維生素B6醫藥項目原料儲罐工藝設計及優化

華程

科進咨詢（上海）有限公司（上海　200040）

化工設備

維生素B6醫藥項目原料儲罐工藝設計及優化

華程

科進咨詢（上海）有限公司（上海200040）

在維生素B6原料儲罐項目工藝設計的基礎上，通過物料平衡計算、主要工藝設備選型、工藝流程設計優化等，保證整個廠區原料供應的可靠性、安全性，并符合GMP醫藥項目的要求。對今后醫藥項目中的儲罐工藝設計具有指導意義。

醫藥原料儲罐工藝設計要求設備選型工藝優化GMP

0　引言

維生素B6是一種水溶性維生素，在臨床應用和保健方面有著廣泛的用途。維生素B6的化學合成以乙酰乙酸乙酯與磺酰氯為原料，合成工藝包括多步反應，其成品需在凈化環境下進行包裝。

作為維生素B6醫藥工廠儲運環節的重要工藝裝置單元，原料儲罐工藝單元影響到整個工廠的原料供給，相關工藝設計將直接影響整個工廠的生產計劃和人員排班。類似醫藥化學合成項目的原料種類繁多，在儲罐工藝設計中需根據全廠工藝情況進行設計和優化，同時應考慮GMP（藥品生產質量管理規范）對醫藥行業的特殊要求。

某新建維生素B6項目儲罐的工藝區域劃分為原料罐區、中間罐區和成品裝卸區，其工藝設計應依據項目報價資料，相關國家強制規范和行業規范，客戶與設計方簽訂的設計合同相關內容，客戶給出的基礎數據（如原料成分、中間產品組成、儲存條件）等。本文以該項目為例，詳述了醫藥項目原料儲罐工藝單元的工藝設計及相關優化方案。

1　原料罐區設計條件和主要工藝設計要點

1.1設計條件

化學合成維生素B6的原料多為毒性較大、易燃易爆、腐蝕性強、凝固點高的液體介質，如異丁醛、乙酰乙酸乙酯、環己烷、磺酰氯等，原料物性見表1。

除了前述重要設計條件之外，下游工藝需要的原料條件（如GMP要求、儲存要求、可否直接排入大氣、氧化與聚合特性等）均需作為工藝設計考慮的因素。

1.2主要工藝設計要點

首先根據原料物性判別介質的可燃性，該項數據的劃分在工藝設計及下游專業輸入條件的設定中起關鍵作用，GB 50160—2008（《石油化工企業設計防火規范》）對此也作出了詳細規定。

然后根據設計條件及原料介質的特點確定主要工藝設計要求,包括下游裝置單元號、所需正常流量和最小流量、下游裝置的間歇或者連續要求、終端是否有流量控制要求和壓力要求等。根據設計條件可確定原料罐區的物料平衡關系及關鍵設備儲罐的容積，公式見式（1）。

式中，VT表示儲罐所需計算容積，m3；VC表示槽車容積，m3；B表示槽車每周來的批次數，為無因次量；D表示建議儲存天數，d；R表示下游裝置每天的需求量，m3/d。

之后，根據儲罐的常規設計尺寸對計算容積進行圓整。

儲存條件的設計應首先考慮當地氣溫與物料凝固點的溫度差。其中所有甲B類、乙類可燃液體均應采取氮封的措施以避免外界空氣介入或可燃液體揮發引起的氣霧外泄[1]。由于儲罐布置在室外，還應采取減少日曬升溫的措施（如設置噴淋裝置或采取冷保溫的方式），以免夏季室外溫度上升引起罐內介質升溫進而導致罐頂壓力升高以及物料損失的危險工況出現。

表1　原料物性表

在環境溫度下易凝結或結晶的介質應根據其相應的凝固點數據及溶解曲線圖確定保溫方案。由于醫藥項目原料儲罐容積均小于100 m3，可采用流體循環加外部換熱器的設計方案來保持整個儲罐的介質溫度。單一原料罐區的裝置（如泵、管線等）應采取電伴熱措施防止局部低溫，從而避免晶體析出。在維生素B6的生產過程中，經常用到酸和堿，需注意具體介質的工藝特性，如氫氧化鈉在不同濃度下的凝固點呈非線性關系。[6]

1.3原料罐區設備及相應管材主要材料的確定

維生素B6項目設備與管材的主材選擇主要以介質的質量濃度、介質與各種材料的反應機理為判斷依據。首先將原料介質的質量濃度作為材料選擇的基礎數據，然后將介質的最高操作溫度作為材料使用溫度的最高限制，最后查詢相關腐蝕材料手冊明確原料介質與各種材料的反應機理。[2]一般情況下，管道材料與設備材料的選擇是一致的，但強腐蝕介質（如磺酰氯，32%鹽酸等）的管道應選擇聚四氟烯（PTFE）內襯管；而考慮到內襯的可靠性、經濟性、容積大小等因素，設備可優先選用搪玻璃罐。

1.4其他物性對原料罐區的工藝設計影響

根據表1，98%的濃硫酸、磺酰氯和醋酸酐均不能與水接觸。濃硫酸與水接觸，會放出大量熱量，使得儲罐急速升溫；醋酸酐與水反應會生成醋酸，嚴重影響原料的濃度以及下游工藝質量；磺酰氯與水接觸發生反應（SO2Cl2+2H2O→2HCl+H2SO4），產生大量氣相HCl和硫酸，其中焓變為-278 kJ/mol，反應絕熱溫升可達到342℃，影響罐內溫度、壓力、物料狀態以及材料的溫度與許用應力。

工藝設計時需考慮原料的特性，避免水分進入罐內，并避免使用呼吸閥一類的安全裝置以防止將空氣帶入。此外，應采用自控系統實現罐內的壓力平衡；卸料結束需及時用干燥氮氣吹掃，防止空氣回串帶入水分；停車檢修時的吹掃干燥步驟需和工廠操作人員溝通，嚴禁水殘留，并寫入操作標準手冊。

2　關鍵工藝設備的選型及設計

2.1儲罐選型

作為原料罐區設備的核心，儲罐的選型首先考慮儲罐的結構形式，其判斷依據主要為原料的物料特性、國家規范、儲罐材料的制作結構限制和制作成本等。

根據表1的物料特性及物料衡算，維生素B6原料儲罐工作容積普遍小于100 m3，且大部分物料為酸、酯等液體物料和異丁醇類的易聚合物料，故從結構考慮，可選用固定頂儲罐。

在維生素B6原料儲罐材料的初選中，大部分可選用不銹鋼，另外一部分原料由于對不銹鋼具有腐蝕性，需選用搪玻璃儲罐[2]。由于搪玻璃制作工藝的限制，目前國內搪玻璃儲罐普遍的有效容積為20~30 m3，如果做到40 m3以上,搪玻璃的高溫搪燒工藝會有一定風險，容易導致內襯玻璃質釉的不合格或者破損。根據相應原料罐區的物料平衡關系，應設置30 m3以下的單罐或者雙罐，同時還要考慮搪玻璃儲罐管口最小尺寸（DN50）和頂部開孔數量的限制。針對某些下游用戶有GMP的工藝要求，必須對儲罐的不銹鋼內壁進行拋光，達到表面粗糙度值小于0.8 μm的要求，并且頂部管口設置應避免出現死角，側面管口不宜設置人孔。

儲罐的設計壓力確定原則為：首先確定儲罐的設計正壓力,使用氮封系統的儲罐可根據氮氣的最高壓力確定,維生素B6儲罐全廠使用200 kPa氮氣減壓形成1 kPa進、4 kPa出的氣封系統，考慮到氮封系統減壓閥失效的工況,選擇儲罐的設計正壓力為氮氣最高操作壓力的1.1倍（即220 kPa）；設計負壓力的校核可根據儲罐設備無保護措施或氮封系統不工作的情況下介質的排出工況,即使用理想氣體方程（pV=nRT）進行工況前后的壓力估算，判斷可能出現的負壓情況。

介質排除前，壓力p1選擇常壓下介質的氣體分壓（即大氣壓力p）與介質飽和蒸汽壓的乘積，體積V1選擇儲罐最苛刻工況（即最高工作液位）下的容積,可取設備全容積與填充系數的比值。介質排除時,體積V2選擇原有氣體體積，即10%罐頂體積與儲罐全容積相加，減去出料泵流量再乘上儲罐低液位泵15 min最低抽空時間。根據p1V1=p2V2得出最苛刻工況下的p2。通過實際計算，p2＝-90～-89 kPa，即儲罐設備無保護措施下或者氮封系統不工作的情況下介質排出時會導致高真空。

考慮到鋼制儲罐在整廠設備制造中體積用料最大，從經濟角度考慮（如較高負壓工況將使設備成本上升），應將220 kPa的正壓力作為儲罐制造設計的依據，要求廠商提供在該正壓條件下能承受的最大負壓，選出通用設計條件作為鋼制儲罐的設計負壓力。考慮到制造工藝的特點和制造容積的限制，搪玻璃儲罐的設計負壓力可以選擇全真空，從而提高安全性。這樣也可避免選擇內襯PTFE或玻璃鋼之類不能承受高負壓工況的設備材料。

2.2泵選型

泵選型應考慮泵的用途、流量、揚程、材料、軸封、氣蝕余量及現場條件。原料罐區的泵主要以卸料泵和出料泵為主，如無特殊流量要求，應盡量選擇離心泵，原因是離心泵具有結構簡單、輸液無脈動、流量調節簡單等特點。

卸料泵流量應根據卸料槽車的大小和卸料時間確定。卸料槽車油罐容積為20~30m3，根據廠區卸料時間規定（1~2h操作時間），可得到卸料泵流量為20~30m3/h，醫藥項目罐區工藝的設計應盡量選擇統一的卸料泵，以方便卸料區域泵的維修、操作、備品備件的統一。揚程可根據原料罐區卸料區域建議布置及目標儲罐的操作壓力確定，設置應盡量統一。

輸送泵的流量和揚程可根據下游裝置區的要求取值，如果泵終端沒有特殊壓力要求，建議取50 kPa作為揚程及壓降校核依據。

軸封是泵選型中另一個需要重點考慮的問題，可根據物料的特性選擇機械密封或直接選用磁力泵，軸封的選型可由表2（泵軸封的選型）對照表1來確定。

表2　泵軸封的選型

由于大部分介質為溶劑或有毒危險介質，綜合考慮整廠的公用工程情況，可統一選用磁力驅動泵，以方便生產、維護及長期運營成本的控制。

2.3換熱器選型

維生素B6項目中原料罐區的換熱器主要用于三種工藝工況：（1）保持罐內介質的溫度不低于相關介質的凝固點溫度，以防止物料堵塞管路和設備而引起生產和安全事故[3]；（2）保持罐內介質的溫度不高于或者接近相關介質的閃點溫度或飽和蒸汽壓對應的溫度，以防止物料的大量損失以及可能的火災風險[3]；（3）罐頂氣體排出口的設置使揮發度較高（即飽和蒸汽壓偏高）的介質氣相冷凝，以減少物料的損失。

根據工藝工況確定換熱器的工藝功能：工況1為加熱器，工況2為冷卻器，工況3為冷凝器。然后可根據原料罐區中介質的操作及設計溫度和壓力，確定換熱器的形式。

可以將公用工程介質的最高溫度作為換熱器的設計溫度。加熱器工況下，以95℃熱水作為熱媒，換熱器的設計溫度以冷流出口閥門誤關為最苛刻工藝工況，宜選用100℃；冷卻器工況下，以-15℃冷凍鹽水作為冷媒，換熱器的設計溫度以熱流出口閥門誤關為最苛刻工藝工況，宜選用-20℃。壓力應考慮相關泵的關閉壓力，即通過廠商提供的關閉壓力值來確定換熱器的設計壓力。

在換熱器的溫度和壓力已經確定的情況下，對于工況1和2，在設計溫度不高于150℃、設計壓力不大于1.5 MPa的情況下，因介質狀態變化少，大多數都是液液熱交換，應盡量選用板式換熱器。板式換熱器的換熱面積較容易獲得且占地面積小、容易維護，比較適合維生素B6之類的醫藥項目。而針對工況3，由于涉及到相變，冷凝器應使用管殼式換熱器，通過冷媒的作用，可使氣相介質冷凝后沿管程側呈膜狀向下流動，形成汽液分離的效果，從而達到工藝設計要求。

3　確定維生素B6原料罐區的工藝流程圖

原料罐區的典型工藝流程固定統一,即原料通過卸料泵從槽罐車輸送到原料儲罐,再通過出料泵持續或間歇地輸送到下游設備，具體流程見圖2，實線為主工藝路線，虛線為根據工藝要求進行增減的路線。

圖1　維生素B6原料儲罐工藝典型流程

對可燃、有毒或者揮發性強的介質，應根據工藝設計要點增加氮封系統，包括設置相應的氮氣軟管站、儲罐氮氣進入和排出系統、開停車儲罐氮氣吹掃系統等。對于下游用戶有GMP要求的儲罐，需選擇符合要求的氮氣標準，水分體積分數必須小于5× 10-6，以防止相關原料受到污染。

對高凝固點介質，應采用流體循環加外部換熱器（保持原料溫度）的儲罐，且內部需加裝噴嘴。根據儲罐大小,選擇單噴嘴形式,類似同心異徑管,安裝在儲罐內靠近罐底的回流管出口處，見圖3。噴嘴仰角的計算必須以儲罐的最高液位作為依據[7]。

圖3　噴嘴仰角示意圖

從有效利用能源的角度考慮，可以在儲罐上設置溫度傳感器用于監控介質的溫度，尤其是一些凝固點較低但又高于常年冬天最低溫度的介質（如丁烯醇、環己烷等）。加熱媒介可以設置為罐內溫度達到安全值時停用，以達到降低能耗的目的。

對于持續運行的出料泵，必須考慮設置小流量線，以防止下游用戶關閉閥門時，出料泵低于最小流量長時間運行，導致部分介質的溫度升高，從而影響泵進口處的溫度，導致汽蝕余量的產生，甚至引起泵的損壞。

對于槽車卸料泵的開啟，應設置安全開啟條件（即槽車靜電連接條件）、槽車平衡線連接條件、軟管連接條件，在三者同時滿足的情況下，卸料泵才能啟動。還應在相應的因果關系圖中注明反饋信號條件，以保證卸料泵在安全可靠的情況下啟動電機，并保證生產及人員安全。

4　結語

與一般化工原料儲罐的工藝設計考慮的因素不同，維生素B6原料儲罐的工藝流程設計不僅要滿足原料儲罐的物料平衡要求,也要適應醫藥項目規模偏小，原料眾多（其中可燃、腐蝕性揮發介質居多），下游用戶眾多以及醫藥GMP的要求。維生素B6原料儲罐工藝設計基礎的確定、主要設備及附件的選型、工藝流程設計的優化等，可以保證醫藥項目中原料儲罐工藝設計的合理性、可行性，從而滿足全廠各個工藝裝置的原料需求，保證維生素B6的生產。該設計可為類似醫藥項目原料儲罐的工藝設計提供借鑒和參考，以保證相關工藝設計的性能。

[1]劉佩紳.常壓液體儲罐工藝系統設計[J].化工設計, 1999,9(4):22-25.

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[6]北京石油化工工程有限公司.氯堿工業理化常數手冊（修訂版）[M].北京:化學工業出版社,2008.

[7]李征西,徐思文.油品儲運設計手冊[M].北京:石油工業出版社,1997.

Process Design and Optimization for Pharmaceutical Raw Materials Tanks of Vitamin B6Project

Hua Cheng

Based on the process design of raw materials tanks of vitamin B6project,the reliability and safety of raw material supply of the whole plant can be guaranteed,and the GMP pharmaceutical requirement can be met by the material balance calculation,main process equipments selection,and process design and optimization.The design and optimization principle is of guiding significance to the process design for tanks in pharmaceutical projects.

Pharmaceutical raw materials tank;Process engineering requirement;Equipment selection;Process optimization;GMP

TQ460.4

華程男1980年生本科工程師研究方向：化學工程與工藝

2015年6月