硝化棉

研究背景硝氧乙基硝胺族化合物(NENAs)兼有硝胺和硝酸酯的双重结构，是一类含能化合物。该类化合物具有良好的热化学特性,对硝化棉(NC)有优良的增塑能力，目前比较热门的是将其应用于发展高能和低易损性危化物。NENA的合成具有以下特点：NENA的合成反应放热量巨大，属于高风险硝化反应，间歇釜式工艺如下图1；该反应在反应釜中甚至可以看到有火花产生；由于釜式设备散热的局限性，该反应目前只能选用比较小的反应釜来进行，放大量产有很大的挑战；而连续流微通道反应器具有持液量小、高效传质、传热，是应对这类反应的有效方案。美国NALAS工程服务公司是康宁反应器认证实验室，该实验室具有较强的反应过程安全风险分析和危险化合物工艺开发的能力。今天我们就来看看Nalas的化学家，是如何对NENA合成这一类高危工艺进行安全风险评估和本质安全工艺开发的。图1.NENAs的釜式合成反应热研究：研究者首先对该反应做了反应热的研究（如下图2）经过RC1反应量热仪的研究可以看到，该反应的放热量大于500KJ/KG，绝热温升200°C以上。该反应是一个5+级风险反应，在反应釜中有明显的火花。在使用康宁G1反应器的初步实验时，同样也看到了火花（右下图）。这说明如果直接使用微通道反应器仍然存在安全风险，所以必须要对反应过程进行分析和优化！图2. 对第一步反应放热研究反应物反应过程分析为了更好的探索反应过程，研究者应用Flow NMR和Raman Spectroscopy – ConcIRT（原位拉曼光谱）（连续核磁）监测胺盐和硝酸酯的盐及整个反应体系的变化。经过研究发现，反应中间产物为两种物质：硝酸酯和硝胺盐，后者的放热相对较低。整个反应体系到了2000秒后反应趋于平稳，加入硝酸后也基本不再反应，此时反应并未完全。通过分析发现，反应混合液中的水能够抑制硝酸酯的产生。所以，可以通过后期在反应体系中加入醋酐脱除过程中的水使反应完全。图3.胺盐和硝酸酯的盐及整个反应体系的变化连续流工艺开发连续流工艺研究：1. 滴加底物到稀硝酸中避免第一步硝酸酯产生：避免局部放热、闪爆2. 第二步再加醋酐（脱水）形成硝酸酯3. 继续第二步生成目标产物针对连续化工艺条件的确立，经过量热仪的测试采用稀硝酸控制第一步水的含量，可以减少40%的热量.最终采用“双温区、稀硝酸、底物分步加料”，实现了微通道反应器上的连续稳定操作。图4：应用康宁反应器合成含能材料硝氧乙基硝胺族化合物结果与讨论01该反应的实现很重要的一点是对整个反应过程机理的充分研究和理解。对反应过程的研究需要关注:观察反应现象，康宁G1玻璃反应器独特的材质和设计使整个反应过程都可以用人眼观测到；连续化、实时分析：应用在线分析手段（在线核磁、反应热分析仪器、在线红外、在线拉曼光谱等）对反应整个反应过程进行实时连续化的监测与分析；弱化反应条件，用稀硝酸代替浓硝酸消除热点，根据过程分析，用醋酐调节反应体系的水分，有针对性地优化反应，保证整个工艺的安全性。02康宁反应器技术开放的系统可以与多项在线分析技术联用实现速度与精准的结合；该项目目前应用的是康宁G1反应器，康宁反应器无缝放大的技术优势为后续实现更大量产的工业化生产提供了技术可能。参考文献：D. am Ende, J Salan, M. Jorgensen, A. Pearsall Presented at AIChE National Meeting， Orlando，FL， Nov 13，2019

利用厌氧消化技术实现有机物废弃物减量和生物质能源(甲烷)回收是当前国内外处理有机废弃物的主流技术。微生物是有机废弃物厌氧发酵的核心，其生长及代谢活性受温度影响，大部分沼气工程的发酵罐在中温(37±2℃)或高温(55±2℃)条件下运行可获得最佳的发酵效率。然而，在我国寒区低温季节，运行大型中温或高温发酵罐所需增保温能耗极高，甚至超过产能的一半，造成经济效益低，导致我国北方沼气产量与规模均低于南方。虽然低温厌氧发酵(20℃以下)具有能耗低优势，但低温下微生物生长及代谢较缓慢，因而甲烷产量低。 　　针对以上问题，中国科学院广州能源研究所生物质能生化转化研究室生物燃气课题组探究了低温抑制厌氧发酵的机制；在此基础上，利用经长期驯化获得的产甲烷菌系对低温连续厌氧发酵进行生物强化，评价生物强化效果；从微生物群落组成与宏基因组学层面揭示了生物强化机制。相关研究成果以Effect of bioaugmentation on psychrotrophic anaerobic digestion: Bioreactor performance, microbial community, and cellular metabolic response(《生物强化对低温厌氧消化的影响：生物反应器性能、微生物群落及细胞代谢的响应》)为题，发表在Chemical Engineering Journal上。 　　具体成果如下：低温抑制厌氧发酵的主要原因。相比于细菌，古菌(主要指产甲烷菌)对低温更敏感，能够引起反应器内中间代谢产物产生和降解速度不平衡，造成挥发性脂肪酸累积和甲烷产量低；细菌和古菌对温度的响应存在差异，利用宏组学技术结合KEGG代谢通路数据库，发现古菌中仅编码两种耐冷基因(Htpx、CspA)(图1a)，但细菌中编码多种耐冷基因，如HslJ、Hsp15、CspA、MerR、HtpX、HspQ(图1b)，说明古菌的耐冷能力较差，导致古菌倍增速率明显低于细菌。因此，提高反应器中产甲烷菌的丰度及耐冷能力是促进低温产甲烷的关键。 　　为强化低温厌氧发酵，科研人员向低温抑制的发酵罐内投加了自主研发的丙酸产甲烷菌系，从而促进丙酸及乙酸降解，避免酸抑制，提高产甲烷性能。研究采用的连续式(每天投加一次菌系)和间歇式(每周投加一次菌系)两种生物强化方法均具有显著的解抑增效作用(图2a)，可缓解丙酸的累积(图2c)，恢复甲烷产量(图2b)，强化效果在停止投加菌系后可维持至少14个水力停留时间(140天)(图2a)。微生物群落分析表明，生物强化提高了嗜乙酸产甲烷菌(Methanothrix harundinacea和Methanosarcina flavescens)的相对丰度(图2d)；产甲烷菌基因功能分析发现主导调控合成脂多糖以及谷胱甘肽的基因丰度显著增多(图3)，这类代谢产物曾多次被报道利于增强微生物适应恶劣环境的能力。 　　上述研究揭示了低温下厌氧甲烷化低效的微生物机理，并证实了外源投加菌系进行人为干预可改变厌氧发酵系统内微生物组成，定向提高关键产甲烷菌生物量，促进产甲烷进程，从而提高低温厌氧发酵性能，为有机废弃物低温厌氧消化的生物强化技术形成与优化奠定了理论基础、提供了指导。 　　研究工作得到国家自然科学基金面上项目、中科院战略性先导科技专项(A类)、中科院青年创新促进会等的支持。实验设计图1.低温对厌氧消化微生物代谢的影响。a、产甲烷菌；b、细菌。图2.生物强化对低温厌氧消化性能及微生物的影响 a)生物强化过程及产气性能示意；b)生物强化对不同阶段甲烷产量的影响(R-37：37℃中温对照；R-20Bio：20℃低温生物强化反应器；R-20：20℃低温对照；D17-34：第17-34天；D35-252：第35-252天)；c)生物强化对乙酸和丙酸浓度的影响；d)微生物群落演替；e)各反应器内不同阶段pH平均值。图3.生物强化对微生物基因丰度的影响。a)古菌；b)细菌(Ino：接种物)。

硝化反应是一类极其重要的化学反应，很多医药、农药、染料行业重要的中间体都是硝化物，他们都是不可替代的有机原料。但近年来由于安全事件的频繁发生，大众“谈硝色变”。就在上周结束的第四届石油和化工安全管理高层论坛中，多位专家就硝化行业的安全风险、硝化工艺的安全性、涉硝企业的安全水平提升，开展了探讨。与会专家一致认为硝化工艺虽然属于危险工艺，但是只要管控得当，也可以实现安全生产。加强反应传质传热、减少反应量以及全流程的连续化自动化管理成为实现硝化本质安全生产的共识。连续流化学工艺因为传质传热效率高、应用范围广、自动化程度高等优势成为目前硝化工艺研究的热点。本文是欧盟委员会联合研究中心的Dimitris Kyprianou等人发表在Molecules上的一篇全自动流动化学进行克级2, 4-二硝基甲苯（DNT）硝化为2, 4, 6-三硝基甲苯（TNT）的安全反应工艺研究成果。TNT2，4，6-三硝基甲苯（TNT）是世界上第一种能满足生产和军事要求的高爆炸性炸药，它首次合成于19世纪60年代，在之后直至今日依然被用为许多爆炸混合物的主要成分。二硝基甲苯（DNT）异构体2, 4-DNT和2,6-DNT经硝化后可得到高纯度TNT。(图1)传统的合成方法：生产军用级TNT需要高浓度硝酸（96%）和发烟硫酸（三氧化硫含量高达60%）来实现高于98%的转化率。但高浓度硝酸与发烟硫酸的处理、混合都有高的安全风险。采用传统釜式反应，混合滴加强酸反应，传质传热效率受到设备限制，容易导致“飞温”爆炸。实验设计与讨论流动化学实验：首先针对具有安全风险的反应物混酸做了优化：尝试应用98%H2SO4代替发烟硫酸。实验结果表明在流动化学工艺条件下普通硝化混合物（HNO3 65%，H2SO4 98%）进行2, 4-DNT流动硝化是可行的；同时研究者在产品出口中加入氯仿，这样即可以避免沉淀，预防堵塞现象，可以抑制氧化副反应，又有利于目标产物的提取；然后研究者对反应物料摩尔比、反应温度、停留时间等关键参数根据设计的实验条件和转化率进行实验,实验数据及评估过程选用DOE 软件（MODDE）。实验结果如图所示如表1所示，七个实验得到了高纯度的TNT（通过HPLC-DAD测定的99.0%）。为了更好地评估所研究参数对转化率的影响，并确定通过HPLC-DAD测定的高转化率（99%）的反应条件范围，从MODDE软件获得等高线图。图2显示了反应温度、反应物摩尔以及停留时间正交后对转化率的影响。通过实验及实验数据分析作者得到流动化学工艺最佳反应条件：HNO3 65%：H2SO4 98%=3:1（Wt），130oC，20 min.实验结果与分析将流动化学工艺最佳反应条件和传统釜式工艺的TNT产物进行外观及HPLC色谱结果对比，如下：由上图可以清晰地看到，流动化学产物样品为白色，而釜式反应样品由于杂质具有黄色。反应结果与讨论该研究实验证明了使用流动化学方法将2，4-DNT硝化为2,4,6-TNT的可行性。流动化学方法的主要优点为：更加安全：使用更安全的试剂（98％的H2SO4、65％的HNO3代替发烟硫酸和发烟HNO3。高效的传质传热性能，可以安全地施加高温，而釜式实验则由于失控反应的高风险而无法高温应用。反应效率提升：连续流工艺在较短的反应时间（20-30分钟）完成2,4-DNT到TNT的高转化率（ 99％）反应，效率大大提升。实验方法论应用：通过实验设计方法研究并优化了关键参数（如HNO3：DNT摩尔比，停留时间和工艺温度）的影响。参考文献：Dimitris Kyprianou, Michael Berglund, Giovanni Emma, Grzegorz Rarat, David Anderson, GabrielDiaconu, Vassiliki Exarchou"Synthesis of 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) Using Flow Chemistry"DOI:10.3390/molecules25163586 扩展如何实现硝化反应的工业化本质安全生产已经成为迫切需要解决的问题。微通道连续流技术已经被验证可以原位上解决反应传质和传热，极大降低风险，成为越来越多企业硝化工艺改造的选择。康宁微通道连续流技术已经成功应用于万吨级通量的硝化反应；近阶段在硝化领域康宁做了多方面的努力：一方面，在各级应急管理厅和行业专家指导下，康宁和设计院、化学反应风险评价机构紧密合作，帮助现有硝化生产企业进行连续流微通道工艺的技术改造。另一方面，针对一些超大年产能的硝化生产项目需求，康宁利用G5单台年通量万吨级的处理能力，进行一硝和二硝连续化工艺系统设计，整体项目投资得到大幅度降低。如果你对微反应技术感兴趣，或有工艺需要咨询、开发和改造，请联系康宁吧！