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            微反應器在硝酸異辛酯合成中的應用

            目前,硝酸異辛酯的傳統生產技術主要由法國、德國幾家軍工企業控制,F有技術中,生產硝酸異辛酯的方法一般采用混酸法[1-4],該法以濃硫酸為催化劑,將硝酸和異辛醇在反應器直接硝化得到產品硝酸異辛酯和副產物水。其化學反應機理如下[5]:    胡應喜等人曾用常規設備對硝酸異辛酯的合成條件進行優化:在三口燒瓶中加入一定量的濃硫酸,劇烈攪拌下30 min內滴加一定量濃硝酸,然后在40~50 min內滴加異辛醇,加完后再反應50~60 min得到產品。最終得到反應的最佳條件為:硫酸與硝酸的摩爾配比為2:1左右,硝酸與異辛醇的摩爾配比為1.3:1左右。反應溫度應控制在40~50℃之間。在此條件下,得到硝酸異辛酯的產率為85%-93%[6]。

            2常規硝酸異辛酯合成過程中的不足

            (1)安全隱患較大。硝酸異辛酯的合成過程中反應速度快,在溫度高于35℃時,反應幾乎瞬時完成,放熱量大,研究表明該反應總熱效應高達700 kJ/kg醇。

            (2)轉化率較低。反應過程為非均相,密度較輕的原料異辛醇和硝酸異辛酯在上層有機相,硝酸、硫酸和水由于密度較重在下層酸相,混合效果不理想;且為控制反應過程中熱量的平穩釋放和撤除,反應須控制在較低的速度下進行,導致系統生產效率不高。

            (3)能耗較高。合成過程中,為了防止氧化副反應的發生,必須在低溫下進行,要穩定地持續保持低溫操作必須有冷凍劑,而這種裝置投資較大,耗能也比較高。

            采用微反應技術合成硝酸異辛酯    基于先進的微化工技術和撞擊流技術原理,利用微尺度通道和撞擊流混合強化多相傳質和系統傳熱的特性,采用微細通道撞擊流管式反應技術能夠較好的解決反應過程中的兩相混合和迅速及時撤熱問題。故考慮使用微反應器研究這個反應。   將常規反應的合成方法及其結果復制到微反應實驗中,并通過微反應器對反應條件的精確控制來探索優反應條件,以求得出最適合的條件,安全高效地合成硝酸異辛酯,降低反應的危險性和能耗,提高反應收率。通過計量泵分別將工業發煙硝酸、濃硫酸與異辛醇注入微反應器內,調節物料在反應器內的體積流量、停留時間、反應溫度、壓力等可操作變量,水洗、堿洗等產品的后處理操作一致,操作變量及結果如表1:表1 不同實驗參數對硝酸異辛酯純度的影響[7]

            調節變量    實驗一    實驗二    實驗三    

            發煙硝酸濃度    30%    40%    25%    

            濃硫酸濃度    70%    60%    75%    

            反應器的當量直徑    10μm    0.1cm    1cm    

            物料在反應器內停留時間    50毫秒    800毫秒    900毫秒    

            反應器控制溫度    60℃    50℃    48℃    

            混酸與醇的體積流量比    1:1    1.5:1    2:1    

            產品純度    99%    99%    99%    

            產品收率    99%    97%    95%    

            通過表1的實驗數據可以發現:與常規反應器相比,在微反應器中進行硝酸異辛酯的合成優勢很明顯。在反應物濃度及體積比相差不大的情況下,在微反應器中的反應時間縮短了4000多倍,且產品的收率可提高至99%,產品收率顯著提高。通過分析實驗數據,得出微反應技術應用于硝酸異辛酯的合成中具有如下優勢:

            (1)強化了兩相傳質和系統傳熱能力,反應器撤熱速率快,系統存液量少,從本質上消除了普通反應器的飛溫爆炸危險,安全可靠,完全消除了傳統硝化產品生產的安全隱患,可以大規模連續化生產。

            (2)反應條件得到改善,生產效率提高。

            (3)無須外加大功率低溫冷卻系統,操作能耗低。

            (4)無需添加任何抑制副反應的添加劑或其他惰性稀釋溶劑,不污染廢酸,有利于廢酸的循環利用。

            (5)整體工藝系統簡單,生產成本低,易于放大和實現工業化生產。

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