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小试、中试放大及生产工业化最全总结

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发表于 2021-9-27 16:24:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
小试,放大实验和中试生产三者是相互联系非常密切的三个部分。三者的反应都是同一个反应,也就是说它们的反应原理是一致的。但是在细微操作上,三者总是有着或多或少的区别。

很多反应稍微一经放大就容易出现这样那样的问题。其实并非它们反应的过程出现了什么问题,而是在反应的处理上两者应该有着细微的差别。很多老师或者工程师在放大的时候从200ml的反应瓶放大到500ml的反应瓶中的时候,总是出现反应收率下降或者反应的温度区间跟原来的区间稍微有些差别。
其实这些差别也算不得是什么差别,只是在不同的空间内,该反应的传质传热空间不同而已。由于空间有了细微的差别,导致在细致的操作中,相同的操作实际上也就有了细微的差别,而这个差别就导致了我们常见的收率下降和温度区间的变化问题。只要我们能够将这个问题仔细的分析清楚,这个问题也就不是问题了。  


放大实验和中试生产稍微有些不同,因为两者的基础是都是小试的放大,不过由于放大的倍数和区间不同,导致两者表现出来的东西也就不同。这也就是相同的积分元在不同的积分区间积分出来的不同结果而已。我们只要明了这个积分元在不同积分区间的不同特性就能够得出积分的变化趋势,从而调整各个因素使积分向我们需要的方向转化。  

总之,三者的联系就是同一个积分元在不同积分区间积分的结果。  

贯穿三者的同一主线就是主反应过程。  

当反应被放大时,由于空间的增大,导致物料的传输空间增大,也就是反应物分子的活动空间变大了,导致在反应一旦开始进行后,参加反应的分子碰撞的几率就开始变小,这是个概率学问题,因而放大反应在与实验室相同的时间内是反应不到相同的转化率的,因此我们需要延长反应时间来使反应进行的更加彻底,但是当反应受动力学控制时,我们很容易遇到即使反应很长时间也不能使得反应更进一步的进行,因此我们需要采取一些手段来使得我们的物料浓度变得更大一些,以使反应更进一步进行,如回流或蒸出部分溶剂等操作。


同时,由于空间的增大,导致热量的传输开始变慢,因为在实验室时,物料量比较少,而与外界的加热设施接触比较紧凑,因而热量的传输比较快,只要控制得当,基本不会出现物料温度暴涨或者暴跌的情况,从而出现影响产品质量甚至于产品收率都要受很大影响的状况。在这种情况下,生产,中试和实验室各自的处理技巧都是不一样的,因此当我们在生产上采用和实验室相同的操作时,很容易出现这样或者那样的状况,这是由于各自的热量传输不一样造成的。

例如:放热比较剧烈的反应,在实验室我们可以采取冰水浴等手段来保持温度平衡,但到了中试生产时,我们一般采取的方式加入惰性溶剂作为热的载体,来延缓温度的急剧上升。或者采取滴加的方式来控制单位时间内热量的放出,保持温度的稳定。 
 
中试是实验室小试的初步放大,是小型生产的初步尝试。是从研发到生产过程中最为重要的环节,许多非常有价值的项目都是倒在这一步上。中试的目的为进一步生产提供可靠的实验数据,并在过程中对工艺进行进一步的修正,将其不适合工业的部分进行淘汰,进而开发出适合生产的工艺。

因此很大一部分人就根据经验自以为是地觉得中试就是根据新的(生产)条件,研究和开发新的工艺参数。这种看法稍微有些偏颇,我们中试的目的,其实是在新的条件下,研究通过何种手段才能达到或者接近实验室同一条件,而不是直接寻求新的条件。实验室,中试和生产三者追求的反应条件应该是一样的,或者几乎是一样的,因为大部分反应的条件还是比较宽的,只要在反应区间内,反应就基本上得到差不多的结果。

所以说三者追求的条件其实是一致的,但是由于三者的环境略有不同,因而实施达到结果的手段略微有些不同而已。

小试与中试不仅仅在于投料量的多少、以及所用设备的大小之上,两者是要完成不同时段的不同任务。小试主要从事探索、开发性的工作,化学小试解决了所定课题的反应、分离过程和所涉及物料的分析认定,拿出合格试样,且收率等经济技术指标达到预期要求,就可告一段落,转入中试阶段。

中试过程要解决的问题是:如何釆用工业手段、装备,完成小试的全流程,并基本达到小试的各项经济技术指标,当然规模也扩大了。该过程也不乏创新、发明的內容。如:小试中将一种物料从一个容器定量的移入另一器皿,往往小试与中试的区分是举手之劳,但在中试中就要解决选用何种类型、何种规格、何种材质的泵,采用何种计量方式,以及所涉及的安全、环保、防腐等一系列问题,这就不是简单的放大了,有时要解决此类问题也颇令人伤脑筋,甚至很难达到满意的结果,中试就是要解决诸如此类的釆用工业装置与手段过程中所碰到的问题;

不仅包含小试中非常注意的物料衡算,也包括小试中不大在意的热量、动量的衡算问题……为进一步扩大规模,实现真正工业意义的经济规模的大生产提供可靠的流程手段及数据基础。


中试放大经验总结

中间实验阶段是进一步研究在一定规模的装置中各步化学反应条件的变化规律,并解决实验室中所不能解决或发现的问题。虽然化学反应的本质不会因实验生产的不同而改变,但各步化学反应的最佳反应工艺条件,则可能随实验规模和设备等外部条件的不同而改变。因此,中试放大很重要。

实验进行到什么阶段才进行中试呢?至少要具备下列的条件:

1.小试收率稳定,产品质量可靠;

2.操作条件已经确定,产品,中间体和原料的分析检验方法已确定;

3.某些设备,管道材质的耐腐蚀实验已经进行,并有所需的一般设备;

4.进行了物料衡算。三废问题已有初步的处理方法;

5.已提出原材料的规格和单耗数量;

6.已提出安全生产的要求。


中试放大的方法

经验放大法:主要是凭借经验通过逐级放大(小试装置-中间装置-中型装置-大型装置)来摸索反应器的特征。

相似放大法:主要是应用相似原理进行放大。此法有一定局限性,只适用于物理过程放大。而不适用于化学过程的放大。

数学模拟放大法:是应用计算机技术的放大法,它是今后发展的方向。

此外,微型中间装置的发展也很迅速,即采用微型中间装置替代大型中间装置,为工业化装置提供精确的设计数据。其优点是费用低廉,建设快。


中试放大阶段的任务

主要有以下十点,实践中可以根据不同情况,分清主次,有计划有组织地进行。

1、工艺路线和单元反应操作方法的最终确定。特别当原来选定的路线和单元反应方法在中试放大阶段暴露出难以解决的重大问题时,应重新选择其他路线,再按新路线进行中试放大。

2、设备材质和型号的选择。对于接触腐蚀性物料的设备材质的选择问题尤应注意。

3、搅拌器型式和搅拌速度的考察。反应很多是非均相的,且反应热效应较大。在小试时由于物料体积小,搅拌效果好,传热传质问题不明显,但在中试放大时必须根据物料性质和反应特点,注意搅拌型式和搅拌速度对反应的影响规律,以便选择合乎要求的搅拌器和确定适用的搅拌速度。

4、反应条件的进一步研究。室验室阶段获得的最佳反应条件不一定完全符合中试放大的要求,为此,应就其中主要的影响因素,如加料速度,搅拌效果,反应器的传热面积与传热系数以及制冷剂等因素,进行深入研究,以便掌握其在中间装置中的变化规律。得到更适用的反应条件。

5、工艺流程和操作方法的确定。要考虑使反应和后处理操作方法适用工业生产的要求。特别注意缩短工序,简化操作,提高劳动生产率。从而最终确定生产工艺流程和操作方法。



6、进行物料衡算。当各步反应条件和操作方法确定后,就应该就一些收率低,副产物多和三废较多的反应进行物料衡算。反应产品和其它产物的重量总和等于反应前各个物料投量量的总和是物料衡算必须达到的精确程度。以便为解决薄弱环节。挖潜节能,提高效率,回收副产物并综合利用以及防治三废提供数据。对无分析方法的化学成分要进行分析方法的研究。

7、原材料、中间体的物理性质和化工常数的测定。为了解决生产工艺和安全措施中的问题,必须测定某些物料的性质和化工常数,如比热,黏度,爆炸极限等。

8、原材料中间体质量标准的制订。小试中质量标准有欠完善的要根据中试实验进行修订和完善。

9、消耗定额,原材料成本,操作工时与生产周期等的确定。在中试研究总结报告的基础上,可以进行基建设计,制订型号设备的选购计划。进行非定型设备的设计制造,按照施工图进行生产车间的厂房建筑和设备安装。在全部生产设备和辅助设备安装完毕。如试产合格和短期试产稳定即可制订工艺规程,交付生产。

10、从实验室研究至中试生产。


研究确定一条最佳合成工艺路线

1、一个化合物往往可以用不同的路线和方法合成,实验室最初采用的路线和方法不一定是最佳者,当时对反应条件,仪器设备,原材料来源等考察不多,对产率也不作过高要求,但这些对工业生产却十分重要,应通过小试研究改掉那些不符合工业生产的合成步骤和方法。一条比较成熟的合成工艺路线应该是:合成步骤短,总产率高,设备技术条件和工艺流程简单,原材料来源充裕而且便宜。

2、用工业级原料代替化学试剂。实验室小量合成时,常用试剂规格的原料和溶剂,不仅价格昂贵,也不可能有大量供应。大规模生产应尽量采用化工原料和工业级溶剂。小试阶段应探明,用工业级原料和溶剂对反应有无干扰,对产品的产率和质量有无影响。通过小试研究找出适合于用工业级原料生产的最佳反应条件和处理方法,达到价廉、优质和高产。

3、原料和溶剂的回收套用。合成反应一般要用大量溶剂,多数情况下反应前后溶剂没有明显变化,可直接回收套用。有时溶剂中可能含有反应副产物,反应不完全的剩余原料,挥发性杂质,或溶剂的浓度改变,应通过小试研究找出回收处理的办法,并以数据说明,用回收的原料和溶剂不影响产品的质量。原料和溶剂的回收套用,不仅能降低成本,而且有利于三废处理和环境卫生。

4、安全生产和环境卫生。安全对工业生产至关重要,应通过小试研究尽量去掉有毒物质和有害气体参加的合成反应;避免采用易燃、易爆的危险操作,实属必要,一时又不能解决,应找出相应的防护措施。尽量不用毒性大的有机溶剂,寻找性质相似而毒性小的溶剂代替。

中试生产阶段

中试生产是从实验室过渡到工业生产必不可少的重要环节,是二者之间的桥粱。中试生产是小试的扩大,是工业生产的缩影,应在工厂或专门的中试车间进行。中试生产的主要任务是:

1、考核小试提供的合成工艺路线,在工艺条件、设备、原材料等方面是否有特殊要求,是否适合于工业生产;

2、验证小试提供的合成工艺路线,是否成熟、合理,主要经济技术指标是否接近生产要求;

3、在放大中试研究过程中,进一步考核和完善工艺路线,对每一反应步骤和单元操作,均应取得基本稳定的数据;

4、根据中试研究的结果制订或修订中间体和成品的质量标准,以及分析鉴定方法;

5、制备中间体及成品的批次一般不少于3-5批,以便积累数据,完善中试生产资料;

6、根据原材料、动力消耗和工时等,初步进行经济技术指标的核算,提出生产成本;

7、对各步物料进行步规划,提出回收套用和三废处理的措施;

8、提出整个合成路线的工艺流程,各个单元操作的工艺规程,安全操作要求及制度。


设备的选择和工艺管路的改造

1、根据小试的结果,在多功能、中试车间,对设备进行选择,首先应考虑设备容量是否适宜,设备材质、管路材质与工艺介质的适应性,是否耐腐蚀,加热、冷却和搅拌速度是否符合要求。

2、物料输送的方法(投料、出料、各步之间的流转),如何防止跑料、凝固和堵塞等。

3、物料的计量和加料的方法,如滴加如何有效控制?

4、反应有无气体生成?会否冲料?如有必要,应加气液分离器,安装回流管。

5、离心,压滤等分离条件是否满足?

根据以上情况和其他工艺要求,对设备,管路进行适应性改造。


投料前的准备

1、对设备,尤其是新安装和经改过的设备或久置不用的设备要进行试压、试漏工作,要结合清洗工作进行联动试车,以确保投料后不用再动火,在无泄漏的前况下,进行设备管道保温。

2、做好设备的清洗和清场工作,确保不让杂物带入反应体系,防止产生交叉污染和确保有序的工作。

3、根据工艺要求和试验的需要核定投料系数,计算投料量做到原材料配套领用,质量合格,标志清楚,分类定置安放。

4、计划和准备好中间体的盛放器具和堆放场所。

5、生产条件的检查:蒸汽、油浴、冷却水和盐水是否通畅(可用手试一下阀门开启后的前后温差),阀门开关是否符合要求。

6、物料是否均相,搅拌是否足以使他们混合均匀,固体是否沉积在底阀凹处,尤其固体催化剂或难溶原料的沉积,如何采取避免沉积的措施。

7、各种仪表是否正常?估计整个过程(物料浅满发生变化和投料偏少时)温度计是否能插到物料里。

8、写好操作规程和安全规程。

9、对职工进行培训,工艺培训(尤其要讲清楚控制指标和要点,违犯操作规程的危害和管道走向,阀门的进出控制,落实超出控制指标和突发事件的应急措施)。进行安全培训和劳动保护培训。

10、明确项目的责任人,组织好班次,骨干力量安排好跟班,明确职工与骨干与上级领导之间夜间沟通联络方法。

11、做好应急措施预案和必要的准备工作。


中试放大与生产工艺规程

中试放大的目的是验证、复审和完善实验室工艺所研究确定的反应条件,及研究选定的工业化生产设备结构、材质、安装和车间布置等,为正式生产提供数据,以及物质量和消耗等。

(一) 中试放大的研究内容
1、概述
工艺过程:在生产过程中凡直接关系到化学合成反应或生物合成途径的次序、条件(配料比、温度、反应时间、搅拌方式、后处理方法和精制条件等)统称为工艺条件。其它过程则成为辅助过程。

2、中试放大的重要性
确定工艺路线后,每步化学合成反应或生物合成反应不会因小试、中试放大和大型生产条件不同而有明显变化,但各步最佳工艺条件,则随试验规模和设备等外部条件的不同而有可能需要调整。

3、中试放大的研究
① 生产工艺路线的复审
一般情况下,单元反应的方法和生产工艺路线应在实验室阶段就基本选定。在中试放大阶段,只是确定具体工艺操作和条件以适应工业生产。但是当选定的工艺路线和工艺过程,在中试放大时暴露出难以克服的重大问题时,就需要复审实验室工艺路线,修正其工艺过程。

② 设备材质与型式的选择
开始中试放大时应考虑所需各种设备的材质和型式,并考查是否合适,尤其应注意接触腐蚀性物料的设备材质的选择。

③ 搅拌器型式与搅拌速度的考查
在实验室中由于物料体积较小,搅拌效率好,传热、传质的问题表现不明显,但是在中试放大时,由于搅拌效率的影响,传热,传质的问题就突出地暴露出来。因此,中试放大时必须根据物料性质和反应特点注意研究搅拌器的型式,考察搅拌速度对反应规律的影响,特别是在固-液非均相反应时,要选择合乎反应要求的搅拌器型式和适宜的搅拌速度。

④ 反应条件的进一步研究
实验室阶段获得的最佳反应条件不一定能符合中试放大要求。应该就其中的主要的影响因素,如放热反应中的加料速度,反应罐的传热面积与传热系数,以及制冷剂等因素进行深入的试验研究,掌握它们在中试装置中的变化规律,以得到更合适的反应条件。

⑤ 工艺流程与操作方法的确定
在中试放大阶段由于处理物料增加,因而又必要考虑使反应与后处理的操作方法如何适应工业生产的要求,特别要注意缩短工序、简化操作。

⑥ 原辅材料和中间体的质量控制
(1)原辅材料、中间体的物理性质和化工参数的测定。
(2)原辅材料、中间体质量标准的制定。


(二)物料衡算
物料衡算是化工计算中最基本,也是最重要的内容之一。它也是能量衡算的基础。通过物料衡算,可深入分析生产过程,对生产全过程有定量了解,就可以知道原料消耗定额,揭示物料利用情况;了解产品收率是否达到最佳数值,设备生产能力还有多大潜力;各设备生产能力是否匹配等。

(1)物料衡算的理论基础
物料衡算:是研究某一个体系内进、出物料及组成的变化,即物料平衡。所谓体系就是物料衡算的范围,可以是一个设备或多个设备,可以是一个单元操作或整个化工过程。

物料衡算的理论基础为质量守恒定律:进入反应器的物料量-流出反应器的物料量-反应器中的转化量=反应器中的积累量

在化学反应系统中,物质的转化服从化学反应规律,可以根据化学反应方程式求出物质转化的定量关系。

(2)确定物料衡算的计算基准及每年设备操作时间
物料衡算的基准
通常采用的基准有:
①以每批操作为基准,适用于间歇操作设备、标准或定型设备的物料衡算。
②以单位时间为基准,适用于连续操作设备的物料衡算。
③以每公斤产品为基准,以确定原辅材料的消耗定额。

每年设备操作时间:车间每年设备正常开工生产的天数一般以330天计算,其中余下的36天作为车间检修时间。

收集有关计算数据和物料衡算步骤
① 收集有关计算数据:反应物的配料比,原辅材料、半成品、成品及副产品等的浓度、纯度或组成,车间总产率,阶段产率,转化率。
② 转化率:对某一组分来说,反应物所消耗的物料量与投入反应物料量之比简称该组分的转化率。一般以百分率表示。
③ 选择性:各种主、副产物中,主产物所占分率。
④ 车间总收率:车间总收率为各个工序收率的乘积。

(3)物料计算的步骤
1)收集合计算所必需的基本数据。
2)列出化学反应方程式,包括主反应和副反应;根据给定条件画出流程简图。
3)选择物料计算的基准
4)进行物料衡算。
5)列出物料平衡表:①输入与输出的物料平衡表;②三废排量表;③计算原辅材料消耗定额(kg)。


(三)生产工艺规程
一个产品可以采用几种不同的生产工艺过程,但其中必有一种是在特定条件下最为合理、最为经济又最能保证产品重量的。人们把这种生产工艺过程的各项内容写成文件形式即为生产工艺规程。

生产工艺规程是指导生产的重要文件,也是组织管理生产的基本依据;更是工厂企业的核心机密。先进的生产工艺规程是工程技术人员、岗位工人和企业管理人员的集体创造,属于知识产权的范畴,要积极组织申报专利,以保护发明者和企业的合法利益。

(1)生产工艺规程的主要作用:
①生产工艺规程是组织工业生产的指导性文件,生产的计划、调度只有根据生产工艺规程安排,才能保持各个生产环节之间的相互协调,才能按计划完成任务。
②生产工艺规程也是生产准备工作的依据。
③生产工艺规程又是新建和扩建生产车间或工厂的基本技术条件。

(2)制订生产工艺规程的原始资料和基本内容
制定生产工艺规程,需要下列原始资料和包括的基本内容:

① 产品介绍:叙述产品规格、药理作用等,包括名称(商品名、化学名、英文名);化学结构式,分子式、分子量;性状(物化性质);质量标准及检验方法(鉴别方法,准确的定量分析方法、杂质检查方法和杂质最高限度检验方法等);药理作用、毒副作用(不良反应)、用途(适应症、用法);包装与贮存。

② 化学反应过程: 按化学合成或生物合成,分工序写出主反应、副反应、辅助反应(如催化剂的制备、副产物处理、回收套用等)及其反应原理。还要包括反应终点的控制方法和快速化验方法。

③ 生产工艺流程:以生产工艺过程中的化学反应为中心,用图解形式把冷却、加热、过滤、蒸馏、提取分离、中和、精制等物理化学过程加以描述。

④ 设备一览表:岗位名称,设备名称,规格,数量(容积、性能),材质,电机容量等。

⑤ 设备流程和设备检修:设备流程图是用设备示意图的形式来表示生产过程中各设备的衔接关系。

⑥ 操作工时与生产周期:记叙各岗位中工序名称、操作时间。

⑦ 原辅材料和中间体的质量标准:按岗位名称、原料名称、分子式、分子量、规格项目等列表。

⑧ 生产工艺过程:配料比;工艺操作;主要工艺条件及其说明;生产过程中的中间体及其理化性质和反应终点控制;后处理方法及收率等。

⑨ 生产技术经济指标:生产能力(年,月);中间体、成品收率,分步收率和产品总收率,收率计算方法;劳动生产率及成本;原辅材料及中间体消耗定额。

⑩ 技术安全与防火、防爆。

⑪ 主要设备的使用与安全注意事项。

⑫ 成品、中间体、原料检验方法。

⑬ 资源综合利用和三废处理

⑭ 附录(有关常数及计算公式等)


生产过程的注意事项

1.严格按操作规程、安全规程操作,不能随意更改。如发现新问题需更改,必须有充分的小试作基础。

2.严格控制反应条件如温度,pH值等,万一超标应及时进行处理(小试就应考虑到,小试应做过破坏性试验,找出处理办法)

3.注意中试,试生产温度计的传热敏感度与小试不一样,温度变化存在滞后性,应提前预计到这一点进行有关操作。

4.真空系统出现漏气如何检查和应急处理,尤其在高温情况下,应及时采取应急措施。

5.突发停电,停汽,停水,停冷冻盐水应立刻分别采取必要的应急措施(必要时配备和启用备用电源,氮气保护等)。

6.注意生产中的放大效应,一般应逐步放大,不能单考虑进度,否则“欲速而不达”,要循序渐进。

7.由于不可预计因素和放大效应的存在,对单批投料量必须进行控制,实行分级审批制度。

8.对反应过程中的现象进行认真的仔细的观察,及时记好记录,并及时分析出现的现象,要做好小试的先导或跟踪验证工作。各相关人员必须有高度的责任心,密切关注整个生产过程的情况,及时采取措施解决出现的问题。

9、每一步骤的终点如何判断要有明确的指标和方法,每一步进行严格控制,可与反应中出现的现象综合起来判断。

10、正确选择后处理方法。进行萃取、结晶和重结晶等单元操作,在选择萃取剂和溶剂时,正确运用“相似相溶”原则来考虑杂质、产物的溶解度。选择溶剂时一定要在考虑工艺的适用性的同时,要考虑经济性和可行性,如价格,毒性及是否可回收和易回收等。小试进行后处理时就应考虑到这几方面。


安全问题
1、充分的小试是中试和试生产成功的保证,小试多花力气,多设想各方面在中试、生产时的实施方法和可操作性,考虑得越仔细,越周到,中试生产就会越顺利,不会出现生产事故和安全事故。

2、技改动火的安全是安全工作的关键,由于多项目在同一车间,这个项目在技改,其他项目在生产,或同一系统中前一产品生产过,现改产另一产品,或由于某一问题未事先考虑到中途进行技改。

不管哪种情况,凡能移到车间外进行动火的一定要拆出去动火,尽量避免在车间内动火,不得已必须在车间内动火的,必须做好清洗和隔离工作(包括设备,容器,管道),不能留下死角,要严格动火制度。

3、职工培训和严格遵守规章制度和操作规程是安全工作的重点。

4、职责分工要明确,投料前应填写“中试试生产项目情况一览表“明确责任人,相互要及时沟通,要有严格的制度和高度的责任心,骨干力量要跟班,有情况应及时采取应对措施。
5、事先应预计到可能出现的安全问题,环保问题和劳动保护问题,并采取相应措施。
声明

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发表于 2021-9-29 08:03:35 | 显示全部楼层
感谢老铁的分享!
 楼主| 发表于 2021-9-29 09:02:57 | 显示全部楼层
每日学一遍
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