含能材料（包括炸藥、推進劑和煙火）對于國防、航空航天、建筑和采礦領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。盡管傳統(tǒng)制造方法很重要，但幾十年來，傳統(tǒng)的制造方法，特別是批量工藝，一直受到嚴重安全隱患的困擾。高放熱反應(yīng)、不穩(wěn)定中間體和腐蝕性試劑的結(jié)合使生產(chǎn)成為一項高風(fēng)險的工作，歷史上記錄了無數(shù)災(zāi)難性事件。

然而，如今，化學(xué)品制造正在經(jīng)歷技術(shù)變革。流動化學(xué)與邁庫弗洛微流控技術(shù)（常州）有限公司等公司的先進連續(xù)反應(yīng)器技術(shù)相結(jié)合，正在成為一種變革性的解決方案，可增強含能材料生產(chǎn)中的安全性、提高效率并減少對環(huán)境的影響。

本文探討了流動化學(xué)如何保護高能材料制造、相對于傳統(tǒng)批處理的優(yōu)勢，以及邁庫弗洛的反應(yīng)器創(chuàng)新（例如MF-V6 玻璃微反應(yīng)器、MF-V6M 金屬微反應(yīng)器）在使危險化學(xué)品在實驗室和工業(yè)規(guī)模上更安全方面的作用。

傳統(tǒng)含能材料生產(chǎn)的危害

高能材料的合成是一項危險的事業(yè)。SAFEX 和 eMARS 等數(shù)據(jù)庫在過去二十年中記錄了數(shù)十起大規(guī)模事件，其中許多涉及硝化反應(yīng)或熱失控。例如，2010 年至 2020 年間，eMARS 記錄了歐洲 29 起涉及爆炸物的重大事故，造成 45 人死亡、28 人受傷。

批處理中的關(guān)鍵風(fēng)險因素

1、大反應(yīng)體積 – 間歇式反應(yīng)器通常包含全部試劑同時反應(yīng)，這意味著失控反應(yīng)完全有可能升級到災(zāi)難性的水平。

2、傳熱不良——大型攪拌罐的表面積體積比低，散熱緩慢。這增加了熱點和熱失控的機會。

3、危險中間體 – 重氮鹽、肼酸或硝酸甘油等化合物對沖擊、熱或摩擦敏感。分離和儲存這些中間體會增加風(fēng)險。

4、腐蝕性試劑 – 發(fā)煙硝酸、發(fā)煙硫酸和混合酸系統(tǒng)在硝化化學(xué)中很常見，會造成處理、儲存和處置危險。

5、擴展挑戰(zhàn) – 由于熱慣性增加和混合動力學(xué)變慢，在實驗室中安全的反應(yīng)通常在工廠規(guī)模上變得不安全。

這些限制導(dǎo)致迫切需要更安全的生產(chǎn)方法。

流動化學(xué)：更安全的替代方案

流動化學(xué)（也稱為連續(xù)流動處理）通過在狹窄通道、管狀盤管或結(jié)構(gòu)化反應(yīng)器中進行反應(yīng)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，在這些反應(yīng)器中，反應(yīng)物被連續(xù)進料、反應(yīng)和去除。

核心安全優(yōu)勢

· 反應(yīng)體積小 – 在任何給定時間，只有產(chǎn)品總體積的一小部分發(fā)生反應(yīng)，從而降低了潛在事件的嚴重程度。

· 高效散熱 – 高表面積與體積比可快速散熱，防止失控反應(yīng)。

· 精確控制 – 流量系統(tǒng)允許微調(diào)溫度、壓力和停留時間，最大限度地減少副反應(yīng)。

· 安全的原位中間體生成 – 危險中間體可以按需生成并立即消耗，從而消除儲存風(fēng)險。

流動化學(xué)系統(tǒng)組件和安全相關(guān)性

高能材料的穩(wěn)健流動化學(xué)設(shè)置通常包括：

· 泵 – HPLC、注射器或蠕動泵可提供準(zhǔn)確的試劑劑量。邁庫弗洛的模塊化系統(tǒng)集成了高壓計量泵，能夠在腐蝕性和粘性進料流下安全運行。

· 反應(yīng)器 – 管狀盤管、微反應(yīng)器芯片或填充床設(shè)計。

· 背壓調(diào)節(jié)器 – 保持系統(tǒng)壓力，使過熱反應(yīng)條件不沸騰，這對于更快的硝化至關(guān)重要。

· 在線分析 – 光譜探頭（FTIR、UV-Vis、拉曼）可實現(xiàn)實時監(jiān)控，在出現(xiàn)不安全情況時允許自動關(guān)閉。

· 自動控制系統(tǒng) – 系統(tǒng)可基于 PLC 的控制與安全聯(lián)鎖、緊急切斷閥和數(shù)據(jù)記錄相結(jié)合，以實現(xiàn)法規(guī)遵從性。

案例研究：流動中更安全的硝化

2,4-二硝基甲苯 （DNT） 的硝化制 TNT 是一種高放熱過程，傳統(tǒng)上需要危險的發(fā)煙酸。研究表明，在流動中：

· 標(biāo)準(zhǔn)混合酸（65% HNO? 和 98% H?SO?）可以替代發(fā)煙酸，從而降低危險的嚴重程度。

· 停留時間從批量的 4-6 小時下降到流的 30 分鐘以下。

· 邁庫弗洛微通道反應(yīng)器保持等溫運行，防止局部過熱。

· 使用有機溶劑（例如氯仿）在線淬火可防止下游堵塞并確保立即中和。

這種工藝強化不僅提高了產(chǎn)量和純度（在某些試驗中為 >99% TNT），而且還大大降低了發(fā)生不受控制事件的可能性。

通過流動化學(xué)實現(xiàn)的其他含能材料

硝基化合物

連續(xù)流微反應(yīng)器可用于 RDX、HMX 和 LLM-105 生產(chǎn)，可實現(xiàn)更好的溫度控制和更安全的中間體處理。

多氮化合物

四唑合成的流動方法避免了肼酸的批量積累，肼酸是一種對沖擊非常敏感的化合物，以至于處理中的小錯誤可能會致命。

疊氮化物和苯乙烯酸鹽

流動系統(tǒng)可以連續(xù)產(chǎn)生疊氮化鈉或苯乙烯酸鉛，僅產(chǎn)生所需數(shù)量并避免儲存危險。邁庫弗洛的模塊化撬裝系統(tǒng)可以與下游結(jié)晶裝置集成，以實現(xiàn)直接產(chǎn)品隔離。

過氧化物和過酸

含能有機過氧化物可以小規(guī)模、按需、高純度生產(chǎn)，無需大量危險庫存。

邁庫弗洛的危險化學(xué)反應(yīng)器解決方案

邁庫弗洛一直處于危險應(yīng)用定制反應(yīng)器工程的前沿，提供：

· 實驗室規(guī)模的流動系統(tǒng)（MF-V4、MF-V6）——用于工藝開發(fā)和危險化學(xué)可行性研究。

· 中試規(guī)模的模塊化撬裝（MF-V9）——將實驗室創(chuàng)新與工業(yè)吞吐量聯(lián)系起來，而無需重新設(shè)計核心參數(shù)。

· 定制冶金選項 – 哈氏合金、鈦、PTFE 內(nèi)襯、鉭內(nèi)襯或特殊合金，以實現(xiàn)最大的耐腐蝕性。

· 工程控制（反應(yīng)器設(shè)計、結(jié)構(gòu)材料）和過程控制（自動化、在線分析）的結(jié)合確保即使是最敏感的高能化學(xué)反應(yīng)也能以最小的操作員風(fēng)險進行。

通過邁庫弗洛等公司反應(yīng)器技術(shù)的支持動化學(xué)正在重新定義高能材料的生產(chǎn)方式。通過大幅減少反應(yīng)體積、改善散熱并實現(xiàn)精確的過程控制，這些系統(tǒng)減輕了許多歷史上使炸藥制造變得危險的危險。