使目標(biāo)產(chǎn)物的含量增多，一硝基化合物8b與8d的產(chǎn)率依次為88%、91%。

圖2 吡唑類化合物的硝化反應(yīng)

有學(xué)者在展開N2O5硝化烷基苯與鹵代苯的實(shí)驗(yàn)中，得到這樣的結(jié)論：原料的轉(zhuǎn)化率均較大，前者高達(dá)80%，后者也在60%以上，而硝化反應(yīng)時間僅需釜型反應(yīng)1%，極大地提升了硝化反應(yīng)的效率與選擇性。

2.2 以脂肪族化合物作為底物

1）以脂肪醇化合物為底物的硝化反應(yīng)

相關(guān)人員[3]對微反應(yīng)器中異辛醇混酸的硝化反應(yīng)（如圖3）所需條件進(jìn)行研究。一般狀況下，異辛醇的硝化溫度不超過15℃，而通過微反應(yīng)器展開硝化反應(yīng)，溫度可控制在25～40℃內(nèi)，且無副反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%。因?yàn)槲⒎磻?yīng)器的傳熱效率較高，使得反應(yīng)溫度可總體呈恒定狀態(tài)，防止局部過熱，阻止發(fā)生副反應(yīng)，在溫度極高的條件下也能確保硝化反應(yīng)的安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西安某集團(tuán)已啟動了配套性的微反應(yīng)硝化平臺，每年可連續(xù)制備4000t的硝酸異辛酯。

研究人員用大連化物提供的芯片型微反應(yīng)器，依據(jù)4∶1物質(zhì)量比的硝硫混酸，分別處理二乙二醇、三乙二醇，由于芯片太小，保留時間僅取半小時，獲得產(chǎn)物l0b與l0d的產(chǎn)率依次為86.5%、90.5%，發(fā)現(xiàn)硝酸酯的產(chǎn)率會發(fā)生變化，伴隨液相空速的下降而提升，若硝酸和醇的物質(zhì)量比很大，反應(yīng)相對完全，需要時間縮短，而硝酸酯的產(chǎn)率不會發(fā)生較大波動。

圖3 異辛醇的硝化反應(yīng)

有關(guān)專家通過微反應(yīng)器，成功地合成了硝化甘油、1，2，4-丁三醇三硝酸酷等化合物。據(jù)調(diào)查了解到：西安市某化工企業(yè)工作人員采用微反應(yīng)器裝置，展開了硝化甘油的持續(xù)合成實(shí)驗(yàn)，最終年產(chǎn)量可達(dá)到130t，而且，反應(yīng)過程具體良好的安全性，反應(yīng)時間較短，可控性強(qiáng)，完全能夠做到自動化生產(chǎn)，且產(chǎn)品的質(zhì)量良好，不僅純度高、選擇性好，而且廢水處理立效果好，滿足國家對化工企業(yè)的環(huán)保要求。

2）以含氮脂肪族化合物為底物

早在2010年德國ICT研究院通過微化工反應(yīng)技術(shù)，有效地合成了新式含能增塑劑DNDA57（主要包括三種二硝化合物，分別為DNDA5、DNDA6、DNDA7），而且，借助遠(yuǎn)程控制的微反應(yīng)器，制備了千克級的含能材料，成功建設(shè)了以玻璃微反應(yīng)器為主導(dǎo)的遠(yuǎn)程控制、全自動微反應(yīng)的化工車間，有效地合成了硝酸酯等含能材料，具有良好的安全性，且后期純化較好，生產(chǎn)效率較高，能夠達(dá)到150g/min。相關(guān)研究人員利用康寧G1式微反應(yīng)器，合成了硝基肌 (11b)，選擇硫酸胍的硫酸液體代替了易于爆炸的硝酸胍為原料，連續(xù)制備了硝基胍物質(zhì)。

3 結(jié)語

微反應(yīng)器的產(chǎn)生與投入使用，極大地推動了現(xiàn)代制藥、化工行業(yè)的發(fā)展，微反應(yīng)器在混合控制、熱穩(wěn)定性控制方面表現(xiàn)良好的性能。在催化、低容積優(yōu)化方面發(fā)揮低成本、安全、環(huán)保等特征，相比間歇式的操作模式具有較大的優(yōu)勢。在未來的新工業(yè)時代背景下，微反應(yīng)器還會向著更加微型化、智能化、信息化、安全化、連續(xù)化方向發(fā)展，微反應(yīng)器在硝化反應(yīng)中的應(yīng)用范圍及優(yōu)越性會日益突出。