醫(yī)藥純化水技術(shù) |
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一、 配管的坡度 配管設(shè)計(jì)中應(yīng)為管道的敷設(shè)考慮適當(dāng)?shù)钠露�，以利于管道的排水。即管道在安裝時(shí)必須考慮使所有管內(nèi)的水都能排凈。這個(gè)要求應(yīng)作為設(shè)計(jì)參數(shù)確定在系統(tǒng)中。制藥用水系統(tǒng)管道的排水坡度一般取1%或1cm/m。這個(gè)要求對(duì)純化水和注射用水系統(tǒng)管道均適用。配管系統(tǒng)中如有積水，還必須設(shè)置積水排泄點(diǎn)和閥門。但應(yīng)注意，排水點(diǎn)數(shù)量必須盡量少。 二、配水管道參數(shù)的計(jì)算 制藥工藝過程用水的量是根據(jù)工藝過程、產(chǎn)品的性質(zhì)、制藥設(shè)備的性能和藥廠所處地區(qū)的水資源情況等多種條件確定的。通過分析對(duì)每一個(gè)用水點(diǎn)注射用水的使用情況來確定。 通常，工藝用水量的計(jì)算按照兩種主要的用水情況進(jìn)行。一種是根據(jù)單位時(shí)間工藝生產(chǎn)流程中某種耗水量***大的設(shè)備為基礎(chǔ)考慮，即考慮工藝生產(chǎn)中***大（或峰值）用水量及***大（或峰值）用水時(shí)間；另一種是按照消耗在單位產(chǎn)品上的平均用水量（這個(gè)水量包括輔助用水）來計(jì)算。無論采用哪一種算法，應(yīng)盡量考慮生產(chǎn)工藝用水的需求，應(yīng)在藥品制造的整個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)比較均勻，并具有規(guī)律性；同時(shí)應(yīng)盡量考慮為適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展，水系統(tǒng)未來可能的規(guī)模擴(kuò)展。。。 為滿足工藝過程的各種需要，制藥工藝過程的設(shè)計(jì)用水量是根據(jù)具體的藥品品種在生產(chǎn)工藝過程中的直接用水量和輔助過程間接用水量之和決定的。即在考慮生產(chǎn)的具體品種和生產(chǎn)安排諸方面因素后，根據(jù)上述工藝分配輸送管道的設(shè)計(jì)形式和要求原則來具體確定。而其計(jì)算用水量則由一天中生產(chǎn)過程的高峰用量與平均用量綜合確定。不同藥品生產(chǎn)過程，其用水量的情況相差很懸殊。 2.1生產(chǎn)工藝用水點(diǎn)情況和用水量標(biāo)準(zhǔn) 工藝用水系統(tǒng)中的用水量與采用的工藝用水設(shè)備的完善程度、藥品生產(chǎn)的工藝方法、生產(chǎn)地水資源的情況等因素有關(guān)。通常，工藝用水的變化比較大。一般來說，工藝用水點(diǎn)越多，用水工藝設(shè)備越完善，每天中用水的不均勻性就越小。 制藥用水的情況因各個(gè)工藝用水點(diǎn)的使用條件不同，差異很大。如前所述，工藝用水系統(tǒng)分單個(gè)與多個(gè)用水點(diǎn)、僅為高溫用水點(diǎn)或僅為低溫用水點(diǎn)、既有高溫用水點(diǎn)又有低溫用水點(diǎn)、不同水溫的用水點(diǎn)中，既有同時(shí)使用各種水溫的情況，又有分時(shí)使用不同水溫的情況，等等。因此，用水點(diǎn)的用水情況很難簡(jiǎn)單地確定。必須在設(shè)計(jì)計(jì)算以前確定制藥用水系統(tǒng)的貯存、分配輸送方式，以確定出在此基礎(chǔ)上的***大瞬時(shí)用水量。然后，再根據(jù)工藝過程中的***大瞬時(shí)用水量進(jìn)行計(jì)算。 工藝過程中***大用水量的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)藥品生產(chǎn)的全年產(chǎn)量，按照具體每一天分時(shí)用水量的統(tǒng)計(jì)情況來確定，確定用水量的過程中應(yīng)考慮所設(shè)置的工藝用水貯罐的調(diào)節(jié)能力。 2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量的確定 設(shè)計(jì)工藝用水管道，需要通過水力計(jì)算確定管道的直徑和水的阻力損失。其主要的設(shè)計(jì)依據(jù)就是工藝管道所通過的設(shè)計(jì)秒流量數(shù)值。設(shè)計(jì)秒流量值的確定需要考慮工藝用水量的實(shí)際情況、用水量的變化以及影響的因素等。 通常，按照全部用水點(diǎn)同時(shí)使用確定流量。按照生產(chǎn)線內(nèi)用水設(shè)備的完善程度，設(shè)計(jì)的秒流量為： q=Σn q max c 式中q——工藝因素的設(shè)計(jì)秒流量，m3/s； n——用水點(diǎn)與用水設(shè)備的數(shù)據(jù)； q max——用水點(diǎn)的***大出水量，m3/h； c——用水點(diǎn)同時(shí)使用系數(shù)，通常可選取0.5-0.8。 2.3管道內(nèi)部的設(shè)計(jì)流速 制藥用水是流體的一種類型，它具有流體的普遍***性。流體在管道中流動(dòng)時(shí)，每單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)任一截面的體積稱為體積流量。而管道內(nèi)部流體的速度是指流體每單位時(shí)間內(nèi)所流經(jīng)的距離。制藥用水管道內(nèi)部的輸送速度與系統(tǒng)中水的流體動(dòng)力***性有密切的關(guān)系。因此，針對(duì)制藥用水的***殊性，利用水的流體動(dòng)力***性，恰當(dāng)?shù)剡x取分配輸送管道內(nèi)水流速度，對(duì)于工藝用水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 制藥用水系統(tǒng)管道內(nèi)的水力計(jì)算與普通給水管道內(nèi)水力計(jì)算的主要區(qū)別在于：制藥用水系統(tǒng)的水力計(jì)算應(yīng)仔細(xì)地考慮微生物控制對(duì)水系統(tǒng)中的流體動(dòng)力***性的***殊要求。具體就是在制藥用水系統(tǒng)中越來越多地采用各種消毒、滅菌設(shè)施；并且將傳統(tǒng)的單向直流給水系統(tǒng)改變?yōu)榇?lián)循環(huán)方式。 這些區(qū)別給制藥用水系統(tǒng)流體動(dòng)力條件的設(shè)計(jì)與安裝帶來了一系列意義深刻的變化：例如，為控制管道系統(tǒng)內(nèi)微生物的滋留，減少微生物膜生長(zhǎng)的可能性等。 為此，美國(guó)藥典對(duì)制藥用水系統(tǒng)中的水流狀態(tài)提出了明確的要求，希望工藝用水處于“湍流狀態(tài)”下流動(dòng)。這就需要通過對(duì)流體動(dòng)力學(xué)***性的了解，來理解美國(guó)藥典要求使用“湍流狀態(tài)”概念的***殊意義。 通常，流體的速度在管道內(nèi)部橫斷面的各個(gè)具體點(diǎn)上是不一樣的。流體在管道內(nèi)部中心處，流速***大；愈靠近管道的管壁，流速愈小；而在緊靠管壁處，由于流體質(zhì)點(diǎn)附著于管道的內(nèi)壁上，其流速等于零。工業(yè)上流體管道內(nèi)部的流動(dòng)速度，可供參考的有以下的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值： （1）普通液體在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)大都選用小于3 m/s的流速，對(duì)于粘性液體選用0.5~1.0 m/s，在一般情況可選取的流速為1.5~3 m/s； （2）低壓工業(yè)氣體的流速一般為8~15m/s，較高壓力的工業(yè)氣體則為15~25 m/s，飽和蒸汽的流速可選擇20~30 m/s，而過熱蒸汽的流速可選擇為30~50 m/s。 流體運(yùn)動(dòng)的類型可從雷諾實(shí)驗(yàn)中觀察到。雷諾根據(jù)以不同流體和不同管徑獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了支配流體流動(dòng)形式的因素，除流體的流速q外，尚有流體流過導(dǎo)管直徑d、流體的密度ρ和流體的黏度ц。流體流動(dòng)的類型由dqρ/ц所決定。此數(shù)值稱為雷諾準(zhǔn)數(shù)，以Re表示。根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)，可將流體在管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)分為平行流（滯流）和湍流兩種情況。 應(yīng)注意，雷諾準(zhǔn)數(shù)為一個(gè)純粹數(shù)值，沒有單位，因而是無因次數(shù)。在計(jì)算之中，只要采用的單位一致，對(duì)于任何單位都可得到同樣的數(shù)值。例如在米·千克—秒制中雷諾準(zhǔn)數(shù)的單位為： dqρ/ц=（m）（m/s）（kg·s2/ m4）/( kg·s / m2) =(m)0(kg)0(s0) 式中所有單位全可消去，所剩下的為決定流體流動(dòng)類型的數(shù)值。而采用尺-磅-秒英制時(shí)也能得到同樣的結(jié)果。雷諾實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)Re數(shù)值小于2300時(shí)，流體為滯流狀態(tài)流動(dòng)。Re數(shù)值若大于2300，流體流動(dòng)的狀態(tài)則開始轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳌５珣?yīng)注意，由于物質(zhì)的慣性存在，從滯流狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)并不是突然的，而是會(huì)經(jīng)過一個(gè)過渡階段，通常將這個(gè)過渡階段稱之為過渡流，其Re數(shù)值由2300到4000左右，有時(shí)可延到10000以上。因而只有當(dāng)Re等于或大于10000時(shí)，才能得到穩(wěn)定的湍流。 由滯流變?yōu)橥牧鞯臓顩r稱為臨界狀況，一般都以2300為Re的臨界值。須注意，這個(gè)臨界值系與許多條件有關(guān)，***別是流體的進(jìn)入情況，管壁的粗糙度等。 由此可見，在制藥用水系統(tǒng)中，如果只講管道內(nèi)部水的流動(dòng)，尚不足以強(qiáng)調(diào)構(gòu)成控制微生物污染的必要條件，只有當(dāng)水流過程的雷諾數(shù)Re達(dá)到10000，真正形成了穩(wěn)定的湍流時(shí)，才能夠有效地造成不利于微生物生長(zhǎng)的水流環(huán)境條件。由于微生物的分子量要比水分子量大得多，即使管壁處的流速為零，如果已經(jīng)形成了穩(wěn)定的湍流，水中的微生物便處在無法滯留的環(huán)境條件中。相反，如果在制藥用水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝過程中，沒有對(duì)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及建造細(xì)節(jié)加以***別的關(guān)注，就會(huì)造成流速過低、管壁粗糙、管路上存在死水管段的結(jié)果，或者選用了結(jié)構(gòu)不利于控制微生物的閥門等等，微生物就完全有可能依賴于由此造成的客觀條件，在工藝用水系統(tǒng)管道的內(nèi)壁上積累生成微生物膜，從而對(duì)制藥用水系統(tǒng)造成微生物污染。 （1）滯流 流體在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，其每個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)穩(wěn)定地沿著與管軸中心平行的方向有條不紊的流動(dòng)。此種流動(dòng)稱為平行流動(dòng)（層流）或粘滯流動(dòng)，簡(jiǎn)稱滯流。流體處于滯流狀態(tài)下時(shí)，流速沿導(dǎo)管直徑依拋物線的規(guī)律分布。此時(shí)管道中心的速度***大，沿曲線漸近管壁，則速度漸小至等于零，其平均速度為管中心速度之一半。 （2）湍流 流體在管道內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，流體質(zhì)點(diǎn)不按同一方向移動(dòng)，而是作不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)，各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度在大小和方向上都隨時(shí)間發(fā)生變化，流體質(zhì)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)跡線極其紊亂而流線很易改變的流動(dòng)稱為紊流或湍狀流動(dòng)，簡(jiǎn)稱湍流。當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時(shí)，曲線形狀與拋物線相似，但***端稍寬。由于在湍流中流體質(zhì)點(diǎn)的相互撞碰，其流速在大小和方向上均時(shí)有變化，并趨向于一個(gè)平均值。因此，湍流的狀態(tài)愈明顯，其曲線的***端愈平坦，當(dāng)處于十分穩(wěn)定的湍流狀態(tài)時(shí)，其平均速度為管中心***大速度的0.8~0.9倍左右。 按照上述對(duì)流速在管道內(nèi)部分布的描述可知，即使流體確為湍流，其接近管壁處仍可能存在一層滯流的邊界層。這個(gè)邊界層實(shí)際上包括真正的滯流層與過渡層。在真正的滯流層中，流體速度近似地成直線下降，到管壁處速度趨于零。過渡層則介乎真正滯流層與流體主體之間。邊界層的厚度為Re數(shù)的函數(shù)。 因此，在流體流動(dòng)中并不存在單純的湍流，也沒有純粹的滯流。實(shí)際上，在湍流中同時(shí)有滯流層存在；而在滯流中也可能有湍流的存在，這是因?yàn)椴糠至黧w質(zhì)點(diǎn)在滯流時(shí)有變形和旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。流體邊界層的存在，對(duì)其傳熱和擴(kuò)散過程都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。 上述流速分布情況系指流體的流動(dòng)已達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)而言。流體在進(jìn)入管道后需要流經(jīng)一定距離，其穩(wěn)定的狀態(tài)才能真正形成。對(duì)于湍流，實(shí)驗(yàn)證明，其流經(jīng)的直管距離達(dá)到40倍管道直徑以后，穩(wěn)定的狀態(tài)才方可獲得。 另外，流速的分布規(guī)律只有在等溫狀態(tài)下才是成立的，即要求流體中各點(diǎn)的溫度是一致的、恒定不變的。 2.4制藥用水系統(tǒng)管道的阻力計(jì)算 工藝用水管道的水力計(jì)算，通常，根據(jù)各用水點(diǎn)的使用位置，先繪出系統(tǒng)管網(wǎng)軸測(cè)圖，再根據(jù)管網(wǎng)中各管段的設(shè)計(jì)秒流量，按照制藥用水的流動(dòng)應(yīng)處于湍流狀態(tài)，即管內(nèi)水流速度大于2m/s的要求，計(jì)算各管段的管徑、管道阻力損失，進(jìn)而確定工藝用水系統(tǒng)所需的輸送壓力，選擇供水泵。 （1）確定輸水管徑 在求得軸測(cè)圖中各管段的設(shè)計(jì)秒流量后，根據(jù)下述水力學(xué)公式計(jì)算和控制流速，選擇管徑： di=18.8(Qg/υ)1/2 式中di——管道的內(nèi)徑，m； Qg——各管段的設(shè)計(jì)秒流量，m3/s； υ——管內(nèi)流速，m/s。 一般情況下，管道的直徑是由系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)流速確定的。由上式可見，一旦流速確定，自然就得到了對(duì)應(yīng)流量的直徑。配管中流體的阻力，對(duì)于同***量來說，管徑越大，阻力損失越小。這在動(dòng)力方面是經(jīng)濟(jì)的，但設(shè)備的費(fèi)用會(huì)增加，并且還可能不會(huì)滿足工藝用水系統(tǒng)水流狀態(tài)為湍流的要求。 制藥工藝管道內(nèi)滿足微生物控制的流速采用2~3m/s。 （2）確定管段的壓頭損失 ① 工藝用水系統(tǒng)管道的沿程阻力損失 Py=K L 式中 Py——工藝管段的沿程阻力損失，m H2O； L——所計(jì)算管段的長(zhǎng)度； K——管道單位長(zhǎng)度的壓力損失，按照制藥用水管道通常采用不銹鋼，管道內(nèi)部的流速大于2m/s，則可使用下式計(jì)算： K=0.00107×υ2/d1.3(m H2O/m) υ——管道內(nèi)部平均水流速度，m/s； d——管道計(jì)算內(nèi)徑，m。 通常，直管段的壓力損失可用K=0.007×(m H2O/m)計(jì)算。 ② 管道的局部損失 Pj=Σξ（υ2/2g） 式中 Pj——局部阻力損失的總和，m H2O； Σξ——局部阻力系數(shù)之和，按照工藝用水系統(tǒng)管道中的不同管件及閥門附件的構(gòu)造情況有各種不同的數(shù)值； υ——沿著水流方向，局部阻力下游的流速； g——重力加速度，m/s2。 在工藝用水系統(tǒng)管道局部阻力計(jì)算時(shí)，通�？刹贿M(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，而采用沿程阻力損失的***數(shù)，常取值為20%。 ③管道接頭阻力損失 管接頭的阻力損失取決于其大小和類型，用ξ值計(jì)算。管道接頭阻力系數(shù)如表5.1： 表5.1 管接頭的阻力損失
④管道中的壓力損失，有下列兩種公式： Σ△р=Σ△рy+Σ△рfi+Σ△рva 式中р——總管道的阻力； рy——管道的沿程阻力； рfi——管接頭的阻力； рva——閥門阻力。 Σр=Σξ·（υ2/2g）ρ·1000 式中Σр——系統(tǒng)管道壓力損失； Σξ——管接頭阻力之和； υ——管道內(nèi)部流動(dòng)速度，m/s； g——重力加速度，9.81 m/s2； ρ——液體密度，kg/m3。 ⑤閥門中的壓力損失 △рva=（Q/Kv）2·（ρ/1000） 式中△рva——閥門中的壓力損失； Q——流量，m3/h； Kv——閥門***殊的流量，m3/h； ρ——液體的密度，kg/m3。 ρ=0.1Mpa （3）管道阻力的計(jì)算方法 根據(jù)管道的布置方式，制藥用水系統(tǒng)阻力計(jì)算的步驟略有區(qū)別，但無論系統(tǒng)為不循環(huán)管道系統(tǒng)或循環(huán)的管道系統(tǒng)，由于循環(huán)系統(tǒng)中通常是水回至貯罐內(nèi)，水泵本身并不能形成閉環(huán)路，因系統(tǒng)中通常是水回至貯罐內(nèi)，水泵本身并不能形成閉環(huán)路，因此，它們的計(jì)算方法是相同的。管道系統(tǒng)的計(jì)算與給水管道的計(jì)算類似，步驟大致為： �、俑鶕�(jù)工藝用水系統(tǒng)軸測(cè)圖選出要求壓力***大的管路作為計(jì)算管路； ②依據(jù)管路中流量變化的節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算管路進(jìn)行編號(hào)，并標(biāo)明各計(jì)算管段的長(zhǎng)度； ③按上述（1）節(jié)提供的公式計(jì)算各管段的設(shè)計(jì)秒流量，工藝用水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)秒流量可直接在2~3m/s范圍內(nèi)選取； ④進(jìn)行水力計(jì)算，決定各計(jì)算管段的直徑和水壓頭損失，可通過查水力計(jì)算選用表，計(jì)算出水壓頭損失； ⑤按照計(jì)算結(jié)果，確定工藝用水系統(tǒng)所需的總水壓頭H（m） ⑥根據(jù)總水壓頭選擇水泵的功率和壓頭，并進(jìn)行系統(tǒng)配管的校核計(jì)算。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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