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空气洁净技术
空气洁净技术课程论文
空气洁净技术
一、空气洁净技术的概念
在科学研究、工业生产以及人们的日常生活中,往往需要对某一特定空间内的空气温度、湿度、洁净度和气流速度提出技术要求,并采取一定的技术手段创造和维持这一空间的空气环境,以满足生产工艺过程和人体舒适要求,这就是通常所说的空气调节。
在应用空气调节系统的建筑中,由于环境场合不同,对空气的温度、湿度、洁净度、气流速度的要求侧重点则不同。
一般来说,空气调节任务的侧重点是对空气温度、湿度以及空气速度的调节,对空气洁净度没有过高的特殊要求。
而对于有些工业生产车间,如半导体、微电子工业、食品、制药、卫生等领域,不仅仅对其环境的空气温度、湿度、气流速度有一定的技术要求,更重要的是对空气洁净度(即生产环境空气中含尘浓度的高低)有严格和特殊的要求。
为达到这一目的,所采取的技术措施称为空气洁净技术(俗称洁净技术或净化技术)。
所以,空气洁净技术的任务,是在满足室内环境空气温度和湿度要求的前提下,将受控环境空气介质中的含尘悬浮微粒除掉,并且使其达到生产要求的环境条件,也就是我们常说的空气净化。
对于采用了空气洁净技术使空气中悬浮微粒浓度、含菌浓度受控而达到某种要求的房间(或限定的空间),称为洁净室。
空气洁净度是洁净环境中空气含悬浮粒子量的多少的程度,通常空气中含尘浓度高,则空气洁净度低;反之,洁净度高。
Cn:
被考虑粒径的空气悬浮粒子最大允许浓度。
通常是以四舍五入至相近的整数,有效位数不超过三位数;N:
分级序数,数字不超过九,分级序数整数之间的中间数可以做规定,N的最小允许增量为0.1;D:
被考虑的粒径。
洁净室按照空气洁净度级别分为三种状态:
(1)空态:
设施已经建成,所有动力接通并运行,但无生产设备、材料和人员。
(2)静态:
设施已经建成,生产设备已安装,并按业主及供应商同意的状态运行,但无人员。
动态:
设施以规定的状态运行,有规定的人员在场,并在商定的状况下进行工作。
二、空气洁净技术的由来
空气洁净技术是随着科学技术以及现代工业的发展逐步形成的一门科学。
从18世纪开始人们对洁净技术已经有了初步的认识。
随着国际战争的爆发,不断刺激着军事工业的发展,于是对产品的微型化、高精度、高纯度、高质量、高可靠性等性能方面提出了更高的要求,这就需要有一个高洁净度的生产环境。
而且生产技术越发展对生产环境的洁净度要求越高。
因此空气洁净技术以及所需的设备和过滤材料随即产生并迅速发展。
20世纪20年代,美国首先在航空业的陀螺仪制造过程中提出了生产环境的净化要求,为消除空气中尘埃对航空仪表齿轮、轴承的污染,他们在制造车间和实验室建立了“控制装配区”,把轴承的装配工序与其他的生产、操作区隔开,同时供给一定量的经过过滤处理的空气。
飞速发展的军事工业,无论是提高原材料的纯度、零部件加工和装配、提高元器件和整机的可靠性与使用寿命,都要求有一个高品质的生产环境。
据说,美国一家导弹公司曾发现,在普通的车间内装配惯性制导用陀螺仪时,平均每生产10个产品就要反工120次。
当在控制空气中尘埃污染的环境中装配后,返工率降低至2次。
对在无尘和有尘(尘粒平均直径为3μm,尘粒数为1000pc/m3)两种环境中装配转速为1200r/min的陀螺仪轴承进行比较,其产品的使用寿命竟相差100倍。
从这些生产实践中,人们认识到空气净化在军事工业中的重要性和迫切性,也构成了当时发展空气洁净技术的推动力。
20世纪50年代初,美国发明生产了高效空气粒子过滤器,取得了在洁净技术上的第一次飞跃性成就,使美国在军事工业和人造卫星制造领域建立了一批工业洁净室,并相继在航空、航海的导航装置、加速器、陀螺仪、电子仪器等生产厂广泛应用。
在美国洁净技术快速发展的同时,世界各发达国家也开始了洁净技术的研究和应用。
20世纪50年代,英国在陀螺仪生产等工厂中建立了洁净室。
20世纪50年代,日本在半导体工业应用洁净技术。
20世纪60年代初,在美国工业洁净室进入广泛应用时期,开始尝试利用工业洁净室进行生物无菌实验。
通过研究和实验,人们认识到空气中的细菌和病毒是附着在尘埃上以群体存在的。
人体、其它动物体以及土壤中产生的细菌、病毒,会附着在尘粒、皮屑、毛发、水滴上随空气传播。
由此可见,尘埃是传播细菌和病毒的媒介。
空气中的尘埃越多,细菌和病毒的传播机会越多。
如果对空气中的尘埃粒子进行了控制和处理,就是控制了细菌和病毒。
在这个理论基础上,20世纪70年代初,美国等技术先进的国家大规模地把工业洁净室技术用于防止以空气为媒介的微生物污染的领域,从而诞生了现代生物洁净室,使制药工业、化妆品工业、食品工业的产品质量大为提高。
在医疗部门的手术室和特殊病房以及生物安全方面,洁净室的推广和应用,使人们的疾病治疗、手术和抗感染控制得到了保障。
由此可见,在目前空气洁净技术的应用可分为两个方面:
1.工业洁净。
以工业生产工艺为目的的空气洁净过程,其控制对象为空气中的尘埃微粒,如灰尘等。
对于这类房间,是以控制空气中的尘埃微粒为主要目的的,通常称为工业洁净室。
2.生物洁净。
以保健、卫生为目的的空气洁净过程,其控制对象为空气中的细菌、病毒等微粒。
对于这类房间,由于采取了无菌化处理,而且是以防止微生物污染为主要目的的,通常称为生物洁净室。
三、洁净技术的发展
自18世纪人们对洁净技术开始认识,到20世纪20年代美国在军事工业上应用,洁净技术都是伴随着科学技术的发展而发展的,并随着洁净技术的应用,工业产品也得到了不断的提高和进步。
其工业产品更向着微型化、精密化、高质量、高纯度和高可靠性方向发展。
现代工业更是如此,航空、航天、电子工业以及医药、医疗、生物工程等诸多领域,无不在应用洁净技术。
尤其是电子、微电子、集成电路产品,从最初在数间房间内组合安装,到现在的超大集成电路的微型化,对空气中受控粒子粒径的要求从0.3~0.5μm发展到0.05μm甚至更小,充分体现了现代工业对洁净技术的需求。
在制药工业方面,药品的质量反映在疗效、安全性和药品稳定性等要素上。
影响这三个要素的重要环节是药品的配方和生产方法。
而生产方法又包含了生产技术和生产环境两个方面。
生产环境是环境控制的各项措施综合作用的结果。
如制药车间的建筑设计、装修,空调净化系统的设计、运行、维护管理等。
其环境控制的目的是为了防止药品因污染或交叉污染等任何危及产品质量的情况发生。
临床经验证明,当用于静脉注射和滴眼药等制剂,在生产过程中被尘埃微粒污染并进入人体血液,可能会出现以下症状:
(1)某些较大粒径的微粒随药液进入血管,可能会直接造成血管阻塞,引起肌体局部缺水而萎缩或水肿;
(2)如果红细胞聚集在侵入的微粒等异物上,可能形成血栓,导致血管闭塞和静脉炎等病症;
(3)微粒侵入组织,在巨噬细胞的包围和培植下还可能引起异物肉芽肿;
(4)微粒等异物的相互作用,可能引起过敏反应、血小板减少等症状。
当药剂在生产过程中被微生物污染,不仅会导致药效降低或药品变质,还会引起临床预料不到的疾病。
如由微生物所产生的多糖物引起患者的热原反应;细菌污染药品可能引起败血症、内毒素中毒等。
片剂、散剂等普通药剂在生产过程中污染所引起的临床感染病症,在国外也已有实例报道。
医院是病人就诊、治疗和康复的特殊场合,也是病毒、细菌的滋生和传播源。
医院内一旦发生感染和交叉感染,则关系到更多的就诊者和医护人员。
发生在2003年春季的全球SARS(俗称非典)感染,就说明了在医院采取对空气环境控制的重要性。
基于应用空气洁净技术的重要性,洁净技术的发展已成为现代工业生产和科学实验活动不可缺少的重要标志之一。
如果说20世纪60年代洁净技术在美国、欧洲等发展国家的广泛应用,是洁净技术的大发展时期,那么此后就是洁净技术在全球各个领域快速和规范发展阶段。
1961年美国制定了国际上最早的洁净室标准(美国空军技术条令203)。
并把编制联邦政府标准的任务交给了原子能委员会的出版机构。
同时基本完善了单向流洁净技术,建造了100级洁净室。
1963年底美国颁布了第一个军用部分的联邦标准FS-209。
从此联邦标准“209”不仅是美国的著名洁净技术标准,而且成为国际上普遍通用的洁净技术标准。
1966年美国颁布了修订后的FS-209A。
1973年美国颁布了联邦标准FS—209B;1976年美国对联邦标准FS—209B进行了修订;1988年美国颁布了联邦标准FS—209D;1992年美国颁布了联邦标准FS—209E。
在此期间,前民主德国、法国、前苏联、日本、英国、澳大利亚、俄罗斯等国家相继颁布和制定了各国的洁净技术标准和药品生产质量管理规范(GMP)。
洁净技术的应用:
在微电子工业和半导体制造业、微机械加工工业、光学工业、纯化学试剂、生物技术和遗传技术、制药技术、食品饮料工业、医疗器械与医院产业等。
四、洁净室
洁净室按用途分为工业和生物洁净室;按气流;流型分为单向气流、非单向流、混合流和辐流洁净室。
生物洁净室是在工业洁净室的技术基础上发展起来的。
生物洁净室对空气中污染物控制的对象是尘粒和微生物,所以有着不一样的要求与特点。
生物洁净室:
需要控制微粒,微生物的污染,室内需要定期消毒灭菌,内装修材料及设备应能承受药物腐蚀;人员和设备需经吹淋、清洗、消毒、灭菌方可进入;不能得到瞬时值,需要经过48小时的培养;可采用HBAP过滤器除去粒径较大的微生物;室内污染源主要是人体发菌。
工业洁净室:
控制微粒污染,内部装修与设备以不产生尘为原则,仅需经常擦抹以免积尘;人员与设备经吹淋或纯水清洗后进入;室内空气含尘浓度可连续监测、自动记录;需除去的是0.1-0.5um以上的尘埃粒子,高洁净度洁净室需要ULAP过滤器;室内污染源主要是人体发尘。
1.洁净室的特点:
洁净室是空气的洁净度达到一定级别的可供人活动的空间,其功能是能控制微粒和微生物的污染。
是一个多功能的综合整体。
首先需要多专业的配合-建筑、空调、净化、纯水、纯气等;其次需要对多个参数控制,如空气洁净度、细菌浓度以及空气的量、压、声、光,温湿度等。
洁净室是通过从设计发哦管理的全过程来实现其质量的。
2.洁净室建筑的特点:
洁净室建筑设计依据的洁净技术是一门多科学的综合性很强的技术领域。
建筑设计具有很强的综合性,室内设备价格昂贵,造价高,装修复杂、要求严密性好。
3.实现洁净的途径:
控制污染源,减少污染发生量;有效地阻止室外的污染侵入室内;迅速有效地排除室内已经发生的污染;流速控制-6至9级的洁净室采用非单向流;系统的气密性;建筑上的措施。
五、污染物
1.空气污染物有悬浮在空气中的固态、液态微粒;霉菌、致病菌等悬浮在空气中的微生物;各种至人体有害或生产过程有害的气体。
由于空气净化的目的语对象不同,净化的内容、方法和衡量标准不同。
以洁净室为对象的空气净化目的,就是最大可能地把空气介质中的悬浮微粒除掉,对于生物洁净室,还要控制有生命的微粒。
2.粒径分类;
按形成方式分为分散性和凝集性微粒;按来源分为无畸形、有机性和有生命微粒;按大小分为可见、显微和超显微微粒;按用途分为灰尘、烟、雾和烟雾。
3.大气含菌浓度
大气含菌浓度随不同地区、不同的人群活动场所、气象条件等不同情况变化在较大的范围。
一般情况下,大气微粒浓度与细菌浓度的相关随季节、地点不同等有所不同,到目前还没有数据说明之间有明确的关系。
六、空气洁净设备
1.过滤器是空气过滤器最重要的指标,是指在额定的风量下,过滤器前后空气含尘浓度之差与过滤器钱空气含尘浓度之比的百分数。
对于洁净空调系统,不同级别的过滤器通常是串联使用的,若有个过滤器串联使用则其效率是:
····
过滤效率是衡量空气过滤器捕集尘粒能力的参数,也可以用穿透率来评价空气过滤器的好坏,穿透率是指过滤后空气的含尘浓度与过滤前空气的含尘浓度之比的百分数,可用公式表示采用穿透率可以明确表示过滤器前后的空气含尘量,用它来评价比较高效过滤器的性能较直观。
过滤器面速是指过滤器的断面上所通过的气流速度。
流速反应滤料的通过能力,一般高效和超高效过滤器的滤速为2-3cm/s,亚高效过滤器的滤速为5-7cm/s。
过滤器阻力:
构成滤料的阻力和过滤器结构的阻力。
纤维过滤的滤料阻力是由气流通过纤维层时迎面阻力造成的,该阻力的大小与在纤维层中流动的气流状态是层流或紊流有关,一般因为纤维极细,滤速很小,此时纤维层内的气流属于层流。
结构阻力是气流通过有过滤器的滤材和支撑材料构成的通路时,是以风面速为代表的,气流特性已不是层流。
纤维过滤器的全阻力由滤料阻力和结构阻力构成。
随着积尘量的增加,过滤器阻力变化的趋势呈现抛物线形,一般积尘量达到某一数值时,阻力增加较快,这时候应该更换或清洗过滤器,以确保净化空调系统的经济运行。
过滤器的容尘量是指过滤器的最大允许积尘量,它是过滤器在特定的实验条件下容纳特定实验粉尘的重量。
空气过滤器的种类:
粗效、中效、高中效和亚高效过滤器;高效空气过滤器又分为四种:
A、B、C、D。
2.典型空气过滤器结构的原理
泡沫塑料过滤器:
采用聚乙烯或聚酯泡沫塑料作作过滤层。
泡沫塑料预先作处理,将内部气孔薄膜穿透,具有一系列连通的孔隙,尘粒通过时,由于惯性、扩散作用使空气得以净化。
纤维填充式过滤器由框架和滤料组成,采用不同粗细的纤维作为填料。
纤维毡过滤器由各种纤维做成的无纺布做滤料,一般做成袋式或卷挠式。
纸过滤器用植物纤维素滤纸,兰石棉纤维,超细玻璃纤维滤纸作滤料。
静电过滤器由荷电区和收尘区组成。
3.空气过滤器的选用
一般情况,粗效过滤器可以满足一般空调房间的净化要求。
粗效和中效过滤器联合使用可以满足洁净室的净化要求。
粗、中和高效过滤器的联合使用可以满足中高级的洁净室的净化要求。
洁净空调的设计中空气过滤器按照额定风量选用,根据洁净要求确定最末一级过滤器的效率,选择起保护作用的过滤器。
可能产生有害气体或者微生物的洁净室,高效过滤器应靠近洁净室,阻力效率接近的高效率过滤器应安装在同一洁净区内。
4.洁净工作台
结构原理:
是设置在洁净室内或室外,课根据使用环境要求在操作台上保持高洁净度的局部净化设备。
分类:
按气流组织分为非单向和单向流式;按排风方式可分为全循环、直流、前部排风、全面排风式;按工艺要求分为专用工作台和普通工作台;按结构分整体式和脱开式。
选用原则:
工艺装备在水平方向对气流阻挡最小时,选用水品单向洁净工作台,在垂直方向对秋柳阻挡最小时,选用垂直单向流洁净工作台。
工艺过程产生有害气体或粉尘时,选用排气式洁净工作台;对防震有较高要求时,用脱开式洁净台。
5.自净器
由风机初效、中效和高效过滤器及送风口、回风口组成的一种空气净化设备。
分为高效型空气自净器和静电空气自净器。
自净器的应用:
都对操作点进行局部临时净化;设置在洁净室易出现涡流区的部位以减少尘菌滞留;作为洁净环境的简易循环机组。
6.还包括洁净层流罩、净化单元、装配式洁净室、空气吹淋室、传递窗、余压阀、洁净空调机组、净化新风机组。
七、空气洁净原理
洁净室按气流组织:
单向流洁净室、非单向流洁净室、辐流洁净室、混合流洁净室。
合理的洁净室气流组织能使室内空气的流动复合设计要求,保证室内空气的温度、湿度、流速及洁净度等满足工艺、人员的舒适度要求。
洁净室气流组织原则:
洁净气流扩散速度快、气流分布均匀,以尽快稀释室内含有污染源所散发的污染物质的空气,为此生产环境所要求的洁净度。
散发到洁净室内的污染物质能迅速的排出室外,尽量避免气流涡流和死角,缩短其滞留时间,降低污染物质与产品的接触几率。
满足洁净室内温度、湿度等空调送风要求和人的舒适要求。
1.单向流洁净室的原理:
靠送风气流活塞般的挤压作用,迅速把室内污染物排出。
单向流洁净室性能指标有流线平行度、乱流度、下限风速。
2.非单向流气流组织原理:
靠送风气流不断稀释室内空气,把室内污染逐渐排出,以达到平衡。
主要形式有散流器顶送、带扩散风口过滤器顶送、风口侧送、风口斜送。
特性指标:
换气次数、气流组织、自净时间。
3.辐流洁净室气流组织原理:
其应属于非单向流,但又比较接近于单向流的效果,而又远比单向流在结构上简单。
主要形式有扇形、半球形、半圆形。
八、空气洁净技术的新发展
洁净技术作为一门实验学科,在其发展过程中也大量地实践了各种研究方法,并在这些年取得了不小的发展和进步。
(1)解耦原理是一种重要的实验理论方法,往往通过解耦原理能把原本较复杂或者是“混沌”的物理现象转化为若干个简单的物理现象集合,能够使实验者更为清楚地看清现象的本质,使得实验或分析过程大大简化,并最终得到解决,因此解耦原理成为实验科学研究和实践的重要理论方法。
在理论方面,1978年中国建筑科学研究院许钟麟研究员首次在传统的洁净室内全室微粒均匀分布理论的基础上,通过分析影响洁净室含尘浓度不均匀分布的各种因素,把洁净室的含尘浓度分布进行了解耦,解耦成了3个分布区域(即送风口下方的主流区,回风口区域的回风口区,其余的区域为涡流区).传统的洁净空间控制污染的机理,主要是通过布置在送风末端的高效过滤器将洁净气流送入。
由于过滤器很难避免在制作、运输和安装过程中,总有可能造成过滤器的滤材、滤器及安装结合面的渗漏,高效过滤器的渗漏是不可避免的,所以仅靠密封堵漏不能有效解决渗漏问题。
单向流洁净室的满布高效过滤器不仅仅起到了过滤的作用,而且还起到了均流作用和防漏作用,因此末端高效过滤器把防漏、过滤与分布气流的三个作用耦合于一体,大大提高了对末端过滤器的要求。
在这样的背景下,利用阻漏层理论,把末端高效过滤器的过滤、均流和防漏的三个功能解耦,已经成为洁净室发展的一项新的技术措施。
(2)通过计算流体力学(CFD)结合粒子分布轨迹进行气流组织数值模拟,可以较好解决合理的设备布置与在最低的气流速度下不产生涡流,避免污染物的再卷入。
洁净室的节能技术方案:
洁净厂房内的工艺平面布置,在进行建筑平面、立面设计时,应努力贯彻节能要求,降低洁净室的热(冷)负荷的技术措施,减少净化空调系统的送风量和降低系统阻力的技术措施,合理进行净化空调系统的风管设计,采用变流量控制风量、水量。
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