原料药生产装置自动化工程设计优化

江西兄弟医药有限公司 □胡 欢

某原料药项目建成投产之后一些自动化方面的设计缺陷逐渐显现， 这些缺陷一方面影响到生产过程的工艺控制效果， 导致产品质量和产量不稳定， 另一方面形成安全和环保隐患， 使企业承受成本浪费的同时还要面对很大的政府监管压力。 基于政策合规性和效益提升方面考虑， 企业要维持存续状态并具备生存能力， 就必须对缺陷和隐患进行改善， 因此耗费大量人力、 物力、 资金以及时间， 所以应当尽量避免。

原料药项目属于化工生产装置， 工程设计除依据国家相关标准和规范外， 还要遵守化工及石油化工相关的行业标准， 厂房设备、 生产过程和产品质量管理遵循GMP 规范。 生产使用的原料有液态化学物质如甲醇、 盐酸等， 也有固态和气态化学物质， 其中不乏强腐蚀、 强氧化、 有毒、 易燃易爆等理化特性的危险化学品，属于政府安全和环保部门重点监管对象。 原料的储存和使用根据国家及地方相关法律规定进行管理， 液态化学原料储存于独立设置的罐区内， 用泵输送至各车间的中间储罐或使用容器;气态原料设置独立的气站， 经管道输送至使用单元; 固态原料储存在专门设计的原料仓库，使用时需要人工领取和投料。 原料药生产装置用反应容器的容量一般在数百到数千升之间，储存容器的容量一般不大于50m3， 各种原料投入反应釜需要按一定的顺序进行， 并且对某些原料的投入速度有控制要求， 生产控制过程比较复杂， 通常分为搅拌、 加热、 加压、 卸压、中和、 冷却等阶段， 通常一个反应从开始到结束需要数小时至数十小时的时间， 完成后转料至中间储罐或后续的反应容器。 原料药生产过程需要经历多个不同的反应， 直到得到含产品料液， 再经过滤、 干燥等工序得到粗品。 原料药生产单元反应时间长， 工艺复杂且控制要求高， 不能实现连续生产， 属于间歇式小批量生产工艺， 部分原料价格昂贵， 副产物占比大，总体成本较高。

(1) 向容器输送液态物料时计量的设计缺陷和优化

化工生产的本质是化学反应， 需要按配方或规定的比例向反应容器投入原料， 以达到控制反应程度的目的， 设计人员根据不同的测量和控制精度要求选择计量仪表。 原料药生产对投料的计量精度要求较高， 允许偏差通常为千分级， 计量仪表以高精度静态称重传感器和流量计为主。 称重传感器安装在计量容器的支腿(或支耳) 下作为支撑， 经过去皮及砝码标定后可直接反映出容器的质量变化; 流量计安装在容器的进料管道上， 测量流体通过仪表测量管的单位时间体积或质量， 可直观反映出所在管道向容器输送流体的数量。 液态物料一般都是利用管道来实现向容器输送， 进料管道的公称通径大小与单位时间内的输送量成正比， 与进料时间成反比， 而完成进料后由于关闭阀门存在滞后性， 因此一般情况下实际进料量会略大于设定值。

举例说明， 反应釜A 的容量为5000L， 需要加入1000kg 水和300kg 稀盐酸， 工艺规定允许偏差分别为±1kg 和±0.3kg。 假设容器加水管道设计的公称通径为DN65， 额定流量为20t/h (约5.56kg/s)， 关闭加水阀需要的时间为1s， 在达到设定流量可以实现立即下达关阀指令的理想状态下， 则实际进水约为1005.56kg， 进料偏差超过了允许范围; 假设进盐酸管道设计的公称通径为DN15， 额定流量1t/h (约0.28kg/s)，若关闭进盐酸阀门同样需要的时间为1s， 则实际进盐酸300.28kg， 偏差未超出允许范围。

例中两种液体物质的允许进料偏差为不大于设定值的1/1000， 管道中物料流速约1.67m/s， 均处于相同的水平。 不难看出， 对于需要精确计量的工艺过程， 容器进料管道的公称通径宜小不宜大， 设计时应综合考虑工艺需求， 它们包括进料量的多少、 允许进料偏差的范围、进料时间对产能的影响、 额定流速快慢等等。

(2) 液体自流工况下的流量测量和调节方案

原料药成品价格相对昂贵， 中间产品也具有很高的价值， 企业为了不造成浪费， 往往会要求生产中间产品和成品的容器能输出全部物料而不会残留， 为实现这一要求， 设计人员利用多层结构的厂房按照生产过程先后顺序从高到低布置设备， 使工艺流程自上而下进行， 即一个反应结束后物料依靠自重从容器底部经管道流入下方容器。 由于是依靠重力自由向下流动， 根据液体压强计算公式可知， 容器内液体高度与底部压强成正比， 即容器底部出口压力随着容器内液体高度的下降而减小， 因此重力自流管道的流量呈现出先大后小的特点， 也就是说此工况下管道流量不稳定， 而且最大流量和最小流量之间的量程比可能会很大， 量程比大小由容器内液体介质的设计高度以及输出管道公称通径的尺寸、 介质密度等因素决定。 在密闭性工艺环境下， 液体重力自流这种工况本质上是位于上下两个不同水平高度的容器经由连通的管道进行液体和气体间的物质自由交换，如果没有特殊设计， 交换过程中液体和气体是在同一管道同一时间内逆向流动。

某些特殊工艺对重力自流工况存在流量测量和调节需求， 将不稳定的流量经过调节控制变成稳定流量， 这种流量调节回路对测量和调节的精度要求不高， 只主张稳定性。 流量计的安装规范要求液态流体必须水平或向上流过测量管， 并且要保证被测介质的单相性， 即测量液体时要尽量避免携带气泡。 重力自流工况下的液体是向下流动， 且为双相介质对流， 理论上无法满足流量计的安装要求， 强行安装的流量计要么测量数据跳动幅度极大， 要么出现故障报警根本无法输出测量数据。 仪表技术人员经过讨论和实践， 发现设计时要注意两点: 一是在两个容器间的过液管道处设置足够长度的水平直管段用于安装流量计; 二是两个容器顶部留出专用接口并以管道连接用于引导气液分流， 不过如果液体介质的输出容器和接收容器均为非密闭式设计则不需要考虑气液分流问题。

(3) 加氢反应安全仪表系统设计失误

加氢反应在密闭的反应釜内进行， 首先要完成进料和添加催化剂， 再充入纯度不低于99.99%的氢气并加压至2.0MPa 缓慢反应。 加氢反应属于危险工艺， 极易发生爆炸， 因此充入氢气前要先排空釜内氧气， 工艺上采用先抽真空再用氮气置换的方法法控制风险， 利用纯度不低于99.9%的纯氮赶氧， 氧气含量低于1%则置换合格。 设计人员选用在线氧含量分析仪实现持续监控， 并且作为一个安全要素纳入安全仪表系统(SIS)。

氧含量安全联锁逻辑为: 当氧含量超过1%限值时触发报警及联锁， 装置停止运行， 自控系统切断氢气， 开启放空阀为反应釜泄压， 同时打开循环水降温， 并开启氮气置换釜内氢气。设计人员考虑到设备清洗检修等作业会进入空气的情形， 允许生产时根据实际情况旁路本安全联锁， 其它时间反应釜必须充氮气保护阻隔空气进入。

在生产实践中氢气反应釜内的氧含量超出1%限值的情形经常发生， 经过检查和分析， 氧含量超限的原因来自多个方面， 一是参与反应的料液中夹带空气， 二是抽真空时空气向在线氧含量分析仪的排气管道倒灌， 三是氧含量分析仪连接件多且采样管线较长导致气密性不佳，另外还存在操作不规范等原因。 第一条不利因素， 由于在整体设计时未能识别到参与反应的料液中夹带空气这一特殊情况， 本工艺装置之前的众多容器采用开放或半开放式设计， 因此基于当前设计的生产系统难以有效消除; 第二条不利因素通过修改操作规程， 规定抽真空前暂时关闭氧含量分析仪的排放阀得以消除， 但是由于存在操作不规范的情况， 未能做到完全控制; 第三条不利因素， 经过对仪表及采样管线进行技术改造， 一定程度上有所改善， 不过由于仪表连接处较多， 同样不能彻底消除影响。在实际生产中， 操作工会在反应釜完成进料后，准备充入氢气前， 多次通氮气置换完成赶氧操作。

实际上， 只要加入氢气前氧含量达标， 加入氢气后容器内处于一个相对较高的正压状态，不需要担心空气进入， 而且本加氢反应不会产生氧气， 因此氧含量超限所致风险只存在于充入氢气这一个小阶段， 其它时间装置处于本质安全状态， 氧含量检测只是为操作人员确认反应釜是否满足开启氢气的要求提供依据， 所以本装置的氧含量不应纳入安全仪表系统(SIS)。正确的做法是将氧含量检测信号接入基本过程控制系统， 再设置联锁禁止氧含量未达标时开启氢气阀门即可。 这个联锁属于基本过程控制系统， 根据安全仪表系统设计规范的原则， 安全联锁仪表系统不应介入或取代基本过程控制系统的工作， 而基本过程控制系统也不允许介入安全仪表的运行或逻辑运算。

(4) 反应容器冷热媒切换未设计成自动化控制

一些生产工艺的反应过程对温度控制要求较高， 容器需要同时具备加热和冷却的能力，而在容器可利用空间有限的情况下往往只能安装一组夹套(或盘管)， 冷、 热媒需要共用同一组夹套(或盘管)， 此种情况下不同介质及压力极易互串。 热媒通常有蒸汽、 热水、 导热油，而冷媒通常有水、 冷冻盐水和乙二醇溶液， 介质互串会导致相互污染， 压力互串可能导致安全事故。 前述介质中只有水和蒸汽不怕相互污染， 但也不能串压， 因此不同介质的冷热媒切换时需要通氮气压出前一种介质， 再切换另一种介质， 操作程序是: 先关掉在用介质位于容器相对位置较高的接口阀门， 打开氮气阀门利用氮气压出夹套 (或盘管) 内剩余介质后同时关闭氮气阀和低处接口的阀门， 使一种介质彻底隔离后才能切换另一种媒介。 切换过程涉及阀门多， 操作比较麻烦， 人工作业费时费力而且容易出现失误， 因此应当设计为由基本过程控制系统控制的自动化回路， 企业不应过多考虑自控阀门的价格问题， 毕竟节省人力资源也是节省成本。

(5) 搪玻璃容器工艺和仪表连接口不足问题

搪玻璃容器是以金属容器作为胚胎， 再采用高温使金属容器内表面附着一层类似于瓷器材质的搪玻璃层， 这种容器的优点是成本低耐腐蚀及耐磨性能好， 缺点是受力不均、 温度或压力急剧变化容易导致搪玻璃层爆裂。 这种容器一但制作完成即无法修改， 实际上压力容器出厂后也不允许修改， 如果设计时对工艺和仪表的连接需求识别不充分， 常常会出现接口不足的问题。 工艺接口多数可以共用， 但是测量仪表通常无法共用接口， 特别是对于安全仪表的安装在国家法律层面就作出了明确规定。 因此对于这类容器在设计时应充分考虑工艺物料输入及仪表安装需求， 甚至应当考虑是否为后期技改预留接口， 而对于压力容器和危险工艺反应容器应考虑充分预留多个压力和温度安装的接口。

(1) 用途及计量单位识别失误导致流量计选型不当

流量计在化工流程中通常用于精确计量、工艺过程控制调节或提供参考数据， 以单位时间的体积或质量作为计量单位。 在实践中常常出现购买的流量计设置为体积单位， 但工艺操作人员却使用质量单位的情况， 反之亦有， 之所以出现这种情况， 是由于设计阶段未能正确识别工艺需求导致选型不当。 由于用途不同，对流量计的要求也会不同， 比如用于精确计量的测量精度要求高， 对用于调节和参考的则不需要很高的测量精度， 另外质量和体积虽然大部分情况下可以通过公式进行换算， 但毕竟是两种不同的概念， 而且流量计测量原理也完全不同， 不宜混淆使用。 因此仪表选型应当充分识别工艺需求以及操作习惯。

(2) 容器计量需求识别失误导致仪表选型不当

容器内介质主要以物位或质量进行计量，通常物位是以测量容器内介质高度或位置的形式体现， 计量目的是提供数据指示或作为自动化控制回路的检测单元; 测量质量的计量方式通常用于高精度需求的场合， 计量目的是测量和记录介质使用数量， 为精确控制或内、 外部贸易结算提供数据， 通常用称重传感器实现，仪表价值比较昂贵。 大部分容器选用测量介质高度的形式进行计量， 由于容器内径尺寸相对较大， 加上热胀冷缩的因素， 这种测量形式的计量精度相对较低， 不适用于高精度计量场合，生产实践中作者发现生产操作人员对某些容器在投用前通过称量加水的方式在物位仪表上标记质量数值， 也就是说将低精度计量仪表用于高精度计量场合。 物位可以对应为体积， 但是不能对应为质量， 更何况不同介质的密度不同，用水标记质量是一种非常离谱的错误做法， 因此在设计选型阶段应当识别容器的计量用途并作出正确选型， 以满足工艺实际需求。

化工生产的过程自动化控制不但能节省人力资源， 提高产品质量和产能， 更是重要的安全和环保防护手段， 其重要性不言而喻。 在工程设计阶段， 设计人员为了符合法律法规及相关标准规范， 往往更加重视工艺及安全、 环保方面的要求， 而难以顾及实用、 可用性， 如果遇到原始工艺包不够完善， 或工艺相对落后， 导致需要大量修改设计的情况， 很容易留下设计缺陷。 而今大部分化工企业的生产过程对自动化依赖程度很高， 自动化设计和仪表选型应尽量满足工艺的过程控制需求， 社会经济和科学技术在经过粗放的快速发展之后， 精益求精才是发展方向。