H.E.L 等溫量熱對化工風險研究— Simular 反應量熱儀

等溫量熱法（Isothermal Calorimetry）在化工危險研究中是一種重要的工具，廣泛應用于評估化學反應的熱效應、反應速率、熱穩定性以及潛在的危險性。通過精確測量反應過程中釋放或吸收的熱量，等溫量熱法可以幫助研究人員和工程師更好地理解化學反應的行為，從而設計更安全的化工過程。等溫量熱法在化工危險研究中的應用包括：

評估化學反應的熱效應  測量化學反應過程中釋放或吸收的熱量，從而評估反應的熱效應。這對于理解反應的熱穩定性和潛在的危險性至關重要，從而預測反應失控的可能性。

研究反應動力學  提供反應速率的直接測量數據。通過監測反應過程中熱流的變化，可以評估反應速率和動力學參數。這對于優化反應條件和設計更安全的化工過程非常有幫助。

評估反應的熱穩定性  評估反應物和產物在不同溫度下的熱穩定性。這對于預測反應在高溫條件下的行為和潛在的危險性非常重要。例如，某些反應在高溫下可能會發生分解或自燃，導致嚴重的安全事故。

優化反應條件  幫助研究人員優化反應條件，以提高反應效率和安全性。通過調整溫度、濃度、添加劑等參數，可以找到最佳的反應條件，減少危險性。

研究添加劑的影響  用于研究添加劑對反應熱效應和動力學的影響。例如，某些添加劑可以顯著降低反應速率或提高反應的熱穩定性，從而減少反應的危險性。

通過精確測量反應過程中的熱效應和動力學參數，可以評估反應的熱穩定性和潛在危險性，優化反應條件，減少事故風險。

案例：羥胺在NaCl, KCl或Na?SO?存在的水溶液中在120-140℃范圍內的熱分解研究

Pitsadioti, I., Lapouridis, K., Georgopoulos, S., Antonopoulou, M., & Papadaki, M. (2017). Thermal decomposition of hydroxylamine in aqueous solutions in the presence of NaCl, KCl or Na?SO? in the temperature range 120–140°C. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 49, 177-182.   

背景: 羥胺（NH?OH）是一種熱不穩定的含能化合物，廣泛應用于化學合成、核工業、半導體工業以及火箭燃料等領域。由于其熱不穩定性，羥胺在處理過程中可能引發嚴重的安全事故。因此，研究其熱分解機制和影響因素對于預防事故和優化工藝具有重要意義。本文研究水溶液中羥胺在不同濃度和溫度下，以及在NaCl、KCl和Na?SO?存在時的熱分解行為。

研究方法：使用等溫量熱法研究羥胺在120°C和140°C下的熱分解行為。實驗使用了兩種不同濃度的羥胺溶液，并添加了NaCl、KCl和Na?SO?作為添加劑。

實驗結果：添加劑對羥胺分解的影響：

• Na?SO?：顯著降低羥胺的分解速率，但對非冷凝氣體的生成量影響不大。

• NaCl和KCl：對羥胺分解速率無顯著影響。

• NaCl和Na?SO?混合：Na?SO?的抑制效果占主導。

溫度對分解的影響：

• 在120℃和140℃下，羥胺分解生成的非冷凝氣體量隨溫度升高而增加，表明高溫下可能更傾向于生成特定的氣體產物。

與硝酸銨（NH?NO?）的比較：

• Na?SO?對硝酸銨的熱分解也有抑制作用，而KCl則加速了硝酸銨的分解。  

• 硝酸銨在Na?SO?存在時的絕熱溫升降低，而在KCl存在時顯著增加，表明添加劑改變了反應機制。

結論：

羥胺分解的自催化特性：羥胺的分解速率與其質量分數有關，表現出自催化特性。

添加劑的影響：

• NaCl和KCl對羥胺分解無顯著影響，而Na?SO?顯著減緩了分解速率。

• Na?SO?可能通過提高溶液的堿性來影響反應路徑，從而減少N?的生成，增加NH?的生成。

反應機制的推測：

• 堿性環境可能更傾向于促進反應（2），即生成NH?而非N?。

• NH?在水中的溶解度較高，且可能參與可逆反應，從而減緩整體反應速率。

與硝酸銨的對比：

• Na?SO?對兩種化合物的分解均有抑制作用，而KCl僅對硝酸銨的分解有顯著影響。

• 反應危害評估：通過絕熱量熱法測試，發現反應在失去冷卻能力的情況下會導致產品分解（起始溫度為180°C），并產生大量不可冷凝的氣體分解產物。

• 工藝改進：通過反應量熱法測試，發現將反應從批量模式改為半批量模式可以顯著提高系統的安全性。然而，降低反應溫度會導致生產周期延長和反應物積累增加。

量熱實驗：實驗采用H.E.L Simular 反應量熱儀，150 mL的316 SS金屬反應器，溫度傳感器（PT100），設置恒溫浴的溫度為120℃或140℃，溫度穩定性在±0.1℃以內，安裝壓力傳感器，用于測量反應過程中產生的壓力變化。

實驗步驟：

• 將添加劑溶解在水中，與羥胺混合后形成40 mL的溶液。

• 將反應混合物置于反應器中，密封后放入油浴中進行實驗。

• 記錄實驗過程中的壓力和溫度變化。

Hazard Evaluation Laboratories 

成立于1987年，總部設在倫敦，在中國、美國、德國、意大利、印度擁有分公司。全資的赫伊爾商貿（北京）有限公司于 2020年在北京設立。H.E.L最初是一家過程工藝優化及反應危害評估的專業咨詢機構，對研究機構和生產企業承接工藝過程研發項目；同時提供安全咨詢，包括事故調查、HAZOP研究、安全設施的設計及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業咨詢機構，同時已經發展成為一家致力于為客戶提供專業的過程工藝優化及反應危害評估設備的國際集團企業。

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