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文檔簡介

1、反應(yīng)性物質(zhì)熱危險性評估研究 葉慶國,梁廣榮 (青島科技大學(xué) 化工學(xué)院,山東 青島 266042)摘要:綜述了反應(yīng)性物質(zhì)熱危險性評估的理論方法和實驗方法,討論了評估反應(yīng)性物質(zhì)熱分解和熱失控危險性的評估策略,并以有機(jī)過氧化物為例簡述了它們在評估反應(yīng)性物質(zhì)熱危險性方面的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:反應(yīng)性物質(zhì);有機(jī)過氧化物;熱危險性;理論評估;反應(yīng)量熱儀;C80微量量熱儀;絕熱量熱儀中圖分類號:O 55 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AStu鑄dy on the th鑄ermal risk e彥valuation of彥reactive ma彥terialYE Qin彥g-guo, LIANG彥Guang-rong彥CollegeC

2、hemical EngineeringQingdaoUniversityQingdaoShandongChina( of , of朽Science and朽Technology,朽 266042, , )佛Abstract: Th佛e theoretica佛lmethodsan佛d experiment涸al methods u涸sed to ident涸ify the ther涸mal risk of涸reactive mat涸erialswere涸reviewed, an涸d the strate掘gy for the t掘hermal decom掘position and掘thermal

3、 run掘away evaluat掘ion of react掘ive material掘s was discus掘sed.Taking掘organic pero鮑xides for ex鮑ample, their鮑application鮑s inthermal鮑risk evalua鮑tion of reac鮑tive materia鮑lwere summa鮑rized.Keywor北ds:reactive北material; o北rganic perox北ide; thermal北risk; theor北etical evalu北ation;react北ion calorime北try; C

4、80 cal報orimetry; ad賜iabatic calo賜rimetry反應(yīng)性物質(zhì)賜含有活性基團(tuán),在外界能量賜的作用下(加熱、撞擊等)賜易發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故顆1。正因為活性基團(tuán)的存顆在,使得反應(yīng)性物質(zhì)在化工顆、煉油等領(lǐng)域起著不可替代顆的作用。例如有機(jī)過氧化物顆作為一類重要的反應(yīng)性物質(zhì)顆,廣泛用于合成橡膠、煉油顆助劑等高分子材料的引發(fā)劑顆、交聯(lián)劑以及油品助燃劑、楷消煙劑等方面2。有機(jī)楷過氧化物含有-O-O-鍵楷。不論是從分子結(jié)構(gòu)方面考楷慮,還是從熱動力學(xué)方面考楷慮,都是對熱能非常敏感的楷反應(yīng)性物質(zhì)。它們在較低溫楷度下就可能發(fā)生熱分解,丟放出大量熱量, 使局部溫丟度升高, 進(jìn)而促進(jìn)分解反

5、丟應(yīng), 導(dǎo)致失控反應(yīng)3-丟4。近年來,隨著有機(jī)過丟氧化物等反應(yīng)性物質(zhì)種類和丟產(chǎn)量的增加,它們在生產(chǎn)、丟儲運等環(huán)節(jié)中發(fā)生的燃燒爆丟炸事故也逐年增多,造成嚴(yán)丟重?fù)p失。為保證反應(yīng)性物質(zhì)丟的安全生產(chǎn)和儲運,應(yīng)該重丟視對它們的熱危險性評估。丟因此本文綜述了反應(yīng)性物質(zhì)丟的熱危險性評估方法及策略詹,并簡述了它們在有機(jī)過氧詹化物熱危險性評估中的應(yīng)用詹。1 熱危險性評估方法目詹前評估反應(yīng)性物質(zhì)熱危險性詹的方法包括理論方法和實驗馴方法。1.1 理論方法理馴論方法主要根據(jù)已有經(jīng)驗和馴分子含有的活性基團(tuán)預(yù)測物馴質(zhì)的分解熱、燃燒熱、絕熱耶溫升等熱力學(xué)性質(zhì)以及反應(yīng)耶級數(shù)、活化能、自加速分解耶溫度等動力學(xué)參數(shù)5。耶目前常用

6、的預(yù)測理論主要包耶括Benson基團(tuán)理論耶6-7和量子化學(xué)理論繡8,其對應(yīng)的商業(yè)化軟件繡分別是CHETAH程序和繡Gaussia軟件。CH繡ETAH程序是基于Ben繡son基團(tuán)貢獻(xiàn)理論設(shè)計的繡。該程序根據(jù)分子結(jié)構(gòu)來預(yù)繡測純物質(zhì)或混合物化學(xué)反應(yīng)袖的最大分解熱、最大燃燒熱袖和氧平衡以及存在的潛在危袖險性,并計算出相關(guān)的熱力袖學(xué)參數(shù)。CHETAH程序袖計算的最大分解熱、最大燃袖燒熱和氧平衡是評估熱危險粘經(jīng)常參考的數(shù)據(jù)9。G粘aussia軟件是基于分粘子力學(xué)方法和電子結(jié)構(gòu)理論粘設(shè)計的量子化學(xué)軟件。分子粘力學(xué)方法是用經(jīng)典力學(xué)定律粘預(yù)測分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。電粘子結(jié)構(gòu)理論是以量子力學(xué)作御為計算的基礎(chǔ)。在量子力

7、學(xué)御中,分子的能量和其他相關(guān)御性質(zhì)是通過求解薛定諤方程御得到的。利用Gaussi御a軟件可以優(yōu)化物質(zhì)分子結(jié)御構(gòu),計算分子和反應(yīng)過渡態(tài)巡能量,并能預(yù)測化學(xué)反應(yīng)路巡徑和活化能等10-11巡。CHETAH程序在物巡質(zhì)熱危險性評估中的應(yīng)用已意經(jīng)非常廣泛,然而Gaus意sia軟件在反應(yīng)動力學(xué)方意面的應(yīng)用還處于探索階段。意因此對于反應(yīng)性物質(zhì),可以彥使用理論方法預(yù)測它們的熱選力學(xué)性質(zhì)及潛在危險性,但選不能預(yù)測反應(yīng)動力學(xué)能量釋選放的快慢。反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)選需要由相關(guān)實驗確定5選。1.2 實驗方法評估有揖機(jī)過氧化物等反應(yīng)性物質(zhì)熱揖危險性的實驗方法主要包括揖反應(yīng)量熱法、差示掃描量熱揖法、微量量熱法和絕熱量熱揖法。反

8、應(yīng)量熱儀(RC1)訊主要用于準(zhǔn)確地測定操作單訊元中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),確定訊反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)、反應(yīng)熱和訊溶解熱以及揮發(fā)性物質(zhì)的生訊成。實驗得到的反應(yīng)動力學(xué)訊數(shù)據(jù)和反應(yīng)熱可用于鑒別物訊質(zhì)的本質(zhì)危險性以及儲運等訊過程中的危險條件,還可用樣于指導(dǎo)工藝過程的開發(fā)1頤2。目前,有關(guān)該儀器應(yīng)頤用的文獻(xiàn)較少。差示掃描量頤熱儀(DSC)是最有用的歸反應(yīng)危險性篩選工具。Na歸tional Fire歸Protection A歸ssociation和C歸enter for Ch歸emical Proce歸ss Safety將其作羔為評價物質(zhì)熱穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)羔初選方法13-14,羔使用該方法可測得物質(zhì)的初羔始放熱溫度、反應(yīng)熱

9、、比熱羔等熱力學(xué)參數(shù)。原則上,還羔可根據(jù)DSC等溫掃描或動羔態(tài)掃描實驗計算反應(yīng)級數(shù)、羔活化能等動力學(xué)參數(shù)。然而會,由該方法得到的動力學(xué)數(shù)會據(jù)不適用于實際生產(chǎn)和儲運會,僅作為需要更精確實驗的會評價指標(biāo)。DSC實驗方法會具有所需樣品量少(一般在會1100 mg)、可控會溫度范圍大、測試快等優(yōu)點會;但也有靈敏度低、樣品不場具代表性等缺點15。場根據(jù)DSC掃描實驗或等溫場實驗,可以粗略計算反應(yīng)動場力學(xué)數(shù)據(jù),該方法在有機(jī)過場氧化物的熱分解危險性研究場方面已有很多報道。例如T場SENG Jo Ming場采用DSC實驗方法對過氧盡化苯甲酸叔丁酯進(jìn)行四個掃盡描速率的程序升溫實驗;同盡時利用多種動力學(xué)模型計算盡

10、了過氧化苯甲酸叔丁酯的基盡本動力學(xué)參數(shù)16。W盡uS H等使用DSC實盡驗方法測定了過氧化二異丙盡苯在不同掃描速率下的熱穩(wěn)縫定性,結(jié)合選擇的動力學(xué)??p型確定了過氧化二異丙苯的縫動力學(xué)參數(shù)17。300 600 微量縫量熱儀(C80)是80年翟代初開發(fā)的新一代熱分析儀翟器。作為DSC的升級版,翟它不僅繼承了DSC的功能翟和諸多優(yōu)點,還彌補(bǔ)了DS翟C在測試精度、測試范圍等翟方面的不足。C80的測試翟精度非常高,比DSC高兩鼓個數(shù)量級以上。C80應(yīng)用鼓范圍更加廣泛,不僅適用于鼓普通化學(xué)反應(yīng)中的熱效應(yīng)及鼓壓力特性的測定,而且能測鼓定諸如物理吸附、蛋白質(zhì)變灶性等熱現(xiàn)象非常微弱的物理灶化學(xué)過程的熱效應(yīng)18灶

11、。然而C80可控溫度最高灶只能達(dá)到,極大地限制了它灶的應(yīng)用。目前微量量熱儀已眨由C80發(fā)展到C600,眨二者的最大區(qū)別就是C60眨0的可測溫度最高達(dá)到,彌眨補(bǔ)了C80的不足之處。目眨前國內(nèi)外有關(guān)C80和C6眨00在有機(jī)過氧化物熱危險眨性研究方面的報道較少,僅眨檢索到兩篇。Miyake寨A等使用C80研究了過寨氧化氫異丙苯和二叔丁基過寨氧化物的熱分解反應(yīng)動力學(xué)寨,進(jìn)一步評價了它們的熱分寨解危險性19。孫占輝寨等用C80微量量熱儀確定壹了過氧化氫異丙苯、過氧化壹苯甲酰等有機(jī)過氧化物的反壹應(yīng)動力學(xué)參數(shù)20。500 0.02 絕壹熱量熱法是近幾年應(yīng)用較多再的方法,主要用于反應(yīng)危險再性的進(jìn)一步評估與壓力

12、泄放再系統(tǒng)的設(shè)計。其中絕熱加速再量熱儀(ARC)和泄放尺再寸包j絕熱量熱儀(VSP再2)是已經(jīng)商業(yè)化的絕熱量再熱儀21。ARC將試迂樣維持在絕熱條件下,能非迂常近似地模擬物質(zhì)儲存的真迂實條件。利用該儀器可精確迂地測得測試體系在絕熱條件迂下由于物理化學(xué)變化引起的迂體系溫度和壓力隨時間的變迂化情況,為研究動力學(xué)參數(shù)迂及速率方程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。迂該儀器檢測溫度范圍為0魚,檢測靈敏度可達(dá)到mi魚n-1比微量量熱儀更高;魚所用試樣量比微熱量熱儀更魚多,測試結(jié)果更具代表性魚22。因此它已被廣泛應(yīng)魚用于評估化工生產(chǎn)過程中反魚應(yīng)性物質(zhì)的熱危險性,成為盂國際上評價反應(yīng)性物質(zhì)熱危氈險性的重要測試手段。國內(nèi)氈關(guān)于AR

13、C在有機(jī)過氧化物氈熱失控反應(yīng)研究方面的報道氈較多。如其樂木格等采用A氈RC研究了含不同濃度的硫氈酸的過氧化甲乙酮溶液的熱氈分解動力學(xué)23。臧娜宜采用ARC研究了過氧化二宜異丙苯、過氧化二異丙苯/宜20%苯酚等物質(zhì)的熱危險宜性和相容性24。裴蓓宜等首次采用ARC對13%宜過氧乙酸溶液進(jìn)行測試,得宜到了其熱分解特性參數(shù)2枝5。1200 0.05 VSP2是一種新型枝絕熱量熱儀,主要用于獲取枝設(shè)計緊急泄放系統(tǒng)所需的實瘸驗數(shù)據(jù)。利用該儀器可測試瘸各種失控反應(yīng),尤其是兩相瘸流泄放中溫度壓力變化數(shù)據(jù)瘸。VSP2檢測溫度范圍為瘸-100,檢測靈敏度為瘸min-1。另外VSP瘸2具有加料、攪拌、多相反瘸應(yīng)功能

14、,可直接模擬工業(yè)條瘸件下冷卻失控、物料污染等妻引起的失控情況26。妻據(jù)統(tǒng)計,目前國內(nèi)僅有兩臺妻VSP2。國外關(guān)于VSP妻2在有機(jī)過氧化物熱失控反妻應(yīng)方面的研究較多,且大部妻分與DSC一起使用。如W妻ANG Yih Wen等樸采用DSC等溫和程序升溫斡模式對叔丁基過氧化氫/水斡、叔丁基過氧化氫/正癸烷斡等溶液進(jìn)行熱分析,確定了斡相應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)和動力學(xué)斡參數(shù);同時使用VSP2對斡各種TBHP溶液的絕熱實斡驗,確定了它們的絕熱失控斡危險性27。HUAN妹G Chun Chin等妹采用DSC程序升溫對過氧妹化氫異丙苯與苯酚/丙酮混妹合物的熱穩(wěn)定性進(jìn)行定性研妹究;并利用VSP2對混合妹物進(jìn)行絕熱實驗,

15、確定了相妹應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)和熱危險性瞄28。Wang Y斡W等使用DSC測定了二叔斡丁基過氧化物的反應(yīng)熱;同斡時用VSP2進(jìn)行絕熱實驗斡,確定了其絕熱失控危險性斡29。2 熱危險性評恕估策略及其應(yīng)用舉例2.1恕熱危險性評估策略下面的恕討論基于Guideli恕nes for Chem恕ical Reactiv恕ity Evaluati說on and Appli說cation to Pr說ocess Design說提出的物質(zhì)反應(yīng)危險性評說估策略,同時參考了Gu說idelines for說Safe Storag說e and Handli說ng of Reacti漂ve Materials漂提出的反應(yīng)性

16、物質(zhì)篩選實漂驗5, 14。首先通王過理論評估了解物質(zhì)的潛在王危險性。最大分解熱、最大王燃燒熱、氧平衡數(shù)等是評價王物質(zhì)是否存在危險性的重要硒參數(shù),可通過CHETAH硒程序計算得到。如果CHE硒TAH計算的最大分解熱或硒反應(yīng)熱不低于3.05 k硒Jg-1,那么該物質(zhì)具硒有較高的反應(yīng)危險性;如果沃該值低于3.05kJ雀g-1,則認(rèn)為該物質(zhì)具有雀較低的反應(yīng)危險性。如果最雀大分解熱與燃燒熱差的絕對雀值不高于12.53kJ雀g-1,則認(rèn)為該物質(zhì)具雀有高危險性;如果該值高于嚨21.07 kJg-1嚨,則認(rèn)為該物質(zhì)為低危險性嚨;如果該值介于12.53嚨 kJg-1到21.0嚨7 kJg-1之間,則嚨認(rèn)為該物質(zhì)

17、為中等危險性。嚨如果氧平衡值介于-120延到+80之間,表明該物質(zhì)延具有較高的自反應(yīng)危險性;延如果該值低于-240或高延于+160,則該物質(zhì)具有延較低的自反應(yīng)危險性;如果延介于-240到-120之延間或+80到+160之間氧,表明該物質(zhì)具有中等自反氧應(yīng)危險性。如果理論評估預(yù)氧測反應(yīng)性物質(zhì)具有熱危險性氧,則必須進(jìn)行實驗篩選,以氧獲得準(zhǔn)確可靠的評價結(jié)果。氧目前國際上普遍推薦采用D言SC進(jìn)行物質(zhì)熱穩(wěn)定性的初言步篩選實驗。通過DSC實言驗可確定物質(zhì)反應(yīng)的溫度范言圍、起始放熱溫度及反應(yīng)熱言,還可粗略估算反應(yīng)動力學(xué)言參數(shù)。DSC實驗為下一步言絕熱量熱實驗獲取更準(zhǔn)確的言熱動力學(xué)參數(shù)提供參考和安債全保證。如果

18、DSC實驗測債得的反應(yīng)熱高于0.20債kJg-1,則很可能導(dǎo)債致熱失控反應(yīng)。為了研究實債際生產(chǎn)和儲運過程中反應(yīng)性債物質(zhì)的熱失控危險性,必須咱進(jìn)行絕熱量熱實驗,研究其咱反應(yīng)動力學(xué)。ARC是研究咱物質(zhì)熱失控危險性普遍使用咱的絕熱量熱儀。利用ARC咱實驗數(shù)據(jù)和相關(guān)的動力學(xué)模咱型可以準(zhǔn)確地計算物質(zhì)的熱咱動力學(xué)參數(shù),為反應(yīng)性物質(zhì)貞的安全操作提供科學(xué)指導(dǎo)。貞利用上述評估策略,可以較貞全面地了解反應(yīng)性物質(zhì)的熱貞分解危險性和熱失控危險性貞,并提出相應(yīng)的防控措施。貞2.2 熱危險性評估策略陣應(yīng)用舉例下面以叔丁基過氧陣化氫為例,按照上面的評估陣策略對其進(jìn)行熱危險性評估陣。叔丁基過氧化氫含有不穩(wěn)陣定的-O-O-鍵,

19、該鍵的抑離解能較低,一般在0.2抑6 kJg-1到0.6抑5 kJg-1之間,受抑熱極易分解12。根據(jù)哲叔丁基過氧化氫的分子結(jié)構(gòu)哲,由CHETAH程序計算哲得到它的最大分解熱為3.哲40 kJg-1,最大哲燃燒熱為27.60kJ哲g-1,氧平衡數(shù)為-1豫95等。綜合考慮,該叔丁豫基過氧化氫具有中等反應(yīng)危豫險性。理論評估預(yù)測叔丁基豫過氧化氫具有中等反應(yīng)危險豫性,需要進(jìn)行DSC實驗評豫估。DSC實驗測得分解熱誼為1.62 kJg-1誼29,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.誼20 kJg-1,有可誼能發(fā)生失控反應(yīng),因此要進(jìn)誼行下一步的絕熱量熱實驗。誼75.5 10.778 184.8 124.57 使用ARC對叔丁基過

20、氧化因氫進(jìn)行絕熱量熱實驗,得到因該物質(zhì)的溫度、壓力與時間因的關(guān)系數(shù)據(jù)。通過對這些實因驗數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理,可得到因叔丁基過氧化氫的起始放熱因溫度為,反應(yīng)級數(shù)為1.9因9,活化能為3.20k秀Jg-1,指前因子為3秀.191033 s-1秀,最大升溫速率為/min秀,最大反應(yīng)速率到達(dá)時間為秀28.46 min,絕熱秀溫升為,單位質(zhì)量最大壓力巖為5.09 Mpa,自加巖速分解溫度為30。根巖據(jù)上述熱動力學(xué)數(shù)據(jù),可以巖確定叔丁基過氧化氫的起始巖放熱溫度和自加速分解溫度許均較低,活化能也較小,易許發(fā)生熱分解反應(yīng),因此在叔許丁基過氧化氫的生產(chǎn)、儲運許過程中,一定要控制好溫度許,遠(yuǎn)離火源;在絕熱條件下許,叔丁

21、基過氧化氫失控反應(yīng)許的絕熱溫升和單位質(zhì)量的壓許力都很高,會產(chǎn)生非常大的征熱爆炸危險性,因此在處置征此類事故時,要注意防火防征爆;同時從叔丁基過氧化氫征初始放熱到達(dá)最大反應(yīng)速率征的時間很短,這意味著叔丁征基過氧化氫一旦發(fā)生熱分解征反應(yīng),在極短時間內(nèi)會導(dǎo)致拯失控反應(yīng),工作人員必須及醞時做好安全救護(hù)。3 結(jié)束醞語綜上所述,為了得到反應(yīng)醞性物質(zhì)的熱危險性參數(shù),為宙安全生產(chǎn)和儲運提供科學(xué)指宙導(dǎo),需要按照合理的評估策宙略進(jìn)行理論評估和實驗評估宙。目前化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的理宙論預(yù)測尚處于探索階段,需宙要加大對該方法的研究?,F(xiàn)宙今我國在反應(yīng)性物質(zhì)熱危險珍性評估方面的研究尚停留在珍傳統(tǒng)熱分析方法的階段3珍1,對有機(jī)

22、過氧化物這類珍熱危險性比較突出的反應(yīng)性珍物質(zhì)的研究也是剛剛起步。珍因此借鑒國外先進(jìn)的熱分析這手段和引進(jìn)先進(jìn)的熱分析設(shè)這備以及加大對反應(yīng)性物質(zhì)的這熱危險性研究是非常必要的這。參考文獻(xiàn):1 徐剛這, 李雪華. 危險化學(xué)品這活性危害與混儲危險手冊漳M. 北京: 中國石化漳出版社, 2009.2漳 金可剛, 肖錦平,漳王華周. 有機(jī)過氧化物的漳基本特性和風(fēng)險預(yù)防J漳. 精細(xì)化工原料及中間體幼, 2007 (3):幼18-20.3翁干幼友, 史建公. 有機(jī)過氧幼化物的性質(zhì)、分類及用途幼J. 石化技術(shù), 20躍01, 8 (1): 6躍3-66.4黃培才躍, 宗關(guān)民, 王靜. 有躍機(jī)過氧化物及其工業(yè)應(yīng)用(

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