不同种类添加剂对硝酸铵热分解动力学及热危险性的影响研究

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硝酸铵作为一种重要的化工产品在工业与农业领域得到了广泛和重要的应用,然而,由于其本身具有受热分解的性质,不当的储运或使用过程中可能发生热分解甚至爆炸,特别是当硝酸铵中含有不同添加剂或杂质时,其危险性往往会发生本质变化,历史上国内外也因此发生过大量的灾难性事故,造成了特别重大的人员伤亡和财产损失,以及巨大的社会影响。本文针对硝酸铵在实际生产、储存和使用过程中存在的现实安全问题,系统研究不同添加剂(或杂质)对硝酸铵的热分解动力学以及热危险性的影响机制,并对其热安全性进行预测。论文首先通过高精度非等温线性加热热重实验对硝酸铵热分解动力学进行参数分析求解,选用等转化率法与模型依赖方法结合的复合算法得到了精确的反应活化能。而后进行阿伦尼乌斯参数的精确求解、参数模拟验证、动力学补偿效应求解及精确重构热分解反应动力学模型等工作,确定了与实验数据匹配效果良好的动力学三联体,并确定四种升温速率下硝酸铵热分解的最佳动力学机理模型的表达式为f(α)=α-0.0259(1-α)0.0617,此模型与实验数据的匹配性较经验模型有了大幅提高。同时借此提出了一种基于非等温线性加热实验的精确求解物质热分解动力学三联体的方法。其次,考虑硝酸铵在工业和农业使用过程的现实情况,实验研究了卤化钠、磷酸铵盐及尿素等添加剂对硝酸铵热分解动力学影响的规律,得到了含有不同添加剂种类和含量硝酸铵的热分解活化能、指前因子及反应机理函数模型。综合所得结果,发现磷酸铵盐和尿素显著增加了硝酸铵热分解反应的活化能,同时添加剂的加入使硝酸铵的热分解动力学机制向不同的主导反应模式转变。在此过程中,根据多组分反应体系的实际情况,验证并优化了前文提出的物质热分解动力学参数的求解方法。第三,借助C80微量量热实验、ARC绝热实验及逸出气体分析手段,系统研究了不同添加剂对硝酸铵热分解过程中的能量释放与逸出气体产物的影响特性,分析了各种添加剂对硝酸铵热分解化学反应能量、产物类型以及热分解反应危险性的影响规律,并提出了添加剂的作用机制。研究结果表明,所有样品的热分解特征产物均为一氧化二氮,同时以尿素为代表的添加剂能延迟硝酸铵的热分解主导反应的进行、减少反应释放的热量并降低绝热环境下压力的总体上升速率,有利于其热安全性能提升。进一步研究表明,起主要抑制热分解作用的物质是添加剂本身参与化学反应过程中释放的氨气。最后,根据所得到的基础性动力学与热力学参数,结合硝酸铵的实际应用情况,在传统单一指标评价的基础上,结合了环境温度及堆垛尺度等实际条件对添加剂作用下硝酸铵的热危险性进行了较为全面地评估,模拟预测了不同环境温度及堆放尺度下硝酸铵体系的热安全性。相关结果表明,单一的基础性动力学或者热力学指标及对它们进行简单地复合并不一定能准确评估物质的热危险性,对硝酸铵而言,随着环境温度的升高或者堆垛尺寸的变大,其热危险性急剧上升,因此在实际的储运及使用中要避免大量集中堆放以及注意及时通风散热。
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