1、药厂空气净化与水处理 技术课程名称 药厂空气净化与水处理技术模块名称 模块一 药厂空气净化技术教学任务任务四 净化空调系统授课班级化工1802AB课时6节上课地点多媒体教室教学目标知识目标 掌握净化空调系统的分类，掌握空气处理设备的技术要求，空气过滤器工作原理、类型、性能，掌握集中式净化空调系统、分散式净化空调系统。 熟悉净化空调装置中空气处理机组的分类、标记、组合形式、特点，我国空气过滤器的标记方法，过滤器的应用。熟悉净化方案。 了解净化空调系统的特征、功能，了解风机及其驱动装置、加热和冷却设备、加湿和除湿设备的类型、特点及性能要求，了解风管、风阀和百叶窗，除尘和排风系统。能力目标 学会操作
2、净化空调系统装置中的各种设备。 能将学到的理论知识运用到生产实际中，掌握典型净化空调系统的操作、运行。 学会用学到的理论知识解决生产实际问题。素质拓展目标 通过本项目学习，教会学生掌握，并教会学生如何将理论知识与生产实际相结合，做到学有所用，工学结合，边学边做。教学重点空气处理设备的技术要求，空气过滤器工作原理、类型、性能，掌握教学难点集中式净化空调系统、分散式净化空调系统的组成和应用。 教学方法启发式教学、案例教学法、引导法教学参考资料1中华人民共和国药典2015版.北京：中国医药科技出版社，201562药品GMP指南厂房设施与设备.北京：中国医药科技出版社，201183.药品生产质量管理规
3、范（2010年修订）4. 药品GMP指南厂房设施与设备.北京：中国医药科技出版社，201185. 冯庆，黄浩.制药用水侦破储存及分配系统设计.医药工程设计, 2010,31(1): 166. 空气洁净技术原理. 北京：科学出版社，2014.17. 药品生产质量管理工程. 北京：化学工业出版社，2008.7步骤教学内容时间分配告知告知本次课的教学目的、教学内容、工业生产实际应用的意义、知识目标和能力目标5分钟项目教学内容项目教学内容项目教学内容项目教学内容【引言】采暖通风与空气调节系统（HVAC系统），在中国GMP中称为空调净化系统，是制药厂的一个关键系统，它对制药厂能否实现其向患者提供安全有效
4、的产品目标具有重要的影响。如果药品生产环境得到妥善的设计、建造、调试、运转和维护，则有助于确保产品的质量，提高产品的可靠性，同时降低工厂初期的投资成本和后期的运转成本。【板书】一、净化空调系统的特征洁净室使用的净化空调系统与一般空调系统相比有如下特征：1、洁净室净化空调系统是一个多参数、高精度的控制系统。除控制一般空调系统的室内温度、湿度参数之外，还要控制房间的洁净度和压力等参数，并且温度、湿度的控制精度要求较高，有的洁净室要求温度控制在0.1范围内等。2、洁净室净化空调系统是一个过滤系统。净化空调系统的空气处理过程除热、湿处理外，必须对空气进行预过滤、中间过滤、末端过滤等。有的高级别的洁净室
5、为了有效、节能地对送入洁净室的空气进行处理，采用集中新风处理，仅新风处理系统便设有多级过滤，当有严格要求需去除分子污染物时，3、洁净室净化空调系统是一个气流组织更有序的系统。一般空调多采用乱流形式达到温、湿度的均匀。而洁净室的气流分布、气流组织方面，要尽量限制和减少尘粒的扩散，减少二次气流和涡流，使洁净的气流不受污染，以最短的距离直接送到工作区。因必，经常采用一般空调所不用的层流形式。4、洁净室净化空调系统是一个有室内压力控制要求的系统。为了确保洁净室不受邻室或室外污染的污染，洁净室与邻室或室外必须维持一定的压差（正压或负压），最小压差要在5Pa以上，为此需要一定的正压风量或一定的排风。不同等
6、级的洁净室及洁净区与非洁净区之间的压差不小于5Pa，洁净区与室外的压差不小于10Pa。5、洁净室净化空调系统是一个风量、能耗均很大的昂贵系统。净化空调系统的风量较大（换气次数一般在10次至数百次），相应的能耗也很大，系统的造价和运行费用也较高。6、洁净室净化空调系统是制作复杂、清洁要求高的系统。净化空调系统的空气处理设备、风管材质和密封材料根据空气洁净度等级的不同都有一定的要求；风管制作和安装都必须严格按规定进行清洗、擦拭和密封处理等。7、净化空调安装后应按规定进行调试和综合性能检测，达到所要求的空气洁净度级别，对系统中的高效过滤器及安装质量均按规定进行检漏等。【板书】二、净化空调系统的分类【
7、简介】1、按空气处理设备的设置情况分类（1）集中系统集中系统是指所有空气处理设备（风机、加热器、表冷器、过滤器等）集中设置在空调机房内的系统。处理过的空气通过送风、回风管道输配到各空调房间，并形成循环。它适合用于面积较大、洁净度较高、位置集中及消声、振动控制要求严格的洁净室，是目前多数制药厂采用的空调系统。（2）半集中系统半集中系统是指除设有集中机房外，将冷热交换装置等二次设备分散在各被调房间内。这样再根据各房间的需要，对集中处理设备供应的空气，作进一步处理。如办公楼、宾馆等常用的风机盘管系统即属于该系统。（3）全分散系统在空调房间或相邻走廊等近处，采用落地柜机、悬挂箱机以及壁挂、窗式空调机组
8、，灵活而分散地直接设置，供给房间所需冷、热量及局部洁净环境。这种全分散式净化空调系统适应于空调环境或低级别净化环境，如净化单元、层流罩、空气自净器、洁净工作台等。【板书】2、按负担室内负荷所用的介质种类分类【简述】（1）全空气系统全空气系统是由经过处理的空气全部承担室内负荷（热、湿等）的空调系统。由于空气的比热较小，需要用较多的空气才能消除室内余热、余湿，或补给房间所需要的热量和湿度。由于制药厂的主要车间同时要求空调和净化，而洁净空气可用来稀释、替换工艺过程对生产环境的污染，保证药品生产过程的洁净度。因此，全空气系统是制药厂的主要空调方式。（2）全水系统全水系统是指用以水为介质的热交换排管等装
9、置承担空调房间的热、湿负荷的系统。这种方式因为用水做介质，热交换量大，但不能解决房间的通风换气问题，无法维持洁净室的正压，无法防止室外或相对污染的邻室的污染空气进入，从而无法保持室内洁净度。（3）空气-水系统空气-水系统是目前公用建筑空凋系统最广泛的采用形式：它不完全依靠空气来负担热、湿负荷，从而可以减小风道、少占建筑空间，又没有全水系统不能够满足卫生、正压等要求的弊端。【板书】三、净化空调系统装置【详述】 HVAC设备是实现用户对受控洁净室环境条件要求的主要设备。GMP区域所使用HVAC设备，与运行系统的相关控制装置及操作工序相配套，主要实现以下功能：维持洁净室内的温度；维持洁净室与相邻环境
10、的正压和负压要求，有效防止交叉污染；将HVAC系统对空调空间所造成的空气污染降低到最低程度；满足室内通风要求，并为保持室内正压提供补风；通过加湿或除湿处理，保持室内相对湿度；如有要求，可提供维持洁净室洁净度分级和段面风速所需的空气流量。【板书】（一）空气处理机组空气处理机组是HVAC系统的主要没备，通过不同功能的组合可以实现对空气的混合、过滤、加热、冷却、加湿、除湿、消声、加压输送等。空气处理设备的风量、供冷量、供热量、机外静压、噪声及漏风率等性能的优劣直接关系到洁净室受控环境条件的实现与否。1、分类和标记空气处理机组属于成套设备，通常是由对空气进行一种或几种处理功能的单元段组合而成的。其组件
11、包括金属箱体、风机、加热和冷却盘管、加湿器、空气过滤装置等。表1-4-2 空气处理机组的标记代号注：目前部分国产品牌和进口品牌的空气处理机组，其代号、型号、规格等仍按照其企业内部的编号方式进行。【应用实例】2、空气处理机组常用功能组合形式空气处理机组的功能段可以根据需要自由组合，也可以独立做成一部分。如仅配置风机对系统进行加压输送的送排风风机箱；配置不同级别过滤器和风机的过滤箱等。根据HVAC系统设计，满足GMP受控环境的主要有以下几种较为常用的、经济的功能段组合形式。 常规方式（图1-4-1）图1-4-1 空气处理机组常用功能组合形式（1）该组合特点为：本组合具有净化空调系统必备的功能段，故
12、适合于净化空调系统及一般中央空调系统；功能段组合简单，总长较短；一次回风方式；当混合段仅有一个风口时，可用于全新风处理的新风机组；当室内回风空气比较干净时，也可直接将回风口设置在初效过滤段之后。 最经济的带初、中效过滤净化的空调机组功能段组合（图1-4-2）图1-4-2 空气处理机组常用功能组合形式（2）该组合特点为：本组合选用板式的初效过滤器，适用于新风较清洁的地区；表冷和加热放置于一个段内，缩短机组的总长度；选用无涡壳风机，电机与风机直接联动，无皮带粉尘产生，对末端高效过滤有效保护；一次回风方式。 适合有二次回风的系统使用的空调机组功能段组合（图1-4-3）图1-4-3 空气处理机组常用功
13、能组合形式（3）该组合特点为： 本组合具有净化空调系统必备的功能段，故适合于净化空调系统及一般中央空调系统； 功能段组合简单，总长较短； 二次回风方式。 带能量回收的空调系统使用的空调机组功能段组合（图1-4-4）图1-4-4 空气处理机组常用功能组合形式（4）该组合特点为：本组合适用于排风量较大的空调系统，利用排风的能量先对新风进行预处理（夏季预冷，冬季预热），使空调系统更节能；具有净化空调系统必备的功能段，故适合于净化空调系统及一般中央空调系统；空调机组总长较长；新风、送风、回风、排风的管道需要合理设计。 配有转轮除湿的空调系统使用的空调机组功能段组合（图1-4-5）图1-4-5 空气处理
14、机组常用功能组合形式（5）该组合特点为：本组合适用于湿度要求值较低的系统；具有净化空调系统必备的功能段，故适合于净化空调系统及一般中央空调系统；功能段总长较长；二次回风方式；转轮除湿机再生所需的再生风、排风等需要合理设计，风管系统较复杂。 风机段一备一用的空调系统使用的空调机组功能段组合（图1-4-6）图1-4-6 空气处理机组常用功能组合形式（6）该组合特点为：本组合适用于运行不能中止的空调系统，风机一备一用，风机出风口带有止回阀；具有净化空调系统必备的功能段，故适合于净化空凋系统及一般中央空调系统；两风机段可根据机房布局采用上下并联或左右并联设置。 风机串联使用的空调机组功能段组合（图1-
15、4-7）图1-4-7 空气处理机组常用功能组合形式（7）该组合特点为：本组合应用于系统阻力较大、回风风管与送风风管宜分开的的空调系统；具有净化空调系统必备的功能段，故适合于净化空调系统及一般中央空调系统；排风量、回风量通过调节阀进行调节；两风机的配电要求比通常其他系统要复杂一些；以上各组合不是独立不变的，根据使用环境的不同，加以综合选用。3、空气处理设备的技术要求空气处理设备的基本规格和参数应满足GMP空调系统的技术要求。空气处理设备的各组成部分，例如冷盘管、热盘管、加湿器、除湿器、风机、风口、电机、过滤器及其他零部件，必须符合国家有关标准规定，同时应能够达到没计能力的1.15倍，以满足需求量
16、增大或未来扩容的要求。空气处理设备应具有较高的可靠性，并且重要部位的维护符合要求。为了便于操作人员工作，内部照明灯可能比便携式照明装置更方便。照明装置应采用电压不超过36V安全照明，每个有检修门的功能段设置一个灯具。照明装置应采用防水全密封型。接线盒应采用防风雨型，线管穿过处应密封不透气；电线、电子元件和端子应标识清楚；高压端子必须标明；内部电源电缆应屏蔽；箱体采用绝热、隔声材料，应无毒、无腐蚀、无异味和不易吸水，其材料外露部分和箱体应具有不燃或难燃特性。【板书】（二）风口目前洁净室常用的气流组织的送风方式有三种：孔板送风、侧送、散流器送风。这些送风装置对于各房间空间内外的空气分配至关重要。必
17、须安装在正确的位置，才能保证空气在空间供气侧到回流侧的妥善分配和清扫作用，达到净化空气和清除污染物的均匀气流形式。安装位置不正确可能导致死区（局部微粒浓度增大）或气流过大（产生不利的空气湍流）。对于空气需求量较少的分级空问，采用低流量多出气口通常比高流量单出气口效果好。【板书】（三）风机和驱动装置1、风机及其驱动装置的类型及特点应用于HVAC系统的通风机一般多采用离心式或轴流式通风机，作为系统的送风机、回风机、排风机，不同的使用场所根据其性能特点可选用不同类型的风机。风机一般安装在空气处理机的供气侧，可采用无蜗壳风机送气风机或离心风机。风机可采用直接驱动或皮带驱动方式。排气抽气工作一般采用直接
18、驱动或皮带驱动翼式轴流风机或离心式风机。风机应尽量选用通过AMCA认证的产品。因为连接到空气处理设备的出口和或进口的管道会改变风机的性能，以下四种类型为风机性能检测的标准装置类型：A型：自由进口和自由出口；B型：即常鼓风运行，自由进口和管道出口；C型：即抽风运行，管道进口和自由出口；D型：管道进口和管道出口。2、风机及其驱动装置的性能要求空气处理设备在选择风机时，为保证风机在其预期寿命内正常运行，应考虑以下几方面：结构材料（刚度、重量、易清洁性、腐蚀情况）根据工作条件（清洁污染空气、温度、湿度、严苛性）确定；轴承；直接驱动与皮带驱动；静压力及流量感测；润滑；安全防护装置。【板书】（四）加热和冷
19、却设备【概述】冷却盘管属于热传导装置，由一根带有传热翅片的盘管组成，这些翅片可减少水蒸气所含的显热量以及可能存在的潜热量，其冷却介质可以是冷却液气态制冷剂。制药行业的应用场合一般需通过冷却维持环境条件。用于冷却的盘管主要有表面冷却器（简称“表冷器”）和直接蒸发器。用于空气加热的根据其介质有蒸汽盘管、热水、乙二醇或者高温气态盘管，属于热传导装置，是由一根带有传热翅片的盘管组成，可提高所经过的空气流的显热量。空气电加热元件也可称为“加热盘管”。【板书】（五）加湿和除湿设备【概述】1、加湿器 加湿器的类型根据加湿方式，加湿器可分为：直接喷干蒸汽式；加热蒸发式：电极式、电热式、PTC蒸汽发生器；喷雾蒸
20、发式：喷淋式、喷雾式、超声波式、湿膜蒸发式；红外式。 加湿器的性能要求加湿器应设有蒸汽喷射分散喷淋管和提供无液滴蒸汽吸收避免下游出现冷凝水滴的附属装置。当需要清洁蒸汽用于加湿时，应采用不锈钢制成带有气动或电动调节阀的蒸汽分离、干燥室和带外套的喷管组件。加湿器若安装在空气处理机组中，应处于冷却盘管段的下游，以确保蒸汽在空气流中有效分布和吸收。加湿器的冷凝水泄水盘应采用不锈钢材质制成，深度至少应达到5cm，应用管子连接到机组壳体外部。2、除湿 除湿机的类型空气除湿的原理和方法有：升温降湿、冷却减湿，吸收或吸附除湿三类。. 环绕式盘管系统除湿性能相当于标准冷冻水乙二醇，但能源成本较低。. 热管系统热
21、管有助于降低空气总冷却负荷，从而提高空调系统的效率。典型设计由一个冷却回路构成，该回路采用两个相连的换热器，一个在主冷却盘管的上游（蒸发器盘管段），另一个在主冷却盘管的下游（冷凝器盘管段）。当空气流过第一个换热器时，换热器内的致冷剂吸收热量蒸发，从而使通过的空气被冷却。. 双路系统双路系统采用两根盘管来分别冷却流入的外部新鲜空气和室内回风空气。高温潮湿的室外空气被一个“主”盘管冷却到57，达到除湿目的。“辅助”盘管对部分温度较低的干燥回风空气进行干冷却。部分回风空气可能绕过辅助盘管并与冷却后的回风空气混合。之后，这两个气流（外部空气和回流空气）混合为具有一定温度和湿度的供给空气。. 干燥剂系统
22、干燥剂系统适用于（且常用于）需要大量除湿而冷却除湿方法很难达到较低空间湿度（露点在3以下）的情况。这种系统可根据外部空气与回风空气所占的百分比。外部空气相对湿度及回风空气的空气流量进行设置，以调节部分或全部进入空气。吸附剂大多为固态，在接触水分时不会发生物理或化学变化，水分被吸收或保持在材料表面及其孔隙中。典型的吸附剂包括分子筛、硅胶和活性氧化铝，其中硅胶应用最广。 除湿设备的性能要求【注意事项】冷却系统中若采用除湿装置，应注意以下方面：合理选择暖通空调设备的型号和规格，确保在极端工况下提供所需的显冷和潜冷。这些通常不会同时出现。设计部分负荷工况的能量效率，因为峰值负荷出现的时间通常只占运行时
23、间的2%左右。【板书】（六）空气过滤【简介】1、概述空气处理设备应根据受控环境要求的洁净度配置各级别的空气过滤器。空气中的粒状污染物质是由固体或液体微粒子组成的。这些粒子的粒径分布范围非常广，从0.0lm到数百微米不等，对于粒径大于l0m的粒子，因为较重，在经过一段时间的无规则布朗运动后，在重力的作用下会逐渐沉降到地面上，而粒径小于l0m的粒子，因为较轻，容易随气流漂浮，很难沉降到地面上。据估算，室外空气中90%以上的悬浮微粒粒径小于0.5m，其质量所占的比例不到1%；粒径超过lm的微粒不到2%，其所占的质量百分比为97%。空气过滤在暖通空调系统内的多个部位进行，一般分为预过滤、中间过滤和最终
24、过滤三级，通过不同类型的空气过滤器实现对空气的过滤。预过滤和中间过滤（一级和二级过滤）通常在空气处理机组中外部空气和回流空气进入的位置。过滤器应达到一定的效率，使内部设备（盘管、风机）和空气处理机组在较长的一段时间内保持相对清洁，以达到预期的性能。最终过滤（三级过滤）设在空气处理机组排出段或其后（气流经过调节后），可保持管道清洁、延长终端过滤器的使用寿命。在没有终端过滤时保护人员和工作空间免受通过空气处理机组的悬浮微粒的危害。【板书】2、空气过滤器工作的机理当空气流过过滤器显微结构（例如纤维、膜）形成的一系列相互连通的孔隙空间的回旋流通路径时，微粒被捕集在过滤介质中。过滤介质过滤空气的机理包括
25、拦截效应、惯性效应、扩散效应、静电积附、筛分和重力沉积等。各机理的微粒捕集有效性主要取决于粒径、空气流速和过滤器结构的规格。拦截效应：当某一粒径的粒子运动到纤维表面附近时，其中心线到纤维表面的距离小于微粒半径，灰尘粒子就会被滤料纤维拦截而沉积下来。惯性效应：当微粒质量较大或速度较大时，由于惯性而碰撞在纤维表面而沉积下来。扩散效应：小粒径的粒子布朗运动较强而容易碰撞到纤维表面上。静电效应：纤维或粒子都可能带电荷，产生吸引微粒的静电效应，而将粒子吸到纤维表面上。筛分效应：当微粒的粒径大于两个纤维之间的横断面时，微粒无法通过而沉积。重力效应：微粒通过纤维层时，因重力沉降而沉积在纤维上。【板书】3、过
26、滤器的应用下面简要说明一级到三级过滤和终端过滤参数。 一级过滤（预过滤器）一级过滤是效率最低的过滤，用于预过滤，捕集外部空气中经常出现的较大微粒（粒径3m以上，例如昆虫或植物）。也用作延长二级过滤装置寿命的预过滤。建议采用G4过滤器。 二级过滤（中间过滤器）这种过滤器成本较高，一般设在一级过滤的下游，用于捕集较小粒径的微粒（0.3m以上），以保护空气处理机组中的盘管、风机、管道和人员。建议采用F7/8过滤器。 三级过滤（最终过滤器） 这种过滤器设在空气处理机组的排出段，在一级和二级过滤及风机盘管的下游，可以采用高中效或HEPA型过滤器。HEPA效率建议采用H12H14。 终端过滤结构形式在洁净
27、度等级为C级以上或管道中产生的微粒可能污染供给空气的情况下，一般采用HEPA作为终端过滤。终端过滤器也可用于回流排出空气。【板书】（七）风管、风阀和百叶窗1、风管通风管道应符合采暖通风与空气调节设计规范(GB 50019)。空气送风管道和一般的回风管道应采用镀锌钢板制成。如果需要防腐或保持清洁，则应采用不锈钢材质。不可采用能够增加微粒或易于滋生细菌的内部保温材料。通风管道应设置适当的支架，以承载其自身重量和保温材料及管路中的设备和控制装置。如果噪声较大，可在HEPA过滤器前安装管道消声器。如果振动较大，可考虑采用挠性支架和接头。若需采用挠性管道将支管连接到终端空气设备，应尽可能缩短其长度，不能
28、超过3m。 风管部件安装：风管部件指风口、风阀、排风罩、静压箱、消声器等，一般要采用专业厂家生产的产品。2、风阀和百叶窗风阀用于改变暖通空调系统内空气流动的方向、停止空气流动或改变空气流量。风门叶片可平行运动，也可相对运动。平行叶片风门转动方向相同，在从全开到全闭的行程中，相互间保持平行。相对叶片风门工作时，邻近的叶片转动方向相反。百叶窗一般用于引入室外空气。外部空气流入速度不能过大，以免带入雨水（建议通过百叶窗有效截面的最大空气流速为3m/s）。【板书】（八）除尘和排风系统【简介】1、 常规循环风系统一般无特殊要求的生产工艺可采取常规循环风系统，如图1-4-10所示，该系统可大大减少有关部件
29、如加热器、表冷器等的堵塞，而堵塞会造成室内新风量锐减、人员昏厥。图1-4-10 常规循环风系统2、 全新风系统有毒有害有味生产工艺的设计全部采用室外空气系统，其能量消耗最大，见图1-4-11。图1-4-11 全新风系统3、 局部排风系统车间内有局部污染的连续生产（例如片剂车间的工艺粉尘），设计应规定在生产期间均需局部抽排。依据操作需要，可分为连续式（如图1-4-12所示）和间歇式（如图1-4-13所示）。图1-4-12 连续局部排风系统图1-4-13 间歇局部排风系统同时，GMP实施指南建议粉碎、称量、配料、混合、制粒、压片、包衣、灌装等工序的空气净化系统，如经处理仍不能避免产生交叉污染时，则
30、不能利用回风。工艺除尘系统示例见图1-4-14。图1-4-14 工艺除尘系统示例多品种、多粉尘作业区宜采用直排风并设粉尘捕集系统。送回风示意如图1-4-15所示。图1-4-15 原料药送、回、排风设置示意图【板书】四、典型净化空调系统【概述】（一）集中式净化空调系统1、集中式全空气净化空调系统集中式全空气净化空调系统，按其处理空气的来源不同可以分为以下三种。 封闭式系统空调机组所处理的空气全部来自空调房间内部，几乎没有室外空气补充，基本是再循环空气，所以房间和空气处理设备形成了一个封闭环路。这种封闭式系统适用于无需采用室外空气的场合，其冷、热耗量最省。但当室内有人长期停留时，必须考虑补充室外空气，否则满足不了卫生条件。见教材图1-4-16 (a)。 直流式系统直流式系统空调机组处理的空气全部来自室外。室外空气经处理后进入室内，吸收室内的余热、余湿或补给房间所需热量和湿量后全部被排至室外。这种系统适用于不允许采用回风的场合。例如某些散发大量有害物的车间，采用循环空气时，难以去除回风中所携带的有害物，此时宜采用此种方案，见教材图1-4-16(b)。图1-4-16 封闭式与直流式全空气净化空调系统药品生产质量管理规范(GMP)实施指南中规定：下列情况的空气净化系统，如经过处理仍不能避免产生交叉污染时，则不应利用回风。.
