[发明专利]一种预测工业规模下化学物质热危险性的方法

权利要求书

1.一种预测工业规模下化学物质热危险性的方法，具体步骤如下，其特征在于；

步骤一、建立化学物质热分解的描述性反应动力学模型；

(1)通过DSC动态扫描实验、等温实验或者ARC绝热实验等量热实验，分析物质热分解的热力学特性参数及变化特征，为其反应动力学建模提供数据支撑；

(2)基于化学物质的热分解反应路径，定义反应过程中的组分物性参数以及反应条件，进而与量热实验结果进行拟合，并采用非线性优化方法去求取每一步反应的动力学参数；

(3)根据广义的质量作用定律，建立化学物质热分解的描述性动力学模型，并采用求取的动力学参数，获取物质的反应速率方程：

式中，k_k(T)为速率常数，[A_ik]表示反应物组分浓度，n_ik表示反应级数；

同时，组分j的净生成速率R_j即组分浓度变化率，通过有其参加的K个化学反应的反应速率计算得到：

式中，M_j，k是组分j在第k步反应中的化学计量系数；r_k是第k步的反应速率，生成组分j时为正，消耗组分j时为负；

步骤二、建立化学物质热分解的三维非定常计算流体力学数学模型；

(1)综合考虑化学物质热分解过程中的热传导、对流、传质、气液/气固两相流相关复杂现象，在一般形式的非定常Navier-Stokes方程组基础之上，引入相体积分数，分别对每一相进行描述，并定义相与相之间质量、动量、能量的交换机制，建立多相流动控制方程，其形式如下：

q相的质量守恒方程：

式中，α_q为q相的体积分数，表示q相所占据的空间；ρ_q为q相的密度；为向量微分算子，是q相的速度向量场；代表从p相传递到q相的质量；代表从q相传递到p相的质量；

q相的动量守恒方程：

式中，p为静压；是q相的应力应变张量；为重力体积力；是相间作用力，主要取决于摩擦力、压力、粘性力等，并服从条件和和代表相间速度，若即从p相传质到q相，则有反之则有是q相体积力；是q相升力；是q相壁面润滑力；是q相虚拟质量力；是q相湍流耗散力，其中：

式中，μ_q和λ_q分别为q相的剪切粘度和体积粘度；I为单位张量；K_pq是相间动量交换系数，代表相间交换的平均动量；

q相的能量守恒方程：

式中，h_q是q相的显焓；是q相的热通量；S_q表示源项，如化学反应热或者外部热源；Q_pq代表p相与q相之间的热交换强度，且相间的热交换必须符合以下平衡方程：Q_pq＝-Q_pq和Q_qq＝0；h_pq代表相间转变的焓变，如液滴的蒸发焓；

此外，对于固体内部的传热，能量守恒方程表示如下：

式中，表示由固体运动引起的对流换热；表示固体内部的热传导通量；S_h表示体热源的热通量；

(2)根据化学反应过程，建立多相组分输运方程，预测各组分的质量分数，表达式如下：

式中，Y_j，q是组分j在q相中的质量分数；表示由浓度梯度所引起的组分j在q相中的扩散通量；是从p相的组分i传递到q相的组分j的质量；则代表从q相的组分j传递到p相的组分i的质量；

(3)考虑化学物质热分解过程中湍流效应的影响，建立湍流方程，表达式如下：

式中，k是湍动能；ε是耗散率；u_i是速度分量；μ为分子的动力粘性系数；μ_t是湍流粘度；σ_k和σ_ε分别是湍动能和耗散率的湍流普朗特数，通常情况下，σ_k＝1.0，σ_ε＝1.3；G_k是由平均速度梯度产生的湍动能，表征湍流的水动力学不稳定性；G_b是由浮力引起的湍动能，表征湍流的热力学不稳定性；Y_M代表可压缩湍流中的脉动膨胀对总耗散率的作用；C_1s、C_2s和C_3s是常数，由大量的湍流基本实验可以得到C_1s和C_2s的经验值，分别为1.44和1.92，C_3s＝tanh|w/u|；

(4)建立气体状态方程，表达式如下：

式中，P为气体的绝对压力；R为气体常数，标准状态下R＝8.314J/mol·K；M为气体的分子量；T为温度；

步骤三、通过耦合上述三维非定常计算流体力学数学模型和描述性反应动力学模型，建立一套完整的可压缩多组分化学反应多相流控制方程组，并采用数值分析方法进行求解，从而预测工业规模下化学物质的热危险性；

所述步骤三具体步骤如下；

(1)根据工业规模下反应容器的真实几何形状和实际尺寸，采用三维建模软件建立反应容器的三维几何模型；

(2)对三维几何模型进行网格划分，确定节点位置，从而对计算区域进行空间离散；

(3)查询数据库相关资料，定义不同材料的物性参数，如密度、比热、热导率、粘性系数、反应组分的标准摩尔生成焓；

(4)根据实际工业条件定义边界条件以及初始条件；

(5)采用有限体积法对化学物质热分解过程的可压缩多组分化学反应多相流控制方程组进行求解，计算达到收敛条件后，获取计算区域的数值解；

(6)通过模拟工业规模反应容器内的热分解反应过程，预测其转化率、爆炸诱导期、温度、压力参数，并揭示反应容器内部所发生的传热、传质、化学反应、流动等复杂现象和机理。

2.根据权利要求1所述的一种预测工业规模下化学物质热危险性的方法，其特征在于：所述步骤一中动力学参数包括活化能、指前因子和反应级数。