ClO2制备数学模型及其室内消毒系统研究

摘要

空气是人类生存必不可少的物质，但空气中病原微生物可以通过呼吸系统进入人体内，从而导致疾病传播。空气消毒是控制室内空气污染和改善室内空气质量的重要手段之一。 二氧化氯消毒是在目前使用的空气消毒方法中最理想的一种，它无刺激气味、没有致癌性和致畸性，被联合国世界卫生组织（World Health Organization 简称WHO ） 列为Al级消毒剂。当气体二氧化氯的浓度在美国环保局（ U.S.Environmental Protection Agency，EPA）规定的0.1～0.28mg/m3 范围内时，可以在人员不撤离的情况下进行不间断消毒，尤其适合的大型室内公共场所。 二氧化氯消毒系统的最终目的，是制备出高纯度的浓度符合要求的二氧化氯空气混合气体。本文在济南市科技局中小企业技术创新基金项目（201403044）与山东省教育厅高等学校科技计划项目（J15LG05）的支持下，围绕制备纯度与浓度符合要求的二氧化氯与空气混合气体这个目的，从理论上对常见结构的二氧化氯发生器建立了物料衡算的数学模型。数学模型中的反应速度及总传质系数等参数，需要通过实验测定。因此文中首先通过实验测定反应速度方程；然后设计安全可靠的二氧化氯消毒系统与设备，以此为基础测定总传质系数，完善数学模型。采用完善后的数学模型，模拟分析气相二氧化氯浓度与最终二氧化氯得率的影响因素，对该套消毒流程的操作条件进行优化，确定出控制方案。采用CFD 模拟确定出关键设备气体混合器的结构与参数，并测定了消毒系统的消毒效果。主要研究内容如下： （1）根据化学反应过程的质量守恒和气液传质理论，从理论上建立了常见结构的二氧化氯发生器的物料衡算数学模型。 （2）通过对低浓度下亚氯酸钠与盐酸反应生成二氧化氯的实验研究，推导得出低浓度反应液状态下，盐酸与亚氯酸钠反应的动力学方程。分析时间、温度、各反应物浓度及配比等因素对亚氯酸钠转化率的影响。推导的宏观动力学方程为完善数学模型以及后续消毒系统与设备设计及操作提供了理论指导。 （3）设计安全可靠的二氧化氯消毒系统以及紧凑的二氧化氯发生器的结构。以此为基础，采用实验测定与迭代计算相结合的方法，推导得出针对该套系统总传质系数的表达式。 （4）根据推导的动力学方程和测定的总传质系数表达式，完善二氧化氯发生器物料衡算数学模型。采用完善后的数学模型，对消毒系统操作条件进行正交模拟，分析了气相二氧化氯浓度与最终二氧化氯得率的影响因素，对该套消毒系统的操作条件进行优化，确定出控制方案。 （5）确定消毒系统关键设备之一——气体混合器的结构与参数。消毒系统中，二氧化氯与空气混合器是决定气体混合是否均匀的一个重要设备，论文中采用了CFD（计算流体动力学）数值模拟的方法，对气体混合器结构设计进行了优化，选定多孔式文丘里气体混合器；并通过正交实验模拟，确定出混合器的最佳参数。 （6）对消毒系统的消毒效果进行实验测定。启用消毒系统，通过实验测定消毒系统的杀菌效果。实验中，杀菌30min，室内空气生物性已经达标。杀菌240min，杀菌率接近90%。 实验证明，本文建立的数学模型完全可以用来指导二氧化氯发生和消毒系统的设计与操作。文中设计的二氧化氯消毒装置性能稳定、操作方便、成本低、不产生有害残留，消毒效果良好，能够满足室内空气动态消毒的要求。二氧化氯动态消毒作为一种新兴的空气消毒方法，在空气消毒行业中具有广阔的市场应用前景。

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摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景意义和目的

1.2 空气消毒方法与现状

1.2.1 紫外线消毒

1.2.2 臭氧消毒

1.2.3 过氧化物类消毒

1.2.4 醛类消毒

1.2.5 二氧化氯消毒

1.3 二氧化氯的制备方法与消毒设备研究现状

1.3.1 二氧化氯的制备方法

1.3.2 国内外二氧化氯制备研究与二氧化氯消毒设备现状

1.3.3 问题的提出

1.4 课题研究内容

1.4.1 课题研究内容

1.4.2 技术路线

第2章 二氧化氯制备数学模型的建立

2.1 理论基础

2.1.1 物料衡算的理论基础

2.1.2 亨利定律

2.1.3 气液传质理论

2.2 预混合反应器数学模型的建立

2.3 曝气吹脱部分数学模型的建立

2.4小结

第3章 盐酸亚氯酸钠制备二氧化氯动力学实验研究

3.1 实验试剂和仪器

3.1.1 实验试剂

3.1.2 实验仪器

3.2 实验方案和步骤

3.2.1 实验流程装置

3.2.2 实验方案

3.2.3 实验步骤

3.3 实验分析方法

3.3.1 连续碘量法

3.3.2 分析准备工作

3.3.3 试样的分析方法

3.4 实验结果与分析

3.4.1 实验结果

3.4.2 亚氯酸钠转化率的影响因素分析

3.5 二氧化氯制备反应的动力学研究

3.5.1 表观反应级数的确定

3.5.2 反应活化能与指前因子的确定

3.5.3 宏观反应速度方程

3.6小结

第4章 空气消毒系统的设计与数学模型的完善

4.1 二氧化氯发生器的结构设计

4.1.1 二氧化氯发生器容积的计算

4.1.2 预混合反应器容积的确定

4.1.3 曝气盘结构

4.2 二氧化氯消毒系统设计

4.2.1 二氧化氯消毒系统设计

4.2.2 该消毒系统的特点

4.3 二氧化氯发生器数学模型的完善与总传质系数的测定

4.3.1 预混合反应器数学模型的完善

4.3.2 二氧化氯发生器总传质系数的推导

4.3.3 总传质系数的测定与拟合

4.3.4 完善后的数学模型及验证

4.4小结

第5章 二氧化氯发生系统的模拟与操作条件的优化

5.1 基于正交实验的数学模拟

5.2 各操作条件对二氧化氯得率的影响分析

5.3 各操作条件对气相二氧化氯浓度的影响分析

5.4 工艺条件、控制方案与控制设备的选择

5.4.1 工艺条件分析与控制方案的选择

5.4.2 控制框图

5.4.3 控制设备的选型

5.5小结

第6章 气体混合器结构的模拟优化

6.1 混合器设计要求与模拟方法

6.1.1 混合器的设计要求

6.1.2 CFD特点及工作步骤

6.2 混合器结构的CFD模拟优化

6.2.1 混合器混合效果的表征参数

6.2.2 控制方程

6.2.3 建立模型、生成网格与边界条件的设置

6.2.4 混合器结构的比较与选择

6.3 基于正交实验的多孔式气体混合器CFD模拟

6.3.1 正交实验方案的确定

6.3.2 模拟步骤与数据结果

6.4 模拟结果讨论与最优参数的确定

6.4.1 速度场与压力场的变化

6.4.2 二氧化氯浓度场的变化及分析

6.4.3 最优结构与参数模拟

6.5 小结

第7章 室内气体消毒应用实验

7.1 系统装配

7.2 室内气体杀菌消毒应用实验

7.2.1 空气消毒实验试剂和仪器

7.2.2 空气消毒实验方案

7.2.3 空气消毒实验过程

7.2.4 空气消毒实验结果分析

第8章 结论及展望

8.1 本文主要结论

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献