向有機分子的碳原子上引入硝基的反應(yīng)稱作硝化反應(yīng)。硝化反應(yīng)在化學(xué)工業(yè)中應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速，尤其是炸藥及含能材料領(lǐng)域的大規(guī)模生產(chǎn)中，科學(xué)家們對硝化反應(yīng)的研究不斷深入，硝化理論體系不斷趨于完善。
在芳環(huán)和雜環(huán)上引入硝基的目的主要有三個方面：
1) 將引入的硝基轉(zhuǎn)化為其他的取代基，例如硝基還原，是制備芳伯胺的一條重要的合成路徑。
2) 利用硝基的強吸電性使芳環(huán)上的其他取代基（特別是氯基）活化，易于發(fā)生親核置換反應(yīng)。
3) 利用硝基的特性，賦予精細(xì)化工產(chǎn)品的某種特性，例如染料的顏色加深，作為藥物、炸藥或溫和的氧化劑等。
硝化工藝主要分為間歇硝化和連續(xù)硝化工藝。間歇硝化工藝，采用滴加混酸或原料的方式至反應(yīng)釜中，保證硝化反應(yīng)在合適溫度進行，避免滴加速度過快導(dǎo)致?lián)Q熱不及時反應(yīng)釜飛溫。由于反應(yīng)的不同，很多反應(yīng)結(jié)束后會有未反應(yīng)完的原料進入分離器中，在高溫狀態(tài)下繼續(xù)反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)器升溫，給整個生產(chǎn)過程帶來危險。連續(xù)硝化工藝，可以通過遠(yuǎn)程自動控制，連續(xù)加料、反應(yīng)、分離，反應(yīng)過程貫穿了整個生產(chǎn)工藝，避免重復(fù)投料、出料過程，反應(yīng)物料配比準(zhǔn)確、工藝指標(biāo)穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大幅提高，且工人勞動強度大幅降低。
國家早在“十二五”期間就已經(jīng)開始在行業(yè)內(nèi)推廣連續(xù)硝化工藝，但直到現(xiàn)在，連續(xù)硝化工藝在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用比例仍不高。有專家指出：企業(yè)堅持采用間歇式硝化工藝的很大原因是可以根據(jù)市場行情隨意更改工藝路線，生產(chǎn)銷量更大的其他產(chǎn)品。同時，很多化工企業(yè)對硝化工藝的危險性認(rèn)識不足，存有僥幸心理，缺乏進行工藝升級改造的動力。
硝化反應(yīng)在小試或者中試時，反應(yīng)器較小、物料均勻、反應(yīng)溫度好控制。一旦工業(yè)化，反應(yīng)釜體積增大，放大效應(yīng)明顯，風(fēng)險會大大增加。但目前外界對硝化工藝誤解很深，一提到硝化，就認(rèn)為是非常危險的過程。硝化工藝的確是一個典型的放熱反應(yīng)，具有一定的危險性，但是也絕對不應(yīng)該被一刀切，需要根據(jù)具體的工藝情況進行區(qū)分。對具體工藝進行風(fēng)險評估是非常有必要的。地方政府特別是化工大省山東、浙江、江蘇，都相繼出臺了不少細(xì)致嚴(yán)格的政策。如2018年初山東省安監(jiān)局下發(fā)《關(guān)于開展爆炸性化學(xué)品生產(chǎn)裝置安全評估的通知》，決定在全省范圍內(nèi)開展爆炸性化學(xué)品生產(chǎn)裝置安全評估，評估范圍包括：全省涉及硝基化合物、環(huán)氧化合物、過氧化物、偶氮化合物等自身具有爆炸性的化學(xué)品生產(chǎn)裝置。在項目建設(shè)篩選過程中，企業(yè)應(yīng)該選擇本質(zhì)安全的工藝，禁止不安全工藝動工。如果對行業(yè)進行一刀切式的禁止生產(chǎn)，勢必導(dǎo)致社會上產(chǎn)品嚴(yán)重缺乏，價格走高，可能一些不具備安全生產(chǎn)規(guī)范的廠家為了利益違法違規(guī)進行生產(chǎn)，最終導(dǎo)致更大的危害。
以微通道反應(yīng)器為代表的微化工技術(shù)是一項新型的環(huán)保的化工技術(shù)，與傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)技術(shù)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更環(huán)保而且占地面積非常小，同時又能合理利用資源不會造成能耗高，已引起能源化工、環(huán)境工程等自然科學(xué)界其他領(lǐng)域的高度重視。微通道反應(yīng)器是利用精密加工技術(shù)制造的特征尺寸在幾十微米到幾毫米之間的連續(xù)反應(yīng)器，其內(nèi)部特殊的通道結(jié)構(gòu)可以大幅強化傳質(zhì)效果，為硝化反應(yīng)的精確、穩(wěn)定、安全進行提供了可行的解決方案。連續(xù)流微通道反應(yīng)器可以實現(xiàn)根據(jù)不同工藝進行定制化，精確控制反應(yīng)器內(nèi)溫度、系統(tǒng)壓力、原料及硝化劑流量、冷媒流量、pH值等參數(shù)，做到反應(yīng)系統(tǒng)溫度壓力的報警和聯(lián)鎖、自動進料控制和聯(lián)鎖等，還設(shè)有泄爆管和緊急排放系統(tǒng)。下圖為山東豪邁公司為浙江某企業(yè)定制的連續(xù)流硝化反應(yīng)工廠，目前已穩(wěn)定生產(chǎn)。
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圖1 某企業(yè)硝化反應(yīng)連續(xù)流反應(yīng)工廠設(shè)備圖
(1) N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺硝化反應(yīng)，采用硝酸直接硝化的方法，反應(yīng)方程式與反應(yīng)機理如圖，
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圖2 N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺硝化反應(yīng)方程式
以N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺為原料，95%硝酸為硝化試劑，在微通道反應(yīng)器中進行反應(yīng)，結(jié)果顯示:在反應(yīng)溫度為20℃、N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺與95%發(fā)煙硝酸的摩爾比為1:2.6時，停留時間為10s就可達(dá)到理想的反應(yīng)效果，原料基本轉(zhuǎn)化完全，與傳統(tǒng)反應(yīng)釜相比反應(yīng)時間大大縮短、反應(yīng)效率顯著提高，安全性也大大提高。
(2) 以吡唑為原料，在硝酸-乙酸酐體系下硝化合成N-硝基吡唑，再在苯甲腈中熱重排制備3-硝基吡唑，之后在硝硫混酸體系下硝化合成3,4-二硝基吡唑。該路線的反應(yīng)方程式如下：
在微反應(yīng)器中以吡唑為原料，乙酸酐-硝酸作為硝化劑，進行硝化反應(yīng)制備N-硝基吡唑。在反應(yīng)溫度55°C，進料摩爾比n(硝酸):n(吡唑)=1.1:1，乙酸酐與硝酸體積比5.5:1,停留時間150s的條件下，吡唑硝化達(dá)到最優(yōu)效果，此時N-硝基吡唑的收率為92.2％，純度99.5%。
實驗中，在微通道反應(yīng)器和常規(guī)反應(yīng)器各自較優(yōu)工藝條件下，比較產(chǎn)物選擇性結(jié)果見表1。
表1 產(chǎn)物選擇性比較
表1結(jié)果表明，在微通道反應(yīng)器中，氯苯單程轉(zhuǎn)化率雖相對較低，但所得到產(chǎn)物中鄰位選擇性有明顯提高，且副產(chǎn)物相對較少。分析原因，尺寸被微型化的微通道反應(yīng)器，強化了傳熱、傳質(zhì)過程，弱化了反應(yīng)中鄰位空間位阻效應(yīng)，利于生成鄰硝基氯苯，提高了氯苯鄰位選擇性。
圖4 2,4-二硝基氯苯合成反應(yīng)方程式
由氯苯經(jīng)兩步硝化而得，先用氯苯萃取一硝化廢酸，將萃取氯苯與二硝化廢酸混合，在滴加一硝化混酸在70 ℃行一硝化，分離出一硝基物再用二硝化混酸在50~100 ℃進行二硝化，即得到二硝基物，然后用冷卻結(jié)晶法精制即得商品2,4-二硝基氯苯。大規(guī)模生產(chǎn)時，更適合采用微通道反應(yīng)器連續(xù)硝化法。
對于危險工藝-硝化反應(yīng)，使用連續(xù)流反應(yīng)器可以實現(xiàn)本質(zhì)安全，優(yōu)勢明顯。
1) 效率提升：使用微反應(yīng)器之后極大縮短了反應(yīng)時間，提升了效率。一般需要幾分鐘就可以得到較高的轉(zhuǎn)化率和選擇性；
2) 穩(wěn)定性：使用微通道連續(xù)流反應(yīng)器之后，制備的化合物品質(zhì)很穩(wěn)定，雜質(zhì)的種類減少，含量穩(wěn)定，這對于制藥企業(yè)是一個很大的優(yōu)勢；
3) 安全性：一是持液量低，二是反應(yīng)停留時間短，爆炸性混合物產(chǎn)生的概率也大幅度降低。
4) 自動化程度提高：精確控制反應(yīng)參數(shù)，實現(xiàn)工藝過程的自動控制和主要參數(shù)指標(biāo)的自動報警自動停機，可以實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。
5) 節(jié)約占地：撬裝化的設(shè)計理念，將進料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)集成在一起，將占地幾百平米的傳統(tǒng)反應(yīng)裝置，濃縮至幾平米的空間，極大的節(jié)約了設(shè)備的占地面積。
