一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪的制作方法

本发明涉及面向化工过程安全的量热技术及仪器领域，更具体的涉及一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪。

背景技术：

长期以来，绝热加速量热仪作为分析化学反应的理想工具，其在化学品热危险性评估、工艺安全、工艺放大等领域具有广泛的应用。然而，由于结构限制，在测试化学品反应过程中，化学品反应放出的热量不可避免地被样品池吸收，影响热行为参数的测试结果。1980年townsend等人首次提出热惯量的概念^[1,2]，采用热惯量因子描述样品池吸收的热量和反应释放总热量的关系，并尝试对测试结果进行热惯量修正。后续诸多学者在上述热惯量修正的基础上进行研究，逐步形成了基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法，如fisher修正方法^[3]和改进型fisher修正方法^[4]，这些方法广泛应用于化学品安全评估中。但是，上述动力学求解方法中将热惯量因子视为固定常数，忽略了化学品由于发生反应，成分不断变化，比热容也动态变化，同时受绝热炉体追踪效果的影响，热惯量因子应该是随温度/时间变化的变量的事实。例如在一个大速率反应过程中，考虑到绝热炉体的加热能力和动态响应，化学品反应剧烈阶段较反应初期炉体追踪效果显著变化，此时如果使用固定的热惯量因子进行温度修正，与实际情况不相符，热分析动力学参数求取结果可靠性降低，从而对反应机理与反应过程的认知产生偏差。

为了减少热惯量因子计算和数据修正中的误差，在过去的几十年中，通过引入压力和功率补偿技术对绝热加速量热仪进行改进。首先是压力补偿技术，这种方法有效解决了样品池热惯性与承压能力对样品池壁厚要求的矛盾，极大地降低了热惯量因子，例如hel公司的phi-tecii^[5]、德国netzsch公司的aptac^[6]以及美国fauske(fai)公司的vsp2^[7]。接着是功率补偿技术，主要原理是样品池产生的焓变来自于加热器的加热，而不是化学品反应放出的热量，理论上热惯量因子可以达到为1.0的情况，例如美国omnicaltechnology^[8]推出的darc和国内杭州仰仪科技有限公司推出的tac-cp500a^[9]。但这些技术导致仪器结构复杂，补偿效果不以评价，且极大降低了操作的方便性，故障率高，不利于在化工过程安全评估中广泛采用。且在热分析动力学研究中仍未考虑比热容变化、反应体系热散失等问题，造成实际热惯量因子未能达到理论数值，导致动力学求解误差及化工过程本征安全评估不可靠。

综上所述，为获得准确的热动力学参数，开展准确的化工过程安全评估，本发明结合实际情况，设计一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，并提出由实测热惯量因子参与的新型热分析动力学参数求解的方法，克服现有基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法中存在的不足，提高了热分析动力学研究水平和化学品热危险性评估的准确性，极大地丰富了绝热加速量热仪在化工安全领域中的应用。

参考文献

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技术实现要素：

针对背景技术中提到的现有经典绝热加速量热理论中将热惯量因子视作常数，导致热分析动力学研究和热危险性安全评估存在偏差等问题。本发明设计了一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，所述一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪包含两路高度对称的测量通道，其中一路放置样品，一路放置参比物，参比物和样品比热尽量接近。在绝热反应过程中，炉体最终样品温度，两路反应体系(样品/参比物加样品池)的温度场分布和热散失均相同，此时热惯量变化表现出相同特征。在实验中，样品侧放置易分解的化学品，参比侧放置热容相近的惰性物质，样品侧反应放热使自身温度升高，此时控制参比侧加热系统保持两侧温度时刻相等，同时实时记录加热功率，直到反应结束。反应结束后，对绝热数据进行分析，根据热惯量因子的定义，反应物反应放出的热量与反应物本身产生的焓变之比，再结合得到的绝热温度和功率数据可计算出热惯量因子的具体值。

由于具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪在实验过程中考虑了热惯量因子动态变化，导致现有基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法不再适用。本发明利用随温度变化的热惯量因子具体值，结合非线性拟合方法设计新型热分析动力学求解方法，并使用标准样品对方法进行验证，结果表明动力学参数明显改善，极大地降低了热惯量因子带来的影响。发明成果对化学反应机理研究和化学品过程安全评估具有重要意义。

本发明技术问题可以通过以下技术方案来实现：

本发明包括双测试通道、标准加热器、外插式球型反应池、温度和功率测量模块以及数据显示及记录的控制软件。所述双侧通分别为样品侧和参比侧，特点是两侧高度对称；所述标准加热器有效加热区为前段20mm处，通过测试通道分别插入到样品侧反应池和参比侧反应池中；所述外插式球型反应池通过机械件分别装备在样品侧和参比侧；所述温度和功率测量模块分别连接测温热电偶和标准加热器，完成绝热反应过程中温度和功率采集；所述数据显示及记录控制软件通过通信电缆线连接系统电路板。

在绝热反应过程中，双测试通道样品侧和参比侧，样品侧球型反应池放置待测试样，测量温度记为ts，参比侧球型反应池放置热容相近的惰性物质，测量温度记为tr。当样品侧试样检测出放热，反应系统进入绝热追踪阶段，试样自反应放出的热量用于自身温度升高，测控系统控制参比侧加热棒工作，使tr和ts时刻保持相等，同时功率计量模块实时测量加热棒功率pt。在绝热追踪阶段，设在δt时间内反应体系的升温升高δt，根据热惯量因子的定义，求出其具体值。最后，利用新型热分析动力学求解方法进行参数求解，求解结果消除了现有的基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法中将热惯量因子视为常数所造成的误差，提高了化学反应热危险性评估的准确性。

进一步说，绝热反应过程的动态样品热散失可通过参比侧加热功率测量实时获取。

进一步说，所述标准加热器长度为320mm，发热区为前段20mm，可承受500℃的高温，并且引线选用电阻率为1.0e-6ω·mm²/m的镍铬。

进一步说，所述的新型动力学求解方法利用到实测热惯量因子的具体值对热行为进行绝热修正，克服了现有的基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法将其视为常数的不足，求解出的动力学数据更加准确，提高了化学反应热危险性评估的可靠性。

与现有的绝热加速量热仪相比，本发明的有益效果是：

1、所述一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，其双通道对称结构的反应装置能有效得到热惯量因子动态变化的具体值，改变了将其看作固定常数进行数据处理的不足之处。

2、相对于将热惯量因子看作固定常数进行数据修正的热分析方法，所述一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，符合实际情况，利用实测的热惯量因子进行动力学分析，提高了热分析的准确性。

附图说明

图1基于双通道的绝热加速量热仪结构模型图；

图2内插标准加热器；

图3双通道温度控制策略流程图；

图4双通道炉盖设计图；

图5热惯量因子和比热容乘积计算结果图；

图6转化率计算结果图；

图7不同浓度dtbp反应非线性拟合结果。

具体实施方式

一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，涉及到对称的双测试通道，分别为样品侧和参比侧，具体结构图如图1所示：

图中，在此结构中，易反应试样(6)和惰性试样(7)分别置于样品侧和参比侧球型反应池中，参比侧球型反应池中部插入测温热电偶(4)，顶部插入标准加热器(1)，根据对称原则，样品侧同样插入测温热电偶(5)和标准加热器(2)，但标准加热器(2)在绝热反应过程中不工作，只为满足对称原则。反应池底部配有辐射加热丝(9)进行辅助加热，使反应体温度快速到达预设温度目标。在绝热反应过程中，试样(6)发生放热反应，样品侧温度开始升高，测控系统控制各炉盖(3)、炉壁(8)和炉底(10)内嵌的加热器始终保持反应体系温度与周围环境温度相等，形成绝热状态。同时，测控系统根据测温热电偶(4)、(5)的温度反馈，控制标准加热器(1)工作，保证参比侧温度与样品侧温度时刻相等，并且实时测量加热器加热功率，直到反应结束，全程记录温度和功率数据。

其中，反应体系中的标准加热器是具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪结构中的核心器件，它的设计也区别于传统加热器，结构如图2所示：

图中，为了完全使加热器的发热区浸没在待测试样中，并且减少加热过程中的热损失，加热器的发热区2-1设计为前段的20mm处，冷端2-2填充惰性、导热系数低的物质。考虑到绝热反应过程中，引线2-3电阻在加热器工作时也会发热，造成加热功率的测量不准确。加热器在设计时引线选用电阻率为1.0e-6ω·mm²/m的镍铬合金作为材料，计算出的引线电阻相比于加热器电阻丝电阻(20ω)很小，那么这部分引入的加热功率则可以忽略不计，保证了加热器加热功率测量的准确性。

另外，具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪工作过程中，控制目标是时刻保持两侧温度相等。对于本发明的双通道温度控制系统，应用场景较为特殊，主要发生在样品绝热反应阶段，温度变化呈现出两个特点：

(1)温度范围不确定。一般使用绝热加速量热仪测定化学品的热特性时，往往不知化学品的物化属性，反应过程更是无从参考，样品何时发生以及结束反应无法提前预知，在这种情况下，要求温控逻辑以及控制参数的适应性特别强。

(2)控制目标的不可控性。在绝热反应阶段，控制参比侧的目标温度是样品侧温度，由于样品时刻都在反应，温度随之变化，而且呈现先缓慢变化后剧烈变化的特征。控制目标的动态变化要求温度控制算法具有较高的响应速度，应对复杂多变的工作环境，这使得在pid整定过程中，面临巨大挑战，耗费大量时间。

针对以上控制系统的特点，采用变速抗饱和积分pid算法。该算法的本质是建立与其偏差大小相对应的积分项累加，此时的积分项表达式变为：

式中：f[e(t)]为加权系数，与e(t)的关系表述为：

抗积分饱和是在变速积分的基础上，考虑到了极端情况，对积分累加偏差值的上、下限进行了限制，具体可以表述为：

综上所述，离散化的pid表达式最终变化为：

u(t)＝kp·e(t)+ki·{sume(t-1)+f[e(t)]·e(t)}+kd·[e(t)-e(t-1)](4)

由上几式可知，式(2)中加权系数f[e(t)]在[0,1]区间内变化，那么作用到式(1)中，当目标值与当前值偏差较大时，超过了阈值系数a和b之和时，f[e(t)]输出为0，积分项直接停止偏差累加，此时由式(4)可知，此时主要依靠比例项和微分项对参比侧温度进行调节，这里主要是针对绝热反应后期，样品反应越来越剧烈，目标温度变化迅速，同时也防止对控制目标温度调整时间过长造成的积分饱和。当e(t)的绝对值小于阈值b时，f[e(t)]立即变为1，积分累加项全速累加，主要是针对绝热反应前期，样品反应微弱，目标温度几乎不变，e(t)值很小，由式(4)可以看出，主要依靠积分项进行调节，快速消除参比侧温度与样品侧温度之间的静态偏差。当e(t)在b和a+b之间变化时，f[e(t)]则在(0,1)之间变化，此时比例项、积分项和微分项共同作用，在绝热反应中期精确控制参比侧温度时刻与样品侧温度相等。式(3)则是对积分项进行限制，主要目的消除参比侧温度超调带来的影响，ωmax为积分累加上限，ωmin为积分累加下限。在本设计系统中e(t)使用参比侧当前温度与样品侧温度之间的差值，u(t)则为需要输入到参比侧标准加热棒的加热功率，选择合适的kp、ki和kd即可实现参比侧温度和样品侧温度时刻相等。综上所述，孪生结构温度控制策略流程图如图3所示。

最后，所述具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪工作原理为：双测试通道样品侧和参比侧，样品侧球型反应池放置待测试样，测量温度记为ts，参比侧球型反应池放置热容相近的惰性物质，测量温度记为tr。当样品侧试样检测出放热，反应系统进入绝热追踪阶段，试样自反应放出的热量用于自身温度升高，测控系统控制参比侧标准加热棒工作，使tr和ts时刻保持相等，同时功率计量模块实时测量功率pt。在绝热追踪阶段，设在δt时间内反应体系的升温升高δt，按照热惯量因子的定义，计算公式如式(1)所示：

式中：q(t,t)为反应物自身产生的焓变，j；qloss(t,t)为反应系统的热损失，j；那么q(t,t)+qloss(t,t)为反应过程的放出热量。对于参比侧而言，通过控制标准加热器，温度时刻与样品侧相等，那么满足：

q(t,t)+qloss(t,t)＝ptδt(6)

式中：pt为标准加热器的加热功率，w。惰性物质本身无放热特性，受热后产生的焓变可表示为：

q(t,t)＝cpmδt(7)

式中：cp为惰性物质的比热容，j/(g·k)；m为质量，g。那么联合式(6)和式(7)可得：

由上式可知，通过测量得到的pt和δt可以计算出热惯量因子φ(t,t)，为后续新型热分析动力学求解方法研究提供了数据基础。

对具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪的实验数据进行分析，根据式(8)计算得到反应过程中各个时刻的热惯量因子φ(t,t)，上述中提到针对双通道组成的反应体系，现有的基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法不再适用。因此，本发明利用实测的热惯量因子结合非线性拟合法进行新型动力学求解方法，具体如下：

根据双通道设计原理可知，两侧温度场分布和热散失在绝热反应过程中均相同，那么对于样品侧的等效热惯量因子φequ(t,t)应等于参比侧的热惯量因子φ(t,t)，即φequ(t,t)＝φ(t,t)。同时，由于参比侧在标准加热器的作用下时刻保持两侧温度相等，那么对于样品侧的样品发生反应放出的热量可以等效计算为：

对于样品侧而言，考虑到热惯量因子和样品比热容均随温度/时间变化而变化，则将两者的乘积作为整体计算，那么对于式(8)中标准加热棒的加热功率pt和δt可通过测量得到，样品质量又为已知量，结合式(9)并对式(8)整理并微分化可得：

根据绝热加速量热热分析理论，反应体系处于理想绝热状态，满足绝热平衡方程，但在实际测试过程中理想绝热很难实现，那么从热散失的角度描述绝热平衡方程，即：

联立式(7)和式(11)可得：

同时，对于n级反应，反应过程遵循阿伦尼乌斯方程，即：

又因在绝热反应过程中，式(8)和式(9)同时成立，联立可得自加速温升速率，即：

其中转化率α可对式(12)两边同时对t进行积分求得，即：

最后，将式(11)带入到式(10)中得：

式中：α为转化率；t0为反应起始温度，k；a为指前因子，s^-1；n为反应级数；e为活化能，j/mol；r为气体常数，j/(mol·k)。φequ(t,t)cs(t,t)可以对式(10)两边同时对时间积分获得，那么根据式(16)可计算出自加速温升速率，对实际实验数据进行分析，又可获得实测的自加速温升速率，最后利用非线性拟合方法求解动力学参数。

非线性拟合方法的核心思想是将求解的动力学参数(活化能e、指前因子a、反应级数n)作为待定系数，一方面以最小二乘拟合方法进行模型计算得到自加速温升速率，另一方面经过实验测得自加速温升速率，将两者进行拟合，以拟合度ss作为评价指标，获取动力学方程未知向量θ(e,a,n)，ss的表达式为：

式中：n为参与拟合的实验数据点总数；dt(t)/dt为实际实验测得的自加速温升速率，k/s；dtm(t,θ)/dt为式(16)计算的自加速温升速率，k/s。通过设置不同的活化能e、指前因子a、反应级数n求取ss，当ss取最小值时，此时得到的最优向量解θ(e,a,n)即为样品反应的动力学参数值。

实施例

本发明的具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪以图1所示的结构图为依据，首先对仪器进行了搭建，包括参比侧测试通道4-1、样品侧测试通道4-2、炉体(炉壁和炉底)4-3和外壳4-4，如图4所示：

考虑到整个绝热炉加热后温度场的均匀性和稳定性。首先，以导热系数为依据，导热系数越高，导热性能越好，炉盖和炉体的材质选用导热系数仅次于金属银(412w/(m·k))的紫铜(387w/(m·k))，尽可能提高温度场的均匀性。然后，在绝热炉的周围塞满隔热效果较好的保温棉，以及增加陶瓷纤维，极大地减少由于机械连接造成的传导热损失，保证了温度场的稳定性。

搭建完成后，以标准样品5g浓度分别20％、30％、40％和50％dtbp-甲苯溶液为例，对具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪和新型动力学分析方法进行验证。首先，由式(12)可知，热惯量因子和比热容的乘积φequ(t,t)cs(t,t)以及转化率α是计算自反应温升速率的关键。

关于热惯量因子和比热容的乘积φequ(t,t)cs(t,t)，对式(6)两边同时对时间进行积分，计算结果如图5所示：

反应初始阶段φequ(t,t)cs(t,t)基本无变化，此阶段反应微弱，生成物少，试样比热容基本无变化，同时反应体系热散失很小，绝热程度较高，热惯量因子变化幅度小；反应后期φequ(t,t)cs(t,t)剧烈变化，此阶段炉体温度追踪效果变差，热散失增大，试样反应进程延缓，温度变化较理想状态下变小，根据式(4)可知，反应体系的热惯量因子变大，而且高浓度表现的更为明显。由图5可知，计算结果符合理论推导。

关于转化率α，按照式(11)进行计算，计算结果如图6所示：

转换率α一般反映样品发生化学反应的反应进程，是从0到1的过程。在绝热反应初期阶段，样品反应微弱，α缓慢变化；随着反应的推进，绝热温度越来越高，样品大量消耗，α迅速变化。而且反应越剧烈，反应进程变化越快。由图6可知，计算结果符合经验趋势。

最后，结合式(12)和式(13)进行动力学参数求解。根据非线性拟合方法原理，当拟合度ss最小时，得到最优解θ(e,a,n)，最优拟合效果如图7所示：

标准样品dtbp-甲苯溶液是典型的n级反应，动力学参数的具体值被领域内诸多学者求解和验证，总结出经验值，如表1所示：

表1dtbp-甲苯溶液动力学参数

当ss取最小值时，输出最优解θ(e,a,n)，得到活化能e、指前因子a和反应级数n。为表明本发明的有效性和可行性，与使用经典方法求取动力学参数进行对比，结果如表2所示：

表2不同方法对仿真数据进行动力学求取结果对比表

结合表1和表2可以看出，本发明设计的一种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，考虑热惯量因子动态变化，符合实际情况，标准样品的动力学参数求取结果相比于经典方法更贴近经验值，表明本发明具有良好的有效性和可行性。

这种具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪与经典型绝热加速量热仪在结构和数据处理上都有不同。结构方面，优点在于本发明可以通过这种双通道对称结构实时测量的标准加热器的加热功率，在离线数据处理过程中，可以计算出每个时刻对应的热惯量因子的具体值。数据处理方面，针对现有的基于绝热加速量热的热分析动力学求解方法中将热惯量因子视为常数的不足，新型动力学求解方法考虑热惯量因子动态变化，结合非线性拟合方法进行动力学求解，结果表明，新方法适用性更强，求取结果明显改善。

综上所述，具有动态热惯量修正特征的绝热加速量热仪，克服了经典型绝热加速量热仪结构上的不足，可实现热惯量因子的动态测量。同时，针对现有的热分析动力学求解方法中将热惯量因子视为固定常数，造成动力学参数求解存在偏差等问题，本发明利用实测的热惯量因子结合非线性拟合方法，设计出新型动力学求解方法，并通过标准样品进行验证，结果表明新方法具有良好的有效性和可行性，发明成果对于提高化学反应热危险评估的准确性具有重要意义。