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二氧化氯室內(nèi)消毒系統(tǒng)數(shù)字模型

空氣是人類(lèi)賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，隨著工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，空氣污染也越發(fā)嚴(yán)重，當(dāng)我們生活在受到污染的空氣之中健康就會(huì)受到影響。為了身體健康改善環(huán)境空氣質(zhì)量和控制室內(nèi)空氣污染尤其重要，室內(nèi)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理想的一種，它無(wú)刺激氣味、沒(méi)有致癌性和致畸性，被聯(lián)合國(guó)世界衛(wèi)生組織（World Health Organization 簡(jiǎn)稱(chēng)WHO ） 列為Al 級(jí)消毒劑。當(dāng)氣體二氧化氯的濃度在美國(guó)環(huán)保局（ U.S.Environmental Protection Agency，EPA）規(guī)定的0.1～0.28mg/m3 范圍內(nèi)時(shí)，可以在人員不撤離的情況下進(jìn)行不間斷消毒，尤其適合的大型室內(nèi)公共場(chǎng)所。二氧化氯消毒系統(tǒng)的終目的，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(jì)南市科技局中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（201403044）與山東省教育廳高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)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(gè)目的，從理論上對(duì)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的二氧化氯發(fā)生器建立了物料衡算的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型中的反應(yīng)速度及總傳質(zhì)系數(shù)等參數(shù)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。因此文中首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定反應(yīng)速度方程；然后設(shè)計(jì)安全可靠的二氧化氯消毒系統(tǒng)與設(shè)備，以此為基礎(chǔ)測(cè)定總傳質(zhì)系數(shù)，完善數(shù)學(xué)模型。

采用完善后的數(shù)學(xué)模型，模擬分析氣相二氧化氯濃度與終二氧化氯得率的影響因素，對(duì)該套消毒流程的操作條件進(jìn)行優(yōu)化，確定出控制方案。采用CFD 模擬確定出關(guān)鍵設(shè)備氣體混合器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，并測(cè)定了消毒系統(tǒng)的消毒效果。主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量守恒和氣液傳質(zhì)理論，從理論上建立了常見(jiàn)結(jié)構(gòu)的二氧化氯發(fā)生器的物料衡算數(shù)學(xué)模型。

（2）通過(guò)對(duì)低濃度下亞氯酸鈉與鹽酸反應(yīng)生成二氧化氯的實(shí)驗(yàn)研究，推導(dǎo)得出低濃度反應(yīng)液狀態(tài)下，鹽酸與亞氯酸鈉反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程。分析時(shí)間、溫度、各反應(yīng)物濃度及配比等因素對(duì)亞氯酸鈉轉(zhuǎn)化率的影響。推導(dǎo)的宏觀動(dòng)力學(xué)方程為完善數(shù)學(xué)模型以及后續(xù)消毒系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)計(jì)及操作提供了理論指導(dǎo)。

（3）設(shè)計(jì)安全可靠的二氧化氯消毒系統(tǒng)以及緊湊的二氧化氯發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定與迭代計(jì)算相結(jié)合的方法，推導(dǎo)得出針對(duì)該套系統(tǒng)總傳質(zhì)系數(shù)的表達(dá)式。

（4）根據(jù)推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)方程和測(cè)定的總傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)式，完善二氧化氯發(fā)生器物料衡算數(shù)學(xué)模型。采用完善后的數(shù)學(xué)模型，對(duì)消毒系統(tǒng)操作條件進(jìn)行正交模擬，分析了氣相二氧化氯濃度與終二氧化氯得率的影響因素，對(duì)該套消毒系統(tǒng)的操作條件進(jìn)行優(yōu)化，確定出控制方案。

（5）確定消毒系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一——?dú)怏w混合器的結(jié)構(gòu)與參數(shù)。消毒系統(tǒng)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(gè)重要設(shè)備，論文中采用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）數(shù)值模擬的方法，對(duì)氣體混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，選定多孔式文丘里氣體混合器；并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)?zāi)M，確定出混合器的佳參數(shù)。

（6）對(duì)消毒系統(tǒng)的消毒效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。啟用消毒系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定消毒系統(tǒng)的殺菌效果。實(shí)驗(yàn)中，殺菌30min，室內(nèi)空氣生物性已經(jīng)達(dá)標(biāo)。殺菌240min，殺菌率接近90%。

實(shí)驗(yàn)證明，本文建立的數(shù)學(xué)模型完全可以用來(lái)指導(dǎo)二氧化氯發(fā)生和消毒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與操作。文中設(shè)計(jì)的二氧化氯消毒裝置性能穩(wěn)定、操作方便、成本低、不產(chǎn)生有害殘留，消毒效果良好，能夠滿(mǎn)足室內(nèi)空氣動(dòng)態(tài)消毒的要求。二氧化氯動(dòng)態(tài)消毒作為一種新興的空氣消毒方法，在空氣消毒行業(yè)中具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】二氧化氯發(fā)生器；數(shù)學(xué)模型；動(dòng)力學(xué)方程;CFD模擬

【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)

【作者】：莫正波

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【學(xué)位授予年份】：2018

（時(shí)間：2019-04-17 11:16 來(lái)源：二氧化氯專(zhuān)業(yè)網(wǎng)）