微通道反应器在硝化含氮化合物中的应用

摘要

含氮化合物的硝化普遍伴随着强放热，过程操作安全性差，产物对温度极其敏感，过量废酸引起环境污染等问题。微反应器微米级的内部几何结构具有较大的比表面积令反应器与内部流体可进行快速的热传递，能及时导出热量，消除局部过热，从而保证了整个反应流程的热均性，实现了对含氮化合物硝化反应的精确控制。本文在以高压内交叉多层式微混合器(HPIMM)为核心的微反应体系中，通过对反应温度，原料配比，反应进程的精确调节，从根源降低了强酸的用量，消除了传统釜式反应器中该类型反应进行时受酸量及温度变化而造成的多硝化副产物的生成。 (1)4,5-二硝基咪唑不仅是含能材料中的重要中间体，还是医药合成中的关键组分。但其现行生产操作安全性差，产物收率低，且强酸用量极大。在建立的以HPIMM为核心的微反应体系中考察了温度，体积流速，硝化剂用量等因素对合成4，5-二硝基咪唑的影响。经工艺优化后，4-硝基咪唑的单步收率为96.1％，4，5-二硝基咪唑的两步总收率达88.88％，时空转化率(STC)较常规反应容器高5个数量级，同时探究了微通道反应器内4，5-二硝基咪唑的合成机理，总结了微反应系统内合成4，5-二硝基咪唑的优势。 (2)1-甲基-4,5-二硝基咪唑是一种性能良好的高能钝感炸药和极具应用价值的熔铸炸药载体。在其硝化合成过程中N-甲基咪唑与硝化剂混合的瞬间即会释放大量的热，反应温度难以精确掌控，且为避免冒料，须严格控制加料速度，反应时间冗长，易产生副反应，产物收率低。在所构建的微反应体系中以甲基咪唑为原料，硝硫混酸为硝化剂，通过对流体流速及微反应器内部结构尺寸的研究，加强了反应的传质传热过程，提高了实验操作的安全性，在100℃精确的温度控制下，于单个微反应器以18mL/h的总体积流速，可以连续高效合成1-甲基-4，5-二硝基咪唑，产率高达87％。 (3)在所构建的连续流微反应体系中合成了O-甲基-N-硝基异脲，主要研究了在微反应器中O-甲基异脲硫酸氢盐硝化合成O-甲基-N-硝基异脲的方法。与常规反应器相比，在不降低O-甲基-N-硝基异脲收率的前提下，连续流微反应器提高了O-甲基-N-硝基异脲合成的安全性，减少了反应时间，实现了温度的精确控制，提升了产物纯度，为O-甲基-N-硝基异脲的安全生产提供了重要的理论依据。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1微反应技术的研究概述

1．1．1微反应技术的基本原理

1．1．2 微反应技术的特征优势

1．1．3微反应技术的集成开发

1．2微反应技术在有机合成中的应用

1．2．1微反应技术在氧化反应中的应用

1．2．2微反应技术在聚合反应中的应用

1．2．3微反应技术在氟化反应中的应用

1．2．4微反应技术在硝化反应中的应用

1．3论文选题及研究

1．3．1论文选题及意义

1．3．2论文研宄工作

2微通道反应体系的构建

2．1微反应系统的装置组建

2．2微反应体系的工艺流程

3微通道反应器中4，5-二硝基咪唑的合成

3．1实验仪器及主要试剂

3．2实验步骤

3．2．1常规反应容器中咪唑的硝化

3．2．2微通道反应器中咪唑的硝化

3．3结果与讨论

3．3．1 4-硝基咪唑合成工艺优化

3．3．2 4，5-二硝基咪唑合成工艺优化

3．3．3不同反应容器内4，5-二硝基咪唑合成反应对比

3．4产品表征

3．4．1 4-硝基咪唑的表征

3．4．2 4，5-二硝基咪唑的表征

3．5反应机理探究

3．6本章小结

4微通道反应器中1-甲基-4，5-二硝基咪唑的合成

4．2实验步骤

4．2．1常规反应容器中N-甲基咪唑的硝化

4．2．2微通道反应器中N-甲基咪唑的硝化

4．3结果与讨论

4．3．1 1-甲基-4,5-二硝基咪唑合成工艺优化

4．3．2不同反直容器内N-甲基咪唑硝化反应对比

4．4产品表征

4．5反应机理探究

4．6本章小结

5．1实验仪器及主要试剂

5．2实验步骤

5．2．1微反应体系的构建

5．2．2微反应器中O-甲基异脲硫酸氢盐的硝化

5．3．2硝化剂用量对O-甲基-N-硝基异脲合成的影响

5．3．3体积流速对O-甲基-N-硝基异脲合成的影响

5．3．4不同反应容器O-甲基-N-硝基异脲的合成对比

5．4产品表征

5．5反应机理探究

5．6本章小结

6结论

致谢

参考文献

附录