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    硝化反應在連續流微通道反應器中應用

    2024-03-14 14:42:33

    連續流硝化

    連續流硝化適用范圍

    自由基硝化反應通常高溫高壓,連續流微通道反應器可能適用于個(gè)別底物,單不具有普適性。

    底物有羥基、氨基等活性基團的硝化反應往往反應很劇烈適合連續流微通道反應器。

    芳香環(huán)化合物硝基化是最重要的一類(lèi)硝化反應。連續流微通道反應器適用性主要受到不同取代基引起的芳環(huán)活性影響。

    連續流硝化反應

    硝化反應是研究最多的有機反應之一。芳香族和脂肪族化合物都可以通過(guò)各種方法硝化,例如異裂(親電和親核)和自由基硝化。芳香族化合物硝化最常見(jiàn)的是親電,脂肪族是自由基。硝基芳香族化合物在塑料、藥物、染料、炸藥和殺蟲(chóng)劑的合成中作為中間體具有重要用途。硝基脂肪族化合物在有機合成中用作溶劑和合成子。最常見(jiàn)的硝化混合物是硝酸和硫酸的組合,眾多文獻中提供許多不同的方法。

    硝化反應(nitration),是向有機化合物分子中引入硝基(-NO2)的過(guò)程。硝基就是硝酸失去一個(gè)羥基形成的一價(jià)的基團。芳香族化合物硝化的反應機理為:硝酸的-OH基被質(zhì)子化,接著(zhù)被脫水劑脫去一分子的水形成硝酰正離子中間體,最后和苯環(huán)發(fā)生親電芳香取代反應,并脫去一分子的氫。

    硝化反應中芳香環(huán)的電子密度會(huì )決定硝化的反應速率,當芳香環(huán)的電子密度越高,反應速率就越快。由于硝基本身為一個(gè)親電體,所以當進(jìn)行一次硝化之后往往會(huì )因為芳香環(huán)電子密度下降而抑制第二次以后的硝化反應。必須要在更劇烈的反應條件(如高溫)或是更強的硝化劑下進(jìn)行。

    脫水劑:濃硫酸、冰醋酸、乙酐、五氧化二磷。

    硝化劑:硝酸、五氧化二氮。

    連續流硝化反應的主要方法

    硝化方法主要有:稀硝酸硝化、濃硝酸硝化、在濃硫酸中用硝酸硝化、在有機溶劑中用硝酸硝化和非均相混酸硝化等。

    連續流硝化反應的注意事項

    1.稀硝酸硝化一般用于含有強的第一類(lèi)定位基的芳香族化合物的硝化,反應在不銹鋼或搪瓷設備中進(jìn)行,硝酸約過(guò)量10~65%。

    2.濃硝酸硝化這種硝化往往要用過(guò)量很多倍的硝酸,過(guò)量的硝酸必需設法利用或回收,因而使它的實(shí)際應用受到限制。

    3.濃硫酸介質(zhì)中的均相硝化當被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應溫度下為固體時(shí),常常將被硝化物溶解于大量濃硫酸中,然后加入硫酸和硝酸的混合物進(jìn)行硝化。這種方法只需要使用過(guò)量很少的硝酸,一般產(chǎn)率較高,缺點(diǎn)是硫酸用量大。

    4.非均相混酸硝化當被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應溫度下都是液體時(shí),常常采用非均相混酸硝化的方法,通過(guò)強烈的攪拌,使有機相被分散到酸相中而完成硝化反應。

    5.有機溶劑中硝化這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采用不同的溶劑,常??梢愿淖兯玫降南趸悩嫯a(chǎn)物的比例,避免使用大量硫酸作溶劑,以及使用接近理論量的硝酸。常用的有機溶劑有乙酸、乙酸酐、二氯乙烷等。

    此外,混酸硝化法還具有以下特點(diǎn):

    (1)被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應溫度下是液態(tài)的,而且不溶于廢硫酸中,因此,硝化后可用分層法回收廢酸;

    (2)硝酸用量接近于理論量或過(guò)量不多,廢硫酸經(jīng)濃縮后可再用于配制混酸,即硫酸的消耗量很小;

    (3)混酸硝化是非均相過(guò)程,要求硝化反應器裝有良好的攪拌裝置,使酸相與有機相充分接觸;

    (4)混酸組成是影響硝化能力的重要因素,混酸的硝化能力用硫酸脫水值(DVS)或硝化活性因數(FNA)表示。DVS是混酸中的硝酸完全硝化生成水后,廢硫酸中硫酸和水的計算質(zhì)量比。FNA是混酸中硝酸完全硝化生成水后,廢酸中硫酸的計算質(zhì)量百分濃度。DVS高或FNA高表示硝化能力強。對于每個(gè)具體硝化過(guò)程,其混酸組成、DVS或FNA都要通過(guò)實(shí)驗來(lái)確定它們的適宜范圍。

    如今,硝化的主題仍然很受關(guān)注和活躍,化學(xué)家正在不斷研究更有效和選擇性的硝化方法。選擇性在硝化中可能是一個(gè)挑戰,因為通??赡軙?huì )產(chǎn)生不止一種化合物。但最終可能只需要一種目標產(chǎn)物,因此不需要產(chǎn)物會(huì )成為污染物或被浪費掉。 因此,需要設計具有合適選擇性的合成,例如通過(guò)控制反應條件。

    連續流技術(shù),尤其是 MICROFLU? 連續流微通道反應器,是優(yōu)化當前硝化工藝條件參數知識的工具之一。由于這種方法的優(yōu)點(diǎn),可以以簡(jiǎn)單和連續的方式管理耗時(shí)的酸混合物制備。停留時(shí)間的可靠控制使生產(chǎn)硝化產(chǎn)品比以前更有選擇性。采用微通道反應器后,整個(gè)反應工藝也可以切換成連續流生產(chǎn)工藝,再匹配連續化的后處理工藝,例如采用萃取塔、離心萃取機等連續分離設備,可以將整條生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度大大提高。


    連續流硝化反應

    硝化反應的產(chǎn)品種類(lèi)很多,其主要應用于醫藥、農藥、染料、顏料等。在軍事工業(yè)中主要作為火藥、推進(jìn)劑及含能材料。另外,可利用硝基的強極性,使芳環(huán)上其它取代基活化從而更容易發(fā)生化學(xué)反應。因其反應速度快,放熱量大,放熱量一般在150-300KJ/mol之間,硝化產(chǎn)物極不穩定,尤其多硝基化合物極易爆炸,給生產(chǎn)安全造成極大隱患。

    硝化反應是向芳環(huán)上引入硝基進(jìn)一步制備氨基化合物的一條重要途徑,進(jìn)而制備酚、氟化物等化合物。硝化反應放熱劇烈,反應快,控制不好會(huì )引起爆炸,因而熱量的移除是控制硝化反應的突出問(wèn)題之一。硝化反應要求保持適當的反應溫度,以避免生成多硝基物和氧化等副反應。為了保持一定的硝化溫度,通常要求硝化反應器具有良好的傳熱裝置。

    在芳環(huán)和雜環(huán)上引入硝基的目的主要有三個(gè)方面:

    1) 將引入的硝基轉化為其他的取代基,例如硝基還原,是制備芳伯胺的一條重要的合成路徑。

    2) 利用硝基的強吸電性使芳環(huán)上的其他取代基(特別是氯基)活化,易于發(fā)生親核置換反應。

    3) 利用硝基的特性,賦予精細化工產(chǎn)品的某種特性,例如染料的顏色加深,作為藥物、炸藥或溫和的氧化劑等。

    硝化反應特點(diǎn):速度快、放熱量大、原料本身燃爆危險性、產(chǎn)物或副產(chǎn)物的爆炸危險性。

    連續流微通道反應器在硝化反應中優(yōu)勢:精確溫度控制、縮短反應時(shí)間、提高轉化率和選擇性。與傳統化學(xué)工業(yè)技術(shù)相比,能夠實(shí)現更環(huán)保而且占地面積非常小,同時(shí)又能合理利用資源不會(huì )造成能耗高。微通道反應器是利用精密加工技術(shù)制造的特征尺寸在幾十微米到幾毫米之間的連續反應器,其內部特殊的通道結構可以大幅強化傳質(zhì)效果,為硝化反應的精確、穩定、安全進(jìn)行提供了可行的解決方案。由于硝化危險性大,建議采用本質(zhì)安全的微通道反應技術(shù),可以從源頭解決安全問(wèn)題,真正做到“本質(zhì)安全”。

    一、與傳統的釜式生產(chǎn)工藝相比,對于危險工藝-硝化反應,使用連續流反應器可以實(shí)現本質(zhì)安全,優(yōu)勢明顯。

    (1) 安全性能顯著(zhù)提高:持液量低、反應停留時(shí)間短,爆炸性混合物產(chǎn)生的概率也大幅度降低。

    a. 總持液量低。連續流微通道反應器,整體設備的持液量不到10L,針對硝化原料、產(chǎn)物、硝化劑等危險化學(xué)品的危險性而言,因其總用料量大幅減小,所以與傳統間歇釜對比而言其安全性顯著(zhù)提高。

    b.自控程度高。在實(shí)現自動(dòng)控制的基礎上,設有流量、壓力、溫度的檢測及控制,同時(shí)設置超壓、超溫安全聯(lián)鎖。嚴格控制工藝參數,避免手動(dòng)操作的不安全隱患,降低勞動(dòng)強度、改善作業(yè)環(huán)境,而且能更好的實(shí)現高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、長(cháng)周期的安全運行。

    c.換熱效率高。連續流微通道反應器利用精密加工技術(shù)制造特征尺寸在幾十微米到幾毫米之間,借助擴散與結構設計形成的局部渦流碰撞,增加兩相接觸面積,使得流體充分接觸、混合、傳質(zhì),提高反應效率,針對強放熱的反應可以及時(shí)移走反應熱,有效避免由于反應放熱量大導致的釜飛溫的安全事故。

    (2) 控溫系統改進(jìn)

    高溫有利于硝化反應的進(jìn)行。與傳統釜式生產(chǎn)相比,微通道反應器內進(jìn)行硝化反應可普遍提高反應溫度。因此在換熱介質(zhì)用量方面,冷媒的用量大大減少,每年可節約1/3左右的冷媒。

    (3)效率提升:使用微反應器之后極大縮短反應時(shí)間,提升了效率。一般需要幾分鐘就可以得到較高的轉化率和選擇性

    在微通道反應器內的硝化反應,反應的溫度可以精確控制,因此可通過(guò)升溫的方式和直接混合的方式將反應時(shí)間由十幾小時(shí)縮短至幾分鐘,甚至十幾秒。

    (4)操作方式改進(jìn)

    較傳統的人工投料和硝酸的長(cháng)時(shí)間滴加操作而言,微反連續化工藝簡(jiǎn)化了反應工藝,在操作方式上將間歇反應改為連續反應,實(shí)現連續化生產(chǎn)降低了操作人員的使用數量。

    5)節約占地:撬裝化的設計理念,將進(jìn)料系統、反應系統、控制系統集成在一起,將占地幾百平米的傳統反應裝置,濃縮至幾平米的空間,極大的節約了設備的占地面積。

    6)穩定性:使用微通道連續流反應器之后,制備的化合物品質(zhì)很穩定,雜質(zhì)的種類(lèi)減少,含量穩定,這對于制藥企業(yè)是一個(gè)很大的優(yōu)勢

    微通道(連續流)反應器與常規反應器相比,其內部通道直徑非常小,擁有極大的比表面積,可達常規反應器比表面積的幾百倍甚至上千倍,因此產(chǎn)生極大的換熱效率和傳質(zhì)效率,可以精確控制反應溫度,確保反應物料瞬間混合,有助于提高化學(xué)反應收率、選擇性、安全性,以及產(chǎn)品質(zhì)量。

    與常規釜式反應器相比,微通道反應器具有以下特點(diǎn):①通道幾何特性,②傳遞和宏觀(guān)流動(dòng)特性,③強化傳遞過(guò)程,④提高產(chǎn)品收率和選擇性,⑤利于溫度控制,⑥安全性能高,⑦放大問(wèn)題。與傳統化工間歇設備相比,微化工設備可以實(shí)現化工過(guò)程的連續化生產(chǎn),具有一定的生產(chǎn)靈活性,并且化工設備高度集中,節約生產(chǎn)空間。微反應器本身強大的傳熱和傳質(zhì)能力除了可以精確、安全控制反應過(guò)程,還有可以提高環(huán)境資源和能量的利用效率,實(shí)現化工過(guò)程的高效化、微型化和綠色化。

    微通道反應器適合的反應:①放熱劇烈的反應;②反應物或產(chǎn)物不穩定的反應;③反應物配比要求很?chē)赖目焖俜磻?;④危險化學(xué)反應以及高溫高壓反應。

    二、硝化反應工藝危險特點(diǎn)

    1.反應速度快,放熱量大。大多數硝化反應是在非均相中進(jìn)行的,反應組分的不均勻分布容易引起局部過(guò)熱導致危險。在常規反應釜中一旦攪拌再次開(kāi)動(dòng),就會(huì )突然引發(fā)局部激烈反應,瞬間釋放大量的熱量,引起爆炸事故;

    2.反應物料具有燃爆危險性;

    3.硝化劑具有強腐蝕性、強氧化性,與油脂、有機化合物,尤其是不飽和有機化合物接觸能引起燃燒或爆炸;

    4.硝化產(chǎn)物、副產(chǎn)物具有爆炸危險性。

    三、硝化工藝連續化

    為了降低生產(chǎn)的危險性,傳統的硝化工藝多是通過(guò)向反應釜中滴加混酸的方式反應。該方式有以下幾個(gè)特點(diǎn):

    (1) 反應為間歇生產(chǎn),混酸滴加時(shí)間長(cháng),通常為幾個(gè)小時(shí),甚至十幾個(gè)小時(shí),生產(chǎn)效率低;

    (2) 反應釜傳熱效果有限,如換熱不及時(shí),易造成釜內“飛溫”或“暴沸”,反應失控;

    (3) 釜內溫度升高,硝化劑易發(fā)生氧化,硝化產(chǎn)物及副產(chǎn)物有燃爆危險;

    (4) 混酸用量大,且后處理困難。

    四、連續流微通道反應器在硝化反應中應用特點(diǎn)及案例

    硝化反應是一個(gè)快速的強放熱反應過(guò)程,在常規反應器中硝化反應如果控制不當就會(huì )引起溫度飛升、噴料或爆炸等現象。芳烴硝化是合成許多含能材料如TNT中間體的重要反應,在該系列反應過(guò)程中如果反應物混合不均、反應熱不及時(shí)移除會(huì )導致一系列副產(chǎn)物。微通道(連續流)反應器由于有較大的比表面積和獨特的混合結構,具有較強的傳熱性能和混合效果,可以高效地控制反應進(jìn)程和熱量交換,降低副反應的發(fā)生,從而提高反應的安全性和選擇性。

    (1) N-(l-乙基丙基)-N-乙?;?3,4-二甲基苯胺硝化反應,采用硝酸直接硝化的方法,反應方程式與反應機理如圖

    圖2 N-(l-乙基丙基)-N-乙?;?3,4-二甲基苯胺硝化反應方程式

    2 N-(l-乙基丙基)-N-乙?;?3,4-二甲基苯胺硝化反應方程式

    N-(l-乙基丙基)-N-乙?;?3,4-二甲基苯胺為原料,95%硝酸為硝化試劑,在微通道反應器中進(jìn)行反應,結果顯示:在反應溫度為20℃、N-(l-乙基丙基)-N-乙?;?3,4-二甲基苯胺與95%發(fā)煙硝酸的摩爾比為1:2.6時(shí),停留時(shí)間為10s就可達到理想的反應效果,原料基本轉化完全,與傳統反應釜相比反應時(shí)間大大縮短、反應效率顯著(zhù)提高,安全性也大大提高。

       (2) 以吡唑為原料,在硝酸-乙酸酐體系下硝化合成N-硝基吡唑,再在苯甲腈中熱重排制備3-硝基吡唑,之后在硝硫混酸體系下硝化合成3,4-二硝基吡唑。該路線(xiàn)的反應方程式如下:

    硝基吡唑合成反應方程式

    3 3-硝基吡唑合成反應方程式

    在微反應器中以吡唑為原料,乙酸酐-硝酸作為硝化劑,進(jìn)行硝化反應制備N(xiāo)-硝基吡唑。在反應溫度55°C,進(jìn)料摩爾比n(硝酸):n(吡唑)=1.1:1,乙酸酐與硝酸體積比5.5:1,停留時(shí)間150s的條件下,吡唑硝化達到最優(yōu)效果,此時(shí)N-硝基吡唑的收率為92.2%,純度99.5%。

    (3) 氯苯硝化

    實(shí)驗中,在微通道反應器和常規反應器各自較優(yōu)工藝條件下,比較產(chǎn)物選擇性結果見(jiàn)表1。

    1 產(chǎn)物選擇性比較

    氯苯硝化

    1結果表明,在微通道反應器中,氯苯單程轉化率雖相對較低,但所得到產(chǎn)物中鄰位選擇性有明顯提高,且副產(chǎn)物相對較少。分析原因,尺寸被微型化的微通道反應器,強化了傳熱、傳質(zhì)過(guò)程,弱化了反應中鄰位空間位阻效應,利于生成鄰硝基氯苯,提高了氯苯鄰位選擇性。

    (4) 2,4-二硝基氯苯

    圖4 2,4-二硝基氯苯合成反應方程式

    4 2,4-二硝基氯苯合成反應方程式

    由氯苯經(jīng)兩步硝化而得,先用氯苯萃取一硝化廢酸,將萃取氯苯與二硝化廢酸混合,在滴加一硝化混酸在70 ℃行一硝化,分離出一硝基物再用二硝化混酸在50~100 ℃進(jìn)行二硝化,即得到二硝基物,然后用冷卻結晶法精制即得商品2,4-二硝基氯苯。大規模生產(chǎn)時(shí),更適合采用微通道反應器連續硝化法。

    (5)硝基氯苯合成

    氯苯在混酸硝化過(guò)程中會(huì )同時(shí)產(chǎn)生對硝基氯苯和鄰硝基氯苯這兩種同分異構體,另外有少量的間硝基氯苯。在反應溫度、硝酸與硫酸配比相同的條件下,在間歇反應中n(C6H5Cl):n(HNO3)=1:1.3,停留時(shí)間為數小時(shí),對硝基氯苯的產(chǎn)率為57.61%,n(鄰硝基氯苯):n(對硝基氯苯)=0.68;在連續流(微通道)反應器中,n(C6H5Cl):n(HNO3)=1:1.1,停留時(shí)間為60s,此時(shí),對硝基氯苯的產(chǎn)率為62.16%,n(鄰硝基氯苯):n(對硝基氯苯)=0.57。從氯苯硝化反應的結果中可以看出,微通道(連續流)反應器技術(shù)降低硝酸用量,大大縮短了氯苯硝化的反應時(shí)間,提高了對硝基氯苯的產(chǎn)率,在該反應中體現出獨特的優(yōu)勢。

    (6)硝酸異辛酯

         反應釜中異辛醇的硝化溫度低于15℃, 而利用微通道反應器進(jìn)行硝化, 反應溫度可以在25~40℃之間, 并且沒(méi)有副反應發(fā)生, 最佳條件下的轉化率高達98.2%。正是由于微反應器高效的傳熱效率, 使反應溫度基本可以維持恒定, 避免了局部過(guò)熱和副反應的發(fā)生, 并確保了在較高溫度進(jìn)行反應的安全性。

    西安萬(wàn)德能源通過(guò)搭建微反應硝化成套平臺, 已經(jīng)實(shí)現了4000t/a硝酸異辛酯的微反應連續制備。

    五、硝化反應工藝介紹

    硝化反應自1834年苯-硝基苯,1842年由硝基苯還原為苯胺,硝化反應在工業(yè)上開(kāi)始應用,是向有機物分子中引入硝基(-NO2)的過(guò)程,涉及硝化反應的工藝過(guò)程為硝化工藝。

    最常見(jiàn)的是取代反應,硝化可分成直接硝化法、間接硝化法和亞硝化法,進(jìn)一步可細分為非均相混酸硝化法、硫酸介質(zhì)中的均相硝化、稀硝酸硝化法、濃硝酸硝化法、有機溶劑中混酸硝化法、乙酸(或乙酐)中的硝化法、置換硝化法和氣相硝化法等,硝化產(chǎn)物一般有硝基化合物、硝胺、硝酸酯和亞硝基化合物等。用到的硝化劑主要有硝酸,無(wú)水硝酸和稀硝酸等,由于硝化底物性質(zhì)不同,硝化劑一般不單獨使用,而是和質(zhì)子酸、有機酸、酸酐、路易斯酸混合使用。

    硝化中硝化劑參加硝化反應的活潑質(zhì)點(diǎn)是硝基硝酰陽(yáng)離子NO2+,在純硝酸中有97%HNO3是以分子態(tài)存在,3%經(jīng)質(zhì)子轉移生成NO2+。在硫酸存在下,均相硝化是二級反應,動(dòng)力學(xué)方程一般為v=k[ArH][HNO3],當H2SO4濃度為90%左右時(shí),反應速度為最大值;有強吸電子取代基的芳烴在過(guò)量濃硝酸中硝化時(shí),其動(dòng)力學(xué)方程一般為一級反應v=k[ArH]。

    非均相硝化:當被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應溫度下都是液體時(shí),常采用非均相硝化,通過(guò)強化傳質(zhì),使有機相被分散到酸相中完成硝化反應;

    濃硫酸介質(zhì)中的均相硝化:當被硝化產(chǎn)物在反應溫度下為固體時(shí),常將被硝化物溶解于大量濃硫酸中,然后進(jìn)行硝化;

    稀硝酸硝化一般用于含有強的第一類(lèi)定位基的芳香族化合物的硝化;濃硝酸硝化往往需要用較大量的硝酸;有機溶劑中硝化使用接近理論量的硝酸以避免使用大量硫酸,可以改變所得到的硝基異構產(chǎn)物的比例。


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