申西俊，汪華，何家明

(珠海保稅區(qū)麗珠合成制藥有限公司，廣東 珠海 519030)

0 引言

硝化工藝反應(yīng)速度快、放熱量多，同時(shí)反應(yīng)物料有燃燒和爆炸的危險(xiǎn)，并且硝化劑自身有腐蝕性，氧化性和爆炸的可能性，同時(shí)，硝化產(chǎn)物及其副產(chǎn)物也具有爆炸的可能性，所以企業(yè)安全事故很多都是硝化反應(yīng)引起的[1-2]。其中，硝化反應(yīng)引起的安全事故多是爆炸事故，危害性極高。一是與硝化劑和原料容易爆炸有關(guān)，二是跟硝化反應(yīng)過(guò)程中放出巨大熱量有關(guān)。下面是比較常見(jiàn)應(yīng)對(duì)硝化反應(yīng)的安全措施：(1)制備硝酸混酸時(shí)，嚴(yán)格計(jì)算溫度、酸的比例，防止溫度不受控制引起熱量聚集而發(fā)生爆炸事故；(2)不得和油類、酸酐、酒精等雜質(zhì)混合，同時(shí)，要檢測(cè)體系的含水量，否則容易因?yàn)樗暮窟^(guò)高而引起爆炸事故；(3)硝化反應(yīng)過(guò)程要控制物料的滴加速度，所以硝化反應(yīng)器要配置性能好的攪拌和冷卻裝置，還要有溫度調(diào)控裝置和報(bào)警裝置，在溫度高時(shí)或攪拌發(fā)生異常時(shí)可以自動(dòng)報(bào)警，停止供給，達(dá)到安全保護(hù)目的。本文通過(guò)對(duì)硝化反應(yīng)量熱研究與分析，可以預(yù)測(cè)該硝化反應(yīng)的安全操作溫度、防止因超過(guò)規(guī)定溫度而發(fā)生爆炸事故。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在工藝研究階段還可以根據(jù)研究數(shù)據(jù)，對(duì)反應(yīng)物料配比、反應(yīng)控制溫度進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，降低反應(yīng)工藝危險(xiǎn)等級(jí)。艾普拉唑?qū)儆谫|(zhì)子泵抑制劑，其機(jī)制是在胃酸分泌的最后過(guò)程中抑制該酶的H+/K+轉(zhuǎn)運(yùn)，所以具有抑酸的效果。這類藥物主要治療與酸分泌相關(guān)的疾病，如消化性潰瘍、反流性食管炎和卓艾綜合征等[3-4]。目前質(zhì)子泵抑制劑是治療胃相關(guān)疾病效果最好一類藥物[5-6]，其合成工藝中有硝化反應(yīng)，所以研究該硝化反應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)是對(duì)企業(yè)安全生產(chǎn)有重大的意義。

1 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以從物料的熱穩(wěn)定性、反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)可能導(dǎo)致的嚴(yán)重程度、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、嚴(yán)重程度與可能性的疊加結(jié)果，以及反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度五個(gè)方面進(jìn)評(píng)估。本文主要采用反應(yīng)工藝的危險(xiǎn)度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度反應(yīng)工藝自身的危險(xiǎn)水平，危險(xiǎn)度越大的反應(yīng)，反應(yīng)失控后造成事故的危害性就越大。反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的基準(zhǔn)是溫度，考慮四個(gè)重要溫度參數(shù)，分別為工藝操作溫度Tp、技術(shù)最高溫度MTT(反應(yīng)體系的沸點(diǎn))、失控體系最大反應(yīng)速率到達(dá)時(shí)間TMRad為24 h對(duì)應(yīng)的溫度TD24、失控體系可能達(dá)到的最高溫度MTSR。通過(guò)比較工藝過(guò)程中這四個(gè)重要的溫度參數(shù)，可以確定反應(yīng)工藝危險(xiǎn)等級(jí)，具體情況見(jiàn)表1[7]。

表1 反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度等級(jí)評(píng)估

1.2 工藝路線

艾普拉唑工藝合成中原硝化反應(yīng)路線如圖1所示。

圖1 硝化反應(yīng)路線

取 120 g 艾普拉唑中間體溶解在 240 mL二氯甲烷溶液中，降溫至0～5 ℃；緩慢將 180 mL發(fā)煙硝酸滴加至二氯甲烷溶解液中，保持反應(yīng)釜內(nèi)溫度 0～5 ℃；滴加結(jié)束后，維持0～5 ℃繼續(xù)反應(yīng)至反應(yīng)終點(diǎn)。緩慢加入冰水淬滅、濃縮得艾普拉唑硝化物。

1.3 反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試采用設(shè)備

差示掃描量熱儀(DSC)：對(duì)提供的原料、產(chǎn)品及最終反應(yīng)混合液等進(jìn)行初步的熱穩(wěn)定性篩選，包括物料起始放熱分解溫度、分解過(guò)程放熱量等。稱取一定質(zhì)量的樣品放入鍍金高壓坩堝，密閉后將坩堝和空白對(duì)比坩堝同時(shí)放入DSC 中，以設(shè)定的升溫速率進(jìn)行測(cè)試，升溫至設(shè)定溫度，采集升溫過(guò)程中的熱數(shù)據(jù)。

檢測(cè)依據(jù)：GB/T 22232—2008 《化學(xué)物質(zhì)的熱穩(wěn)定性測(cè)定差示掃描量熱法》。

絕熱加速量熱儀(ARC)：研究產(chǎn)物制備結(jié)束時(shí)反應(yīng)混合液的二次分解特性，包括起始分解溫度、分解放熱量、絕熱下最大反應(yīng)速率到達(dá)時(shí)間等信息，明確反應(yīng)過(guò)程潛在的二次分解反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。稱取一定質(zhì)量的樣品裝入樣品球，啟動(dòng)設(shè)備，試樣在絕熱狀態(tài)下升溫到設(shè)定的起始溫度，經(jīng)歷多次 H-W-S 的階梯式探索，直至到達(dá)設(shè)定溫度。

檢測(cè)依據(jù)：SN/T 3078.1—2012 《化學(xué)品熱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指南 第 1 部分-加速量熱儀法》。

全自動(dòng)反應(yīng)量熱儀(RC1)：研究工藝過(guò)程中反應(yīng)過(guò)程的放熱特性，獲得反應(yīng)前后混合液的比熱容、反應(yīng)過(guò)程放熱量、放熱速率、絕熱溫升等信息。試方法：反應(yīng)原料根據(jù)給定的工藝條件，依次加入到反應(yīng)釜中，采用恒溫?zé)崃髂Ｊ竭M(jìn)行量熱測(cè)試，直至反應(yīng)結(jié)束。

檢測(cè)依據(jù)：TRAS-410 Recognition and control of exothermic chemical reactions；Q31/0107000164F003—2020 《化工工藝反應(yīng)安全參數(shù)測(cè)定方法》。

1.4 反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)

艾普拉唑硝化反應(yīng)的DSC測(cè)試結(jié)果如表2及圖2所示。

圖2 反應(yīng)后混合液的密閉 DSC 測(cè)試圖

表2 反應(yīng)混合液的DSC測(cè)試結(jié)果

艾普拉唑硝化反應(yīng)的RC1測(cè)試曲線圖，結(jié)果如表3及圖3所示。

由屈曲分析結(jié)果可知，第1模態(tài)臨界荷載系數(shù)為20.1，發(fā)生失穩(wěn)處為進(jìn)口煙道底部與塔壁連接處，第2模態(tài)到第6模態(tài)臨界荷載系數(shù)范圍為22.1～25.5，發(fā)生失穩(wěn)處均為煙道開(kāi)孔部位附近。

圖3 硝化反應(yīng)量熱測(cè)試曲線

圖4 測(cè)試過(guò)程溫升速率和溫度變化曲線

表3 量熱測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖3可知硝化反應(yīng)的放熱速率曲線積分得到總表觀放熱量QA=40.90 kJ，反應(yīng)后體系的總物料Mr=709.8 g，反應(yīng)的比熱容為Cpr=1.61 J/(g·℃)，反應(yīng)絕熱溫升根據(jù)公式(1)可得：

結(jié)果在加入發(fā)煙硝酸及保溫過(guò)程中出現(xiàn)熱失控，反應(yīng)工藝溫度Tp=0 ℃，該過(guò)程為滴加加料，一旦發(fā)生熱失控，立即停止進(jìn)料。反應(yīng)最大熱累積度在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)處達(dá)到最大，最大熱累積Xac=89.5%，根據(jù)公式(2)：

1.5 ARC測(cè)試結(jié)果

由圖可知，從初始至自加熱升溫至 50 ℃，體系升溫速率為 0.02 ℃/min，升溫速率平穩(wěn)，主要可能是副反應(yīng)多硝化反應(yīng)放熱；在升溫至50 ℃以后，溫升速率不斷增加，伴隨壓力迅速增長(zhǎng)，主要是自放熱引發(fā)分解。對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)擬合TMRad曲線推算TD24，對(duì)修正后T-TMRad數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，當(dāng)t=1440 min時(shí)，得出T=31.7 ℃，即到達(dá)最大溫升速率為24 h時(shí)對(duì)應(yīng)的起始分解溫度為31.7 ℃，即TD24=31.7 ℃。放熱相關(guān)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 TMRad 推算曲線

1.6 艾普拉唑硝化反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度評(píng)估

依據(jù)工藝危險(xiǎn)度評(píng)估結(jié)果(表4)，硝化反應(yīng)的反應(yīng)危險(xiǎn)度等級(jí)為“5級(jí)”，爆炸風(fēng)險(xiǎn)較高。失控體系可能達(dá)到的最高溫度MTSR大于TD24，失控體系很容易引發(fā)二次分解反應(yīng)，二次分解反應(yīng)不斷放熱，體系溫度很可能超過(guò)技術(shù)最高溫度MTT，導(dǎo)致反應(yīng)體系處于更加危險(xiǎn)的狀態(tài)。這種情況下，單純依靠蒸發(fā)冷卻和降低反應(yīng)系統(tǒng)壓力等措施已經(jīng)不能滿足體系安全保障的需要。因此，五級(jí)危險(xiǎn)度是一種非常危險(xiǎn)的情形，普通的技術(shù)措施不能解決五級(jí)危險(xiǎn)度的情形，應(yīng)通過(guò)工藝優(yōu)化、區(qū)域隔離等更為有效地應(yīng)急措施，從而降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

表4 危險(xiǎn)工藝危險(xiǎn)度評(píng)估數(shù)據(jù)匯總

1.7 艾普拉唑硝化工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

根據(jù)前文介紹的反應(yīng)工藝安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，反應(yīng)工藝設(shè)計(jì)上降低MTSR溫度，有助于降低反應(yīng)工藝安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

通過(guò)分析MTSR溫度的計(jì)算公式可以發(fā)現(xiàn)，與MTSR溫度相關(guān)的兩個(gè)參數(shù)分別是物質(zhì)總量、TP溫度。增加物質(zhì)總量但不增加總放熱量可以降低MTSR溫度，即增加溶劑倍數(shù)不增加反應(yīng)物量可以降低MTSR溫度；降低TP溫度，可以降低反應(yīng)工藝MTSR溫度，故艾普拉唑硝化工藝優(yōu)化方向?yàn)樵黾尤軇┡浔?、降低工藝操作溫度TP。

通過(guò)小試研究?jī)?yōu)化后的方案為：

取120 g艾普拉唑中間體溶解在480 mL二氯甲烷溶液中，降溫至-20～-15 ℃；緩慢將180 mL發(fā)煙硝酸滴加至二氯甲烷溶解液中，保持反應(yīng)釜內(nèi)溫度-20～-15 ℃；滴加結(jié)束后，維持-20～-15 ℃繼續(xù)反應(yīng)反應(yīng)終點(diǎn)。淬滅、濃縮得艾普拉唑硝化物。

1.8 新工藝的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

對(duì)新工藝重新進(jìn)行RC1、ARC測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5和圖6。

圖6 硝化反應(yīng)量熱測(cè)試曲線

表5 量熱測(cè)試數(shù)據(jù)

由圖6可知硝化反應(yīng)的放熱速率曲線積分得到總表觀放熱量QA=9.43 kJ，反應(yīng)后體系的總物料Mr=212.6 g，反應(yīng)后的比熱容為Cpr=1.53 J/g·℃，根據(jù)公式(3)可得：

如果在加入發(fā)煙硝酸及后續(xù)升溫保溫過(guò)程中出現(xiàn)熱失控，反應(yīng)工藝溫度由TP1=-15 ℃升溫至TP2=0 ℃，該過(guò)程為滴加加料，反應(yīng)最大熱累積出現(xiàn)在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)，反應(yīng)最大熱累積度Xac=92.71%，對(duì)應(yīng)反應(yīng)溫度TP=-15 ℃。根據(jù)公式(4)可得：

對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行熱動(dòng)力學(xué)分析(圖7)，采用外推法求得樣品的TD24為37.9 ℃。反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估取得反應(yīng)過(guò)程溫度參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

圖7 反應(yīng)混合液二次分解的TD24推算曲線(經(jīng)校正后)

表6 反應(yīng)工藝危險(xiǎn)度評(píng)估數(shù)據(jù)匯總

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)艾普拉唑反應(yīng)工藝進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將原設(shè)計(jì)反應(yīng)工藝的安全危險(xiǎn)等級(jí)由5級(jí)(存在爆炸風(fēng)險(xiǎn))降低到2級(jí)(潛在分解風(fēng)險(xiǎn))，大大提高了反應(yīng)工藝的安全性，為工藝放大提供安全支持。同時(shí)在工業(yè)化生產(chǎn)中對(duì)危險(xiǎn)工藝、危險(xiǎn)化學(xué)品的安全管理也要更加嚴(yán)格，才能實(shí)現(xiàn)安全工業(yè)化生產(chǎn)。