制藥工程學(xué)第03章

第三章

工藝流程設(shè)計(jì)1掌握工藝流程設(shè)計(jì)中的方案比較以單元操作或單元反應(yīng)為中心完善工藝流程的設(shè)計(jì)技術(shù)工藝流程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的技術(shù)問題

熟悉工藝流程設(shè)計(jì)的作用、任務(wù)、基本程序和成果

基本要求3.1概述3.2工藝流程設(shè)計(jì)技術(shù)3.3工藝流程圖第三章工藝流程設(shè)計(jì)工藝流程設(shè)計(jì)3.1概述生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)試驗(yàn)工藝流程設(shè)計(jì)產(chǎn)品僅有文獻(xiàn)資料，尚未進(jìn)行生產(chǎn)產(chǎn)品技術(shù)成熟、大量生產(chǎn)4.1.1工藝流程設(shè)計(jì)的作用4.1.2工藝流程設(shè)計(jì)的任務(wù)4.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序4.1.4工藝流程設(shè)計(jì)的成果3.1概述工藝流程設(shè)計(jì)是是整個(gè)工藝設(shè)計(jì)的中心。工藝流程設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)中最重要、最基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)步驟，對(duì)后續(xù)的物料衡算、工藝設(shè)備設(shè)計(jì)、車間布置設(shè)計(jì)和管道布置設(shè)計(jì)等單項(xiàng)設(shè)計(jì)起著決定性的作用，并與車間布置設(shè)計(jì)一起決定著車間或裝置的基本面貌。3.1.1工藝流程設(shè)計(jì)的作用

工藝流程設(shè)計(jì)的任務(wù)按確定的原料路線和技術(shù)路線通過圖解和必要的文字說明將原料變成產(chǎn)品的全部過程表示出來（5項(xiàng)）：1.確定工藝流程的組成

確定流程中各生產(chǎn)過程的具體內(nèi)容、順序和組合方式，是工藝流程設(shè)計(jì)的基本任務(wù)。可用設(shè)備之間的位置關(guān)系和物料流向來表示。3.1.2工藝流程設(shè)計(jì)的任務(wù)圖3-15阿司匹林的生產(chǎn)工藝流程工藝流程圖2.確定載能介質(zhì)的技術(shù)規(guī)格和流向常用的載能介質(zhì)：水、水蒸汽、冷凍鹽水、空氣(真空或壓縮)，可用文字和箭頭直接表示在圖紙中3.確定操作條件和控制方法主要工藝參數(shù)有溫度、壓力、濃度、流量、流速和pH值等。3.1.2工藝流程設(shè)計(jì)的任務(wù)

4.確定安全技術(shù)措施設(shè)置相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)急措施，如阻火器、報(bào)警裝置、爆破片、安全閥、安全水封、放空管、溢流管、泄水裝置、防靜電裝置、防雷裝置和事故貯槽等。3.1.2工藝流程設(shè)計(jì)的任務(wù)5.繪制不同深度的工藝流程圖初步設(shè)計(jì)施工圖設(shè)計(jì)工藝流程框圖工藝流程示意圖物料流程圖帶控制點(diǎn)的工藝流程圖施工階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。

3.1.2工藝流程設(shè)計(jì)的任務(wù)3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序工藝流程設(shè)計(jì)工作復(fù)雜而細(xì)致一般要經(jīng)歷由淺入深、由定性到定量、反復(fù)推敲、不斷完善的過程，包括7個(gè)環(huán)節(jié)3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序1、工藝路線的選擇2、確定工藝流程的組成和順序工業(yè)化實(shí)施的可行性、可靠性和先進(jìn)性；關(guān)鍵設(shè)備和特殊工藝條件或參數(shù)容易實(shí)現(xiàn)或達(dá)到明確各單元反應(yīng)和單元操作的主要設(shè)備、操作條件和基本操作參數(shù)(如溫度、壓力、濃度等)。在此基礎(chǔ)上，確定各設(shè)備之間的連接順序以及載能介質(zhì)的技術(shù)規(guī)格和流向3、繪制工藝流程框圖

當(dāng)工藝路線及工藝流程的組成和順序確定之后，可用方框、文字和箭頭等形式定性表示出由原料變成產(chǎn)品的路線和順序，繪制出工藝流程框圖。3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序圖3-14阿司匹林的生產(chǎn)工藝流程框圖

工藝流程框圖

在工藝流程框圖的基礎(chǔ)上，分析各過程的主要工藝設(shè)備，以圖例、箭頭和必要的文字說明定性表示出由原料變成產(chǎn)品的路線和順序。4、繪制工藝流程示意圖3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序圖3-15阿司匹林的生產(chǎn)工藝流程工藝流程示意圖

5、繪制物料流程圖

當(dāng)工藝流程示意圖確定之后，即可進(jìn)行物料衡算和能量衡算。在此基礎(chǔ)上，可繪制出物料流程圖。此時(shí)，設(shè)計(jì)已由定性轉(zhuǎn)入定量。3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序圖3-16氯苯硝化的物料流程圖

3.3.3物料流程圖序號(hào)物料名稱流量/kgh-1HNO3H2SO4H2O氯苯硝基氯苯總計(jì)1補(bǔ)充硫酸

2.40.2

2.62硝酸230

4.7

234.73回收廢酸

237.614.7

252.34配制混酸23024019.6

489.65萃取氯苯

403.418.7422.16硝酸損失2.3

2.37硝化液

909.48粗硝基苯

2.40.26.1569.3578.09分離廢酸5.2237.682.9

5.7331.410氯苯

416.8

416.811萃取廢酸

237.684.44.1

326.112濃縮蒸汽

73.813冷凝液

73.814廢水

69.7

69.715回收氯苯

4.1

4.13.3.3物料流程圖6、

繪制初步設(shè)計(jì)階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖

當(dāng)物料流程圖確定之后，即可進(jìn)行設(shè)備、管道的工藝計(jì)算以及儀表自控設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，可繪制出初步設(shè)計(jì)階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，并列出設(shè)備一覽表。3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序圖3-50二氯甲苯精餾工段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖

7、繪制施工階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖

初步設(shè)計(jì)階段的工藝流程設(shè)計(jì)經(jīng)審查批準(zhǔn)后，按照初步設(shè)計(jì)的審查意見，對(duì)工藝流程圖中所選用的設(shè)備、管道、閥門、儀表等作必要的修改、完善和進(jìn)一步的說明。在此基礎(chǔ)上，可繪制出施工階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。3.1.3工藝流程設(shè)計(jì)的基本程序

在通常的兩階段設(shè)計(jì)即初步設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)中，初步設(shè)計(jì)階段的主要成果是初步設(shè)計(jì)階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖和初步設(shè)計(jì)說明書；施工圖設(shè)計(jì)階段的主要成果是施工階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。3.1.4工藝流程設(shè)計(jì)的成果4.2.1工藝流程設(shè)計(jì)中方案比較4.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程

4.2.3工藝流程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的技術(shù)問題3.2工藝流程設(shè)計(jì)技術(shù)

在進(jìn)行方案比較時(shí)首先應(yīng)明確評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。許多技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如產(chǎn)物收率、原料單耗、能量單耗、產(chǎn)品成本、設(shè)備投資、操作費(fèi)用等均可作為方案比較的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。此外，環(huán)保、安全、占地面積等也是方案比較時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例3-1、例3-2、例3-3、例3-43.2.1工藝流程設(shè)計(jì)中的方案比較

實(shí)例3-1

在藥品精制中，粗品常先用溶劑溶解，然后加入活性炭脫色，最后再濾除活性炭等固體雜質(zhì)。假設(shè)溶劑為低沸點(diǎn)易揮發(fā)溶劑，試確定適宜的過濾流程。

解：首先選定過濾速度和溶劑收率為方案比較的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

Example3.1圖3-1常壓過濾方案

采用常壓過濾方案雖可濾除活性炭等固體雜質(zhì)，但過濾速度較慢，因而不宜采用。

SchemeI：常壓過濾方案

圖3-2真空抽濾方案

SchemeII：真空抽濾方案

該方案采用真空抽濾方式，過濾速度明顯加快，從而克服了方案I過濾速度較慢的缺陷，但由于出口未設(shè)置冷凝器，因而易造成大量低沸點(diǎn)溶劑的揮發(fā)損失，使溶劑的收率下降，故該方案不太合理。SchemeIII：真空抽濾-冷凝方案圖3-3真空抽濾-冷凝方案

同方案II相比，該方案在出口設(shè)置了冷凝器，以回收低沸點(diǎn)溶劑，從而減少了溶劑的揮發(fā)損失，提高了溶劑的收率，因而較為合理。

SchemeIV：加壓過濾方案圖3-4加壓過濾方案

該方案是在壓濾器上部通入壓縮空氣或氮?dú)?，即采用加壓過濾方式，過濾速度快，且溶劑的揮發(fā)損失很少，因而最為合理。

實(shí)例3-2

用混酸硝化氯苯制備混合硝基氯苯。已知混酸的組成為：HNO347%、H2SO449%、H2O4%；氯苯與混酸中HNO3的摩爾比為1：1.1；反應(yīng)開始溫度為40~55oC，并逐漸升溫至80oC；硝化時(shí)間為2h；硝化廢酸中含硝酸小于1.6%，含混合硝基氯苯為獲得混合硝基氯苯量的1%。試通過方案比較，確定適宜的硝化及后處理工藝流程。解：首先選定混合硝基氯苯的收率以及硫酸、硝酸及氯苯的單耗作為方案比較的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。Example3.2SchemeI：硝化-分離方案圖3-5硝化-分離方案

分離后的廢酸直接出售，廢酸中存在未反應(yīng)的硫酸、硝酸及少量的硝基氯苯，使硫酸的單耗增加、硝酸單耗增加，硝基氯苯收率下降，廢酸在的硝酸和硝基氯苯也使廢酸的用途收到限制SchemeII：硝化-分離-萃取方案圖3-6硝化-分離-萃取方案

SchemeIII：硝化-分離-萃取-濃縮方案圖3-7硝化-分離-萃取-濃縮方案

例3-3

在加壓連續(xù)釜式反應(yīng)器中，用混酸硝化苯制備硝基苯。已知混酸組成為：HNO35%、H2SO465%、H2O30%；苯與混酸中HNO3的摩爾比為1：1.1；反應(yīng)壓力為0.46MPa，反應(yīng)溫度為130oC；反應(yīng)后的硝化液進(jìn)入連續(xù)分離器，分離出的酸性硝基苯和廢酸的溫度約為120oC；酸性硝基苯經(jīng)冷卻、堿洗、水洗等處理工序后送精制工段。試以單位能耗為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定適宜的工藝流程。解：以單位能耗為方案比較的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，確定適宜的工藝流程。

Example3.3SchemeI：間接水冷-常壓濃縮方案圖3-8間接水冷-常壓濃縮方案

SchemeII：原料預(yù)熱-閃蒸濃縮方案圖3-9原料預(yù)熱-閃蒸濃縮方案

例3-4

甲苯用濃硫酸磺化制備對(duì)甲苯磺酸的反應(yīng)方程式為

已知反應(yīng)在間歇釜(磺化釜)中進(jìn)行，磺化反應(yīng)速度與甲苯濃度成正比，與硫酸含水量的平方成反比。為保持較高的反應(yīng)速度，可向甲苯中慢慢加入濃硫酸。同時(shí)，應(yīng)采取措施將磺化生成的水及時(shí)移出磺化釜。試通過方案比較，確定適宜的脫水工藝流程。解：磺化過程中產(chǎn)生的水能否及時(shí)移走以及脫水后的甲苯能否及時(shí)返回磺化釜可作為方案比較的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

Example3.4SchemeI：間歇脫水方案圖3-10間歇脫水方案

SchemeII：連續(xù)脫水方案

圖3-11連續(xù)脫水方案

藥品的生產(chǎn)過程都是由一系列單元操作或單元反應(yīng)過程所組成的。在工藝流程設(shè)計(jì)中，常以單元操作或單元反應(yīng)為中心，建立與之相適應(yīng)的工藝流程。3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程

例3-5

工業(yè)生產(chǎn)中，硝化混酸的配制常在間歇攪拌釜中進(jìn)行，試以攪拌釜為中心，完善硝化混酸配制過程的工藝流程。3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程●首先，配制混酸需有一臺(tái)帶有夾套的攪拌釜。

●

其次，混酸配制采用間歇操作，是間歇過程。為保證硫酸與硝酸的配比，應(yīng)設(shè)置硫酸計(jì)量罐和硝酸計(jì)量罐。

●

第三，在工業(yè)生產(chǎn)中，要配制一定濃度的混酸，通常并不加水調(diào)節(jié)，而是用硝化后回收的廢酸來調(diào)節(jié)。因此，還應(yīng)設(shè)置廢酸計(jì)量罐。

●第四,要設(shè)置硫酸貯罐、硝酸貯罐和廢酸貯罐。

3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程

●第五，在配制工業(yè)混酸時(shí)需考慮將硫酸、硝酸和廢酸由貯罐送入計(jì)量罐的方式。如采用泵輸送時(shí)，則應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的送料泵。此外，在計(jì)量罐和貯罐之間應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的溢流管。

●第六，為了貯存配制好的硝化混酸，應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的混酸貯罐。

最后設(shè)計(jì)出工業(yè)混酸配制過程的工藝流程如圖3-12所示。3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程圖3-12混酸配制過程的工藝流程示意圖

3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程

例3-6

在合成抗菌藥諾氟沙星的生產(chǎn)中，以對(duì)氯硝基苯為原料制備對(duì)氟硝基苯的反應(yīng)方程式為反應(yīng)擬在間歇釜式反應(yīng)器中進(jìn)行，試以反應(yīng)器為中心，完善反應(yīng)過程的工藝流程。3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程●首先，此反應(yīng)為固液兩相反應(yīng)，反應(yīng)溫度較高，需要一臺(tái)帶夾套的攪拌釜。

●

其次，根據(jù)反應(yīng)溫度可確定載熱體的技術(shù)規(guī)格，可選擇目前較為普遍的導(dǎo)熱油作為載熱體。

●

第三，由于過程溫度較高，物料中低沸點(diǎn)組分可能揮發(fā)，并污染環(huán)境，反應(yīng)器上應(yīng)設(shè)置回流冷凝器，以回收易揮發(fā)組分。

●第四,反應(yīng)液冷卻后，其中的固體應(yīng)濾除，反應(yīng)器下部可設(shè)置過濾器，由于溶劑沸點(diǎn)較高，可采用減壓抽濾器，提高過濾速度。

3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程

圖3-13氟化反應(yīng)過程的工藝流程示意圖

3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程1.生產(chǎn)方式的選擇2.提高設(shè)備利用率3.物料的回收與套用4.能量的回收與利用5.安全技術(shù)措施6.儀表和控制方案的選擇3.2.3工藝流程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的技術(shù)問題產(chǎn)品的生產(chǎn)方式連續(xù)生產(chǎn)：生產(chǎn)能量大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，成本低，但適應(yīng)能力較差間歇生產(chǎn)：裝置簡(jiǎn)單，操作方便，適應(yīng)性強(qiáng)聯(lián)合生產(chǎn)方式：產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程為間歇的，但其中某些過程為連續(xù)的，兼具二者優(yōu)點(diǎn)藥品生產(chǎn)具有規(guī)模小，品種多，更新快，生產(chǎn)工藝復(fù)雜等特點(diǎn)，因此，在制藥工業(yè)中，絕大多數(shù)采用間歇生產(chǎn)，少數(shù)采用聯(lián)合生產(chǎn)，全過程采用連續(xù)生產(chǎn)的極少1.生產(chǎn)方式的選擇

產(chǎn)品的生產(chǎn)過程都是由一系列單元操作或單元反應(yīng)過程所組成的，在工藝流程設(shè)計(jì)中，保持各單元操作或單元反應(yīng)設(shè)備之間的能力平衡，提高設(shè)備利用率，是設(shè)計(jì)者必須考慮的技術(shù)問題。2.提高設(shè)備利用率

例3-7

某產(chǎn)品的生產(chǎn)過程由磺化、冷卻中和、濃縮三道工序組成，磺化液和中和液均為液態(tài)，磺化釜的操作周期為12h，冷卻中和釜的操作周期為4h，濃縮釜的操作周期為8h。試確定適宜的設(shè)備配置方案。

解：該產(chǎn)品的生產(chǎn)過程有多種不同的設(shè)備配置方案，部分方案列于本例附表中。

2.提高設(shè)備利用率為保持主要設(shè)備之間的能力平衡，提高設(shè)備利用率，設(shè)備臺(tái)數(shù)、批生產(chǎn)能力和操作周期之間應(yīng)滿足下列關(guān)系

(3-1)2.提高設(shè)備利用率在工藝流程設(shè)計(jì)中，充分考慮物料的回收與套用，以降低原輔材料消耗，提高產(chǎn)品收率，是降低產(chǎn)品成本的重要措施。如在用混酸硝化氯苯制備混合硝基氯苯的工藝流程設(shè)計(jì)中，在硝化-分層之后增加一道萃取工序，既回收了硝化廢酸中未反應(yīng)的硝酸，又提高了硝基氯苯的收率。同時(shí)，為降低硫酸的單耗，在萃取之后又增加了一道濃縮工序，并用回收的硫酸配制硝化混酸，從而大大降低了硫酸的單耗。

3.物料的回收與套用SchemeIII：硝化-分離-萃取-濃縮方案圖3-7硝化-分離-萃取-濃縮方案

在工藝流程設(shè)計(jì)中，充分考慮能量的回收與利用，以提高能量利用率，降低能量單耗，是降低產(chǎn)品成本的又一重要措施。如在硝化混酸配制的工藝流程設(shè)計(jì)中,為減少輸送物料能耗,可將計(jì)量罐布置在最上層,攪拌釜居中,貯罐布置在底層。當(dāng)硫酸、硝酸和廢酸由泵輸送至相應(yīng)的計(jì)量罐后,可借助于重力流入攪拌釜,配制好的混酸再借助重力流入混酸貯罐。

4.能量的回收與利用圖3-12混酸配制過程的工藝流程示意圖

3.2.2以單元操作或單元反應(yīng)為中心，完善工藝流程又如，在混酸硝化苯制備硝基苯的工藝流程設(shè)計(jì)中，用原料苯代替冷卻水冷卻酸性硝基苯，以及用閃蒸濃縮代替常壓濃縮都是為了回收物料的余熱，以達(dá)到降低能耗和產(chǎn)品成本的目的。4.能量的回收與利用SchemeII：原料預(yù)熱-閃蒸濃縮方案圖3-9原料預(yù)熱-閃蒸濃縮方案

在藥品生產(chǎn)中，所處理的物料常常是易燃、易爆和有毒的物質(zhì)，因此安全問題十分突出。在工藝流程設(shè)計(jì)中，對(duì)所設(shè)計(jì)的設(shè)備或裝置在正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及開車、停車、檢修、停水、停電等非正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下可能產(chǎn)生的各種安全問題，應(yīng)進(jìn)行認(rèn)真而細(xì)致的分析，制訂出切實(shí)可靠的安全技術(shù)措施。5.安全技術(shù)措施報(bào)警裝置事故貯槽安全水封、安全閥或爆破片溢流管阻火器設(shè)置排空閥接地裝置防雷裝置

5.安全技術(shù)措施

在工藝流程設(shè)計(jì)中，對(duì)需要控制的工藝參數(shù)如溫度、壓力、濃度、流量、流速、pH值、液位等，都要確定適宜的檢測(cè)位置、檢測(cè)和顯示儀表以及控制方案?，F(xiàn)代制藥企業(yè)對(duì)儀表和自控水平的要求越來越高，儀表和自控水平的高低在很大程度上反映了一個(gè)制藥企業(yè)的技術(shù)水平。6.儀表和控制方案的選擇

工藝流程圖是以圖解形式表示的工藝流程，在工藝流程設(shè)計(jì)的不同階段，工藝流程圖的深度是不同的。在通常的兩階段設(shè)計(jì)中，初步設(shè)計(jì)階段需繪制工藝流程框圖、工藝流程示意圖、物料流程圖和初步設(shè)計(jì)階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖；在施工圖設(shè)計(jì)階段需繪制施工階段帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。3.3工藝流程圖3.2.1工藝流程框圖3.2.2工藝流程示意圖

3.2.3物料流程圖3.2工藝流程圖3.2.4帶控制點(diǎn)的工藝流程圖

工藝流程框圖是在工藝路線和生產(chǎn)方法確定之后，物料衡算開始之前表示生產(chǎn)工藝過程的一種定性圖紙，是最簡(jiǎn)單的工藝流程圖，其作用是定性表示出由原料變成產(chǎn)品的工藝路線和順序，包括全部單元操作和單元反應(yīng)。

3.3.1工藝流程框圖圖3-14阿