李振宇

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

在以往的原料藥工藝設(shè)計及工程優(yōu)化中，生產(chǎn)排班、物料衡算、設(shè)備選型、公用工程計算等一般采用Excel 軟件進(jìn)行計算。在采用Excel 進(jìn)行計算時，很多數(shù)據(jù)無法進(jìn)行聯(lián)動，若需要聯(lián)動，需要編制很復(fù)雜的計算表。對于生產(chǎn)排班和公用工程計算，在Excel 中完成更是一項挑戰(zhàn)，某些項目為計算公用工程耗量，往往采用每個設(shè)備消耗量簡單加和后乘以經(jīng)驗的同時使用系數(shù)進(jìn)行計算，并沒有精確考慮設(shè)備隨時間的使用情況即生產(chǎn)排班計劃，計算結(jié)果與后續(xù)實際生產(chǎn)情況往往存在差異。因此在原料藥工藝設(shè)計及工程優(yōu)化中，對原料藥的工藝流程進(jìn)行模擬和分析，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)排班、設(shè)備選型、節(jié)約能源的目的是非常必要的。

原料藥的生產(chǎn)過程主要采用間歇生產(chǎn)方式，操作工序一般包括反應(yīng)、濃縮、萃取、過濾、結(jié)晶、離心、干燥、粉碎等過程。目前市場上的化工流程模擬軟件 如Aspen Plus，Aspen HYSYS，PRO/II，UniSim 等主要用于連續(xù)流程模擬，間歇流程模擬的難度較大。Aspen Batch Process Developer（以下簡稱ABPD）作為Aspen One 系列軟件的組件，可用于制藥、生物和化工過程的間歇流程模擬，其流程模擬可以覆蓋小試、中試、生產(chǎn)等不同規(guī)模的全過程：在小試階段可以快速評估實驗室的工藝路線；在中試階段，可以快速實現(xiàn)工藝過程的放大模擬和經(jīng)濟(jì)分析；在生產(chǎn)階段，可以進(jìn)行產(chǎn)能分析、排班計劃、設(shè)備選型和經(jīng)濟(jì)評價等[1-4]。但目前國內(nèi)在原料藥工程設(shè)計上應(yīng)用ABPD 的報道較少。本文利用ABPD 流程模擬軟件對某原料藥項目的工藝生產(chǎn)流程進(jìn)行模擬和分析，以期為原料藥工藝的工程設(shè)計提供一定的參考。

1 項目背景

某新建的原料藥生產(chǎn)線，主要原料為上游的發(fā)酵液，經(jīng)吸附、濃縮、萃取、脫水、濃縮結(jié)晶離心、重結(jié)晶離心、制粒、干燥、粉碎等工序后，最終得到原料藥產(chǎn)品。

其工藝過程涉及的設(shè)備主要有吸附柱、蒸餾釜、萃取釜、冷凝器、容器、過濾器、離心機(jī)、干燥機(jī)、制粒機(jī)、粉碎機(jī)和包裝機(jī)等。工藝過程中涉及的公用工程主要有生產(chǎn)水、純化水、熱水、低溫水和冷凍水。

2 工藝過程的流程模擬

2.1 定義物料和設(shè)備參數(shù)

在采用ABPD 進(jìn)行流程模擬前，需要對工藝過程中涉及的物料參數(shù)進(jìn)行定義，主要包括原輔料和公用工程的物性參數(shù)。ABPD 的物性數(shù)據(jù)庫中有七千多種化合物準(zhǔn)確的物性參數(shù)[2]。

本項目中，發(fā)酵液為成分復(fù)雜的混合物，發(fā)酵液在建模時選取水、有效成分和雜質(zhì)（從糖類、脂類、蛋白質(zhì)中各選一個化合物作代表）按一定比例組成混合物，以方便軟件進(jìn)行混合物物性參數(shù)的估算。本項目中涉及的其他化合物，均能在軟件物性數(shù)據(jù)庫中直接選取。

除物性參數(shù)外，流程模擬前需要事先建立項目用的設(shè)備庫，以方便后續(xù)工藝流程編寫中進(jìn)行設(shè)備選取。ABPD 的默認(rèn)設(shè)備數(shù)據(jù)庫中包含常用的制藥、生物及化工設(shè)備，涉及小試、中試、工業(yè)化等不同規(guī)模的設(shè)備，可通過直接選取建立設(shè)備庫，方便后續(xù)工藝流程編寫和模擬優(yōu)化時選取。對于ABPD 設(shè)備數(shù)據(jù)庫中沒有的設(shè)備規(guī)格，可以在類似設(shè)備規(guī)格基礎(chǔ)上手動新建，但需要根據(jù)規(guī)格同步修改設(shè)備的其他參數(shù)，如直徑、長度、材料、傳熱系數(shù)等。

除此以外，流程模擬前還需要預(yù)設(shè)一定的虛擬設(shè)備和管道，用以表達(dá)本車間物料的來源處和輸出處。管道方面，本項目中預(yù)設(shè)了生產(chǎn)水主管、純化水主管、發(fā)酵液主管等主管，方便表達(dá)物料的來源、與其他車間物料的來往和物料輸入的統(tǒng)計分析。設(shè)備方面，本項目中預(yù)設(shè)了廢水（高BOD）收集池、廢水（含有機(jī)溶劑）收集池、廢水（不含有機(jī)溶劑）收集池、廢液（高沸物）收集處、廢液（低沸物）收集處等，方便廢棄物的排放表達(dá)和廢棄物的統(tǒng)計分析。

2.2 工藝流程編寫與模擬

在該原料藥項目的工藝流程模擬中，將工藝流程分為吸附（Resin adsorption）、濃縮（Concentration）、萃取（Extraction）、脫水（Dehydration）、濃縮結(jié)晶（Concentration and Crystallization）、重結(jié)晶（Recrystallization）、干燥制粒（Dry and Granulate）、粉碎包裝（Mill and Package）等8 個工段進(jìn)行模擬，每個工段包含一定的單元操作。

在軟件的流程操作（Recipe）編寫模塊中進(jìn)行流程編寫，比如選取物料，輸入操作溫度、操作壓力、操作時間，選取設(shè)備等。對于某個工段下的不同操作單元，亦可通過平行操作功能實現(xiàn)多個單元操作的平行操作。萃?。‥xtraction）工段中部分單元操作的工藝流程語言編寫后如圖 1 所示，整個工藝流程編寫完成并運(yùn)行后即可完成單批次整個工藝的流程模擬。

圖1 工藝流程編寫Fig.1 Preparation of process flow

圖2 為建立流程模擬后ABPD 輸出的工藝流程圖。該工藝流程圖按工段順序列出各工段涉及的操作：單擊某個工段可以查看該工段詳細(xì)的單元操作流程，單擊某個操作可以查看操作的詳細(xì)參數(shù)，如物料、流量等。

圖2 ABPD 輸出的工藝流程圖Fig.2 The output process flow diagram from ABPD

圖3 優(yōu)化前后設(shè)備裝料系數(shù)的對比圖Fig.3 Comparison of equipment loading coefficient before and after optimization

圖4 設(shè)備占用時間及占用率圖Fig.4 Equipment usage time and rate diagram

圖5 生產(chǎn)周期內(nèi)重結(jié)晶釜的利用情況Fig.5 Usage situation of recrystallization reactor during the production cycle

圖6 重結(jié)晶釜的物料質(zhì)量、容積和溫度曲線Fig.6 Material mass，volume and temperature curves of recrystallization reactor

圖7 工藝操作甘特圖Fig.7 Process Operation Gantt Chart

表2 原輔料消耗表Tab.2 Raw materials consumption table

圖8 公用工程消耗量隨時間變化圖Fig.8 Chart of utility consumption over time

3 流程模擬結(jié)果與分析

本文以該原料藥產(chǎn)品批次產(chǎn)量為一定時進(jìn)行流程模擬和后續(xù)的分析及優(yōu)化。

3.1 設(shè)備選型與優(yōu)化

單批次工藝流程模擬后，ABPD 可輸出各設(shè)備的裝料體積和裝料系數(shù)，通過分析設(shè)備的裝料體積和裝料系數(shù)可對設(shè)備選型進(jìn)行一定的修正和優(yōu)化。

在單批產(chǎn)量一定的情況下，設(shè)備一次選型后模擬輸出的設(shè)備裝料系數(shù)如圖 3 中柱狀圖所示。從圖中可以看出，部分容器類設(shè)備的裝料系數(shù)小于40%，有些甚至小于20%（如V625，V594），部分釜類設(shè)備的裝料系數(shù)大于80%（如R420，R455），不太合理。在原料藥生產(chǎn)中，容器設(shè)備的裝料系數(shù)通常在70%～ 90%，釜類設(shè)備的裝料系數(shù)通常在50%～ 70%。對于這些的設(shè)備規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化，使得相關(guān)設(shè)備的裝料系數(shù)位于合理區(qū)間。同時考慮到建設(shè)方后續(xù)采購的方便，優(yōu)化時同時需要考慮設(shè)備規(guī)格的統(tǒng)一性，使得設(shè)備選型更加科學(xué)合理。在項目用的設(shè)備庫中選入擬優(yōu)化的設(shè)備規(guī)格，并在工藝流程中對優(yōu)化后的設(shè)備進(jìn)行替換，運(yùn)行后即可完成設(shè)備優(yōu)化后的模擬。設(shè)備優(yōu)化后的設(shè)備規(guī)格其裝料系數(shù)如圖 3 中曲線所示。

ABPD 完成單批次模擬后還可輸出各設(shè)備占用時間及占用率，本項目中各設(shè)備的占用時間和占用率如圖 4 所示。從圖中可知：T410 占用時間為2 700 min，為整個工藝的時間限制設(shè)備和生產(chǎn)瓶頸設(shè)備；R455 的占用時間為2 295 min，亦對整個工藝具有一定的限制。若需要提高產(chǎn)量，必須優(yōu)先優(yōu)化此二臺設(shè)備規(guī)格或者增加設(shè)備數(shù)量。從圖中可知：T410 的時間占用率為100%，為滿負(fù)荷運(yùn)行；R455的時間占用率為85%，接近滿負(fù)荷運(yùn)行。T410 為靜設(shè)備，雖然故障的概率較小，但滿負(fù)荷運(yùn)行，為保證產(chǎn)量，考慮多設(shè)置一臺T410 以備用。R455 帶有攪拌器，攪拌器為動設(shè)備，R455 在運(yùn)行過程中故障的概率稍高，為保證產(chǎn)量，亦考慮多設(shè)置一臺R455 以備用。

ABPD 多批次模擬后，可以輸出設(shè)備中物質(zhì)的組成隨時間的變化曲線，如圖 5 所示，從圖中可直觀得到各成分的比例。以重結(jié)晶釜為例，ABPD 單批次模擬后，可以輸出設(shè)備物料質(zhì)量、容積和溫度隨時間變化的曲線，如圖 6 所示，從圖中可以直觀得到物料容積的變化速率、溫度的變化速率。通過對這些結(jié)果的分析，可以進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)備選型（包含材質(zhì)、保溫情況等）和操作條件的優(yōu)化。

3.2 產(chǎn)能分析與生產(chǎn)周期優(yōu)化

在選定的批次產(chǎn)量下對設(shè)備進(jìn)行選型優(yōu)化后，可繼續(xù)通過ABPD 提供的功能對單批次產(chǎn)能進(jìn)行分析或優(yōu)化[3]，如恢復(fù)原始輸入數(shù)據(jù)對應(yīng)的產(chǎn)能、規(guī)定關(guān)鍵產(chǎn)品的批次生產(chǎn)量、規(guī)定關(guān)鍵原輔料的批次消耗量、指定最小設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)能優(yōu)化、指定最大設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)能優(yōu)化。

經(jīng)ABPD 模擬，對于單批次操作，每個工段的總操作時間如表 1 所示，每批次操作的總時間為177 h（圓整后）。

針對單批次操作，每個單元操作在順序流程的基礎(chǔ)上還可以增加額外操作時間、起始限制時間等，以便更好地進(jìn)行排班計劃，比如滿足每班8 小時工作制。

完成單批次操作優(yōu)化后，可進(jìn)行年生產(chǎn)的模擬。該原料藥產(chǎn)品年生產(chǎn)需求為20 噸，ABPD 模擬后輸出所需批次數(shù)為170，所需要的總操作時間為7 782小時。此操作條件下對應(yīng)的工藝操作甘特圖如圖 7 所示，圖中不同顏色代表不同的批次操作。通過工藝操作甘特圖，可直觀得到各單元操作和各批次操作的時間和順序，可直觀地對工藝過程進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行生產(chǎn)排班研究。比如，在一定的年生產(chǎn)需求下，可以通過調(diào)整批次的間隔時間進(jìn)行生產(chǎn)計劃的優(yōu)化。若還不滿足需求，就需要對單批次操作進(jìn)行優(yōu)化，比如設(shè)置某個單元操作的額外操作時間、起始限制時間等。

表1 各工段操作時間表Tab.1 Operation schedule of each process section

3.3 物料衡算

ABPD 模擬后輸出的原輔料消耗如表 2 所示。

ABPD 模擬后輸出的廢水廢液廢固排放量如表 3所示。

3.4 公用工程消耗

工藝流程模擬后，ABPD 可以根據(jù)工藝過程的物料參數(shù)、物料量、溫度、壓力、公用工程物性及參數(shù)等計算每個單元操作的公用工程消耗量，據(jù)此可確定每批次濃縮釜、冷凝器、結(jié)晶釜等熱水、低溫水和冷凍水的用量。

在原料藥項目中，往往會涉及設(shè)備的清洗，清洗用水一般采用生產(chǎn)水和純化水。ABPD 具備單獨的清洗單元操作，加入此單元操作可統(tǒng)計并分析清洗用水消耗量。

在規(guī)定年生產(chǎn)產(chǎn)能后，ABPD 可模擬輸出各公用工程的年消耗量，如表 4 所示。

此外，ABPD 可輸出各公用工程的質(zhì)量（體積）流量隨時間變化的曲線圖，如圖 8 所示。從表中可得到各公用工程的高峰用量（表 4），可用以確定公用工程的管徑和向其他專業(yè)提交相應(yīng)的公用工程消耗條件。在未優(yōu)化前，純化水的瞬時用量較大，達(dá)9 000 kg/h。通過增加目標(biāo)設(shè)備清洗用純化水的輸入時間，將純化水的瞬時用量優(yōu)化為4 015 kg/h，該優(yōu)化對單批次操作總時間和年生產(chǎn)產(chǎn)量影響不大。

表3 廢水廢液廢固排放表Tab.3 Liquid waste solid discharge table

表4 公用工程消耗表Tab.4 Utility consumption table

對于公用工程消耗量，在ABPD 模擬輸出結(jié)果的基礎(chǔ)上，需要考慮一定的余量（如15%，該值可根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整，如模擬時未考慮傳熱熱阻的影響），作為公用工程的設(shè)計量。

4 結(jié)束語

本文使用ABPD 對某原料藥項目的工藝過程進(jìn)行模擬，優(yōu)化了設(shè)備選型、操作批次、物料衡算、公用工程配置等，相較于傳統(tǒng)的Excel 軟件計算方法，不需要自行編制復(fù)雜的帶宏的Excel 表，結(jié)果更科學(xué)合理，優(yōu)化的過程及結(jié)果的展示更直觀和高效，具有明顯優(yōu)勢：

（1）設(shè)備選型與優(yōu)化方面

ABPD 模擬后可輸出各設(shè)備的裝料體積、裝料系數(shù)、設(shè)備占用時間和占用率：通過分析設(shè)備的裝料體積和裝料系數(shù)可對設(shè)備選型進(jìn)行優(yōu)化；通過分析設(shè)備的占用時間和占用率可找出操作過程的時間限制設(shè)備和生產(chǎn)瓶頸設(shè)備，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備數(shù)量，使得設(shè)備選型更加合理。

對于傳統(tǒng)Excel 方法，需要先進(jìn)行物料衡算，逐步分析每臺設(shè)備的裝料系數(shù)，逐步分析每臺設(shè)備的操作時間，效率較低，優(yōu)化不方便。

（2）操作批次安排方面

ABPD 可通過設(shè)定年生產(chǎn)規(guī)?？焖龠M(jìn)行生產(chǎn)排班，輸出直觀的工藝操作甘特圖，對于不合理之處，可通過調(diào)整批次的間隔時間、設(shè)置某個單元操作的額外操作時間、起始限制時間等進(jìn)行快速優(yōu)化。

傳統(tǒng)Excel 方法，需要首先編制單批次的排班計劃，然后設(shè)置復(fù)雜的宏和自定義函數(shù)進(jìn)行年批次生產(chǎn)排班，效率低下且實現(xiàn)較為困難。

（3）物料衡算方面

ABPD 可通過設(shè)定年生產(chǎn)規(guī)模快速進(jìn)行生產(chǎn)排班，輸出原輔料消耗量和廢水廢液廢固排放量，可直觀獲得各原輔料、廢水廢液的瞬時最大量，方便設(shè)置合理的主管和外管、配置合理的廢水廢液處理措施。在生產(chǎn)排班、單元操作消耗量修改后可快速進(jìn)行調(diào) 整。

傳統(tǒng)計算方法往往采用每個設(shè)備消耗量簡單加和后乘以經(jīng)驗的同時使用系數(shù)進(jìn)行計算，并沒有精確考慮設(shè)備隨時間的使用情況即生產(chǎn)排班計劃，計算結(jié)果與后續(xù)實際生產(chǎn)情況往往存在差異。

（4）公用工程配置方面

ABPD 可簡單計算每臺設(shè)備需要的換熱量，在設(shè)定年生產(chǎn)規(guī)模后，可快速輸出各公用工程的年消耗量、瞬時最大量、消耗曲線等。在生產(chǎn)排班、單元操作調(diào)整后可快速進(jìn)行修改。

每臺設(shè)備需要的換熱量若采用傳統(tǒng)方法需要采用Excel 或者HTRI 進(jìn)行，Excel 簡單方便但需要對不同工況進(jìn)行定制，HTRI 軟件計算準(zhǔn)確，但學(xué)習(xí)周期長，較為耗時。對于各公用工程的年消耗量、瞬時最大量，傳統(tǒng)計算方法往往采用每個設(shè)備消耗量簡單加和后乘以經(jīng)驗的同時使用系數(shù)進(jìn)行計算，并沒有精確考慮設(shè)備隨時間的使用情況即生產(chǎn)排班計劃，計算結(jié)果與后續(xù)實際生產(chǎn)情況往往存在差異。在生產(chǎn)排班、單元操作調(diào)整后無法快速進(jìn)行修改。

通過ABPD 在原料藥工程設(shè)計中的應(yīng)用研究，在一定程度上達(dá)到了減小項目投資、綠色環(huán)保的目的，對后續(xù)原料藥項目工藝設(shè)計和工程優(yōu)化具有一定的參考意義。