基于微通道反應(yīng)器的芳香化合物硝化反應(yīng)的研究

楊文君，于澤民

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)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(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的芳香化合物，目前常用的制備方法是釜式反應(yīng)器硝化，但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)釜式反應(yīng)器存在著反應(yīng)容器體積大、比表面積小等不足，導(dǎo)致在進(jìn)行硝化反應(yīng)時存在著放熱量大、浪費(fèi)嚴(yán)重、效率低的不足，嚴(yán)重影響了對硝基乙酰苯胺的制備經(jīng)濟(jì)性。

微通道反應(yīng)器是一種高精密性的反應(yīng)容器，具有比面積大、傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，本文以合成對硝基乙酰苯胺為研究對象，以微通道反應(yīng)器為反應(yīng)容器，對不同反應(yīng)參數(shù)下的對硝基乙酰苯胺的硝化反應(yīng)過程進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，采用微通道反應(yīng)器，具有比傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器更好的反應(yīng)效果，當(dāng)反應(yīng)溫度為25 ℃，反應(yīng)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(jīng)濟(jì)性。

1 硝化試驗分析

1.1 試驗前準(zhǔn)備

為了保證試驗的準(zhǔn)確性，在對反應(yīng)試劑和試驗儀器進(jìn)行選擇時，均選擇制備時間在3 d 以內(nèi)的試劑，包括純度超過97.5%的濃硝酸、超過97%的濃硫酸及質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shè)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(yīng)器采用了CS1010 型[2]，其主要包括了料罐、反應(yīng)器主體、微型輸送泵、恒溫裝置等，該反應(yīng)器的管徑內(nèi)壁為1 mm，總液量約為15 mL。

1.2 反應(yīng)原理分析

在環(huán)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(nèi)，同時把濃硝酸儲存在B 料罐中。在進(jìn)行反應(yīng)時微通道反應(yīng)系統(tǒng)中的微型輸送泵啟動[3]，將A料罐和B 料罐內(nèi)的試劑按設(shè)定好的比例加入到微通道反應(yīng)器中進(jìn)行停留反應(yīng)，最后再經(jīng)過冰浴淬滅反應(yīng)后進(jìn)行過濾、干燥、稱重、檢測，獲取最終的樣本。基于微通道反應(yīng)器的硝化反應(yīng)原理如圖1 所示[4]。

以微通道反應(yīng)器為基礎(chǔ)，進(jìn)行對硝基乙酰苯胺連續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)流程如圖2 所示[5]。

圖2 基于微通道反應(yīng)器的硝化反應(yīng)流程圖

2 不同配比對反應(yīng)效果影響的研究

根據(jù)前期研究情況，在硝酸和硫酸質(zhì)量比為1∶2，反應(yīng)溫度為30 ℃、反應(yīng)時間為30 s 的情況下，研究乙酰苯胺和硝酸的配比對實(shí)際反應(yīng)結(jié)果的影響，如圖3所示。

圖3 不同反應(yīng)配比對反應(yīng)結(jié)果的影響

對反應(yīng)結(jié)果分析可知，當(dāng)乙酰苯胺和硝酸的物質(zhì)的量的比為1.15時具有最佳的反應(yīng)效果，此時的反應(yīng)率達(dá)到了83.9%，對硝基乙酰苯胺的純度也達(dá)到了96.4%。當(dāng)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(dǎo)致整個反應(yīng)過程效率低下，而且會存在反應(yīng)不完全的情況。當(dāng)兩者的混合比大于1.15時又會導(dǎo)致硝酸根離子的濃度過大[6]，使反應(yīng)時產(chǎn)生過量的硝基副產(chǎn)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(yīng)溫度對反應(yīng)時間的影響

根據(jù)研究，在n（乙酰苯胺）∶n（硝酸）∶n（硫酸）=1∶1.15∶1.3，反應(yīng)時間為30 s 的條件下，對不同反應(yīng)溫度下的實(shí)際反應(yīng)效果進(jìn)行研究，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同溫度下反應(yīng)效果對比

由實(shí)際驗證可知，當(dāng)系統(tǒng)工作時的溫度低于25 ℃的情況下整個硝化過程的反應(yīng)速率相對較慢，而且對硝基乙酰苯胺的收率會比較低；當(dāng)反應(yīng)溫度過高時會導(dǎo)致生產(chǎn)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(tǒng)反應(yīng)的最佳溫度設(shè)定為25 ℃。

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

4 反應(yīng)時間對結(jié)果影響

在n（乙酰苯胺）∶n（硝酸）∶n（硫酸）=1∶1.15∶1.3，反應(yīng)溫度為25 ℃的條件下，對不同反應(yīng)時間下的實(shí)際反應(yīng)效果進(jìn)行研究，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同反應(yīng)時間下反應(yīng)效果對比

由實(shí)際驗證結(jié)果可知，在微通道反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)時間越長，對硝基乙酰苯胺的純度和收率就越高，當(dāng)反應(yīng)實(shí)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(yīng)實(shí)際時間越長，對硝基乙酰苯胺的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性就越低，因此綜合評估后，將反應(yīng)時間設(shè)定為51 s，此時系統(tǒng)的最大收率為98.9%，系統(tǒng)的最大純度為99.3%。

5 應(yīng)用情況分析

目前該基于微通道反應(yīng)器的硝化反應(yīng)技術(shù)已經(jīng)投入使用，其與傳統(tǒng)釜式反應(yīng)對比如表1 所示。

表1 不同硝化反應(yīng)對比匯總表

由實(shí)際對比分析結(jié)果可知，采用新的基于微通道的硝化反應(yīng)技術(shù)，不僅能夠顯著縮短反應(yīng)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(yīng)用經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

6 結(jié)論

針對傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)時放熱量大、浪費(fèi)嚴(yán)重、效率低的不足，提出了一種基于微通道反應(yīng)器的硝化反應(yīng)技術(shù)，以對硝基乙酰苯胺為研究對象，對其硝化過程進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1）微通道反應(yīng)器具有極強(qiáng)的熱傳導(dǎo)效率，能夠有效防止傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器所存在的溫度分布不均勻問題，提高反應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性；

2）新的基于微通道反應(yīng)器的硝化反應(yīng)工藝，當(dāng)反應(yīng)溫度為25 ℃，反應(yīng)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(yōu)于傳統(tǒng)釜式反應(yīng)硝化工藝。