Микроканальные реакторы в процессах нитрификации Эффективность, безопасность и инновации в химическом производстве

Искусство нитрификации

Введение нитрогрупп поверх атомов углерода органических молекул - это процесс, известный как нитрификация. В огромном мире химической промышленности реакция нитрификации известна своим широким применением и быстрым развитием, особенно в области крупномасштабного производства взрывчатых веществ и энергетических материалов, ученые ведут неослабные исследования в этой области, делая систему теории нитрификации все более совершенной. Цель введения нитрогрупп в ароматические кольца и гетероциклы в основном сосредоточена на трех уровнях: во-первых, преобразование нитрогрупп в другие заместители, такие как нитровосстановление, которое является одним из ключевых путей для синтеза первичных арил-аминов; во-вторых, сильное электрическое поглощение нитрогруппы используется для активации других замещающих групп (особенно хлорных групп) на ароматическом кольце, что удобно для возникновения реакций нуклеофильного замещения. Наконец, уникальные свойства нитросоединений используются для придания тонким химическим продуктам специфических свойств, например, для затемнения цвета красителей, а также в качестве фармацевтических препаратов, взрывчатых веществ и мягких окислителей.

Непрерывная эволюция процесса нитрификации

Процесс нитрификации в основном делится на два типа: периодический и непрерывный. Процесс нитрификации периодического действия обеспечивает протекание реакции нитрификации при подходящей температуре путем добавления смешанных кислот или сырья в реактор по каплям и предотвращает выход температуры из-под контроля из-за чрезмерного ускорения капель. Однако из-за различий в характере реакции многие непрореагировавшие сырьевые материалы попадают в сепаратор после окончания реакции и продолжают реакцию при высоких температурах, вызывая нагрев реактора и увеличивая производственный риск. В отличие от этого, непрерывный процесс нитрификации реализует непрерывную подачу, реакцию и разделение с помощью дистанционного автоматического управления, позволяет избежать повторного процесса подачи и выгрузки, обеспечивает точность соотношения материалов и постоянство показателей процесса, значительно повышает эффективность производства и снижает трудоемкость работ. Хотя страна начала продвигать процесс непрерывной нитрификации в период “двенадцатой пятилетки”, доля его промышленного применения все еще невелика. Эксперты отмечают, что одной из причин, по которой компании придерживаются процесса периодической нитрификации, является возможность гибко корректировать технологический маршрут в зависимости от изменений на рынке и производить более востребованную продукцию. В то же время многие химические компании недостаточно осведомлены об опасностях процесса нитрификации и не имеют мотивации для модернизации. На мелкомасштабной или пилотной стадии реакции нитрификации риск относительно невелик из-за небольшого размера реактора, однородности материала и простоты контроля температуры. Однако при увеличении масштабов промышленного производства риск возрастает. Хотя процесс нитрификации считается экзотермической реакцией и имеет определенные опасности, его не следует обобщать, а оценка риска должна проводиться для каждого конкретного процесса. Местные власти, особенно в таких крупных химических провинциях, как Шаньдун, Чжэцзян и Цзянсу, ввели ряд строгих правил. Например, в начале 2018 г. Бюро по безопасности труда провинции Шаньдун выпустило Уведомление о проведении оценки безопасности оборудования для производства взрывоопасных химических веществ, целью которого является проведение оценки безопасности оборудования для производства взрывоопасных химических веществ на всей территории провинции. В процессе выбора проекта предприятия должны выбирать искробезопасные процессы и запрещать строительство небезопасных процессов. Полный запрет в отрасли может привести к дефициту продукции и росту цен, что, в свою очередь, повлечет за собой нелегальное производство производителями, не соблюдающими технику безопасности, и нанесет еще больший ущерб. 

Микрохимическая технология, представленная микроканальным реактором, как новый тип экологически чистой химической технологии, не только занимает небольшую площадь, но и отличается разумным использованием ресурсов и низким энергопотреблением по сравнению с традиционной химической промышленностью, и привлекает большое внимание со стороны областей энергетической химической промышленности и экологической инженерии. Микроканальный реактор использует технологию прецизионной обработки для производства непрерывного реактора с характерным размером от десятков микрон до нескольких миллиметров, а его специальная канальная структура значительно улучшает эффект массопереноса, обеспечивая эффективное решение для точной, стабильной и безопасной реакции нитрификации. Микроканальный реактор с непрерывным потоком может быть настроен в соответствии с различными процессами, а температура, давление, скорость потока и другие параметры в реакторе точно контролируются, обеспечивая безопасность и автоматизацию реакционной системы. Следующие примеры иллюстрируют применение нитрификации в микроканальных реакторах и преимущества по сравнению с традиционными процессами:

(1) Реакция нитрификации была проведена в микроканальном реакторе с использованием N-(l-этилпропил)-N-ацетил-3,4-диметиланилина в качестве сырья, и результаты показали чрезвычайно высокую эффективность и безопасность.

(2) Используя пиразол в качестве сырья, N-нитропиразол синтезируется путем нитрификации системы азотная кислота-уксусный ангидрид, а затем 3,4-динитропиразол синтезируется путем термической перегруппировки и дальнейшего нитрования, с эффективным процессом реакции и высокой чистотой продукта.

(3) В эксперименте по нитрификации хлорбензола микроканальный реактор показал хорошие результаты в улучшении селективности продукта, а побочных продуктов было относительно немного.

(4) Синтез 2,4-динитрохлорбензола осуществляется с помощью двухстадийной реакции нитрификации, и метод непрерывной нитрификации в микроканальном реакторе больше подходит для крупномасштабного производства.

Заключение 

Для опасного процесса нитрификации непрерывный проточный реактор демонстрирует значительные преимущества и обеспечивает внутреннюю безопасность. Эффективное время реакции, стабильное качество соединений, низкий уровень риска, высокоавтоматизированное управление и компактная конструкция оборудования произвели революцию в химическом производстве.