某型空气净化器的改进设计及其净化材料吸附CO2的分子模拟研究

论文摘要

舰船舱室的大气环境与船员的生活密切相关。对于船舶、舰艇、特别是潜艇,舱室里的一氧化碳、二氧化碳、脂肪烃、芳香烃、卤代烃等有害气体会严重影响船员的工作、生活。空气净化器主要用来去除这些有害气体,使之达到舱室空气的排放要求。对于潜艇上的某些箱装体,它们属于舱室中的密闭环境,这里也会积累一些CO、CO2以及CxHy。这些有害气体也需要使用空气净化器对其进行局部定点清除。这其中,二氧化碳的清除是难点。但是随着潜艇水下潜航时间的加长、振动噪声水平的提高,装在这些地方的空气净化器也必须提高自身的净化处理量和噪声级。为此,空气净化器需要进行改进。二氧化碳总处理量的升高要求选用性能更优的新型吸附材料。本文创造性地将计算化学的分子模拟技术引入到船用设备的研发领域。详细介绍了分子模拟中力场、边界条件、截断半径等基本内容。重点引入蒙特卡洛计算方法,并结合重要性抽样原理对13X-APG分子筛进行了吸附二氧化碳的静态模拟。其中,利用Materials Studio分子模拟软件建立了13X-APG分子筛的模型,验证了分子筛和二氧化碳的力场,并借用此力场模拟了13X-APG分子筛吸附纯二氧化碳的性能,以及二氧化碳在受到空气中氮气、氧气的干扰时,其竞争吸附的性能。模拟说明,13X-APG分子筛确实可以吸附二氧化碳,并且几乎不吸附氮气和氧气。从而,该型分子筛具有净化空气的能力;其次,该净化材料对二氧化碳的吸附性能随着温度的升高会有较大的下降。另外,本文还介绍了用于箱装体空气净化的某型空气净化器的改进设计。根据二氧化碳总处理量的增加,空气净化器进行了扩容50%的相关计算,并且滤器和壳体都做了改进。根据噪声级的提高,本净化器在进风口、出风口又做了相应的优化计算。本文在对空气净化器做出改进的同时,利用分子模拟技术,弥补了净化材料选材中净化参数不齐备的缺陷,并且为厂家提供了合理的选材理论依据,而且还省去了不少消耗人力、物力、财力的试验工作。另外,本文引入的蒙特卡洛重要性抽样方法在解决高维数问题时具有广泛的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图录
• 表录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 清除二氧化碳的国内外研究现状
• 1.3 分子筛简介
• 1.3.1 常用微孔分子筛
• 1.3.2 介孔材料分子筛
• 1.4 某型空气净化器研制
• 1.5 本文的研究内容与方法
• 1.6 本文的研究意义
• 第二章 分子模拟理论
• 2.1 分子模拟的理论背景
• 2.1.1 量子力学
• 2.1.2 蒙特卡洛方法
• 2.1.3 分子动力模拟
• 2.2 分子力场
• 2.2.1 力场函数的内容
• 2.2.2 常见的力场
• 2.3 周期性边界条件
• 2.3.1 力场截距
• 2.3.2 截断半径与开关函数
• 2.4 静电力的计算
• 2.5 本章小结
• 第三章 分子模拟中的蒙特卡洛算法
• 3.1 广义蒙特卡洛算法
• 3.2 分子模拟中的蒙特卡洛算法
• 3.3 重要抽样
• 3.4 METROPOLIS 具体计算步骤
• 3.5 巨正则系综下的重要抽样
• 3.6 本章小结
• 第四章 船用13X-APG 分子筛吸附二氧化碳的分子模拟
• 4.1 MATERIALS STUDIO 简介
• 4.2 13X-APG 分子筛简介
• 4.3 吸附质和吸附剂建模
• 4.3.1 13X-APG 分子筛建模
• 4.3.2 吸附剂分子建模
• 4.4 巨正则系综的蒙特卡洛模拟
• 4.5 计算与讨论
• 4.5.1 验证力场
• 2 的吸附模拟'>4.5.2 空气中CO₂的吸附模拟
• 4.6 本章小结
• 第五章 某型空气净化器的改进设计
• 5.1 某型空气净化器概况
• 5.2 空气净化器的改进要求
• 5.3 空气净化器的改进设计
• 5.3.1 空气净化器扩容
• 5.3.2 空气净化器结构改进
• 5.4 吸附材料的重新选择
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结及工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文