物料热稳定性分析方法及常见问题答疑
物料热稳定性分析方法及常见问题答疑
《关于加强精细化工反应安全风险评估工作的指导意见》(安监总管三〔2017〕1号）中公布的《精细化工反应安全风险评估导则（试行）》（以下简称导则）给出了精细化工反应安全风险的评估方法、评估流程、评估标准指南。评估方法、流程和标准均基于对工艺本身风险的测试和分析，因此，通过测试设备和数据分析手段精准还原生产过程中的工艺实际风险成为整个评估的关键。
根据导则，评估方法主要有物料热稳定性风险评估、目标反应安全风险发生可能性和导致的严重程度评估、目标反应工艺危险度评估3种。这3种方法主要涉及到目标反应量热，以及反应原料、中间体、反应后料液热稳定性分析。本文将介绍物料热稳定性分析方法，并解答分析过程中的常见问题。
物料热稳定性分析
物料热稳定性风险评估需获取的主要数据包括：物料热分解起始分解温度、分解热和TD24。通常采取筛选与绝热表征结合的方式进行，以达到经济高效的目的。
通常采用差示扫描量热仪DSC、快速筛选量热仪Carius tube、C80等量热工具对所需评估的物料进行热风险初步筛查。此类筛选工具通常所用样品量不多，一般在毫克、克级别。
DSC是一款快捷方便且功能强大的筛选工具，如图1所示为梅特勒DSC系列。
图 1： 梅特勒DSC 3系列
DSC一般采用理想热流(ideal heat flow)原理，即产热完全散失到环境中，如公式1所示。
测试过程中需配备参比样，对于物料热稳定性筛选一般采用动态线性扫描模式。测试过程中炉腔、参比、样品的温度变化曲线如图2。
图 2：DSC动态升温过程中三个温度变化
（Tc为DSC炉腔温度，Tr为参比温度，Ts为样品温度）
众多精细化工企业选用DSC初衷是研究晶型、测比热容等物性数据。那么采用DSC进行热稳定性筛选会遇到哪些问题？
常见问题答疑
Q:
热稳定性筛选测试可选用开口型坩埚（如：铝坩埚）吗？
A:
热稳定性筛选应选用耐压密闭坩埚。因为物料高温分解会产生小分子，造成体系气相压力显著上升，因而必须选用密闭耐高压坩埚。这类坩埚有以下优点：
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避免由于挥发物挥发或形成气体而导致吸热效应，这类假象可能掩盖同温度段的放热行为，从而导致错误判断（图 3）；
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避免物料测试过程中损失，以保证完整辨识物料热行为（测试温度区间内）；
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避免因压力效应导致坩埚破裂飞溅，造成设备损坏和人员受伤。
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图 3： 同一样品选用开口铝坩埚和闭口高压坩埚DSC测试图谱
Q:
DSC测试可选择哪些材质密闭坩埚？
A:
DSC一般采用体积为25ul或40ul坩埚，装样量在1-10mg范围内。如过氧化物、芳香烃类易受金属催化作用，在此类坩埚中，如存在催化效应，则催化效应会被放大，因为坩埚内物料接触面积比工业级别搅拌釜大2-3个数量级，如图 4所示。因此选择坩埚时，需对所测物料进行兼容性评估。
图 4：同一样品采用不同材质密闭坩埚DSC测试谱图
Q:
DSC样品准备需注意哪些问题？
A:
DSC作为一种快筛工具被广泛用于热稳定性分析中，但有时会发现样品测试重现性不好。此时应考虑两个问题：样品有无代表性？测试环境是否一致？
由于DSC坩埚体积较小，装样量在10mg以内，这可能导致无法准备具有代表性的样品，尤其针对非均相、多组分混合物，如悬浊液。此时采取以下几种方法会有所帮助：
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使用超声分散，然后快速取样至坩埚内
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将不同相态分开，然后依据相应质量比进行取样至坩埚内混合
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对反应中已分离相态进行分析
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有时需分析物料对水分或氧气敏感程度，如图 5所示。应考虑实际生产气氛和可能导致保护气氛失效可能性，如精馏体系破真空的可能性，此时应结合工艺危害分析进行评估，因此样品制备环境需考虑。
图 5:密闭坩埚内不同气氛（空气、氩气）对物料热稳定性影响（DSC谱图）
Q:
DSC测试谱图显示物料分解放热量很低或基本无放热，此时是否需要考虑物料热失控分解风险？
A:
DSC仅能获取物料分解的能量数据，不能获取压力信息，因此DSC测试显示的微放热或无放热体系，应进一步采用其他类型快筛量热工具进行识别，如Carius tube（图 6）、C80等。
图 6: DEKRA UK生产的Carius tube设备
通过DSC、Carius tube或C80等热稳定性筛选方式得到的物料起始分解温度Tonset或扣除安全余量的TD24是否能直接用于定义使用物料的最大安全操作温度呢？回答这个问题前，应思考这么一个问题：不同量热设备得到的Tonset一样吗？为什么不一样？
物料起始分解放热温度Tonset与量热设备检测灵敏度有关（如表 1所示），它是扣除噪音后偏离检出基线的起始温度。因Tonset不同，可能导致到达最大温升速率所对应的时间TMR不同。因此，采用哪个Tonset去定义TMR则显得尤为关键。
表 1： 不同量热设备典型温度检测范围和检测灵敏度
导则明确指出，失控反应体系的最坏情形为绝热条件，典型的精细化工生产（间歇、半间歇模式）状态为准绝热，因此TMRad获取尤为重要。一般TMRad可由绝热量热测试直接得到，或采取合适的动力学模型进行计算得到。
绝热量热仪原理主要为避免热损失到环境中，产生的热量完全用于加热反应体系，热平衡如公式2所示。
一般采用以下两种方式保证qex 为零：
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被动式绝热，采用热绝缘材料，如绝热杜瓦瓶Dewar flask
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主动式绝热，采用温度补偿，保证无温度梯度差，如绝热加速度量热仪ARC
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DEKRA UK 生产绝热杜瓦设备
THT 商业化绝热加速度量热仪
Q:
ARC样品池类型如何选择？
A:
为适应不同的测试物料，绝热量热设备设计多种材质样品池，如316不锈钢、钛合金、哈氏合金、玻璃等材质。在选择样品池时需满足以下要求：
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所测物料与样品池材质兼容：对多组分混合物，应核实各组分与样品池材质兼容性，如羟胺与金属之间催化作用，如图 9。可通过文献查阅或试验，建立常见物料兼容性表。
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图 9： 羟胺盐酸盐在ARC哈氏合金测试池放热曲线
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能耐测试温度范围内物料最大压力：不同材质样品池在高温段，其屈服拉伸强度会有明显变化，如图 10所示，高温段钛合金明显变脆，则对于产气多或压力高的物料体系，应选择哈氏合金、316不锈钢等材质的样品池。
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图 10：不同材质ARC测试池屈服强度与温度变化曲线
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测试体系phi值尽可能低：因不同样品池自身质量不同，在符合以上两个要求后，应尽可能选用质量小的样品池。
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Q:
ARC曲线上如何获取TD24？
A:
现有ARC设备均配备动力学处理软件，可从测试谱图上获得TMRad与1/T关系，然后进行零级动力学模拟，以获得TD24和不同温度对应的TMRad。值得注意的是，零级动力学模拟时忽略了物料浓度消耗的影响，仅考虑温度指数性作用，为较保守评估方式。
但ARC测试曲线上会经常出现目标反应后料液未反应完物料继续反应放热，如此时用此段放热进行反应后料液TD24模拟，则可能导致工艺危险度等级过高，甚至到4、5级；此时需核实以下几点：
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测试物料是否为实际生产后料液，或RC1反应后料液（与实际生产组分一致）
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目标反应冷却失效/其他失效情况下，反应体系所能达到的最大合成温度MTSR与二次分解放热起始温度Tonset对比
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