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微通道反应器在氯苯硝化反应中的应用

更新时间:2022-01-27 点击数:485

【概要描述】微通道反应器在氯苯硝化反应中的应用  氯苯硝基化合物是用途极为重要的有机化工原料,广泛用于合成染料、颜料、医药、农药、橡胶助剂、工程塑料等。工业硝化方法主要有:稀硝酸硝化、浓硝酸硝化、非均相混酸硝化和有机溶剂中硝化等几种方法。目前由于国内生产厂家逐年增加,老厂挖潜改造多出产品,产量猛增,产品市场竞争激烈。氯苯硝化反应是一个成熟的化学反应,工业化过程中存在明显问题,如会产生大量废酸、选择性不理想等。

    氯苯硝基化合物是用途极为重要的有机化工原料,广泛用于合成染料、颜料、医药、农药、橡胶助剂、工程塑料等。工业硝化方法主要有:稀硝酸硝化、浓硝酸硝化、非均相混酸硝化和有机溶剂中硝化等几种方法。目前由于国内生产厂家逐年增加,老厂挖潜改造多出产品,产量猛增,产品市场竞争激烈。氯苯硝化反应是一个成熟的化学反应,工业化过程中存在明显问题,如会产生大量废酸、选择性不理想等。为此,对微通道反应器内芳烃硝化反应进行研究,具有积极的意义。

1、机理解析

    氯苯硝化作为典型的芳香族亲电取代反应,用PM3量子化学方法计算,对位与邻位电荷比间位更负,因此确化反应过程,硝酰阳离子N02+优先进攻邻位和对位,所得产物也是邻对位为主。

    氯原子是钝化苯环的邻、对位定位基,氯苯硝化情况比较特殊。N02+进攻氯苯时,先与离域电子发生作用,并生成π络合物,此时无新键生成。然后,π体系中两个电子被夺走,并形成σ键,生成σ络合物。σ络合物不稳定,容易失去一个质子,生成能量较低的离域闭合共辆体系。反应过程中,转化成σ络合物以及失去质子过程是快速进行,而π络合物过程较慢,决定着整个反应的速率。

    按电子效应观点,硝化过程中的过渡态或σ络合物的稳定性各不相同,所以各位置被取代难易程度不同。氯原子具有较强的吸电诱导效应,苯环电子云密度降低,

    因此对亲电取代反应不利。但从反应过程中,所产生的σ络合物来看,Id和IId特别稳定。因此,氯苯亲电取代反应,虽比苯难进行,但仍主要发生在氯原子的邻、对位。

    按空间效应观点,氯原子体积较大,对N02+的邻位有阻碍作用,因此减少了邻位产物生成。

2、微通道内反应过程

    相对于传统的批次反应工艺,其具有快速混合、高效传热、窄的停留时间分布、重复性好、系统响应迅速、便于自动化控制、几乎无放大效应及高安全性能等优势。氯苯硝化为快速强放热反应,在传统的反式反应器中,存在反应放出的热量不能及时释放、反应温度不能精确控制、反应液揽拌不均匀等缺点,容易造成副反应发生、工艺操作复杂、生产安全等问题。在微通道反应器中,尺寸微型化强化了设备的传热、传质过程,并实现工艺的连续化。实验研究原料配比、反应温度、体积流速等主要因素对氯苯转化率、选择性等的影响。

2.1 选择性比较

    实验中,在微通道反应器和常规反应器各自较优工艺条件下。

    在微通道反应器中,氯苯单程转化率虽相对较低,但所得到产物中邻位选择性有明显提高,且副产物相对较少。分析原因,尺寸被微型化的微通道反应器,强化了传热、传质过程,弱化了反应中邻位空间位阻效应,利于生成邻硝基氯苯,提高了氯苯邻位选择性。

2.2 时空转化率比较

    时空转化率(STC)定义为:STC=△n/(V.h)mol.m-3.h-1,即反应物在单位体积、单位时间内转化为产物的摩尔数,是衡量反应器装置生产能力的标志之一。实验中,在各自较优工艺条件下,比较微通道反应器与常规反应器中氯苯确化反应时空转化率。

    微通道反应器中时空收率相对较高,比常规反应器约高4个数量级。在扩大产率和生产时,只需分别串联和并行增加微通道反应器的数量,即所谓的“数量放大”。

 


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