CN111454156B - 一种连续合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种采用微通道反应器连续合成4‑乙基硝基苯和2‑乙基硝基苯的方法。该方法依次包括下述步骤：S1：连续配制混酸；S2：乙苯与混酸在微通道反应器中连续混合与反应；S3：连续分离混酸与有机油相；S4：连续中和水洗有机油相得到中性或接近中性的油水混合物；S5：连续分离有机油相与水相，得到4‑乙基硝基苯和2‑乙基硝基苯。本发明公开的制备4‑乙基硝基苯和2‑乙基硝基苯的方法具有以下优点：(1)连续稳定操作、生产效率高，生产成本显著降低；(2)过程安全性提高；(3)单位质量产品的总能耗物耗低、废水排放量显著减少；(4)操作工人数减少、劳动强度减少，产品收率提高。

Description

一种连续合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的方法

技术领域

本发明属于化工技术领域，具体涉及一种采用微通道反应器连续合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的方法。

背景技术

4-乙基硝基苯(图1(a))和2-乙基硝基苯(图1(b))都是重要的精细化工中间体，广泛应用于医药、农药及染料等的合成，例如4-乙基硝基苯是氯霉素和合霉素等广谱抑菌抗生素药物的关键原料，2-乙基硝基苯是吲哚和抑制糖尿病药物利格列汀合成的重要原料。

以乙苯为原料通过硝化反应(如图2所示)合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯是最常见和最直接的方法。

文献中，4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的合成方法主要包括：发烟硝酸-浓硫酸混酸硝化(E.L.Cline,E.Emmet Reid,Journal of the American Chemical Society,1927,49,12,3150-3156；中国专利CN1824642A；沈家祥等，《药学学报》，1958，4(6)，207-209；王鹏程等，《应用化学》，2010，7，783-786)、催化硝化(孙长安等人，《佳木斯医学院学报》，1989，4：343-344；张培成等，《沈阳化工学院学报》，1994，8：105-110；陈继兰等，《医药工业》，1981，10：10-12；陈继兰等，《化学通报》，1982，12：60；Onitsuka et al.,Molecules,2012,17,11469-11483；Cheprakov et al.,Bulletin of the Academy of Sciences of theUSSR,Division of Chemical Science,1988,37:3 612–614；易文斌等，《南京理工大学学报》，2006，30；97-101)、离子液体溶剂硝化(Aridoss&Laali,The Journal of OrganicChemistry,2011,76:8088-8094；Wang&Lu,Tetrahedron Letters,2011,52,1452-1455；姜晓健，《离子液体催化硝化乙苯研究》，南京大学硕士论文，2012)和硝酸盐硝化(Olah etal.,Proceedings of National Academy of Science,1982,79:4487-4494)。尽管一些研究报道(孙长安等人，《佳木斯医学院学报》，1989，4：343-344；张培成等，《沈阳化工学院学报》，1994，8：105-110；陈继兰等，《医药工业》，1981，10：10-12；陈继兰等，《化学通报》，1982，12：60；Onitsuka et al.,Molecules,2012,17,11469-11483；Cheprakov et al.,Bulletin of the Academy of Sciences of the USSR,Division of Chemical Science,1988,37:612–614；易文斌等，《南京理工大学学报》，2006，30：97-101)显示催化硝化法可以调节4-乙基硝基苯与2-乙基硝基苯的比例，但不足的地方是催化硝化法大多涉及固体催化剂(例如负载对甲基苯磺酸、间甲基苯磺酸、间硝基苯磺酸或2,4-甲苯二磺酸等的硅藻土，强酸性阳离子交换树脂，分子筛和硅胶等)，固体催化剂的使用不但显著增加了合成工艺成本，而且增加了产物与催化剂分离的难度，实际意义有限。离子液体溶剂硝化法需要使用昂贵的离子液体，并结合三氟甲磺酸或三氟乙磺酸来使用(Aridoss&Laali,The Journal ofOrganic Chemistry,2011,76:8088-8094)，不但成本显著增加，后处理也非常困难，不具有实际意义。硝酸盐硝化法需要使用氟化氢和氟化硼来和硝酸形成四氟化硼亚硝酸盐进行硝化(Olah et al.,Proceedings of National Academy ofScience,1982,79:4487-4494)，同样有成本昂贵和后处理困难的问题。

因此，目前4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的工业合成制造基本都采用的是发烟硝酸-浓硫酸混酸硝化乙苯的方法，具体生产是在传统的间歇式机械搅拌釜内进行(中国专利CN1824642A；杨会东，《对硝基苯乙酮清洁生产工艺研究》，南京理工大学硕士论文，2002)，整个工艺都由釜式间歇操作一步完成。首先进行混酸的配制，向搅拌反应釜内加入95％以上的硫酸，在搅拌条件下缓慢加入一定量水，同时冷却将温度控制在40～45℃，加毕，降至室温，再加入发烟硝酸，冷却控制温度不超过40℃，加毕，冷却至室温；然后将乙苯加入硝化反应釜内，接着滴加上述预先配制好的混酸，滴加过程中釜内温度控制在30～35℃范围内，加毕，将釜内温度升至40～45℃，继续搅拌保温反应数小时，然后冷却至20℃，静置数小时分层，分去下层废酸，再用水洗去有机油相中的残留酸，紧接着再用碱液洗去酚类，经减压精馏得4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯(中国专利CN1824642A)。

混酸硝化法具有良好的原材料成本优势，但目前工业上普遍采用的间歇式搅拌釜式生产方式还存在诸多不足之处。其一是，混酸的配制、混酸滴加进硝化釜、保温反应、反应后静置分层、下层酸液的分离及上层有机油相的洗涤中和等步骤都是一个个步骤独立进行，这样造成操作非常繁琐、自动化程度低、操作工人数量要求多、工人劳动强度大和时间效率低的问题；其二是，硝酸和硫酸形成的混酸不溶于反应底物乙苯，相反，乙苯也不溶于硝酸和硫酸形成的混酸，因此该反应是一个典型的不互溶液相-液相两相反应过程，表观反应速率很大程度上取决于相间传质过程，受两相界面面积和界面动态行为影响极大。由于机械搅拌反应釜内液滴尺寸分布宽、两相传质与混合性能差，使得反应过程受液-液相间传质影响，进而影响反应的进行及反应的选择性，减慢反应速率及原料反应完成的时间。另一方面，在搅拌反应釜里面进行此硝化反应还存在操作时间长的问题，一般滴加浓硫酸的过程耗时数小时，滴加完浓硫酸还需要继续保温反应数小时(归因于搅拌反应釜传质速率低和混合性能差)，这导致在间歇式机械搅拌釜中进行这个反应的效率非常低，再加上反应条件控制等因素，一个生产批次一般需要耗时十几个小时到几十个小时不等。其三是，硝化反应是一个强烈放热反应，传统的搅拌反应釜很难将反应热及时移除(归因于搅拌釜单位体积的传热系数低)，导致反应工艺存在安全风险无法控制的难题，尤其当发生停电、停水和搅拌设备故障时，易发生爆炸等严重危险事故。其四是，机械搅拌釜一般体积较大，中和洗涤有机油相采用的多次洗涤的方式，先碱液中和再水洗，存在难以精确调节混合液pH值的问题，导致大量含有机物的废水。

鉴于目前存在的问题，工业上亟需解决传统间歇搅拌釜式生产方式的不足，发明一种新的生产4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的方法。

发明内容

本发明的目的在于针对传统间歇搅拌釜式生产方式的不足，发明一种新的生产4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的方法。

本发明采用新反应技术来改进乙苯混酸硝化法合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的工艺生产过程，不仅提高生产效率、减少操作劳动工人数量和劳动强度、提升生产过程本质安全性和生产力水平，降低能耗物耗和废水排放，提高生产过程经济和社会效益，还解决了传统间歇搅拌釜式生产方式生产周期长、能耗大和安全性能差等问题。

微通道反应器(即微反应器)是一类化工过程强化设备(程荡，陈芬儿，《化工进展》，2019，38：556～575)，由于特征尺度的(微)小型化，其热质传递速率较常规化工设备提高1～3个数量级。同时，这类反应器内在线持液量较少，具有内在安全和过程可控的良好特性，且易于实现与上下游环节的连接实现连续自动化操作，因此具有非常高的生产效率。

基于微通道反应器进行乙苯混酸硝化连续合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的工作还未见有文献报道。

具体的，本发明的技术方案如下：

本发明一方面公开了一种4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续生产方法，依次包括下述步骤：

S1：连续配制混酸；

S2：乙苯与混酸在微通道反应器中连续混合与反应；

S3：连续分离混酸与有机油相；

S4：连续中和水洗有机油相得到中性或接近中性的油水混合物；

S5：连续分离有机油相与水相，得到4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯。

优选的，在S1中，同时将硝酸、硫酸和回收浓缩后的废酸输送到混合器的入口，三股流体在混合器内一边流动一边混合，混合均匀后得到混酸。

更优选的，至少包括以下一种条件：

(1)所述硝酸的质量分数为60～100％，优选80～98％；

(2)所述硫酸的质量分数为60～100％，优选85～98％；

(3)通过调节硫酸、硝酸和回收浓缩后的废酸的体积流量比来控制硝酸和硫酸的总摩尔比；优选的，所述总摩尔比为1.0～5.0，更优选的，总摩尔比为1.0～3.0；

(4)混合物料在混合器内的停留时间为1～60分钟，优选0.5～30分钟；

(5)所述回收浓缩后的废酸包含硫酸、硝酸和水；其中，硝酸的质量分数为50～95％，硫酸的质量分数为50～95％；

(6)其中，所述的混合器内的温度控制在0～80℃，优选2～30℃。

在本发明的一些实施例中，所述混合器的横截面为任意形状，水力直径范围为200微米～1厘米；所述混合器里面填充有耐强酸腐蚀的固体填料或混合元件，所述固体填料或混合元件由聚四氟乙烯、不锈钢、哈氏合金、碳化硅或硼硅玻璃中的一种或多种材料混搭制作而成；固体填料或混合元件可以是任意形状的三维实体，单个固体填料的颗粒或混合元件的最大外径是水力直径的1/100～1/10，优选1/50～1/12。

优选的，所述混合器是静态混合器，更优选的是SV型静态混合器、SX型静态混合器或SK型静态混合器。

优选的，在S2中，乙苯和混酸在微通道反应器中连续混合与反应；反应温度控制在-10～100℃，优选15～80℃，更优选18～40℃；反应压力控制在0.1～2.0MPa，优选0.2～1.0MPa；反应停留时间控制在1～60分钟，优选2～15分钟。

在本发明的一些具体实施例中，上一步混合器出口流出的混酸在一定压力下直接进入微通道反应器，与此同时，用泵设备将乙苯输送进入微通道反应器，混酸与乙苯在微通道反应器内进行连续混合与反应。所述乙苯为纯乙苯。

优选的，上一步混合器出口流出的混酸在0.1～3Mpa下直接进入微通道反应器。较佳的，上一步混合器出口流出的混酸在0.2～1Mpa下直接进入微通道反应器。

更优选的，通过调节乙苯与混酸的体积流量比来控制乙苯与硝酸及乙苯与硫酸的摩尔比；所述乙苯与硝酸的摩尔比为1.0：0.8～1.0：5.0；所述乙苯与硫酸的摩尔比为1.0：0.4～1.0：5.0。

优选的，在S3中，从微通道反应器出口流出的反应物料进入连续废酸分离器，得到废酸和有机油相；

从连续废酸分离器分离出的废酸进入废酸储罐，同时在废酸储罐内进行预加热，接着将废酸输送到酸浓缩器进行浓缩，再将浓缩后的废酸输送到S1中的混合器的入口。

更优选的，所述连续废酸分离器内部的温度控制在5～100℃，优选15～60℃；所述废酸储罐具有温度调节功能，能将废酸储罐内的温度控制在5～100℃，优选25～95℃。

优选的，在S4中，从连续废酸分离器出来的有机油相进入中和水洗器，同时用泵设备将稀碱液和水输送进入中和水洗器，有机油相、稀碱液和水在中和水洗器内一边流动一边混合，稀碱液中和有机油相中剩余的酸组分，通过软件在线监控pH值，并在线精确控制泵设备输送稀碱液和纯水的流量，得到中性或接近中性的油水混合液。

在本发明的一些具体实施例中，从连续废酸分离器出来的有机油相进入中和水洗器，同时用泵设备将稀碱液和水输送进入中和水洗器，有机油相、稀碱液和水在中和水洗器内一边流动一边混合，稀碱液中和有机油相中剩余的酸组分，在中和水洗器内部安装有至少两个pH测量探头，pH测量探头与多通道pH测量计相连，多通道pH测量计又与计算机相连，通过软件实时在线监测混合液的pH值，同时通过软件实时计算并在线精确控制泵设备输送稀碱液和纯水的流量，从而最小化废水的产生，从中和水洗器出口出来的是中性或接近中性的油水混合液。

优选的，所述的稀碱液是碳酸钠、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾或氢氧化钾等无机碱的水溶液，碱液的质量分数为20～100％，优选25～80％；

其中，所述的中和水洗器内的温度控制在10～100℃，优选25～80℃。其中，所述的中和水洗器内的混合物料停留时间为1～80分钟，优选2～30分钟。其中，所述的多通道pH测量计能同时连接两个或两个以上的pH测量探头，能实时在线测量混合液pH值的变化。

其中，所述的计算机安装有能实时读取多通道pH测量计测出的pH值的软件，并能实时计算并精确调节控制输送碱液和纯水的泵的流量。

优选的，在S5中，将中性或接近中性的油水混合液进入连续分水器，从连续分水器分离出来的废水进入废水处理储罐，从连续分水器分离出来的有机油相进行连续精馏，分离得到4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯。

在本发明的一些具体实施例中，从中和水洗器出口出来的混合液进入连续分水器，从连续分水器出来的废水进入废水处理储罐，从连续分水器分离出来的有机油相进入有机相储罐，紧接着用泵设备将有机油相输送进入精馏塔，进行连续精馏，分离得到的4-乙基硝基苯进入4-乙基硝基苯储罐，2-乙基硝基苯进入2-乙基硝基苯储罐。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，而不超出本发明的构思与保护范围。

本发明相对于现有技术具有如下的显著优点及效果：

本发明提出的4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯连续合成工艺相比采用传统间歇式机械搅拌釜的合成方法具有以下优势：

1.实现从原料硝酸、硫酸与乙苯到产物4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续合成，工艺过程连续不间断进行，中间无需外部干预，时空效率高，减少操作工人数量和劳动强度，显著降低生产成本。

2.硝化反应在微通道反应器的反应流体通道内完成，反应流体通道总容积较小，使得在线持液量小，反应过程本质安全。

3.微通道反应器具有优异的传质传热和物料混合性能，使得乙苯硝化的反应时间大大缩短，从传统间歇式机械搅拌釜的十几个小时缩短到几分钟的反应时间。

4.采用连续废酸分离器分离废酸与有机油相，实现废酸与有机油相的连续精确分离，废酸浓缩后循环使用，大大提高了原料利用率，避免了传统间歇式机械搅拌釜的合成方式产生大量废酸的难题。

5.有机油相采用连续中和水洗技术，通过实时在线监测pH值变化来精确调节控制碱液和纯水的输送流量，从而避免产生过量的废水，显著降低废水排放量。

附图说明

图1为两种乙基硝基苯的结构式；

图2为乙苯硝化反应示意图；

图3为本发明中用于连续合成4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的装置；

图中：

1：硝酸储罐；2：泵；3：流量计；4：硫酸储罐；5：泵；6：流量计；7：混合器；8：流量计；9：泵；10：阀门；11：浓缩废酸缓冲储罐；12：乙苯储罐；13：泵；14：流量计；15：微通道反应器；16：废酸浓缩器；17：阀门；18：流量计；19：泵；20：连续分酸器；21：废酸储罐；22：阀门；23：流量计：24：多通道pH测量计；25：计算机；26：pH测量探头；27：pH测量探头；28：pH测量探头；29：中和水洗器；30：流量计；31：泵；32：稀碱液储罐；33：流量计；34：泵；35：水储罐；36：流量计；37：连续分水器；38：废水储罐；39：粗产品有机油相储罐；40：泵；41：流量计；42：精馏塔；43：4-乙基硝基苯储罐；44：2-乙基硝基苯储罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明提出的4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续合成工艺涉及多种设备，以及设备间的连接和控制，用于实现本发明的装置和设备包括：

一个硝酸储罐1，

一个硫酸储罐4，

一个乙苯储罐12，

一个混合器7，

一个微通道反应器15，

一个连续分酸器20，

一个废酸储罐21，

一个酸浓缩器16，

一个浓缩废酸缓冲储罐11，

一个多通道pH测量计24，

一台计算机25，

一个连续中和水洗器29，

一个稀碱液储罐32，

一个水储罐35，

一个连续分水器37，

一个废水储罐38，

一个粗产品有机油相储罐39，

一个精馏塔42，

一个4-乙基硝基苯储罐43，

一个2-乙基硝基苯储罐44，

若干泵2，5，9，13，19，31，34，40，流量计3，6，8，14，18，23，30，33，36，41和阀门10，17，22。

其工作过程是(如图3所示)：硝酸储罐1中的硝酸、硫酸储罐4中的硫酸和浓缩废酸缓冲储罐中11的浓缩废酸分别通过计量泵，按照一定的体积流量比输入混合器7，硝酸和硫酸组分在混合器内一边流动一边混合，形成混酸，同时通过控制混合器内的温度对混酸进行预热；混酸在一定压力下自混合器7进入微通道反应器15，同时用计量泵13将乙苯储罐12中的乙苯以一定的流量输入微通道反应器15，乙苯与混酸在微通道反应器15的反应流道内边混合边反应，从微通道反应器15出口流出的反应混合液以一定流速进入连续分酸器20，在连续分酸器20内反应混合液实现混酸与有机油相的连续分离，分离出的混酸进入废酸储罐21，在废酸储罐21内初步预热后用泵19输送到酸浓缩器16进行浓缩，浓缩后的废酸进入浓缩废酸缓冲储罐11，接着用泵9将浓缩废酸缓冲储罐11中的浓缩废酸输送进混合器7的入口，在混合器内与新鲜的硝酸和硫酸混合，连续制成混酸，废酸得以循环利用；从连续分酸器20分离出的有机油相进入连续中和水洗器29，与此同时，用泵将稀碱液储罐32中的稀碱液和纯水储罐35中的纯水输送进连续中和水洗器29，在连续中和水洗器29内实现对有机油相的连续中和水洗，在连续中和水洗器29内安装有至少两个连接多通道pH测量计24的pH测量探头，多通道pH测量计24与计算机25相连，利用计算机25实时在线读取pH值，并通过软件自动精确调节控制碱液和纯水的输送流量，实现有机油相的连续中和水洗；从连续中和水洗器29出来的混合液进入连续分水器37，分离出的废水进入废水罐38，分离出的有机相进入粗产品有机油相储罐39，用泵40将储罐39内的有机油相输入进精馏塔42，在精馏塔里面实现4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续分离，分离出的4-乙基硝基苯进入储罐43，2-乙基硝基苯进入储罐44。

实施例1

分别调节设定计量泵2、5和9的流量为4毫升每分钟、3毫升每分钟和4毫升每分钟，将硝酸储罐1中的95％硝酸、硫酸储罐4中的98％硫酸和浓缩废酸缓冲储罐中11的浓缩废酸输入SV型静态混合器7，SV型静态混合器7内的温度设定为18℃，硝酸和硫酸组分在混合器内一边流动一边混合，停留时间为5分钟，形成混酸。

混酸在0.4Mpa压力下自SV型静态混合器7进入微通道反应器15，同时通过计量泵13将乙苯储罐12中的乙苯以11毫升每分钟的流量输入微通道反应器15，微通道反应器15内的反应流道温度控制在30℃，乙苯与混酸在反应流道内边流动边反应，停留时间为5分钟，从微通道反应器15出口流出的反应混合液进入连续分酸器20，在连续分酸器20内反应混合液实现混酸与有机油相的连续分离，连续分酸器20内的温度设为25℃，分离出的混酸进入废酸储罐21，废酸储罐21内的温度设为50℃，在废酸储罐21内停留5分钟后用泵19输送到酸浓缩器16进行浓缩，酸浓缩器16内的温度设定为80℃，浓缩后的废酸进入浓缩废酸缓冲储罐11，接着用泵9将浓缩废酸缓冲储罐11中的浓缩废酸输送进混合器7的入口，在混合器内与新鲜的硝酸和硫酸混合，连续制成混酸，废酸得以循环利用；从连续分酸器20分离出的有机油相进入连续中和水洗器29，与此同时，计算机软件自动控制泵31和34将稀碱液储罐32中的稀碱液和纯水储罐35中的纯水分别以5毫升每分钟和10毫升每分钟输送进连续中和水洗器29，稀碱液是质量分数为10％的氢氧化钠水溶液，其温度为25℃，纯水是自来水，其温度为25℃，在连续中和水洗器29内实现对有机油相的连续中和水洗，在连续中和水洗器29内安装有两个连接多通道pH测量计24的pH测量探头，多通道pH测量计24与计算机25相连，利用计算机25实时在线读取pH值，并通过软件自动精确调节控制碱液和纯水的流量，实现有机油相的连续中和水洗；从连续中和水洗器出来的混合液进入连续分水器37，分离出的废水进入废水罐38，分离出的有机相进入粗产品油相储罐39，用泵40将储罐39内的有机油相输送进精馏塔42，设定泵40的流量为20毫升每分钟，在精馏塔内实现4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续分离，分离出的4-乙基硝基苯进入储罐43，2-乙基硝基苯进入储罐44。分别从储罐39、43和44中取样，然后用Agilent 6890 GC气相色谱仪作定量检测，以峰面积定量产物浓度。

经分析，原料转化率99.9％，4-乙基硝基苯的收率为51.2％，2-乙基硝基苯的46.5％，储罐43中的4-乙基硝基苯的纯度为98.9％，储罐44中的2-乙基硝基苯的纯度为99.6％。本实施例中，连续工艺平均小时即可获得4-乙基硝基苯约416.7克，2-乙基硝基苯约378.4克。

对比例1

实施例1中，乙苯的流量是11毫升每分钟，乙苯和混酸在微通道反应器内的停留时间是5分钟，连续工艺5分钟消耗乙苯和硝硫混酸各55毫升。因此，间歇釜式合成选择在250毫升圆底烧瓶内进行，投入乙苯55毫升，95％硝酸和98％硫酸的混酸共55毫升(硝酸和硫酸的体积比4：3)，定时取样分析，反应3小时，乙苯的转化率约70％，反应4小时，乙苯的转化率约85％，反应6小时，乙苯的转化率约93％。釜式合成中，反应完成后，后处理分酸、中和和精馏需要总共耗费约4小时，总共得到4-乙基硝基苯33.9克，2-乙基硝基苯31.2克。间歇釜式工艺，平均小时获得4-乙基硝基苯约3.4克，2-乙基硝基苯约3.1克。此外，间歇釜式工艺同时还产生废酸近40毫升。

实施例2

分别调节设定计量泵2、5和9的流量为12毫升每分钟、9毫升每分钟和12毫升每分钟，将硝酸储罐1中的96％硝酸、硫酸储罐4中的98.5％硫酸和浓缩废酸缓冲储罐中11的浓缩废酸输入SX型静态混合器7，SX型静态混合器7内的温度设定为25℃，硝酸和硫酸组分在混合器内一边流动一边混合，停留时间为3分钟，形成混酸；混酸在0.5Mpa压力下自SX型静态混合器7进入微通道反应器15，同时通过计量泵13将乙苯储罐12中的乙苯以33毫升每分钟的流量输入微通道反应器15，微通道反应器15内的反应流道温度控制在26℃，乙苯与混酸在反应流道内边流动边反应，停留时间为6分钟，从微通道反应器15出口流出的反应混合液进入连续分酸器20，在连续分酸器20内反应混合液实现混酸与有机油相的连续分离，连续分酸器20内的温度设为30℃，分离出的混酸进入废酸储罐21，废酸储罐21内的温度设为45℃，在废酸储罐21内停留8分钟后用泵19输送到酸浓缩器16进行浓缩，酸浓缩器16内的温度设定为70℃，浓缩后的废酸进入浓缩废酸缓冲储罐11，接着用泵9将浓缩废酸缓冲储罐11中的浓缩废酸输送进混合器7的入口，在混合器内与新鲜的硝酸和硫酸混合，连续制成混酸，废酸得以循环利用；从连续分酸器20分离出的有机油相进入连续中和水洗器29，与此同时，计算机软件自动控制泵31和34将稀碱液储罐32中的稀碱液和纯水储罐35中的纯水分别以15毫升每分钟和30毫升每分钟输送进连续中和水洗器29，稀碱液是质量分数为20％的氢氧化钠水溶液，其温度为27℃，纯水是自来水，其温度为27℃，在连续中和水洗器29内实现对有机油相的连续中和水洗，在连续中和水洗器29内安装有两个连接多通道pH测量计24的pH测量探头，多通道pH测量计24与计算机25相连，利用计算机25实时在线读取pH值，并通过软件自动精确调节控制碱液和纯水的流量，实现有机油相的连续中和水洗；从连续中和水洗器出来的混合液进入连续分水器37，分离出的废水进入废水罐38，分离出的有机相进入粗产品油相储罐39，用泵40将储罐39内的有机油相输送进精馏塔42，设定泵40的流量为40毫升每分钟，在精馏塔内实现4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续分离，分离出的4-乙基硝基苯进入储罐43，2-乙基硝基苯进入储罐44。分别从储罐39、43和44中取样，然后用Agilent 6890 GC气相色谱仪作定量检测，以峰面积定量产物浓度。

经分析，原料转化率99.8％，4-乙基硝基苯的收率为51.9％，2-乙基硝基苯的45.2％，储罐43中的4-乙基硝基苯的纯度为99.6％，储罐44中的2-乙基硝基苯的纯度为99.2％。本实施例中，连续工艺平均小时即可获得4-乙基硝基苯约1250克，2-乙基硝基苯约1135克。

对比例2

实施例2中，乙苯的流量是33毫升每分钟，乙苯和混酸在微通道反应器内的停留时间是6分钟，连续工艺6分钟消耗乙苯和硝硫混酸各198毫升。因此，间歇釜式合成选择在500毫升圆底烧瓶内进行，投入乙苯198毫升，96％硝酸和98.5％硫酸的混酸共198毫升(硝酸和硫酸的体积比4：3)，定时取样分析，反应3小时，乙苯的转化率约63％，反应4小时，乙苯的转化率约80％，反应6小时，乙苯的转化率约87％，反应8小时，乙苯的转化率约97％。釜式合成中，反应完成后，后处理分酸、中和和精馏需要总共耗费约5小时，总共得到4-乙基硝基苯101克，2-乙基硝基苯94克。间歇釜式工艺，平均小时获得4-乙基硝基苯约7.8克，2-乙基硝基苯约7.2克。此外，间歇釜式工艺同时还产生废酸近160毫升。

实施例3

分别调节设定计量泵2、5和9的流量为20毫升每分钟、15毫升每分钟和20毫升每分钟，将硝酸储罐1中的95.5％硝酸、硫酸储罐4中的98.5％硫酸和浓缩废酸缓冲储罐中11的浓缩废酸输入SK型静态混合器7，SK型静态混合器7内的温度设定为22℃，硝酸和硫酸组分在混合器内一边流动一边混合，停留时间为8分钟，形成混酸。

混酸在0.6Mpa压力下自SK型静态混合器7进入微通道反应器15，同时通过计量泵13将乙苯储罐12中的乙苯以55毫升每分钟的流量输入微通道反应器15，微通道反应器15内的反应流道温度控制在28℃，乙苯与混酸在反应流道内边流动边反应，停留时间为5.5分钟，从微通道反应器15出口流出的反应混合液进入连续分酸器20，在连续分酸器20内反应混合液实现混酸与有机油相的连续分离，连续分酸器20内的温度设为20℃，分离出的混酸进入废酸储罐21，废酸储罐21内的温度设为40℃，在废酸储罐21内停留10分钟后用泵19输送到酸浓缩器16进行浓缩，酸浓缩器16内的温度设定为65℃，浓缩后的废酸进入浓缩废酸缓冲储罐11，接着用泵9将浓缩废酸缓冲储罐11中的浓缩废酸输送进混合器7的入口，在混合器内与新鲜的硝酸和硫酸混合，连续制成混酸，废酸得以循环利用；从连续分酸器20分离出的有机油相进入连续中和水洗器29，与此同时，计算机软件自动控制泵31和34将稀碱液储罐32中的稀碱液和纯水储罐35中的纯水分别以25毫升每分钟和50毫升每分钟输送进连续中和水洗器29，稀碱液是质量分数为30％的氢氧化钾水溶液，其温度为22℃，纯水是自来水，其温度为21℃，在连续中和水洗器29内实现对有机油相的连续中和水洗，在连续中和水洗器29内安装有三个连接多通道pH测量计24的pH测量头，多通道pH测量计24与计算机25相连，利用计算机25实时在线读取pH值，并通过软件自动精确调节控制碱液和纯水的流量，实现有机油相的连续中和水洗；从连续中和水洗器出来的混合液进入连续分水器37，分离出的废水进入废水罐38，分离出的有机相进入粗产品油相储罐39，用泵40将储罐39内的有机油相输送进精馏塔42，设定泵40的流量为20毫升每分钟，在精馏塔内实现4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续分离，分离出的4-乙基硝基苯进入储罐43，2-乙基硝基苯进入储罐44。分别从储罐39、43和44中取样，然后用Agilent 6890 GC气相色谱仪作定量检测，以峰面积定量产物浓度。

经分析，原料转化率99.9％，4-乙基硝基苯的收率为53.1％，2-乙基硝基苯的45.6％，储罐43中的4-乙基硝基苯的纯度为99.6％，储罐44中的2-乙基硝基苯的纯度为99.1％。本实施例中，连续工艺平均小时即可获得4-乙基硝基苯约2083克，2-乙基硝基苯约1892克。

对比例3

实施例3中，乙苯的流量是55毫升每分钟，乙苯和混酸在微通道反应器内的停留时间是5.5分钟，连续工艺5.5分钟消耗乙苯和硝硫混酸各302.5毫升。因此，间歇釜式合成选择在2L机械搅拌釜内进行，投入乙苯302.5毫升，95.5％硝酸和98.5％硫酸的混酸共302.5毫升(硝酸和硫酸的体积比4:3)，定时取样分析，反应3小时，乙苯的转化率约55％，反应4小时，乙苯的转化率约75％，反应6小时，乙苯的转化率约82％，反应8小时，乙苯的转化率约88％，反应10小时，乙苯的转化率约95.5％。釜式合成中，反应完成后，后处理分酸、中和和精馏需要总共耗费约8小时，总共得到4-乙基硝基苯169.5克，2-乙基硝基苯156克。间歇釜式工艺，平均小时获得4-乙基硝基苯约9.4克，2-乙基硝基苯约8.7克。此外，间歇釜式工艺同时还产生废酸近280毫升。

实施例4

分别调节设定计量泵2、5和9的流量为8毫升每分钟、6毫升每分钟和8毫升每分钟，将硝酸储罐1中的95％硝酸、硫酸储罐4中的98％硫酸和浓缩废酸缓冲储罐中11的浓缩废酸输入SV型静态混合器7，SV型静态混合器7内的温度设定为20℃，硝酸和硫酸组分在混合器内一边流动一边混合，停留时间为10分钟，形成混酸。

混酸在0.3Mpa压力下自SV型静态混合器7进入微通道反应器15，同时通过计量泵13将乙苯储罐12中的乙苯以22毫升每分钟的流量输入微通道反应器15，微通道反应器15内的反应流道温度控制在33℃，乙苯与混酸在反应流道内边流动边反应，停留时间为7分钟，从微通道反应器15出口流出的反应混合液进入连续分酸器20，在连续分酸器20内反应混合液实现混酸与有机油相的连续分离，连续分酸器20内的温度设为26℃，分离出的混酸进入废酸储罐21，废酸储罐21内的温度设为45℃，在废酸储罐21内停留12分钟后用泵19输送到酸浓缩器16进行浓缩，酸浓缩器16内的温度设定为65℃，浓缩后的废酸进入浓缩废酸缓冲储罐11，接着用泵9将浓缩废酸缓冲储罐11中的浓缩废酸输送进混合器7的入口，在混合器内与新鲜的硝酸和硫酸混合，连续制成混酸，废酸得以循环利用；从连续分酸器20分离出的有机油相进入连续中和水洗器29，与此同时，计算机软件自动控制泵31和34将稀碱液储罐32中的稀碱液和纯水储罐35中的纯水分别以8毫升每分钟和15毫升每分钟输送进连续中和水洗器29，稀碱液是质量分数为30％的碳酸钠水溶液，其温度为23℃，纯水是自来水，其温度为22℃，在连续中和水洗器29内实现对有机油相的连续中和水洗，在连续中和水洗器29内安装有两个连接多通道pH测量计24的pH测量探头，多通道pH测量计24与计算机25相连，利用计算机25实时在线读取pH值，并通过软件自动精确调节控制碱液和纯水的流量，实现有机油相的连续中和水洗；从连续中和水洗器出来的混合液进入连续分水器37，分离出的废水进入废水罐38，分离出的有机相进入粗产品油相储罐39，用泵40将储罐39内的有机油相输送进精馏塔42，设定泵40的流量为20毫升每分钟，在精馏塔内实现4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续分离，分离出的4-乙基硝基苯进入储罐43，2-乙基硝基苯进入储罐44。分别从储罐39、43和44中取样，然后用Agilent 6890 GC气相色谱仪作定量检测，以峰面积定量产物浓度。经分析，原料转化率99.9％，4-乙基硝基苯的收率为53.6％，2-乙基硝基苯的45.2％，储罐43中的4-乙基硝基苯的纯度为99.2％，储罐44中的2-乙基硝基苯的纯度为98.5％。

本实施例中，连续工艺平均小时即可获得4-乙基硝基苯约833克，2-乙基硝基苯约756克。

对比例4

实施例1中，乙苯的流量是22毫升每分钟，乙苯和混酸在微通道反应器内的停留时间是7分钟，连续工艺5分钟消耗乙苯和硝硫混酸各154毫升。因此，间歇釜式合成选择在1L的机械搅拌釜内进行，投入乙苯154毫升，95％硝酸和98％硫酸的混酸共154毫升(硝酸和硫酸的体积比4：3)，定时取样分析，反应3小时，乙苯的转化率约66％，反应4小时，乙苯的转化率约78％，反应6小时，乙苯的转化率约89％，反应8小时，乙苯的转化率约96.5％。釜式合成中，反应完成后，后处理分酸、中和和精馏需要总共耗费约5小时，总共得到4-乙基硝基苯67.8克，2-乙基硝基苯62.4克。间歇釜式工艺，平均小时获得4-乙基硝基苯约5.2克，2-乙基硝基苯约4.8克。此外，间歇釜式工艺同时还产生废酸近130毫升。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续生产方法，其特征在于，依次包括下述步骤：

S1：连续配制混酸；

S2：乙苯与混酸在微通道反应器中连续混合与反应；

S3：连续分离混酸与有机油相；

S4：连续中和水洗有机油相得到中性或接近中性的油水混合物；

S5：连续分离有机油相与水相，得到4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯；

用于实现所述方法的装置和设备包括：

一个硝酸储罐(1)，

一个硫酸储罐(4)，

一个乙苯储罐(12)，

一个混合器(7)，

一个微通道反应器(15)，

一个连续分酸器(20)，

一个废酸储罐(21)，

一个酸浓缩器(16)，

一个浓缩废酸缓冲储罐(11)，

一个多通道pH测量计(24)，

一台计算机(25)，

一个连续中和水洗器(29)，

一个稀碱液储罐(32)，

一个水储罐(35)，

一个连续分水器(37)，

一个废水储罐(38)，

一个粗产品有机油相储罐(39)，

一个精馏塔(42)，

一个4-乙基硝基苯储罐(43)，

一个2-乙基硝基苯储罐(44)，

若干泵(2)，(5)，(9)，(13)，(19)，(31)，(34)，(40)，流量计(3)，(6)，(8)，(14)，(18)，(23)，(30)，(33)，(36)，(41)和阀门(10)，(17)，(22)，

其工作过程是：硝酸储罐(1)中的硝酸、硫酸储罐(4)中的硫酸和浓缩废酸缓冲储罐中(11)的浓缩废酸分别通过计量泵，按照一定的体积流量比输入混合器(7)，硝酸和硫酸组分在混合器内一边流动一边混合，形成混酸，同时通过控制混合器内的温度对混酸进行预热；混酸在一定压力下自混合器(7)进入微通道反应器(15)，同时用计量泵(13)将乙苯储罐(12)中的乙苯以一定的流量输入微通道反应器(15)，乙苯与混酸在微通道反应器(15)的反应流道内边混合边反应，从微通道反应器(15)出口流出的反应混合液以一定流速进入连续分酸器(20)，在连续分酸器(20)内反应混合液实现混酸与有机油相的连续分离，分离出的混酸进入废酸储罐(21)，在废酸储罐(21)内初步预热后用泵(19)输送到酸浓缩器(16)进行浓缩，浓缩后的废酸进入浓缩废酸缓冲储罐(11)，接着用泵(9)将浓缩废酸缓冲储罐(11)中的浓缩废酸输送进混合器(7)的入口，在混合器内与新鲜的硝酸和硫酸混合，连续制成混酸，废酸得以循环利用；从连续分酸器(20)分离出的有机油相进入连续中和水洗器(29)，与此同时，用泵将稀碱液储罐(32)中的稀碱液和纯水储罐(35)中的纯水输送进连续中和水洗器(29)，在连续中和水洗器(29)内实现对有机油相的连续中和水洗，在连续中和水洗器(29)内安装有至少两个连接多通道pH测量计(24)的pH测量探头，多通道pH测量计(24)与计算机(25)相连，利用计算机(25)实时在线读取pH值，并通过软件自动精确调节控制碱液和纯水的输送流量，实现有机油相的连续中和水洗；从连续中和水洗器(29)出来的混合液进入连续分水器(37)，分离出的废水进入废水罐(38)，分离出的有机相进入粗产品有机油相储罐(39)，用泵(40)将储罐(39)内的有机油相输入进精馏塔(42)，在精馏塔里面实现4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯的连续分离，分离出的4-乙基硝基苯进入储罐(43)，2-乙基硝基苯进入储罐(44)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S1中，同时将硝酸、硫酸和回收浓缩后的废酸输送到混合器的入口，三股流体在混合器内一边流动一边混合，混合均匀后得到混酸。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少包括以下一种条件：

(1)所述硝酸的质量分数为60～100％；

(2)所述硫酸的质量分数为60～100％；

(3)通过调节硫酸、硝酸和回收浓缩后的废酸的体积流量比来控制硝酸和硫酸的总摩尔比；所述总摩尔比为1.0～5.0；

(4)混合物料在混合器内的停留时间为1～60分钟；

(5)所述回收浓缩后的废酸包含硫酸、硝酸和水；其中，硝酸的质量分数为50～95％，硫酸的质量分数为50～95％；

(6)其中，所述的混合器内的温度控制在0～80℃。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，至少包括以下一种条件：

(1)所述硝酸的质量分数为80～98％；

(2)所述硫酸的质量分数为85～98％；

(3)通过调节硫酸、硝酸和回收浓缩后的废酸的体积流量比来控制硝酸和硫酸的总摩尔比；总摩尔比为1.0～3.0；

(4)混合物料在混合器内的停留时间为0.5～30分钟；

(5)所述回收浓缩后的废酸包含硫酸、硝酸和水；其中，硝酸的质量分数为50～95％，硫酸的质量分数为50～95％；

(6)其中，所述的混合器内的温度控制在2～30℃。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述混合器的横截面为任意形状，水力直径范围为200微米～1厘米；所述混合器里面填充有耐强酸腐蚀的固体填料或混合元件，所述固体填料或混合元件由聚四氟乙烯、不锈钢、哈氏合金、碳化硅或硼硅玻璃中的一种或多种材料混搭制作而成；

固体填料或混合元件可以是任意形状的三维实体，单个固体填料的颗粒或混合元件的最大外径是水力直径的1/100～1/10。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，单个固体填料的颗粒或混合元件的最大外径是水力直径的1/50～1/12。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S2中，乙苯和混酸在微通道反应器中连续混合与反应；反应温度控制在-10～100℃；反应压力控制在0.1～2.0MPa；反应停留时间控制在1～60分钟。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在S2中，乙苯和混酸在微通道反应器中连续混合与反应；反应温度控制在15～80℃；反应压力控制在0.2～1.0MPa；反应停留时间控制在2～15分钟。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在S2中，乙苯和混酸在微通道反应器中连续混合与反应；反应温度控制在18～40℃。

10.根据权利要求7-9任一项所述的方法，其特征在于，通过调节乙苯与混酸的体积流量比来控制乙苯与硝酸及乙苯与硫酸的摩尔比；所述乙苯与硝酸的摩尔比为1.0：0.8～1.0：5.0；所述乙苯与硫酸的摩尔比为1.0：0.4～1.0：5.0。

11.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在S3中，从微通道反应器出口流出的反应物料进入连续废酸分离器，得到废酸和有机油相；

从连续废酸分离器分离出的废酸进入废酸储罐，同时在废酸储罐内进行预加热，接着将废酸输送到酸浓缩器进行浓缩，再将浓缩后的废酸输送到S1中的混合器的入口。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述连续废酸分离器内部的温度控制在5～100℃；所述废酸储罐具有温度调节功能，能将废酸储罐内的温度控制在5～100℃。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述连续废酸分离器内部的温度控制在15～60℃；所述废酸储罐具有温度调节功能，能将废酸储罐内的温度控制在25～95℃。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S4中，从连续废酸分离器出来的有机油相进入中和水洗器，同时用泵设备将稀碱液和水输送进入中和水洗器，有机油相、稀碱液和水在中和水洗器内一边流动一边混合，稀碱液中和有机油相中剩余的酸组分，通过软件在线监控pH值，并在线精确控制泵设备输送稀碱液和纯水的流量，得到中性或接近中性的油水混合液。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在S5中，将中性或接近中性的油水混合液进入连续分水器，从连续分水器分离出来的废水进入废水处理储罐，从连续分水器分离出来的有机油相进行连续精馏，分离得到4-乙基硝基苯和2-乙基硝基苯。

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