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分批和半分批反应的安全放大规模第3部分:绝热量热法的应用

Richard Kwasny博士,高级咨询工程师,Gabe Wood,热危害测试经理& Consulting, 福斯克& Associates, LLC

背景

阿斯特设备从过程安全性的角度来看,我们可以使用搅拌反应量热法测量反应的热量并计算放热反应的绝热温升,前提是不会对环境造成热量损失。批料温度的升高可以使用ΔT从实验数据得出广告 =ΔHr / Cp,s 绝热温升为ΔT广告 ,反应热为ΔHr ,以及反应质量Cp的比热,s .

绝热温升提供了热力学估计,如果失去冷却,我们可以使用关系MTSR = T预测合成反应的最高温度(MTSR)。OP +ΔT广告 ,其中TOP 是过程的温度。

然而,这种方法需要利用批处理溶剂的回火作用加以改进,并结合热容量随温度升高的实际变化,并考虑到在绝热条件下,高温下反应混合物的任何热不稳定性。这种类型的最坏情况(批处理以指数方式加热,冷却是线性函数)通常称为热失控反应。在许多情况下,我们知道所需反应的热性质,但在反应动力学,温度/压力速率,固定气体产生和相应的最高温度方面,我们不了解与不良反应相关的过程安全隐患/压力。

 

绝热热量计

使用绝热量热法研究不良反应的第一个实验室规模尝试是加速速率量热仪(ARC™)。在等温条件下或高温下的长时间保持过程中,成功鉴定了由反应动力学驱动的分解反应是成功的。但是,获得的测试数据的Φ因子远大于1。由于测试单元吸收了大量热量,导致绝热温度升高,而不是实际的按比例放大条件。

可以使用Φ= 1 +(Mv * Cp,v )/(Ms * Cp,s ),其中Mv 和Ms 分别是测试室和样品的质量; Cp,v 和Cps 是测试电池和样品的相应比热。

福斯克&Associates,LLC开发了不需要任何假设的低Φ因子搅拌绝热热量计,并且允许不良反应以不受阻碍的方式进行绝热。先进的反应系统筛选工具(ARSST™)和通风口尺寸调整套件2(VSP2™)绝热热量计可直接按比例放大比热温度/压力数据,从而可测量实际绝热温升,而不是理论计算需要几个假设。这些仪器还可以用于模拟各种失控情况,并且可以使用紧急救济系统设计研究院(DIERS)方法轻松地将温度和压力上升率数据用于执行紧急救济规模调整。

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阿斯特和VSP2测试数据的实际应用

这些设备可用于根据绝热条件下的热失控和热分解来表征有害化学反应,火灾和最坏情况下的危险特性,回火和流动状态。

一旦确定了不良反应的特征,就可以将DIERS方法应用于适当大小的紧急通风的设计工程控制中,从而在发生不必要的过程偏差(例如冷却损失)的情况下使过程更安全。

含有碳酸酯官能团的固体粉末通常在正常的后处理过程中进行干燥。干燥这些类型的有机底物会突然导致脱羧,这是由于吸热分解过程中大量放出的二氧化碳和水而导致显着的压力和压力产生速率。

超过建议的等温干燥时间或升高干燥机的内部温度,可能会导致产生的废气和蒸气,而无需了解后果。两者都取决于分解反应的动力学。了解分解动力学和时间限制可以更好地实现适当的干燥机工程控制,例如排气口释放或使用具有足够的最大允许工作压力的干燥机等。

使用ARSST或VSP2的主要优势在于,可以根据需要以分批或半分批模式进行测试,并进行搅拌。因此,可以设计一个测试来研究实际工艺条件下的不良反应。然后可以使用这些数据来确定和设计适当的 使用DIERS技术需要泄压.

 

总之,低Φ因子绝热测试数据可用于确定:

•起始温度,绝热温升和放热事件的反应热,

•反应产生的大量不凝性气体,

•热失控数据,用于DIERS浮雕尺寸计算,

•确定排气行为(高气,回火和混合),

•确定流态(两相或单相),以及

•动力学数据,例如达到最大速率的时间(TMR)或不归温度(TNR)。

 

如果您想了解更多有关如何使用低Φ因子绝热测试数据来改善组织的信息,请与我们联系。

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参考文献

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话题: 工艺安全, 阿斯特, 迪尔斯, 反应量热法, 绝热量热法, vsp

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