工艺设计计算.doc

第十三章 工艺设计计算13.1 工艺流程工艺设计图是生产工艺设计的主要图纸，通常包括工艺流程图、设备布置图和管道布置图，一般应按不同设计阶段的要求和规定进行绘制。图样的种类及其主要表达内容可参考表8-1。其中设备图由设备专业人员设计绘制，工艺设计图则由工艺专业人员设计绘制。初步设计施工设计内容工艺设计图全厂总工艺流程图，物料平衡图全厂总工艺流程，物料衡算结果物料流程图车间（装置）的物料流程，物料平衡，设备特征，换热器的热量平衡等带控制点工艺流程图带控制点工艺流程图，辅助管道系统图，蒸汽管系统图车间（装置）或工段中的主辅管道、生产设备、仪表、管件、阀门的配制设备布置图首页图，设备布置图，设备支架图，管口方位图车间（装置）、工段中生产设备、操作平台等的具体位置和安装情况，支架、平台的详细结构管道布置图管道布置图，蒸汽管布置图，管段图，管架图，管件图车间（装置）、工段的管道、管件、阀门、管架及仪表检测点的位置，安装情况，管段、管件的详细结构设备图非定型关键总设备图非定型总设备图及零部件图，设备总图，部件，零件的结构形式、尺寸、材质、数量、技术要求等定型设备总图及零部件图设备的主要结构形式、尺寸、技术特征13.1.1 工艺流程图工艺流程图是用来表达工艺生产流程的图样。一般有如下几种：13.1.1.1 工艺流程示意图工艺流程示意图是在生产路线确定后，物料衡算设计开始前表示生产工艺过程的一种定性图纸，有框图和流程简图两种表示方法，如图8-1所示的阿司匹林工艺流程方框图和图8-2所示的工艺流程简图。13.1.1.2 全厂总工艺流程图或物料平衡图总工艺流程图是为总说明部分提供的全厂总流程图样，有的工厂则改称为全厂物料平衡图。13.1.1.3 物料流程图工艺流程示意图完成后，开始进行物料衡算，再将物料衡算结果注释在流程中，即成为物料流程图。它说明车间内物料组成和物料量的变化，单位以批(日)计(对间歇式操作)或以小时计(对连续式)。从工艺流程示意图到物料流程图，工艺流程就由定性转为定量。对应于工艺流程示意图，物料流程图也有两种表示方法: 以方框流程表示单元操作及物料成分和数量，如图8-3和84所示。将物料衡算和能量衡算结果直接加进工艺流程示意图中，得到物料流程图，13.1.1.4 带控制点工艺流程图带控制点工艺流程图是表示全部工艺设备、物料管道、阀门、设备附件以及工艺和自控仪表的图例、符号等的一种内容较为详细的工艺流程图，也称生产控制流程图或工艺控制流程图。13.1.2 设备布置设计设备布置设计的最终成果是设备布置图等一系列图样，它包括： (1)设备布置图 表示一个车间或一个工段的生产和辅助设备在厂房建筑内外安装布置的图样。(2)首页图 车间内设备布置图需分区绘制时，提供分区概况的图样。(3)设备安装详图 表示用以固定设备的支架、吊架、挂架及设备的操作平台、附属的栈桥、钢梯等结构的图样(施工图设计内容之一)。(4)管口方位图 表示设备上各管口以及支座、地脚螺栓等周向安装方位的图样(施工图设计内容之一)13.1.3 管道布置图管路的布置设计首先应保证安全、正常生产和便于操作、检修，其次应尽量节约材料及投资，并尽可能做到整齐和美观以创造美好的生产环境。13.2 物料衡算 根据质量守恒定律，以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口处进行定量计算，称为物料衡算。13.2.1 物料衡算的理论基础 物料衡算有两种情况： 针对已有的生产设备和装置，利用实际测定的数据，计算出一些不能直接测定的物料量。利用计算结果，对生产情况进行分析和判断，提出改进措施；也可用于检查原料利用率和“三废”处理情况。 为了设计一种新的设备或装置，根据设计任务，先作物料衡算，再经能量平衡求出设备或过程的热负荷，从而确定设备尺寸及整个设备流程。 物料衡算的基础是物质的质量守恒定律，即进入一个系统的全部物料量必等于离开系统的全部物料量，再加上过程中的损失量和在系统中的积累量。式中G1输入物料量总和；G2输出物料量总和；G3物料损失量总和；G4物料积累量总和。 当系统内物料积累量为零时，上式可以写成： 根据上述定义可得到化学过程的物料衡算的基本关系式为： 进入反应器的物料量流出反应器的物料量反应器中的转化量反应器中的积累量 在化学反应系统中，物质的转化服从化学反应规律，可以根据化学反应方程式求出物质转化的定量关系。13.2.2 确定物料衡算的计算基准及每年设备操作时间13.2.2.1 物料衡算的基准物料衡算的基准是： (1)以每批操作为基准，适用于间歇操作设备、标准或定型设备的物料平衡，合成药物的生产以间歇操作居多。 (2)以单位时间为基准，适用于连续操作设备的物料衡算。 (3)以每公斤产品为基准，以确定原材料的消耗定额。连续生产的原料药，在一定时间间隔内生产的在规定限度内的均质产品为一批；间歇生产的原料药，可由一定数量的产品经最后混合所得的在规定时间内均质产品为一批。13.2.2.2 每年设备操作时间 车间设备每年正常开工生产的天数，一般以330天计算，余下的36天作为车间检修时间。对于工艺技术尚未成熟或腐蚀性大的车间一般以300天或更少一些时间计算。13.2.3 收集有关计算数据13.2.3.1 相关计算数据为了进行物料衡算，应根据中试放大数据或生产操作记录，收集下列各项数据：反应物的配料比，原辅材料、半成品、成品及副产品等的名称、浓度、纯度或组成，转化率，阶段产率，车间总产率等。13.2.3.2 转化率对某一组分A来说，生成产物所消耗掉的物料量与投入反应物料量之比简称该组分的转化率，一般以百分率表示。若用符号JA表示组分的转化率，则得：13.2.3.3 收率(产率)某主要产物实际产量与投入原料计算的理论产量之比值，也以百分率表示。用符号Y表示，则得：收率一般要说明是按哪一种主要原料计算得到的。13.2.3.4 选择性各种主、副产物中，主产物所占比率或百分率可用符号表示，则得：实际测得的转化率、收率和选择性等数据将作为设计工业反应器的依据，同时这些数据是评价这套生产装置效果优劣的重要指标。13.2.3.5 车间总收率一个化学合成药物的生产过程由若于物理及化学反应工序组成，车间总收率与各工序收率的关系为：在计算收率时，必须注意质量监控，即对各工序中间体和药品纯度要有质量分析数据。13.2.4 物料衡算的计算步骤(1)收集和计算所必需的基本数据；(2)列出化学反应方程式，包括主反应和副反应；根据给定条件画出工艺流程简图；(3)选择物料衡算计算的基难；(4)进行物料衡算；(5)列出物料衡算表：输入与输出的物料衡算表；“三废”排放量表；计算原辅材料消耗定额，通常按生产1kg产品计算。在化学合成药物的工艺研究中，特别要注意成品的质量标准、原辅材料的质量和规格，各工序中间体的质量监控方法以及回收品的处理等，这些都是影响物料衡算的因素。表82为一中药厂某车间主要物料衡算表。表82 某中药生产车间主要物料衡算表13.3.1 能量衡算的理论基础制药生产过程中包含有化学过程和物理过程，往往伴随着能量变化，因此必须进行能量衡算。又因生产中一般无轴功存在或轴功相对来讲影响较小，因此能量衡算实质上是热量衡算。热量衡算的主要依据是能量守恒定律。在无轴功的条件下，进入系统的热量与离开系统的热量相互平衡。其热量衡算表达式为：式中Q1物料进入设备带到设备中的热量；Q2由加热剂 (冷却剂)传给设备和物料的热量(加热时取正值，冷却时取负值)；Q3过程的热效应，它分为两类，即化学反应热效应和状态变化热效应；Q4物料从设备离开所带走的热量；Q5消耗于加热 (冷却)设备和各个部件上的热量；Q6设备向四周散失的热量。通过上式可以计算出Q2，由Q2进而可计算加热剂或冷却剂的消耗量。13.3.2 计算过程(1)所处理的物料带到设备中去的热量Q1，可用下式计算：式中 G物料的重量(kg)； c物料的比热容(kJkg)； t物料的温度()。G 的数值根据物料衡算的结果而定。t的数值由生产工艺操作规程或中间试验数据或由其他搜集得来的资料而定。至于物料的比热容可从各种手册中找到，在缺乏数据的情况下可根据经验式或做实验求取。(2)由加热剂(或冷却剂)传给设备和所处理的物料之热量Q2，在大多数情况下为未知数，需利用热量衡算来求出。据此用以确定传热面积的大小，以及加热剂(或冷却剂)的用量。 (3)过程的热效应Q3，可以分成两类，一类是由于发生化学反应的结果，放出或吸入的热量，一般称为化学反应热。另一类是由于物理化学过程所引起的结果。此种热量一般称为状态热。 在某一过程中，有时只有化学反应热，有时只有状态热，有时两者兼有。 属化学反应热的有聚合热、硝化热、磺化热、氯化热、氧化热、氢化热、中和热等等。这些化学反应热的数据可以从手册、工艺学书籍、工厂实际生产数据、中间试验数据，以及科学研究中获得。如果缺乏数据，可根据元素的生成热和化合物的燃烧热求以出。 属状态热的有汽化热