工艺计算

技术经济效果综合分析
•
投资回收期
•
投资利润率
•
成本利润率
•
年销售收益比率
•
内部收益率等指标
• 用以评价设计方案的经济效果和反映设 计技术水平。
思考题
• 22-1 制药工艺设计包括哪些内容？ • 22-2 制药工艺流程图有几种形式？与制药生产有什么
关系？ • 22-2 物料衡算的基准是什么？什么是转化率、收率和
工艺计算
物料衡算
22.2.2 确定物料衡算的计算基准及 每年设备操作时间
物料衡算的基准 每年设备操作时间
工艺计算
物料衡算
(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。
初步设计
施工设计
工艺设计图
全厂总工艺流程图，物料平衡图
物料流程图
带控制点工艺流程 图
设备布置图
带控制点工艺流程图，辅助管道 系统图，蒸汽管系统图
首页图，设备布置图，设备支架 图，管口方位图
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
设备图 非定型关键总设备图
定型设备总图及零部件图
内容
工艺流程设计
生产方法的单元操作和反应 确定单元反应和操作的原始信息 确定载能介质
基本程序
原始信息不变
中间判据（能 耗、收率、成 本等）
实验研究报告 生产方法工程分析处理 工艺流程框图 方案比较
物料流程图
工艺流程简图
物料衡算
设备设计
带控制点的工艺流程图
车间布置 生产过程控制方法
工艺流程设计
基本程序
22.1.3 管道布置图
• 应保证安全、正常生产 • 便于操作、检修 • 节约材料及投资 • 整齐和美观，以创造美好的生产环境
22.2 物料衡算
22.2.1 物料衡算的理论基础 22.2.2 确定物料衡算的计算基准及每年设
备操作时间 22.2.3 收集有关计算数据 22.2.4 物料衡算的计算步骤
表1 输入和输出物料平衡
进料量
出料量
输入物料名称 质量 / kg 含量 / % 输出物料名称 质量 / kg
含量 / %
表2 原辅材料消耗定额
序号 原材料名称 单位 规格 成品消耗定额（单耗）小时消耗量年消耗量 备注
表3 “三废”排量
序号 名称 特性和组成 单位 吨产品排出量/ kg 小时排量/ kg 年排量/ t 备注
工艺计算
物料衡算
22.2.3 收集有关计算数据
转化率 XA 收率(产率) Y 选择性φ 车间总收率
工艺计算
物料衡算
X
A

A组分消耗量 A组分投入量
100％
工艺计算
物料衡算
Y＝实 理际 论产 产量 量
100％；或Y＝
产物量折算成原料量 投入原料量
100％
工艺计算
物料衡算
＝主反产应物消折耗算原成料原量料量 100％
工艺计算
物料衡算
22.2.1 物料衡算的理论基础
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。
G1 G2 G3 G4
物料衡算
理论基础
• 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
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
计算过程
(4)过程的热效应Q3
2）物理状态变化热——发生物质聚集状态或浓度变化的 过程中所产生的热效应，放热为正，吸热为负。因为在过 程中物系无温度变化，故习惯上也称作潜热。
①相变热：在恒定的温度和压力下，单位质量或摩尔的物 质发生相变时的焓变。如，汽化热、升华热、熔化热、冷 凝热等。
与αl(低温侧)，传热终了时两侧流体的温度分别为th(高温侧)与tl(低温侧)，则
能量衡算
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
(3) 设备向四周散失的热量Q6
计算过程
能量衡算
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
(4)过程的热效应Q3
计算过程
纯物理过程只产生状态变化热； 而对于化学反应过程，在产生化学反应热的同时，往往 还伴有状态变化热，故化学过程的热效应包括化学反应热 与状态变化热。
②溶解与混和热：当固体、气体溶于液体，或两种液体混 合时，由于分子间的相互作用与它们在纯态时不同，伴随 这些过程就会有热量的放出或吸收，分别称为溶解热或混 和热。
能量衡算
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
计算过程
单元设备热量衡算的步骤：
①明确衡算对象，划定衡算范围，绘制设备的热平衡图； ②搜集有关数据； ③选择计算基准； ④计算各种形式热量的值； ⑤列热量平衡表； ⑥求出加热剂或冷却剂等载能介质的用量； ⑦求出每吨产品的动力消耗定额、每小时最大用量以及每天用量和年 消耗量。
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
工艺计算
能量衡算
22.3.2 计算过程 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
(1)所处理的物料带到设备中去的热量Q1
(2)由加热剂(或冷却剂)传给设备和所处理的物料之热量Q2
(3)过程的热效应Q3 (4)反应产物由设备中带出的热量Q4 (5)消耗在加热设备各个部件上的热量Q5 (6) 设备向四周散失的热量Q6 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。
• 以方框流程表示单元操作及物料成分和数量
• 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。
工艺流程图
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。
能量衡算
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
计算过程
(2)消耗在加热设备各个部件上的热量Q5 稳态操作： Q5=0 非稳态操作，如开车、停车及各种间歇操作：
1)设备各部件的初始温度t1，一般情况下可取室温； 2) t2需视具体情况而定。设传热器壁两侧流体的给热系数分别为α h(高温侧)
（4）确定“三废”的治理方法 工艺流程框图
工艺流程示意图
（5）制定安全技术措施
初步设计
（6）绘制工艺流程图
物料流程图
带控制点的工艺 流程图
施工图设计
（7）编写工艺操作方法
施工阶段带控制 点的工艺流程图。
工艺流程设计
原则
（1）保证产品质量符合规定的标准 （2）尽量采用成熟、先进的技术和设备 （3）满足GMP要求 （4）使用尽可能少的能耗 （5）尽量减少“三废”排放量 （6）具备开车、停车条件，易于控制 （7）具有较宽的操作弹性 （8）具有较好的经济效益 （9）确保安全生产，保证人身和设备的安全
能量消耗综合表
22.4 工艺经济性评价
22.4.1 产品成本的经济分析 22.4.2 基建投资费用的经济分析 22.4.3 工业经济效果综合分析
Leabharlann Baidu 产品成本的经济分析
• 产品成本是由变动成本与固定成本来构 成的。
• 产品成本＝变动成本十固定成本
基建投资费用的经济分析
• 产品成本的节省，多与先进的工艺方法 和设备流程组合、与厂房建筑、设备安 装、仪表控制等有关。这些关联因素都 表现在基建项目投资费用上。
工艺计算
物料衡算
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。
22.2.3 收集有关计算数据
• 相关计算数据
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
全厂总工艺流程，物料衡算结果 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 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 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 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
能量衡算
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
(1)物料带入、带出设备中的热量Q1、 Q4
计算过程
计算基准—— 1）取标准状态，即0℃及1.013×105Pa为计算基准。 2）也可取物料的进口状态作为，这时Q1＝0。 平均比热容—— 因为物料的比热容是温度的函数，式中物料的比热容是指进、出口物料 的定压平均比热容。 1）对于进口物料，取基准温度与物料进口温度的平均温度下的比热容 2）对于出口物料，取基准温度与物料出口温度的平均温度下的比热容。
工艺流程图
• 工艺流程方框图 • 工艺流程简图
示意图
阿司匹林工艺流程框图
阿司匹林工艺流程简图
工艺流程图
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。
工艺流程图
物料流程图
对应于工艺流程示意图，物料流程图也有两 种表示方法:
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
设备的主要结构形式、尺寸、技术特征
22.1 工艺设计图
22.1.1 工艺流程图 22.1.2 设备布置设计 22.1.3 管道布置图
工艺设计图
流程图
22.1.1 工艺流程图
• 工艺流程示意图 • 全厂总工艺流程图或物料平衡图 • 物料流程图 • 带控制点工艺流程图
二氯甲苯精馏工段带控制点的工艺流程图
工艺设计图
设备布置
22.1.2 设备布置设计
• 设备布置图 • 首页图 • 设备安装详图 • 管口方位图
设备布置图
基本构成
设备布置图一般包括以下内容：
(1)厂房的建筑结构 (2)设备轮廓 (3)尺寸标注 (4)标题栏 (5)设备—览表
工艺设计图
设备布置
例 甲氧苄氨嘧啶生产中由没食子酸经甲基化反应制备三甲 氧苯甲酸工序，测得投料没食子酸（1)25.0kg，未反应的没 食子酸2.0kg，生成三甲氧苯甲酸（2）24.0kg，求选择性和
收率。
解：
22.3 能量衡算
22.3.1 能量衡算的理论基础 22.3.2 计算过程
工艺计算
能量衡算
22.3.1 能量衡算的理论基础
工艺路线的选择
工业化实施的可行 性、可靠性和先进 性；关键设备和特 殊工艺条件或参数 容易实现或达到
确定工艺流程的组成和顺序
在此基础上，确定 各设备之间的连接 顺序以及载能介质 的技术规格和流向
明确各单元反应和单元 操作的主要设备、操作 条件和基本操作参数(如 温度、压力、浓度等)。
22.1 工艺设计图
1）化学反应热——是指在一定温度下，化学反应所放出 或吸收的热量。
反应热不仅取决于化学反应本身的特征，还与反应的温度 有关。 为计算在各种温度下的反应热，规定当反应温度为298K及 标准大气压时反应热的数值称标准反应热，其数据可以在 有关手册中查到；当缺乏数据时可以用标准生成热或标准 燃烧热求得。
能量衡算
Y＝X
工艺计算
物料衡算
工艺计算
物料衡算
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准； (4)进行物料衡算； (5)列出物料衡算表：①输入与输出的物料衡
算表；②“三废”排放量表；③计算原辅材 料消耗定额，通常按生产1kg产品计算。
选择性？三者之间的关系是什么？ • 22-3 能量衡算的理论是什么？药物生产过程中，哪些
工艺需要进行能量衡算？如何计算？ • 22-4 设计工作的技术经济分析主要包括哪些内容？ • 22-5 如何对你设计的制药工艺进行经济性评价？
第二十二章 制药工艺计算
工艺流程设计
生产工艺流程设计 试验工艺流程设计
22.1 工艺设计图 22.2 物料衡算 22.3 能量衡算 22.4 工艺经济性评价
技术成 熟、大 量生产
仅有文 献资料， 尚未进 行生产
工艺流程设计
任务
（1）确定流程的组成
（2）确定载能介质的技术规格和流向
（3）确定生产控制方法