基于微通道反應器的芳香化合物硝化反應的研究

楊文君，于澤民

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

對硝基乙酰苯胺是一種廣泛應用在工業生產中的芳香化合物，目前常用的制備方法是釜式反應器硝化，但在實際應用中發現釜式反應器存在著反應容器體積大、比表面積小等不足，導致在進行硝化反應時存在著放熱量大、浪費嚴重、效率低的不足，嚴重影響了對硝基乙酰苯胺的制備經濟性。

微通道反應器是一種高精密性的反應容器，具有比面積大、傳熱效率高的優點，本文以合成對硝基乙酰苯胺為研究對象，以微通道反應器為反應容器，對不同反應參數下的對硝基乙酰苯胺的硝化反應過程進行了分析。結果表明，采用微通道反應器，具有比傳統釜式反應器更好的反應效果，當反應溫度為25 ℃，反應時間為50 s 時，對硝基乙酰苯胺的合成率為98.9%，其純度為99.3%，具有更高的合成經濟性。

1 硝化試驗分析

1.1 試驗前準備

為了保證試驗的準確性，在對反應試劑和試驗儀器進行選擇時，均選擇制備時間在3 d 以內的試劑，包括純度超過97.5%的濃硝酸、超過97%的濃硫酸及質量分數超過98%的乙酰苯胺溶液。各類試驗儀器均選用精度高、可靠性好的設備，包括了GL124 型精密天平，MP1010C 精密計量泵、真空干燥箱、高效液相色譜儀等[1]。

微通道反應器采用了CS1010 型[2]，其主要包括了料罐、反應器主體、微型輸送泵、恒溫裝置等，該反應器的管徑內壁為1 mm，總液量約為15 mL。

1.2 反應原理分析

在環境溫度低于10 ℃的情況下，取5 mL 乙酰苯胺溶液加入到10 mL 的濃硫酸溶液中，混合均勻后儲存在A 料罐內，同時把濃硝酸儲存在B 料罐中。在進行反應時微通道反應系統中的微型輸送泵啟動[3]，將A料罐和B 料罐內的試劑按設定好的比例加入到微通道反應器中進行停留反應，最后再經過冰浴淬滅反應后進行過濾、干燥、稱重、檢測，獲取最終的樣本。基于微通道反應器的硝化反應原理如圖1 所示[4]。

以微通道反應器為基礎，進行對硝基乙酰苯胺連續反應，反應流程如圖2 所示[5]。

圖2 基于微通道反應器的硝化反應流程圖

2 不同配比對反應效果影響的研究

根據前期研究情況，在硝酸和硫酸質量比為1∶2，反應溫度為30 ℃、反應時間為30 s 的情況下，研究乙酰苯胺和硝酸的配比對實際反應結果的影響，如圖3所示。

圖3 不同反應配比對反應結果的影響

對反應結果分析可知，當乙酰苯胺和硝酸的物質的量的比為1.15時具有最佳的反應效果，此時的反應率達到了83.9%，對硝基乙酰苯胺的純度也達到了96.4%。當兩者的混合比低于1.15的情況下，由于硝酸根離子濃度不足，因此會導致整個反應過程效率低下，而且會存在反應不完全的情況。當兩者的混合比大于1.15時又會導致硝酸根離子的濃度過大[6]，使反應時產生過量的硝基副產物，影響最終提取的對硝基乙酰苯胺純度，難以滿足樣本的制備需求。

3 反應溫度對反應時間的影響

根據研究，在n（乙酰苯胺）∶n（硝酸）∶n（硫酸）=1∶1.15∶1.3，反應時間為30 s 的條件下，對不同反應溫度下的實際反應效果進行研究，結果如圖4 所示。

圖4 不同溫度下反應效果對比

由實際驗證可知，當系統工作時的溫度低于25 ℃的情況下整個硝化過程的反應速率相對較慢，而且對硝基乙酰苯胺的收率會比較低；當反應溫度過高時會導致生產過多的硝基乙酰苯胺，降低對硝基乙酰苯胺的純度，因此系統反應的最佳溫度設定為25 ℃。

在反應過程中對系統中的溫度穩定性要求較高，而微通道反應器具有極強的熱傳導效率[7]，因此能夠有效防止傳統釜式反應器所存在的溫度分布不均勻問題[8]，提高反應的穩定性和可靠性。

4 反應時間對結果影響

在n（乙酰苯胺）∶n（硝酸）∶n（硫酸）=1∶1.15∶1.3，反應溫度為25 ℃的條件下，對不同反應時間下的實際反應效果進行研究，結果如圖5 所示。

圖5 不同反應時間下反應效果對比

由實際驗證結果可知，在微通道反應器內的反應時間越長，對硝基乙酰苯胺的純度和收率就越高，當反應實際超過51 s 以后，對硝基乙酰苯胺的純度和收率基本保持恒定，而反應實際時間越長，對硝基乙酰苯胺的生產效率和經濟性就越低，因此綜合評估后，將反應時間設定為51 s，此時系統的最大收率為98.9%，系統的最大純度為99.3%。

5 應用情況分析

目前該基于微通道反應器的硝化反應技術已經投入使用，其與傳統釜式反應對比如表1 所示。

表1 不同硝化反應對比匯總表

由實際對比分析結果可知，采用新的基于微通道的硝化反應技術，不僅能夠顯著縮短反應時間，而且能夠極大地提升對硝基乙酰苯胺的收率和純度，對提升工廠的應用經濟性具有十分重要的意義。

6 結論

針對傳統釜式反應器進行硝化反應時放熱量大、浪費嚴重、效率低的不足，提出了一種基于微通道反應器的硝化反應技術，以對硝基乙酰苯胺為研究對象，對其硝化過程進行了分析，結果表明：

1）微通道反應器具有極強的熱傳導效率，能夠有效防止傳統釜式反應器所存在的溫度分布不均勻問題，提高反應的穩定性和可靠性；

2）新的基于微通道反應器的硝化反應工藝，當反應溫度為25 ℃，反應時間為50 s 時，對硝基乙酰苯胺的合成率為98.9%，其純度為99.3%，全面優于傳統釜式反應硝化工藝。