化學合成原料藥加氫反應自動化控制

盧 亢，謝 亮

（中國醫藥集團聯合工程有限公司，武漢 430077）

0 引言

化學合成原料藥加氫反應是一種常見的制藥生產工藝，屬于國家安監總局公布的首批重點監管的危險化工工藝。鑒于此工藝的特殊性和危險性，國家相關規范強制要求工程化過程中需設計較高的自動化控制程度。化學合成原料藥一般采用間歇反應工藝，是具有研發專權的新工藝。其通常僅經過小試、中試，工程化過程中需根據每種產品的工藝特點設計相關自動化控制方案。現結合工程實踐對化學合成原料藥氫化反應自動化控制方案進行總結，從順控、DCS聯鎖、SIS聯鎖3個方面指導自控專業人員從事自動化控制方案設計。

1 順控

化學合成原料藥加氫反應是周期性的間歇式生產過程，根據生產過程一步一步順序執行生產操作。其周而復始重復若干步操作的特點，可使用順控程序進行控制。

采用順控程序可規范操作流程，統一操作步驟，減少操作人員憑借經驗判斷的出錯率，也便于總結工藝反應過程的經驗，優化工藝過程。順控程序步驟的劃分方法是控制核心，需要做到結構層次清晰，操作人員介入方便，容易操作，異常處理能力強，安全性好，運行效率高。

化學合成原料藥加氫反應根據工藝操作過程和操作順序，主要可以分為首次置換控制、加料控制、加氫控制、升溫控制、反應控制、降壓置換控制、卸料控制7個步驟，每個步驟再根據操作需要分為若干步操作進行控制。當工藝狀態滿足某些條件后，點擊啟動按鈕，系統自動執行程序，推進順控進程。條件不滿足，將無法進行下一步程序。化學合成原料藥加氫反應主要PID流程圖如圖1所示。

圖1 PID流程圖Fig.1 Piping and instruments diagram

1.1 首次置換控制

化學合成原料藥加氫反應廣泛使用甲醇、乙醇等化學品做溶劑，易燃易爆，如遇靜電起火，容易產生火災危險。在加料前需用氮氣惰化反應釜，用隔絕氧氣的方法避免加料過程的火災風險。同時，反應釜上設置在線氧氣檢測儀AT-01對反應釜氧含量進行實時監測，重復氮氣置換過程直至氧含量低于2%，加料前一般需要進行3次置換操作。

首次置換控制順控過程：首先關閉反應釜所有控制閥；再打開真空閥XV-13，當反應釜壓力PT-02測量真空度達到-0.08MPa～-0.06MPa時，關閉真空閥XV-13；然后打開氮氣進料控制閥XV-10，當壓力達到0.01MPa時，關閉氮氣進料控制閥XV-10，重復上述過程3次。根據反應釜內氧氣含量檢測AT-01，判定置換程序是否結束。如果不達標，繼續置換直到檢測到的氧氣濃度達標。

此順控控制過程中需要注意，確保反應釜其他控制閥關閉，控制閥關狀態反饋信號到位，避免外界或空管道中的空氣被吸入反應釜中。

1.2 加料控制

化學合成原料藥加氫反應的物料包括固體物料、液態溶劑和氫氣。生產過程中先加入固體和液體物料，然后再通入氫氣。加料控制，是指除氫氣外固體和液體物料的加入控制。

化學合成原料藥加氫反應中的一些固體物料催化劑雷尼鎳和鈀炭的粉末能在空氣中自燃，普通的加料控制方案均不適用。目前主要采用手套箱投料，手套箱中通入氮氣，隔絕空氣進行投料，避免火災風險。然后，再通過泵或高位罐加入液態物料。

加料控制順控過程：通過手操箱進行固體物料投料，投料完畢后關閉固體投料閥。然后打開溶劑進料閥XV-01，同時開啟反應釜攪拌，進料完畢后關閉XV-01。最后，打開來自高位罐的物料進料控制閥XV-02，進料完畢后關閉XV-02。

此順控控制過程中需要注意：投料過程中物料投入的順序，投料順序錯亂會造成安全隱患。若先加入液態有機溶劑甲醇、乙醇等，然后操作人員去現場投料，現場有機溶劑蒸汽泄漏，操作人員來不及撤離，可能會造成人員傷亡。所以需等操作人員投入固體物料離開操作現場后，再開始溶劑進料。另外，若有機溶劑出現漫灌會造成安全隱患。反應釜設置液位開關LS-01，當反應釜液位過高時，關閉進料閥XV-01，防止有機溶劑漫灌泄漏。

1.3 加氫控制

原料氫氣在空氣中爆炸范圍極寬（4V%～75V%），與空氣混合容易發生爆炸。且氫氣點火能低，在空氣中最小點火能為0.019MJ，一般撞擊、摩擦、靜電等都可點燃氫氣。經過首次置換，反應釜內氧氣含量有限。但是在加料的過程中，可能帶入管道中空氣。通氫氣前需要對反應釜含氧量進行一次確認。如果含氧量超標，需要再次進行氮氣置換，置換操作與首次置換相同。

加氫控制的過程需要用氫氣置換反應釜內的氮氣，氫氣置換氮氣3次后，通過控制加氫控制閥調節反應釜壓力，將壓力控制在反應要求的范圍內。

加氫控制順控過程：打開真空閥XV-13，當反應釜壓力PT-02降到-0.08MPa～-0.06MPa時，關閉真空閥XV-13；然后打開加氫氣控制閥XV-09和FV-01，通入氫氣使反應釜壓力達到0.01MPa；再打開真空閥XV-13，打開氮氣閥XV-11，稀釋排出的氫氣濃度。重復以上操作3次。關閉真空閥XV-13和氮氣稀釋閥XV-11，打開加氫氣控制閥XV-09和FV-01加壓至反應壓力，此步驟完成。氫氣進料設置串級控制回路進行氫氣進料調節，反應釜壓力PT-02、氫氣流量FT-01和氫氣控制閥FV-01組成串級回路。反應釜壓力PT-02為主控變量、氫氣流量FT-01為副控制變量、氫氣控制閥FV-01為控制執行機構。這里使用串級回路能克服氫氣流量不穩定的干擾，確保反應釜壓力穩定，保障反應的順利進行。

此順控控制過程中需要注意：氫氣流量需控制在10m/s范圍內，氫氣流速過快容易出現氫脆現象，造成設備和管道的損壞。放空時的氫氣流速需要通過反應壓力、管徑進行驗算，當存在流速超標情況時，需要增加調節閥進行控制。

1.4 升溫控制

化學合成原料藥氫化反應過程大多屬于放熱反應。反應開始階段需要對反應釜加熱至反應啟動溫度，隨著反應的進行會釋放出一定的熱量，反應釜夾套傳熱介質由熱水改為冷凍水。

升溫控制順控過程：打開熱水入口控制閥XV-06，水出口控制閥XV-07，保持冷凍水控制閥XV-05、XV-08關閉狀態。升溫過程通過反應釜溫度TT-01B、夾套出口熱水溫度TT-02和熱媒控制閥TV-02B組成的串級回路對熱水進行控制。反應釜溫度TT-02為主控變量、夾套出口熱水溫度TT-02為副控制變量、熱水控制閥TV-02為控制執行機構。

此順控控制過程中需要注意：在控制過程中反應釜容積量大、壁厚，是一個熱容量大、純滯后時間長的被控對象。夾套熱水的溫度、流量直接影響反應釜內反應溫度，情況復雜，反應釜夾套內的熱水流量與反應釜內溫度之間的變化呈現非線性。因此，反應釜溫度需要精心控制。

1.5 反應控制

反應啟動后，隨著反應的進行會釋放出熱量。反應過程中如果熱量移去不及時，會使反應溫度上升，造成局部過熱，發生飛溫、噴料。如果熱量移去過多，會造成反應溫度一直下跌，形成反應淬滅，影響產品成份和收率。反應過程中放熱隨著反應的程度變化而變化，放熱過程復雜且呈現非線性。夾套冷凍水溫度、流量的變化對反應影響也很大，反應溫度控制能力直接影響產品的質量和產量，需要引起足夠重視。

反應控制順控過程：先關閉熱水入口控制閥XV-06、TV-02B，熱水出口控制閥XV-07；然后打開冷凍水入口控制閥XV-05，冷凍水出口控制閥XV-08。反應過程中通過反應釜溫度TT-01B、夾套冷凍水出口溫度TT-02和冷凍水控制閥TV-02A組成的串級回路對夾套冷凍水進行控制。反應釜溫度TT-01B為主控變量、夾套出口冷凍水溫度TT-02為副控制變量、冷凍水控制閥TV-02A為控制執行機構。

此順控控制過程中需要注意：反應釜壓力降低時，通過反應釜壓力PT-02、氫氣流量FT-01和氫氣控制閥FV-01組成的串級回路對氫氣進行控制，增大氫氣流量，增加反應釜壓力。反應釜壓力過高時，打開反應釜工藝排空閥XV-12，通過反應釜壓力PT-02調節排空控制閥PV-02控制反應釜壓力。反應需要靜置幾個小時，當反應釜壓力不再減小時反應完成。

1.6 降壓置換控制

化學合成原料藥反應完成后，需要降壓、氮氣置換后才能卸料，降壓置換時用氮氣進行置換，通常置換3次。

降壓置換控制順控過程：打開氮氣閥XV-11稀釋氫氣的濃度，打開工藝排空閥XV-12，通過反應釜壓力變化控制工藝排空閥PV-02氫氣的泄放速度，當反應釜壓力達到0.02MPa時，降壓完成。氮氣置換步驟與首次置換控制類似，關閉排空閥XV-12，然后打開真空閥XV-13，當反應釜壓力PT-02降到-0.08MPa～-0.06MPa時，關閉真空閥XV-13和氮氣閥XV-11；再打開加氮氣控制閥XV-10至反應釜壓力0.01MPa。重復氮氣置換操作3次，降壓置換控制完成。

1.7 卸料控制

加氫反應的卸料一般采用罐頂放料，用氮氣壓料。

卸料控制順控過程：打開反應釜氮氣控制閥XV-10，打開放料控制閥XV-03，當反應釜的壓力出現一個大的階躍下降時，放料控制結束。關攪拌，關閉氮氣控制閥XV-10和放料控制閥XV-03。

以上7步即反應的主要控制步驟，后續清洗、烘干等控制步驟，根據反應物料、產品特征不同，操作上差異較大，根據清洗需要設置，事故風險較小。

2 DCS聯鎖

化學合成原料藥氫化反應一般根據HAZOP分析設置DCS系統的聯鎖，其中包括公用工程系統的DCS聯鎖和反應釜的DCS聯鎖。公用工程的DCS聯鎖主要包括氮氣主管壓力低、氫氣壓力低、儀表空氣壓力低時，立刻終止反應的進程。反應釜的DCS聯鎖包括溫度聯鎖、壓力聯鎖、液位聯鎖和攪拌聯鎖。

2.1 DCS溫度聯鎖

化學合成原料藥氫化反應的溫度失控，會引起反應釜內壓力升高，密封失效或設備破裂，造成設備損壞及在場人員的傷亡。當反應釜溫度失控，反應釜上的溫度TT-01B達到設定值時，DCS聯鎖系統啟動，關閉氫氣進料控制閥XV-09和FV-01；關閉反應釜夾套熱水的控制閥XV-06和XV-07；打開反應釜夾套冷凍水入口控制閥XV-05、TV-02A和出口控制閥XV-08。

2.2 DCS壓力聯鎖

化學合成原料藥氫化反應的壓力失控，會引起反應失控，導致密封失效或設備破裂，造成設備損壞及在場人員的傷亡。當壓力失控，反應釜上的壓力變送器PT-02超限時，DCS聯鎖系統啟動，關閉氫氣管道上的控制閥XV-09和FV-01；打開反應釜工藝排空控制閥XV-12和PV-02，關閉抽真空控制閥XV-13。

2.3 DCS液位聯鎖

化學合成原料藥氫化反應的液位失控，會造成反應釜易燃易爆、有機溶劑液位升高，導致反應釜溢罐，進入其他系統，致使系統混亂。當反應釜液位上升，液位開關LS-01超限動作時，聯鎖關閉進料控制閥XV-01、XV-02和XV-04。

2.4 DCS攪拌聯鎖

化學合成原料藥氫化反應的攪拌轉速低，會使反應釜的溫度分布不均勻，造成產品質量問題。如局部聚熱會造成反應釜溫度超限，導致溫度聯鎖啟動。所以需要對攪拌電機運行、故障狀態和變頻器轉速、電流進行監控。當電機運行轉速低時，聯鎖關閉氫氣進料控制閥XV-09。

此外，制藥行業在密閉空間生產時，為確保操作環境的安全，需在反應釜周圍設置氫氣、氧氣檢測及報警裝置，當空氣中氫氣濃度高于0.4%或氧氣濃度低于18%時，DCS系統聯鎖啟動事故風機進行排風。

3 安全儀表聯鎖

根據國家安全監管總局要求，加氫反應屬于重點監控的危險化工工藝，要按需設計安全儀表系統（SIS）。安全儀表系統的現場儀表元器件也應單獨設置，形成與DCS相對獨立的有效回路。

反應釜SIS聯鎖與DCS聯鎖主要思路類似，詳見表1。不同之處在于，SIS聯鎖系統由SIS系統完成，且實現獨立控制功能，杜絕DCS失控造成的風險。

表1 反應釜DCS系統與SIS系統主要聯鎖邏輯對照表Table 1 Comparison table of DCS and SIS interlock

3.1 SIS溫度聯鎖

當溫度失控，反應釜上的溫度TZT-01A達到設定值時，SIS聯鎖系統啟動，關閉氫氣進料控制閥XZV-06；關閉反應釜夾套熱水的控制閥XZV-02和XZV-03；打開反應釜夾套冷凍水入口控制閥XZV-05和出口控制閥XZV-04。

3.2 SIS壓力聯鎖

當壓力失控，反應釜上的壓力開關PZS-01超限時，SIS聯鎖系統啟動，關閉氫氣進料控制閥XZV-06，打開反應釜聯鎖泄壓控制閥XZV-05。

3.3 SIS攪拌故障聯鎖

當電機發出故障信號或電流超限時，關閉氫氣進料控制閥XZV-06。如造成反應釜溫度和壓力超限會自動啟動相應的SIS系統溫度、壓力聯鎖系統。

4 總結

本文通過順控、DCS聯鎖控制和SIS聯鎖控制，對化學合成原料藥加氫反應自動化控制系統進行總結，并對工藝的特征和物料特點進行論述。通過以上自動化控制策略可大幅提升化學合成原料藥加氫反應自動化控制水平，提高裝置安全策略。