合成药车间全操作自动化实现的问题及难点

朱东利

（南京聚高工程技术有限公司，南京 210000）

国内现有的化学合成原料药工厂，绝大部分自动化水平较低，因安全监管文件的要求，目前能够实现的普遍停留于安全自动化的层次上（即能够满足安全监管文件要求，实现超温、超压、超液位或可燃/有毒气体泄漏报警等），离过程控制自动化（如反应釜的温控）、全操作自动化的目标还有很大的距离。

合成原料药的企业管理者大都还是想实现“自动化减人”的，毕竟现在面临的安全形势、人员招聘形势都很严峻，但受限于传统的操作理念和合成原料药行业固有的特点，实现全操作自动化有不少的障 碍。

1 自动化设计上的难点

对比目前安全监管文件，化学合成药车间在自动化的设计上还存在一些难度：

（1）高位槽滴加的问题

《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》（安监总管三〔2009〕116 号）中，以氧化反应为例，要求监控氧化剂的流量[3]，实现定量滴加。这个在很多工艺中实现起来很困难。

一是高位槽需要滴加的量少，滴加时间长，导致流速会很小，流量计选型困难，排除了很多流量计的选择（如涡街等）；二是有的滴加的物料是非导电的有机溶剂，电磁流量计不适用；三是有的物料还有腐蚀性，高位槽从上往下重力流，对转子流量计的安装有要求，衬氟的不能水平安装，前后要保持0.1 MPa的压差；这些原因都导致选型困难，有的企业花大价钱上了特材的质量流量计，有的设置了高位槽的称重进行滴加等等。

从重点监管的危险化工工艺监管的出发点来看，就是怕防止引发剂进料过快导致反应剧烈，需要通过一些措施确保引发剂不要加那么快。如果从引发剂加入过快这个偏离出发，可以得出很多控制措施，并不一定是要加流量计或者流量控制回路，可以加限流孔板，可以加调节阀限制开度，可以加手阀限制开度等等，这些措施都是可以保证引发剂不会加入过快。

（2）蒸馏液位测量的问题

《蒸馏系统安全控制指导意见》（鲁安监发字〔 2011〕140 号）中，为了避免蒸馏蒸干了以后物料发生分解爆炸，提出“蒸馏塔（釜）：塔釜温度、液位，重点塔板温度、组分，进料流量、温度，塔顶温度、压力（真空度）、回流量”监控，但同时也指出“由于蒸馏过程形式多样，物料性质千差万别，不可能包括所有情况，也不是所有的蒸馏过程都需要以上的控制措施，需要针对具体蒸馏装置确定具体的安全控制措施”[2]。

《本质安全诊断治理基本要求》（苏应急〔2019〕53 号）中提到“精馏（蒸馏）塔应设塔釜和回流罐液位就地和远传指示、 并设高低液位报警”[4]。

蒸馏釜设置液位计，在高液位的时候还是起到作用的，但是到低液位的时候，尤其有些工艺就是要求把溶剂都蒸干掉，这种情况下用液位计去联锁判断是不好实现的；有的项目提出来用称重去判断，称重和物料投入量及物料组成有关系，也不大好判 断。

但有些蒸馏确实存在蒸馏时间过长会分解爆炸，如含有硝基物的蒸馏釜，既然识别出这个风险，就得有安全措施去保障它，降低事故发生的概率。发生蒸馏事故的，是长时间蒸馏导致超温分解，所以避免长时间蒸馏可以做为一个辅助判断手段，可以根据生产经验结合每批次的投入量及组成部分，在DCS 上设置一个定时功能，超时间点1 未关蒸汽可进行报警提示，若超时间点2 时DCS 可联锁关闭蒸汽阀门（时间点需通过经验摸索，时间联锁不代表蒸馏结束了，只是一种手段，避免长时间蒸馏带来的风险）；同时也可以通过接收罐的液位进行辅助判断，当接收罐的液位长时间不再增加时可发出操作提示，也可进一步联锁关闭蒸汽阀门。时间和液位的提示、联锁都是辅助安全措施，最终蒸馏是否结束还是需通过人工确 认。

化学合成药多功能车间还存在对蒸馏釜的物料是否存在蒸干风险并不清楚的问题，建议在新品种生产前进行热风险分析，深入了解反应过程及物料特 性。

（3）反应釜温度控制的问题

反应釜的温度测量具有很大的滞后性，同时温度还受到公用工程的温度（如夏季循环水温度高）、反应釜的物料量、冷凝器的冷凝效果等多种因素干扰，所以按传统的PID 单回路控制或者串级控制效果都会不大理想，自动控温还是有一定的难度的。

反应釜实现温度自动控制的前提是有丰富的手动操作经验，要知道在什么投料量下，什么温度点该怎么开阀门，有了人工操作的经验以后自动化的实现才有迹可循。可考虑将反应釜釜内温度、反应釜夹套温度、公用工程温度、釜内的物料量（可大概的根据投料量和接收罐的液位进行计算）建立模型，以经验控制的方法编制DCS 温度控制程序，不使用单回路或者串级等方法，直接根据经验告诉DCS 到了哪个温度点怎么动作阀门即可。

现在市场上有针对反应釜温度控制的先进控制软件包，也是基于丰富的现场操作经验基础上的。也有的工艺对温度控制要求较高，传统的蒸汽、循环水的控温方法实现起来较为困难，这种情况有的是采用温度控制单元TCU（撬装设备，也有的叫能量控制单元NCU）进行控温；也有的是采用高低温一体机，采用乙二醇或者导热油替代传统的蒸汽和循环水（或冷冻盐水）进入夹套控温。

（4）固体投料的问题

固体投料到底能不能实现自动化，这个要根据不同的工艺操作及物料特性进行判断。

有的工艺固体投料量很大，一个批次要投入几百公斤的物料，这种工艺人员操作强度就很大，在厂房设计时可以考虑使用拆包机→料仓→称量仓→高位料斗进料的方法；但这个也要结合物料特性，有的物料受热后会黏到管道上，导致高位料斗出料堵塞。

有的工艺固体投料时，不仅量大而且要求投料迅速，此时用固体投料器、料斗的方式也不合适；有的是投固体催化剂，量并不大；有的固体活性和毒性较大，投料时需进行职业卫生防护。

所以固体投料的自动化实现还是需要具体问题具体分析，有的固体可以溶到溶剂里面的可以考虑以液体的形式进料；有的固体投料器或者自动化固体输送系统不好实现的，在投料时要尽可能做到密闭投料，避免直接开反应釜人孔盖投料。

（5）设备的问题

制药企业的自动化实现与工艺和设备密切相关，化学合成原料药到结晶工序以后的固体物料处理以及母液的离心处理，自动化能够实现的程度就取决于购买的设备了。

设备如果支持自动化进出料，那还是可以实现单体设备的顺控操作的；若仍使用传统的离心、干燥设备等，这些单元还是需要人工操作的。所以建议在新工厂建设时，若工艺上可以选用全自动下出料离心机或者三合一时，可以优先考虑，既能提高车间的密闭性，又能降低职业卫生伤害。

原料药项目的设备订货，往往疏忽设备图纸确认及设备FAT 的过程，导致设备到了现场以后出现缺少接口、接口不对、管口方位不对、支撑过短等情况，故设计单位可在设备订货前出设备简图、企业的URS 里需对管口及方位需求进行详细的描述，设备厂商返回的图纸需设计单位、自动化公司、机电安装等多方确认，建设单位在设备发货前做好FAT工作，避免因设备接口等问题导致现场工期延误。

（6）人工操作的问题

即使各个生产设备都实现了单体的顺控，但是在生产过程中仍存在很多的人工干预，让顺控走走停停，不会像想象中的那样一键生产。

需要人工操作的包括生产前的软管连接、开启搅拌（有的可以实现DCS 远程开启，但需要现场开启电机机封冷却循环水管线手阀），生产过程中的固体投料、取样分析、萃取、出料的判断，以及生产后的清洗等等。上述操作都会给企业的管理者带来即使上了自动化，还是少不了人的理念，无法实现和炼油装置一样，现场人员不过多干预生产。

这些人工操作想实现自动化是很困难的，除非是不计成本代价。所以化学合成药全操作自动化的设计时，要考虑是否包括生产前的准备以及生产后的清洁。从目前来看，应该集中投资做好生产过程的全操作自动化，以自动化为主、人工参与为辅实行指令式生产，不过多依赖操作人员的经验，减少安全和质量风险。这个也是符合从风险出发的理念，生产过程中风险较大，而生产前的准备和生产后的清洗风险较小，把生产过程控制好了，质量和安全都会得到提升，人的劳动强度也会下降。

（7）设计前瞻性的问题

还有一些新建项目，设计的时候没有前瞻性（也有的是考虑的是成本因素），在自动化设计时仅仅考虑满足现有安全监管文件的安全自动化要求，并没有考虑未来安全监管可能要求实现全操作自动化的要求，没有充分去考虑如何实现“自动化减人”的长远目标，导致项目建设运行后还会有反复的改造。新建工厂没有从一开始定下全操作自动化的目标，后面想再实现就很困难了，一方面会受到现有的改造空间、已购设备水平的限制，另一方面会受到管理人员、实际操作人员的抵制。

2 工艺成熟度的问题

大型石化装置的设计思路是工艺包→基础设计→详细设计→按图施工，在工程建设和项目投产的阶段中，对主要工艺路线、设备的变更是非常谨慎的，主要设备挪为他用的可能性不大。

而化学合成药行业往往一个品种不需要太多的设备和空间；或者同一套设备经过改造后可以生产多种品种的原料药；又或者可以在同一个设备中进行多步操作。上述的特点就决定了精细化工行业的设计和操作模式，是和大型连续装置是不同的。

合成药项目建设过程中，缺乏完整的工艺包编制，在小试和中试的时候更多针对的是反应部分的研究，形成的是操作规程SOP，对整个工艺路线、设备、非主反应部分未能形成系统的文件，将这部分工作转移到了设计阶段。

这就造成了设计过程中反复讨论P&ID，因为P&ID 是设计的基础文件，P&ID 更改就“牵一发而动全身”，很多原料药建设项目甚至是边干边改，建完了还会继续改，导致各专业方案不停地调整，当然也包括自动化的方案。除非是成熟的老工艺，生产多年的，扩建产能或者改址新建，否则不能避免上述现象发生。

精细化工是配方式生产，工艺研发的过程中研究主要是合成工艺，即使中试生产以后，也无法像大化工装置那样建立一个完整的中试装置，只不过是玻璃瓶变成大一点的反应釜而已，并没有对工程设计指导上有本质的差别；同时因为配方式生产容易泄密，一条生产线投资并不是很大，故很多原料药企业在工程建设阶段也并不愿意分享自己真实的配方和操作规程SOP。

针对上述的这些情况，如果建设的合成原料药车间是老品种，建议根据以往生产经验，详细梳理操作规程SOP，尽可能地做到全操作自动化，以自动化为主，以人工操作为辅；如果是新产品，没有实际生产经验，在设计阶段尽可能地按全操作自动化的思路去设计硬件，软件组态部分首先实现联锁部分，待到生产工艺成熟稳定了以后再去调试DCS 过程控制和顺控，实现操作自动化。

当然对于没有生产经验的新产品线，企业管理者也会有不同的看法：既然暂时实现不了DCS 全操作自动化，还要在建设期花这么多的钱，设备装到现场会受到腐蚀或者老化导致失效，等到真正要用的时候反而又用不上了，那还不如等到工艺操作成熟了、企业盈利了以后再改造，这样资金上、质量上、适用性上都有保证。如果采用这种建设思路，在设计时候应充分考虑配管、设备开口、桥架、机柜间等的预留，降低后续改造难度。

3 多功能车间的问题

化学合成药很多工厂存在多功能车间，提到制药企业多功能车间，很多人联想到的是批量控制Batch，其实化学合成药的多功能车间和Batch 还是有本质上的区别的。

Batch 是配方管理+顺序控制，侧重的是配方管理，前提是工艺、设备是不变的，即在同一套生产装置里面，通过调整物料组成、比例、反应的时间、温度等参数，生产出不同牌号的产品。如新材料行业，可以通过同一条生产线生产某项技术指标不同的产品（但是它们都是同一大类的产品，并不是完全不同的两个产品）。

而制药企业的多功能车间，生产出的是不同的产品，在切换产品时，需对工艺管道、设备进行改造，改造后的车间和改造前的车间工艺路线是不同的。所谓的多功能是指单体设备的多功能，比如不按生产工艺来，每个反应釜都标配高位槽、冷凝器、接收罐，反应釜夹套上标配蒸汽、热水、循环水、冷冻水等公用工程介质，这样生产不同工艺的产品时可以灵活地配置设备；如果不标配这些的话，切换产品时改造的工程量会很大，标配了以后只需要调整主物料转移管道即可（当然还会有一些辅助的小改造）。

多功能车间的存在比第一章节中工艺不够成熟的问题更阻碍了全操作自动化的实现，因为存在工艺的不确定性，和生产调整的不确定性，无法在设计阶段全部考虑到，在设计阶段只能根据其中的一个或多个产品进行多功能车间的设计，这对自动化的适应性就有很大的挑战。

针对上述功能车间的实际情况，建议在设计初期将车间划分功能区，如划分成多功能反应区、危险工艺区域（专釜专用）、中试区域（小批量产品或研发用）、蒸馏釜区域、中和釜区域、结晶釜区域等，切换产品时根据不同区域内的设备合理配置物料走向，这样能够有针对性地配置自动化设施和公用工程，避免所有反应釜都标配，造成投资额倍增；这种做法的弊端是物料转移管线可能会过长，导致工程改造、清洗时费劲。

4 项目建设团队配置的问题

很多原料药企业的工程部团队人员配置不足，有的企业是生产兼着工程，又要管生产又要抓工程；有的企业工程团队只有工艺、设备、土建寥寥数人，专业配置不齐全；有的企业团队人员对自动化认识不足，或者都没有接触过自动化。

制药行业自动化水平普遍较低还和目前医药行业设计院有关，传统的医药设计院强项在设备布置、洁净厂房设计、公辅设施设计、GMP 规范理解等上面，弱项在于P&ID 方案、配管（这部分是化工设计院的强项）。故现有化学合成药项目普遍存在设计院P&ID 讨论深度不足、自动化设计不足的问题，自动化的实施过多地依赖于业主的认知和自动化公司的能力。建议传统的医药设计院要和化工设计院要有点结合，吸纳一些有精细化工工艺、配管、自动化设计经验的人员，有针对性地去做化学合成药项目。建设单位也可以根据不同单位的优点，选择医药设计院（做全厂设计、洁净厂房设计）、精细化工设计院（做P&ID 设计、设备平面设计、自动化设计）、民用设计院（做厂房建筑设计）搭配的方法，发挥各自的优点；当然这种做法的前提是建设单位的工程团队人员配置充足、实力强劲，能够协调各设计单位的工作，否则会出现衔接不好的问题。

在项目建设团队不足的情况下，建设单位可以委托第三方设计单位，对项目的设计单位图纸进行全专业审查，特别是对专业之间有交叉的部分（如自控与电气专业的信号交接、自控与管道专业的安装分界面等）进行重点审查；也可以委托自动化公司、机电安装公司对设计方案进行深化及优化，引进外部力量弥补自身的不足。

5 调试的问题

化学合成药工厂的自动化没用好和调试也有很大的关系，工艺生产是调试的老师，有时候也是调试的敌人。全操作自动化的过程控制和顺控，必须依赖于丰富的操作经验，可是一旦工厂开起来了以后，又不给机会让调试人员去调试、去摸索、去试错，尤其是有些高附加值产品。所以很多项目的调试只停留在进水调试，做不到带料调试这一步。

还有的企业多功能车间，这个品种的温控和顺控都调试好了，但切换到新的产品时还需要重新编程，这个时候若调试跟不上，全操作自动化就又实现不了了。

针对上述情况，在编程时可化整为零，将单个设备的操作过程拆分成若干个阶段，如进料、升温、保温、降温、取样等，并在顺控程序中操作人员能够根据不同生产工艺，设置控制参数设置及对应的阀门开度，这样即使切换产品也无需大幅度地更改程序，根据工艺的要求选择执行部分或全部操作阶段程序。

6 结束语

本文总结在合成原料药车间实现全操作自动化过程中碰到的难点，期望识别问题后，能够集思广益，为企业自动化提升给出参考解决方案。