超声连续流微反应器在硝化工艺中的应用

化工过程强化是实现化工工艺高效、节能、环保、安全的重要手段。作为两种典型的过程强化技术，微反应器和超声在减小反应体积、提高过程安全性和能量效率上有优势，大量研究证实声化学技术在乳化、萃取、降解、催化等过程中具有强化作用，但迄今鲜有大规模工业化应用的实例。

微反应器具有体积小、比表面积大、热传递速率快、操作安全、易于放大等优点，目前已经适用与各种高危反应类型中，如硝化、氧化、氯化等。但微反应技术在工业开发中也存在一些亟待解决的技术难题。微反应器内部特殊的流道使得这种反应器加工成本高、压降大、操作弹性差;同时，复杂的内部结构和小特征尺寸使微反应器更容易被固体颗粒或粘稠物堵塞，尤其在弯折、分支交叉等结构处。解决这些问题最有效的办法是引入外加的机械搅拌，在通道中产生局部对流以防止堵塞，进一步强化混合与传质，但传统的机械搅拌在微反应器中难以实现。对此，本公司针对这种情况提出了理想的解决方案--向微反应器内引入超声场。

超声具有穿透性好、能量密度高、安全可靠等优点，且其声空化作用已被广泛应用与传统化工设备中混合、传质以及化学反应的强化中，将超声引入微反应器中，其声空化效应不仅能解决微反应器的堵塞问题，还可以强化传质混合、增加操作弹性。

酚是羟基(-OH)与芳烃核(苯环或稠苯环)直接相连的有机化合物，而以硝基酚为核心的硝基芳香化合物是有机化学与生命科学非常重要的组成部分，它广泛存在于抗生素、有机染料、炸药、杀虫剂以及塑料和制药工业中。酚羟基对于苯环上氢原子的影响导致酚类有机化合物的硝化会生成其他异构体，甚至发生多个氢原子被硝基取代的现象。这是由于酚类有机化合物的传统釜式滴加硝化耗时长、反应放热量大、硝酸用量多、而且会发生次级反应产生副产物，另外对于部分酚类衍生物的硝化采用常规连续流反应器反应可能还会产生大量固体导致反应器堵塞。

超声连续流反应器进行硝化的优势：

1.反应时间短，避免了釜式反应由于反应时间长而产生的副产物。

酚类化合物的釜式硝化需要在低温下滴加硝化剂，控制釜内低温，若温度高则可能产生二硝产物，若反应时间长会发生次级产物副产物难以除去，采用超声连续流反应器硝化仅需几分钟甚至几十秒，能够解决由于时间问题而产生的副产物。

2.超声反应器内部的特殊结构解决了固体颗粒堵塞反应器的问题。

对于部分硝基酚类化合物在有机溶剂中的溶解度非常小，因此在反应过程中产物会直接以固体颗粒的形式存在，采用常规的连续流反应器硝化固体颗粒会聚集堵塞，而外加超声场后，由于超声的声空化效应使得产物在溶液中均匀混合，避免了物料粘稠堆积而堵塞。

3.反应器体积小，反应控温精确，局部过热风险小。

中试级超声连续流反应器占地面积小，超声振子及反应器集成一体，内部采用循环水控温，大大降低了反应所需能耗，在一定程度上降低了生产成本。

超声连续流反应器实物图(中试级)

微反应器与超声强化技术存在互补性，两者结合具有协同强化效果，为酚类(以及衍生物)有机化合物的硝化解决了各种难题，两种强化技术集成，形成一种更高效、更稳定、更具有工业化前景的过程强化技术。