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微反应技术是目前精细化工技术领域的研究热点之一。微反应器是具有特殊三维结构的微通道反应器,微通道尺寸在亚微米到亚毫米级,通常在10~500μm之间。微反应器的主要特点是比表面积大,进而强化了传热、传质速率,能确保反应在精确的温度下和时间内进行。研究微反应器内强放热、吸热或多相反应体系的过程特征具有理论和工程实践指导意义。
在文献检索阅译的基础上,综述了微反应器的性能及应用,分析了叔胺裂解、芳烃硝化反应的机理过程,设计并制造了并流式微反应器,研究了叔胺裂解、芳烃硝化反应在微反应器中的过程特征,并优化了工艺参数。
(1)分别研究了在常规反应器和微反应器中,以3-(N,N-二甲氨基)-N,N-二甲基丙酰胺(DMDA)为原料,研究了DMDA催化裂解合成N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)的新工艺。通过对各种酸的催化效果的筛选,考察了不同催化剂对该裂解反应的催化效果,重点考察了催化剂及其用量、反应温度、反应压力、反应时间等工艺参数对反应转化率的影响,并优化选择了较优工艺参数组合。常规反应中:催化剂磷酸,质量分数为2%,反应温度180℃,反应时间4 h,反应压力47 880 Pa。裂解反应收率达84.2%;微反应器中:催化剂四丁基溴化铵(TBAB)用量m(TBAB):m(DMDA)为0.02,体积流速0.24 ml.min-1,反应温度270℃,DMDA单程转化率达17.0%,时空转化率(STC)达2.36x109 mol.m-3.h-1。微通道反应器中时空转化率约为常规反应器的1500倍。
(2)研究了在微反应器中氯苯硝化反应过程。重点考察了混酸配比、硝酸比、反应时间、反应温度等因素对氯苯硝化反应的转化率、收率以及邻对比的影响。通过筛选,得到较优的硝化工艺参数组合为:混酸n(HNO3):n(H2SO4)=1:3,硝酸比n(HNO3):n(C6H5C1)=1.4,氯苯流速0.25ml/min(2.5mmol/min,),反应温度100℃,氯苯单程转化率达98%,单硝化物收率最高98.5%,对邻比约为2,较文献值2.3小。以硝酸.硫酸.磷酸为硝化试剂硝化氯苯,较优工艺参数为:n(HNO3):n(H2SO4):n(H3PO4)=1:2:1,硝酸比n(HNO3):n(C6H5C1)=1.4,氯苯流速分别为0.25ml/min(2.5mmol/min),,反应温度140℃,氯苯单程转化率达97%,单硝化产物收率最高97.5%,单硝化产物收率对邻比约为1.95。以硝酸-硫酸-多聚磷酸为硝化剂,氯苯硝化过程的工艺参数为:n(HNO3):n(H2SO4):n(PPA)=1:2:1,硝酸比n(HNO3):n(C6H5C1)=1.5,氯苯流速分别为0.25ml/min(2.5mmol/min),反应温度140℃,氯苯单程转化率达96%,单硝化产物收率96.1%,单硝化产物收率对邻比约为1.8,较硝酸-硫酸混酸、硝酸-硫酸-磷酸硝化低。
研究了在微反应器中苯酚均相硝化反应。考察了在微反应器中硝酸比、反应时间、反应温度等因素对氯苯硝化反应的收率以及邻对比的影响在微反应器中。通过筛选,较优的硝化工艺参数为:以65%硝酸浓硝酸为硝化剂,硝酸比n(HNO3):n(C6H5OH)=1.6,苯酚流速2.046ml/min(5.0mmol/min),反应温度40℃,苯酚单程转化率达92%,邻对比约为2,单硝化物收率83.7%。