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固液分离中的工艺放大与风险 |
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作者：德国克劳斯马斐公司北京代表处 鲁毅 |
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在现代的化工与医药生产中，一种化合物往往需要复杂的流程才能被制造出来。为了最终达到所需要的产品质量与产量，每一个生产单元必须选择适当的设备，并对设备在实际运转中的数据提前进行预计，这就是工艺放大。固液分离作为影响重要（投资、产量、质量、能耗、物耗、环保与安全）的一个工艺环节尤其更需要工艺放大。
现代化工与医药产业对每一个工艺环节的有效性要求越来越高，这就要求对投资、操作费用、产能能够做出准确计算。德国克劳斯马斐工艺技术股份公司长期以来积累了行之有效的工艺放大方法。能够依据客户的实际需要对固液分离与干燥工序进行准确的工艺放大，克劳斯马斐公司的完整产品线（刮刀/推料离心机、混料/盘式干燥器、转鼓/盘式过滤机）形成了一个非常有效的设备平台，能够为工艺放大的结果提供成套解决方案或优良的单台设备。
固液分离的工艺放大必须包含以下四部分，并按先后顺序逐一进行。
* 工艺分析与实验室分析
* 现场工业试验
* 数据放大（scale-up）
* 经验数据对比，最终性能保证的确认
工艺放大的这四步可以保证对生产要求的充分理解，从而得到良好的工艺放大结果，并把风险降到最低。
工艺分析与实验室分析
在工艺放大的这一阶段首先需要明确这一环节的生产任务：离心分离、干燥、混合、洗涤、萃取、反应等。其次，对于固液分离来说是确定适当的分离手段－连续或间歇操作、 单一功能或多功能工厂、大批量或是小批量精细生产，同时应进行尽可能详细的物料分析。
通过与最终用户讨论并确定了生产任务与分离手段后，有关物料本身的测试就十分必要了。通常物料测试包括两部分，首先是不需要受现场条件制约在实验室即可独立进行的粒度分布、黏度测量、密度测量等物化性质试验。接下来可以利用实验室规模的固液分离设备或干燥设备测试物料的脱水能力、干燥特点等参数。这样试验者可以对构成过滤阻力或降低干燥速度的因素有更全面的理解。通常这些因素包含有毛细作用、表面张力、物料电阻、极性作用和范德华力。
如图1 所示，物料在离心分离的过程中会受到不同的作用力。利用图1所示的杯式离心机进行定性试验，我们可以得到工艺放大时所需要的转速、脱水/干燥时间、温度、滤网选择和洗涤液比例等参数。
图 1 试验用杯式离心机的定性试验
现场工业试验
通过工艺分析与实验室分析确定了适当的设备形式后，就需要通过现场工业试验来确定如何才能达到客户所需要的产品质量。现场工业试验通常是用克劳斯马斐工艺技术股份公司的工业试验机来进行的。在某些情况下也直接用真正的工业生产设备进行试验，这样所得到试验数据更接近真实情况。工业试验机要能够适合不同的工作场合，便于移动与安装。试验人员除了应了解设备之外还应对于工艺流程与工艺特点有全面的了解。工业试验机应该能够方便地在客户的生产现场直接安装，对于一些特殊的产品，比如物料颗粒不稳定或物料的输送十分麻烦，这一点是十分重要的。图2 介绍了推料式离心机进行工业试验时的必要配制。在试验过程中连续准确的测量是成功工业放大的关键所在。
图2 推料离心机试验单元的组成
数据放大
对现场工业试验中所得的数据进行有效处理是工艺放大的关键。整个固液分离过程被区分为若干个步骤，对应每一个步骤的试验数据的处理方法不尽相同。每一个单一步骤的放大结果都会影响到整个固液分离工序的最终处理能力与质量。
图3 所示的是刮刀离心机的工艺放大过程中每一个单一步骤的放大过程（进料、洗涤、甩干）。工艺放大是通过长期以来经过验证的数学模型来进行的。这一模型是长期与各类客户交流生产经验和试验数据并总结出来的核心技术。
图3刮刀离心机的工艺放大过程
最终性能确认
为了确保工艺放大数据的准确性，所有放大结果在交付客户之前都要经过克劳斯马斐公司的双人四眼原则的检验。也就是说由另外的工作人员独立进行计算，并进行结果对比。最后工艺放大的结果还要与公司数据库内相似的物料进行比对。 克劳斯马斐70年来在超过8000个项目中积累了2000余种物料的处理经验。丰富的实践经验可以减少设备选择过程中犯错误的机会，从而在一开始就有可能减少设备投资并节省操作费用。
德国克劳斯马斐公司在中国设立了售前服务体系，拥有必要的试验设备，良好训练的服务工程师可以与客户一起在项目开始阶段就把设备选择的风险降至最低。
工艺放大的风险
所有这四步工艺放大的过程都是为了将试验误差与风险最小化。但是正如实验一定会有误差一样，工艺放大也有其特定的风险。
试验数据的采集范围不足有可能造成工艺放大的不准确。特别是对于新开发的产品或生产工艺来说，往往没有实际运行的工业化生产，只有实验室内的小规模试验。在这种情况下，实验室内形成的物料的性质与将来实际工业化生产的物料性质可能会有较大的偏差，这就要求针对新工艺的工艺放大必须考虑适当的弹性余量。
另外，工艺放大结果可能由于物料的性质超出了数学模型的计算范围而造成偏差。例如当物料的黏度大于3mPas时，毛细作用对固液分离造成的影响就超出了数学模型计算的范围。对于这种情况还需要更进一步的研究，目前还只能通过使用更接近真实设备尺寸的试验设备或加大试验数据的采集范围以减少误差。
本文作者系德国克劳斯马斐工艺技术股份有限公司北京代表处销售经理，理学硕士(end)
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(6/19/2005) |
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