2.4.4　化学制药车间工艺设计

车间工艺设计是化学制药厂设计的重要组成部分，设计时必须遵守相关法令法规，充分重视经济效果，节省工程投资，保证最大的产出效益。同时应尽量采取先进技术，保证技术的可行性和可靠性。车间工艺设计的内容按照设计进行的先后顺序主要包括：

①工艺流程设计；

②物料衡算；

③能量衡算；

④设备选型和计算；

⑤车间布置设计；

⑥管道设计；

⑦非工艺条件设计；

⑧工艺部分设计概算。

下面就其中的主要部分进行简要介绍。

2.4.4.1　工艺流程设计

工艺流程设计是在确定原料药的合成工艺路线的基础上进行的，其任务是通过图解和必要的文字说明将原料变成产品的全部过程（包括污染物的治理）表示出来。工艺流程设计是工程设计中最重要、最基础的设计步骤，对后续的物料衡算、能量衡算、工艺设备设计、车间布置设计和管道设计等单项设计起着决定性的作用，并与车间布置设计一起决定着车间或装置的基本面貌。

工艺流程设计必须遵循由定性到定量、由浅入深、逐步完善的过程，其基本步骤如下。

（1）对选定的生产方法进行工程分析及处理　将生产方法分解成若干单元反应与单元操作，明确各单元反应与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），在此基础上确定各设备间的连接顺序及载能介质的技术规格和流向。

（2）绘制工艺流程框图　以方框、文字和箭头等形式定性地表示出由原料到产品的路线和顺序。

（3）进行方案比较　在原始信息不变的条件下，即保持反应过程和结果不变的情况下对不同的技术方案进行比较，通常以收率或能量消耗等为依据，选定出最优方案。

（4）绘制设备工艺流程图和物料流程图　在工艺流程框图的基础上，将设备以一定的几何图形来表示，同时标示出设备间的纵向关系和全部原料、中间体及三废名称和流向，就可以得到设备工艺流程图。另外，在明确产品产量的基础上还可进行物料衡算和能量衡算，从而绘制出物料流程图。

（5）绘制带控制点的流程图　在工艺流程图绘制完成后，车间布置和仪表自动控制设计随之开始。根据车间布置设计和仪表自控设计结果，可绘制出带控制点的工艺流程图。

总的来讲，化学单元反应、分离过程、物料输送和能量交换是组成工艺流程的四个重要部分，它们之间相互影响、相互制约，因此工艺流程设计应着眼于全流程的协调和优化，力争达到整体效果的最优。

2.4.4.2　物料衡算与能量衡算

（1）物料衡算　是利用物料守恒定律计算进入与离开某一过程或反应器的各种物料的数量、组分以及组分的含量，即产品的质量、原辅材料的消耗量、副产物量、“三废”排放量等。物料衡算是化工计算中最基本，也是最重要的内容之一。在进行车间工艺设计时，当生产工艺流程示意图确定后，即可以作车间物料衡算。通过计算，可得车间所处理的各种物料数量及组成，从而使设计由定性转向定量。物料衡算是车间工艺设计中最先完成的一个计算项目，这也是后续的能量衡算、设备选型或工艺设计、车间布置设计、管道设计等各单项设计的依据，因此，物料衡算结果的正确与否将直接关系到车间工艺设计的可靠性。

为使物料衡算能客观地反映出生产实际状况，除对实际生产过程要作全面深入了解外，还必须有一套系统而严密的分析、求解方法。在实际生产中通常采用的是按车间生产的各步骤逐一进行物料衡算的方法。

（2）能量衡算　化学药物的生产过程中，无论是进行化学反应过程的反应设备还是进行物理处理过程的设备，大都存在一定的热效应。为了更加合理地利用能源，必须对各设备进行能量衡算。

对于新设计的设备或装置，能量衡算的目的主要是为了确定设备或装置的热负荷。根据热负荷的大小及物料的性质和工艺要求，可再进一步确定传热设备的类型、数量和主要工艺尺寸。此外，热负荷也是确定加热剂或冷却剂用量的依据。

在实际生产中，也可对已经投产的一台设备、一套装置、一个车间甚至整个工厂进行能量衡算，以寻找到能量利用的薄弱环节，为完善能源管理、制定节能措施、降低单位能耗提供可靠的依据。

能量衡算的依据是物料衡算的结果以及相关物料的热力学数据，如定压比热容、相变热、反应热等。其理论依据是热力学第一定律，即能量守恒定律。但在化学制药工业中，能量衡算在多数情况下可简化为热量衡算。

2.4.4.3　车间布置与管道设计

车间布置设计的目的是对车间内建筑结构的配置和设备的安排做出合理布局，其是制药工程设计中的一个重要环节。车间布置是否合理，不仅与施工、安装、建设投资密切相关，也与车间建成后的生产、管理、安全和经济效益密切相关。

车间布置设计的任务，第一是确定车间的火灾危险类别、爆炸与火灾危险性场所等级及卫生标准；第二是确定车间建筑物和露天场所的主要尺寸，对生产、辅助及行政生活区域位置作出安排；第三是确定全部工艺设备的固定位置。

车间布置应符合厂房建筑、生产工艺、设备安装检修、安全技术等方面的要求，实际设计中需因地制宜灵活运用。

（1）车间的总体布置　车间布置设计既要考虑车间内部的生产、辅助生产、管理和生活协调，又要考虑车间与厂区的供水、供电、供热和管理部分的呼应。厂房的平面应该力求简单，利于建筑定型和施工方便，能使工艺设备布置具有可变性和灵活性，其平面通常为长方形、T形、L形等。厂房内每层高度主要取决于设备的高低、安装的位置及安全控制等条件。在不影响工艺流程的原则下，将较高的设备集中安放，简化厂房的立体布置，减少建筑体积的浪费。另外，为保持人流和物流的顺畅及安全，厂房的出入口、交通过道、楼梯位置等也要精心安排。

（2）设备和通道的布置　设备和通道布置的任务主要决定工艺设备的空间位置以及通道、电气仪表管线及采暖通风管道的走向和位置。布置的基本要求是：满足生产工艺要求、满足设备安装和检修要求、满足土建要求、满足安全卫生和防腐的要求。

（3）GMP与“精烘包”工序设计　药品是一种特殊的商品，其生产过程必须符合GMP的要求。所以在制药车间的设计时也必须按照GMP的相应要求进行，在硬件上为保障质量的药品生产提供经济、合理的厂房及设备和环境条件。这样做的主要目的是解决药品生产中的交叉污染和混杂问题，确保产品的质量。

“精烘包”是原料药生产的最后工序，也是直接影响成品质量的关键步骤。它包括了粗品溶解、脱色过滤、重结晶、过滤、干燥、粉碎、筛分、包装或浓缩液无菌过滤、喷雾（或冷冻）干燥、筛分、包装等步骤。按照GMP的规定，除粗品溶解、脱色过滤按一般生产区处理，其他过程均有洁净等级要求，洁净等级的高度视产品性质有所不同。所以“精烘包”应与原料药生产区分隔并自成一个独立的区域，其设计过程中在环境洁净级别、工艺布局及土建要求、人员、物料净化和安全、室内装修、设备和管道、空调系统、电气设计等方面都有明确的原则和要求，必须严格遵守。

（4）管道设计　在药品生产中，水、蒸汽、冷冻盐水及各种流体物料通常采用管道输送，各反应设备、分离设备及储罐等之间一般也用管道连接。在整个工程投资中，管道、管件与阀门占有较大的比例。

在管道设计中，首先，应根据被输送物料的性质和操作条件选取适当的管材，适宜的管材应具有良好的耐腐蚀性能，且价格低廉。其次，应根据物料衡算结果及物料在管内的流动要求，确定出管道的管径，然后确定阀件的规格和材料，估算管道铺设的投资。在管道布置设计时，首先要统一协调工艺与非工艺管道的布置，然后按工艺流程并结合设备布置、土建情况等合理布置工艺管道。在满足工艺、安装检修、安全、整齐、美观等要求前提下，尽量做到投资少，经费支出最小。