超聲連續(xù)流微反應(yīng)器在硝化工藝中的應(yīng)用

化工過(guò)程強(qiáng)化是實(shí)現(xiàn)化工工藝高效、節(jié)能、環(huán)保、安全的重要手段。作為兩種典型的過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，微反應(yīng)器和超聲在減小反應(yīng)體積、提高過(guò)程安全性和能量效率上有優(yōu)勢(shì)，大量研究證實(shí)聲化學(xué)技術(shù)在乳化、萃取、降解、催化等過(guò)程中具有強(qiáng)化作用，但迄今鮮有大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的實(shí)例。

微反應(yīng)器具有體積小、比表面積大、熱傳遞速率快、操作安全、易于放大等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)適用與各種高危反應(yīng)類(lèi)型中，如硝化、氧化、氯化等。但微反應(yīng)技術(shù)在工業(yè)開(kāi)發(fā)中也存在一些亟待解決的技術(shù)難題。微反應(yīng)器內(nèi)部特殊的流道使得這種反應(yīng)器加工成本高、壓降大、操作彈性差;同時(shí)，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和小特征尺寸使微反應(yīng)器更容易被固體顆粒或粘稠物堵塞，尤其在彎折、分支交叉等結(jié)構(gòu)處。解決這些問(wèn)題最有效的辦法是引入外加的機(jī)械攪拌，在通道中產(chǎn)生局部對(duì)流以防止堵塞，進(jìn)一步強(qiáng)化混合與傳質(zhì)，但傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌在微反應(yīng)器中難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)此，本公司針對(duì)這種情況提出了理想的解決方案--向微反應(yīng)器內(nèi)引入超聲場(chǎng)。

超聲具有穿透性好、能量密度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，且其聲空化作用已被廣泛應(yīng)用與傳統(tǒng)化工設(shè)備中混合、傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)的強(qiáng)化中，將超聲引入微反應(yīng)器中，其聲空化效應(yīng)不僅能解決微反應(yīng)器的堵塞問(wèn)題，還可以強(qiáng)化傳質(zhì)混合、增加操作彈性。

酚是羥基(-OH)與芳烴核(苯環(huán)或稠苯環(huán))直接相連的有機(jī)化合物，而以硝基酚為核心的硝基芳香化合物是有機(jī)化學(xué)與生命科學(xué)非常重要的組成部分，它廣泛存在于抗生素、有機(jī)染料、炸藥、殺蟲(chóng)劑以及塑料和制藥工業(yè)中。酚羥基對(duì)于苯環(huán)上氫原子的影響導(dǎo)致酚類(lèi)有機(jī)化合物的硝化會(huì)生成其他異構(gòu)體，甚至發(fā)生多個(gè)氫原子被硝基取代的現(xiàn)象。這是由于酚類(lèi)有機(jī)化合物的傳統(tǒng)釜式滴加硝化耗時(shí)長(zhǎng)、反應(yīng)放熱量大、硝酸用量多、而且會(huì)發(fā)生次級(jí)反應(yīng)產(chǎn)生副產(chǎn)物，另外對(duì)于部分酚類(lèi)衍生物的硝化采用常規(guī)連續(xù)流反應(yīng)器反應(yīng)可能還會(huì)產(chǎn)生大量固體導(dǎo)致反應(yīng)器堵塞。

超聲連續(xù)流反應(yīng)器進(jìn)行硝化的優(yōu)勢(shì)：

1.反應(yīng)時(shí)間短，避免了釜式反應(yīng)由于反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)而產(chǎn)生的副產(chǎn)物。

酚類(lèi)化合物的釜式硝化需要在低溫下滴加硝化劑，控制釜內(nèi)低溫，若溫度高則可能產(chǎn)生二硝產(chǎn)物，若反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)會(huì)發(fā)生次級(jí)產(chǎn)物副產(chǎn)物難以除去，采用超聲連續(xù)流反應(yīng)器硝化僅需幾分鐘甚至幾十秒，能夠解決由于時(shí)間問(wèn)題而產(chǎn)生的副產(chǎn)物。

2.超聲反應(yīng)器內(nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)解決了固體顆粒堵塞反應(yīng)器的問(wèn)題。

對(duì)于部分硝基酚類(lèi)化合物在有機(jī)溶劑中的溶解度非常小，因此在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)物會(huì)直接以固體顆粒的形式存在，采用常規(guī)的連續(xù)流反應(yīng)器硝化固體顆粒會(huì)聚集堵塞，而外加超聲場(chǎng)后，由于超聲的聲空化效應(yīng)使得產(chǎn)物在溶液中均勻混合，避免了物料粘稠堆積而堵塞。

3.反應(yīng)器體積小，反應(yīng)控溫精確，局部過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)小。

中試級(jí)超聲連續(xù)流反應(yīng)器占地面積小，超聲振子及反應(yīng)器集成一體，內(nèi)部采用循環(huán)水控溫，大大降低了反應(yīng)所需能耗，在一定程度上降低了生產(chǎn)成本。

超聲連續(xù)流反應(yīng)器實(shí)物圖(中試級(jí))

微反應(yīng)器與超聲強(qiáng)化技術(shù)存在互補(bǔ)性，兩者結(jié)合具有協(xié)同強(qiáng)化效果，為酚類(lèi)(以及衍生物)有機(jī)化合物的硝化解決了各種難題，兩種強(qiáng)化技術(shù)集成，形成一種更高效、更穩(wěn)定、更具有工業(yè)化前景的過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)。