微管反應(yīng)器中硝基氯苯的連續(xù)合成

張曉嘯，尚振華，張向京

（河北科技大學(xué)化學(xué)與制藥工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

芳香族化合物的硝化是強(qiáng)放熱過程，熱效應(yīng)一般在73～253kJ/mol 之間。硝基氯苯作為典型的硝化產(chǎn)物，在染料、農(nóng)藥、醫(yī)藥、橡膠助劑、工程塑料等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式多為間歇釜式生產(chǎn)，經(jīng)氯苯混酸硝化得到，產(chǎn)物硝基氯苯的鄰對(duì)位產(chǎn)物含量相對(duì)固定（約為0.5）。間歇硝化為防止反應(yīng)器內(nèi)飛溫導(dǎo)致的反應(yīng)失控，常采用硝化劑緩慢滴加的方法，從而造成生產(chǎn)周期過長(zhǎng)，耗費(fèi)大量人力，操作環(huán)境差且存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，氯苯硝化的研究主要集中在通過選擇新型催化劑、開發(fā)新工藝來提高對(duì)位產(chǎn)品的收率方面。但隨著鄰位產(chǎn)物下游產(chǎn)業(yè)鏈的延長(zhǎng)，兩種異構(gòu)體的市場(chǎng)價(jià)格已不相上下，人們將更多的關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到如何強(qiáng)化反應(yīng)以提高生產(chǎn)效率方面。Cox 等的研究表明，氯苯硝化本征速率為快速反應(yīng)，而在接近工業(yè)條件的硝酸濃度下，宏觀速率的控制步驟主要是傳遞過程，在釜式反應(yīng)器中通過提高攪拌速度可提高宏觀反應(yīng)速率，這說明兩相間的傳遞過程影響了宏觀反應(yīng)速率。而Ghosh 課題組通過對(duì)濃硫酸中氯苯的傳質(zhì)研究也表明，傳質(zhì)系數(shù)隨攪拌速度和溫度的升高而增大，這是與Cox等的結(jié)果相吻合的。除傳質(zhì)外，從控制體系溫升的角度，大體積反應(yīng)器較小的比傳熱面積也限制了熱量移除速度，反應(yīng)物料需緩慢加入，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。Veretennikov等在兩個(gè)串聯(lián)釜式反應(yīng)器中對(duì)氯苯的連續(xù)硝化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在用75%～97%的硝酸硝化時(shí)硝基氯苯的收率均在97.5%以上。但為了提高轉(zhuǎn)化率，他們采用的相比為2.5，反應(yīng)后剩余大量廢酸需要處理；為避免溫升過高帶來的危險(xiǎn)，反應(yīng)的停留時(shí)間控制在45min以上。Kulkarni在總結(jié)各類硝化反應(yīng)特點(diǎn)時(shí)指出，欲在連續(xù)硝化裝置中將小時(shí)級(jí)反應(yīng)縮短到分鐘級(jí)，其單位體積的換熱面積將達(dá)到300～2540m/m，對(duì)應(yīng)的通道尺寸不應(yīng)超過1.6～13mm。

微反應(yīng)器流體通道尺寸小（10～400μm），相比于釜式反應(yīng)器有著更大的比傳熱面積，具有優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱性能，可以精準(zhǔn)地控制反應(yīng)溫度和停留時(shí)間，體積傳質(zhì)系數(shù)比釜式反應(yīng)器高出2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)。余武斌等在400μm 的連續(xù)微通道內(nèi)得出了氯苯硝化的較優(yōu)工藝條件，但由于停留時(shí)間較短，氯苯轉(zhuǎn)化率只有73.8%。此外，微反應(yīng)器的放大一般采用數(shù)增放大，設(shè)備制造和控制成本均較高。若將通道尺寸擴(kuò)展到毫米級(jí)，則可與傳統(tǒng)反應(yīng)器一樣實(shí)現(xiàn)尺度放大（如列管或套管）?；诜磻?yīng)器放大的需求，在內(nèi)徑為1mm 的微管式反應(yīng)器內(nèi)對(duì)氯苯進(jìn)行了連續(xù)流動(dòng)硝化，研究了溫度、混酸比（硝酸與硫酸的摩爾比）、相比（硝酸與氯苯的摩爾比）對(duì)反應(yīng)的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

氯苯硝化反應(yīng)是典型的芳香烴親電取代反應(yīng)，其宏觀反應(yīng)歷程可用圖1表述。

圖1 氯苯硝化宏觀反應(yīng)歷程

工業(yè)條件下的混酸硝化氯苯為非均相反應(yīng)。硝酸在濃硫酸的催化下生成硝酰陽(yáng)離子NO，氯苯從有機(jī)相傳遞到酸相中與NO+發(fā)生親電取代反應(yīng)，硝酰陽(yáng)離子NO+進(jìn)攻氯苯，與離域電子發(fā)生作用，產(chǎn)生π絡(luò)合物，然后π絡(luò)合物失去兩個(gè)電子，生成σ絡(luò)合物，最后σ絡(luò)合物去質(zhì)子化生成硝基氯苯，生成的硝基氯苯從酸相再返回到有機(jī)相中。在反應(yīng)過程中，兩相間的傳質(zhì)速率嚴(yán)重限制著宏觀反應(yīng)速率。因此，可以通過增強(qiáng)兩相間傳質(zhì)來強(qiáng)化反應(yīng)的進(jìn)行。另外，硝化體系內(nèi)硝酸的氧化、硝酸的分解、氯苯的二硝化反應(yīng)等副反應(yīng)共存，因此對(duì)溫度控制要求很高。釜式反應(yīng)器比傳熱面積小，傳熱性能差，這嚴(yán)重限制了生產(chǎn)效率的提高。而微管反應(yīng)器優(yōu)良的傳熱性能剛好可以解決這一難題。因此，從傳質(zhì)傳熱角度而言，在微管反應(yīng)器中進(jìn)行氯苯硝化反應(yīng)比傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器更具有優(yōu)勢(shì)。

1.2 材料與方法

1.2.1 材料

氯苯（AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%）；濃硫酸（AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）；硝酸（AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%～68%）；硝基苯（分析純）。

氣相色譜儀（安捷倫GC-7890）；質(zhì)譜儀（安捷倫MC-5977B）；Vapourtec 流動(dòng)合成儀（微管反應(yīng)器，反應(yīng)管內(nèi)徑為1mm，體積為10mL）

1.2.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

首先在連續(xù)流動(dòng)合成儀控制面板上設(shè)定好混酸、氯苯的流速和反應(yīng)溫度，待溫度穩(wěn)定后，開啟混酸與氯苯計(jì)量泵，使兩股物料在T形混合器中混合后進(jìn)入反應(yīng)管中進(jìn)行硝化反應(yīng)。反應(yīng)穩(wěn)定后將反應(yīng)混合物通入二氯甲烷中開始取樣并計(jì)時(shí)。到達(dá)設(shè)定的事件后停止取樣，并將樣品轉(zhuǎn)移到分液漏斗中進(jìn)行分液、洗滌。最后取有機(jī)相進(jìn)行定量分析并計(jì)算反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和各產(chǎn)物的收率。

1.3 分析方法

萃取產(chǎn)物采用氣相色譜儀（安捷倫GC-7890）-質(zhì)譜儀（安捷倫MC-5977B）聯(lián)用進(jìn)行定性分析，色譜條件為：HP-5 毛細(xì)管柱（30m×0.25mm）；N載氣（純度＞99.999%）；柱頭壓165.95kPa；H流速度30mL/min，空氣流速400mL/min。分流進(jìn)樣，分流比為10∶1。進(jìn)樣體積0.2μL；進(jìn)樣口溫度300℃。色譜柱升溫程序：80℃（保持2min），以15℃/min的速率升溫至300℃（保持5min）。質(zhì)譜條件為：離子源為電子轟擊電離（EI）源，離子源溫度230℃，四級(jí)桿溫度150℃，溶劑延遲2min。

定量分析采用安捷倫GC-7890 氣相色譜進(jìn)行分析，火焰離子化檢測(cè)器（FID），定量方法為內(nèi)標(biāo)法，選取硝基苯作為內(nèi)標(biāo)物。色譜條件與定性分析色譜條件相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 微管內(nèi)兩相流型

通道尺寸的減小導(dǎo)致流體在反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)情況發(fā)生很大的變化，Al-Azzawi 和Etminan 等的工作表明，如果非均相體系中兩相呈Taylor 流流型，則可極大地促進(jìn)傳質(zhì)的進(jìn)行。通過可視化實(shí)驗(yàn)以及在內(nèi)徑為1mm 微管反應(yīng)器中進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬，探究了氯苯和混酸在微管反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)和混合情況，其結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)表明，在本實(shí)驗(yàn)采用的內(nèi)徑為1mm的微管反應(yīng)器中，氯苯和混酸兩相呈現(xiàn)出Taylor流流動(dòng)，氯苯與混酸的交替出現(xiàn)，使兩相接觸面積增加，從而增強(qiáng)了相間傳質(zhì)。圖3(b)顯示兩相液塞中存在著內(nèi)循環(huán)，使得兩相界面連續(xù)不斷地更新，增強(qiáng)了兩相徑向傳質(zhì)。Sharikov 等的研究表明，氯苯采用不同濃度硝酸硝化時(shí)的反應(yīng)熱為141～154kJ/mol，介于73～253kJ/mol 之間，選擇內(nèi)徑為1mm 的微管反應(yīng)器，也滿足傳熱面積所要求的通道尺寸不大于1.6～13mm的范圍。

圖3 微管內(nèi)兩相流動(dòng)狀況

2.2 停留時(shí)間的確定

首先，在反應(yīng)溫度為80℃、相比為1.1∶1、混酸比為1∶2 的條件下，通過改變停留時(shí)間，探究其對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

從圖4中可以看出，隨著停留時(shí)間的增加，硝化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，從6min 開始轉(zhuǎn)化率的增長(zhǎng)速率開始減緩，其原因在于隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硝酰陽(yáng)離子NO+濃度逐漸降低，同時(shí)反應(yīng)生成的水返回到酸相后也會(huì)加劇NO+濃度的下降；一硝基氯苯的收率隨著停留時(shí)間的增加先增加再減少，在8min處達(dá)到最大值。

對(duì)停留時(shí)間10min的反應(yīng)混合物質(zhì)譜定性分析（圖5）表明，此時(shí)的反應(yīng)混合物中除未反應(yīng)的氯苯和主產(chǎn)物一硝基氯苯外，還存在二硝化副產(chǎn)物2,4-二硝基氯苯。這是由于停留時(shí)間高于8min后，一硝基氯苯進(jìn)一步硝化成二硝基氯苯的速率會(huì)大于其生成速率，導(dǎo)致二硝化產(chǎn)物增多。停留時(shí)間從6～8min，雖然轉(zhuǎn)化率增長(zhǎng)緩慢，但一硝基氯苯的收率一直在增加。綜合考慮，選擇停留時(shí)間為8min，此值小于Veretennikov 等在連續(xù)釜式反應(yīng)器中采用的停留時(shí)間，也遠(yuǎn)小于工業(yè)間歇釜中的反應(yīng)時(shí)間，說明微管反應(yīng)器中呈現(xiàn)的Taylor 流型極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)傳熱的進(jìn)行，促進(jìn)了宏觀反應(yīng)速率。

圖5 反應(yīng)混合的總離子流圖和各物質(zhì)質(zhì)譜圖

2.3 相比、混酸比對(duì)反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)中，固定停留時(shí)間8min，反應(yīng)溫度為80℃，通過改變相比、混酸比，考察其對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 相比對(duì)轉(zhuǎn)化率、收率的影響

圖7 相比對(duì)鄰對(duì)比和選擇性的影響

圖6(a)、(b)顯示，隨著硝酸用量的增加，氯苯轉(zhuǎn)化率、一硝化產(chǎn)物收率均逐漸增加，說明硝酸用量的增加有利于反應(yīng)的進(jìn)行；在相同的相比下，混酸比為1∶2 情況下的氯苯轉(zhuǎn)化率、一硝化產(chǎn)物收率、總收率均高于混酸比為1∶1.5，說明硫酸用量的增加有利于硝酰陽(yáng)離子生成，加快了反應(yīng)速率。另外混酸比越高，生成二硝基氯苯所需的相比越低，在混酸比為1∶1.5的情況下，相比高于1才會(huì)生成二硝基氯苯，而在混酸比為1∶2 的情況下，相比只需高于0.8。綜合考慮，在氯苯轉(zhuǎn)化率盡可能高、又沒有二硝化產(chǎn)物生成的情況下，選擇相比=1∶1、混酸比=1∶1.5。

圖7顯示隨著硝酸的增加，一硝基氯苯的鄰對(duì)比沒有明顯的變化，在0.7～0.8 之間波動(dòng)，而釜式反應(yīng)器中一硝基氯苯的鄰對(duì)比在0.5 左右，所以在微反應(yīng)器中更有利于鄰硝基氯苯的生成。原因在于微反應(yīng)器通道尺寸減少，傳遞過程加強(qiáng)，削弱了氯苯硝化反應(yīng)中的位阻效應(yīng)，提高了鄰硝基氯苯的選擇性；一硝基氯苯的選擇性隨硝酸和硫酸用量的增加沒有明顯變化，均高于90%。

2.4 溫度對(duì)反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度作為既影響硝化反應(yīng)速率又影響產(chǎn)物選擇性的因素，對(duì)與氯苯硝化過程尤為重要。前期探究中反應(yīng)溫度過高或過低都會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生不利影響，當(dāng)溫度低于40℃時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)會(huì)有固體析出，堵塞通道，使反應(yīng)器內(nèi)壓力迅速升高；若溫度高于90℃后，反應(yīng)器內(nèi)有氣體產(chǎn)生，硝酸分解嚴(yán)重。所以本實(shí)驗(yàn)在50～90℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。固定反應(yīng)器為10mL，分別在混酸比為1∶1.5和1∶2的條件下探究了不同溫度下氯苯硝化的反應(yīng)情況，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖9 混酸比1∶2時(shí)溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

如圖8(a)、(b)所示，氯苯轉(zhuǎn)化率、一硝基氯苯收率隨溫度升高而逐漸增加，表明適當(dāng)升溫有利于反應(yīng)進(jìn)行。相比為1∶1 時(shí)，從80℃升高到90℃，一硝基氯苯收率有所下降，原因在于溫度高于80℃后，二硝化反應(yīng)速率迅速增加，二硝化產(chǎn)物大量生成。從80～90℃氯苯轉(zhuǎn)化率有所增加，但增長(zhǎng)速率緩慢；圖8(c)所示一硝基氯苯鄰對(duì)比隨溫度增加沒有明顯變化，在0.7～0.8之間波動(dòng)；圖8(d)顯示一硝基氯苯的選擇性隨溫度升高沒有明顯變化，但一硝基氯苯的選擇性均高于90%。綜合考慮反應(yīng)溫度定為80℃較適宜。

圖8 混酸比1∶1.5時(shí)溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響

如圖9(a)、(d)所示，氯苯轉(zhuǎn)化率、總收率隨溫度升高逐漸增加。圖9(b)顯示一硝基氯苯的收率隨溫度先升高后降低，原因在于在80℃后有二硝化產(chǎn)物生成，導(dǎo)致一硝基氯苯收率下降。溫度對(duì)一硝基氯苯鄰對(duì)比的影響依舊在0.7～0.8 之間波動(dòng)，與溫度沒有明顯的相關(guān)性；如圖9(c)所示，二硝基氯苯的生成與溫度和相比有著緊密的聯(lián)系，當(dāng)溫度高于80℃后，無(wú)論硝酸用量多少，都會(huì)有二硝化產(chǎn)物生成；若相比為1∶1時(shí)，從50～90℃，一直有二硝基氯苯生成且逐漸增加，導(dǎo)致一硝基氯苯的選擇性下降。

3 結(jié)論

（1）探究了微管反應(yīng)器中氯苯的混酸硝化反應(yīng)，研究了相比、混酸比、溫度對(duì)氯苯轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物收率、一硝基氯苯鄰對(duì)比和選擇性的影響，并確定了最佳工藝參數(shù)：停留時(shí)間8min、相比=1∶1、混酸比=1∶1.5、溫度80℃，氯苯單程轉(zhuǎn)化率為81.24%，一硝基氯苯的選擇性為93.77%。

（2）微管反應(yīng)器中一硝基氯苯的鄰對(duì)比不受溫度、相比等影響，在0.7～0.8 之間，說明微反應(yīng)器中鄰硝基氯苯的選擇性升高，原因在于微反應(yīng)器的通道尺寸減少，降低了氯苯硝化過程的位阻效應(yīng)。