向有機分子的碳原子上引入硝基的反應稱作硝化反應。硝化反應在化學工業(yè)中應用廣泛、發(fā)展迅速，尤其是炸藥及含能材料領域的大規(guī)模生產中，科學家們對硝化反應的研究不斷深入，硝化理論體系不斷趨于完善[1,2]。在芳環(huán)和雜環(huán)上引入硝基的目的主要有三個方面：1) 將引入的硝基轉化為其他的取代基，例如硝基還原，是制備芳伯胺的一條重要的合成路徑。2) 利用硝基的強吸電性使芳環(huán)上的其他取代基（特別是氯基）活化，易于發(fā)生親核置換反應。3) 利用硝基的特性，賦予精細化工產品的某種特性，例如染料的顏色加深，作為藥物、炸藥或溫和的氧化劑等。硝化工藝主要分為間歇硝化和連續(xù)硝化工藝。間歇硝化工藝，采用滴加混酸或原料的方式至反應釜中，保證硝化反應在合適溫度進行，避免滴加速度過快導致換熱不及時反應釜飛溫。由于反應的不同，很多反應結束后會有未反應完的原料進入分離器中，在高溫狀態(tài)下繼續(xù)反應，導致反應器升溫，給整個生產過程帶來危險。連續(xù)硝化工藝，可以通過遠程自動控制，連續(xù)加料、反應、分離，反應過程貫穿了整個生產工藝，避免重復投料、出料過程，反應物料配比準確、工藝指標穩(wěn)定，生產效率大幅提高，且工人勞動強度大幅降低。國家早在“十二五”期間就已經開始在行業(yè)內推廣連續(xù)硝化工藝，但直到現在，連續(xù)硝化工藝在行業(yè)內的應用比例仍不高。有專家指出：企業(yè)堅持采用間歇式硝化工藝的很大原因是可以根據市場行情隨意更改工藝路線，生產銷量更大的其他產品。同時，很多化工企業(yè)對硝化工藝的危險性認識不足，存有僥幸心理，缺乏進行工藝升級改造的動力。硝化反應在小試或者中試時，反應器較小、物料均勻、反應溫度好控制。一旦工業(yè)化，反應釜體積增大，放大效應明顯，風險會大大增加。但目前外界對硝化工藝誤解很深，一提到硝化，就認為是非常危險的過程。硝化工藝的確是一個典型的放熱反應，具有一定的危險性，但是也絕對不應該被一刀切，需要根據具體的工藝情況進行區(qū)分。對具體工藝進行風險評估是非常有必要的。地方政府特別是化工大省山東、浙江、江蘇，都相繼出臺了不少細致嚴格的政策。如2018年初山東省安監(jiān)局下發(fā)《關于開展爆炸性化學品生產裝置安全評估的通知》，決定在全省范圍內開展爆炸性化學品生產裝置安全評估，評估范圍包括：全省涉及硝基化合物、環(huán)氧化合物、過氧化物、偶氮化合物等自身具有爆炸性的化學品生產裝置。在項目建設篩選過程中，企業(yè)應該選擇本質安全的工藝，禁止不安全工藝動工。如果對行業(yè)進行一刀切式的禁止生產，勢必導致社會上產品嚴重缺乏，價格走高，可能一些不具備安全生產規(guī)范的廠家為了利益違法違規(guī)進行生產，最終導致更大的危害。以微通道反應器為代表的微化工技術是一項新型的環(huán)保的化工技術，與傳統(tǒng)化學工業(yè)技術相比，能夠實現更環(huán)保而且占地面積非常小，同時又能合理利用資源不會造成能耗高，已引起能源化工、環(huán)境工程等自然科學界其他領域的高度重視[3,4]。微通道反應器是利用精密加工技術制造的特征尺寸在幾十微米到幾毫米之間的連續(xù)反應器，其內部特殊的通道結構可以大幅強化傳質效果，為硝化反應的精確、穩(wěn)定、安全進行提供了可行的解決方案。連續(xù)流微通道反應器可以實現根據不同工藝進行定制化，精確控制反應器內溫度、系統(tǒng)壓力、原料及硝化劑流量、冷媒流量、pH值等參數，做到反應系統(tǒng)溫度壓力的報警和聯鎖、自動進料控制和聯鎖等，還設有泄爆管和緊急排放系統(tǒng)。下圖為山東豪邁公司為浙江某企業(yè)定制的連續(xù)流硝化反應工廠，目前已穩(wěn)定生產。
在微反應器中以吡唑為原料，乙酸酐-硝酸作為硝化劑，進行硝化反應制備N-硝基吡唑。在反應溫度55°C，進料摩爾比n(硝酸):n(吡唑)=1.1:1，乙酸酐與硝酸體積比5.5:1,停留時間150s的條件下，吡唑硝化達到最優(yōu)效果，此時N-硝基吡唑的收率為92.2％，純度99.5%。實驗中，在微通道反應器和常規(guī)反應器各自較優(yōu)工藝條件下，比較產物選擇性結果見表1。
由氯苯經兩步硝化而得，先用氯苯萃取一硝化廢酸，將萃取氯苯與二硝化廢酸混合，在滴加一硝化混酸在70 ℃行一硝化，分離出一硝基物再用二硝化混酸在50~100 ℃進行二硝化，即得到二硝基物，然后用冷卻結晶法精制即得商品2,4-二硝基氯苯。大規(guī)模生產時，更適合采用微通道反應器連續(xù)硝化法。對于危險工藝-硝化反應，使用連續(xù)流反應器可以實現本質安全，優(yōu)勢明顯。1) 效率提升：使用微反應器之后極大縮短了反應時間，提升了效率。一般需要幾分鐘就可以得到較高的轉化率和選擇性；2) 穩(wěn)定性：使用微通道連續(xù)流反應器之后，制備的化合物品質很穩(wěn)定，雜質的種類減少，含量穩(wěn)定，這對于制藥企業(yè)是一個很大的優(yōu)勢；3) 安全性：一是持液量低，二是反應停留時間短，爆炸性混合物產生的概率也大幅度降低。4) 自動化程度提高：精確控制反應參數，實現工藝過程的自動控制和主要參數指標的自動報警自動停機，可以實現現場無人值守。5) 節(jié)約占地：撬裝化的設計理念，將進料系統(tǒng)、反應系統(tǒng)、控制系統(tǒng)集成在一起，將占地幾百平米的傳統(tǒng)反應裝置，濃縮至幾平米的空間，極大的節(jié)約了設備的占地面積。[1] 方東, 施群榮, 鞏凱,等. 芳香族化合物綠色硝化反應研究進展[J]. 含能材料, 2008, 16(1):103-112.[2] 劉金強, 錢超, 張濤,等. L-4-硝基苯丙氨酸的合成研究[J]. 高?；瘜W工程學報, 2009, 23(6):1007-1012.[3] Hessel V, Hardt S, L we H. Chemical micro process engineering: fundamentals, modeling and reactions [J]. Weinheim: Wily-VCH, 2004.[4] Hessel V, L we H, Muller A, et al. Chemical micro process engineering: processing and plants [J]. Weinheim: Wily-VCH, 2005.
