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优化的模块化超滤膜组系统设计

2016-06-03
前言
现在，客户对于订制的高纯管路系统产品，选择组装地点和环境已经是件很平常的事了。然而，很多时候似乎这个选择与产品质量无关，任何人只要有了几平方米的空间和一些设备，就可以自称可以组装高纯产品了。只有那些坚持严格的洁净协议、工艺和要求的制造商才能为客户提供最大的附加值，并且不会对组装厂可以生产的产品类型的灵活性产生影响。
超滤膜组系统的制造就是这样一个例子。当建造一个超纯水输送系统时，设备的选择涉及到很多因素 ，其中包括多介质过滤器、反渗透的选型、离子交换混床、精密过滤器、紫外线杀菌系统、终端过滤器、管路系统尺寸和组件等等。另外，原水和操作要求会影响最佳的纯水系统设计和布局。现在芯片厂商在全球建厂，原水质量随着水源地的地理条件、经济活动和其它因素的不同而变化。比如一套超纯水系统，可能在加利福尼亚工作正常，但放在上海就会出现问题，反之亦然。甚至全球各个地方的水生动植物也会区别很大，为减少可能的生物性污染应在纯水处理系统的设计或消毒等环节对此予以足够的考虑。 然而，尽管超纯水系统的设置地和系统规模不同，在许多情况下特定的操作还是必要的。有研究表明（1），“由于使用超滤作为末端处理步骤，同时改善了系统安装和操作以及消毒处理程序，细菌类污染不再成为困扰性的问题”。
在超滤膜组系统的组装中使用模块化方法，对于使用相同设备的不同尺寸的系统，可以避免不必要的重复加工和重复设计时间。因为不必为每一个新项目重新布局或重新设计，节约了工程师的时间。实际上，通过这种模块化设计方法会带来很多好处。本地承包商不需要在不同地点制造不同的超滤单元，避免了由于设计、尺寸、制造方式和当地劳动力价格造成的设备成本变化。而在非模块化制造中，业主面对不同地点的各种单元，而这些单元是独一无二的，经常会在故障分析和常规维护中带来麻烦。
因此，笔者将在本文中指出模块化设计的许多好处并一一阐述。

图1 两个并排的3模块超滤膜组系统。

背景和成功案例
一些全球微处理器制造商和半导体设备制造商已经在其超纯水超滤单元或膜组系统组装中应用了这种模块化概念。这样尽管半导体制造厂建在不同国家的不同地方，设计和设备均可以互相兼容。在任何需要常用的备件和特殊安装维护培训上，成本得到降低并且过程大大简化，同时在启动和后续使用中都可以有一系列程序上的简化 。
引入模块概念之前，如果有超滤设备，设计人员/安装人员/业主通常要重新设计膜组系统。当地的承包商会因地点不同，建造不同的单元。膜组系统的成本会因为设计、尺寸、安装方式、当地承包商的劳力成本的不同而不同。而业主最终会得到一个与众不同的系统，当他们需要维护系统或是需要解决问题时，就会麻烦不断。

方法
上述中的大多数工厂在其纯水输送系统中使用超滤膜组系统，一种新方法是将超滤膜组设计模块化为单、双或三过滤模块配置。然而，根据尺寸或需求不同，不同地点的流量要求变化很大，为解决这个问题，模块需设计成可组合在一起的形式，以提供所需过滤容量。得利于其一致性施工设计，超滤膜组系统是此种“预装”方式的理想替代品。每一个膜组系统具有一条3"的供水总管和产水管线，以及一条1.5"的冲洗和排水管线。供水和产水管采用法兰连接的形式，小尺寸管线采用活接的方式。如果系统的要求超过供水管流量，则可以将超滤膜组系统并联以满足需求。例如，用水点需要一个8模块单元，设计者将采用2个3过滤器单元加一个2过滤器单元，进行串联。这样的装置可提供约175GPM的流量，流速约7fps。然而，如果流量需求加倍，达350GPM，则需要2个8过滤器单元并联，每一个供水管接口为5"，以维持整个系统内的流速。膜组系统设计成可以简单地通过法兰和活接连接每个独立体。图1显示了并排的2个3模块的超滤膜组系统。请注意所使用的节约空间的膜组结构设计及阀门安装带来的死区最小化，以及牢固的支撑框架。另外也可以见到当需要连接更多单元时简便的法兰和活接连接。
3"的进水接口应用普遍，足可以为目前所有配置提供充足的流量。如果最终用户觉得末端多模块组件会影响流量，可以很方便地改装成更大尺寸的接口，这个过程可以在现场完成，或送回制造商的洁净室中进行，我们建议采用后一个方案。

模块化方法有如下优点：
一、设计灵活，可以安装所需要的准确数量的过滤单元。另外，可以在模块中设计额外容量，以便在更换过滤器或维护时使用附加过滤器，这样可以适应所有流量条件。这个冗余设计允许设备在不损失流量的情况下每天24小时运行，特别是当需要执行卫生处理程序时，此设计特别有效。
二、块很容易根据现场情况扩展或缩减，且无需进行耗资巨大的停机。隔离阀允许在不干扰系统运行的条件下增加或移除额外的过滤单元。
三、因为单元尺寸变小，起吊和装运更加简便，运输成本大大降低。过滤单元装在筒中运输，以确保施工时可以正确连接对准，并且在最终组装前可以进行低流量测试。
四、使用 这种“饼干模子” 技术可以大大减少施工时间。在半导体行业的旺季，与找到一个有经验的本地工程公司来做项目相比，订购一个有统一代码且有库存的产品有很多优势。据估计与传统施工方法相比，从订购到交货可以节约一半的时间。
五、超滤膜组的组装者知道需求并知道怎样去做。因为组装者可以花更多的时间在制造上，而不是像在单独设计中用这些时间去解析图纸，模块化设计提高了产品质量。全部管路由高纯PVDF管道组成，并且全部的焊接和组装工作在1万级洁净室中完成。在受控条件下，高纯组装更容易得以实现。膜组的单元高度限制在6"以下以便于进出洁净室或方便地在工厂里移动以作为芯片生产线用水点的终端过滤器。降低高度的另一个好处是，确保阀门安装符合人体工学原则，操作方便。
六、单元设计中考虑最佳服务能力，阀门位置合适并且过滤器维护和移除可轻松完成。例如，每个使用点具有相同的设计，操作和备件都可以统一。这些“精确拷贝”的设计允许交叉使用以及按需定制。
七、模块化设计使得施工质量得到改善。基于这个概念，完全在受控的洁净室条件下制造和测试膜组系统成为可能，从而确保最终产品的高纯性能。任何与产量有关的问题都会导致新技术的产生，但将降低产量的缺陷同一般干扰性缺陷区分开来显得尤为重要，尤其是在工艺达到90nm后。在任何管路系统安装过程中导入的颗粒物就是降低产量的缺陷来源之一。
八、设计中单元之间更紧凑，投影面积更小（最多一张半架空地板块的面积大小）（随着芯片厂的空间建设成本不断上升，这一点显得尤为重要。在2002年，建造一个最先进工艺的芯片厂成本接近30亿美元。今天，建立一个芯片厂的成本有时会超过60亿美元，甚至到2010年有可能达到100亿美元。）系统紧凑需部分归功于零死区阀门（ZSV）的使用，如图1所示。 零死区阀门的朝向技术特点，如0°， 90°以及180°。
九、由于超滤单元可以通过代码从供应商处订购而不是在现场建造，总体成本降低了。并且无需任何再加工。业主可以预计一个特制单元的标准成本，并且与地点、当地劳动力价格、订购单元数量、材料库存量以及其他因素无关。
十、建造一个芯片厂将会为环境带入很多废弃物，这些废弃物最终都需要在环境中消解。随着“绿色思维”压力的增大，要求工程公司处置建设地点的废弃物，芯片厂承担了这一额外的处理和处置费用。制造超滤膜组系统则可以实现建设地点无废弃物，同时降低了超滤，膜组制造商的废弃物产生量。也就是说，不同于芯片厂，超滤膜组制造商不需要订5米高纯PVDF管而只用其中3米。制造商可以在下一个订单中将剩余管材用掉。
十一、该设计适用于任何冷热纯水系统的应用。阀门的正确选型是满足热系统操作范围的关键。对于连续工作在50℃以上或温度变化幅度达80℃的系统，适宜选择HTR（耐高温）阀门 。HTR型阀门可对温度循环条件下常见的阀体、膜片和相应硬件之间的热胀冷缩进行补偿。

讨论和小结
在安装超滤膜组系统时，模块化制造方式是最为经济的方案，具有许多优点。灵活性、系统变化的简便性，运输费用降低、施工速度加快、特定的专业工人、优化的服务程序、受控的洁净室制造、紧凑设计、总成本降低、环境友好以及冷热应用仅仅是其中一个方面。
事实上，通过采用模块化方式，已经实现在现场节约数千美元。有研究表明，一个本地承包商制造的3单元膜组系统，成本3倍于类似的通过模块化方法制造的膜组系统，这也表明模块化制造是经济的。基于这些数据，该公司自从采用模块化制造超滤膜组系统以来总成本节约超过100万美元。此数据还不包括省掉的工程和设计费用以及降低的操作和维护费用。除了硬件方面节约以外，还存在隐性的节约。例如， 没有了加工和再设计过程，不用再提交相应图纸、维护必要文件以及相关附加费用。总的来说，工程师和设计师可以花更多时间在独特的工艺系统上面，而不是常规工作，类似的系统很容易就可以复制。
在成本受限的时代，需要更快的安装时间以及产品改善，模块化设计是实现这些目标的一种方法。 (本文
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