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危化反应,除了“硝化”还有……
点击次数:37 发布时间:2021-11-24

 研究简介

重氮化合物作为高能化合物具有热不稳定性和爆炸性,大部分在常温环境即可自发性分解放热放气。目前工业规模的重氮化生产多选用半间歇的加料方式和大功率的低温冷却设备来控制体系传热。高能耗给企业的发展带来阻碍。

 C8H9NO2(MA)的重氮盐作为一种典型的重氮化合物被广泛应用于精细化工、制药工程等领域。现阶段工业生产中C8H9NO2(MA)重氮盐的合成多选用盐酸体系,合成路线如图 1 所示。

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图1. MA重氮盐合成方程式

但半间歇生产工艺存在以下问题:

  • MA 具有胺和酯的双重性质,难溶于酸且长时间在高浓度酸性体系中会发生一定程度的水解。因此需选用逆法重氮化的合成方式,将 MA 与亚硝酸钠溶液混合打浆后滴加到酸中,物料相态的非均一性使得传质困难,而且加料过程中物料配比的精准性难以被控制。

  • 间歇反应釜传质传热效率低,单位体积换热面积小,致使较大规模生产仍需要较长反应时间,重氮组分的长时间停留导致平行副反应发生,同时也增加了潜在热失控风险。多起因重氮化合物导致事故被相继报道。

在这种形势下,寻找一种更稳定、高效、安全的方案来解决反应中能耗高、效率低、三废多是十分必要和迫切的。

近年来,连续流化学技术发展迅速,微通道反应器作为一种新型反应器,在降低能源消耗、提高传质和传热、抑制平行副反应和提高反应体系安全性等方面具有独特优势,能够处理多种危险工艺。微通道连续流技术在重氮化合物的合成过程中有着成功的案例,并且有着巨大的经济效益。

本文将为您介绍来自青岛科技大学王犇博士等发表在《化工进展》的研究成果:“微反应器内甲酯的连续重氮化工艺"。

小编将详细为您解读项目组如何应用康宁G1微通道反应器技术优势成功开发出连续流工艺,有效解决传统半间歇工艺的安全隐患并提高收率的。

研究过程

康宁微反应器成功开发C8H9NO2的连续重氮化工艺

研究者选用康宁G1反应器进行工艺实验,反应装置如图2所示。

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图2. 微通道连续流重氮化反应的实验装置

康宁反应器的模块化设计给工艺开发带来便利。根据反应的要求,可以设置预冷和预热模块,可以分步输入反应物料,可以增加淬灭模块,在整个反应过程中,还可以设置不同的温区。

一、反应条件优化

研究者以MA重氮盐的收率为考察指标,研究了半间歇及连续流工艺物料比、反应温度、停留时间和流速对结果的影响。

1. 物料比对反应的影响

1.1亚硝酸钠摩尔配比对反应的影响

半间歇条件下,MA与亚硝酸钠摩尔比需要比理论值高出30 %。而且在加料过程中物料配比很难做到精准控制,亚硝酸钠过高使得副反应增加、收率降低。

在微通道连续流工艺中,MA和亚硝酸钠溶液分别由计量泵泵入预混模块,对物料初始混合的强化使反应过程平稳,精准的物料配比减少副反应的发生。

如图:当MA与亚硝酸钠摩尔比为1:1.1时,重氮化收率就达到了90.3 %高于半间歇工艺的81.3%。

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    图3. MA与亚硝酸钠摩尔配比对重氮化收率的影

 1.2 盐酸摩尔配比对反应的影响

理论MA与盐酸的摩尔配比应为1∶2,由于重氮反应体系需保持一定的酸度以抑制副反应和维持重氮盐组分的稳定性,故盐酸的实际用量要高于理论值。

半间歇工艺中,当MA与盐酸的摩尔配比为1∶3时,重氮化收率达到峰值。需要注意的是在半间歇合成过程中反应液中有明显焦油状物质的生成,且盐酸摩尔用量越低该物质的量越多。

微通道连续流工艺中,MA与盐酸的摩尔配比为1∶2.6时反应收率就到达峰值趋于平稳,而且反应液颜色正常,未观察到焦油状物质的生成。

       这一趋势得益于通道反应器是平推流反应器,无反混而且反应时间短、反应持液量小的特性。生成的重氮组分能被及时的移出,进入后续反应,不需要大量的酸来抑制平行副反应。

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图4. MA与盐酸摩尔配比对重氮化收率的影响

2. 反应温度的影响

在半间歇工艺中,15 ℃时重氮化收率达到峰值80.4 %。值得注意的是,在大于25 ℃的半间歇实验中均出现了阶段性大幅超温现象,导致重氮化收率大幅下降并伴随大量焦油状物质生成。

间歇反应釜的固有特性和加料方式决定了反应体系局部温度过高产生“热点"现象,反应釜内热量累积易引发重氮组分的二次分解放热导致反应失控。

在微通道合成过程中,重氮化反应可以在高的反应温度、短的停留时间条件下获取较高的重氮化收率。故当反应温度为35 ℃,MA重氮盐的收率可达90.3 %。

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图5. 反应温度对重氮化收率的影响

3. 停留时间对反应的影响

康宁微通道模块“心形结构"强化了混合,停留时间为40s时重氮化收率趋于平稳,相比半间歇工艺极大缩短反应时间。

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图6. 停留时间对重氮化收率的影响

4. 流速对反应的影响

在微通道反应器中,流速是影响混合和传质效果的重要因素。保持反应停留时间不变,康宁反应器可以通过改变反应模块串联数量调节反应体系流量。

作者考察了流速对重氮化收率的影响,结果如图7所示。

当反应体系流量大于51g/min时,重氮化收率趋于稳定,表明此时反应体系已经达到最佳混合状态2-9.jpg

     图7. 流速对重氮化收率的影响

综上微通道连续流工艺最佳合成条件为:

  • n(MA)∶n(亚硝酸钠)∶n(盐酸)=1∶1.15∶2.67,

  • 反应温度为34.62 ℃,

  • 停留时间为45.07 s,

  • 此条件下MA 重氮盐收率为92.14 %。

而半间歇工艺最佳合成条件为:

  • n(MA)∶n(亚硝酸钠)∶n(盐酸)=1∶1.35∶3.11,

  • 反应温度为16.73 ℃,

  • 停留时间为16.34 min,

  • 此条件下 MA 重氮盐收率为81.35 %。

二、长期运行实验及工业放大可行性探讨

作者在单因素实验的基础上,采用 Box-Behnken Design(BBD)中心组合原理构建响应面模型,在优化所得的最佳工艺条件下,对 MA 连续重氮化工艺长期运行的可行性进行初步验证。

在连续20小时的运行过程中,反应体系保持稳定,未出现局部沉淀、通道堵塞等异常现象。以2小时为周期进行取样分析,MA重氮盐收率均稳定在92 % ± 0.3 %,表明该工艺具有可放大性,适合于工业化生产应用。

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尽管国产微反应器都显示了从小试工艺到生产的放大效应。但康宁微反应器的所有工业化应用都验证了康宁微反应器的“无缝放大"。

康宁反应器的无缝放大,避免了传统半间歇工艺需要通过“小试-中试-生产"逐级尺寸放大,为企业节约时间成本和原材料成本,可以快速应对市场需求

结果讨论

  • 研究者成功开发了微通道反应器内重氮化反应制备MA重氮盐的连续流工艺。

  • 与传统半间歇合成工艺相比,降低了工艺危险性、提高了产品收率和生产效率。

  • 相比于半间歇合成工艺,连续流合成工艺大幅降低了副反应的发生,使反应过程更加可控,同时减少三废。

  • 微通道连续流技术有效解决了MA半间歇重氮化工艺对温度的高敏感性以及低温的依赖性,降低能耗。

  • 该工艺可作为一种本质安全化的生产方式,具有良好的工业应用前景,有望为类似MA重氮盐的其他危险物质的合成提供一条有效的解决方案。

参考文献:

化工进展. 2021,40(10)





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