微通道反应器内硝化反应合成酮麝香的工艺研究

微通道反应器是微型化学反应单元,具有高效混合、传热和传质效率高、严格控制反应时间、易于放大、连续操作生产效率高、安全系数高等特点,微通道反应器在有机合成反应中适用于那些强烈放热、高温高压的反应工艺,广泛涉及到精细化工和制药等领域。高端人工香料酮麝香的合成涉及硝化反应,传统釜式反应器生产过程操作复杂,安全性低。因此,本文前期使用微通道反应器小试装备,进行酮麝香合成的硝化反应并进行工艺优化研究,后期运用微通道反应器中试装备,进行酮麝香合成的硝化反应并进行工艺优化研究为反应器的开发放大与优化提供理论与技术支持。本文前期利用Caterpillar型微通道小试设备进行硝化反应实验,探索硝化反应的相关影响要素,考察包括适宜物料配比(对叔丁基苯乙酮与二氯乙烷配比、混酸配比)、冷媒温度、延时管道长度、停留时间等因素的影响。结果表明,微通道反应器合成硝基酮麝香的适宜工艺条件为对叔丁基苯乙酮与二氯乙烷质量配比为1:5,混酸的物质的量配比为浓硝酸:浓硫酸=1:1.892,T=10℃,延时管道长度在3 m的条件下,停留时间控制在3 min,产物中酮麝香质量分数达到77.67%,相比于车间釜式反应器产物中酮麝香质量分数68.00%有所提高。模拟部分运用ANSYS通用软件CFX进行微通道反应器在麝香合成中的仿真模拟,对网格无关性进行了验证,探究了改变原料配比对酮麝香质量分数的影响,同时研究了改变微通道水力直径,与进料口的夹角对混合性能的影响,通过模拟得到了流速,温度,目的产物质量分数分布云图,进而了解到微通道内部混合状况,结果表明,酰化物与硝酸在原料体积流量配比在10:4的条件下,产物酮麝香质量分数达到最高;保持酰化物体积流量不变10 ml·min~(-1),同时保持最佳原料配比(酰化物:混酸=10:4),通过改变微通道的水力直径,得出在水力直径150μm时,产物酮麝香质量分数最高;保持酰化物体积流量不变10 ml·min~(-1),同时保持最佳原料配比(酰化物:混酸=10:4),同时水力直径为150μm,改变微混合器进料夹角,可以发现当微混合器进料夹角为180°时,酮麝香质量分数最高。通过实验数据与模拟结果的对比,进一步为微通道反应器的结构优化提供了思路,同时也为微通道反应器的放大研究与新型混合器的设计提供了技术建议。后期采用Star Lam系列微通道反应器中试设备进行硝化反应实验,探索硝化反应的相关影响要素,考察包括适宜物料配比(对叔丁基苯乙酮与二氯乙烷配比、混酸配比)、冷媒温度、延时管道长度、停留时间等因素等因素的影响。结果表明,微通道反应器合成硝基酮麝香的适宜工艺条件为对叔丁基苯乙酮与二氯乙烷质量配比为1:6,混酸的物质的量配比为浓硝酸:浓硫酸=1:1.911,T=8℃,延时管道长度在4 m的条件下,停留时间控制在3.1 min,二氯乙烷为溶剂,产物中酮麝香质量分数达到78.02%,相比于同等工艺条件下的车间釜式反应器产物中酮麝香质量分数68.00%有所提高。微通道反应器构造简单,无放大效应,小试和中试均取得良好的效果,可以通过阵列放大,增加微通道混合器个数来提高通量。通过小试与中试实验能够得出,实验室反应和工业反应参数相吻合,即重复同样微通道反应器的平行操作可以完成目标产物输出,不需要放大试验的步骤,节省了研发时间和昂贵的设备费用,这也是微通道反应系统最大的优势所在。