间歇VS连续：萘的连续流硝化反应过程，结合了超温与工艺安全的对比解析|传质|反应器|混酸|硝化反应|连续流|间歇

芳香族化合物混酸硝化被广泛应用于生产药物、染料、炸药、农药等一系列必需的中间体。但大多数硝化过程是快速和高放热的，且许多产物具有热分解特性，这是相当危险的。作为重要的中间体之一，1-硝基萘目前是在间歇式反应器中由混酸硝化萘生产。考虑到反应过程中的安全问题，反应通常采用将混酸缓慢滴入有机底物中的方式进行，从而降低了生产效率。因此，有必要通过工艺强化来提高生产效率和反应安全。

流动化学作为一种过程强化技术，近年来在化学和制药工业中受到越来越多的关注。由于增强了混合和传热能力，具有较小特征尺寸和较大比表面积的连续流动微反应器被认为是进行这种快速和放热反应的优秀工具。近年来，许多研究人员结合芳烃硝化的各种需求和微反应器的优点，成功地实现了硝化过程的强化。许多研究人员对微反应器中的各种硝化反应进行了反应增强或动力学研究，其中一些人通过编排或尺寸放大的方法实现了过程放大。然而，在连续流动模式下，很少有人将反应过程中的超温与工艺安全结合起来，并通过实验将流动模式与间歇模式进行了比较。

文中结合过程优化和工艺安全性，系统地研究了从微型反应器到中型流动反应器萘连续流硝化合成1-硝基萘的反应过程。首先，在微型反应器中考察了硝酸与萘的摩尔比、停留时间、反应温度和硫酸强度对反应过程的影响。通过研究最佳条件下的表观反应速率常数，将能量守恒方程与质量守恒方程耦合，快速估算出最佳条件下沿微通道的反应温度分布。然后在考虑过程安全的前提下，采用放大尺寸策略对过程进行放大，并利用实时温度监测系统研究了最佳工况下中尺度流动反应器内的温度分布。最后，对半分批模式和连续流模式进行了比较，说明了连续流反应器在生产效率和固有安全方面的优越性。

微反应器中反应条件的优化：文中系统地研究了硝酸与萘的摩尔比、反应温度、硫酸强度和停留时间等工艺参数对反应转化率和选择性的影响。反应温度控制在30−50°C内，硫酸强度为74%−82%，停留时间设定为10−120 s。

1、摩尔比的影响

随着摩尔比的增加，转化率急剧增加。随着摩尔比的增加，水相中NO2+的浓度显著增加，反应速率增加。在相同的停留时间内，反应转化率显著提高。但是选择性随着摩尔比的增加而降低。对于萘的单硝化反应，主要的副反应包括二硝化反应和2-硝基萘的生成。前者为连续性副反应，后者为平行性副反应。随着摩尔比的增加，主反应和副反应同时受到动力学正效应的促进。摩尔比的增加也导致热点的出现增加，进一步增加了二硝化的可能性。在这种情况下，主产物的选择性下降。且在生产过程中过量使用硝酸会带来大量废弃的无机酸流，对环境不利，难以处理和回收。最终选择74%的硫酸强度作为后续研究的初始硫酸强度。

2、停留时间和反应温度的影响

随着停留时间的增加，反应时间变得更长，反应转化率迅速增加。并且根据Arrhenius公式，随着反应温度的升高，反应速率将会上升。对于非均相反应，反应温度的升高导致分子扩散系数的升高，两相之间的传质效果更好。因此，当反应温度较高时，在相同停留时间下反应转化率较高。随着反应的进行，1-硝基萘在有机相中占主导地位，二硝化反应的可能性增加。对于非均相反应，引起副反应的两个主要因素是传质不良和局部热点。反应温度的升高加快了反应速率，局部热点的出现增加，增加了二硝化反应的可能性。同时，对于平行侧反应，随着反应温度的升高，达到反应所需能量的可能性增加。因此，1-硝基萘的选择性随温度的升高而降低。

3、硫酸强度的影响

硫酸不仅在反应中起到吸水的作用，而且还可以作为催化剂有效地促进反应。在相同的停留时间下，反应转化率随着硫酸强度的增加而增加。这是因为当硫酸强度增加时，水相中的硫酸浓度增加，反应中产生的水稀释效应降低。同时，硫酸强度的提高对硝酸质子化起到催化作用。但1-硝基萘的选择性随着硫酸强度的增加而降低得越来越快。这是因为硫酸强度的增加也会在硝化反应和平行副反应中起到催化作用，使最初需要更严格反应条件的副反应更有可能发生。同时，随着反应速率的加快，传热效率已不能满足传热要求。反应过程中热点的出现增加，提高了二硝化反应的可能性。

连续流动微反应器的传热评估：在流动反应器中，反应温度对反应产率起着决定性的作用。此外，人们普遍认为反应温度与反应安全密切相关。然而，对于内径为0.8 mm的微反应器，利用热电偶获得温度分布是非常困难的。因此，通过将萘硝化反应的热平衡方程与反应动力学方程耦合，可以大致估算出反应的转化率和沿通道的温度分布。

1、动力学研究

由于微反应器具有较好的传质效果，非均相硝化反应可以看作是发生在水相中的假均相反应，反应级数遵循芳香族化合物硝化反应中广泛接受的二级反应。表观反应速率常数仅取决于反应温度。在恒定的反应温度下，系数G应该与t成线性关系，斜率为表观速率常数kapp。通过计算不同反应时间的反应转化率得到散点图，并利用Origin软件的线性函数进行拟合得到了表观速率常数。

2、传热评估

利用Mathematica软件求解热平衡方程和反应速率方程，得到反应转化率和温度沿反应器通道的分布情况。实验转化率与预测值之间有很好的一致性，表明拟均匀假设是可行的，得到的表观反应速率常数可以满足快速估算的需要。在不考虑径向传热和进口效应的情况下，反应通道的最高温升仅为3.78°C，几乎没有超温现象，这与最佳反应条件下的高收率相一致。

中尺度流动反应器中的反应：在亚毫米级微反应器的研究基础上，将实验放大到带有温度测量装置的连续流试验平台。当反应器内径由0.8 mm增大到4 mm时，传质传热性能无疑会下降。在这种情况下，体积流量开始对反应产生很大的影响。对于萘硝化反应，最高温度总是出现在第一反应模块。随着体积流量的增加，第一个反应模组的出口温度上升。这是因为由于体积流率增加，反应温度的最高点向后移动，第一个反应模块的温度测量点将更接近最高温度点。其次由于流量的增加，传质能力增加，传质限制的反应时间减少，第一反应模块中的快速反应每单位时间释放更多的热量，导致反应温度升高。

然后，通过将热平衡方程与动力学方程相结合，快速估计了在中试平台上进行的实验的温度分布。在反应过程中通过快速估算预测的最高温度升高为22.13°C。它发生在第一反应模块的中间部分。然而，当反应物混合物流过第一个热电偶时，其预测温升与实验温升有显著差异。然后从最高温度开始，反应温度在实验和预测中均呈现相同的下降趋势，先快后慢。其主要原因是随着内径的增大，单位体积的换热效率不可避免地下降。因此，外壁温度不能与冷却液温度一致。相反，外壁温度将上升到一个更高的温度和进一步加速反应。同时，反应液与通道壁之间的温差减小，在快速放热阶段反应温降速度减慢。其次，由于中试平台的预热温度不能保持在30°C，实际反应温度为33°C，反应速度较快，实际反应温升应较高。最后，反应初期温度迅速上升。根据阿伦尼乌斯公式，反应速率进一步上升，反应温度应高于预测值。预计实际反应过程中的最大升温幅度将大大高于实验测得的17.10°C。

随着体积流率的增加，反应转化率显著上升。这是因为当反应器的生产能力随着反应器内径的扩大而增加时，反应器的传质能力减弱，反应更有可能受到传质的控制。随着体积流率的增加，两相携带的动能增加，流动碰撞变得更加强烈，提高了传质能力。因此，反应转化率增加。同时随着体积流率的增加，1-硝基萘的选择性先增加后减少。当传质能力较差时，硝化反应更容易发生。萘不能及时从有机相向水相扩散时，1-硝基萘优先与NO2+反应生成二硝基萘。体积流率的增加提高了体系的传质系数，从而提高了反应的选择性。然而，当体积流率达到一定值时，萘在停留时间结束前已完全转化，在反应猝灭前只能发生二硝化反应，因此选择性在停留时间结束时呈下降趋势。

间歇反应器中的反应：对于萘的硝化反应，传统的生产方法是半间歇反应。随着混酸的加入，反应液颜色逐渐加深，开始分层。从反应的表观分层可以看出，传统的间歇式反应器难以满足非均相快速反应的传质要求。

随着混酸投量的增加，反应迅速进行，释放出大量的热量。因此，反应温度在加料初期迅速升高，导致反应速率上升，热释放速率相应增加。当混酸加入量为1012 s时，反应热释放速率qr等于传热速率qtrans，Tr达到最高值50.93 °C。随后，有机相浓度的降低对反应速率起主导作用，水的产生导致NO2+浓度降低，从而使传热速率满足传热要求，反应温度开始下降。加料结束后，温度下降趋势迅速降至设定温度。在整个反应过程中，反应体系温度超过设定温度15°C的时间占总投料时间的93.3%，温度超过设定温度10°C的时间占总反应时间的52.91%。最大温升为20.93 °C。间歇反应器长期超温会增加反应风险，降低产量。

半间歇反应中原料的转化率达到100%，1-硝基萘的选择性为86.85%，2-硝基萘和二硝化产物分别占总产物的4.30%和8.86%。在间歇式反应器中，当反应速度较快、传质控制时间较长、1-硝基萘与硝酸反应生成二硝基萘的数量较多时，传质能力难以满足传质要求。

流动反应器与间歇反应器的比较：对于半间歇反应，为了确保反应完全，整个反应过程长达80分钟。而在连续流反应中，只需120秒即可达到相同的转化率和较高的选择性，使连续流反应的时空收率比半间歇反应高2个数量级。但流动流模式下的反应产率并不比间歇反应器高多少，这与中试规模流动反应器反应过程实际温升有关。关于本质安全，尽管两个反应器测量的反应过程最高温度相似，但连续流反应器可以迅速将反应温度降至40°C以下。与间歇反应器中超长超温时间相比，连续流模式的超温时间在30-60 s之间。

对于传统的间歇反应，反应过程的温度和转化率往往与反应时间有关。因此，反应速率只能看作是反应时间的函数。然而，对于连续流反应，反应过程中的温度分布和转化率随着反应条件的变化而沿着通道变化，因此连续流动模式的反应速率可以看作是空间的函数。相对于时间，空间改变反应速率，可以更容易处理反应过程中可能发生的超温甚至热失控问题。对于快速放热反应，例如萘的硝化反应，反应速度最快的反应模组通道材料可以用热导率较高的通道材料代替，以确保反应过程中的壁温尽可能与冷却剂的温度保持一致。通道的直径在反应的初始阶段可以减少，以获得更高的整体传热系数。甚至第一反应模块的温度控制可以单独进行，以实现整个反应过程的安全。因此，与间歇反应器相比，连续流反应器具有更高的安全性和效率。

Study on Continuous Flow Nitration of Naphthalene.

Feng Xu, Zhiquan Chen*, Lei Ni, Gang Fu, Jian Liu, and Juncheng Jiang*

Organic Process Research & Development(IF 3.4) 2023.

https://doi.org/10.1021/acs.oprd.3c00282

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