危险工艺-硝化反应如何实现安全化？

▎硝化反应 ▎

向有机分子的碳原子上引入硝基的反应称作硝化反应。硝化反应在化学工业中应用广泛、发展迅速，尤其是炸药及含能材料领域的大规模生产中，科学家们对硝化反应的研究不断深入，硝化理论体系不断趋于完善[1,2]。在芳环和杂环上引入硝基的目的主要有三个方面：1) 将引入的硝基转化为其他的取代基，例如硝基还原，是制备芳伯胺的一条重要的合成路径。2) 利用硝基的强吸电性使芳环上的其他取代基(特别是氯基)活化，易于发生亲核置换反应。3) 利用硝基的特性，赋予精细化工产品的某种特性，例如染料的颜色加深，作为药物、炸药或温和的氧化剂等。

▎硝化工艺连续化 ▎

硝化工艺主要分为间歇硝化和连续硝化工艺。间歇硝化工艺，采用滴加混酸或原料的方式至反应釜中，保证硝化反应在合适温度进行，避免滴加速度过快导致换热不及时反应釜飞温。由于反应的不同，很多反应结束后会有未反应完的原料进入分离器中，在高温状态下继续反应，导致反应器升温，给整个生产过程带来危险。连续硝化工艺，可以通过远程自动控制，连续加料、反应、分离，反应过程贯穿了整个生产工艺，避免重复投料、出料过程，反应物料配比准确、工艺指标稳定，生产效率大幅提高，且工人劳动强度大幅降低。

国家早在“十二五”期间就已经开始在行业内推广连续硝化工艺，但直到现在，连续硝化工艺在行业内的应用比例仍不高。有专家指出：企业坚持采用间歇式硝化工艺的很大原因是可以根据市场行情随意更改工艺路线，生产销量更大的其他产品。同时，很多化工企业对硝化工艺的危险性认识不足，存有侥幸心理，缺乏进行工艺升级改造的动力。

硝化反应在小试或者中试时，反应器较小、物料均匀、反应温度好控制。一旦工业化，反应釜体积增大，放大效应明显，风险会大大增加。但目前外界对硝化工艺误解很深，一提到硝化，就认为是非常危险的过程。硝化工艺的确是一个典型的放热反应，具有一定的危险性，但是也绝对不应该被一刀切，需要根据具体的工艺情况进行区分。对具体工艺进行风险评估是非常有必要的。地方政府特别是化工大省山东、浙江、江苏，都相继出台了不少细致严格的政策。如2018年初山东省安监局下发《关于开展爆炸性化学品生产装置安全评估的通知》，决定在全省范围内开展爆炸性化学品生产装置安全评估，评估范围包括：全省涉及硝基化合物、环氧化合物、过氧化物、偶氮化合物等自身具有爆炸性的化学品生产装置。在项目建设筛选过程中，企业应该选择本质安全的工艺，禁止不安全工艺动工。如果对行业进行一刀切式的禁止生产，势必导致社会上产品严重缺乏，价格走高，可能一些不具备安全生产规范的厂家为了利益违法违规进行生产，最终导致更大的危害。

以微通道反应器为代表的微化工技术是一项新型的环保的化工技术，与传统化学工业技术相比，能够实现更环保而且占地面积非常小，同时又能合理利用资源不会造成能耗高，已引起能源化工、环境工程等自然科学界其他领域的高度重视[3,4]。微通道反应器是利用精密加工技术制造的特征尺寸在几十微米到几毫米之间的连续反应器，其内部特殊的通道结构可以大幅强化传质效果，为硝化反应的精确、稳定、安全进行提供了可行的解决方案。连续流微通道反应器可以实现根据不同工艺进行定制化，精确控制反应器内温度、系统压力、原料及硝化剂流量、冷媒流量、pH值等参数，做到反应系统温度压力的报警和联锁、自动进料控制和联锁等，还设有泄爆管和紧急排放系统。下图为山东豪迈公司为浙江某企业定制的连续流硝化反应工厂，目前已稳定生产。

图1 某企业硝化反应连续流反应工厂设备图

▎硝化工艺连续化案例 ▎

(1) N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺硝化反应，采用硝酸直接硝化的方法，反应方程式与反应机理如图，

图2 N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺硝化反应方程式

以N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺为原料，95%硝酸为硝化试剂，在微通道反应器中进行反应，结果显示:在反应温度为20℃、N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺与95%发烟硝酸的摩尔比为1:2.6时，停留时间为10s就可达到理想的反应效果，原料基本转化完全，与传统反应釜相比反应时间大大缩短、反应效率显著提高，安全性也大大提高。

(2) 以吡唑为原料，在硝酸-乙酸酐体系下硝化合成N-硝基吡唑，再在苯甲腈中热重排制备3-硝基吡唑，之后在硝硫混酸体系下硝化合成3,4-二硝基吡唑。该路线的反应方程式如下：

图3 3-硝基吡唑合成反应方程式

在微反应器中以吡唑为原料，乙酸酐-硝酸作为硝化剂，进行硝化反应制备N-硝基吡唑。在反应温度55°C，进料摩尔比n(硝酸):n(吡唑)=1.1:1，乙酸酐与硝酸体积比5.5:1,停留时间150s的条件下，吡唑硝化达到最优效果，此时N-硝基吡唑的收率为92.2%，纯度99.5%。

(3) 氯苯硝化实验中，在微通道反应器和常规反应器各自较优工艺条件下，比较产物选择性结果见表1。

表1 产物选择性比较

表1结果表明，在微通道反应器中，氯苯单程转化率虽相对较低，但所得到产物中邻位选择性有明显提高，且副产物相对较少。分析原因，尺寸被微型化的微通道反应器，强化了传热、传质过程，弱化了反应中邻位空间位阻效应，利于生成邻硝基氯苯，提高了氯苯邻位选择性。

(4) 2,4-二硝基氯苯

图4 2,4-二硝基氯苯合成反应方程式

由氯苯经两步硝化而得，先用氯苯萃取一硝化废酸，将萃取氯苯与二硝化废酸混合，在滴加一硝化混酸在70 ℃行一硝化，分离出一硝基物再用二硝化混酸在50~100 ℃进行二硝化，即得到二硝基物，然后用冷却结晶法精制即得商品2,4-二硝基氯苯。大规模生产时，更适合采用微通道反应器连续硝化法。

▎结论 ▎

对于危险工艺-硝化反应，使用连续流反应器可以实现本质安全，优势明显。1) 效率提升：使用微反应器之后极大缩短了反应时间，提升了效率。一般需要几分钟就可以得到较高的转化率和选择性;2) 稳定性：使用微通道连续流反应器之后，制备的化合物品质很稳定，杂质的种类减少，含量稳定，这对于制药企业是一个很大的优势;3) 安全性：一是持液量低，二是反应停留时间短，爆炸性混合物产生的概率也大幅度降低。4) 自动化程度提高：精确控制反应参数，实现工艺过程的自动控制和主要参数指标的自动报警自动停机，可以实现现场无人值守。5) 节约占地：撬装化的设计理念，将进料系统、反应系统、控制系统集成在一起，将占地几百平米的传统反应装置，浓缩至几平米的空间，极大的节约了设备的占地面积。

参考文献

[1] 方东, 施群荣, 巩凯,等. 芳香族化合物绿色硝化反应研究进展[J]. 含能材料, 2008, 16(1):103-112.

[2] 刘金强, 钱超, 张涛,等. L-4-硝基苯丙氨酸的合成研究[J]. 高校化学工程学报, 2009, 23(6):1007-1012.

[3] Hessel V, Hardt S, L we H. Chemical micro process engineering: fundamentals, modeling and reactions [J]. Weinheim: Wily-VCH, 2004.

[4] Hessel V, L we H, Muller A, et al. Chemical micro process engineering: processing and plants [J]. Weinheim: Wily-VCH, 2005.