化工设计的研究与创新(天津大学张美景)

什么是原料药？原料药 的无菌等级问题？
分子式：C41H76N2O15
罗红霉素原来的生产工艺流程简要情况： 红霉素溶解在丙酮和水混合体系中，和某种 反应物（罗红霉素半合抗的侧链物质分子）进 行醚化反应，反应物经过活性炭脱色后，用水 进行萃取结晶，然后过滤得到罗红霉素湿粗品。
罗红霉素湿粗品溶解在甲醇中，用水进行萃 取结晶，然后过滤、洗涤、干燥得到罗红霉素 原料药。
问题： 化工项目的“创新”？
在化工工艺设计中 如何体现“创新”？
如何体现“绿色”？
例一、罗红霉素精制工段创新设计实例分析
罗红霉素原料药生产项目的工艺包（设计）问题 罗红霉素及其生产工艺的简介
罗红霉素是一种半合成抗生素
从红霉素开始，经过 合成反应制取的大环 内酯类抗生素
罗红霉素化学名称： 9－〔0－〔（2－甲氧基乙氧基）－甲基〕坞红霉素 其原料药（原粉）是白色或类白色结晶状粉末，
二、创新取得的成果
1、年产30kt/a，原来需要30m3冷却结晶器12台，现在只 需要40m3结晶器3台。 2、原来的冷却结晶器操作时，每批都要大量的水来清洗， 现在的结晶器连续操作180天才停车清洗一次。 3、原来的晶体产品是粒度小且分布不均匀的粉末状、产 品含量只有97％，现在的晶体均匀且粒度较大、产品含 量在99.2％以上。
如何解决这些问题？
工厂现产品晶体SEM照片
Steps in designing and retrofitting chemical processes Current Situation --- Opportunity Assess Primitive Problems
Survey Literature
4、计算并绘制出流程的PID图、PFD图 ◆根据手册推荐和经验，初步确定流程各管道的管径；
◆根据过程开发实验结果，确定流程各关键控制点的控制 方案。
5、根据厂房实际情况提出流程中各设备平面布置和立面 布置的建议。 6、撰写初步工艺设计说明书 包括：综述前言、流程操作说明（工艺规程）、原料情况、 动力情况、产品规格、物料衡算结果、热量衡算结果、流 程控制方案说明、化验（检验）方法、主要设备的操作及 维修保养、各物料的物性数据、结论及建议等。
现有生产工艺存在的问题： 1、醚化反应时间太长等原因，导致生产设备的容时生产能力 偏低。
2、原料药晶体粒度偏小而且粒度分布太宽，导致过滤时间偏 长、产品不好烘干、产品溶媒残留量偏高。
3、产品流动性较差，影响后续制剂生产。 4、产品色级较差，而且含量偏低（ HPLC 96％），存放期 较短。 5、单程结晶收率偏低（只有90％）。
三、节省能耗的问题
1、新流程各级真空的产生方式创新； 2、结晶过滤后德 湿晶体含湿量从15％降低为7％，节省 干燥能耗50％以上；
四、关键设备（大型连续结晶器）的优化问题
1、结晶器的外形尺寸及内部构件； 2、结晶器的进料位置和放料位置；
(Woods, 1995a)
7. Data for Process Design and Engineering Practice (Woods, 1995b)
例二、年产30kt/a晶体磷酸一铵项目
的创新设计实例分析
问题： 1、结晶方式问题；
2、流程操作可靠性和生产能力问题；
3、晶体产品的粒度及其分布问题；
流程中绿色化工概念及能量集成管理： 1、粗品结晶母液的处理与回收利用问题； 2、重结晶母液的处理与回收利用问题； 3、重结晶过程蒸发出来的溶剂－水混合物的处理 与回收利用问题； 4、结晶器热源问题； 5、过滤用真空泵的共用问题；
改造前晶体SEM照片
改造后晶体SEM照片
Several key handbooks and reference books are well known to our chemical engineers. These include: 1. Perry’s Chemical Engineer’s Handbook (Perry and Green,1997 ) 2. The CRC Handbook of Chemistry and Physics
Database Creation Process Creation Create a Process Flowsheet
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Process Integration Experiments
Gross Profit Favorable Analysis
在这个化工项目中体现的研究与创新： 1、反应过程的研究与创新
◆ 实现整个过程的能量优化集成等等。
结晶分离提纯工段的工艺初步设计：
1、构画流程草图； 2、物料衡算及热量衡算； ◆按照年生产能力，确定流程操作状态，计算出各 流股流量等数据，确定各设备装料量、各设备需要 的换热量等数据。得出流程物料衡算及热量衡算一 览表； 3、根据2得出的数据计算流程中各设备的大小； ◆确定标准设备的型号； ◆确定非标设备的尺寸； 得出设备一览表
4、晶体产品的纯度问题；
5、生产过程的能耗问题。
一、问题评估 1、结晶方式的选择
从投资、操作可靠性、生产能力等方面提出初步 的创新设想。
2、如何解决晶体产品粒度及其分布，并提高晶 体产品的纯度？
按创新设想建立小试试验流程，并在该流程中通 过试验优化流程参数，达到提高晶体产品粒度及其分 布，并提高晶体产品的纯度的目的。
◆ 研究反应工艺条件，解决反应速度偏低的问题；
◆ 提高反应转化率、提高反应产物浓度；
◆ 研究反应完成后混合物的初步分离问题等等。
2、结晶分离提纯过程的研究与创新
◆ 研究先进的结晶工艺，解决产品晶体存在 的一些问题； ◆ 研究先进的结晶器设备，保证新开发的结 晶工艺能顺利实施；
◆ 实现结晶工艺的绿色化；
(the so-called Rubber Handbook, published annually by CRC Press, Boca Raton, FL)
3. Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry (Kent, 1992)
4. The Chemical Processing Handbook (McKetta, 1993) 5. The Unit Operations Handbook (McKetta, 1993) 6. Process Design and Engineering Practice