制药工程工艺设计第二章 工艺流程设计

第二章工艺流程设计

基本要求：（1）了解工艺流程是车间设计的关键步骤；（2）掌握流程设计的程序和方法，会选定判据进行方案比较；（3）从回收、套用、节能、安全、控制等方面，掌握流程技术处理、完善流程的方法；（4）掌握各种流程图。特别是带控制点流程图的内容和绘制方法。第二章工艺流程设计第一节、概述一、工艺流程设计的重要性工艺流程设计是车间工艺设计的中心与核心。包括实验工艺流程和生产工艺流程设计两部分。对于国内已大规模生产、技术比较简单以及中试已通过的产品，其工艺流程设计一般属于生产工艺流程设计；而对于只有文献资料依据、国内尚未进行实验和生产以及技术比较复杂的产品，其工艺流程设计一般属于实验工艺流程设计。二、工艺流程设计的任务和成果１、工艺流程设计的任务（1）确定流程的组成（单元反应和单元操作内容及连接）

（2）确定载能介质(蒸汽、水、冷冻盐水、压缩空气及真空)的技术规格和流向（3）确定生产控制方法(工艺参数的检测点、仪表安装位置)

（4）确定“三废”的治理方法

（5）制定安全技术措施对生产过程中(特别是停水、停电、开车、停车以及检修等过程中)可能存在的安全问题，应确定预防、预警及应急措施，如报警装置、事故贮槽、防爆片、安全阀、泄水装置、水封、放空管、溢流管等措施。（6）绘制工艺流程图PID(pipingandinstrumentdiagram)图（7）编写工艺操作方法在设计说明书中阐述从原料到产品的每一个过程的具体的生产方法，包括原辅料及中间体的名称、规格、用量；工艺操作条件(如温度、时间、压力等)；控制方法；设备名称等。

２、工艺流程设计的成果

（1）初步设计阶段工艺流程设计的成果：Ａ、初步设计阶段带控制点的工艺流程图Ｂ、工艺操作说明

（2）施工图设计阶段的工艺流程设计成果施工图阶段的带控制点工艺流程图即工艺管道及仪表流程图(piping

and

instrument

diagram,PID)。两者的要求和深度不同，施工阶段的带控制点流程图是根据初步设计的审查意见，并考虑到施工要求，对初步设计阶段的带控制点工艺流程图进行修改完善而成。两者都要作为正式设计成果编入设计文件中。三、工艺流程设计的原则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、易于控制。

７、具有柔韧性，即在不同条件下(如进料组成和产品要求的改变)能够正常操作的能力。

８、具有良好的经济效益。

９、确保安全生产，以保证人身和设备的安全。第二节、工艺流程设计的基本程序一、对选定的生产方法进行工程分析及处理对中、小试实验工艺报告或工厂实际生产工艺及操作控制数据进行工程分析。在确定产品方案、设计规模及生产方法的条件下，将产品的生产工艺过程按制药类别和制剂品种要求分解成若干个单元反应、单元操作或若干个工序，并确定每步的基本操作参数(又称为原始信息，如温度、压力、时间、进料速度、浓度、生产环境、洁净级别、人净物净措施要求、制剂加工、包装、单位生产能力、运行温度与压力、能耗、型式、数量等)和载能介质的技术规格。二、绘制工艺流程框图生产方法和规模确定后，即可绘制工艺流程框（草）图，是以方框或圆框、文字和带箭头的线条的形式定性地表示出由原料变成产品的生产过程。三、进行方案比较从成本、收率、能耗、环保、安全及关键设备使用等方面对提出的几种方案进行比较，从中确定最优方案。四、绘制设备工艺流程图（简图）五、绘制初步设计阶段的工艺管道及仪表流程图（带控制点流程图）

设备工艺流程图绘制后，就可进行车间布置和仪表自控设计。根据车间布置和仪表自控设计结果，绘制初步设计阶段的工艺管道及仪表流程图。六、绘制施工图阶段的工艺管道及仪表流程图

初步设计的流程图经过审查批准后，按照初步设计的审查意见进行修改完善，并在此基础上绘制施工阶段的工艺管道及仪表流程图。实验研究报告生产方法工程分析处理工艺流程草图方案比较工艺管道及仪表流程图工艺流程图物料流程图生产方法的单元操作和单元反应确定单元反应和操作的原始信息确定载能介质

原始信息不变中间判据（能耗、收率、成本等）物料衡算设备设计车间布置生产过程控制方法图2—1工艺流程设计程序框图/P七、流程设计的基本程序一、生产工艺流程框（草）图

常以圆框表示单元反应，方框表示单元操作（反之亦可），以箭头表示物料的流向，用文字表示单元反应、单元操作以及物料的名称。它是一种定性图纸，便于方案比较和物料衡算，但不编入设计文件中。二、设备工艺流程图(简图)

是以设备的几何图形表示单元反应和单元操作，以箭头表示物料和载能介质的流向，用文字表示设备、物料和载能介质的名称。第三节、工艺流程图

三、生产工艺物料流程图（ProcessFlowDiagram,PFD图）

物料流程图是初步设计的成果，编入初步设计说明书中。物料流程图有三纵行，左边表示原料、中间体和成品；

中间的表示单元反应和单元操作；右边的表示副产品和“三废”排放物。四、工艺管道及仪表流程图（带控制点工艺流程图）是以工艺管道及仪表为主体的流程图。

用图示的方法把工艺流程所需要的全部设备(机器)、管道、阀门、管件和仪表及其控制方法等表示出来，是工艺设计中必须完成的图样，也是施工、安装和生产过程中设备操作、运行和检修的依据。１、工艺管道及仪表流程图的基本要求用设备图形表示单元反应和单元操作；要反映物料及载能介质的流向及连接；要表示出生产过程中的全部仪表和控制方案；要表示出生产过程中的所有阀门和管件；要反映设备间的相对空间关系。2、工艺流程图由四部分组成

（1）物料流程；（2）图例；（3）图签；（4）图框。工艺流程图中各部分的具体要求分述如下：（1）物料流程物料流程要求包括：①设备示意图（设备工艺流程图和PID图要求不同）；②设备流程号（或设备位号，设备工艺流程图不要求）；③物料及水、汽、真空、压缩空气、冷凝剂等管线和流动方向；（设备工艺流程图要求主要的，PID图要求所有的）④管线上阀门等（同上）；⑤设备及管道上的附件（同上）⑥计量—控制仪表（同上）；⑦必要的文字注解（如：物料名称、设备名称、物料来自何处和趋向何处、三废及半成品、副产品的去向等）。（2）图例图例是将工艺流程中画出的有关管线、阀门、设备附件、计量—控制仪表等图形用文字予以对照。（３）图签（标题栏）图签的作用是表明图名、设计单位、设计、制图、审核人员签名、图纸比例尺、图号等。其位置一般在流程图右下角，其尺寸依据《发酵工厂工艺设计概论习题集》中的标准。（４）图框（边框线）图框采用粗线条，给整个流程图（包括物料流程、图例、图签）以框界。幅面一般宽度依据《发酵工厂工艺设计概论习题集》中的标准。

三、工艺流程图的绘图步骤及要求①图框、图签；把地面线用单细线绘出。②根据设备所处的相对高度，自左至右用细实线画出各设备的外形轮廓，设备之间留有一定间距。（设备外形尺寸可按相对比例画，按设备图例画，还要画出设备主要管口等，）并标明其流程号（设备位号）。③主物料管线用粗实线画出，用箭头标明流向。用中粗实线（草图用细实线）画出水、汽、真空、压缩空气、冷冻剂等管线和流动方向，用细实线画出管线上的阀门及管路附件（草图是主要的）；④画出设备和管道上附件（如过滤器、疏水器等）、计量和控制仪器以及阀门等（设备工艺流程图画主要的）。⑤标注设备流程号（设备位号）和辅助线（位号线）。⑥PID要标明有关控制点，即画出计量器具和控制仪表（设备工艺流程图是画出最主要的），如转子流量计、玻璃计量管、流量计、压力表、温度计等。⑦最后写上必要的文字说明和图例，对必要的部分，而又不能用图线表达时，用文字注释，如废水的下水道，废料、废气及半成品、副产品的去向等。1、图幅

工艺管道及仪表流程图采用一号（Ａ1）图幅，横幅绘制，数量不限，流程简单的可用二号（Ａ2）图幅，但一套图纸的图幅宜一样。流程图可按主项分别绘制；也可按生产过程分别绘制，原则上一个主项绘制一张图，若流程很复杂，可分成几部分绘制。2、比例

不按比例绘出，一般设备(机器)图形只取相对比例。对于过大的设备(机器)比例适当缩小，同样对于过小的设备(机器)比例适当放大，但设备间的相对大小不能改变。并相对示意出各设备位置的相对高低。整个图面要匀称协调和美观。四、工艺流程图绘图的具体要求3、图例

将设计中所画出的有关管线、阀门、设备附件、计量-控制仪表等图形符号，用文字予以说明，以便了解流程图内容。图例一般包括：a.流体代号；b.设备名称代号；c.管道等级号及管道材料等级表；d.隔热及隔声代号；e.管件阀门及管道附件；f.检测和控制系统的符号、代号等。

图例要位于第一张流程图的右上方。图例多时，给出首页图，见HG20519.4-92。

见“发酵工厂工艺设计概论习题集”4、相同系统的绘制方法当一个流程图中包括有两个或两个以上的完全相同的局部系统时，可以只绘出一个系统的流程，其它系统用细双点划线的方框表示，框内注明系统名称及其编号。当整个流程比较复杂时，可以绘一张单独的局部系统流程图，在总流程图中各系统均用细双点划线方框表示。框内注明系统名称、编号和局部系统流程图图号。如：5、图形线条图形线条宽度分三种：

Ａ、粗线0.9~1.2mm，主物料管道用粗线；Ｂ、中粗线0.5~0.7mm，辅助物料管道用中粗线；Ｃ、细线0.15~0.3mm，其它用细线。6、字体图纸和表格中所有文字写成长仿宋体。

复用设计对于在工艺流程中局部复用定型设计或者采用制造厂提供的成套设备(机组)的管道及仪表流程图时，在图上对复用部分或者成套部分以双点划线框图表示出，框内注明名称、位号或编号，填写有关图号，必要时加文字予以说明。*表2—1字体高度书写内容推荐字号(mm)书写内容推荐字号(mm)图标中的图名及视图符号7图纸中数字及字母3、3.5工程名称5图名7文字说明5表格中文字5(格子小于6时3.57、图形绘制和标注

1）、绘出设备一览表上所列的所有设备(机器)

a.设备外形设备和机器按管道及仪表流程图上的设备、机器图例绘出。未规定的设备和机器的图形，可以根据实际外形和内部结构特征简化画出，只取相对大小，不按实物比例。见表2-2。

设备、机器上所有接口(包括人孔、手孔、装卸料口等)一般要画出，其中与配管有关以及与外界有关的管口(如直连阀门的排液口、排气口、放空口及仪表接口等)则必须画出。管口一般用单细实线表示，也可以与所连管道线宽度相同，个别管口用双细实线绘制。一般设备管口法兰可不绘制。设备机器的支承和底座可不表示。设备自身的附属部件与工艺流程有关者，如设备上的液位计、安全阀、列管换热器上的排气口、柱塞泵所带的缓冲缸等，它们不一定需要外部接管，但对生产操作和检测都是必需的，有的还要调试，因此图上要表示出来。b.设备的位置

在流程图中，机器、设备的位置一般按流程顺序从左至右排列，其相对位置一般考虑便于管道的连接和标注。对于有流体从上自流而下并与其它设备的位置有密切关系时，设备间的相对高度与设备布置的情况相似。

地下或半地下设备、机器在图上要表示出一段相关的地面。地面以表示。复用的原有设备、机器及其包含的管道可用框图注出其范围，并加必要的文字标注和说明。对于需隔热的设备和机器要在其相应部位画出一段隔热层图例，必要时注出其隔热等级;有伴热者也要在相应部位画出一段伴热管，必要时可注出伴热类型和介质代号。如下图所示：

c.设备的标注在流程图中需要标注设备位号、位号线、设备名称。一种是标在流程图的下方或上方，排列整齐，并尽可能正对设备。位号线上方标注设备位号，下方是设备名称。当几个设备垂直排列时，设备的位号和名称可以由上而下按顺序标注，也可以水平标注。另一种是在设备图形内部或近旁仅标注设备位号。相同设备的尾号酰化罐设备名称R12032主项号设备顺序号设备位号线设备分类代号E93JJCDBYFVB

设备位号从初步设计到施工图设计，在所有的文件中都是一致的。设计过程中被取消的设备，其位号就不再出现，新增设备应编排新的位号和设备名称。（至P）设备类别代号图例反应器R塔T塔内件塔内件图例代号设备类别设备类别代号图例工业炉F称量机械W火炬、烟囱S

设备类别代号图例换热设备

E

P

泵

图例代号设备类别设备类别代号图例压缩机C干燥设备D旋转式压缩机表2-2

设备类别代号图例起重运输设备L容器VV容器

图例代号设备类别设备类别代号图例其它机械M特殊设备X

设备类别代号图例

动力机MESD

设备类别代号图例

设备内构件

返回2）、绘出全部管道，包括阀门、管件、管道附件

a.绘制要求

按图例绘出PID全部工艺管道及与工艺有关的辅助管道，绘出管道上的阀门、管件、管道附件(不包括连接件，如三通、弯头、法兰等)，但为安装和检修等原因所加的法兰、螺纹连接件等仍需绘出和标注。在流程图中不对各种管道的比例作统一规定。根据输送介质的不同，流体管道可用不同宽度的实线或虚线表示，均用箭头表示物料流向（箭头画在管线上）。管道的伴热管要全部绘出，夹套管可只绘出两端头的一小段，有隔热的管道在适当部位画上隔热标志。固体物料进出设备用粗虚弧形线或折线表示。

管线应横平竖直，转弯为直角，要避免穿过设备，避免管道交叉，必须交叉时，一般采用竖断横不断的画法。管线、管道、设备之间间距应匀称。图上的管道与其它图纸有关时，一般将其端点绘制在图的左方或右方，以空心箭头标出物流方向（入或），注明管道编号或来去设备、机器位号、主项号或装置号(或名称)及其所在的管道及仪表流程图图号（该图号或图号的序号写在前述空心箭头内）。

管道上的阀门、管件、管道附件的公称通径与所在管道公称通径不同时要注出它们的尺寸，如有必要还需要注出其型号。表6—3工艺流程图中常见管道、管件、阀门的图例

b.

管道标注

在PID中以下管道可不必标注：/P33①阀门、管道附件的旁路管道，例如调节阀、疏水器、管道过滤器、大阀门的开启等的旁路。②管道上直接排入大气短管以及就地排放的短管，阀后直接排大气无出气管道的安全阀前入口管道等，管道和短管连同它们的阀门、管件均编入其所在的(主)管道中。③设备管口与设备管口直连，中间无短管者，如重叠直连的换热器接管。其垫片、螺栓帽在管道材料一览表中予以统计。④仪表管道

⑤在成套设备或机组中提供的管道及管件等。⑥卖方（或制造厂）在成套设备（机组）中提供的管道及管件等(卖方提供了管道仪表流程图或管道布置图)。其材料应在材料表中予以统计。⑦直接连接在设备管口的阀门或盲板（法兰盖）；这些阀门、盲板垫片等仍要在管道一览表中予以统计。管道及仪表流程图的管道应标注四个部分，即管道号（管段号）（由三个单元组成）、管径、管道等级和隔热或隔声，总称为管道组合号。管道号和管径为一组，用一短横线隔开;管道等级和隔热为另一组，用一短横线隔开，两组间留适当的空隙。一般标注在管道的上方，如下图：PL0103-50M1A-H流体代号管道顺序号管径管道等级代号隔热隔声代号M1

A管道标注（P33）管道压力等级代号（工程压力）顺序号管道材料类别代号管道等级代号示例主项号主项编号，按工程规定的主项编号填写，采用两位数字，从01，02开始，至99为止。管道顺序号，相同类别的物料在同一主项内以流向先后为序，顺序编号。采用两位数字，从01，02开始，至99为止。管道尺寸，一般标注公称通径，以mm为单位，只注数字，不注单位。

也可将管道口、管径、管道等级和隔热（或隔声）分别标注在管道的上下方，如下图：管道等级代号，由管道材料代号、管道的压力等级代号和序号三部分组成。序号是同一材料的同一压力等级按序编排，用阿拉伯数字表示，从1开始。见HG20519.38-92管道等级号及管道材料等级表同一个管道号只是管径不同时，可以只注管径，如:同一个管道号而管道等级不同时，应表示出等级的分界线，并注出相应的管道等级。如：异径管标注大端公称通径乘小端公称通径，如:流体代号流体名称流体代号流体名称1、工艺流体PPAPGPGLPGSPLPLSPSPW工艺流体工艺空气工艺气体气液两相流工艺流体气固两相流工艺流体工艺液体液固两相流工艺流体工艺固体工艺水污油燃料油填料油润滑油加热油原油密封油2、辅助、公用工程流体代号（1）蒸汽、冷凝水HSHUSLSLUSMSMUSSCTS高压蒸汽高压过热蒸汽低压蒸汽低压过热蒸汽中压蒸汽中压过热蒸汽蒸汽冷凝水伴热蒸汽（3）其它DRFVHNOSLVEVT排液、导淋火炬排放气氢氮氧淤浆真空排放气放空表2—4流体代号（2）油流体代号流体名称流体代号流体名称（4）水BWCSWCWRCWSDNWDWFWHWRHWSRWSWTWWW锅炉给水化学污水冷却水（回）冷却水（供）脱盐水饮用水、生活用水消防水热水（回）热水（供）原水、新鲜水软水自来水生活废水（6）其它传热介质AGALRWRRWSERGERLFRGFRLFSLHMPRGPRL

气氨液氨冷冻盐水（回）冷冻盐水（供）气体乙烯或乙烷液体乙烯或乙烷氟里昂气体氟里昂液体熔盐载热体气体丙烯或丙烷液体丙烯或丙烷（5）空气ARCAIAIG空气压缩空气仪表空气惰性气体（7）燃料FGFLFSNG燃料气液体燃料固体燃料天然气注：（1）在工程设计中遇到本表以外的流体时，可补充代号，但不得与本表所列代号相同，增补的代号一般用2～3个大写英文字母表示。（2）流体字母中如遇英文字母“O”应写成“”。（3）对于某一公用工程同时有两个或两个以上水平技术要求时，可在流体代号后加注参数下标以示区别。温度参数2℃，只注数字，不注单位，温度为零下的，数字前要加负号，如BS-10表示-10℃的冷冻盐水。压力参数0.6MPa，只注数字，不注单位，如IA0.6表示0.6MPa的仪表空气。蒸汽代号除用HS、MS、LS分别表示高、中、低不同压力的蒸汽外，也可以用下标表示，如S0.6表示0.6MPa的蒸汽。物料代号使用和增补规定

根据工程项目具体情况，可以将辅助、公用工程系统物料代号作为工艺物料代号使用；也可以适当增补新的物料代号，但不得与前述规定的物料代号相同。例如以天然气为原料制取合成氨的装置中，其工艺物料代号补充规定如下:AG气氨AL液氨AW氨水CG转化气NG天然气SG合成气TG尾气代号管道材料代号管道材料A铸铁及硅铸铁E不锈耐酸钢B碳素钢F有色金属C普通低合金钢G非金属D合金钢H衬里及内防腐管道材料的代号管道的压力等级代号见HG20519.38-92代号 功能类型备注H保温采用保温材料C保冷采用保冷材料P防烫采用保温材料D防结露采用保冷材料E电伴热采用电热带和保温材料S蒸汽伴热采用蒸汽伴管和保温材料W热水伴热采用热水伴管和保温材料O热油伴热采用热油伴管和保温材料J夹套伴热采用夹套管和保温材料N隔声采用隔声材料表2—7管道的隔热和隔声代号返回3）、绘出全部检测仪表、调节控制系统及分析取样系统

在管道及仪表流程图中要把检测仪表、调节控制系统、分析取样点和取样阀等全部绘出并做相应标注。检测仪表用以测量、显示和记录过程进行中的温度、压力、流量、液位、浓度等各种参量的数值及其变化情况。在流程图中不仅要表示仪表检测的参数而且要表示检测仪表(或传感器)的安装位置，还要表示出显示仪表(或称二次仪表)的安装位置(就地还是集中在控制室或仪表盘上)以及该项检测所具有的功能，如是显示、记录或调节等。

图8仪表的常见图例和安装位置图9反应罐内温度用温度检测仪表及调节阀控制

仪表控制点的图形符号是一细实线圆圈（10mm）。在图中一般用细实线将检测点和圆圈连接起来。在圆圈中分上下两部分注写，上部分第一个字母为参数代号，后续的为功能代号，下部分写数字，第一个数字代表主项号，后续的为仪表序号，仪表序号是按工段或工序编制的，可用两位数（01～99）表示。就地安装仪表盘面安装仪表集中仪表测量点检测仪表按其检测项目、功能、位置（就地或控制室）进行绘制和标注，对其所需绘出的管道、阀门、管件等由自控专业人员完成。调节控制系统按其具体组成形式（单阀、四阀等）将所包括的管道、阀门、管件、管道附件一一画出，对其调节控制的项目、功能、位置分别注出，其编号由仪表专业确定。

调节阀自身的特征也要注明，例如传动形式：气动、电动或液动；气开或气闭；有无手动控制机构；阀本体或阀组是否有排放阀和其它特征等等。如有必要也要标出或说明专业分工和范围。分析取样点在选定的位置（设备管口或管道）标注和编号，其取样阀（组）、取样冷却器也要绘制和标注或加文字注明。如下图所示:表2—8常见被测变量和功能的代号第四节、工艺流程设计的技术处理

一、确定生产线数目根据生产规模、产品品种、换产次数、设备能力等因素决定采用一条还是几条生产线进行生产。二、操作方式根据物料性质、反应特点、生产规模、工业化条件是否成熟等因素决定采用连续式或是间歇的或是联合的操作方式。联合操作是连续操作和间歇操作的联合。此法比较灵活。P38/图2-11在制药工业生产中，很多产品全流程是间歇的，而个别步骤是连续的，如安乃近的生产。在连续和间歇过程之间采用中间贮槽缓冲和衔接。四、以化学单元反应为中心，完善生产过程一般将化学原料药生产的工艺流程分为五个部分，即：①原料预处理过程；②反应过程；③产物的后分离；④产品的精制烘干包装；⑤

“三废”的处理过程。由反应决定原料的输入以及产物的输出方式和设备；由反应所需物料的工艺指标要求决定原料的预处理过程；由反应产物的组成和工艺指标要求决定分离、提纯和回收的方式和设备。因此在流程设计中反应是核心，因而要以反应为中心进行流程设计。１、物料回收、循环套用

２、提高能量利用率，降低能耗

（1）合理安排设备间的相对高度，尽量采用物料自流，节约输送物料消耗的能源。反应分离产品新鲜物料循环物料循环物料新鲜物料反应含有原料和产品等的混合物

例2-2.用混酸硝化氯苯，已知原始信息：混酸组成：HNO3

47%，H2SO4

49%，H2O

4%；氯苯与混酸中的HNO3的配比：1∶1.1(mol)；硝化温度：80℃；硝化时间为3h；硝化废酸中含硝酸<1.6%，含混合硝基氯苯为获得混合硝基氯苯量的1%。/P41

方案1：消化分层方案方案2：消化、分层、萃取方案方案3：消化、分层、萃取、浓缩方案送精制消化分层混酸配制萃取分层萃取废酸层氯苯硝酸硫酸水硝基物层酸性氯苯废酸层浓缩氯苯回收（2）充分利用余热、余能

研究换热流程及换热方案，改进传热方式，提高设备的传热效率，进行热量回收，对系统进行热集成，在需要冷却的流股和需要加热的流股之间进行热交换。还应选用保温性良好的材料，减少热量损失。图21不存在热集成的系统/P43图22热集成方式/P43间接水冷-常压浓缩方案/P42例2-3

原料预热-闪蒸浓缩方案

（3）利用余压带压操作结束以后，在放料时仍有一定的压力，可充分利用这部分余压输送物料，以降低能耗。五、工艺流程的完善与简化

整个流程确定后，还要全面检查、分析各个过程的操作手段和相互连接方式；考虑开、停车或非正常状态下的预警、防护措施，增添必要的备用管线和管件；尽量减少物料循环量、简化流程管线。

１、安全阀安全阀是一种自动阀门，当系统内压力超过预定的安全值，会自动打开排出一定数量的流体。当压力恢复正常后，阀门再自行关闭阻止流体继续流出。在蒸汽加热夹套、压缩气体贮罐等有压设备