热动力学研究方案

ü  功能：l  化学反应动力学研究Kinetics studies of chemicals/reaction： --反应级数Reaction Order--指前因子Log Pre-Arrhenius factor--活化能Activation Energy (Ea) l  化学物质/反应的安全评估Safety evaluate of chemicals/reaction：--放热/分解起始温度Exotherm Start Temperature--绝热温升Temperature rise ΔTad (adiabatic temp rise)--反应焓/反应能量Reaction Enthalpy/reaction energy--绝热条件下最大反应速率到达时间TMRad (time to maximum rate under adiabatic condition)，TD24，TD8，TD1--压力和压升速率Pressure and rate of pressure rise--限制转化率到达时间TCL (Time to Conversion Limit)--产气和产气速率Gas and generate rate (G,dG/dt)--产热及速率Energy and generate rate (Q,dQ/dt)--总释放能量TER (Total Energy Release)--产气分析GC, GC-MS, FTIR-M l  热惯性因子Thermal inertia factor-- ϕ因子--ϕ=1的模拟计算h.e.l 智能热动力学分析软件「 VeryfNamic 』 Phi-TEC 热动力学分析解决方案 h.e.l 化学动力学研究化学反应的速率和反应的机理以及温度、压力、催化剂等 外界因素对反应速率的影响,把热力学的反应可能性变为现实性,通过动 力学研究: ·给出有关反应机理的信息思((反应步骤、基元反应和限制) ·对反应速率的全方位描述(告诉我们反应进行得如何之快) h.e.l ·模拟研究(例如其它条件下的反应预测)(免除规模放大、安全性和稳定性的反复试验) PHi-TC ·预测: -过程最优化(反应速率) -安全性(热生成速率) -稳定性(储存时间) ◆ 热动力学分析系统主要解决化学动力学研究中出现的主要问题: 1在一些实验数据的基础上建立一个数学反应模型--动力学模型,这是动力学评估(估计)的主要目的; 2模拟某些特定条件下的反应行为,这就是模拟仿真。如果知道一个反应的数学模型和进行 这个反应的反应器的类型,可以解决实际应用问题。 化学家要处理的反应种类繁多,彼此差异很大:同种反应、异种催化反应、聚 合反应、生化反应、拓扑化学固态反应等。反应危险性研究通常涉及均相或假 均相反应。 热动力学分析系统的组成 我们提供的热动力学分析系统可以很好的解决这些问题。 数据测试硬件单元 量热仪 热动力学分析系统主要功能 ◆◆差示扫描量热仪(DSC) (选配,协同测试) 气相色谱/质谱仪/红外光谱仪 (选配) 智能热动力学分析软件 VeryfNamic 产气分析接口模块 VeryfEGA (选配,与气相色谱/质谱仪/红外光谱仪联用 实现产气实时原位分析) VRVROW ◆量热仪 为方便用户的测试使用,我们提供多种不同类型的测试池可供选择。 材料 我们的测试池有三种不同的材料可供选择:哈氏合金、不锈钢和玻璃。哈氏合金和不锈钢的可用 压力超过150 bar, 可用温度高达500℃。玻璃测试池不耐高压,但可以用来测试可能与金属反 应的高反应性样品。 配置参数 加样管径 我们提供两种不同的加样管尺寸:1/8"用于液体 样品,1/4"用于粉末或高粘度材料,参见图左。我们建议使用较小的 1/8"加样管,因为它可以 减少回流效应引起的热量损失。当使用带有1/4"加样管的测试池时,可以使用回流止凝阀(见图 右)来减少这种影响。 ·筛选测试(梯度型,等温型,混合型) ·绝热量热(HWS, 封闭池测试, HWS带等温老化实验) *热电偶套管(侧插) ·[可以接受液体样品测试 我们建议对样品进行直接温度测量,我们的设计允许热电偶通过加样管与 样品直接接触。但是如果样品可能对热电偶产生损坏,或者您不想直接接 触样品,我们提供带有侧插热电偶套管的测试池。参见右图的剖面图,显 示了热电偶套管如何位于球形测试池中。 ·最小可检测的样品放热速率:0.02℃/min ·最大的绝热跟踪样品加热速率:100℃/min 如果您测试的是混合物,或者您计划在测试 期间添加其他试剂,那么您可能需要增加搅 拌功能。我们提供专门的配备磁力搅拌的测 试池,见下图。 ·典型样品量:0.5-10ml ·典型中因子值:~1.4-2.0 类型 NO. 描述 哈式合金测试池 1 哈式合金,1/8"加样管径 2 哈式合金, 1/4"加样管径 3 4 哈式合金,1/8”加样管径,侧插 哈式合金,1/4"加样管径,侧插 5 哈式合金回流止凝阀 不锈钢测试池 6 不锈钢,1/8”加样管径 7 不锈钢,1/4"加样管径 8 不锈钢,1/8”加样管径,侧插 9 不锈钢,1/4"加样管径,侧插 10 不锈钢回流止凝阀 玻璃测试池 1112 搅拌测试池 13 14 ·测试气氛可选择氮气,空气及其他气氛 ·标准采集速率 10Hz 可调 玻璃,1/8"加样管径,侧插 玻璃,1/4"加样管径,侧插 ·高速采集速率10KHz 可调 不锈钢,1/8"加样管径及1/16 ·低温系统,可选-20℃和-40℃低温循环器 ·磁力搅拌池 300 rpm 额外长管,带搅拌 不锈钢, 1/8"加样管径及1/16" 额外长管,带搅拌、热电偶 在软件中,通过选择合适的模型,可解决相应的问题: 正式模型 Formal models VeryfNamic中提供多种模型(如下图公式),可以处理各种复杂的反应种类。 ·正式模型是基于转换率是反应体系的状态变量这一假设 (a)exp(- ·特别是在研究不溶物反应、意外条件下在高温下引发的二次反应等时 (1-0)"·N-order model N阶模型 ·正式模型可以表示复杂的多阶段反应,其中可能包括几个独立、平行和连续的阶段 ·几乎完全应用于热分析领域,在反应危害评估中,正式模型可以成功地用于: (1-0)【zgexp(-)+a2]-model of generalized autocatalysis 广义自催化模型 RT -产品热稳定性分析和反应性危险指标测定。 4(-4)2-Proto model 原型模型 (1-0)[-In(1-a)]"-Erofeev’s model (topochemical)Erofeev模型(拓扑化学)2/3 -间歇式反应器失控的模拟。 Heaa)w3. Jnder s mode (difnsion- govemed reaction)Jander模型(扩散控制反应) -固体中热爆炸的模拟,用于与储存和运输有关的危险评估 (1-0)"[-In(1-00)]2-Topochemical model (generalized Erofeev’s model)拓扑化学模型(广义Erofeev模型) ·也可用于液体中的热爆炸的失控模拟 Formal models选择 Reference (Fig): Identification of Kinetic Models for the Assessment of Reaction Hazards, A. Kossoy and Yu Akhmetshin, Process Safety Progress (Vol.26, No.3), 2007 热动力学分析系统的应用 模型参数估计方法的选择 基于实验数据的动力学评估包括两个主要步骤--模型结构的识别和模型参数(动力学参数)的 估计。目前还没有一种通用的、形式化的结构识别方法,目前的方法依赖于对合理的模型进行 检查,并使用适当的标准进行选择。模型参数的估计是数学中发展较好的领域之一。这项任务 需要找到最适合实验数据的参数估计。有许多可供选择的估计方法,因此,给出可靠的结果动 力学的挑战是选择最合适的方法。 化学反应动力学研究 KINETICS STUDIES OF CHEMICALS/REACTION 考虑间歇反应过程的数学模型,它涉及一个简单的n阶放热反应。该模型包括动力学方程(12a)和热平衡方程(12b): 通过化学动力学的研究,可以知道如何避免危险品的爆炸、材料的腐蚀、产品的变质与老化等 问题。所以化学动力学的研究有理论与实践上的重大意义。 化学物质/反应的安全评估 **可应用的参数选择方法 SAFETY EVALUATE OF CHEMICALS/REACTION 参数估计的简化方法 应用该参数,按标准GB/T 42300-2022,对化学物质及工艺安全进行评估。 样品温度解释 、产气分析解决方案 将样品温度视为一个独立变量,则可以实现显著的简化。在这种情况下,人们只需要考虑一个动 力学方程(12a),不需要对整个模型进行数值积分。 阿伦尼斯线性化方法 我们推出"产气分析接口模块VeryfEGA"实现创新的联用技术。在加热过程中,任何从样品中逸 出/分解的气体都可以直接被引入到气相色谱/质谱仪/红外光谱仪中进行实时分析。 阿伦尼乌斯线性化法是最常用的方法之一,它假定样品温度和转化率为自变量。通过对数变换使 模型与动力学参数线性化。 实时原位分析 ·应用非线性优化方法进行参数估计 这种联用技术可以实时、原位地捕获和分析逸出/分解气体,及时了解样品的热反应/分解特性 和逸出物成分。 -它适用于任何复杂程度的各种类型的动力学模型; -它允许同时使用在不同热模型下甚至通过使用不同类型实验方法获得的几个数据集: ★为高级研究打开新的可能性★ -即使在极端情况下,也能得到更可靠的动力学参数估计 应用领域 ·两种优化参数方法 APPLICATION AREA 序号 领域 序号 领域 1 食品安全 7 核工业 2 石油化工 8 农业 3 精细化工 9 化学 4 医药产业 10 环境科学生态学 5 建筑材料 11 能源燃料 6 火灾消防 12 新能源电池 牛顿-高斯方法 快速收敛到最小值,并确保有效和准确的估计参数 张量法 可以更好地检测下降方向,即使从粗略的初始参数 猜测开始,也可以更成功地开始优化