微反应器在硝化反应中的应用

原 磊

（西安石油大学，陕西 西安 710065）

1 微反应器的概述

微反应器是一种依托于微加工技术集混合、换热、反应、分离操作单元为一体的管道反应器，水力学直径在1μm-1mm范围内。与釜型反应器相比，表现下列特征：1）微米级管道，使理想流体呈独特的流体力学性质；2）管道比表面积是 104～106m2/m3，传热系数约为 25 000W/(m2·K)，传热传质的效率得到大幅度升高，促进物料均匀分散，由于体系温度分布较为集中，不利于产生副反应的“热点”。3）反应器的体积较小，节约了生产成本。4）可连续化制备，生产效率迅速提高。5）无放大效应，生产中无需变换原参数，即可实现产量调整，缩短周期，达到柔性生产的目标。6）能够在高温、强光照、高压条件下反应，衍生新的合成手段。所以，微反应器在硝化反应中的应用，在强放热反应中传质传热效率高、持液量小、安全性能好、生成的酸性废水少、工艺环保，周期短、可实现连续作业，且无放大效应。

2 微反应器中的几种常见的硝化反应

2.1 以芳香族化合物作为底物

1）以芳香环化合物为底物的硝化反应

相关专家在开展水杨酸 (la)的硝化实验（如图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管式微反应设备，几乎未生成二硝基化合物，增强了目标产物的选择性。而且，通过增加反应温度或硝化剂的方式，也能够使硝基化合物 (1b)的选择性提高，具体产率从釜型的40%，上升至60%。SS316管式微反应设备，为金属材质，具有较好的导热性，传热效率、原料的转化率均有所提高。

图1 水杨酸的硝化反应

邻硝基苯甲醛 (2b)通常直接硝化苯甲醛(2a)，但因受到空间位阻、邻位碳原子亲核性差的影响，引发邻位化合物2b物质量比偏低。这可能与间位产物2c采用热力学控制有关，但邻位产物为动力学控制，其中的浓度受到溶解性影响产生局限性。采用履带型微混合设备，加大两相的接触面积，然后，适量地上调硝化剂的硝酸含量、增加反应温度等，以此提升邻位化合物的物质量比（最低邻间比1∶2.8)。还可有效地选择混合器，压缩反应的保留时间。

有的研究人员在微反应器里也做到了二甲戊乐灵的合成，运用一步硝化的方式，以1，2-氯乙烷为溶剂，反应温度60℃，保留时间只需0.8s，达到100%的原料转化率，反应的选择性也在97%左右，化合物3d和3e(亚硝基的取代物)其物质量比：4.2∶1。而别的N-烷基取代的苯胺衍生物，能够在未添加溶剂，且保留时间低于2s的状态下，安全、有效地合成目标产物。

2）以芳杂环化合物作为底物

研究人员[2]通过微反应器对吡啶类化合物(5b)的硝化合成情况进行研究。在釜型硝化反应中，绝热温度升高到76℃，目标产物5b在温度80℃的条件下 (有发烟的硝酸)则会分解，反应热无法随时排出，体系里易于产生“热点”等安全隐患。然而，通过微反应器，能够控制反应体系的温度，使其始终低于1.8℃，抑制了副反应的发生，已成功进行10、100 kg的连续流实验，其产品的纯度较高为99.7%，产率约50%，或许与控制流动速度不稳定有关。对此，可用N2压力装载取代用泵运输的手段以稳定地控制流速。

相关人员在微反应器里对吡唑类化合物的硝化反应展开了研究（如图2），对背压阀装置加以设计，以防压力剧烈变化导致反应产物发生爆炸。可对反应温度进行控制，遏制二硝化衍生物的生成。添加微混合器的数量，能够使反应时间延长，使目标产物的含量增多，一硝基化合物8b与8d的产率依次为88%、91%。

图2 吡唑类化合物的硝化反应

有学者在展开N2O5硝化烷基苯与卤代苯的实验中，得到这样的结论：原料的转化率均较大，前者高达80%，后者也在60%以上，而硝化反应时间仅需釜型反应1%，极大地提升了硝化反应的效率与选择性。

2.2 以脂肪族化合物作为底物

1）以脂肪醇化合物为底物的硝化反应

相关人员[3]对微反应器中异辛醇混酸的硝化反应（如图3）所需条件进行研究。一般状况下，异辛醇的硝化温度不超过15℃，而通过微反应器展开硝化反应，温度可控制在25～40℃内，且无副反应，转化率可达98%。因为微反应器的传热效率较高，使得反应温度可总体呈恒定状态，防止局部过热，阻止发生副反应，在温度极高的条件下也能确保硝化反应的安全性。据统计，西安某集团已启动了配套性的微反应硝化平台，每年可连续制备4000t的硝酸异辛酯。

研究人员用大连化物提供的芯片型微反应器，依据4∶1物质量比的硝硫混酸，分别处理二乙二醇、三乙二醇，由于芯片太小，保留时间仅取半小时，获得产物l0b与l0d的产率依次为86.5%、90.5%，发现硝酸酯的产率会发生变化，伴随液相空速的下降而提升，若硝酸和醇的物质量比很大，反应相对完全，需要时间缩短，而硝酸酯的产率不会发生较大波动。

图3 异辛醇的硝化反应

有关专家通过微反应器，成功地合成了硝化甘油、1，2，4-丁三醇三硝酸酷等化合物。据调查了解到：西安市某化工企业工作人员采用微反应器装置，展开了硝化甘油的持续合成实验，最终年产量可达到130t，而且，反应过程具体良好的安全性，反应时间较短，可控性强，完全能够做到自动化生产，且产品的质量良好，不仅纯度高、选择性好，而且废水处理立效果好，满足国家对化工企业的环保要求。

2）以含氮脂肪族化合物为底物

早在2010年德国ICT研究院通过微化工反应技术，有效地合成了新式含能增塑剂DNDA57（主要包括三种二硝化合物，分别为DNDA5、DNDA6、DNDA7），而且，借助远程控制的微反应器，制备了千克级的含能材料，成功建设了以玻璃微反应器为主导的远程控制、全自动微反应的化工车间，有效地合成了硝酸酯等含能材料，具有良好的安全性，且后期纯化较好，生产效率较高，能够达到150g/min。相关研究人员利用康宁G1式微反应器，合成了硝基肌 (11b)，选择硫酸胍的硫酸液体代替了易于爆炸的硝酸胍为原料，连续制备了硝基胍物质。

3 结语

微反应器的产生与投入使用，极大地推动了现代制药、化工行业的发展，微反应器在混合控制、热稳定性控制方面表现良好的性能。在催化、低容积优化方面发挥低成本、安全、环保等特征，相比间歇式的操作模式具有较大的优势。在未来的新工业时代背景下，微反应器还会向着更加微型化、智能化、信息化、安全化、连续化方向发展，微反应器在硝化反应中的应用范围及优越性会日益突出。