JRC报告深度解析：如何让危化品制备不再“危”

德祥科技有限公司

2022/05/20 15:21

2022年3月，欧盟委员会联合研究中心（JRC）发布了题为《流动化学与含能材料合成》的技术报告。在本报告中，JRC 重点关注使用危险试剂合成爆炸材料，并使用 Vapourtec 流动合成仪进行微通道研究。

图1：《流动化学与含能材料合成》技术报告封面

[图片来源：JRC，2022 年]

欧盟委员会联合研究中心（JRC）的中心任务是承担欧盟研发框架计划研究项目，为制定和执行欧盟政策提供科技支持，领域涉及环境、能源、交通、农业、安全、核技术和金融等。数十年间，JRC 的主要研究方向之一是安全开发用于各种领域的高纯度炸药，包括执法、采矿或安全应用。

炸药的生产、储存和运输一直是一项危险的工作。自工业高爆炸药问世以来，炸药相关的事故已造成数千人死亡，物质损失几乎无法估量。尽管安全实践有所改进，但近些年来在民用和军用市场生产烈性炸药的过程中仍会发生事故。化工产品尤其是危化品生产、危化反应大多面临传质传热的问题。

2015 年，JRC 发布的研究报告中发现，最常见的事故类型是爆炸物的生产和储存。研究指出，涉及爆炸物的事故仍呈规律性发生，自 2000 年以来，几乎每年发生2-4 起事故。欧洲涉及爆炸性物质的事故大部分属于重复事故，也就是说，同一事故在同一设施内发生了不止一次。可见，对危化品全产业链进行安全管理，避免事故发生，需要企业主体增强安全意识，从生产的源头抓起！

图2：工业活动涉及爆炸物的重大事故

【图片来源：JRC报告】

含能材料合成工艺现状

作为一类重要的化合物，含能材料含有大量的储存化学能。高能材料在某些刺激下可以释放热量，如冲击、冲击或热，施加高压。到目前为止，含能材料（即炸药、推进剂和烟火）的工业生产一直以传统的批处理为主。尽管安全实践有所改进，但民用和军用市场的含能材料的生产和加工过程中仍会发生事故。许多烈性炸药的制造主要通过硝化来完成，因为大多数是硝基化合物。硝化是将硝基 (-NO2) 引入有机化合物的放热化学过程，此研究步骤会存在较高的安全风险。

传统的化学法制备含能材料普遍存在原料供给不足、环境污染严重、副产物多、过程安全性差等问题。

然而，流动化学的固有优势正在吸引能量学材料界的兴趣，因为它具有提高能量材料生产的安全性、可重复性和效率的潜力。

化工行业安全事故频发背后的启示

硝化反应的原料和反应产物都极具危险性，被硝化物大多是易燃、可燃物质；硝化剂浓硝酸、硫酸、混酸具有强烈的氧化性和腐蚀性，它们与油脂、有机化合物尤其是不饱和有机化合物接触，能引起燃烧或爆炸。其次，硝化反应产物硝基化合物一般都有爆炸危险性、毒性、致癌性，比如2,4,6-三硝基甲苯俗名梯恩梯，就是猛性炸药，亦是多种混合炸药的组分，2-硝基-2-丁烯滴入眼内一滴可损坏角膜，亚硝胺为强烈的致癌剂。许多硝化反应易产生副反应和过反应，如磺化、水解、氧化等副反应，直接影响到生产的安全。

由于以上原因，硝化过程是化学工业中最危险的化学操作之一。既然如此危险为何不放弃硝化过程？

芳香化合物的硝基衍生物被用于许多化肥、农药、染料、香水、药品或活性药物成分(API)的生产。几乎65%的原料药在整个过程中至少需要一个硝化步骤。因此，硝化过程不可或缺。

图3：硝化反应原料产物大多都具备危险性

当然为了避免硝化反应带来的损失和危险，大部分实验室及化工公司都对化工爆炸有一定的预防措施及培训。然而，江苏聚鑫生物科技有限公司“12•9”爆炸事故，江西省九江市之江化工公司“7•2”爆炸事故，内蒙古阿拉善盟立信化工有限公司“2•21”爆炸事故等。起因于硝化反应的爆炸从未停止过。

可见化工事故一直频发，光靠外部防范措施是远不够的，应当从工艺开发的源头着手，寻求一种安全、高效的方法用于含能材料合成。

微反应技术对含能材料合成的改进优化

在含能材料领域，有一个日益增长的趋势——开发方法，提高过程安全性，产量，选择性，质量，并降低基础设施成本。

在此趋势下，流动化学逐渐走进大众视野，特别是与批处理相比，它具有提高安全性的潜力——流动反应器有助于高放热反应的安全。流动反应器的传热速率比间歇式反应器快很多个数量级，并可以防止热点的产生，从而防止副反应或失控反应的发生。

事实上，大多数分子炸药理论上可以分批或连续硝化合成。与批量合成相比，连续流系统可以根据需求生产少量产品，几乎没有过剩。芳烃硝化一直存在强放热、安全性差、环境污染等问题,利用新兴的微反应器技术,以其极大的比表面积、微小的反应体积和优良的传热传质性能,实现对芳烃硝化的精确控制。此外，模块可以用于单步反应或多步过程，其中模块以可重构的组合相互连接，以创建所需的*产品。工艺条件可以更精确地控制，有优良的再现性和安全性。

流动化学的应用与优势