Bộ trao đổi nhiệt dược phẩm phải được xả hết nước giữa các lô để tránh lây nhiễm chéo và cho phép khử trùng hoàn toàn. Thiết bị vỏ và ống nằm ngang tiêu chuẩn sẽ luôn có một phần chất lỏng nhỏ bị mắc kẹt ở đáy vỏ và ở phần uốn cong chữ U phía dưới của ống. Thiết kế có khả năng thoát nước hoàn toàn không phải là ngẫu nhiên; đó là một cấu hình hình học có chủ ý nhằm đảm bảo từng giọt chất lỏng cuối cùng có thể thoát ra khỏi bộ trao đổi nhiệt dưới tác dụng của trọng lực. Đối với các bộ trao đổi PTFE được sử dụng trong các quy trình vệ sinh hoặc có độ tinh khiết cao, đạt đượcthiết kế bó trao đổi PTFE hoàn toàn có thể thoát nướclà một yêu cầu kỹ thuật cơ bản.
Tại sao một thiết kế hoàn toàn có thể thoát nước là cần thiết
Trong các ứng dụng dược phẩm, công nghệ sinh học, thực phẩm và hóa học tinh xảo, chất lỏng còn sót lại bên trong bộ trao đổi nhiệt sau quá trình sản xuất có thể dẫn đến:
Nhiễm chéogiữa các lô sản phẩm khác nhau
Sự phát triển của vi sinh vậttrong túi chất lỏng ứ đọng
Làm sạch không đầy đủtrong chu trình làm sạch tại chỗ (CIP)
Thất bại trong việc khử trùngxác nhận (ví dụ: chu trình hấp tại chỗ)
Các tiêu chuẩn quy định như cGMP (Thực hành sản xuất tốt hiện hành) và các hướng dẫn như ASME BPE (Thiết bị xử lý sinh học) yêu cầu rõ ràng rằng thiết bị xử lý phải có khả năng thoát nước ở mức độ lớn nhất có thể. Bộ trao đổi nhiệt PTFE, với bề mặt trơ về mặt hóa học và không dính, về bản chất là dễ thoát nước hơn bộ trao đổi kim loại, nhưng thiết kế hình học vẫn phải tuân theo các nguyên tắc cụ thể.
Nguyên tắc thiết kế cốt lõi cho bộ trao đổi PTFE có thể thoát nước hoàn toàn
1. Định hướng dọc của bộ trao đổi
Bộ trao đổi được thiết kế đểcài đặt theo chiều dọc. Hướng thẳng đứng cho phép trọng lực tác động đồng đều lên các bề mặt bên trong, không giống như hướng nằm ngang nơi các điểm thấp và uốn cong chữ U giữ lại chất lỏng. Trục dọc cũng đơn giản hóa việc bố trí các vòi phun và đường dẫn dòng chảy bên trong.
2. Thoát nước bên ống: Cửa vào dưới, Cửa ra trên
Chất lỏng bên ống đi vào ởđáyvà thoát ra tạiđứng đầucủa bộ trao đổi dọc. Cấu hình này đảm bảo rằng bất kỳ chất lỏng nào còn lại trong ống khi dòng chảy dừng lại sẽ tự nhiên chảy xuống phía dưới vòi vào/ra ở phía dưới. Với vòi phun phía dưới đóng vai trò là cả đầu vào và đầu ra, không có chất lỏng nào bị mắc kẹt ở tấm ống phía dưới hoặc đầu ống. Đối với bó ống chữ U, cần đặc biệt chú ý: vùng uốn chữ U phải hướng lên trên sao cho các đầu hở hướng xuống dưới, ngăn chặn chất lỏng đọng lại ở chỗ uốn.
3. Thoát nước bên vỏ: Đáy dốc hoặc hình nón
Mặt vỏ cũng phải có khả năng tự thoát nước. Điều này đạt được bằng mộtthiết kế vỏ đáy hình nón hoặc dốc, với vòi thoát ra phía vỏ được đặt ở điểm thấp nhất tuyệt đối. Đầu phẳng hoặc lõm không có độ dốc sẽ giữ lại gót chân còn sót lại. Thay vào đó, kênh đáy hoặc đầu vỏ được chế tạo với độ dốc ít nhất 3–5 độ (hoặc góc hình nón 60–90 độ) hướng toàn bộ chất lỏng tới một vòi xả điểm thấp duy nhất.
4. Lỗ thoát nước trên vách ngăn
Tất cả các vách ngăn bên trong-dù là loại phân đoạn, đĩa và bánh rán hay các loại khác-phải cólỗ thoát nướcở điểm thấp nhất của họ. Nếu không có những lỗ này, chất lỏng sẽ tích tụ ở phía thượng nguồn của mỗi vách ngăn và không thể thoát ra ngoài. Các lỗ thoát nước thường được khoan hoặc đục lỗ với đường kính 5–10 mm, được đặt ngang bằng với đáy vỏ. Số lượng và kích thước của các lỗ thoát nước không được ảnh hưởng đáng kể đến việc truyền nhiệt hoặc giảm áp suất.
5. Tránh Chân Chết và Bẫy
Thiết kế phải tránh bất kỳ 'chân cụt' hoặc túi nào mà chất lỏng có thể tích tụ. Chân chết có thể xảy ra tại:
Kết nối dụng cụ (thermowell, vòi áp lực)
cuống vòi chưa sử dụng
Khoảng trống giữa vách ngăn và tường vỏ
Các mối nối ống với tấm ống không phẳng hoàn toàn
Tất cả các kẽ hở bên trong phải được giảm thiểu và bất kỳ khoang nào cũng phải có khả năng tự thoát nước. Đặc tính chống dính vốn có của PTFE có ích nhưng hình học là biện pháp bảo vệ chính.
Vai trò của vật liệu PTFE trong khả năng thoát nước
Bó PTFE, với các ống nhẵn, chống dính, tự nhiên dễ thoát nước hơn và để lại ít cặn hơn so với bó kim loại. PTFE có hệ số ma sát rất thấp và năng lượng bề mặt đẩy lùi hầu hết các chất lỏng hữu cơ và nước. Các giọt dễ dàng trượt ra, làm giảm độ dày màng có thể bám vào ống. Tuy nhiên, thiết kế hình học vẫn là yếu tố nổi trội: ngay cả bề mặt chống dính cũng không thể thoát nước khỏi bẫy uốn cong chữ U nằm ngang.
Tuân thủ các tiêu chuẩn vệ sinh và ASME BPE
Tiêu chuẩn ASME BPE (Thiết bị xử lý sinh học) cung cấp hướng dẫn chi tiết về thiết kế thiết bị có thể làm sạch và thoát nước. Các yêu cầu chính có liên quan bao gồm:
Độ dốc tối thiểu 1% (1 cm mỗi mét) đối với đường thoát nước ngang (mặc dù hướng thẳng đứng được ưu tiên cho chính bộ trao đổi)
Không có bán kính bên trong nhỏ hơn 6 mm (để thuận tiện cho việc vệ sinh)
Cổng xả có kích thước cho phép thoát nước hoàn toàn bằng trọng lực mà không cần khóa khí
Bề mặt hoàn thiện phù hợp với dịch vụ (mặc dù PTFE vốn đã không xốp)
Các nhà thiết kế của mộtthiết kế bó trao đổi PTFE hoàn toàn có thể thoát nướcnên tham khảo các phiên bản ASME BPE‑2022 trở lên để biết các tiêu chí thử nghiệm và kích thước cụ thể.
Những cân nhắc thực tế trong việc chế tạo gói
Bố trí ống và tấm ống dọc
Tấm ống phải được khoan sao cho các ống được bố trí sao cho có thể thoát nước tự do giữa chúng. Các tấm ống dọc thường được gia công phẳng, nhưng bó được lắp vào một lớp vỏ thẳng đứng. Bản thân các ống được giữ cố định ở tấm ống trên và dưới. Đối với các ống PTFE dài, thẳng đứng (ví dụ: dài 2–4 m), cần có lực căng hoặc giá đỡ thích hợp để tránh bị võng.
Kiểm tra xác minh thoát nước
Sau khi chế tạo, bộ trao đổi phải chịu mộtkiểm tra xác minh hệ thống thoát nước. Nước được tuần hoàn qua cả phía ống và phía vỏ, sau đó thoát ra dưới tác dụng của trọng lực trong một khoảng thời gian cố định (ví dụ: 5 phút). Chất lỏng dư được thu thập và đo lường. Thiết bị có thể thoát nước hoàn toàn không được để lại quá vài ml chất lỏng (về cơ bản chỉ là màng bề mặt, không có thể tích gộp). Bất kỳ khối lượng bị mắc kẹt nào đều cho thấy một sai sót trong thiết kế.
Tích hợp với hệ thống CIP và SIP
Bộ trao đổi nhiệt có thể xả hoàn toàn cũng hỗ trợ các chu trình làm sạch tại chỗ (CIP) và hấp tại chỗ (SIP). Trong quá trình CIP, dung dịch tẩy rửa phải tiếp xúc với tất cả các bề mặt bị ướt; chất lỏng bị mắc kẹt sẽ làm loãng hoặc bỏ qua chất lỏng tẩy rửa. Trong quá trình SIP, nước ngưng phải thoát ra hoàn toàn để tránh đọng lại có thể ngăn cản việc đạt đến nhiệt độ khử trùng. Một bó PTFE được thiết kế phù hợp với bề mặt nhẵn sẽ dễ dàng làm sạch và khử trùng hơn so với bó bằng kim loại.
Kết luận: Hình học giống như phễu cho hệ thống thoát nước quan trọng
Bộ trao đổi nhiệt PTFE có khả năng thoát nước hoàn toàn là một thiết kế có chủ ý, tinh khiết về mặt hình học, cần thiết cho các yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng làm sạch của các ngành công nghiệp dược phẩm, thực phẩm và hóa chất tinh khiết. Bộ trao đổi nhiệt được thiết kế giống như một cái phễu, với mọi bề mặt bên trong dốc và nghiêng để dẫn hướng cho điểm rơi quan trọng cuối cùng ra khỏi cửa. Bằng cách áp dụng hướng thẳng đứng, dòng ống từ dưới vào/từ trên ra, đáy vỏ dốc và các lỗ thoát nước trên vách ngăn, thiết kế này đã loại bỏ tất cả bẫy chất lỏng. Lít chất lỏng quan trọng nhất trong một quy trình là lít cuối cùng, phải được loại bỏ hoàn toàn. MỘTthiết kế bó trao đổi PTFE hoàn toàn có thể thoát nướcđáp ứng yêu cầu đó với sự kết hợp giữa hình học thông minh và tính chất chống dính vốn có của PTFE.
