超声微反应器内三硝基间苯三酚合成工艺研究

三硝基间苯三酚（TNPG）是制备1,3,5-三氨基- 1,3,5-三脱氧-顺式肌醇（TACI）及其衍生物的重要 中间体，通常由间苯三酚（PG）经硝硫混酸硝化反应制得。经 TNPG 加氢制备的TACI是一种重要的配体，对金属阳离子具有很高的亲和力,可作为螯合剂治疗金属中毒，也可以与金属结合后催化生 物聚合物水解，广泛应用于生物医药及催化领域。目前，PG 硝化制TNPG主要采用间歇釜式工艺 。PG溶解于浓硫酸后，在-5~0℃下缓慢滴加硝化试剂，保温反应 1~3 h，反应浆料加冰水后经抽滤 得到TNPG固体粗料。PG先被磺化生成三磺酸基间苯三酚，再经三硝基取代反应生成TNPG。PG分子包含多羟基基团的特点使其 易发生氧化副反应，因此釜式硝化工艺需通过低温和滴加进料的方式控制反应过程，存在反应时间长、效率低等缺点。此外，持液量大、控温难、混合慢等问题也使反应器内极易产生局部热点，存在严重安全隐患。为提高过程效率和安全性，亟需改进现有工艺。 微反应器具有热质传递速率高、精确控温、持液量小等优点，是快速强放热反应的理想场所。 研究表明，利用微反应器开展硝化、磺化等强放热 或危险性反应，可实现物料的快速、均匀混合，从而减少副产物、缩短反应时间和实现安全生产 。然而，对于含固体系的反应过程，易发生固体沉积和通道堵塞。为解决堵塞问题，研究者引入超声并发展出超声微反应技术 。超声振动可有效破碎颗粒间桥连和剥离壁面沉积固体，从而对微通道中固 体堵塞过程产生疏浚效果；同时，由于空化效应及其所引起的局部声流、微射流和冲击波等现象，强化了流体混合和多相传质过程 。超声微反应器 已在流体混合、气-液/液-液传质、结晶和纳米材料合成等过程得到应用。Horie等器开展了马来酸酐光催化二聚反应研究利用超声微反应 ，实现了反应过程连续化，且收率大幅提升。Cantillo等以硝 酸铵为硝化试剂，在超声微反应器中实现了TNPG 连续合成，但其仅将毛细管微反应器置于超声清洗槽，以水作为传导介质，存在能量效率低和强化效果不显著的缺点；此外，该研究仅简单报道了合成方法和结果，并未考察工艺过程规律。因此，有必要探索超声微反应器中TNPG连续合成过程规律和动力学行为。 本文将微通道反应器与超声换能器直接耦合， 以提高超声能量传输效率和防堵塞性能。以硝硫混酸为硝化试剂，研究超声功率、硝酸与 PG摩尔比 （N/PG）、混酸含水量、停留时间、反应温度等参数的影响，对 PG硝化工艺进行了优化，并对反应机理与过程行为展开讨论。

本文研究了直接接触式超声微反应器中间苯三酚混酸硝化合成三硝基间苯三酚的过程，系统考察了超声功率对混合与反应过程的影响，以及物料配比、停留时间、反应温度、混酸含水量等参数对TNPG收率的影响。研究发现超声微反应器不仅可有效强化高黏流体混合过程，还能防止产物固体沉积和堵塞通道，实现TNPG 的连续合成。超声微反应器内，优化工艺条件下（超声功率60 W、反应温度 40℃、反应停留时间 6~10 min、硝酸与 PG 的摩尔比 4），TNPG 收率大于 80%。在此条件下进行固体产品试制，得到的样品收率为81.3%，纯度大于98%。 研究发现 PG 在浓硫酸中溶解 30 min 时，原料主要发生一磺化反应。因此，与文献报道的机理不同，实际反应路径应为一磺化 PG 先后发生两步硝 化和硝基取代反应。前两步硝化反应速率显著大于硝基取代反应，但相对于后者并非瞬时反应。据此，可将PG硝化合成TNPG的过程分为三步硝化共存的快速反应段与硝基取代为主的慢速反应段，并借鉴动力学分析方法建立了反应模型。虽然此模型进行了简化，但能较好描述实验结果，可为工程设计提供参考。