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化工設(shè)備

維生素B6醫(yī)藥項(xiàng)目原料儲罐工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化

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在維生素B6原料儲罐項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過物料平衡計(jì)算、主要工藝設(shè)備選型、工藝流程設(shè)計(jì)優(yōu)化等，保證整個(gè)廠區(qū)原料供應(yīng)的可靠性、安全性，并符合GMP醫(yī)藥項(xiàng)目的要求。對今后醫(yī)藥項(xiàng)目中的儲罐工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

醫(yī)藥原料儲罐工藝設(shè)計(jì)要求設(shè)備選型工藝優(yōu)化GMP

0　引言

維生素B6是一種水溶性維生素，在臨床應(yīng)用和保健方面有著廣泛的用途。維生素B6的化學(xué)合成以乙酰乙酸乙酯與磺酰氯為原料，合成工藝包括多步反應(yīng)，其成品需在凈化環(huán)境下進(jìn)行包裝。

作為維生素B6醫(yī)藥工廠儲運(yùn)環(huán)節(jié)的重要工藝裝置單元，原料儲罐工藝單元影響到整個(gè)工廠的原料供給，相關(guān)工藝設(shè)計(jì)將直接影響整個(gè)工廠的生產(chǎn)計(jì)劃和人員排班。類似醫(yī)藥化學(xué)合成項(xiàng)目的原料種類繁多，在儲罐工藝設(shè)計(jì)中需根據(jù)全廠工藝情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)應(yīng)考慮GMP（藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范）對醫(yī)藥行業(yè)的特殊要求。

某新建維生素B6項(xiàng)目儲罐的工藝區(qū)域劃分為原料罐區(qū)、中間罐區(qū)和成品裝卸區(qū)，其工藝設(shè)計(jì)應(yīng)依據(jù)項(xiàng)目報(bào)價(jià)資料，相關(guān)國家強(qiáng)制規(guī)范和行業(yè)規(guī)范，客戶與設(shè)計(jì)方簽訂的設(shè)計(jì)合同相關(guān)內(nèi)容，客戶給出的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如原料成分、中間產(chǎn)品組成、儲存條件）等。本文以該項(xiàng)目為例，詳述了醫(yī)藥項(xiàng)目原料儲罐工藝單元的工藝設(shè)計(jì)及相關(guān)優(yōu)化方案。

1　原料罐區(qū)設(shè)計(jì)條件和主要工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1設(shè)計(jì)條件

化學(xué)合成維生素B6的原料多為毒性較大、易燃易爆、腐蝕性強(qiáng)、凝固點(diǎn)高的液體介質(zhì)，如異丁醛、乙酰乙酸乙酯、環(huán)己烷、磺酰氯等，原料物性見表1。

除了前述重要設(shè)計(jì)條件之外，下游工藝需要的原料條件（如GMP要求、儲存要求、可否直接排入大氣、氧化與聚合特性等）均需作為工藝設(shè)計(jì)考慮的因素。

1.2主要工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

首先根據(jù)原料物性判別介質(zhì)的可燃性，該項(xiàng)數(shù)據(jù)的劃分在工藝設(shè)計(jì)及下游專業(yè)輸入條件的設(shè)定中起關(guān)鍵作用，GB 50160—2008（《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》）對此也作出了詳細(xì)規(guī)定。

然后根據(jù)設(shè)計(jì)條件及原料介質(zhì)的特點(diǎn)確定主要工藝設(shè)計(jì)要求,包括下游裝置單元號、所需正常流量和最小流量、下游裝置的間歇或者連續(xù)要求、終端是否有流量控制要求和壓力要求等。根據(jù)設(shè)計(jì)條件可確定原料罐區(qū)的物料平衡關(guān)系及關(guān)鍵設(shè)備儲罐的容積，公式見式（1）。

式中，VT表示儲罐所需計(jì)算容積，m3；VC表示槽車容積，m3；B表示槽車每周來的批次數(shù)，為無因次量；D表示建議儲存天數(shù)，d；R表示下游裝置每天的需求量，m3/d。

之后，根據(jù)儲罐的常規(guī)設(shè)計(jì)尺寸對計(jì)算容積進(jìn)行圓整。

儲存條件的設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮當(dāng)?shù)貧鉁嘏c物料凝固點(diǎn)的溫度差。其中所有甲B類、乙類可燃液體均應(yīng)采取氮封的措施以避免外界空氣介入或可燃液體揮發(fā)引起的氣霧外泄[1]。由于儲罐布置在室外，還應(yīng)采取減少日曬升溫的措施（如設(shè)置噴淋裝置或采取冷保溫的方式），以免夏季室外溫度上升引起罐內(nèi)介質(zhì)升溫進(jìn)而導(dǎo)致罐頂壓力升高以及物料損失的危險(xiǎn)工況出現(xiàn)。

表1　原料物性表

在環(huán)境溫度下易凝結(jié)或結(jié)晶的介質(zhì)應(yīng)根據(jù)其相應(yīng)的凝固點(diǎn)數(shù)據(jù)及溶解曲線圖確定保溫方案。由于醫(yī)藥項(xiàng)目原料儲罐容積均小于100 m3，可采用流體循環(huán)加外部換熱器的設(shè)計(jì)方案來保持整個(gè)儲罐的介質(zhì)溫度。單一原料罐區(qū)的裝置（如泵、管線等）應(yīng)采取電伴熱措施防止局部低溫，從而避免晶體析出。在維生素B6的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常用到酸和堿，需注意具體介質(zhì)的工藝特性，如氫氧化鈉在不同濃度下的凝固點(diǎn)呈非線性關(guān)系。[6]

1.3原料罐區(qū)設(shè)備及相應(yīng)管材主要材料的確定

維生素B6項(xiàng)目設(shè)備與管材的主材選擇主要以介質(zhì)的質(zhì)量濃度、介質(zhì)與各種材料的反應(yīng)機(jī)理為判斷依據(jù)。首先將原料介質(zhì)的質(zhì)量濃度作為材料選擇的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后將介質(zhì)的最高操作溫度作為材料使用溫度的最高限制，最后查詢相關(guān)腐蝕材料手冊明確原料介質(zhì)與各種材料的反應(yīng)機(jī)理。[2]一般情況下，管道材料與設(shè)備材料的選擇是一致的，但強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（如磺酰氯，32%鹽酸等）的管道應(yīng)選擇聚四氟烯（PTFE）內(nèi)襯管；而考慮到內(nèi)襯的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、容積大小等因素，設(shè)備可優(yōu)先選用搪玻璃罐。

1.4其他物性對原料罐區(qū)的工藝設(shè)計(jì)影響

根據(jù)表1，98%的濃硫酸、磺酰氯和醋酸酐均不能與水接觸。濃硫酸與水接觸，會放出大量熱量，使得儲罐急速升溫；醋酸酐與水反應(yīng)會生成醋酸，嚴(yán)重影響原料的濃度以及下游工藝質(zhì)量；磺酰氯與水接觸發(fā)生反應(yīng)（SO2Cl2+2H2O→2HCl+H2SO4），產(chǎn)生大量氣相HCl和硫酸，其中焓變?yōu)?278 kJ/mol，反應(yīng)絕熱溫升可達(dá)到342℃，影響罐內(nèi)溫度、壓力、物料狀態(tài)以及材料的溫度與許用應(yīng)力。

工藝設(shè)計(jì)時(shí)需考慮原料的特性，避免水分進(jìn)入罐內(nèi)，并避免使用呼吸閥一類的安全裝置以防止將空氣帶入。此外，應(yīng)采用自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)的壓力平衡；卸料結(jié)束需及時(shí)用干燥氮?dú)獯祾撸乐箍諝饣卮畮胨?；停車檢修時(shí)的吹掃干燥步驟需和工廠操作人員溝通，嚴(yán)禁水殘留，并寫入操作標(biāo)準(zhǔn)手冊。

2　關(guān)鍵工藝設(shè)備的選型及設(shè)計(jì)

2.1儲罐選型

作為原料罐區(qū)設(shè)備的核心，儲罐的選型首先考慮儲罐的結(jié)構(gòu)形式，其判斷依據(jù)主要為原料的物料特性、國家規(guī)范、儲罐材料的制作結(jié)構(gòu)限制和制作成本等。

根據(jù)表1的物料特性及物料衡算，維生素B6原料儲罐工作容積普遍小于100 m3，且大部分物料為酸、酯等液體物料和異丁醇類的易聚合物料，故從結(jié)構(gòu)考慮，可選用固定頂儲罐。

在維生素B6原料儲罐材料的初選中，大部分可選用不銹鋼，另外一部分原料由于對不銹鋼具有腐蝕性，需選用搪玻璃儲罐[2]。由于搪玻璃制作工藝的限制，目前國內(nèi)搪玻璃儲罐普遍的有效容積為20~30 m3，如果做到40 m3以上,搪玻璃的高溫搪燒工藝會有一定風(fēng)險(xiǎn)，容易導(dǎo)致內(nèi)襯玻璃質(zhì)釉的不合格或者破損。根據(jù)相應(yīng)原料罐區(qū)的物料平衡關(guān)系，應(yīng)設(shè)置30 m3以下的單罐或者雙罐，同時(shí)還要考慮搪玻璃儲罐管口最小尺寸（DN50）和頂部開孔數(shù)量的限制。針對某些下游用戶有GMP的工藝要求，必須對儲罐的不銹鋼內(nèi)壁進(jìn)行拋光，達(dá)到表面粗糙度值小于0.8 μm的要求，并且頂部管口設(shè)置應(yīng)避免出現(xiàn)死角，側(cè)面管口不宜設(shè)置人孔。

儲罐的設(shè)計(jì)壓力確定原則為：首先確定儲罐的設(shè)計(jì)正壓力,使用氮封系統(tǒng)的儲罐可根據(jù)氮?dú)獾淖罡邏毫Υ_定,維生素B6儲罐全廠使用200 kPa氮?dú)鉁p壓形成1 kPa進(jìn)、4 kPa出的氣封系統(tǒng)，考慮到氮封系統(tǒng)減壓閥失效的工況,選擇儲罐的設(shè)計(jì)正壓力為氮?dú)庾罡卟僮鲏毫Φ?.1倍（即220 kPa）；設(shè)計(jì)負(fù)壓力的校核可根據(jù)儲罐設(shè)備無保護(hù)措施或氮封系統(tǒng)不工作的情況下介質(zhì)的排出工況,即使用理想氣體方程（pV=nRT）進(jìn)行工況前后的壓力估算，判斷可能出現(xiàn)的負(fù)壓情況。

介質(zhì)排除前，壓力p1選擇常壓下介質(zhì)的氣體分壓（即大氣壓力p）與介質(zhì)飽和蒸汽壓的乘積，體積V1選擇儲罐最苛刻工況（即最高工作液位）下的容積,可取設(shè)備全容積與填充系數(shù)的比值。介質(zhì)排除時(shí),體積V2選擇原有氣體體積，即10%罐頂體積與儲罐全容積相加，減去出料泵流量再乘上儲罐低液位泵15 min最低抽空時(shí)間。根據(jù)p1V1=p2V2得出最苛刻工況下的p2。通過實(shí)際計(jì)算，p2＝-90～-89 kPa，即儲罐設(shè)備無保護(hù)措施下或者氮封系統(tǒng)不工作的情況下介質(zhì)排出時(shí)會導(dǎo)致高真空。

考慮到鋼制儲罐在整廠設(shè)備制造中體積用料最大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮（如較高負(fù)壓工況將使設(shè)備成本上升），應(yīng)將220 kPa的正壓力作為儲罐制造設(shè)計(jì)的依據(jù)，要求廠商提供在該正壓條件下能承受的最大負(fù)壓，選出通用設(shè)計(jì)條件作為鋼制儲罐的設(shè)計(jì)負(fù)壓力?？紤]到制造工藝的特點(diǎn)和制造容積的限制，搪玻璃儲罐的設(shè)計(jì)負(fù)壓力可以選擇全真空，從而提高安全性。這樣也可避免選擇內(nèi)襯PTFE或玻璃鋼之類不能承受高負(fù)壓工況的設(shè)備材料。

2.2泵選型

泵選型應(yīng)考慮泵的用途、流量、揚(yáng)程、材料、軸封、氣蝕余量及現(xiàn)場條件。原料罐區(qū)的泵主要以卸料泵和出料泵為主，如無特殊流量要求，應(yīng)盡量選擇離心泵，原因是離心泵具有結(jié)構(gòu)簡單、輸液無脈動、流量調(diào)節(jié)簡單等特點(diǎn)。

卸料泵流量應(yīng)根據(jù)卸料槽車的大小和卸料時(shí)間確定。卸料槽車油罐容積為20~30m3，根據(jù)廠區(qū)卸料時(shí)間規(guī)定（1~2h操作時(shí)間），可得到卸料泵流量為20~30m3/h，醫(yī)藥項(xiàng)目罐區(qū)工藝的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量選擇統(tǒng)一的卸料泵，以方便卸料區(qū)域泵的維修、操作、備品備件的統(tǒng)一。揚(yáng)程可根據(jù)原料罐區(qū)卸料區(qū)域建議布置及目標(biāo)儲罐的操作壓力確定，設(shè)置應(yīng)盡量統(tǒng)一。

輸送泵的流量和揚(yáng)程可根據(jù)下游裝置區(qū)的要求取值，如果泵終端沒有特殊壓力要求，建議取50 kPa作為揚(yáng)程及壓降校核依據(jù)。

軸封是泵選型中另一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題，可根據(jù)物料的特性選擇機(jī)械密封或直接選用磁力泵，軸封的選型可由表2（泵軸封的選型）對照表1來確定。

表2　泵軸封的選型

由于大部分介質(zhì)為溶劑或有毒危險(xiǎn)介質(zhì)，綜合考慮整廠的公用工程情況，可統(tǒng)一選用磁力驅(qū)動泵，以方便生產(chǎn)、維護(hù)及長期運(yùn)營成本的控制。

2.3換熱器選型

維生素B6項(xiàng)目中原料罐區(qū)的換熱器主要用于三種工藝工況：（1）保持罐內(nèi)介質(zhì)的溫度不低于相關(guān)介質(zhì)的凝固點(diǎn)溫度，以防止物料堵塞管路和設(shè)備而引起生產(chǎn)和安全事故[3]；（2）保持罐內(nèi)介質(zhì)的溫度不高于或者接近相關(guān)介質(zhì)的閃點(diǎn)溫度或飽和蒸汽壓對應(yīng)的溫度，以防止物料的大量損失以及可能的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)[3]；（3）罐頂氣體排出口的設(shè)置使揮發(fā)度較高（即飽和蒸汽壓偏高）的介質(zhì)氣相冷凝，以減少物料的損失。

根據(jù)工藝工況確定換熱器的工藝功能：工況1為加熱器，工況2為冷卻器，工況3為冷凝器。然后可根據(jù)原料罐區(qū)中介質(zhì)的操作及設(shè)計(jì)溫度和壓力，確定換熱器的形式。

可以將公用工程介質(zhì)的最高溫度作為換熱器的設(shè)計(jì)溫度。加熱器工況下，以95℃熱水作為熱媒，換熱器的設(shè)計(jì)溫度以冷流出口閥門誤關(guān)為最苛刻工藝工況，宜選用100℃；冷卻器工況下，以-15℃冷凍鹽水作為冷媒，換熱器的設(shè)計(jì)溫度以熱流出口閥門誤關(guān)為最苛刻工藝工況，宜選用-20℃。壓力應(yīng)考慮相關(guān)泵的關(guān)閉壓力，即通過廠商提供的關(guān)閉壓力值來確定換熱器的設(shè)計(jì)壓力。

在換熱器的溫度和壓力已經(jīng)確定的情況下，對于工況1和2，在設(shè)計(jì)溫度不高于150℃、設(shè)計(jì)壓力不大于1.5 MPa的情況下，因介質(zhì)狀態(tài)變化少，大多數(shù)都是液液熱交換，應(yīng)盡量選用板式換熱器。板式換熱器的換熱面積較容易獲得且占地面積小、容易維護(hù)，比較適合維生素B6之類的醫(yī)藥項(xiàng)目。而針對工況3，由于涉及到相變，冷凝器應(yīng)使用管殼式換熱器，通過冷媒的作用，可使氣相介質(zhì)冷凝后沿管程側(cè)呈膜狀向下流動，形成汽液分離的效果，從而達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求。

3　確定維生素B6原料罐區(qū)的工藝流程圖

原料罐區(qū)的典型工藝流程固定統(tǒng)一,即原料通過卸料泵從槽罐車輸送到原料儲罐,再通過出料泵持續(xù)或間歇地輸送到下游設(shè)備，具體流程見圖2，實(shí)線為主工藝路線，虛線為根據(jù)工藝要求進(jìn)行增減的路線。

圖1　維生素B6原料儲罐工藝典型流程

對可燃、有毒或者揮發(fā)性強(qiáng)的介質(zhì)，應(yīng)根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)增加氮封系統(tǒng)，包括設(shè)置相應(yīng)的氮?dú)廛浌苷尽薜獨(dú)膺M(jìn)入和排出系統(tǒng)、開停車儲罐氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)等。對于下游用戶有GMP要求的儲罐，需選擇符合要求的氮?dú)鈽?biāo)準(zhǔn)，水分體積分?jǐn)?shù)必須小于5× 10-6，以防止相關(guān)原料受到污染。

對高凝固點(diǎn)介質(zhì)，應(yīng)采用流體循環(huán)加外部換熱器（保持原料溫度）的儲罐，且內(nèi)部需加裝噴嘴。根據(jù)儲罐大小,選擇單噴嘴形式,類似同心異徑管,安裝在儲罐內(nèi)靠近罐底的回流管出口處，見圖3。噴嘴仰角的計(jì)算必須以儲罐的最高液位作為依據(jù)[7]。

圖3　噴嘴仰角示意圖

從有效利用能源的角度考慮，可以在儲罐上設(shè)置溫度傳感器用于監(jiān)控介質(zhì)的溫度，尤其是一些凝固點(diǎn)較低但又高于常年冬天最低溫度的介質(zhì)（如丁烯醇、環(huán)己烷等）。加熱媒介可以設(shè)置為罐內(nèi)溫度達(dá)到安全值時(shí)停用，以達(dá)到降低能耗的目的。

對于持續(xù)運(yùn)行的出料泵，必須考慮設(shè)置小流量線，以防止下游用戶關(guān)閉閥門時(shí)，出料泵低于最小流量長時(shí)間運(yùn)行，導(dǎo)致部分介質(zhì)的溫度升高，從而影響泵進(jìn)口處的溫度，導(dǎo)致汽蝕余量的產(chǎn)生，甚至引起泵的損壞。

對于槽車卸料泵的開啟，應(yīng)設(shè)置安全開啟條件（即槽車靜電連接條件）、槽車平衡線連接條件、軟管連接條件，在三者同時(shí)滿足的情況下，卸料泵才能啟動。還應(yīng)在相應(yīng)的因果關(guān)系圖中注明反饋信號條件，以保證卸料泵在安全可靠的情況下啟動電機(jī)，并保證生產(chǎn)及人員安全。

4　結(jié)語

與一般化工原料儲罐的工藝設(shè)計(jì)考慮的因素不同，維生素B6原料儲罐的工藝流程設(shè)計(jì)不僅要滿足原料儲罐的物料平衡要求,也要適應(yīng)醫(yī)藥項(xiàng)目規(guī)模偏小，原料眾多（其中可燃、腐蝕性揮發(fā)介質(zhì)居多），下游用戶眾多以及醫(yī)藥GMP的要求。維生素B6原料儲罐工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的確定、主要設(shè)備及附件的選型、工藝流程設(shè)計(jì)的優(yōu)化等，可以保證醫(yī)藥項(xiàng)目中原料儲罐工藝設(shè)計(jì)的合理性、可行性，從而滿足全廠各個(gè)工藝裝置的原料需求，保證維生素B6的生產(chǎn)。該設(shè)計(jì)可為類似醫(yī)藥項(xiàng)目原料儲罐的工藝設(shè)計(jì)提供借鑒和參考，以保證相關(guān)工藝設(shè)計(jì)的性能。

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Process Design and Optimization for Pharmaceutical Raw Materials Tanks of Vitamin B6Project

Hua Cheng

Based on the process design of raw materials tanks of vitamin B6project,the reliability and safety of raw material supply of the whole plant can be guaranteed,and the GMP pharmaceutical requirement can be met by the material balance calculation,main process equipments selection,and process design and optimization.The design and optimization principle is of guiding significance to the process design for tanks in pharmaceutical projects.

Pharmaceutical raw materials tank;Process engineering requirement;Equipment selection;Process optimization;GMP

TQ460.4

華程男1980年生本科工程師研究方向：化學(xué)工程與工藝

2015年6月