4-工艺流程设计与设备选型

工艺流程设计与设备选型第22章P282本章内容•22.1制约工艺流程设计•22.2工艺设备的设计、选型与安装基本要求•熟悉工艺流程设计的任务、内容、基本程序和成果；了解工艺流程设计的原则、依据。•掌握工艺流程设计中的方案比较以及单元操作或单元反应为中心，完善工艺流程的设计技术，掌握工艺流程设计中应考虑的技术问题。•掌握工艺流程框图和工艺流程简图，熟悉物料流程图和带控制点的工艺流程图。•掌握工艺设备设计与选型的阶段划分及内容，熟悉工艺设备设计选型的主要依据。了解制药设备GMP设计的内容。22.1制药工艺流程设计一、制药工艺过程及制药工艺流程设计的任务工艺就是选择切实可靠的生产技术路线，由原料到产品的加工过程。典型的制药工艺过程化学制药生产过程的心脏。（1）制药工艺过程工艺流程设计的任务是在确定的原料路线和技术路线的基础上，通过图解和必要的文字说明将原料变成产品（包括污染物治理）的全部过程表示出来。工艺流程设计是车间工艺设计的核心，是车间设计最重要、最基础的设计步骤。工艺流程设计是工程设计所有设计项目中最先进行的一项设计，但随着车间布置设计和其他专业设计的进展，还要不断地做一些修改和完善，结果几乎是最后完成。工艺流程设计的任务主要是在初步设计阶段完成。（2）制药工艺流程设计的任务制药工艺流程设计的任务主要内容：①方案设计，确定生产方法及生产流程，是全部工艺设计的基础。②物料热量衡算。主要包括物料衡算、热量衡算以及设备计算、设备选型等。③车间布置设计。主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面和空间中的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构形式。④管路设计。确定装置全部管线、阀件、管件以及各种管架的位置，以满足工艺生产的要求。⑤提供设计条件。工艺专业设计人员向其他专业提供设计条件。⑥编制概算书及编制设计文件。对于给定的工艺路线，工艺方法所规定的基本操作条件或参数，如反应温度、压力、流量、流速等——设计人员不能随意改变。为实现工艺所规定的基本操作条件或参数——设计人员可以采用不同的技术方案。应通过方案比较来确定一条最优的技术方案，进行工艺流程的设计。方案比较评判标准：技术经济指标，如产物收率、原料单耗、能量单耗、产品成本、设备投资、操作费用等。此外，环保、安全、占地面积等也是方案比较时应考虑的重要因素。（3）选择生产方法制药生产方案比较的前提：保持工艺过程的原始信息不变。（1）实例1在药品精制中，粗品常先用溶剂溶解，然后加入活性炭脱色，最后再滤除活性炭等固体杂质。假设溶剂为低沸点易挥发溶剂，试确定适宜的过滤流程。首先选定过滤速度和溶剂收率为方案比较的评判标准。方案I常压过滤方案。方案II真空抽滤方案。虽可滤除活性炭等固体杂质，但过滤速度较慢。过滤速度明显加快，但由于出口未设置冷凝器，因而易造成大量低沸点溶剂的挥发损失，使溶剂的收率下降。方案的比较方案III真空抽率－冷凝方案。方案Ⅳ加压过滤方案。出口设置了冷凝器，以回收低沸点溶剂，从而减少了溶剂的挥发损失，提高了溶剂的收率，因而较为合理。在压滤器上部通入压缩空气或氮气，即加压过滤方式，过滤速度快，且溶剂的挥发损失很少，因而最为合理。（2）实例2用混酸硝化氯苯制备混合硝基氯苯。已知混酸的组成为HNO347％、H2SO449％、H2O4％；氯苯与混酸中HNO3的摩尔比1：1.1；反应开始温度为40～55℃，并逐步升温至80℃；硝化时间为2h；硝化废酸中含硝酸小于1.6%，含混合硝基氯苯为获得混合硝基氯苯量的1％。试通过方案的比较，确定适宜的硝化及后处理工艺流程。首先选定混合硝基氯苯的收率以及硫酸、硝酸及氯苯的单耗作为方案比较的评判标准。方案1硝化－分离方案可生产出合格的混合硝基氯苯，但将分离后的废酸直接出售，要消耗大量的硫酸，使硫酸的单耗居高不下，另一方面，由于废酸中含有未反应的硝酸以及少量的硝基氯苯，直接出售不仅使硝酸的单耗增加，混合硝基氯苯的收率下降，而且存在于废酸中的硝酸和硝基氯苯还会使废酸的用途受到限制。方案2硝化－分离－萃取方案与方案1比回收了废酸中的硝酸，降低了硝酸的单耗；提高了混合硝基氯苯的收率。但该方案仍有1.2%~1.3%的原料氯苯，将其直接出售，不仅使硫酸的单耗居高不下，而且会增加氯苯的单耗。此外，存在于废酸中的氯苯也会使废酸的用途受到限制。方案3硝化－分离－萃取－浓缩方案与方案2比，方案3萃取之后的废酸经减压浓缩后可循环使用，从而大大降低了硫酸的单耗。同时，由于氯苯与水形成低共沸混合物，浓缩时氯苯将随水一起蒸出，经冷却后可回收其中的氯苯，从而降低了氯苯的单耗。以单元操作或单元反应为中心，完善工艺流程各种不同的生产过程都是由若干个反应（包括化学反应和生物转化反应等）和若干个基本的物理操作串联而成，每一个基本的物理操作过程都称为一个单元操作，每个基本的反应称为一个单元反应。在工艺流程设计中，常以单元操作或单元反应为中心，建立与之相适应的工艺流程。实例1工业生产中，硝化混酸的配制常在间歇搅拌釜中进行，试以搅拌釜为中心，完善硝化混酸配制过程的工艺流程。①配制混酸需要有一台搅拌釜，并考虑到混酸配制过程是一个放热过程，搅拌釜还应有夹套，以便操作时向夹套中通入冷却水冷却。②混酸配制采用间歇操作，为保证硫酸与硝酸的配比，应设置硫酸计量罐和硝酸计量罐。③在工业生产中，要配制一定浓度的混酸，通常不加水调节，而是用硝化后回收的废酸来调节。因此，还应设置废酸计量罐。④在工业生产中，原料硫酸和硝酸须有一定的贮存量，因此，要设置硫酸贮罐和硝酸贮罐。此外，还需设置废酸贮罐以贮存硝化后回收的废酸。⑤考虑将硫酸、硝酸和废酸由贮罐送入计量罐的方式。可以采用泵输送，为防止工作人员失误使酸溢出计量罐，可在计量罐和贮罐之间设置溢流管。⑥为了贮存配置好的硝化混酸，应设置相应的混酸贮罐。混酸配制过程的工艺流程示意图实例2在合成抗菌药诺氟沙星的生产中，以对氯硝基苯为原料制备对氟硝基苯的反应方程式为反应拟在间歇釜反应器中进行，试以反应器为中心，完善反应过程的工艺流程。①一台搅拌釜，由于反应温度较高，搅拌釜应带有夹套，以作为载热体流动空间。②要确定载热体的技术规格。选择较普遍的导热油如联苯混合物作为载热体。它是一种常用的高温有机载热体，沸点为258℃，可在较低的压力下得到较高的加热温度。③由于过程的温度较高，物料中的低沸点组分可能挥发，对环境造成污染，因此，在反应器的上部应设置一台回流冷凝器，并用冷却水冷却，以回收易挥发组分。④氟化反应是液固非均相反应，反应液经冷却后，其中固体应滤除。因此，在反应器的下部可设置一台过滤器。由于溶剂等的沸点均较高，可考虑采用减压抽滤，以提高过滤速度。氟化反应过程的工艺流程图：①尽可能采用先进设备、先进生产方法及成熟的科学技术成就，以保证产品质量。②“就地取材”、充分利用当地原料，以便获得最佳的经济效果。③所采用的设备效率高、降低原材料消耗及水电气消耗。④按GMP要求对不同的药物剂型进行分类的工艺流程设计。（4）工艺流程设计的原则⑤β－内酰胺类药品（包括青霉素类、头孢菌素类）按单独分开的建筑厂房进行工艺流程设计。中药制剂和生化药物制剂涉及中药的前处理，单独设立前处理车间⑥其他如激素，抗肿瘤药、生产用毒菌种、活疫苗与灭活疫苗等按特殊要求进行工艺流程设计。⑦遵循“三协调”原则即人流物流协调、工艺流程协调、洁净级别协调。⑧充分预计生产的故障，以便即时处理、保证生产的稳定性。主要从原料性质、产品质量和品种、生产能力以及今后发展余地等方面考虑。（五）工艺流程设计的依据：（六）工艺流程的分类1.从工艺和技术角度来看，应满足以下要求。①尽量采用能使物料和能量有高利用率的连续过程。间歇操作半间歇操作连续操作（七）工艺流程设计应考虑的问题②反应物在设备中的停留时间既要使之反应完全，又要尽可能地短。③维持各个反应在最适宜的工艺条件下进行。④设备或器械的设计要考虑到流动形态对过程的影响，也要考虑某些因素可能的变动，如原料成分变动范围，操作温度的允许范围等。⑤尽可能使设备的构造、反应系统的操作和控制简单、灵敏和有效。⑥及时采用新技术和新工艺。⑦为易于控制和保证产品质量一致，在技术水平和设备材质等允许下，大型单系列优于小型多系列，且便于实现微机控制。2.从经济核算、管理、环保和操作安全的角度来看，要求如下。①选用小而有效的设备和建筑，以降低投资费用，并便于管理和运输，与此同时，也要考虑到操作、安全和扩建的需要。②用各种方法减少不必要的辅助设备或辅助操作。③工序和厂房的衔接安排要合理。④创造有职业保护的安全工作环境，减轻体力劳动负担。⑤重视环保，做好三废治理。污染处理装置应与生产同时投产。二、工艺流程设计的基本程序工艺路线的选择确定工艺流程的组成和顺序绘制工艺流程框图绘制工艺流程示意图绘制物料流程图绘制初步设计阶段带控制点的工艺流程图绘制施工阶段带控制点的工艺流程图三、工艺流程设计的成果在通常的初步设计和施工图设计中，初步设计阶段的主要成果是初步设计阶段带控制点的工艺流程图；施工图设计阶段的主要成果是施工阶段带控制点的工艺流程图。四、工艺流程图施工图设计初步设计工艺流程设计带控制点的工艺流程图物料流程图工艺流程示意图工艺流程框图施工阶段带控制点的工艺流程图工艺流程图是以图解形式表示的工艺流程，在工艺流程设计的不同阶段，工艺流程图深度是不同的。工艺流程简图工艺流程框图：表示单元过程及物料葡萄糖生产工艺流程框图阿司匹林的生产工艺流程框图工艺流程简图：物料流程和设备组成硬胶囊剂生产工艺流程简图工艺流程简图：物料流程和设备组成阿司匹林的生产工艺流程示意图物料流程图表示方式：①以方框流程表示单元操作及物料成分和数量；②在工艺流程简图下方列表表示物料组成和量的变化图中应有设备位号、操作名称、物料成分和数量。某中药固体制剂车间工艺物料流程图氯苯硝化的物料流程图用框图绘制的氯苯硝化的物料流程图带控制点的工艺流程图基本要求：一般应画出所有工艺设备、工艺物料管线、辅助管线、阀门、管件以及工艺参数（温度、压力、流量、液位、物料组成、浓度等）的测量点，并表示出自动控制的方案。例：2,4－二氯甲苯生产过程中的精馏工段为例介绍带控制点的工艺流程图。以三氯化锑为催化剂、对氯甲苯和氯气为原料，经反应、分离等工序而制得，其工艺流程框图如下：二氯甲苯精馏工段带控制点的工艺流程图施工流程图中的每条管道都要标注管道代号。横向管道的管道代号注写在管道线的上方;竖向管道则注写在管道线左侧，字头向左。工段号按工程规定填写，采用两位数字，从01开始，至99为止管段序号工段号物料代号VE0401——32x3.5B管路外径壁厚管道材料代号管段序号采用两位数字，从01开始，至99为止，相同类别的物料在同一主项内以流向先后为序，顺序编号隔热或隔音的功能管路的使用温度范围管道等级代号CW0401——32x3.5A1A—CH管道尺寸一般标注公称通径，以mm为单位，注数字，不注单位22.2工艺设备的设计、选型与安装第二阶段第一阶段一、工艺设备设计与选型的内容第二阶段是解决工艺过程中的技术问题，例如过滤面积，传热面积，干燥面积以及各种设备的主要规格等。生产工艺确定设备设计与选型第一阶段内容：①定型机械设备和制药机械设备的选型；②计量贮存容器的计算；③定型化工设备的选型；④确定非定型设备的形式，工艺要求，台数，主要规格；⑤编制工艺设备一览表。二、工艺设备设计选型的主要依据：①设备符合国家有关政策法规，可满足药品生产的要求，保证药品生产的质量、安全可靠、易操作、维修及清洁。②设备的性能参数符合国家，行业或企业标准，与国际先进制约设备相比具有可比性，与国内同类产品相比具有明显的技术优势。③具有完整的，符合标准的技术文件。•三、制药设备GMP设计通则的具体内容•①设备的设计应符合药品生产及工艺的要求，安全、稳定、可靠，易于清洗，消毒或灭菌，便于生产操作和维修保养，并能防止差错和交叉污染。•②设备的材质选择应严格控制。与药品直接接触的零部件均应选用无毒、耐腐蚀，不与药品发生化学变化，不释出微粒，或吸附药品的材质。•③与药品直接接触的设备内表面及工作