制药工程工艺设计第二章.docx

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制药工程工艺设计第二章

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第二章工艺流程设计

第一节概述

一、工艺流程设计的重要性

工艺流程设计是车间工艺设计的核心。

因为生产的最终目的在于得到高品质、低成本的产品，而这就取决于工艺流程的可靠性、合理性及优先性，而且工艺流程设计的其它项目均受制于工艺流程设计，换言之，必须满足工艺流程设计的要求。

工艺流程设计设计包括实验工艺流程设计和生产工艺流程设计两部分。

二、工艺流程设计的任务和成果

任务：

确定流程的组成，确定载能介质的技术规格和流向，确定生产控制方法，确定“三废”的治理方法，制定安全技术措施，绘制工艺流程图，编写工艺操作方法。

成果：

初步设计阶段是带控制点的工艺流程图和工艺操作说明，施工图阶段是带控制点的工艺流程图，即管道仪表流程图（PID）。

三、工艺流程设计的原则：

保证产品质量符合规定的标准，尽量采用成熟、先进的技术设备，满足GMP的要求，尽量减少能耗，尽量减少“三废”的排放，具备开车、停车条件，易于控制，具有柔韧性，即在不同条件下能够正常操作的能力，具有良好的经济效益，确保安全生产，以保证人身和设备等的安全。

第三节工艺流程图

工艺流程图是以图解的形式表示工艺流程。

工艺流程图能够分为工艺流程框图、设备工艺流程图、物料流程图、带控制点的工艺流程图。

一、工艺流程框图

这是一种定性图纸，便于方案比较和物料衡算，不编入设计文件中。

工艺流程框图表示单元反应，以方框表示单元操作，反之亦可。

以箭头表示物料流向，用文字说明单元反应、单元操作及物料的名称。

如下图:

二、设备工艺流程图

设备工艺流程图是以设备的几何图形表示单元反应和单元操作，以箭头表示物料和载能介质的流向，用文字表示设备、物料和载能介质的名称。

三、物料流程图

物料流程图有三纵行，左边表示原料、中间体和成品；中间的表示单元反应和单元操作；右边的表示副产品和“三废”排放物。

每一个框表示出过程的名称、流程号及物料组成和数量，物料流向及其数量分别用箭头和数字表示。

四、带控制点的工艺流程图

带控制点的工艺流程图是用图示的方法把工艺流程所需的全部设备、管道、阀门、管件及仪表及其控制方法等表示出来，是工艺设计中必须完成的图样，它是施工安装和生产过程中设备操作、运行和检修的依据。

1、带控制点的工艺流程图的基本要求：

在带控制点的工艺流程图中，用设备图形表示单元反应和单元操作，同时，要反映物料及载能介质的流向及连接，要表示出生产过程的全部仪表和控制方案，要表示出生产过程中的所有阀门和管件；要反映设备间的相对空间关系。

2、带控制点的工艺流程图的一般规定：

（1）图幅

（2）比例：

不按比例绘出，能够适当根据情况调整。

（3）图例：

图例要位于第一张流程图的右上方

（4）相同系统的绘制方法

（5）图形线条

（6）字体

（7）图形绘制和标注：

1绘出设备一览表上列的所有设备：

a.设备外形：

按表2-2图例绘出，未做规定的根据其特征简化画出。

b.设备的位置：

一般按照流程顺序从左至右排列，其相对位置一般考虑便于管道的连接和标注。

c.设备的标注：

包括设备位号、位号线、设备名称；其中设备位号包括：

设备类别代号、主项号、设备顺序号、相同设备尾号。

2绘出全部管道，包括阀门、管件、管道附件。

a.绘制要求：

各种管道的画法见表2-3

b.管道标注：

包括流体代号、管道号、管径和管道等级代号四个部分组成。

c.绘制出全部检测仪表、调节控制系统及分析取样系统：

仪表控制点的图形符号式一细实线圆圈，在图中一般用细实线将检测点和圆圈连接起来，上部分第一个字母为参数代号，后续为功能代号，下部分写数字，第一个字母为主项号，后续为仪表序号，仪表序号是按工段号或工序编制的，可用两位数表示。

第四节工艺流程设计的技术处理

在考虑工艺流程设计的技术问题时，应以工业化实施的可行性、可靠性和先进性为基点，使流程满足生产、经济和安全等诸多方面的要求，实现优质、高产、低消耗、低成本、安全等综合目标。

一、确定生产线数目

二、操作方式：

根据物料性质反应特点、生产规模、工业化条件是否成熟等因素，决定采用连续、间歇还是联合的操作方式。

1、连续操作：

工艺参数在设备内任何一点不随时间而变，因而产品质量稳定，易于实现自动化操作，设备生产能力大，能耗小，投资小，因此对于产量大，技术上可行的产品尽量采用连续操作。

2、间歇操作：

与连续操作过程相反，间歇过程不是连续输出产品而是分批输出，即过程中的参数随时间变化。

对小批量生产更经济，能够灵活调整产品生产方案，能够灵活改变生产速率，能够使用多功能设备生产不同产品，最适于设备的定期清洗和消毒的要求，是一种最常见的操作方式。

3、联合操作：

是连续操作和间歇操作的联合。

此法比较灵活，在制药工业生产中，很多产品的全流程是间歇的，而各别步骤又是连续的。

三、保持主要设备的能力平衡、提高设备利用率

[例2-1]由丁二烯和二氧化硫生产丁二烯砜，要经过反应、蒸发、汽提三个步骤，且蒸发和汽提一部分物料回到反应器中循环利用。

加工步骤操作时间如表2-10所示：

方案一：

如下图所示为间歇过程循环的Gantt图（时间-事件图）。

图中所示步骤之间的重叠很小，即前一步骤的结束和后一步骤开始同时进行，批循环时间为4.2h，显然，各单项设备的利用率很低，即只在整个时间周期内的一少部分时间内运行。

方案二：

下图为间歇步骤重叠循环的Gantt图，批循环时间为2.6h。

为多批生产不同步骤同时进行，设备利用率显著提高。

由于翻译器进料和分离不能同时进行，因而不可能将物料直接从分离器循环回反应器，因此要设置储罐用以储存循环物料，这些物料包括下一步生产的部分物料。

该方案中反应器限制了批循环时间，即反应器没有“死”时间，但蒸发器和汽提器都有大量“死”时间。

方案三：

下图为两台反应器平行操作时的Gantt图。

采用这样的平行操作，化学反应能够覆盖，从而允许蒸发和汽提的操作频繁进行，提高了设备利用率，批循环时间为1.3h，这就意味着在相同时间内能够加工更多批的物料。

可是要增加一台反应器就要增加成本。

方案四：

下图为在反应器和蒸发器之间以及蒸发器和汽提塔之间设有中间储罐时的Gantt图。

这样蒸发器操作步骤不受反应步骤完成以后才能开始的限制，同样汽提操作步骤也不再受蒸发步骤完成以后才能开始的限制。

这些独立的操作步骤被中间储槽解耦，批循环时间虽然为2.6h，但消除了蒸发器和汽提塔的“死”时间，因此能够完成更多的蒸发和汽提操作，从而能够减小蒸发器和汽提塔的尺寸。

此时需要权衡的是，增设中间储槽的投资费用增加和减小蒸发器和汽提塔的尺寸费用减少的情况。

总之：

能够使用下列方法提高设备利用率：

1将一个以上操作合并在一台设备中，可是这些操作不能限制循环时间。

2覆盖操作，即在任何给定时间，工厂在不同的加工阶段有一批以上的物料。

3在限定批循环时间的加工步骤使用平行操作。

4在限定批循环时间的加工步骤使用串联操作。

5在限定批循环时间的加工步骤增加设备尺寸，以降低具有非限制批循环时间的操作步骤的“死”时间。

6在限定批循环时间的加工步骤降低设备尺寸，以增加设备的加工时间，从而降低这些操作步骤的“死”时间。

7在间歇操作步骤之间加入中间储槽。

四、考虑全流程的弹性

五、以化学反应为中心，完善生产过程

1、物料回收，循环套用。

图2-16是常见的循环流程，循环物一般是反应原料、溶剂、催化剂，如果生成副产物的副反应为可逆反应，可经过循环副产物来抑制副产物的生成。

图2-17是没有分离的循环流程。

没经过分离从反应系统出来的物料部分直接返回反应器，同时部分采出。

在生产中转化率很低而分离产品和原料又很困难的情况下，常采用这种完全不分离的循环流程。

[例2-2]用混酸硝化氯苯。

已知混酸组成：

HNO3为47%，H2SO4为49%，H2O为4%。

氯苯与混酸中的HNO3的摩尔分数为1:

1.1。

硝化温度为80℃.硝化时间为3h，硝化废酸中含硝酸＜1.6%，含混合硝基苯为获得混合硝基苯量的1%。

方案一：

硝化分层方案

如图2-18所示，一定浓度的硫酸、硝酸和水混合配制成符合工艺要求的混酸，随后进行硝化反应，反应的混合物有产物硝基氯苯、水、原料硫酸以及剩余的硝酸和氯苯。

此反应物分成两层，即硝基物层和废酸层。

在硝基物层中主要为硝基氯苯和氯苯，还含有少量的硫酸、硝酸和水；在废酸层中则主要是硫酸、硝酸和水，还含有少量的硝基氯苯和氯苯。

废酸层直接出售，硝基层送去精制。

该方案硫酸的单耗很大，由于废酸层中含有硝基氯苯和氯苯，废酸的利用受到了限制。

方案二：

硝化、分层、萃取方案

如图2-19所示。

废酸层没有直接出售，而是将它和原料氯苯混合进行硝化分层。

原料氯苯和废酸层中残余的硝酸进行硝化反应，使废酸层中残余的硝酸得到进一步利用，同时由于原料氯苯的加入，废酸层中原含有的少量硝基氯苯和生成的硝基氯苯可被氯苯萃取进入酸性苯层，主要含有氯苯和硝基氯苯的酸性氯苯层进入硝化分层操作，进一步进行硝化反应。

经过硝化、分层、萃取之后的萃取废酸层中含有硫酸和水。

该方案与方案一相比，硝酸、氯苯的单耗减少，产物硝基氯苯的收率提高，但硫酸的单耗很大，废酸中含有少量的氯苯、和硝基氯苯，因而废酸的综合利用依然受到限制，同时还要多设置一台设备。

方案三：

硝化、分层、萃取、浓缩方案

如图2-20所示，将萃取废酸层进行浓缩除去大部分水，同时由于氯苯和水可形成共沸物，浓缩时氯苯会随水一起蒸出，经冷却后可回收其中的氯苯，浓缩后的废酸进入混酸配制工序循环使用。

与方案二相比，该方案中浓缩后废酸的循环套用，使硫酸的单耗大大降低、氯苯的损耗也进一步降低，但需要增加浓缩装置以及浓缩所需的能耗，哪种方案最佳，还得综合分析才能确定。

2、提高能量利用率，降低能耗:

能量消耗是生产成本中一个重要因素，因而在流程设计中要提高能量利用率，降低能量单耗。

（1）、合理安排设备间的相对高度并采用物料自流，节约输送物料能耗。

（2）、充分利用余热、余能。

[例2-3]在加压连续釜式反应器中，用含硫酸、硝酸和水的混酸硝化苯制备硝基苯。

氯苯与混酸中的HNO3的摩尔分数为1:

1.1。

反应压力为0.46MPa，硝化温度为120℃。

酸性硝基苯经冷却、碱洗、水洗等处理工序后送精制工段。

方案一：

间接水冷-常压浓缩方案

如图2-23所示，由于分离为连续操作，而中和及浓缩为间接操作，因而中间都设置了中间储罐。

分离后的酸性硝基苯的温度为120℃，酸性硝基苯进入中间储罐自然冷却，达到一定量和温度时进入中和器，用稀碱水水洗、中和，由于酸碱中和反应为强放热反应，因而要用冷水冷却，显然酸性硝基苯的热量没有利用，直接进入后续的中和，使得冷却水的用量加大、分离后的另一股流体废酸的温度也是120℃，经过废酸罐后进入浓缩罐，进行常压浓缩去水，此时需共给水蒸气。

方案二：

原料预热-闪蒸浓缩方案

如图2-24所示，与方案一比，该方案在分离器和酸性硝基苯的中间罐之间设置了一台列管式换热器，原料苯先与温度为120℃的酸性硝基苯经过热交换后再进入硝化釜进行硝化反应，经过热交换使得原料苯的进料温度升高，从而减小了硝化釜所需的水蒸气的用量。

同时经过热交换使得酸性硝基苯的温度降低，这样就减小了中和时所需的冷水用量。

浓缩改为闪蒸法，这样热量的主要来源来自于废酸本身的余热，减少了浓缩时水蒸气的用量。

方案二充分利用酸性硝基苯和废酸的余热，对系统进行热集成，在需要冷却的流股和需要加热的流股之间进行热交换，使能耗降低；但多了一台换热器，故此，需综合考虑，权衡利弊，再选定方案。

（3）、利用余压

六、合理设计各个单元操作

七、工艺流程的完善和简化