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从安全性角度考虑,仅在确认没有明显反应热、没有大量产气,以及小量(克级)反应底物的情况下,才可以忽略反应的加料顺序。但是在加料量相当大或没有把握的情况下,确定加料顺序是非常重要的。
一、加料顺序的原则
对于剧烈放热或产气的反应,应该将高能的反应底物加到具有较高的热容量且稳定性好的溶剂(或另一个液体反应物)中。这样做的安全依据是:逐渐加料产生的溶解热和反应热除了能迅速被稳定液态溶剂吸收外,还能迅速通过传热快的稳定液体进行热的扩散,特别是在搅拌下,产生的热量还可以通过冷浴的温差进行降温,从而降低系统的危险性、
(1)溶于惰性溶剂中的锂、锌、铝等的金属有机化合物以及硼烷、氨基钠等液体,虽然危险性通过稀释被降低,但仍属危险物品。需要在惰性气体环境和低温下将这类危险物品慢慢加入不断搅拌下的无水稳定溶剂或无水反应液中,顺序不能颠倒。
(2)凡是性质活泼的固体,如无水三氯化铝、氢化钠、四氢铝锂等,定要加入无水溶剂或无水反应液中,顺序不能颠倒。液体传热速率快,固体传热慢不利散热,千万不能将液体加入固体中,特别是可能迅速放热和大量放热的物质。
(3)反应结束后,要将反应液慢慢倒入搅拌下的淬灭溶液中才较安全。在淬灭烈性液体如浓硫酸、三氯氧磷、三氯化磷时,一定要将它们慢慢倒入不断搅拌的水中,并确认每加一点就反应掉一点,同时温度不能过低,否则会积聚反应热而爆发事故。
除非已知或证明不会有溶解热或反应热产生,才可以任意选择加料顺序,并以方便为主。
二、事故案例
加料顺序不正确引起的事故非常多,其后果多数很严重,引起冲料、燃烧或爆炸,甚至可能导致人员伤害、财产损失或延误项目的完成。
(一)需将固体加入液体中
案例1
某药厂放大一个傅-克烷基化反应,先将80kg无水三氯化铝放入三吨的反应釜中,然后通过高位槽将1200L的无水四氢呋喃加入釜中,加至一半,操作工人通过视孔发现釜内气泡翻滚,所以立即招呼同事撤下操作平台,刚离开车间不远,反应釜就发生了爆炸。虽然该釜设有爆破片,但是由于爆炸过于猛烈,泄爆不及,该反应釜被彻底炸毁,并由此引发火灾,整个车间内的可燃物品被烧得所剩无几。
原因分析:加料顺序弄反,反应热不能在固体中得到迅速扩散,致使反应热迅速积聚。教训:应将固体三氯化铝以合适速度加到不断搅拌下的液态无水四氢呋喃中。
案例2
某研发人员在做2-羧酸吡啶氧化物的转位时发生爆炸,反应式如下:
作为底物的氮氧化物呈胶状半固态,而三氯氧磷为液体。该研发人员为操作方便,直接将液体三氯氧磷倒入胶状氮氧化物中,结果发生氮氧化物的强烈分解爆炸。
曾经做过几批小规模的同样的转位反应,都比较顺利,但是这次为放大反应,结果发生爆炸。
原因与教训同上。胶状物同固体一样不利于传热。
案例3
当事人操作一个70gNaH的反应,溶剂为DMSO。该员工先把70gNaH装入三口瓶中,随后加入普通瓶装的DMSO,还没等加反应底物,三口瓶便发生冲料并爆炸燃烧,幸亏周围人员及时使用干粉灭火器将火扑灭,见图24-34中的事故录像截图和事后现场照片(图24-35)。
图24-34事故录像截图
图24-35事后现场照片
原因分析:一是加料顺序弄反,反应热不能在固体或半固态物品中迅速扩散,反应潜热迅速积聚;二是普通瓶装DMSO的含水量大,与NaH反应,达到一定温度后,包裹NaH的矿物油脂全部熔化,使反应加速,以致瞬间产生大量热量而导致事故发生。
教训:对类似的放热反应,应该将固体加入无水溶剂中,并时刻观察体系温度,不能一次性将固体全部加完,要确保每加一点就反应掉一点,保证不积聚反应热或反应潜热。另外,大量NaH参与的反应,不宜用DMSO做溶剂,也不能用DMF做溶剂。
相关链接:分液漏斗中的气体释放
文章来源:《有机合成安全学》
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