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格氏反应过程中的安全对策与载冷剂选择

时间:2016-12-10 13:37 次浏览

格氏反应过程中的安全对策与载冷剂选择

 一、格氏反应的主要危险

  1、溶剂的影响。格氏反应使用的溶剂均为易燃物质,遇引火源容易发生火灾,且具有较低的闪点和极低的引燃能量,在常温或较低的操作温度条件下也极易被点燃,同时具有较宽的爆炸极限范围,与空气混合后很容易发生火灾、爆炸,在保存中接触空气会生成过氧化物,在使用升温时会自行发生爆炸。

  2、体系中水分的影响。在投料前没有有效去除水分将直接影响反应的进行,特别是反应的引发,且镁易与水反应生成氢气并大量放热。即使本来是已经引发好了的,但是当滴加水分较高的原料后,由于水分(或是活泼质子)的影响也会将反应盖灭了,使反应不能正常进行,且格氏试剂水解后会生成易燃的烷烃气体。

  3、镁的用量和细度的影响。镁的用量和表面积直接影响反应的活性,常用的主要有镁条、镁粒、镁屑和镁粉。

  4、反应体系中氧的影响。溶剂在保存和使用中接触空气会生成一定量的过氧化物,当溶剂中过氧化物含量达到一定程度后,遇强热或振动等因素时会造成爆炸。

  5、引发剂的影响。若不能有效引发会使未反应物料大量积聚,造成釜内物料在局部过热的情况下突然发生反应形成高温、高压而发生爆炸。

  6、反应温度对格氏反应的影响。温度对于引发非常重要,若反应初期温度太低,则反应无法引发,导致卤代烃滴加过多大量积聚,当反应一旦开始后会急剧、大量放热,此时反应釜来不及将热量导出会造成冲料、爆炸事故;若制备过程中温度太低,则反应时间变长且反应不彻底并可能中止反应;若温度较高,则易发生偶联反应生成副产,或造成易燃介质冲料、爆炸事故。

  7、惰性气体对反应的影响。若反应釜未采取氮气置换,反应过程釜内溶剂蒸发产生大量易燃气体,格氏制备的副反应中也会产生少量烃类可燃气体,它们与空气混合形成爆炸性混合气体,极易发生爆炸的危险。

  二、格氏反应的主要安全对策措施

  (一)物料和设备的要求

  格氏试剂对水十分敏感,凡是具有活泼氢的化合物都可以和格氏试剂反应,如醇、末端炔烃、伯胺及羧酸等。因此,在制备格氏试剂时,应该使用无水试剂和干燥的装备。

  1、溶剂的选择。在格氏试剂制备中,溶剂的选择是关键,一般会选择绝对乙醚、无水四氢呋喃和无水甲基四氢呋喃这三种溶剂。由于四氢呋喃、甲基四氢呋喃的沸点比乙醚高,因而以四氢呋喃、甲基四氢呋喃作溶剂进行格氏反应比用乙醚要安全一些。芳香族卤化物一般选用四氢呋喃做溶剂,因为它们在乙醚的沸点时候一般不能引发,需要升高反应温度才行;而用烷基卤化物做格氏反应时一般用乙醚做溶剂,因为它们在较低温度下就可以引发。在绝大部分格氏反应中溶剂甲基四氢呋喃和四氢呋喃是通用的,由于甲基四氢呋喃的沸点(80℃)比四氢呋喃的沸点(66℃)高,这样就可以提高反应速度。另外格氏试剂在甲基四氢呋喃中的溶解度也较大,而甲基四氢呋喃在水中的溶解度比四氢呋喃低,因此可以更容易地将格氏反应产物独立地包含在其中。溶剂使用前应采用淀粉碘化钾试剂测试其是否含有过氧化物,如果含有过氧化物,则应采用还原剂亚硫酸氢钠溶液进行洗涤处理,去除过氧化物后方可使用。

  2、镁料的选择。镁的用量和细度应根据原料的反应活性来确定,在投料前绝对禁止镁提前打开包装暴露于空气环境中。每次用后,如有剩余,应及时进行密闭保存。尽量选用镁屑而不用镁粉,以控制反应剧烈程度。

  3、设备的选择。生产格氏试剂的操作条件要求无氧、无水,所以反应釜应设氮气保护的通入与流出管线和真空管线。应选择导电性能良好、耐腐蚀的材质。反应釜搅拌的桨叶应足够低,搅拌效果强,不但要将反应液搅拌起来,而且要将镁料搅动起来,以保证反应充分。温度计套管也应足够长,能接触到反应液,以保证在反应物料较少时,能够实时监测反应物料实际温度。有条件时宜采用反应釜壁直插式温度计,直接接触料液,并建议采用双温度计。反应釜上需设视镜,以及时观察反应的引发现象。在温度变化快速准确显示的前提下,建议通过温度变化在线监控判断反应的引发。

  4、载体的选择。在严格控制使用溶剂水分情况下,由于设备结构、腐蚀的原因或由于检查不到位,可能使加热和冷媒的载体蒸汽、热水、冷却水、冷冻盐水漏入反应体系而发生安全事故,所以格氏反应中应杜绝使用盐水、醇类等载冷剂。

    由陶普斯化学科技(北京)有限公司和中科院理化所联合研制的无水型格氏反应专用载冷剂,此产品不溶于水,且经特殊工艺,将分子结构中的羟基、羧基、氨基、氧基等活性官能团灭活,避免了一旦设备泄露,因水及载冷剂与物料反应引起的爆炸问题,本身安全可靠,闪点可达70100℃左右,适用温度-80200℃,为良好加热和冷媒的载体。

  (二)反应过程安全要求

  1、投料时应注意的问题。投料前应确保反应设备绝对干燥,投料时原料的管道跟溶剂的管道应分开,否则会把在管道中的死体积的原料带入反应釜中,易引发冲料。投料前必须对涉及的设备进行置换处理,有条件应做氧含量检测。投料时一定注意镁是否已加,数量是否准确,反应过程中严格禁止补加镁,不然就会发生冲料。

  2、体系中水分的控制。严格控制体系中水分,所使用溶剂(含重复使用的回收溶剂)中的水分越低越好,一般乙醚含水量应不大于0.06%,四氢呋喃及甲基四氢呋喃含水量一般应不大于500ppm。建议回收用溶剂使用干燥剂等方式控制水分,最好直接使用新溶剂。

  3、惰性气体保护。由于格氏反应使用的有机溶剂的沸点较低,常温或反应温度条件下都有较大的挥发性,与空气混合容易形成爆炸型混合物并达到爆炸极限,建议向储存容器和反应装置中持续冲入惰性气体(氮气),以降低容器和装置内氧气的含量,避免达到爆炸极限,消除爆炸的危险。

  4、引发过程控制。反应引发阶段需要活化引发剂,如碘、碘甲烷、溴乙烷和格氏试剂都是常用试剂,格氏试剂本身是最好的引发剂,引发速度最快,而且不会引入杂质。为避免反应过程过热,一次性加入全部镁屑和一部分溶剂后(一般再加入卤代烃总量的5%左右),停止搅拌,在某一局部缓慢滴入适量卤代烃醚溶液,增加局部卤代烃浓度,以利于引发。引发时溶液不能过浓,否则易发生偶联反应;引发时温度不能过低,否则反应无法引发。应仔细观察现象的变化,如反应温度和体系颜色的改变等,如确定反应已引发成功,应立即启动搅拌和温度冷却反应系统,边冷却边逐步滴加反应物料,直至反应完成(无气泡生成)为止。原则上不在生产车间格氏试剂制备釜做首批引发的制备,建议预留一部份格氏试剂或通过实验室制备一部份格氏试剂作为引发试剂。格氏试剂应现制现用,不宜长时间存放。如确需临时储存备用,应在冷却条件下进行保存。

  5、反应过程控制。格氏试剂制备引发阶段经观察判断引发后,应取样检测卤代烃的含量,从而准确确认格氏试剂制备反应已得到有效引发。格氏试剂制备的滴加过程应随时观察控制温度,杜绝反应温度忽高忽低,滴加结束应观察残余镁量及检测卤代烃的含量。缩合反应结束应检测格氏试剂的残余含量,以防后处理过程反应过于剧烈而引发事故。

  6、格氏试剂的转移。当工艺采取滴加格氏试剂与其它物质进行格氏反应时,建议将格氏试剂制备釜置于格氏反应釜上方,尽量避免出现从格氏试剂制备釜中转移格氏试剂的情况,以防转移过程中因操作或保护不当引发的危险。

  7、活性物质淬灭的要求。未反应完全的反应液或者不符合要求的格氏试剂不建议再重新制备,应该作不合格品,淬灭后处理。多余不用的格氏试剂以及对于停产的格氏试剂制备釜、格氏试剂中转槽等,也应做淬灭处理。淬灭时应加入无水溶剂,彻底冷却,并在氮气保护下慢慢滴加饱和氯化铵溶液等淬灭剂,淬灭其中的反应活性物质。淬灭过程中产生的氢气、烷烃等易燃气体不应在室内排空,应通过管道接至室外排放,放空口应设置阻火器防止回火。淬灭过程应严格控制淬灭剂滴加速度并观察反应釜压力情况,避免反应釜内大量放出气体造成反应釜超压危险。

  (三)安全设施要求

  建议设置反应温度、压力指示和搅拌电流的监控报警。为避免局部过热造成分子间脱卤,反应釜夹套预热应设有温度指示。反应釜必须有防爆片等安全泄压装置,并设事故收集槽。回流冷凝器的冷却液宜选用非水介质,防止管程破裂,冷却水进入反应釜。建议将格氏试剂制备反应涉及装置独立设置,或与其他装置用防爆墙分隔,控制室与反应区用防爆墙隔离。

  (四)安全管理要求

  企业应制定完善格氏反应工艺操作规程、安全技术规程以及各类应急处置方案,组织专家进行论证,并加强对关键岗位的人员培训。进行格氏反应时必须要有两人在岗位,且滴加过程中严禁离岗。在岗人员应具有熟练操作经验,能够正确判断引发是否完全,如实记录各参数,如不引发应及时报告,严禁擅自处理。涉及格氏反应的装置应加强维护保养,严格执行设备检维修制度。