苯和甲苯硝化及磺化反应热危险性分级研究

首先介绍了化工工艺热安全性的内涵,并从反应过程热危险性分析的方法学出发,介绍间隙、半间歇化学反应工艺热危险性分级研究的总体思路及方法。然后,围绕甲苯和苯的硝化、磺化反应,用全自动反应量热仪(RC1e)和加速度量热仪(ARC)测定其反应过程的绝热温升(△Tad)、目标反应所能达到的最高温度(TM)、分解反应最大速率到达时间(θD)等参数。运用风险评价指数矩阵法(方法1)和基于失控过程温度参数的热危险评估法(方法2)分别对其硝化和磺化反应过程的热危险性进行了分级评估。结果表明,这两种方法具有良好的一致性;给定工艺条件下甲苯和苯的一段硝化反应过程的热危险度等级较低;而磺化反应的热危险较高。尽管这两种方法还有一定的局限性,但对于间歇、半间歇合成工艺的本质安全化设计、工艺热危险性的评估具有重要的参考价值和实用意义。     

过氧化苯甲酰合成工艺热危险性分析

采用RC1e反应量热仪对过氧化苯甲酰(BPO)合成工艺危险性进行研究,测试不同Na OH溶液初始浓度(1.96 mol/L、3.93 mol/L、7.14 mol/L)下反应的放热历程,获得BPO合成反应过程中的热危险性参数,并采用PHI-TECⅡ绝热加速量热仪对产物进行热稳定性分析,最后评估该反应热风险。结果表明,Na OH浓度为7.14 mol/L时,反应初期放热速率慢,热累积度大,后期反应剧烈,绝热温升(ΔTad)及热失控时工艺反应达到的最高温度(MTSR)最大。热稳定性试验表明,合成的粗产物BPO初始分解温度、活化能、指前因子、最大放热速率到达时间为24 h时的对应温度(TD24)均低于纯BPO。利用合成粗产物BPO的TD24对反应进行危险度评估,该工艺热危险性等级均为5级,工艺危险性大。     

环氧乙烷水溶液失控反应特性研究

为了系统研究环氧乙烷水溶液失控反应热动力学参数的变化规律,采用等温扫描量热仪C600和绝热量热仪VSP-2分别对环氧乙烷水溶液进行了量热试验研究,得到了纯环氧乙烷的热稳定性数据,以及不同质量分数环氧乙烷水溶液的起始放热温度、最高放热温度和压力、放热量、绝热温升及失控反应过程的温度、压力变化等。结果表明,纯环氧乙烷发生失控反应的起始温度接近360℃,其放热量高达2 600 k J/kg。水加入环氧乙烷能够显著降低体系的起始放热温度至200℃以下。随环氧乙烷水溶液质量分数升高,失控反应致灾后果的严重程度明显提高。最高温度和压力、温升和压升速率、放热量及绝热温升随环氧乙烷质量分数升高而增大,而达到最大反应速率的时间减小。     

氯化钠和二氧化硅对过硫酸铵热稳定性的影响

采用绝热加速量热仪（ARC）对分析纯过硫酸铵、含10%氯化钠杂质的过硫酸铵以及含10%二氧化硅杂质的过硫酸铵进行热分析实验,得到了实验过程中温度、温升速率和压力等数据,计算了3组样品的反应动力学参数,引入热惰性因子对实验数据进行修正,得到了3组样品在严格绝热条件下的热危险性参数,分析了3组样品的反应过程和热危险性。通过Semenov理论计算了3组样品的自加速分解温度（SADT）。结果表明,过硫酸铵加入氯化钠或二氧化硅杂质后,热危险性增大,自加速分解温度降低,更容易发生反应且反应更剧烈。     

无机酸对硝酸铵热稳定性影响的研究

为了研究硫酸、盐酸两种无机酸对含能材料硝酸铵热稳定性的影响,使用绝热加速量热仪ARC和微量量热仪C80,对纯硝酸铵及硝酸铵和硫酸、盐酸的混合物进行了热分析实验并研究各种样品在恒温以及升温条件下的吸、放热特性。根据化学反应动力学和热力学理论,确定了硝酸铵及其与无机酸的混合物发生放热分解反应的反应动力学参数和热力学参数。基于Semenov热爆炸模型,计算并比较了各样品标准包装的自加速分解反应温度。     

反应量热仪RC1在化工热危险性分析中的应用

介绍了一种新型热危险性分析仪器--反应量热仪RC1的设计原理和内部结构,运行模式以及所能获得的温度、传热系数、热转化率、绝热温升、最大合成反应温度等数据类型,并通过阐述其在过程安全、工艺过程开发及优化和基础研究等方面的应用,指出了反应量热仪在化工热安全领域中的特点和优势.     

过硫酸铵的热稳定性研究

采用绝热加速量热仪(Accelerating Rate Calorimeter,ARC)对正常和潮湿条件下的过硫酸铵进行对比热容分析试验,得到了不同条件下过硫酸铵样品的热分解温度和压力随时间的变化曲线及压力和温升速率随温度的变化曲线.分析了过硫酸铵的热分解过程,用速率常数法计算了表观活化能Ea和指前因子A,得到了样品在最危险状态即绝热状态下的初始放热温度、初始温升速率、最大温升速率、自反应放热最高温度、绝热温升等反映其热稳定性的参数.结果表明,在绝热环境中,潮湿条件下的过硫酸铵比正常条件下更具有热危险性,更易发生自反应放热分解,且过程更加剧烈.过硫酸铵在储存过程中若不慎与水或潮湿空气接触,应尽量进行通风冷却和干燥处理,防止发生自分解放热进而引发火灾.     

过氧乙酸叔丁酯热解特性分析及相容性研究

为分析过氧乙酸叔丁酯(TBPA)的热解危险性,采用差示扫描量热仪(DSC)、绝热量热仪(Phi-TEC II)和气质联用仪(GC/MS),试验研究TBPA的热解特性以及酸碱与TBPA的相容性,分析TBPA热解产物,并推测可能的热解路径;根据Starink法和速率常数法确定热解反应动力学参数,推算绝热条件下最大反应速率到达时间(TMRad)为24 h时所对应的温度θ_(d24);结果显示,绝热条件下TBPA起始放热温度为83.0℃,绝热温升为214.5℃,θ_(d24)为63.46℃。研究表明:TBPA混合H_2SO_4溶液后,混合物热解起始放热温度降低,反应更为剧烈,而NaOH溶液对TBPA的热解危险程度影响不大,必须严格控制生产工艺温度及储运温度,并应在合成工艺中优先选择NaOH作为反应物,尤其需要注意酸性物质对TBPA热解的影响。     

重结晶LLM-105的热危险性分析

为了研究重结晶前后LLM-105在敞开体系、绝热体系中的热分解特性,采用溶剂-非溶剂法制备了形状规则、缺陷更少的重结晶LLM-105。以差示扫描量热仪研究了LLM-105的非等温热分解行为,利用Friedman法得到了非等温热分解动力学参数及TD24。采用加速量热仪研究了LLM-105的绝热分解行为,计算了绝热分解动力学参数及SADT。结果表明,重结晶LLM-105的非等温热分解起始温度(升温速率为10℃/min)、绝热起始分解温度、绝热最大升温速率分别为353.12℃、277.19℃、77.39℃/min,未重结晶LLM-105的相应参数值分别为341.62℃、273.77℃、136.62℃/min。重结晶LLM-105的非等温热分解起始温度、绝热起始分解温度更高,绝热最大升温速率更小。结晶品质是LLM-105的热分解特性、热危险性的重要影响因素。重结晶LLM-105具有更好的热稳定性,绝热分解反应更温和。     

环己酮半间歇过氧化反应过程热失控研究

采用反应量热仪(RC1e)、差示扫描量热仪(DSC)和绝热加速量热仪(ARC)对环己酮过氧化反应过程的热失控危险性进行了研究,利用冷却失效情形法对该工艺进行危险性分级。结果表明:温度的升高使环己酮过氧化反应速率加快,体系比热容增加,温度升高也使产物各种中间体及副反应活跃程度增加,提高搅拌速度也能促进环己酮氧化,而延长加料时间可以将反应热量较好地移出,但同时降低反应速率,使过氧化环己酮得率降低。依据风险评价指数矩阵法和失控情景分析法,得到环己酮半间歇过氧化反应的热失控危险程度级别为5级,而降低环己酮的加入量,危险程度等级为2级。     

硝酸异辛酯热安定性的实验研究

使用加速量热仪(ARC)研究硝酸异辛酯(EHN)的热分解,得到热分解温度随时间的变化曲线,自放热速率、分解压力随温度的变化曲线以及分解压力随升温速率的变化曲线。分析在绝热条件下硝酸异辛酯的热分解反应动力学和热分解过程,计算表观活化能、指前因子和反应热等参数。根据绝热热分解的起始温度和反应热数据,给出硝酸异辛酯在反应危险度等级中的分类,并计算在75℃时的反应风险指数。     

基于热风险理论对道化学评价中物质系数的研究

随着本质安全研究的深入,道化学评价方法中物质系数MF的计算已不能准确描述反应物本身的热风险大小。在道化学评价方法中引入热风险概念,比较热危险性评价方法和道化学评价方法间相异点;以六甲基磷酰三胺工艺为研究对象,用DSC量热仪对反应物进行分析得出放热速率q、反应波峰峰值、单位质量的反应焓Hr,对采集的工艺参数用热力学理论外推法、基因贡献法得出活化能E、比热容CP并以此求出最大反应失效时间TMRad、绝热温升Qad、物质系数MF值以及工艺单元中物料量。得出最大反应失效时间与物质系数MF间具有相关性,道化学评价方法对因失效反应引发二次反应的热风险评估也适用。     

Hazard evaluation for chlorination and amination reactions of fluorocytosine production process

Reaction thermal runaway is one of the most important reasons leading to chemical accidents. With the rapid development of the chemical industry in the world, especially the fine chemical industry, various safety accidents also occur frequently. Therefore, it is necessary to study the exothermic behavior of the reaction process. In this study, reaction calorimeter was used to study the exothermic phenomena during the chlorination reaction and amination reaction. Differential scanning calorimetry was performed on the reactants, and thermogravimetric experiments were performed on the products. In addition, adiabatic experiment was performed to study the thermal runaway behavior of amination products under adiabatic conditions. The results showed that the target reactions generated a large amount of heat in the initial stage. The maximum temperature of amination reaction is higher than the initial decomposition temperature of the amination product under adiabatic condition. The pyrolysis of amination product was divided into three stages. The product had a high apparent activation energy at the beginning of decomposition, and the apparent activation energy decreased as the decomposition progressed.     

化学品反应危险性分级方法研究与应用

针对化学品反应危险性的评价,介绍利用最大分解热,反应放热功率,绝热反应参数等方法对化学品反应危险性进行分级的几种方法及各自特点。通过分析整合不同分级方法,提出一种基于实测反应放热参数的分级方法,此方法以初始放热温度和反应热组成指标体系,同时配合燃爆曲线实现对化学品反应危险性的分级,得到的结果对于化学品的安全评价有较强的参考价值。考察了6种有机过氧化物的放热性质,诠释了有机过氧化物的反应危险性,应用所提出的反应危险性分级方法对其进行分级,并对分级方法进行了验证。该方法结合了实验结果和多种分级方法的优点,使化学品反应危险性分级方法具有更强的实用性。     

数值分析方法在一起高危工艺分析中的应用

以二级放热反应为研究对象,在反应体系温度、浓度均匀分布的假设基础上,根据反应速率方程和热平衡方程,建立高危工艺反应的温度和转化率随时间变化的数学模型。采用数值计算技术,以一阶差分代替微分,并结合工艺中的恒温过程、绝热过程和飞温过程,编写计算程序求得其转化率、温度在不同时间点的数值解,揭示爆炸事故的发展过程,定量分析操作参数的影响和转化率、温度随时间分布的规律。同时通过对绝热反应时间、冷凝器的冷却能力的分析,结合冷凝器的移热能力和反应放热对反应体系热积累的影响,讨论防止反应失控发生的可能性。最后探讨冷凝器热负荷余量、反应物投料浓度比等因素对控制反应失控的影响。     

Reaction hazard and mechanism study of H2O2 oxidation of 2-butanol to methyl ethyl ketone using DSC,Phi-TEC II and GC-MS

Methyl ethyl ketone (MEK) oxidation via H₂O₂ with tungsten-based polyoxometalate catalysts has gained much attention with an ever-growing body of knowledge focusing on the development of environmentally benign processes in chemical industry. In this study, two calorimetry techniques, differential scanning calorimetry (DSC) and Phi-TEC II adiabatic calorimetry, were employed to analyze the thermal hazards associated with the 2-butanol oxidation reaction system. Hydrogen peroxide was the oxidant and a tungsten-based polyoxometalate as the catalyst. Gas chromatography-mass spectrometry was used for identification of the organic products. Important thermal kinetic data were obtained including “onset” temperature, heat of reaction, adiabatic temperature rise and self-heat rate. From DSC results, three exothermic peaks were detected with a total heat generation of approximately 1.26 kJ/g sufficiently to induce a thermal runaway. Possible reaction pathway for three stages were proposed based on both DSC and GC-MS results. One exotherm was detected by Phi-TEC II calorimeter and the pressure versus temperature profile together with the DSC and GC-MS data demonstrate the complexity of 2-butanol reaction system under both thermal screening and adiabatic conditions.     

基于VSP2的引发剂质量分数对醋酸乙烯聚合反应失控特性及安全泄放设计影响研究

为了解决醋酸乙烯聚合反应失控所引起的超压问题,通过VSP2绝热量热仪研究了醋酸乙烯聚合反应的失控特性,并通过Leung's法对某醋酸乙烯聚合反应器的安全泄放面积进行了计算;然后,在其他条件不变的情况下,研究引发剂质量分数对失控特性和泄放面积的影响,结果表明,引发剂质量分数对反应总放热量的影响不大,体系绝热温升为105~115℃;但引发剂质量分数越大,失控反应的最大温升速率和最大压升速率越大。这是因为引发剂质量分数越大,在相同泄放压力和最大累积压力下,单位质量反应物的放热速率就越大,也就需要更大的泄放面积;最后,引入无量纲数W~*、G~*和A~*,拟合出它们与引发剂质量分数X*的关系式,结果表明,在研究范围内所需安全泄放面积随引发剂质量分数线性增大。     

某核废液处理厂的火灾爆炸事故解析(Ⅱ) 氧化剂盐粒子的大小及微观结构对沥青固化物的固—液表面氧化还原反应特性的影响

就不同粒径及微观构造的氧化剂盐粒子制备的沥青固化物的氧化还原反应特性用高感度量热仪(C80微量量热仅)进行了测定.结果表明,当氧化剂盐粒子的微观构造基本相同时,随粒径的减小,制作的沥青固化物的反应开始温度向低温方向偏移,低温领域的发热量增大.当粒径的大小及其分布基本相同时,沥青固化物的氧化还原反应特性随粒子的微观构造的不同表现出较大的差异,由针状结晶构成的多孔状粒子制成的沥青固化物的反应开始温度低、低温领域的发热量较大.     

Numerical simulation of the thermal inertia of an adiabatic reaction calorimeter in reaction thermal safety process

Obtaining accurate thermal risk assessment parameters of chemical processes and substance properties is essential for improving the safety of chemical production and substance use and storage, and the adiabatic reaction calorimeter (ARC) has been employed by many researchers for this purpose. However, with the improvement and upgrading of the instrument, an examination of the factors that affect its detection accuracy is warranted. A simplified reaction model of the adiabatic thermal decomposition of tert-butyl peroxyacetate was constructed using computational fluid dynamics in which the adiabatic thermal decomposition kinetic model and fluid-solid coupling model were combined to simulate heat transfer. To verify the reliability of the parameters of the numerical calculation model, the effects of the sample cell's material, wall thickness, and mass were investigated in relation to the thermal inertia of the ARC. The results indicated that the thermal inertia of the system was lowest when the sample cell was composed of titanium. When the sample pool's composition is determined, the thermal inertia of the system can be reduced to a certain extent through an approximate increase in the sample mass. Finally, an analysis of the heat flow cloud diagram of the wall of sample pools made from different materials revealed that the thermal conductivity of titanium was high; this information can assist in controlling the adiabatic process.