制药工程 第二篇 车间工艺设计(大字)

1、第二篇 车间工艺设计,绪论 工艺流程设计 物料衡算 能量衡算 车间布置设计 非工艺设计基础,绪论,一、工程设计的程序 二、工程设计的参加对象 三、车间工艺设计,一、工程设计的程序,（一） 前期准备工作 1、项目建议书 2、可行性研究报告 3、设计任务书 （二）设计工作 1、初步设计 2、施工图设计,二、工程设计的参加对象,三、车间工艺设计,（一）车间工艺设计的内容 工艺流程设计 物料衡算 能量衡算 设备工艺设计及选型 车间布置设计 管道设计 非工艺部分设计 经济概算,（二）车间工艺设计的成果 设计说明书 带控制点的工艺流程图 车间设备布置图 管道布置图 设备一览表,（三）设计所需资料 生产工艺

2、路线及方法 物料衡算资料 热量衡算资料 设备工艺设计资料 非工艺设计资料,第四章 工艺流程设计,一、工艺流程设计的任务 二、带控制点的工艺流程图（PID） 三、工艺流程设计的步骤及方法,一、工艺流程设计的任务,确定化工过程及设备 确定换热介质 确定生产控制方法 确定安全技术措施 编写工艺操作规程,二、带控制点的工艺流程图（PID）,（ piping and instrument diagram） PID是工艺流程设计的成果。 PID的画法（见教材P150-162）。,PID所表达的内容： 1、用图的形式表示生产过程中所用到的化工过程和设备； 2、用图的形式表示生产过程中所用到的阀门和管件； 3

3、、用图的形式表示生产过程中所用到的测量控制仪表； 4、用图的形式表示物料、热量流向变化情况。,1、进行工程分析，选择合适的化工过程及设备； 2、绘制工艺流程图； 3、(进行工艺设计计算)； 4、绘制带控制点的工艺流程图（PID）。,三、工艺流程设计的步骤及方法,化工过程及设备的选择论证,原则： 经济合理，技术先进，操作安全，因地制宜（绿色环保）。 几点注意： 1、要熟悉各类设备的性能特征； 2、操作方式； 3、设备平衡； 4、物料的回收和套用,5、提高能量利用率； 6、安全措施； 7、三废处理； 8、流体输送。,第五章 物料衡算,第一节 概述 第二节 物理过程的物料衡算 第三节 化学过程的物料

4、衡算,第一节 概述,一、物料衡算的要求 计算出进入和离开每只设备的各种物质的数量和含量。 二、物料衡算的目的 物料衡算结果是其它工艺设计计算（例如能量衡算、设备工艺设计等）、三废治理以及经济概算的依据。,三、物料衡算模型 总物质平衡： 进入系统的物质量=离开系统的物质量+系统内积累的物质量 组分j 平衡： 进入系统的j物质量+系统内反应生成的j物质量=离开系统的j物质量+系统内反应消耗的j物质量+系统内积累的j物质量,四、物料衡算步骤 1、确定计算范围，画出物料衡算示意图； 2、收集并确定物料计算所需数据资料； 3、确定计算基准： 对于间歇操作，以批或天为基准；对于连续操作，以单位时间（天、小

5、时）为基准； 4、进行自由度分析，确定能够顺利进行物料衡算；,5、列出物料衡算数学模型（公式）及有关计算公式，求解计算； 6、将计算结果以图或表的形式表示（见教材P153）。,第二节 物理过程的物料衡算,一、物料衡算模型的数学表达 二、自由度分析 三、一个单元系统的物料衡算 四、多单元系统的物料衡算,一、物料衡算模型的数学表达,关于物料衡算方程中的变量,两类变量 流量变量：F（质量流量变量）、N（摩尔流量变量） 浓度变量：W（质量分率）、X（分子分数） 对于一股含有S个组分的物流来说，总共有（S+1）个变量，但只有S个变量是独立的，即1个流量变量+（S1）个浓度变量！,系统总的独立变量数目=所

6、有进、出物流的独立变量数目之和,关于物料衡算方程的相溶性,方程相溶性的定义： 在一组方程内，若将某些变量按同一比例放大或缩小，仍能满足原方程组，则称该方程组对这些变量是相溶的。 物料衡算方程对流量变量是相溶的。 关于物料衡算的计算基数 在物料衡算中，如果没有任何一股物流的流量数值，可以指定某一股物流的流量数值作为计算基数。,二、自由度分析,系统自由度=系统独立变量数目系统独立物料平衡方程数目系统独立变量赋值数目系统附加关系方程数目 如果系统自由度为零，表明未知变量数目正好等于方程数目，有解； 如果系统自由度大于零，表明未知变量数目大于方程数目，条件不够； 如果系统自由度小于零，表明未知变量数目

7、小于方程数目，条件过多。,关于附加关系方程,相平衡浓度关系液-液、液-固、气（汽）-液等 饱和溶解度关系 流量之间的比例关系 部分回收关系 其它,关于独立变量赋值,应符合有关原材料、中间体、产品的质量标准； 应符合有关工艺要求； 有些变量不能随意赋值，如相平衡时的浓度变量； 对于一股含有S个组分的物流来说，赋值数目不能超过S，并且浓度变量赋值数目不能超过（S1）。,自由度分析的关键,合理地选择附加关系，合理地赋值，使自由度为零。,三、一个单元系统的物料衡算举例,例5-1（教材P168） 解：,自由度分析： 系统独立变量数目=8 （物流1=2，物流2=1，物流3=3，物流4=2） 系统独立物料平

8、衡方程数目=3 系统独立变量赋值数目=2 （物流1=1，物流4=1，其余为0） 系统附加关系方程数目=2，即：,系统自由度=83221，条件不够。 取F1=1000kg/h作为计算基数，则，自由度=0，有解。,四、多单元系统的物料衡算 （教材P171例5-4）,单元,单元,1,2,3,4,5,多单元系统自由度分析,系统独立变量数目=所有物流的独立变量数目之和 系统独立物料平衡方程数目=所有单元的独立物料平衡方程数目之和，即： 式中，Si第i个单元含有的组分数目； M系统总共有M个单元 其它同前。,多单元系统求解步骤（顺序求解法）,1、系统自由度应为零（表明系统有解）； 2、分别计算各单元的自由

9、度； 3、如果某单元的自由度为零，则先对该单元进行物料衡算； 4、然后对相邻单元进行物料衡算（因为增加了赋值，相邻单元的自由度可能降为零），直至求解出所有单元的物料衡算问题。,5、如果没有任何单元的自由度为零，可以尝试将某两个或两个以上相邻的单元看作为一个单元系统，如果该单元系统的自由度为零，则先对该单元进行物料衡算。 注意：所有附加关系方程只能使用一次。,第三节 化学反应过程的物料衡算,一、只发生一个化学反应系统的物料衡算 二、同时发生多个化学反应系统的物料衡算,一、只发生一个化学反应系统的 物料衡算,设反应方程式为： 设某组分s在反应前后的反应变化量为Rs, 因为， r反应变化量，为正值。

10、 所以，,组分s的物料衡算模型： 总物质的物料衡算模型：,自由度分析的几点注意,r作为一个独立变量，应计入独立变量数目中； 如果已知转化率、收率、选择性或选择率等参数的数值，则它们的定义式可以作为附加关系方程。 例如，已知A的转化率， 则 是一个附加关系方程。 其它同前。,二、同时发生多个化学反应系统的物料衡算,组分S的物料衡算模型： 总物质的物料衡算模型： 同样，只有S个独立物料衡算方程。,自由度分析的几点注意,这R个反应必须是线性独立的。 线性独立的简单判断法则：任一反应中，必须至少存在一种物质，该物质不出现在其它反应中。 R个rr是独立变量。 其它同前。,自习：P180例5-7、P183

11、例5-9,本章要点,重点：自由度分析 物理过程：一个单元系统，多单元系统。 化学反应过程：一个单元系统。,第六章 能量衡算,第一节 概述 第二节 热量衡算 第三节 常用热力学数据的估算 第四节 其它能量消耗的计算,第一节 概述,一、能量衡算的目的 计算设备的热负荷Q2 确定换热介质的种类和数量 确定其它能量（水、电、气、煤等）的消耗量 二、能量守恒定律,第二节 热量衡算,热量平衡方程式的计算基准,对于间歇操作，以批为基准。此时，各项热量的单位为：kJ/批（注意：教材忽略了计算基准） 对于连续操作，以单位时间（h、S等）为基准。此时，各项热量的单位为：kJ/h,各项热量的计算,（二）物理过程热效

12、应Qp,物理过程热效应Qp包括：相变热和浓度变化热。 浓度变化热的求取： 由溶解热qs求浓度变化热； 由无限稀释热qid求浓度变化热。, 由溶解热qs求浓度变化热,设含量为W1、质量为G1的溶液1与含量为W2、质量为G2的溶液2混合，形成含量为W3、质量为G3的溶液3，求混合过程浓度变化热Qp：, 由无限稀释热qid求浓度变化热,设含量为W1、质量为G1的溶液1与含量为W2、质量为G2的溶液2混合，形成含量为W3、质量为G3的溶液3，求混合过程浓度变化热Qp：,第三节 常用热力学数据的估算,溶解热 无限稀释热 标准燃烧热, 溶解热, 无限稀释热, 混酸的无限稀释热（列线图）, 标准燃烧热（理查

13、德Richard法）, 标准燃烧热（补充：卡拉奇khrasch法）, 补充：硝化过程热效应Q3的求取, 补充：磺化过程热效应Q3的求取,第四节 其它能量消耗的计算,本章要点,热量平衡方程式 Q3,Qr,Qp的计算 利用溶解热和无限稀释热计算Qp 标准燃烧热的估算,第七章 车间布置设计,第一节 概述 第二节 车间的总体布置 第三节 工艺设备的布置 第四节 GMP制度与精烘包工序设计,第一节 概述,一、车间布置设计的任务 确定车间的防火防爆等级； 确定车间建筑的主要结构尺寸； 对生产设施、辅助生产设施和生活行政设施作出总体安排； 确定工艺设备的空间位置。,二、车间组成 生产设施：生产设备、原料及产

14、品仓库（贮罐）等； 生产辅助设施：分析、仪表控制、机修等； 生活行政设施：办公室、卫浴等。 三、有关设计规范（见教材P233） 四、设计成果 车间平面布置图、车间立面布置图、布置说明。,第二节 车间的总体布置 医药化工厂常见厂房结构及尺寸 厂房建筑基本构件 厂房建筑模数 车间（三大块）的总体布置, 医药化工厂常见厂房结构及尺寸, 厂房建筑基本构件,(详见P262. 第八章第一节) 柱 梁（主梁、次梁、次次梁等） 墙 楼板 楼梯 门 窗, 厂房建筑模数,跨度：4、6 M 开间：3、6、9M、 层高：3.3、3.6、3.9、4.2M、 墙厚：240MM（一砖墙）、370MM（一砖半） 柱大=层高（

15、MM）/15 楼板厚：100MM 门宽：900、1200、1500、1800MM、,门高：2100、2400MM （主）楼梯：宽：1100、1200MM 长高比：1.51.6, 车间（三大块）的总体布置,第三节 工艺设备的布置,分块布置（按风向）； 按流程布置； 设备分类布置； 尽量采用露天或半敞开建筑； 应符合有关设计规范及标准，如防火、防爆、防毒、电气、土建等要求； 要满足工艺生产要求； 要便于操作；,要便于设备安装、检修； 设备之间的安全距离（见教材P238）。, 厂房的防火防爆 （详见教材第八章第二节）,生产的火灾危险性分类（见教材P270表8-1） 由物质的物性确定生产类别。 厂房的耐火等级（见教材P271表8-2） 由生产类别确定厂房的耐火等级。 厂房的防爆 1、采