plc用于水处理设备的设计论文.docx

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plc用于水处理设备的设计论文

兰州工业高等专科学校

毕业设计（论文）

题目钠离子交换水处理设备及工艺

系别机械工程系

专业数控技术

班级数控08-2班

姓名姚海强

学号200801103239

指导教师（职称）刘哲

日期2011.03.05

毕业设计（论文）设计任务书

1、题目说明（目的和意义）

钠离子交换器是由交换柱、盐罐、旋转伐、盐伐、管路等组成,主要利用旋转阀以及手搬式皮带轮进行控制,而旋转阀的转动是依靠电动机（A02-8014、140转、550W）的正、反转来实现。

其中自动控制采用时间继电器以及行程开关来控制;当手动时采用手搬皮带轮来实现,参见图1。

盐路系统由主盐罐、沉淀池和盐阀组成,不需要盐池、盐泵。

食盐（工业用盐）贮于两个盐罐内,饱合盐液定时通过转子流量计输入旋转阀,经稀释后进入交换柱,完成再生周期。

原控制系统可以根据工艺流程自动完成松床再生、清洗、排空、产水这4个过程,完成一个周期,连续重复运行。

通过长期运行实践,发现存在以下问题:

（1）控制核心旋转阀结构复杂,棘轮、丝杠、丝母等机械部件易损坏,直接影响工作。

（2）旋转主要依靠电动机来实现,其中正反转接触器通断频繁,触头易磨损,另外时间继电器以及行程开关也直接影响其控制系统的可靠性。

（3）旋转阀、盐阀长时间使用易磨损,不方便维修、更换,而且投入成本高。

（4）电机能耗高,而且自动化水平低。

（5）定时精度及计量精度低,误差大。

由于该控制系统存在上述问题,因而有了此次系统改造。

图1原钠离子交换系统构置示意图

2、设计（论文）要求（工作量、内容）

任务是：

首先,我们根据工艺流程对钠离子交换器的管路系统以及电气系统进行彻底改造,淘汰了旋转阀、盐阀、电机等。

全部改用二位及三位电磁阀和流量计,按照工艺用PLC进行控制,大大提高了可靠性,降低了成本,其管路如图2所示。

其中,2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#为二位通断电磁阀,10#、11#为三位通断电磁阀,而盐罐出口装有流量精度为0.01t的流量计用来提示加盐。

图2改造后的钠离子交换器管路示意图

3、成绩评定

毕业设计完成后，指导教师应审阅签名。

答辩时按说明书顺序学生自述10——15分钟讲明设计中的主要问题，然后回答问题。

答辩委员会依据设计的质量、平时设计情况和答辩的正确程度，进行成绩评定。

摘要

制药工厂生产相关的主要公用系统有空调系统及水系统等，水系统包括一次水（饮用水）、纯水及注射用水。

其中纯水系统在制药企业广泛应用，并对药品质量有直接的影响。

随着制药界法规（GMP法规）的完善，GMP审计对制药厂水系统体现了更多的关注。

尤其在98年版的中国“药品生产管理规范”中，水系统的验证以规范的形式体现出来。

因此水系统的建造从设计阶段开始即纳入质量管理的范畴。

本论文在综合分析当前纯水制备技术的基础上，结合一套新纯水系统的建造工程，从纯水系统的概念设计、工艺流程确定、详细设计、设备选型、工艺计算、施工过程及验证要求，归纳和总结了纯水系统设计应注意的问题及解决该类问题的技术手段。

结合该新水系统的设计建造，解决了分配系统高温运行与节能的矛盾，实现了系统中不存在死点的问题，落实了制备系统有效热消毒的问题及自循环的问题，实现纯水中化学物质、微生物的脱除及微生物的有效控制，水量的稳定供给及精确计量，解决了工厂现存系统的质量问题，并实践了纯水系统符合国际、国内GMP法规要求的验证体系。

目前该系统已稳定运行30天，产水约1000立方米，出水水质符合并超越中国药典、欧洲药典及美国药典的要求。

完全达到设计标准。

由于该纯水系统的设计采用了一些注射用水分配单元的设计理念，对注射用水系统的建造也有一定的指导意义。

关键词：

纯水、验证、流速、温控

Abstract

KeyufilitysysteminpharmaceuticalindustryplantareHVACsystemandwatersystem，andwatersystemincludecitywatersystem,purifiedwatersystemandWFI（waterforinjection）system．Purifiedwaterarebroadlyusedinpharmaceuticalindustry，andhavedirectimpactondrugproductquality．Forregulatory（GMPregulatory）becomesmoreandmorestringent,GMPinspectionfocusesmoreonwatersystem．WatersystemvalidationisclearlydeclaredinChinaGMP1998version．Thenpurifiedwatersystemconstructioniscoveredbyqualitymanagementfromdesignstage．Basedoncurrenttechnologystudy，followinganewpurifiedwatersystemconstructionprocess，thispapersummarizedkeyproblemsandapproachesonhowtOhandlethemonpurifiedwatersystemconstruction．Thestudyincludebriefdesign，processselection，detaildesign，equipmentselection，processcalculation，siteconstructionandvalidation．Highlightofthedesignandconstructionis，foundagoodapproachtosolvetheproblemofhotwatercirculationandenergysaving，realizednodeadleginsystem．realizedhotwatersanitizationforgenerationunitandselfcirculation．Thenewpurifiedwatersystemconstructionrealizednotonlyeliminatingchemicalmaterialsandmicroorganismfromrawwaterandmicroorganismcontrolbutalsowatervolumeandaccuracycontr01．Internationalandlocalvalidationphilosophywerebuiltinthenewpurifiedsystem．Newpurifiedwatersystemresolvedproblemsofoldsystem．Tillnowthenewpurifiedwatersystemhasbeenrunningfor30daysandproducedpurifiedwaterapproximately1000cubicmeter．QualityofwatermeetandexceedChina，EUPhamarcopeiaandUSPspecification．Duringdesignstage，

technologyofdistributionunitofWFIsystemwereusedforthepurifiedwatersystem，soitcanbeareferenceforwaterforinjectionsvstemconstructionaswell．

Keywords：

Purifiedwater、Validation、Flowvelocity、Temperaturecontrol

引言

制药生产除了药物活性成份（API）及辅料（ExciPient）外最重要的材料是工艺用水，包括饮用水（CityWater）、纯水（PutifiedWater）及注射用水（WaterforinJection）。

广泛用于药物分析、设备清洗，粘和液配制及药物组成，如液体药物制剂。

其中纯水的应用最为普遍。

随着“因素控制”理念的普及，在制药界的GMP审计方面，国际国内对制药厂水系统越来越关注，制药企业对水系统越来越重视。

目前纯水的制备工艺及技术多种多样，工艺流程各不相同，同时由于理念的不同，设计过程千差万别。

西安杨森工厂的纯水系统建于1988年，设计工作更早，随经多次改进，其工艺工程存在诸多缺陷，在2002到2004年间，出现诸多偏差（Deviation），影响了产品质量，同时由于生产量的扩大，建造新纯水系统在工厂形成共识。

在2004年管理层批准了预算（约15，000，000元），该项目得以展开。

在新纯水系统的建造过程中，项目组（本人是项目负责人）总结了现有的水系统新工艺，并结合国际组织，如ISPE（InternationalScienceandPharmaceuticalEngineer），及其他国家，如美国药监局（FDA）和欧盟（EuropeUnion）对纯水系统的建造要求，在执行新水系统项目的过程中，采用新技术、新工艺、新方法，解决了设计过程中技术选择、流程确定、设备选型、工艺计算等问题，并把验证的理念贯穿始终。

解决了原有纯水系统微生物污染、水量精确供应等问题，使新纯水系统完全符合验证的要求。

为工厂2006年10月接受欧盟的GMP审计奠定了基础。

同时，由于采用了与国际质量管理体系相吻合的理念，总结该过程，可以作为其他制药企业进行符合国际规则要求的类似公用系统设计建造的一个示范。

．

绪论

1、研究目的

（1）此次设计研究，是完成钠离子交换器PLC控制设计，是依据原有的手动控制交换器进行的改造设计。

使学生进一步巩固和加深对所学的基础理论、基本技能和专业知识的灵活运用。

（2）培养学生综合运用所学过的基础理论、基础知识和基本技能进行分析和解决实际问题的能力。

（3）培养学生的设计计算、文字表达、文献查阅、计算机应用、工具书使用等实践能力以及维稳资料的阅读和翻译的基本技能，使学生初步掌握科学研究的基本方法。

（4）使学生树立符合国情和生产实际的正确设计思想和观点，培养严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识、善于与他人合作的工作作风。

（5）是学生获得从事科研工作的初步训练、培养学生独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其培养学生独立获取新知识的能力。

（6）培养学生对PLC进行实际应用的能力。

2、设计背景

随着工业化的发展，大量的生活和工业废水排入水体，使人类赖以生存的水源日益受到污染，另一方面，随着人们生活水平的提高和健康条件的改善，对饮用水水质的要求越来越高。

传统的混凝、沉淀、过滤和消毒处理工艺已很难满足日益严格的水质要求。

各种水处理技术相继涌现。

并受到全球范围的高度重视，各发达国家、各大化工公司均斥巨资进行水处理技术的开发研究与应用推广。

目前世界上水处理技术应用遍及化工、石油与石油化工、电子、纺织、冶金、环保、生物、医疗、轻工、核技术等领域，特别是近年来膜分离技术在水处理领域的规模应用，为我们展示了一个美好的前景。

除铁锰技术以及那离子交换技术作为前期水处理技术，显得尤为重要，在生产中，提高前期的水处理技术含量以及工作效率对于日常生活以及生产的意义显而易见。

3、作用及意义

改造后的那离子交换装置具有占地小、能耗低、出水水质优、处理效果好、对环境影响小等特点，是解决当代能源、资源和环境问题的新技术；提高了控制的精度以及控制的效率。

是二十世纪水处理领域的优选技术。

1.药厂GMP认证的工艺用水系统

随着国家对药品管理和药品生产管理法制化的加强，药品生产质量管理规范（GMP）的不断完善，自2000年以来为了实施卫生部提出的使80%以上的药品生产企业达到国家GMP认证的要求，许多药厂在药品的生产管理质量上投入的大量的精力和金钱。

笔者有幸参与了数家制药厂水处理系统的建设与改造工程，对于针对国家GMP认证的药厂工艺用水系统流程及设备的选型有了更深入的涉猎。

　　为了达到《中国药典》（2000年版）关于制药行业纯化水电阻率≥0.5MΩ·CM/25℃（对于注射剂、滴眼液容器冲洗用的纯化水电阻率≥1.0MΩ·CM/25℃）的要求，工艺用水制备方法多采用两级反渗透的处理方式。

下图是以天津市自来水为原水的典型工艺流程：

图1-1治水流程图

1.1对预处理设备的基本要求

预处理设备包括多介质过滤器、活性炭过滤器。

　　多介质过滤器是以优质均粒的砾石、石英砂、活性炭为滤料,利用其组成的孔隙,将原水中的泥沙、胶体、悬浮物等杂质截留住；活性炭过滤器是以优质的果壳炭为原料，得用其很强的物理吸附能力去除水中的余氯、胶体微粒、有机物，色度和异味等。

两台过滤器均选用美国阿图祖（Autotrol）公司263/440i全自动多路阀控制，根据市政管网用水的特点，设置每天23:

00对过滤器分别进行自动反洗，采用控制反洗流速及强度的水流反洗方法。

活性炭过滤器预留进气口，必要时可蒸汽消毒。

　　以上各项满足了GMP认证中对预处理设备的要求：

1、多介质过滤器要求自动反冲；2、活性炭过滤器为有机物集中地，为防止细菌及细菌内毒素的污染，除要求能自动反冲外，还可用蒸汽消毒。

此外，过滤器、水箱、管路、阀门及输送泵（泵头）均采用0Cr18Ni9（SUS304）材质。

1.2对纯化水制取设备（脱盐系统）的基本要求

脱盐系统包括保安过滤器、两级反渗透装置，也是本套系统的核心部分。

　　保安过滤器的过滤精度为3μm，主要用于去除水中大于3μm的悬浮物、颗粒物及胶体微粒等杂质，从而保证满足反渗透装置进水SDI值的要求，达到保护反渗透膜的目的。

当保安过滤器的进、出水压差＞0.05MPa时，建议厂家更换滤芯。

保安过滤器的设置满足了GMP认证对纯化水制取设备中反渗透装置在进水口处须安装3.0μm的水过滤器的要求。

　　自然渗透现象中，水分子从浓度低的溶液一侧透过半透膜往浓度高的溶液中迁移。

若在浓溶液一侧施加一个大于渗透压的压力时，溶剂的流动方向将与原来渗透方向相反，开始从浓溶液向稀溶液一侧流动，这一过程称为反渗透（RO）。

反渗透是渗透的一种反向迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，它已广泛应用于各种液体的提纯与浓缩，其中最普遍的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。

　　系统采用美国海德能（HYDRANAUTICS）公司生产的ESPA节能型超低压复合膜，它具有超低的运行压力（较常规低压复合膜的运行压力降低了25～40%）；更高的水通量（在大通量时有着与其它复合膜相同的高脱盐率）；更宽的水质适用范围和压力适应范围等优点。

此类RO膜的高水通量、高脱盐率的特性使设备的制造成本和系统设备投资费用大为降低，并且可大量地节省能源，降低了系统的运行费用。

　　高压泵选用格兰富（GRUNDFOS）CR型多级离心泵，泵头采用AISI316不锈钢材质；轴承采有强耐磨材料，具有寿命长、适用性强的特点。

1989年，格兰富公司成为世界上第一个被授予国标ISO9001标准质量证书的泵类产品制造商；格兰富的各生产制造厂也根据国标ISO9002标准注册，该国际标准包括了生产过程和质量保证；格兰富所有的生产制造厂被授予国际环保标准和欧共体EMAS的ISO14001证书。

　　由于原水中硬度相对较高，为了防止反渗透膜元件浓水侧（水通道）结垢，延长膜的使用寿命，保证反渗透装置的正常运行，在反渗透进水前设置加药装置，定量向反渗透膜元件中加入反渗透膜专用的高效阻垢剂/分散剂。

阻垢剂/分散剂的加入浓度为≥3ppm。

　　选用美国KINGLEE的PTP-0100阻垢剂/分散剂，符合美国国家饮用水ANSI/NSF60标准；调节PH值装置是定量向系统加入由纯化水配制的分析纯NaOH溶液，调节反渗透系统的进水PH值，以保证RO产水水质。

上述两种药剂均达到GMP认证条款3206中设备所用的润滑剂、冷却剂等不对药品或容器造成污染的要求。

1.3对贮水容器的基本要求

　　后处理系统包括终端水箱（即贮水容器内设快装式空气过滤器、浸入式UV）、流过式紫外线装置及微孔过滤器。

　　终端水箱及呼吸器均采用00Cr17Ni14Mo2材料制作而成。

内设浸入式紫外线装置杜绝细菌及微生物的繁衍，杀菌灯管（GPH303T5L/15W）是美国原装进口灯管，其设计使用寿命为10000小时，建议使用8000-9000小时后更换，以确保设备杀菌效果；清洗球便于贮罐的消毒及化学清洗；呼吸器（0.2μm）对水位变化做补偿，防止水中氧含量升高，防止二氧化碳进入贮罐并能防止微生物污染。

出水点设在水箱最底部，因隔膜便于去除阀体内的溶解杂质，微生物不易繁殖，故采用SUS316L隔膜阀排水。

以上各项满足GMP认证对贮罐的要求。

　　紫外线杀菌装置主要由SUS316L外壳、紫外线灯管、石英套管、镇流器、计时器等组成。

高强度低压汞灯放射出波长为254～257nm的紫外线最容易被细菌体内的核酸吸收，紫外线的能量破坏核酸的功能，从而达到杀菌的目的。

用于终端水箱的出口处。

因为循环水会将因各种原因所造成的循环管路内的污染物（细菌）带回到终端水箱内，造成终端水箱内的纯化水被细菌污染，为了确保系统出水的细菌总数符合中国药典-2000版纯化水水质标准，所以要在终端水箱的出水口处增加紫外线杀菌装置。

紫外线灯管选用美国原装进口灯管，使用寿命为8000～10000小时，当计时器显示为8000小时，建议厂家考虑更换。

紫外线杀菌装置的选择满足GMP认证要求：

由紫外线激发的255nm波长的光强与时间成反比，要求有记录时间的仪表和光强度的仪表，其进水部分采用316L不锈钢，石英灯罩应可拆卸。

　　微孔过滤是纯水设备的终端，过滤器罐体材质为SUS316L，选用微孔滤芯孔径为0.2μm。

微孔过滤的目的是去除纯水中微米及亚微米级的细小悬浮物、微生物、微粒、细菌和胶体物质等杂质。

过滤器的工作方式为外压式，当微孔过滤器在运行中其压差达到0.02MPa时，建议更换微孔滤芯。

1.4对管路分配系统及输送泵的基本要求

不断循环的系统易于保持正常的运行状态，本套系统考虑到水在管路中能连续流动，对微孔过滤器---用水点---终端水箱做了大循环处理；并从药洗箱（药洗反渗透膜元件水箱）引出一支管至终端水箱洗球，可以保证定期对终端水箱做清洁和消毒。

　　由于本套系统设置了终端水箱不合格出水的二次处理，当中间水箱处于高液位时二级反渗透系统的不合格出水也回中间水箱，此时如果终端水泵的输水能力大于中间水泵的输水能力就可能会造成中间水箱溢流，为了防止这一现象的发生，终端水泵应选用高扬程小流量的型号，设置变频供水，在满足各用水点的用水要求的同时还与中间泵运行流量相匹配。

　　各水泵的出水设计成“紊流式”，以阻止生物膜的形成。

分配系统的管路安装有足够的坡度并设有排放点，以便系统在必要时能够完全排空。

水循环的分配排放系统应避免低流速。

1.5对工艺用水系统日常管路的基本要求

　　制水系统的日常管理包括运行、维修，它对验证及正常使用关系极大，所以应建立监控、预修计划，以确保水系统的运行始终出于受控状态。

这些内容包括：

　　⑴制水系统的操作工必须是经我方正式培训并考试合格的人员，工艺水系统的操作及维修必须遵循操作说明书及SOP；

　　⑵水质测量器具包括电导仪、压力表、流量计等必须定期（一般是一年）经过国家计量器的标准；

　　⑶循环管路、终端贮水罐必须制定定期消毒／灭菌计划（根据用水量及设备的启停周期而定）；

　　⑷常备易损件及是日常消耗品，制定水处理设备的预防性维修计划；

　　⑸关键水处理设备（包括滤料、滤料、膜等）、管路分配系统等要制定定期更换计划。

2.钠离子交换器以及填料

2.1离子交换

　　以离子交换剂上的可交换离子与液相中离子间发生交换为基础的分离方法。

广泛采用人工合成的离子交换树脂作为离子交换剂，它是具有网状结构和可电离的活性基团的难溶性高分子电解质。

根据树脂骨架上的活性基团的不同，可分为阳离子交换树脂、阴离子交换树脂、两性离子交换树脂、螯合树脂和氧化还原树脂等。

用于离子交换分离的树脂要求具有不溶性、一定的交联度和溶胀作用，而且交换容量和稳定性要高。

　　离子交换反应是可逆的，而且等当量地进行。

由实验得知，常温下稀溶液中阳离子交换势随离子电荷的增高，半径的增大而增大；高分子量的有机离子及金属络合阴离子具有很高的交换势。

高极化度的离子如Ag+、Tl+等也有高的交换势。

离子交换速度随树脂交联度的增大而降低，随颗粒的减小而增大。

温度增高，浓度增大，交换反应速率也增快。

　　离子交换树脂可以再生。

将交换耗竭的离子交换树脂和适当的酸、碱或盐溶液发生交换，使树脂转化为所需要的型式，叫做再生。

这类酸、碱或盐就叫再生剂。

　　设备离子交换过程常在离子交换器中进行。

离子交换器类似压力滤池，外壳为一钢罐；离子交换通常采用过滤方式，滤床由交换剂构成，底部为附有滤头的管系。

　　离子交换分离广泛用于：

①水的软化、高纯水的制备、环境废水的净化。

②溶液和物质的纯化，如铀的提取和纯化。

③金属离子的分离、痕量离子的富集及干扰离子的除去。

④抗菌素的提取和纯化等。

2.2离子交换器

　　软化器即为钠离子交换器，离子交换器分为：

钠离子交换器、阴阳床、混合床等种类，。

离子交换柱（器）外壳一般采用硬聚氯乙烯（PVC）、硬聚氯乙烯复合玻璃钢（PVC-FRP）、有机玻璃（PMMA）、有机玻璃复合透明玻璃钢（PMMA-FRP）、钢衬胶（JR）、不锈钢衬胶等材质。

主要用于锅炉、热电站、化工、轻工、纺织、医药、生物、电子、原子能及纯水处理的前道处理，工业生产所需进行硬水软化、去离子水制备的场合，还可用于食品药物的脱色提纯，贵重金属、化工原料的回收，电镀废水的处理等。

　　混床是将阴阳离子交换树脂按一定混合比例装填在同一个离子交换器内，由于混合离子交换后进入水中的H离子与OH离子立即生成电离度很低的水分子，可以使交换反应进行得十分彻底。

混床一般设置于一级复床之后，对水质的进一步纯化处理。

当水质要求不高时，也可以单独使用。

　　钠离子交换器即软化器是用于去除水中钙离子、镁离子，制取软化水的离子交换器。

组成水中硬度的钙、镁离子与软化器中的离子交换树脂进行交换，水中的钙、镁离子被钠离子交换，使水中不易形成碳酸盐垢及硫酸盐垢，从而获得软化水。

　　有机玻璃离子交换装置耐腐蚀、无色透明、适用于食品、医药、制糖及电子工业小规模纯水制备。

碳钢衬胶离子交换装置具有制水量大、强度高、成本低等特点，适用于大型锅炉软化水及大规模纯水制备。

　　纯净水是普通水经过电渗析，使水中原有的矿物质含量极大的降低，同时消毒灭菌，这样的水就成为了“纯净水”。

　　电渗析工程是应用膜法分离工程之一，它的原理是利用离子透过选择性离子交换膜在直流电场的作用下进行迁移