基于模型预测和路径偏移的绝热反应动力学精确测算方法研究
批准号:
62103391
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
许启跃
依托单位:
学科分类:
自动化检测技术与装置
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
许启跃
中文摘要
绝热反应量热是绝热条件下研究反应动力学的热分析方法,在化学反应机理探究和风险评估方面日益成为最通用的自动化检测技术。但经典绝热反应量热系统中绝热程度有限、样品比热容难以测量的问题导致了动力学分析误差,国内外相关研究仍处于探索阶段。 . 本课题针对上述瓶颈问题提出一种不对称双通道绝热反应量热系统设计,拟通过有限元技术进行反应体系非稳态温度场分析,采用模型降维和等效简化方法开展基于模型预测的精确温度跟踪控制研究,抑制绝热侧样品反应热泄漏,使其获得近理想绝热反应过程,实现动力学精确分析前提;同时,利用参考侧反应单元不对称性设计,获得两通道路径偏移的反应过程数据,进而结合反应模型和比热容寻优方法精确测算动力学参数;最后研究系统原位校正和热分析性能评价方法,形成从绝热条件控制与测量、精确动力学分析到仪器技术实现与评价的闭环研究。项目成果将推动绝热热分析仪器与技术的前沿发展。
英文摘要
Adiabatic reaction calorimetry is a thermal analysis method for reaction kinetics under adiabatic conditions. It has increasingly become the most popular automatic detection technology for the chemical reaction mechanism research and thermal risk assessment. However in the classical adiabatic reaction calorimetric system, limitation of the adiabatic degree and change of the sample’s specific heat capacity resulting in the kinetic analysis error. At present, relevant researches are still in the exploratory stage. . Aiming at the above problems, this project puts forward the design of an asymmetric dual channel adiabatic reaction calorimetric system. The unsteady temperature field of the reaction system will be analyzed by finite element simulation technology. The model predictive control for accurate temperature tracking will be studied based on model dimension reduction and equivalent simplification techniques, to suppress reaction heat leakage of the adiabatic side and to obtain the near-ideal adiabatic reaction process, so as to realize the premise of accurate kinetics analysis. Then precise measurement and calculation of the reaction kinetic parameters are to be carried out by using the two-channel.deviated reaction data obtained from the asymmetric design of the reference side reaction unit, combining with the optimizations of reaction model and specific heat capacity. Finally, the in-situ correction and thermal analysis performance evaluation of the system are to be studied to form a closed loop from adiabatic control and measurement, precise kinetics analysis to instrumentation and method evaluation. The results of this project will promote the development of adiabatic thermal analysis instruments and technologies.
绝热反应量热是绝热条件下研究反应动力学的热分析方法,是化学反应机理探究和风险评估方面最通用的自动化检测技术之一。本项目拟解决绝热反应量热系统中绝热程度有限、样品比热容难以测量等问题,进而提高绝热条件反应动力学分析的准确性和可靠性。. 项目针对上述瓶颈问题提出一种不对称双通道绝热反应量热系统设计,研究内容分三方面:系统温控方面,开展反应体系非稳态温度场分析,进行基于模型预测的精确温度跟踪控制研究,抑制绝热侧样品反应热泄漏,使其获得近理想绝热反应过程。热动力学测算方面,研究并实践了三种比热容测量方法,一是参考侧反应单元不对称性设计,获得两通道路径偏移的反应过程,并进行比热容函数寻优;二是基于补偿功率调制进行动态比热容测定;三是基于补偿加热器功率振荡原理的静态测定;研究了热惯量对反应过程的影响,选取 Friedman 微分和Vyazovkin积分等转化率方法对绝热加速量热数据进行动力学分析。最后研究了双通道系统原位校正和基于标准热发生装置的热分析性能评价方法。. 研究成果包括实现了不对称双通道绝热反应量热仪样机,绝热炉体和匀热块能够快速跟踪样品温度,经验证,工作温度范围达到了室温~500℃,温度测量精度为±0.001℃,恒温控制精度为±0.005℃。开发了基于双通道测量数据的热分析动力学计算方法,实现了动态比热容的测量,并对测量精度进行了验证:空样品池比热容测量相对误差2.3%,纯水比热容测量偏差4.3%。基于标准热发生装置和基于标准物质测试进行评价的反应动力学测算精度都达到了预期指标。. 总之,项目通过模型预测温度控制,偏移反应路径测量比热容变化等研究,使绝热量热装置的系统控温性能、热动力学参数测量准确性得到了提高,可以促进绝热反应量热类仪器的创制,实现反应动力学和放热量精确测算,为反应机理研究和物质热危险性评估提供更为有力的手段。
国内基金
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