5+級硝化、釜式反應有火花，如何進行連續(xù)流工藝開發(fā)？

更新時間：2022-03-24 點擊次數(shù)：3070

研究背景

硝氧乙基硝胺族化合物(NENAs)兼有硝胺和硝酸酯的雙重結(jié)構(gòu)，是一類含能化合物。

該類化合物具有良好的熱化學特性,對硝化棉(NC)有優(yōu)良的增塑能力，目前比較熱門的是將其應用于發(fā)展高能和低易損性?；?/span>。

NENA的合成具有以下特點：

美國NALAS工程服務公司是康寧反應器認證實驗室，該實驗室具有較強的反應過程安全風險分析和危險化合物工藝開發(fā)的能力。

今天我們就來看看Nalas的化學家，是如何對NENA合成這一類高危工藝進行安全風險評估和本質(zhì)安全工藝開發(fā)的。

圖1.NENAs的釜式合成

反應熱研究：

研究者首先對該反應做了反應熱的研究（如下圖2）

經(jīng)過RC1反應量熱儀的研究可以看到，該反應的放熱量大于500KJ/KG，絕熱溫升200°C以上。該反應是一個5+級風險反應，在反應釜中有明顯的火花。

在使用康寧G1反應器的初步實驗時，同樣也看到了火花（右下圖）。這說明如果直接使用微通道反應器仍然存在安全風險，所以必須要對反應過程進行分析和優(yōu)化！

圖2. 對第一步反應放熱研究

反應物反應過程分析

為了更好的探索反應過程，研究者應用Flow NMR和Raman Spectroscopy – ConcIRT（原位拉曼光譜）（連續(xù)核磁）監(jiān)測胺鹽和硝酸酯的鹽及整個反應體系的變化。

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，反應中間產(chǎn)物為兩種物質(zhì)：硝酸酯和硝胺鹽，后者的放熱相對較低。整個反應體系到了2000秒后反應趨于平穩(wěn)，加入硝酸后也基本不再反應，此時反應并未*。

通過分析發(fā)現(xiàn)，反應混合液中的水能夠抑制硝酸酯的產(chǎn)生。所以，可以通過后期在反應體系中加入醋酐脫除過程中的水使反應*。

圖3.胺鹽和硝酸酯的鹽及整個反應體系的變化

連續(xù)流工藝開發(fā)

連續(xù)流工藝研究：

1. 滴加底物到稀硝酸中避免第一步硝酸酯產(chǎn)生：避免局部放熱、閃爆

2. 第二步再加醋酐（脫水）形成硝酸酯

3. 繼續(xù)第二步生成目標產(chǎn)物

針對連續(xù)化工藝條件的確立，經(jīng)過量熱儀的測試采用稀硝酸控制第一步水的含量，可以減少40%的熱量.

最終采用“雙溫區(qū)、稀硝酸、底物分步加料"，實現(xiàn)了微通道反應器上的連續(xù)穩(wěn)定操作。

圖4：應用康寧反應器合成含能材料硝氧乙基硝胺族化合物

結(jié)果與討論

該反應的實現(xiàn)很重要的一點是對整個反應過程機理的充分研究和理解。對反應過程的研究需要關注:

觀察反應現(xiàn)象，康寧G1玻璃反應器*的材質(zhì)和設計使整個反應過程都可以用人眼觀測到；
連續(xù)化、實時分析：應用在線分析手段（在線核磁、反應熱分析儀器、在線紅外、在線拉曼光譜等）對反應整個反應過程進行實時連續(xù)化的監(jiān)測與分析；
弱化反應條件，用稀硝酸代替濃硝酸消除熱點，根據(jù)過程分析，用醋酐調(diào)節(jié)反應體系的水分，有針對性地優(yōu)化反應，保證整個工藝的安全性。

康寧反應器技術(shù)開放的系統(tǒng)可以與多項在線分析技術(shù)聯(lián)用實現(xiàn)速度與精準的結(jié)合；
該項目目前應用的是康寧G1反應器，康寧反應器無縫放大的技術(shù)優(yōu)勢為后續(xù)實現(xiàn)更大量產(chǎn)的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)可能。

參考文獻：D. am Ende, J Salan, M. Jorgensen, A. Pearsall Presented at AIChE National Meeting， Orlando，F(xiàn)L， Nov 13，2019

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