[发明专利]一种预测工业规模下化学物质热危险性的方法

说明书

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，步骤一、建立化学物质热分解的描述性反应动力学模型；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；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。本发明提供一种预测工业规模下化学物质热危险性的方法。计算流体力学是以一组描述质量、动量、能量和组分守恒过程的数学近似方程为基础。描述性反应动力学基于反应路径和广义质量作用定律，以浓度为状态变量，准确地表达了反应速率方程。

技术领域

本发明属于化工安全领域，特别涉及一种预测工业规模下化学物质热危险性的方法，具体地说是一种计算流体力学耦合描述性反应动力学评估工业规模下化学物质热危险性的方法。

背景技术

在化学工业安全评估过程中，除了毒性、火灾、爆炸性等问题之外，化学物质的热危险性也是化工安全的主要问题之一。对热危险性的认知不足通常会导致热失控，甚至热爆炸事故。“热危险性”被定义为某种化学物质或混合物的反应特性以及可能使其产生热量并造成危害的物理条件(如化学反应器类型、物质包装方式、储罐尺寸等)。换言之，危害的产生不是因为物质/混合物的固有特性，而是由于它们的反应特性和物理条件的组合。因此，在物质的热危险性评估过程中，研究人员不仅需要研究物质/混合物的反应特性，也必须要同时考虑其所处的物理条件。

在物质的热危险性评估过程中，通常需要评估其热分解反应特性、放热量、反应动力学、储运过程中的安全参数以及事故条件(火灾、意外受热等)下的稳定性等。为此，可采用差示扫描量热法(DSC)或绝热速率量热法(ARC)等热分析技术来获得热危险性评估所需的热力学数据(热分解放热量、起始分解温度等)。然而，这些实验结果往往不能直接应用于实际工业过程中，这是由于实验室小规模下的样品质量、反应容器尺寸、容器内部传热与传质、热累积等条件与实际工业规模大吨位的生产、储存、运输过程中相差甚远。从实验室规模按比例放大到工业规模时，反应容器的比冷却能力大约相差2个数量级。另一方面，工业规模的实验危险性较大，实验成本较高，耗时长久且实施难度较大。因此，最佳的解决方案是通过实验室小规模的实验结果，采用合适的放大方法，进而去预测工业规模下的反应进程以及热危险性。必须强调的是，“工业放大”问题一直以来都是化学工程中的主要难点之一。研究如何正确解决“工业放大”问题，提高预测工业规模下物质热危险性的准确性，获得更加可靠的结果，具有非常重要的实际意义。

一直以来，研究人员都在致力于解决该问题。前人在这些工业放大预测的研究过程中，主要是通过经验公式计算、理论模型推导或者基于动力学模型去模拟化学物质在工业规模反应器内的热失控或者热爆炸历程，进而预测自加分解温度(SADT)、绝热条件下达到最大反应速率时间(TMR_ad)、爆炸诱导期、热爆炸临界温度等安全参数。然而，在前人的研究过程中，通常需要设定很多的限制条件，如假定系统内部(样品、反应器等)参数均布，不存在温度、压力等参数的梯度分布；忽略化学物质反应过程中的两相流对反应的影响；将复杂的反应容器模型过度简化为形状规则的圆柱或者球体；采用一维或者二维计算替代三维实际结果等等。因此，通过这些简化方法预测的结果可能和实际情况存在较大的偏差，尤其是对于反应容器或者反应条件比较复杂的情况。

发明内容

为了克服以上缺陷。本发明提供一种计算流体力学耦合描述性反应动力学去预测工业规模下化学物质热危险性的方法。计算流体力学是以一组描述质量、动量、能量和组分守恒过程的数学近似方程为基础。描述性反应动力学基于反应路径和广义质量作用定律，以浓度为状态变量，准确地表达了反应速率方程。为达此目的：

本发明提供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；

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；