硝化反应的产品种类很多，其主要应用于医药、农药、染料、颜料等，在军事工业中主要作为火药、推进剂。其反应速度快，放热量大，放热量一般在150-300KJ/mol之间。因硝化产物极不稳定，尤其多硝基化合物极易爆炸，给生产安全造成极大隐患。目前国内的硝化反应装置一般采用釜式反应，其持液量从几百公斤到几吨不等，一旦发生爆炸，破坏力很大，因此采用安全的微通道反应技术，可以从源头解决安全问题，真正做到“本质安全”。

一、硝化反应

      硝化反应自1834年苯-硝基苯，1842年由硝基苯还原为苯胺，硝化反应在工业上开始应用，是向有机物分子中引入硝基（-NO₂）的过程。硝化反应的硝化剂主要有硝酸，无水硝酸到稀硝酸。由于硝化物性质的不同，硝化剂一般不单独使用，而是和质子酸、有机酸、酸酐、路易斯酸混合使用。常用的硝化剂还有N₂O₃、N₂O₄等。硝化方法有非均相混酸硝化法、硫酸介质中的均相硝化、稀硝酸硝化法、浓硝酸硝化法、有机溶剂中混酸硝化法、乙酸（或乙酐）中的硝化法、置换硝化法和气相硝化法。非均相硝化当被硝化物或硝化产物在反应温度下都是液体时，常采用非均相硝化，通过强化传质，使有机相被分散到酸相中完成硝化反应；浓硫酸介质中的均相硝化当被硝化产物在反应温度下为固体时，常将被硝化物溶解于大量浓硫酸中，然后进行硝化；稀硝酸硝化一般用于含有强的第一类定位基的芳香族化合物的硝化；浓硝酸硝化往往需要用较大量的硝酸；有机溶剂中硝化常可以改变所得到的硝基异构产物的比例，避免使用大量硫酸作溶剂以及使用接近理论量的硝酸。硝化特点基本上是硝化剂参加硝化反应的活泼质点是硝基硝酰阳离子NO₂⁺，在纯硝酸中有97%HNO₃是以分子态存在，3%经质子转移生成NO₂⁺。在硫酸存在下，均相硝化是二级反应v=k[ArH][HNO₃]，当H₂SO₄浓度为90%左右时，反应速度为******值；有强吸电子取代基的芳烃在过量浓硝酸中硝化，则为一级反应v=k[ArH]。硝化反应中一般采用316L、哈氏合金等。目前工业化常用的是带夹套的反应釜，有单釜生产，有釜-釜串联，冷凝器同样采用316L、哈氏合金等，其管线、阀门、输送泵均采用对应材质的设备。一般采用搅拌釜式反应形式，通过夹套传热及盘管传热，混酸采用滴加形式。其特点是由于传热速度慢，所以一般在低温条件下反应，以免升温太快引起安全事故，由于搅拌传质相对较慢，或是不均匀，局部易形成多硝基化合物。

二、微通道（连续流）反应技术

     硝化是强放热反应，其放热集中，同时也伴随硫酸的稀释热，反应过程中要求适当的反应温度，避免生成多硝基物和氧化等副反应，因而热量的有效移除是控制硝化反应的突出问题之一。为积极寻求硝化反应过程的“三传一反”问题，常州大学流动化学与过程研究所将微通道（连续流）反应器技术应用于硝化反应中，有效的解决了硝化反应过程中遇到的问题。微通道反应器的特点是传质、传热接近理论值，是釜式反应的1000倍左右，热量可在短时间内迅速移除，且反应区的持液量非常少，当持液量达几升时，装置生产能力每年可达万吨级。

1、微通道（连续流）反应器

    微通道（连续流）反应器是一种依靠微加工技术在特定的固体基质上蚀刻出固定形态的通道，并且具有一定化学反应适用性的化工设备。与常规反应器相比，其内部通道直径非常细小，通常为10~500μm，其拥有极大的比表面积，可达常规反应器比表面积的几百倍甚至上千倍，因此产生极大的换热效率和传质效率，可以精确控制反应温度，确保反应物料瞬间混合，有助于提高化学反应收率、选择性、安全性，以及产品质量。与常规釜式反应器相比，微通道反应器具有以下特点：①通道几何特性，②传递和宏观流动特性，③强化传递过程，④提高产品收率和选择性，⑤利于温度控制，⑥安全性能高，⑦放大问题。与传统化工间歇设备相比，微化工设备可以实现化工过程的连续化生产，具有一定的生产灵活性，并且化工设备高度集中，节约生产空间。微反应器本身强大的传热和传质能力除了可以精确、安全控制反应过程，还有可以提高环境资源和能量的利用效率，实现化工过程的高效化、微型化和绿色化。微通道反应器适合的反应：①放热剧烈的反应；②反应物或产物不稳定的反应；③反应物配比要求很严的快速反应；④危险化学反应以及高温高压反应。

2、微通道（连续流）反应器在硝化中的应用特点

   硝化反应是一个快速的强放热反应过程，在常规反应器中硝化反应如果控制不当就会引起温度飞升、喷料或爆炸等现象。芳烃硝化是合成许多含能材料如TNT中间体的重要反应，在该系列反应过程中如果反应物混合不均、反应热不及时移除会导致一系列副产物。微通道（连续流）反应器由于有较大的比表面积和独特的混合结构，具有较强的传热性能和混合效果，可以高效地控制反应进程和热量交换，降低副反应的发生，从而提高反应的安全性和选择性。

三、案例分享

硝基氯苯合成

   氯苯在混酸硝化过程中会同时产生对硝基氯苯和邻硝基氯苯这两种同分异构体，另外有少量的间硝基氯苯。在反应温度、硝酸与硫酸配比相同的条件下，在间歇反应中n(C₆H₅Cl):n(HNO₃)=1:1.3，停留时间为数小时，对硝基氯苯的产率为57.61%，n(邻硝基氯苯):n(对硝基氯苯)=0.68；在连续流（微通道）反应器中，n(C₆H₅Cl):n(HNO₃)=1:1.1，停留时间为60s，此时，对硝基氯苯的产率为62.16%，，n(邻硝基氯苯):n(对硝基氯苯)=0.57。从氯苯硝化反应的结果中可以看出，微通道（连续流）反应器技术降低硝酸用量，大大缩短氯苯硝化的反应时间，提高了对硝基氯苯的产率，在该反应中体现出独特的优势。。

四、总结

   在国家应急管理部颁布的《精细化工反应安全风险评估导则（试行）》中提到，“对于反应工艺危险度为4级和5级的工艺过程，尤其是风险高但必须实施产业化的项目，要努力优先开展工艺优化或改变工艺方法降低风险，例如通过微反应、连续流完成反应”。硝化工艺是国家重点监管危险化工工艺目录中的一类，其工艺安全风险评估大都为4级和5级，微通道（连续流）反应器技术的应用为硝化工艺的本质安全开辟了新的道路。