Aspen Batch Process Developer 在原料藥工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

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(jì)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(jì)算等一般采用Excel 軟件進(jìn)行計(jì)算。在采用Excel 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，很多數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，若需要聯(lián)動(dòng)，需要編制很復(fù)雜的計(jì)算表。對(duì)于生產(chǎn)排班和公用工程計(jì)算，在Excel 中完成更是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，某些項(xiàng)目為計(jì)算公用工程耗量，往往采用每個(gè)設(shè)備消耗量簡(jiǎn)單加和后乘以經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)使用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并沒(méi)有精確考慮設(shè)備隨時(shí)間的使用情況即生產(chǎn)排班計(jì)劃，計(jì)算結(jié)果與后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)情況往往存在差異。因此在原料藥工藝設(shè)計(jì)及工程優(yōu)化中，對(duì)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(guò)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(guò)濾、結(jié)晶、離心、干燥、粉碎等過(guò)程。目前市場(chǎng)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(jiǎn)稱ABPD）作為Aspen One 系列軟件的組件，可用于制藥、生物和化工過(guò)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(guò)程：在小試階段可以快速評(píng)估實(shí)驗(yàn)室的工藝路線；在中試階段，可以快速實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)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(jì)劃、設(shè)備選型和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等[1-4]。但目前國(guó)內(nèi)在原料藥工程設(shè)計(jì)上應(yīng)用ABPD 的報(bào)道較少。本文利用ABPD 流程模擬軟件對(duì)某原料藥項(xiàng)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(jì)提供一定的參考。

1 項(xiàng)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)工藝過(guò)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(kù)中有七千多種化合物準(zhǔn)確的物性參數(shù)[2]。

本項(xiàng)目中，發(fā)酵液為成分復(fù)雜的混合物，發(fā)酵液在建模時(shí)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(gè)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(xiàng)目中涉及的其他化合物，均能在軟件物性數(shù)據(jù)庫(kù)中直接選取。

除物性參數(shù)外，流程模擬前需要事先建立項(xiàng)目用的設(shè)備庫(kù)，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(kù)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(guò)直接選取建立設(shè)備庫(kù)，方便后續(xù)工藝流程編寫和模擬優(yōu)化時(shí)選取。對(duì)于ABPD 設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)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(dòng)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(zhǎng)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(lái)源處和輸出處。管道方面，本項(xiàng)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(lái)源、與其他車間物料的來(lái)往和物料輸入的統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)備方面，本項(xiàng)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(jì)分析。

2.2 工藝流程編寫與模擬

在該原料藥項(xiàng)目的工藝流程模擬中，將工藝流程分為吸附（Resin adsorption）、濃縮（Concentration）、萃?。‥xtraction）、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(gè)工段進(jìn)行模擬，每個(gè)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(shí)間，選取設(shè)備等。對(duì)于某個(gè)工段下的不同操作單元，亦可通過(guò)平行操作功能實(shí)現(xiàn)多個(gè)單元操作的平行操作。萃取（Extraction）工段中部分單元操作的工藝流程語(yǔ)言編寫后如圖 1 所示，整個(gè)工藝流程編寫完成并運(yùn)行后即可完成單批次整個(gè)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：?jiǎn)螕裟硞€(gè)工段可以查看該工段詳細(xì)的單元操作流程，單擊某個(gè)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(duì)比圖Fig.3 Comparison of equipment loading coefficient before and after optimization

圖4 設(shè)備占用時(shí)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(shí)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(shí)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(guò)分析設(shè)備的裝料體積和裝料系數(shù)可對(duì)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(duì)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(shí)考慮到建設(shè)方后續(xù)采購(gòu)的方便，優(yōu)化時(shí)同時(shí)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(xiàng)目用的設(shè)備庫(kù)中選入擬優(yōu)化的設(shè)備規(guī)格，并在工藝流程中對(duì)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(shí)間及占用率，本項(xiàng)目中各設(shè)備的占用時(shí)間和占用率如圖 4 所示。從圖中可知：T410 占用時(shí)間為2 700 min，為整個(gè)工藝的時(shí)間限制設(shè)備和生產(chǎn)瓶頸設(shè)備；R455 的占用時(shí)間為2 295 min，亦對(duì)整個(gè)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(tái)設(shè)備規(guī)格或者增加設(shè)備數(shù)量。從圖中可知：T410 的時(shí)間占用率為100%，為滿負(fù)荷運(yùn)行；R455的時(shí)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(tái)T410 以備用。R455 帶有攪拌器，攪拌器為動(dòng)設(shè)備，R455 在運(yùn)行過(guò)程中故障的概率稍高，為保證產(chǎn)量，亦考慮多設(shè)置一臺(tái)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(shí)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(shí)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(guò)對(duì)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(duì)設(shè)備進(jìn)行選型優(yōu)化后，可繼續(xù)通過(guò)ABPD 提供的功能對(duì)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(duì)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(duì)于單批次操作，每個(gè)工段的總操作時(shí)間如表 1 所示，每批次操作的總時(shí)間為177 h（圓整后）。

針對(duì)單批次操作，每個(gè)單元操作在順序流程的基礎(chǔ)上還可以增加額外操作時(shí)間、起始限制時(shí)間等，以便更好地進(jìn)行排班計(jì)劃，比如滿足每班8 小時(shí)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(shí)間為7 782小時(shí)。此操作條件下對(duì)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(guò)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(shí)間和順序，可直觀地對(duì)工藝過(guò)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(guò)調(diào)整批次的間隔時(shí)間進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃的優(yōu)化。若還不滿足需求，就需要對(duì)單批次操作進(jìn)行優(yōu)化，比如設(shè)置某個(gè)單元操作的額外操作時(shí)間、起始限制時(shí)間等。

表1 各工段操作時(shí)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(guò)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(jì)算每個(gè)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(xiàng)目中，往往會(huì)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(dú)的清洗單元操作，加入此單元操作可統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)用量較大，達(dá)9 000 kg/h。通過(guò)增加目標(biāo)設(shè)備清洗用純化水的輸入時(shí)間，將純化水的瞬時(shí)用量?jī)?yōu)化為4 015 kg/h，該優(yōu)化對(duì)單批次操作總時(shí)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(duì)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(yàn)調(diào)整，如模擬時(shí)未考慮傳熱熱阻的影響），作為公用工程的設(shè)計(jì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文使用ABPD 對(duì)某原料藥項(xiàng)目的工藝過(guò)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(jì)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(guò)程及結(jié)果的展示更直觀和高效，具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（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(shí)間和占用率：通過(guò)分析設(shè)備的裝料體積和裝料系數(shù)可對(duì)設(shè)備選型進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)分析設(shè)備的占用時(shí)間和占用率可找出操作過(guò)程的時(shí)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(duì)于傳統(tǒng)Excel 方法，需要先進(jìn)行物料衡算，逐步分析每臺(tái)設(shè)備的裝料系數(shù)，逐步分析每臺(tái)設(shè)備的操作時(shí)間，效率較低，優(yōu)化不方便。

（2）操作批次安排方面

ABPD 可通過(guò)設(shè)定年生產(chǎn)規(guī)模快速進(jìn)行生產(chǎn)排班，輸出直觀的工藝操作甘特圖，對(duì)于不合理之處，可通過(guò)調(diào)整批次的間隔時(shí)間、設(shè)置某個(gè)單元操作的額外操作時(shí)間、起始限制時(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)較為困難。

（3）物料衡算方面

ABPD 可通過(guò)設(shè)定年生產(chǎn)規(guī)?？焖龠M(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(shí)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(jì)算方法往往采用每個(gè)設(shè)備消耗量簡(jiǎn)單加和后乘以經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)使用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并沒(méi)有精確考慮設(shè)備隨時(shí)間的使用情況即生產(chǎn)排班計(jì)劃，計(jì)算結(jié)果與后續(xù)實(shí)際生產(chǎn)情況往往存在差異。

（4）公用工程配置方面

ABPD 可簡(jiǎn)單計(jì)算每臺(tái)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(shí)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(tái)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(jiǎn)單方便但需要對(duì)不同工況進(jìn)行定制，HTRI 軟件計(jì)算準(zhǔn)確，但學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)，較為耗時(shí)。對(duì)于各公用工程的年消耗量、瞬時(shí)最大量，傳統(tǒng)計(jì)算方法往往采用每個(gè)設(shè)備消耗量簡(jiǎn)單加和后乘以經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)使用系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并沒(méi)有精確考慮設(shè)備隨時(shí)間的使用情況即生產(chǎn)排班計(jì)劃，計(jì)算結(jié)果與后續(xù)實(shí)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(wú)法快速進(jìn)行修改。

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