（化学工程专业论文）医疗废物高温蒸汽处理工艺中热质传递理论的研究.pdf

摘要 随着人类对环保意识的增强，医疗废物的危害性引起了世界各国的重视。许 多国家和地区对医疗废物的分类收集、储存、运输和处理处置各个方面、各个环 节都有严格、明确的规定；在技术研究方面，投人大量人力、物力和财力对医疗 废物的处理处置进行深入研究。 高温蒸汽处理工艺以其投资少、运行成本低等诸多优点越来越受到人们的青 睐，而如何确定灭菌时间是其工艺条件的关键所在。灭菌时间包括热死亡时间和 热穿透时间，热死亡时间由微生物本身的特性决定，热穿透时间与该过程中的热 量质量传递有关。因此，对高温蒸汽处理工艺过程的热、质传递现象进行研究， 确定热穿透时间，具有很强的实际应用价值。本文将医疗废物分为致密性废物和 多孔性废物分别进行研究： 致密性物料属于表面杀菌，杀菌过程中主要考虑热量的传递，只要表面温度 达到设定的灭菌温度并保持一定的灭菌时间，就能达到相应的灭菌效果，其热穿 透时间为表面温度到达灭菌温度时所需的时间。本文利用该过程的非稳态、一维 热量传递模型，计算发现致密性物料需要的热穿透时间很短，瞬间即可完成( 1 m m 厚的塑料制品在1 2 0 。c 灭菌温度下所需的热穿透时间为：0 0 5 4 s ) ；同时，分析了 空气的存在对热穿透性的影响，空气残余率越大，热穿透时间越长，所需的灭菌 时间就越长。 与致密性物料不同，多孔物料的灭菌不但表面要达到灭菌温度，微孔内也要 达到灭菌温度后才能保证灭菌效果，其热穿透时间为物料中心处达到灭菌温度所 需的时间。多孔介质的热、质传递过程是一个互相联系、互相耦合的复杂过程， 而且还发生冷凝换热。本文分析得到该过程的非常系数热、质传递模型，利用多 变量寻优的方法估算、推导出湿分扩散系数和热质扩散系数与湿含量和温度之间 的关系式；并计算出1 0 蚴厚的b d 试纸在1 2 0 灭菌温度下所需的热穿透时 间为1 5 0s 左右。因此，与致密性物料相比多孔物料需要的热穿透时间比较长， 在整个灭菌过程中可以以多孔物料所需要的热穿透时间作为依据。 关键词：医疗废物高温蒸汽灭菌灭菌时间热、质传递模型湿分扩散 系数热质扩散系数 a bs t r a c t m e d i c a lw a s t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a s t e sw h i c hc a l ld og r e a th a r mt o t h ee n v i r o n m e n t m a n yc o u n t r i e sh a dt h er i g o r o u so r d a i nt ot h ec l a s s i f i e dc o l l e c t i o n ， d e p o s i t i o n ，t r a n s p o r t a t i o na n dm a n a g e m e n to fm e d i c a lw a s t e s ，a n dp l u n g e dag r e a t d e a lo fm a n p o w e r , m a t e r i a lr e s o u r c e si n t ot h et e c h n i c a lr e s e a r c h r e c e n t l y , m e d i c a lw a s t es t e a mt r e a t m e n tt e c h n i q u ed r a w nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n sf o ri t sl o wi n v e s t m e n ta n dl o wt r e a t m e n tc o s la n dh o wt od e c i d et h e s t e r i l i z i n gt i m ew a st h ek e ys t e po ft h ep r o c e s s t h es t e r i l i z i n gt i m ei n c l u d e st h e r m a l d e a t ht i m ea n dh e a tp e n e t r a t et i m e ，t h et h e r m a ld e a t ht i m ew a sd e t e r m i n e db yt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o b e ，t h eh e a tp e n e t r a t et i m ew a sr e l a t e dt ot h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e r t 1 1 er e s e a r c ho nt h e - h e a ta n dm a s st r a n s f e ro ft h es t e a ms t e r i l i z a t i o nt o d e t e r m i n et h eh e a tp e n e t r a t et i m e ，w a so fi m p o r t a n tp r a c t i c ew o r t h t h em e d i c a lw a s t e sw e r ec l a s s i f i e di n t ot w ok i n do fm a t e r i a l s ，d e n s ea n dp o r o u s m e d i a t h ed e n s em e d i as t e r i l i z a t i o nb e l o n g e dt ot h ee x t e r n a ls t e r i l i z a t i o n ，i nw h i c h o n l yh e a tt r a n s f e rw a sc o n s i d e r e d t h eg o o ds t e r i l i z a t i o ne f f e c tc a nb eo b t a i n e de a s i l y w h e nt h es u r f a c er e a c h e dt h es t e r i l i z a t i o nt e m p e r a t u r e t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lf o r d e n s em e d i aw a su s e dt oc a l c u l a t et h ep e n e t r a t et i m e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh e a t p e n e t r a t et i m ew a sv e r ys h o r tf o rt h i sk i n do fm e d i a ( t h eh e a tp e n e t r a t et i m eo ft h e p l a s t i co flm m t h i c kw a s0 0 5 4 s ，a t12 0 c ) a tt h es a m et i m e ，t h ea f f e c to ft h ea i rw a s a n a l y z e da n d i tw a sf o u n dt h a tt h em o r ea i rr e m a i n e di nt h es y s t e m ，t h el o n g e ro ft h e h e a tp e n e t r m et i m e i no r d e rt oo b t a i ng o o ds t e r i l i z a t i o ne f f e c tf o rp o r o u sm e d i a ，n o to n l yt h es u r f a c e b u ta l s ot h ei n s i d em u s tb er e m a i n e di ns t e r i l i z a t i o nt e m p e r a t u r ef o rs o m et i m e t h e s t e r i l i z a t i o np r o c e s sf o rt h i sk i n do fm a t e r i a l sw a sc o m p l e xi nw h i c ht h eh e a ta n d m a s st r a n s f e rw e r ei n c l u d e d t h ec o n d e n s a t i o no ft h es t e a mi nt h ep o r e so fm e d i a m a d et h ep r o c e s sm o r ec o m p l i c a t e da n dd i f f i c u l tt oa n a l y z e t h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e ri np o r o u sm e d i ai nt h ep r o c e s so fs t e a ms t e r i l i z a t i o nw e r ea n a l y z e di no u r w o r ka n dt h em o i s t u r ed i f f u s i o na n dt h e r m a lm a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t sr e l a t i o n s h i p w i t ht h ec o n t e n to ft h em o i s t u r ea n dt e m p e r a t u r ew a so b t a i n e d t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eh e a tp e n e t r a t et i m eo ft h eb - dp a p e ro f1 0m mt h i c kw a sa b o u t1 5 0sa t1 2 0 。c ， w h i c hw a sm u c hl o n g e rt h a nt h ed e n s em e d i a s k e yw o r d s ：m e d i c a lw 争s t e ，s t e a ms t e r i l i z a t i o n , s t e r i l i z i n gt i m e ，h e a ta n dm a s s t r a n s f e rm o d e l ，m o i s t u r ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t ，t h e r m a lm a s sd i f f u s i o nc o e f f i c i e n t 符号说明 英文字母： a 口。似) a 。( 甜，t ) 口| ：( “，t ) b c c l c g e c p e g h h h 混 h 。 lm 撩 撩 谂 景 j q 弩 p ，q 精 符号说明 常数 为等温条件下湿分扩散系数 非常数的质量扩散系数 非常数的热质扩散系数 常数 将多孔介质视为连续介质的定压比热容 水分的定压比热容 蒸汽的定压比热容 多孔介质骨架的定压比热容 致密物料的定压比热容 活化能 常数 高度 液膜的传热系数 纯水蒸汽时的液膜传热系数。 混合气体时液膜的传热系数。 水蒸汽的冷凝潜热 混合气体的冷凝潜热 外扩散系数 质量通量 普通( 浓度) 扩散通量 压力扩散通量 强制扩散通量 热扩散通量 热通量。 导热能量通量 组分扩散而引起的能量通量 辐射能量通量 m 2 s m 2 s m 2 s k j k g k j ( 蝇。k ) j ( k g k ) j ( 埏k ) j ( 埏一k ) k j ( g m 0 1 ) m w m 2 k w m 2 k w m 2 k j k g j k g k g ( m 2 s ) m o l m 2 s k g ( m k g ( m k g ( m k g ( m s ) s ) s ) s ) j ( m 2 s ) j ( m 2 s ) j ( m 2 s ) j ( m 2 s ) 符号说明 d u f o u r 效应导致的能量通量 将多孔介质视为连续介质的导热系数 致密性物料的导热系数 多孔介质骨架的导热系数 水分的导热系数 蒸汽的导热系数 厚度 计算的湿分蒸发量( 渗透量) 实验测量的湿分蒸发量( 渗透量) n u s s e l t 数 压力 常数 辐射热通量 气体常数 试样面积 温度 水蒸汽的饱和温度 液膜温度 t 时刻致密物料的表面温度 湿分对于多孔骨架的质量分数( 湿含量) 混合气体中水蒸汽的质量分数 环境的湿含量 试样表面处的湿含量 平衡湿含量 体积 摩尔分数 坐标 散度 4 5 j ( m 2 s ) w ( m k ) w ( m k ) w ( m k ) w ( m k ) w ( m k ) m k g k g m p a w m 2 j ( m 0 1 k ) m 2 ( k ) k k k m 3 七k岛l坎帆m p q r s丁乙弓硝甜。矿 石 z 咖 符号说明 希腊字母： 下标： 称为导温系数， 向量 热扩散比 体积空隙率 密度 动力学粘度 表面张力 相变引起的质量变化 梯度 空气 蒸汽 水 f 相 固相 初始状态 m 2 t s 1 k n m k 烈m 3 s ) 恤 唱蛔h 一艿 占 p p 盯 l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： - t 似珲 签字日期： 叩年月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。用意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：1 伯辱 签字同期： d 7 年月彳同 导师签名：2 童 签字同期： d 年f 月2 6 日 第一章文献综述 1 1 医疗废物概述 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 医疗废物【1 捌是指各类医疗卫生机构在医疗、预防、保健、教学、科研以及 其他相关活动中产生的具有直接或间接感染性、毒性以及其他危害性的废物。医 疗废物中可能存在传染性病菌、病毒、化学污染物及放射性等有害物质，具有极 大的危险性，在国外被视为“项级危险”和“致命杀手”，我国的国家危险废 物名录也将其列为头号危险废物。 1 1 1 医疗废物的分类和来源 医疗废物可分为：感染性废物，病理性废物，损伤性废物，药物性废物和化 学性废物【3 1 。 医疗废物主要来自于病人的生活废弃物，医疗诊断、治疗过程中产生的各类 固体废物；来自于医院，卫生防疫、病员疗养，畜禽防治，医疗研究及生物制品 等单位【4 】。来源不同废物的组成也不同，同样的来源单位，不同的产生部门，废 物的组成也不相同。感染性废物主要来自于传染病房、传染医院和实验室：病理 性废物和损伤性废物主要来自于手术室、外科病房和门诊；化学性废物主要来自 于药房和化学品储藏仓库等。 1 1 2 医疗废物的产生量和成分 医疗废物的产生量随国家经济发达水平的不同而不同，发达国家高于发展中 国家。按每张病床每天的产生量统计，世界部分地区医疗废物的产生情况如表 卜1 【4 】。 表1 1 世界不同地区的医疗废物产生量 t a b 1 1g e n e r a t i o no fm e d i c a lw a s t ei nd i f f e r e n tr e g i o n s 第一章文献综述 据调查统计，我国大中城市医院的医疗废物的产生量一般是按住院部产生量 和门诊产生量之和计算，住院部为0 5 1 0k g 床天，门诊部为2 0 - 一3 0 人 次产生1k g ，随着人口和医疗机构的增加、医疗条件的改善，医疗废物的产生 量也在逐年增加。根据天津市的统计结果，从2 0 0 3 年集中处理以来，天津市的 医疗废物产生量每年递增3 一5 。 虽然产生量各地情况有很大悬殊，但医疗废物的基本成分类型大致是相同 的，即主要以纸类、纱布类和塑料为主，下表【5 】是不同国家对医疗废物成分的统 计结果。 表1 - 2 不同地区和国家的医疗废物成分 t a b 1 2c o m p o s i t i o n so fm e d i c a lw a s t ei nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 1 1 3 医疗废物的危害及管理 1 1 3 1 医疗废物的危害 由于医疗废物具有极强的传染性、生物毒性和腐蚀性，若排放管理不严或处 理不当，会被风扬失或被雨水淋湿，造成对水体、大气、土壤的污染及对人体的 直接危害1 渊。 大量医疗废物的堆放或无适当的防渗漏措施的垃圾填埋，有害成分很容易侵 蚀渗入土壤中，杀灭土壤中的微生物，破坏土壤的微生态，使土壤丧失腐解能力； 固体废物可能随天然降水和地表水进入周围地表水体或渗入土壤、或随风落入水 体，造成水体污染，影响水生生物正常生长，破坏水体生态平衡；有些医疗废物 本身含有大量易挥发的有机物，运输过程中如不采用严格的密封措施，产生有害 气体和粉尘的扩散，污染环境；并且，医疗废物直接混入生活垃圾，严重影响环 境卫生状况，导致病菌的繁殖，对居民健康构成潜在威胁，其中含有的感染性废 2 第一章文献综述 物、致畸致突变物质、有毒的危险性化学制品或药物、放射性物品和锐器等都可 能对人体健康造成危害。 因此，无论是从卫生防疫角度，还是从环境保护的角度讲，加强对医疗废弃 物的立法和管理都有极其重要的意义，并已成为当务之急。 1 1 3 2 医疗废物的管理 国际社会在1 9 8 9 年签署了控制危险废物越境转移及其处置的巴塞尔公 约，并且每年召开成员国大会，推动危险废物的管理和处置【l o 】。发达国家在上 世纪七八十年代，普遍建立了较为完善的医疗废物收集、转运、处置和监管体系， 实现医疗废物的安全处置【l l 】。我国于1 9 9 1 年加入该公约，但由于我国对医疗废 物的处置长期重视不够，集中处置设施严重滞后、处置水平低，致使医疗废物流 失严重，对环境安全和人民健康造成很大危害，2 0 0 3 年的“非典 疫情将我国 医疗废物管理中的漏洞充分暴露出来。为了实现医疗废物的安全处置，卫生部迅 速颁布了医疗废物管理条例和医疗卫生机构医疗废物管理办法，对医疗 废物进行了分类及定义，对医疗废物的收集、运输、暂时贮存、清洁和消毒灭菌 做出了严格的规定，并强调了医疗废物的集中处理处置。最近又相继出台了有关 的处理技术标d o j 2 ，成为医疗废物处理项目建设的技术依据。 1 1 4 医疗废物的处理工艺及其发展趋势 1 1 4 1 医疗废物处理工艺 医疗废物处理工艺 4 , 7 , 1 3 】有：焚烧法、化学处理法、高温蒸汽处理法、微波灭 菌法、填埋法以及等离子体技术等。由于填埋法对医疗废物达不到有效、彻底的 处理处置将逐渐被淘汰，而后两种方法尚未形成工业化的装备。 ( 1 ) 焚烧法 8 , 1 4 , 1 5 】 焚烧处理是指将医疗废物置于焚烧炉中，在高温和有氧气的条件下，进行蒸 发干燥、热解、氧化分解和化合化学反应，以此实现分解和降解医疗废物中有害 成分的过程，是应用最广泛、最传统的危险废物处理技术。 焚烧处理技术虽然具有彻底灭菌和减量化大( 减量可达9 0 ) 的优点，并 且能够处理除放射性医疗废物以外的所有种类的医疗废物，但是焚烧方法具有二 次污染的隐患，主要表现在焚烧尾气和灰烬的处理上，如果处理不当，会释放大 量的污染物，包括二嗯英、呋喃、酸性气体( 氧化氢和二氧化硫) 、一氧化碳、 氮氧化物等，这些释放物对操作人员的安全、公众的身体健康和环境都会产生严 重的后果。因此，焚烧产生的烟气污染一直都是焚烧技术中亟待解决的关键问题。 ( 2 ) 高温蒸汽灭菌工艺 7 , 1 3 , 1 6 - 1 9 】 第一章文献综述 高温蒸汽灭菌的基本过程是将医疗废物装载于容器内，然后向容器内部通入 高温蒸汽，利用水蒸气的热量破坏微生物蛋白细胞，使其凝固、变性、肿胀、破 裂，达到杀灭病原微生物的目的。高温蒸汽处理医疗废物的设备基本上分两种类 型，一种是高压锅式灭菌器：另一种是绞龙式灭菌器。与之相适应的灭菌工艺也 相应分为先高温灭菌后破碎的工艺流程和先破碎后高温灭菌的工艺流程。 高温蒸汽处理工艺对医疗废物的气、固、液三态同时进行灭菌处理，能够有 效地防止二次污染；投资小，操作费用低，以每天处理能力为1 0 吨为例，处理 装置的总投资仅为同等处理能力的回转窑焚烧设施的四分之一，运行成本不到回 转窑的5 0 ；操作介质主要为高温蒸汽，所以是一种比较“干净 的处理工艺。 但是，该技术适宜处理感染性强的医疗废物，不宜处理病理性医疗废物和放射性 医疗废物；并且相对于焚烧而言，处理后的废物减量化小，需填埋处理；处理过 程中会产生异味。 ( 3 ) 微波灭菌工型4 ，2 0 】 在电磁光谱中，微波的频率介于无线电波和红外线波之间。利用微波照射含 有水分的医疗废物时，可以自废物内部产生热并释放蒸汽，使其中的病原微生物 处于湿热的环境中而失活，同时微波本身的非热效应也可以破坏微生物的蛋白 质，因此利用微波可以有效地处理医疗废物。利用微波杀菌处理医疗废物的工艺 一般是先破碎再进行微波杀菌，目的是使废物有较大的暴露面积接收微波辐射。 物体在微波作用下吸收其能量迅速转化为热能，使物体升温，并且微波加热 可以穿透物体，使其内部和外部同时均匀升温，因此比一般加热方法节省能耗、 速度快、效率高；废物毁形和体积减少显著( 大于8 0 ) ；该法可完全实现自 动化，易于操作。但处理后废物减量化不大；处理时会有异味产生；该工艺属于 中高档投资，费用相对要大； ( 4 ) 化学处理工艺【4 川 化学处理技术是一种最常用的消毒技术，其工艺过程一般是将破碎后的医疗 废物与化学消毒剂混合均匀，并停留足够的时间，在消毒过程中有机物质被分解、 传染性病菌被杀灭或失活。常用的消毒剂有含氯消毒剂、洗涤消毒剂、甲醛和环 氧乙烷消毒剂等。 化学消毒过程是一种比较成熟的技术，适合处理液体医疗废物和病理方面的 废物，最近也逐步用于那些无法通过加热或润湿进行消毒灭菌的医疗废物的处 理；此外，某些新开发的技术将化学消毒与加热灭菌结合起来，以降低处理时间 并提高处理效果。但也有一些难以克服的弊端：消毒剂本身就是一种化学品，容 易造成二次污染；废物中的原有的化学成分可能与消毒剂反应形成新的污染物： 处理过程中容易产生异味对环境造成污染。 4 第一章文献综述 1 1 4 2 医疗废物处理技术的发展趋势【2 m 3 】 在目前国际上应用较多的医疗废物处理方法中首推高温焚烧处理法，由于其 具有适应范围广、处理后的废物难以辨认、消毒杀菌彻底、减容减量效果显著、 有关标准规范齐全、技术成熟等多方面优点，多年来在国际上得到了广泛应用。 但是，为了减少二嗯英等副产品的产生，需要配置相应的尾气污染控制设备，由 此所涉及的管理和技术过程都要严格和繁杂得多。 随着人类对环保意识的增强和医疗废物的危害性进一步得到重视，医疗废物 的处理过程逐步朝无害化、减量化和集中处置的方向发展，近几年在美国、欧洲 等发达国家，诸如高温蒸汽处理技术、微波处理技术等非焚烧技术也得到了广泛 的应用，并开发了相应的管理设施和处理处置设备。我国国务院批复实施的全 国危险废物和医疗废物处置设施建设规划中也明确指出：“处理能力小于l o 吨天的医疗废物处置设施，也可采用其他处理技术，但必须做到杀菌、灭活、 毁形和无害化，防止二次污染。积极发展和鼓励其他新技术的开发和示范。”根 据这一规定，非焚烧处理技术可以作为中国处理医疗废物的技术选择。因此，医 疗废物非焚烧处理技术越来越引起国内管理人员和科研人员的广泛关注。 1 2 高温蒸汽处理的工艺过程 任何一项处理技术都不是万能的，都有其优点和缺点以及具体的应用范围， 目前国外非焚烧处理技术中以高温蒸汽处理和微波处理居多。随着我国医疗废物 管理措施的实施以及各级环保部门监管力度的加大，我国也相应生产了国产化的 高温蒸汽处理设备，本文主要针对高温蒸汽脉动真空灭菌器的工艺过程进行研 究。 1 2 1 处理工艺流程 本文研究的高温蒸汽处理设备是采用先高温灭菌后粉碎处理的间歇式操作 方式，其优点是先经过灭菌将医疗废物变为无菌废物再进行毁形处理，降低了工 艺对破碎机密封性的要求。基本处理流程如图1 1 ： 第一章文献综述 医疗废物 净化尾气 t l 净化废水 l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 图l 一1 先高温蒸汽灭菌后破碎工艺路线 f i g 1 - 1t h es t e r i l i z a t i o n s h r e dp r o c e s sr o u t ef o rm e d i c a lw a s t e 1 2 2 设备及其处理工艺【2 4 】 脉动真空灭菌器的基本组成单元见图1 2 ： 6 1 残液循环泵2 换热器3 残液灭菌罐4 高效过滤器5 真空泵6 密封门 7 废物车8 保温夹套9 蒸汽喷射口 图卜2 灭菌器基本构成单元示意图 f i g 1 - 2s k e t c ho f s t e r i l i z e re l e m e n t s 第一章文献综述 除了图1 - 2 中的基本构成单元以外，还有完善的自控系统和复杂的管线系统。 各个操作程序完全采用p l c 控制，通过人机对话设置温度、压力、真空度和灭 菌时间等参数，进行各种操作。整个灭菌过程包括三个阶段：脉动真空阶段、灭 菌阶段和干燥阶段。 将医疗废物通过特殊的转运装置置于灭菌舱内，首先，进入脉动真空阶段， 真空泵抽出舱内的空气，达到设定真空度( 一般为0 0 8 m p a ) ，然后充入外接饱 和蒸汽，内室压力骤然升高，达到设定压力( 一般为0 1 3 m p a ) 后再次抽真空， 依此反复三次，这样既降低舱内不凝性气体的含量，排除空气的干扰，保证饱和 蒸汽能够快速渗透至被灭菌物料的内部，又达到预热的目的，使得在预热过程中 产生的冷凝液及时排出舱外，增加后续蒸汽的利用效率；脉动真空结束后，连续 充蒸汽，直至温度升至灭菌温度，进入灭菌阶段，在该温度下维持一定的时间后， 将被处置物料中的所有微生物全部杀死，灭菌完成；然后再次开启真空泵，进入 干燥阶段，在设定真空度下，维持相应的设定时间，干燥过程结束后，舱内物料 达n 7 0 以上的干度，便于后续处理。整个过程产生的冷凝液排至冷凝液灭菌 罐中，达到设定的收集量后，对残液再进行高温灭菌处理，然后排放；抽出的气 体需要经过高效精滤器处理后达到无害化排放。 1 2 3 主要影响因素【2 5 】 高温蒸汽处理工艺的工作原理，就是利用饱和蒸汽释放的潜热能，经专用设 备在特定条件下( 压力、温度、时间等) 杀灭拟灭菌物品中的一切微生物，达到 灭菌的目的。 ( 1 ) 灭菌温度的影响 较高的灭菌温度所用的灭菌时间较短，选择适当的灭菌温度达到既不损伤物 品又能灭菌彻底的目的。通常采用的灭菌温度为：1 2 1 或1 3 4 。 ( 2 ) 灭菌时间的影响 灭菌过程中，可以分为三个阶段：热穿透时间、热死亡时间和安全时间。 热死亡时间：在灭菌温度下，达到一定的杀灭率时所需要的时间，是由微生 物本身的耐热性决定的。通常以杀灭耐热性能最强的微生物一嗜热型脂肪杆菌芽 孢( a t c c 7 9 5 3 ) 所需的时间来计算。 安全时间：为保证灭菌彻底所需的时间，通常为热死亡时间的半值。 灭菌时间的计算，自灭菌器内温度与压力都达到稳定设定值时开始计算，包 括热穿透时间、热死亡时间和安全时间。 ( 3 ) 冷空气排除情况的影响 冷空气排除情况的影响即空气残余量的影响。冷空气在灭菌器内的存留可能 第一章文献综述 产生蒸汽与空气的混合体，降低蒸汽的压力，不利于温度的升高；冷空气的存在 造成蒸汽与物品的阻隔，延长热穿透时间；冷空气减少了灭菌器内的水分，不利 于对微生物的杀灭。 1 3 工艺过程中的传递理论 热死亡时间是由微生物本身的耐热性决定的，生物指示剂一嗜热型脂肪杆菌 芽孢的热死亡时间具有代表性，可以作为医疗废物中所含病原微生物热死亡时间 的计算依据。但是，热穿透时间很难确定，因为影响热穿透时间的因素很多，如 冷空气排除程度、温度、医疗废物物理特性等。本文主要研究空气排除程度和温 度与热穿透时间的关系，研究医疗废物高温蒸汽处理过程中的热、质传递现象， 从理论角度揭示热穿透现象的本质，确定热穿透时间。 医疗废物按物理形态分为致密性废物和多孔性废物，因为二者的热、质传递 现象以及灭菌难度上有很大的差别，因此对它们分别进行研究。 1 3 1 致密性物料的传递理论 致密性废物包括：玻璃、金属、塑料类，病原微生物沾附在这类物品的外表 面，因此属于表面杀菌过程，即只要表面温度达到设定的灭菌温度并保持一定的 灭菌时间，就能达到相应的灭菌效果，其热穿透时间为表面温度到达灭菌温度时 所需的时间；并且，对于致密性物料，对热穿透时间的主要影响是热量传递。从 机理上看，热量传递的形式有三种：热传导、对流传热和辐射传热。 ， 装载于密闭灭菌器内的医疗废物通过辐射获得热量的途径主要是灭菌器壁 对废物的热量辐射，辐射传热能力的大小与物质的辐射、吸热性质及物体间的温 差有关。在灭菌器壁面和片状医疗废物之间，通过辐射传热传递的热量可以采用 下式计算【2 6 1 ： 式中：q m ：内室壁面对医疗废物的辐射热通量( w m 2 ) 。 c + ：黑体的辐射系数5 6 7 w ( m 2 k 4 ) 。 z ：灭菌器壁面温度( k ) 。 瓦：医疗废物的绝对温度( k ) 。 九：医疗废物的黑度。 九，：灭菌器壁面的黑度。 灭菌器壁面材质为抛光的不锈钢，医疗废物中成分比较多的是纸类制品，根 第一章文献综述 据文献2 刀提供的数据丸1 - - 0 9 5 ，九2 0 1 6 。通过计算发现g l - 2 是一个非常小的 数值，所以对于医疗废物灭菌过程中的辐射传热，可以忽略不计。因此，只存在 热传导和对流传热：蒸汽接触到致密物质表面后先冷凝换热，冷凝水形成水膜附 在物质表面并向下流动，水蒸气通过水膜与物料表面进行对流换热；物料表面的 热量再通过热传导向物料中心传递。 1 3 2 多孔性物料的传递理论 1 3 2 1 相关定义 多孔介质【2 8 1 是一个由多相物质占据的空间，在多相物质中至少有一相不是固 体，可以是气相和( 或) 液相。固体相称为固体骨架，不是固相的那部分空间叫 做孔隙。在多孔介质范围内，任何一个有代表性的体积单元中必然有固体相和孔 隙，并且至少有部分构成空隙的孔洞是连通的。 孔隙率【2 9 】：表示多孔介质中孔隙所占份额的相对大小。有三种方法表示：体 积孔隙率，面孔隙率和线孔隙率，本文的表示方法为体积孔隙率。 毛细压力【2 9 】：当两种互不相容的流体接触时，它们各自的内部压力在接触面 上存在着不连续性，两压力之差称为毛细压力。 毛细滞后：由于在固体上的流体界面的前进接触角和后退接触角的不同而 造成的对于同一多孔介质在相同湿含量的情况下，排泄过程和吸渗过程中毛细压 力不相同的现象。 1 3 2 2 传递理论 多孔性废物包括纱布、纸张类，病原微生物不仅沾附在这类物品的外表面， 而且还有可能吸附在其中的微孔内，因为就几何尺度而言，多孔物料的微孔尺寸 远远大于微生物的尺寸。因此，对于多孑l 性物料，不但表面要达到灭菌温度还要 微孔内达到灭菌温度后才能保证灭菌效果，其热穿透时间为物料中心处达到灭菌 温度所需要的时间。此外，多孔物料的杀菌过程是热量和质量同时传递的过程， 因为水蒸汽的分子在向物料传递热量的同时，还以流体的方式向物料内部进行渗 透，因此多孔介质高温蒸汽灭菌过程是热量质量同时传递，而且还发生冷凝换热 的过程。 多孔介质的研究方法分为分子水平、微观水平和宏观水平三类【2 9 1 。其中分子 水平和微观水平在建立传递过程的数学表达式和定量描述上有很大的局限性，只 是在进行机理探讨时作为分析的一个出发点。而宏观水平的研究方法可以使参数 在宏观上具有可测性，因而得到广泛应用。所谓宏观水平研究方法，指将多孔介 质按连续介质对待，它是一种假想的无固定结构的气液固连续介质来代替多相的 9 第一章文献综述 多孔介质，即假设固体和流体均为充满多孔介质的连续介质，它们在空间各点按 时间连续分布，并具有其确定的参数值，而且它们之间还可以发生相互作用。本 文所建立的模型正是基于连续介质的理论。 多孔介质的间隙内充满流体介质( 水、蒸汽、空气等) ，在骨架和流体介质 中能量一般以热传导形式进行传递；质量的传递过程比较复杂，除了表现为流体 由于毛细作用发生渗流以及由于浓度差发生扩散之外，不同相的流体之间还发生 蒸发或冷凝。 1 、水蒸汽及其冷凝水在医疗废物中的质量传递现象属于多相质量传递现象， 此时质量通量可以表示为【3 i 】： j 。= j 鲁+ j 警+ j 翟七j 0 式中： l ：质量通量( k g ( m 2 s ) ) 。 ：普通( 浓度) 扩散通量( k g m 2 s ) 。 j f 掣：压力扩散通量( k g m 2 s ) 。 ：强制扩散通量( k g m 2 s ) o 卵：热扩散通量( k g m 2 s ) 。 在上述的四种扩散中，压力扩散是由于混合物间有压力梯度而发生的质量转 移，一般情况下压力梯度使混合物分离的能力很小，只在有离心力的作用下给予 考虑，对于高温蒸汽灭菌过程，可以忽略压力扩散的影响；强制扩散项主要在离 子系统中表现出来，对于我们研究的系统没有强制扩散项。因此，对于高温蒸汽 灭菌过程中的质量传递来说，只考虑浓度扩散和热扩散的影响。 2 、在以水蒸气、冷凝水和固体医疗废物组成的混合物中，传输的能量通量 可以表示为c 3 l 】： j 。= 1 七 七j 七i ， 式中：歹。：热通量( j ( m 2 s ) ) 。 厶御：导热能量通量( j ( m 2 s ) ) ，j f 。甜= 一k v t 。k 为导热系数 ( w ( m 2 k ) ) 。 丘佃：由于组分扩散而引起的能量通量( j ( m 2 s ) ) ，对于有n 个组分的流 体来说其定义为：五鲫= 万 ，其中一h i 是组分f 的偏摩尔焓，j ，为组分i 的质 i = l 量通量。 丘倒：辐射能量通量( j ( m 2 s ) ) 。与致密性物料相似，辐射能量通量是由 于灭菌室与医疗废物之间存在温差而发生的，通过计算得到辐射能量通量是一个 非常小的数值，可以忽略不计。 五御：d u f o u r 效应导致的能量通量，由于其机理相当复杂，而此项很小， l o 第一章文献综述 故多数情况下不予考虑。 因此，在不考虑辐射传热和d u f o u r 效应时 生一 j l - 一k v t 七h l j t i f f i l 如前所述，热量质量同时传递的过程是一个互相联系、互相耦合的复杂过程。 质量传递对热量传递的贡献表现在，水蒸气分子在运动的同时携带热能而转移， 这种由质量扩散而导致的热效应称为d u f o u r 效应c 3 l 】。热量对质量传递的贡献表 现为由于温差的作用而形成质量的对流扩散，即热扩散效应或者称为s o r e t 效应， 也就是上式中的口，为了描述s o r e t 效应人们引入一个“热扩散比”的概念， 热扩散比即由于s o r e t 效应引起的扩散系数( 热质扩散系数) 与浓度扩散系数( 即 f i c k 定律中的扩散系数) 的比值，即： 万：立 口” 在没有压力扩散的情况下，质量扩散是由浓度差引起的浓度扩散和温度差引 起的热扩散两种作用下的结果，对两种作用进行耦合，得出下式【2 9 】： “ =一口。，f(甜，r)pima，一v “f a ：。f ( 材，z ) 户，一v t 一。一口m ，f 【甜， j “f a 二| 。f 【材，。，户j 多组分热量扩散的耦合作用表现为： j 。= 一k v t + 贰j _ t ，i 式中： ：i 组分相对于多孔介质骨架的质量浓度。 p ，：多孔介质骨架的密度( k g m 3 ) 。 口。：f 组分的质扩散系数( m 2 s ) 。 口| ：，：f 组分的热质扩散系数( m 2 ( s k ) ) k ：导热系数( w ( m k ) ) 。 办? ：f 相的热焓( j k g ) 。 万：热扩散比1 k 。 第一章文献综述 1 4 论文的研究内容 对于医疗废物高温蒸汽处理工艺，虽然出现了相应的设备，但工艺参数如灭 菌温度和灭菌时间的匹配上，未进行过深入的理论研究，国外已出现的设备的具 体操作参数千差万别。因此，对国产化的高温蒸汽处理设备进行工艺过程的研究， 具有很好的理论指导意义。具体内容有： 1 、分析高温蒸汽灭菌过程，建立热、质传递模型 高温蒸汽灭菌处理医疗废物的过程就是热量、质量传递的过程。因此，水蒸 汽及其热量的穿透直接影响灭菌效果的好坏。对该过程的传递现象进行研究，可 以确定它的热穿透时间，为灭菌时间的确定提供依据。本文将医疗废物分为致密 性物料和多孔性物料，分别进行研究并得到传递模型。 2 、 对致密性物料的热传递模型进行求解，计算出致密性物料的热穿透时间， 并考察空气残余量对热穿透时间的影响。 3 、 对多孔物料的热、质传递模型进行求解。 首先，通过实验估算出多孔物料热、质量传递模型中所涉及的参数，然后对 该数模型进行数值计算，得到多孔物料的热穿透时间。 1 2 第二章致密性物料热传递模型的解析 第二章致密性物料热传递模型的解析 2 1 致密性物料热传递模型 对于致密性物料，水蒸气分子并不进入物料的内部，因此在致密性物料的杀 菌过程中只考虑热量传递。假设瞬间灭菌室内温度达到恒定，高温蒸汽在密闭容 器中不再流动，而其中的物料尚未达到温度平衡。此时，热量自环境向物料进行 传递。 致密性医疗废物多为片状，取其中与地面垂直的一片为研究对象。其厚度远 远小于其他两维的尺寸，因此该过程为非稳态的一维热量传递，且在与物料表面 垂直方向上传递过程是对称的。 基本假设： ( 1 ) 忽略辐射传热的影响。 ( 2 ) 片状物料在处理过程中不变形。 ( 3 ) 忽略水蒸气充满灭菌室时消耗的时间。 得到模型如下。 图2 1 模型示意图 f i g 2 1d i a g r a mo ft h em o d e l 模型中的平板为非稳态导热过程，其两平行端面与周围流体介质进行对流传 热，假设其初温为r 0 ，热流沿z 方向进行传递，且传递是对称的，平板本身的热 传递方程c 3 2 】可表示为： a ta 2 t 百。口瓦氆8zz 1 3 ( 2 1 ) 第二章致密性物料热传递模型的解析 式中口= 上，称为导温系数( m 2 s ) ，c 。为平板材质的定压比热容 c p p p 。 ( j k g k ) ，p p 为平板材质的密度( k g m 3 ) ，k ，为平板的导热系数( w ( m k ) ) 。 初始条件：( 1 ) t = 0 ，t = t o 边界条件：( 2 ) z = l ，叱誓= m ( ，) 一瓦 ( 3 ) z ：00 t ：0 ，瑟 边界条件中( f ) 为t 时刻平板表面的温度，此温度随时间而变。h 为平板与 液膜间的对流传热系数( w m 2 k ) 。对上述模型方程( 2 1 ) 及其初始条件和边 界条件进行计算，即可得到温度与热穿透时间之间的关系。 2 2 不存在冷空气影响时热穿透时间的计算 2 2 1 传热系数的确定 对于图2 - 1 所示的模型，蒸汽在高度为h 的平面上做膜状冷凝，壁面和蒸汽 之间的液膜是传热的主要热阻，其他热阻可以忽略不计，在这种假设下，根据文 献【3 3 】提供的公式，该过程的n u s s e l t 数为： n u ：坚：1 1 3 ( 垄咝骂- ，。( 2 - 2 ) k t_ ，u r k r a t 式中：岛为水的密度( k g m 3 ) ，所为水的粘度f p a s ) ，岛为水的导热系数 ( w ( m k ) ) ，办_ i 奎为水蒸汽饱和温度下的冷凝潜热( j k g ) ，g 为9 8 0 6 6 m s 2 ， a t = - r ( t ) ，乙，是水蒸汽的饱和温度，确单位是k 。 液体的物性定性温度，采用膜温乃= 去 乙+ 疋( 纠来计算，壁温是随时间变 化的量，因此定性温度也是未知的。由于p l 、k j 两个物理量的值在本文研究的 温度范围内随温度变化并不大( 比如：1 0 0 时p z = 9 5 8 4k g m 3 ；k t = 0 6 8 3w ( m k ) ，而在1 2 0 时局= 9 4 3 1k g m 3 ，相差1 6 ；k l = 0 6 8 6 w ( m k ) ，相差0 4 ) 【3 4 1 ，为了计算上的方便，将其按平均温度下的值进 行处理。 由于，的值在本温度范围内随温度变化较大( 1 0 04 c 时, u = 2 8 2 1 0 p a s ， 1 2 0 c 时1 ，- - - - 2 4 3 x 1 0 一p a s ，相差1 3