CN106248727A - 在量热设备中实现多种加热功能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在量热设备中实现多种加热功能的方法，主要解决现有技术中加热模式较少的问题。本发明通过采用一种在量热设备中实现多种加热功能的方法，在量热测量装置上进行量热测量，所述装置包括加热单元、保温单元、电力控制器、智能温控器、反应池的技术方案较好地解决了上述问题，可用于量热设备中。

Description

在量热设备中实现多种加热功能的方法

技术领域

本发明涉及一种在量热设备中实现多种加热功能的方法。

背景技术

对一个具体反应的热风险进行评价，需要获得起始放热温度、放热速率、放热量、全过程温度和压力变化、自加速分解温度等参数，而这些参数的获得必须通过量热测试。常用量热设备主要包括反应量热仪(RC1)、加速量热仪(ARC)等绝热量热仪(AcceleratingRate Calorimeter and Method of Operation,US4208907)、差示扫描量热仪(DSC)等。针对不同的样品和反应要获得不同的测试数据，需要量热仪对样品和反应进行不同的升温扫描。

量热仪的运行模式多种多样，包括快速扫描、绝热模式、等温扫描等。快速扫描是匀速升温直至放热反应开始，是化学品安全的基本筛选方式。等温扫描是控制加热装置使样品处于某个恒定温度，消除温度效应，直接获得反应的转化率等信息。化工过程安全评价中最常用、最能反映反应危险性的量热模式是绝热模式，它是一种绝热状态下测量化学反应过程的方法，能有效测量化学反应过程中的初始反应温度、全过程压力和温度变化、到达最大反应速率的时间等。

绝热模式往往是更加接近于实际工况热失控时的反应模式，因此采用绝热模式测出的数据对于模拟工况更加适用。对量热仪器来说，绝热模式的实现方式一般有两种：一种是通过设置热传导性能极差的隔热材料加强体系与环境的热隔离，另一种则是不断调整环境温度，使之与体系温度一直保持一致，消除二者之间的热交换。本发明中描述的加热装置就是基于这种“温度补偿”的原理。整个加热装置包含加热和保温两部分，对其加热过程描述如下：将反应体系置于加热装置中，开始运行“加热-等待-搜索”模式，首先加热单元加热物料至指定温度，然后加热单元停止工作，启用保温单元维持温度不变，等待一段时间并搜索是否放热(温升速率大于一定值)，如果在等待的过程检测不到放热，则继续升高温度，进入下一个台阶；如果检测到体系温度上升，则控制环境温度随之上升，以防止体系放出的热量散发到环境中。通过此种方式实现绝热，要求加热装置具有良好的加热功能和温度跟踪功能，这与加热器的设计密切相关。量热设备的加热装置对于实验结果的准确性至关重要。

不同的量热设备采用的样品池不同，样品池的大小、形状、材质不尽相同，加热装置的形状也因此不同。对于三种加热模式而言，也要求加热器具有多种功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中加热模式较少的问题，提供一种新的在量热设备中实现多种加热功能的方法。该方法具有加热模式较多的优点。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种在量热设备中实现多种加热功能的方法，在量热测量装置上进行量热测量，所述装置包括加热单元、保温单元、电力控制器、智能温控器、反应池，所述加热单元、保温单元均包括电阻丝或加热棒，保温电力控制器和加热电力控制器分别与保温单元、加热单元相连；智能温控器包括保温PID(比例、积分、微分控制的简称)和加热PID，与电力控制器协调工作，对反应池内物质提供多种加热模式，既可以设定加热输出功率，实现快速扫描和等温模式，又可以设定升温程序实现绝热模式，使保温单元根据反应池内物质温度进行跟踪，要求误差在1℃内；加热PID与反应池上的加热热电偶相连，保温PID与反应池上的保温热电偶相连，反应池底部设有底盘加热器，底盘加热器高度达到反应池高度的1/5—1/3；在反应池壁和保温单元之间填充保温材料；或者，将加热和保温功能合并，在反应池外部放置一个金属外壳，金属外壳下部提供加热功能，周边提供保温功能，实现对整个反应池的三维包裹，加热功能和温度追踪功能完全由此金属外壳实现；在进行量热测量时，固体和液体反应物通过反应池上的开口加入到反应池内部，然后通过螺栓卡套封死反应池，将反应池放入加热装置中，反应池与保温单元间装填保温材料；测量反馈反应物温度的热电偶插入反应池内部，测量反馈环境温度的热电偶插入反应池与保温单元之间的保温材料内，在智能温控器中根据不同加热模式需求，设置加热程序，同时记录反应池内温度和环境温度变化。

上述技术方案中，优选地，电力控制器选用电磁继电器和固态继电器。

上述技术方案中，优选地，电力控制器为可控硅的固态继电器，控制模式选用相位模式、定周期过零调节型、变周期过零调节型。

上述技术方案中，更优选地，控制模式选用相位控制模式。

上述技术方案中，优选地，智能温控器为外接的或通过通讯模块直接并入量热仪的中央控制系统。

上述技术方案中，优选地，保温材料为保温棉。

本发明提供了一种适用于量热仪器反应池加热的方法，从事化工生产、化工安全研究和化工设计的科研单位及企业对本发明方法有一定的需求，本发明在化工生产的企业、化工安全研究和化工设计科研单位中有相当的应用推广价值。与现有技术相比，本发明能按照指定要求运行不同的加热模式，适用温度为室温～800℃且能长时间耐受该温度，实现多种模式下的测量要求，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为加热装置整体结构示意图。

图1中，1-保温层2-反应池壁3-保温加热丝4-底盘加热器5-保温热电偶6-加热热电偶7-输入值8-加热PID 9-保温PID 10-保温可控硅电力控制器11-加热可控硅电力控制器。

图2为加热和保温部分分离的加热单元结构图。

图2中，1-保温层2-反应池壁3-保温单元缠绕的加热丝4-底盘加热器。

图3为加热保温一体式加热单元结构图。

图3中，1-保温层2-反应池壁3-金属外壳加热器。

图4为实施例1中渣油加氢反应过程中温度-时间变化曲线。

图5为实施例2中采用“快速扫描”模式测量制备EVOH树脂反应失控温度-时间变化曲线。

图6为实施例2中采用“加热-等待-搜索”测量制备EVOH树脂反应失控温度-时间变化曲线。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

具体实施方式

【实施例1】

本发明提供一种能够满足三种加热模式的加热方法，如图1所示，能够满足不同安全评价测试的要求。

1)本实验装置主要由以下几部分组成：

加热单元：加热单元主要由具有一定电阻的电阻丝或加热棒组成，根据材质、反应池结构、与保温单元的相对位置和结构可以有多种选择。

保温单元：保温单元主要由具有一定电阻的电阻丝或加热棒组成，保温单元一般根据反应池外形结构制作，在反应池和保温单元之间填充一定厚度保温棉。根据材质、反应池结构、与保温单元的相对位置和结构可以有多种选择。

电力控制器：电力控制器关系到加热装置的精度和使用寿命，可以选用电磁继电器和固态继电器，优选基于可控硅的固态继电器，控制模式可以选用相位模式、定周期过零调节型、变周期过零调节型，优选相位控制模式。

智能温控器：与电力控制器协调工作，按照实验要求对反应池内物质提供多种加热模式。既可以设定加热输出功率，实现快速扫描和等温模式；又可以设定升温程序实现绝热模式，使保温单元根据反应池内物质温度进行跟踪，要求误差在1℃内。智能温控器可以是外接的也可以是通过通讯模块直接并入量热仪的中央控制系统。

2)对本实验装置的加热单元和保温单元结构的详述

根据反应池结构不同，加热单元和保温单元可以制作成不同的形状和的大小，可以但不限于圆柱形、球形等，要求所制作的加热装置外形符合相应的反应池外形，以提供精准加热。以100ml圆柱形反应池为例，说明加热装置的两种构造：

(a)加热单元在反应池底部绕成加热盘，要求高度达到反应池高度的1/5—1/3，用于对反应池的加热；保温单元根据反应池形状做成比反应池略大一点的形状，要求保温单元与反应池之间恰好可以填充一定厚度，如0.2cm左右的保温材料。见图1。其中，保温材料可以为保温棉。加热丝可以直接缠绕在保温材料外，也可以缠绕在能够紧密贴合在保温层上的圆柱形金属薄层上。

(b)将加热和保温功能合并，在反应池外部放置一个金属外壳，金属外壳下部提供加热功能，周边提供保温功能，实现对整个反应池的三维包裹，加热功能和温度追踪功能完全由此金属外壳实现，见图2。

3)本装置的使用方法为：

固体和液体反应物通过反应池上的开口加入到反应池内部，然后通过螺栓卡套封死反应池。反应池放入加热装置中，反应池与保温单元装填保温材料。测量反馈反应物温度的热电偶插入反应池内部，测量反馈环境温度的热电偶插入反应池与保温单元之间的保温棉内。在智能温控器或中央控制系统中根据不同加热模式需求，设置加热程序，同时记录反应池内温度和环境温度变化。

利用本加热装置上在VSP2上进行渣油加氢反应量热测试

实验步骤：

(1)预热渣油，使之能流动，加入反应池中；根据油剂比称量催化剂的量并加入反应池中；

(2)安装加热器，将反应池放入加热装置中，反应池与保温单元填装保温棉，连接进料管线及将测量反馈反应物温度的热电偶插入反应池内部，测量反馈环境温度的热电偶插入反应池与保温单元之间的保温棉内；整个加热装置和高压釜之间的空隙中填满玻璃棉，盖上釜盖，密封高压釜；

(3)用表测试导线连接状况及绝缘性能，启动VSP系统并对温度、压力测定系统进行校正；

(4)开启真空管线上的电磁阀，启动真空泵，将高压釜内压力抽至-0.09MPa(g)以下后保持十分钟，初步检查系统的气密性；

(5)打开气瓶阀门，保证供气系统能够提供压力大于10MPa的气体，开启压力自动跟踪系统；进料管线接入氢气瓶，向反应池内打入氢气；保持十分钟，进一步检查系统气密性；

(6)启动智能温控系统，根据实验要求选择绝热模式，设定升温程序。启动冷却系统以保护压力传感器。温度达到150℃时，启动超级磁力搅拌器；

(7)观察实验压力、温度变化，记录实验现象直至实验结束；

(8)打开高压釜，取出反应器，对其进行清洗、吹扫；

(9)导出实验数据，分析实验结果，如图4所示。

实验结果分析：由图4温度随时间变化可以看出，在370℃时检测到系统放热，系统进入绝热模式，最后系统升温至397℃。反应池温度出现如此变化的原因是在370℃时发生了加氢反应，有热量放出，因而检测到放热；384℃后开始有轻度热裂解反应，反应吸热同时伴随小分子烃类产生；在397℃时，吸热与放热达到平衡。此后继续升高温度至430℃，没有检测出明显的放热。

【实施例2】

利用本装置模拟偶氮二异丁腈对醋酸乙烯、乙烯、甲醇体系制备EVOH树脂反应安全性的影响。

实验步骤：

(1)按照进料比例和反应池充填系数，加入醋酸乙烯和甲醇；

(2)安装加热器，将反应池放入加热装置中，反应池与保温单元填装保温棉，连接进料管线及将测量反馈反应物温度的热电偶插入反应池内部，测量反馈环境温度的热电偶插入反应池与保温单元之间的保温棉内；整个加热装置和高压釜之间的空隙中填满玻璃棉，盖上釜盖，密封高压釜；

(3)用表测试导线连接状况及绝缘性能，启动VSP系统并对温度、压力测定系统进行校正；

(4)开启真空管线上的电磁阀，启动真空泵，将高压釜内压力抽至-0.09MPa(g)以下后保持十分钟，初步检查系统的气密性；

(5)打开气瓶阀门，保证供气系统能够提供压力大于10MPa的气体，开启压力自动跟踪系统；进料管线接入乙烯瓶，向反应池内打入乙烯至反应初始压力；保持十分钟，进一步检查系统气密性；

(6)启动智能温控系统，根据实验要求选择加热模式，设定升温程序。启动冷却系统以保护压力传感器。

(7)观察实验压力、温度变化，记录实验现象直至实验结束；

(8)打开高压釜，取出反应器，对其进行清洗、吹扫；

(9)导出实验数据，分析实验结果。

1、快速扫描

乙烯初始压力为4.0MPa，室温30℃匀速升温，直至反应失控，反应结果如图5所示。

反应体系在100℃后温度曲线斜率加大，经过一段时间出现明显的失控反应过程，反应体系的最高温度达到164.1℃

2、室温下“加热-等待-搜索”至失控

乙烯初始压力为3.6MPa条件下，室温下“加热-等待-搜索”至失控，反应结果如图6所示。

反应体系在88.0℃检测到放热，放热过程中出现明显的反应失控特征，反应体系的最高温度达到215℃。

利用第一种快速扫描模试，可以迅速得到反应或某种物质的分解放热温度，确定其失控反应大概范围。此种加热模式可以用于快速扫描，筛选样品，确定危险等级。第二种“加热-等待-搜索“可以准确得出体系的失控温度点，此点对于控制反应温度或物质的保存温度具有重要意义。

Claims (6)

1.一种在量热设备中实现多种加热功能的方法，在量热测量装置上进行量热测量，所述装置包括加热单元、保温单元、电力控制器、智能温控器、反应池，所述加热单元、保温单元均包括电阻丝或加热棒，保温电力控制器和加热电力控制器分别与保温单元、加热单元相连；智能温控器包括保温PID和加热PID，与电力控制器协调工作，对反应池内物质提供多种加热模式，既可以设定加热输出功率，实现快速扫描和等温模式，又可以设定升温程序实现绝热模式，使保温单元根据反应池内物质温度进行跟踪，要求误差在1℃内；加热PID与反应池上的加热热电偶相连，保温PID与反应池上的保温热电偶相连，反应池底部设有底盘加热器，底盘加热器高度达到反应池高度的1/5—1/3；在反应池壁和保温单元之间填充保温材料；或者，将加热和保温功能合并，在反应池外部放置一个金属外壳，金属外壳下部提供加热功能，周边提供保温功能，实现对整个反应池的三维包裹，加热功能和温度追踪功能完全由此金属外壳实现；在进行量热测量时，固体和液体反应物通过反应池上的开口加入到反应池内部，然后通过螺栓卡套封死反应池，将反应池放入加热装置中，反应池与保温单元间装填保温材料；测量反馈反应物温度的热电偶插入反应池内部，测量反馈环境温度的热电偶插入反应池与保温单元之间的保温材料内，在智能温控器中根据不同加热模式需求，设置加热程序，同时记录反应池内温度和环境温度变化。

2.根据权利要求1所述在量热设备中实现多种加热功能的方法，其特征在于电力控制器选用电磁继电器和固态继电器。

3.根据权利要求2所述在量热设备中实现多种加热功能的方法，其特征在于电力控制器为可控硅的固态继电器，控制模式选用相位模式、定周期过零调节型、变周期过零调节型。

4.根据权利要求3所述在量热设备中实现多种加热功能的方法，其特征在于控制模式选用相位控制模式。

5.根据权利要求1所述在量热设备中实现多种加热功能的方法，其特征在于智能温控器为外接的或通过通讯模块直接并入量热仪的中央控制系统。

6.根据权利要求1所述在量热设备中实现多种加热功能的方法，其特征在于保温材料为保温棉。