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(lǐng)域的大規(guī)模生產(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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?lián)Q熱不及時反應釜飛溫。由于反應的不同，很多反應結(jié)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)開始在行業(yè)內(nèi)推廣連續(xù)硝化工藝，但直到現(xiàn)在，連續(xù)硝化工藝在行業(yè)內(nèi)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(jù)市場行情隨意更改工藝路線，生產(chǎn)銷量更大的其他產(chǎn)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(jù)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(guān)于開展爆炸性化學品生產(chǎn)裝置安全評估的通知》，決定在全省范圍內(nèi)開展爆炸性化學品生產(chǎn)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(chǎn)裝置。在項目建設(shè)篩選過程中，企業(yè)應該選擇本質(zhì)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(chǎn)，勢必導致社會上產(chǎn)品嚴重缺乏，價格走高，可能一些不具備安全生產(chǎn)規(guī)范的廠家為了利益違法違規(guī)進行生產(chǎn)，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(shù)是一項新型的環(huán)保的化工技術(shù)，與傳統(tǒng)化學工業(yè)技術(shù)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)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(lǐng)域的高度重視[3,4]。微通道反應器是利用精密加工技術(shù)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(nèi)部特殊的通道結(jié)構(gòu)可以大幅強化傳質(zhì)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(xiàn)根據(jù)不同工藝進行定制化，精確控制反應器內(nèi)溫度、系統(tǒng)壓力、原料及硝化劑流量、冷媒流量、pH值等參數(shù)，做到反應系統(tǒng)溫度壓力的報警和聯(lián)鎖、自動進料控制和聯(lián)鎖等，還設(shè)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(chǎn)。
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(chǎn)物選擇性結(jié)果見表1。
由氯苯經(jīng)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(jié)晶法精制即得商品2,4-二硝基氯苯。大規(guī)模生產(chǎn)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(xiàn)本質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)很穩(wěn)定，雜質(zhì)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(chǎn)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(shù)，實現(xiàn)工藝過程的自動控制和主要參數(shù)指標的自動報警自動停機，可以實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。5) 節(jié)約占地：撬裝化的設(shè)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(shè)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.
