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二氧化氯室内消毒系統數字模型

空氣是人類賴以生存的基礎,随着工業及交通運輸業的不斷發展,空氣污染也越發嚴重,當我們生活在受到污染的空氣之中健康就會受到影響。為了身體健康改善環境空氣質量和控制室内空氣污染尤其重要,室内空氣消毒就是重要手段之一。

二氧化氯消毒是在目前使用的空氣消毒方法中最理想的一種,它無刺激氣味、沒有緻癌性和緻畸性,被聯合國世界衛生組織(World Health Organization 簡稱WHO ) 列為Al 級消毒劑。當氣體二氧化氯的濃度在美國環保局( U.S.Environmental Protection Agency,EPA)規定的0.1~0.28mg/m3 範圍内時,可以在人員不撤離的情況下進行不間斷消毒,尤其适合的大型室内公共場所。二氧化氯消毒系統的最終目的,是制備出高純度的濃度符合要求的二氧化氯空氣混合氣體。本文在濟南市科技局中小企業技術創新基金項目(201403044)與山東省教育廳高等學校科技計劃項目(J15LG05)的支持下,圍繞制備純度與濃度符合要求的二氧化氯與空氣混合氣體這個目的,從理論上對常見結構的二氧化氯發生器建立了物料衡算的數學模型。數學模型中的反應速度及總傳質系數等參數,需要通過實驗測定。因此文中首先通過實驗測定反應速度方程;然後設計安全可靠的二氧化氯消毒系統與設備,以此為基礎測定總傳質系數,完善數學模型。

采用完善後的數學模型,模拟分析氣相二氧化氯濃度與最終二氧化氯得率的影響因素,對該套消毒流程的操作條件進行優化,确定出控制方案。采用CFD 模拟确定出關鍵設備氣體混合器的結構與參數,并測定了消毒系統的消毒效果。主要研究内容如下:

(1)根據化學反應過程的質量守恒和氣液傳質理論,從理論上建立了常見結構的二氧化氯發生器的物料衡算數學模型。

(2)通過對低濃度下亞氯酸鈉與鹽酸反應生成二氧化氯的實驗研究,推導得出低濃度反應液狀态下,鹽酸與亞氯酸鈉反應的動力學方程。分析時間、溫度、各反應物濃度及配比等因素對亞氯酸鈉轉化率的影響。推導的宏觀動力學方程為完善數學模型以及後續消毒系統與設備設計及操作提供了理論指導。

(3)設計安全可靠的二氧化氯消毒系統以及緊湊的二氧化氯發生器的結構。以此為基礎,采用實驗測定與疊代計算相結合的方法,推導得出針對該套系統總傳質系數的表達式。

(4)根據推導的動力學方程和測定的總傳質系數表達式,完善二氧化氯發生器物料衡算數學模型。采用完善後的數學模型,對消毒系統操作條件進行正交模拟,分析了氣相二氧化氯濃度與最終二氧化氯得率的影響因素,對該套消毒系統的操作條件進行優化,确定出控制方案。

(5)确定消毒系統關鍵設備之一——氣體混合器的結構與參數。消毒系統中,二氧化氯與空氣混合器是決定氣體混合是否均勻的一個重要設備,論文中采用CFD(計算流體動力學)數值模拟的方法,對氣體混合器結構設計進行了優化,選定多孔式文丘裡氣體混合器;并通過正交實驗模拟,确定出混合器的最佳參數。

(6)對消毒系統的消毒效果進行實驗測定。啟用消毒系統,通過實驗測定消毒系統的殺菌效果。實驗中,殺菌30min,室内空氣生物性已經達标。殺菌240min,殺菌率接近90%。

實驗證明,本文建立的數學模型完全可以用來指導二氧化氯發生和消毒系統的設計與操作。文中設計的二氧化氯消毒裝置性能穩定、操作方便、成本低、不産生有害殘留,消毒效果良好,能夠滿足室内空氣動态消毒的要求。二氧化氯動态消毒作為一種新興的空氣消毒方法,在空氣消毒行業中具有廣闊的市場應用前景。

【關鍵詞】二氧化氯發生器;數學模型;動力學方程;CFD模拟

【學位授予單位】:青島理工大學

【作者】:莫正波

【學位級别】:博士

【學位授予年份】:2018

(時間:2019-04-17 11:16 來源:二氧化氯專業網)