目前烘干工藝為：將濕品裝在布袋中,，放到塑料托盤(pán)（61.5cm×41.5cm×3.5cm）上,，放入烘箱中進(jìn)行真空烘干（40~50℃，絕對(duì)壓力0.05~0.1 bar）,，中間需要破真空進(jìn)行翻料操作,。濕品的堆積密度約為0.7g/mL。

模擬以上烘干條件,，在熱模擬軟件中輸入以下參數(shù)：

樣品物理模型：平板形,，厚度3.5cm，沿厚度方向存在向上,、向下的對(duì)稱一維熱流,。忽略水平向熱流。

物料初始溫度：與環(huán)境溫度等同,。

熱物性參數(shù)：

界面散熱系數(shù)：未知,，但在真空條件（無(wú)空氣對(duì)流傳熱）、低導(dǎo)熱的布袋包裝下,，粉末樣品邊界與周圍環(huán)境的熱交換功率應(yīng)較低,。取軟件默認(rèn)值 10-8 W/(m2*K)

忽略輻射散熱因素（表面相對(duì)發(fā)射率取0）。

輸入濕品的動(dòng)力學(xué)模型與參數(shù),，在軟件中進(jìn)行模擬,，得到了不同溫度下的物料溫度-位置-時(shí)間3D圖。以下為40℃和50℃的模擬結(jié)果：

圖中可見(jiàn)在40℃環(huán)境溫度條件下,，約20小時(shí)之后物料發(fā)生熱失控溫升,。在50℃下則6小時(shí)之后即發(fā)生熱失控溫升。由于樣品較薄,，沿厚度方向溫度接近同步上升,，沒(méi)有明顯溫差。圖中所示僅為第一階段熱失控過(guò)程,，但第二階段熱失控很快被誘發(fā)（圖中粉紅色區(qū)域）,，溫度將上升至350℃以上。

此預(yù)測(cè)驗(yàn)證了客戶關(guān)于烘干燒焦問(wèn)題的猜想,。因此客戶后續(xù)對(duì)烘干工藝進(jìn)行了如下改良：

先在室溫下（<30℃）真空烘干8小時(shí),，至物料水分含量低于5%，隨后再行加熱（使用45℃循環(huán)熱水作為控溫介質(zhì)）,，總時(shí)間仍然控制在24小時(shí)以內(nèi),。這樣既不影響整體工藝效率,，又提高了安全性,。同時(shí)還增加了額外的安全措施,，例如當(dāng)干燥箱內(nèi)溫度超過(guò)50℃時(shí)緊急啟動(dòng)循環(huán)冷卻（-5℃鹽水），以及防超壓爆炸的緊急泄放系統(tǒng)等,。此外對(duì)ABTA化學(xué)合成與轉(zhuǎn)輸工序的環(huán)境溫度條件與停留時(shí)間控制,，也提出了相關(guān)要求。

ABTA干品的DSC分解測(cè)試圖譜,，及動(dòng)力學(xué)擬合分析結(jié)果如下：

擬合相關(guān)系數(shù)為99.5%,。

為了與濕品對(duì)比，在動(dòng)力學(xué)軟件中進(jìn)行烘干溫度條件下的24小時(shí)絕熱預(yù)測(cè),，所得結(jié)果如下：

發(fā)現(xiàn)該物料干品在40-50℃的溫度下維持24小時(shí)是安全的,，50℃下24小時(shí)轉(zhuǎn)化率僅為8.2*10-10，可以忽略不計(jì),。由于熱模擬（存在一定熱散失）條件下的溫升風(fēng)險(xiǎn)還要低于理想絕熱條件,，因此不再進(jìn)一步用熱模擬軟件進(jìn)行該項(xiàng)安全性預(yù)測(cè)。

下面按照客戶給出的5,、25,、40℃三個(gè)存儲(chǔ)溫度條件，對(duì)干品為期一年的存儲(chǔ)安定性進(jìn)行評(píng)估,。此處也首先在熱動(dòng)力學(xué)軟件中進(jìn)行了理想絕熱條件下的粗略估算,，所得結(jié)果顯示即使在40℃溫度下，1年時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率仍然不超過(guò)2*10-12量級(jí),，絕熱溫升可以忽略不計(jì),。

盡管如此，我們?nèi)匀桓鶕?jù)客戶提供的存儲(chǔ)條件,，在熱模擬軟件中進(jìn)行了更貼近實(shí)際的模擬預(yù)測(cè),。

相關(guān)參數(shù)如下：

樣品物理模型：圓柱形，直徑44 cm,，沿半徑方向存在二維熱流,。忽略高度方向熱流。

物料初始溫度：與環(huán)境溫度等同,。

熱物性參數(shù)：

界面散熱系數(shù)：未知,，但在薄膜袋+空氣層+紙板桶的多層低導(dǎo)熱包裝結(jié)構(gòu)下，粉末樣品邊界與周圍環(huán)境的熱交換功率應(yīng)較低,。取軟件默認(rèn)值 10-8 W/(m2*K)

忽略輻射散熱因素（表面相對(duì)發(fā)射率取0）,。

輸入干品的動(dòng)力學(xué)模型與參數(shù)。

預(yù)測(cè)得到在5℃,、25℃,、40℃三個(gè)存儲(chǔ)溫度下的熱模擬溫度曲線與轉(zhuǎn)化率曲線均顯示一條平線（對(duì)應(yīng)的3D圖則為無(wú)起伏的平面）,，沒(méi)有任何可關(guān)注的反應(yīng)情況：

最后在動(dòng)力學(xué)軟件中，進(jìn)行了自然環(huán)境溫度下的一年存儲(chǔ)期安全預(yù)測(cè),。該化工企業(yè)所處地理位置與上海相近,，因此在軟件中選取了上海在2016-2018年的平均氣溫波動(dòng)情況作為預(yù)測(cè)基礎(chǔ)。結(jié)果如下：

圖中毛糙的曲線代表環(huán)境氣溫在一年中的日波動(dòng)與季節(jié)性變化,，光滑S形曲線為物料的分解轉(zhuǎn)化率,。雖然對(duì)于桶中實(shí)際尺度的堆積物料，內(nèi)部溫度對(duì)于環(huán)境溫度的響應(yīng)會(huì)有一定的滯后,，但由傳熱學(xué)計(jì)算可知該滯后不超過(guò)數(shù)小時(shí),，波幅衰減也并不大。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的低速率反應(yīng),，則由于放熱功率極低,，有充足的時(shí)間供物料體系與環(huán)境之間進(jìn)行熱量交換，因此環(huán)境溫度變化近似可代表樣品內(nèi)部的溫度變化規(guī)律,。

圖中顯示在低氣溫的冬季,，物料分解較少，隨著由春至夏氣溫的升高,，物料的分解速率也有所提高,，曲線出現(xiàn)了上揚(yáng)，到秋冬季后則再次趨于走平,。但整個(gè)一年下來(lái),，物料的分解轉(zhuǎn)化率也僅為2.6×10-9。這證明了ABTA干品有著良好的長(zhǎng)時(shí)存儲(chǔ)安定性,，由于塑料膜與紙筒包裝隔絕了濕度影響,，因此在自然環(huán)境溫度下儲(chǔ)存即可，無(wú)需空調(diào)等額外的控溫制冷設(shè)備,。

在差示掃描量熱法DSC的測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,，使用動(dòng)力學(xué)與熱模擬分析手段，可以對(duì)化學(xué)品在合成,、烘干等工藝環(huán)節(jié)的熱失控風(fēng)險(xiǎn),、及產(chǎn)品的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)穩(wěn)定性進(jìn)行研究與預(yù)測(cè)。這為化工領(lǐng)域的相關(guān)研究提供了有益的技術(shù)手段,。

作者

徐梁

耐馳儀器公司應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室