二甲基乙酰胺装置性能综合优化提升方案

程建军

(安阳化学工业集团有限责任公司 ， 河南 安阳 455133)

0 前言

二甲基乙酰胺(DMAC)是一种高极性的无色透明液体，能溶解多种化合物，是一种优异的有机高沸点强极性非质子化溶剂。国内主要用于聚酰亚胺、药物合成、合成纤维(腈纶和氨纶)三大应用领域。二甲基乙酰胺的工业化生产技术主要有醋酐法、乙酰氯法、醋酸法三种。目前多采用醋酸法生产技术，DMAC的合成分两步进行：

+CH3COONH2(CH3)2+ΔH1

CH3CON(CH3)2+H2O-ΔH2

反应的第一步速度很快，为放热反应；第二步为吸热反应，且速度很慢；须在一定的压力下加催化剂或在较高温度下进行，才能提高反应速度，以适应工业化的要求。2012年12月9日安阳九龙化工有限公司投资6 500万元，建成一套年产2万t的DMAC装置，并顺利产出合格产品[1-3]。

1 工艺流程

二甲胺和冰醋酸经原料预热器升温至150 ℃后进入合成反应器生成DMAC和水。从合成塔出来的物料：二甲胺、DMAC、醋酸和水进入分离罐，分离出来的二甲胺进入塔顶冷凝器变成液体，靠位差返回合成塔继续参加反应。从反应液分离罐底出来的混合液进入精馏一塔(脱轻塔)，一塔的作用是脱除产品中的二甲胺和水分。从一塔釜出来的DMAC和醋酸进入二塔(产品塔)；从一塔顶出来的二甲胺和水进入塔顶冷凝器，二甲胺和水降温冷凝进入一塔回流槽，经过回流泵升压，一部分作为回流液返回一塔顶，另一部分送至三塔(二甲胺回收塔)回收二甲胺原料。从一塔釜来的DMAC和醋酸进入二塔，塔釜出来的混合液为DMAC和醋酸的共沸物，经釜液冷却器降温，通过泵升压后大部分再返回合成塔重复利用，少部分排入重组分槽，降低产品中重组分含量；二塔顶DMAC经塔顶冷凝器降温冷凝进入二塔回流罐，一部分作为回流液返回二塔顶，另一部分作为产品采出送罐区储存销售。从一塔回流泵送来的二甲胺和水进入三塔，从塔釜排出的含有少量有机物的废水通过专用管线送污水厂经生化处理合格后排出厂外；从塔顶出来的二甲胺经塔顶冷凝器降温冷凝后进入回流槽，通过回流泵升压，一部分作为回流液返回三塔顶，另一部分作为二甲胺原料返回DMAC合成系统重复利用[4-6]。

2 装置基本情况

2012年国内采用醋酸法生产DMAC工艺的企业只有三家，由于技术保密，公司和技术提供方均无法提供DMAC生产所需要的详细技术资料，在试生产过程中，暴露出的问题较多。

2.1 产品质量较差

主要指标：水分含量，200×10-6左右；酸度，50×10-6左右；碱度，10×10-6左右；电导率，0.1×10-4～0.2×10-4S/m，只能达到合格品，不能满足大部分客户采购优等品需要。优等品指标：水分≤100×10-6，酸度≤30×10-6，碱度≤1×10-6，电导率≤0.05×10-4S/m，另外，电子化学品企业和氨纶生产企业对DMAC产品中的个别指标要求更高。

2.2 生产能力达不到设计指标

受精馏二塔真空度低限制，生产负荷未达到设计能力，DMAC最高日产只有30 t，没有达到日产60 t的设计能力。

2.3 产品单耗偏高

实际消耗：二甲胺650 kg/t，醋酸800 kg/t，蒸汽5 000 kg/t；设计值：二甲胺570 kg/t，醋酸730 kg/t，蒸汽2 500 kg/t。生产成本居高不下，失去市场竞争力。

3 主要问题原因分析

3.1 产品质量方面

3.1.1水分超标问题

一塔的作用是完成出塔液中水分和碱度脱除，产品中水分和碱度超指标，问题在一塔。首先请设计单位和天津大学设计人员对一塔、二塔和三塔设计参数进行重新模拟计算，两家单位的模拟计算结果均显示3个精馏塔参数满足设计要求。了解浙江江山、章丘日月和驻马店骏化的DMAC装置的情况，3个精馏塔和设计数据相近，3个精馏塔的设计问题排除。

3.1.2碱度超标问题

产品的碱度变化主要受原料二甲胺质量影响，当二甲胺产品质量降低时，往往会出现产品碱度升高现象，因此用于DMAC产生的二甲胺原料必须是优等品，否则产品质量很难达到优等品。

3.1.3酸度超标问题

二塔的作用是完成醋酸与DMAC的分离，实际上完成醋酸和DMAC形成的共沸物与DMAC产品的分离，酸度超标，问题在二塔。二塔主要问题是真空度达不到设计指标，需对二塔系统进行全面检查。

3.1.4电导率超标问题

电导率受产品中水分、阴阳离子、酸碱度变化影响，必须综合控制产品中4个指标含量才能保证电导率指标合格。

3.1.5分析方面问题

同样的产品，不同的分析工由于物料置换次数、取样方法、分析时间等不同，作出的分析结果有明显的差异，更换分析工时也会出现产品的指标变化。主要原因是取样和分析过程不规范、不统一，公司必须制定严格规范的分析程序，实现分析过程标准化。

3.2 产品产量方面

①产量偏低的主要原因是二塔能力限制。通过多次测试，当生产负荷达到50%时，二塔真空度低，产品质量达不到合格品。②各塔压力表、流量计、液位计和自调阀问题较多，系统不具备长周期稳定运行条件。③工艺技术问题。DMAC装置除两名技术员外全部为新工人，包括领导在内大家都没有接触过DMAC生产工艺，再加上技术保密，设计单位也编制不出详细开车方案和工艺操作手册，许多问题需要大家多次讨论、反复论证才能确定，工艺指标也在生产过程中不断地摸索总结和优化。

3.3 产品单耗方面

①原料方面。原料二甲胺中一甲胺含量升高，它会和醋酸反应生成重组分MMAC。醋酸中其他有机酸含量升高也会和二甲胺生成其它酰胺类物质。②严格控制一塔塔顶温度，减少DMAC从一塔塔顶蒸出，防止其到三塔随塔釜废水一起排出，造成产品损失。③严格控制三塔塔釜温度，有效控制三塔釜液中二甲胺的含量，减少三塔釜液排放造成的二甲胺损失。④控制各塔压力，杜绝超压造成放空损失。⑤对现场管道进行排查，消除跑冒滴漏造成的损失。⑥生产负荷较低是造成蒸汽、动力电、循环水、仪表空气等消耗升高的主要原因，提高产量是降低公用工程消耗的主要方法。

4 优化整改措施

4.1 解决设备和仪表硬件问题

组织专业技术人员对一塔、二塔、三塔内部进行全面检查，发现一塔部分塔盘上的升汽帽脱落，全部修复完整。对系统所有的水冷器、再沸器、管线、阀门进行全面检查，对3台塔顶冷器、3台再沸器和原料预热器进行全面检查。发现二塔塔顶冷凝器气体进口管线未按图纸施工，气体进口管线与防冲板间距太小，气体进口通道不到进气管线面积的30%，通过增大进气管道直径、去除冷凝器进气防冲板等措施，解决了二塔塔顶冷凝器阻力偏大的问题。对系统的压力表、温度计、液位计全部校核一次，保证装置数据真实可靠。对系统的调节阀和转机设备进行调试，确保装置运行稳定，系统调节灵活可靠。

4.2 加强培训提高职工操作技能

通过从网上查询资料、咨询、请教、讨论，编制了原始开车方案，指导实现原始安全开车。在充分了解装置的物料平衡和热量平衡数据后，组织职工认真学习原始开车方案，并进行工艺操作方案讲解和实操模拟，目标是操作压力、温度和液位一条线，同时也要稳定控制各塔进料量和出料量。

4.3 补充完善分析仪器，规范分析方法

由于DMAC的各项指标都很低，分析数据受多种因素影响，从取样点设置、取样仪器选取、仪器的存放、置换次数、置换量、产品分析的先后顺序、时间长短等进行全面规范。

5 运行效果

2013年10月30日DMAC装置整动优化完成后开车，装置一次产出优等产品，3天后装置实现日产60 t，产品各项消耗接近设计指标，二甲基乙酰胺装置实现了达标达产。此后的生产过程中仍然存在诸多问题：产品中重组分含量不稳定，时高时低；酸度不稳定，产品会出现返酸的现象；虽然水分含量<100×10-6，但是仍不满足氨纶和电子行业对产品水分的要求(水分含量<50×10-6)，很难进入需求量最大的氨纶生产高端市场。由于产品质量仍存在一些问题，市场开发困难，生产不能连续，经常是生产半个月，停产一段时间，装置产能不能充分发挥，生产成本居高不下，此后不断分析问题原因，持续进行探索整改。

6 全方位持续优化提升

6.1 增加离子塔提纯装置，解决产品电导率超标问题

2014年7月与江阴中绿化纤签订了离子塔技术协议，产品DMAC经过离子提纯塔后，可以有效降低DMAC中阴阳性离子含量，从而降低DMAC电导率。离子塔循环量控制在3 m3/h时，产品经离子塔后电导率由0.06×10-4S/m下降到0.01×10-4S/m，达到优等品设计指标。

6.2 采用新设备解决装置长周期运行问题

DMAC合成塔高速进料泵故障多，安装精度高，检修时间长等影响装置长周期满负荷生产问题。选用1台江苏海狮泵业制造有限公司生产的型号为HXK400-S2型旋壳泵，该泵一种全新概念的叶片、泵壳与液体同步旋转的液体升压泵，该产品具有结构紧凑、效率高、寿命长、维修方便等特点，它在小流量高扬程时的机械效率可以达到50%以上，是一种替代高速泵和多级泵的高科技产品。2018年3月HXK400-S2投运后，连续稳定运行1年以上，同样的扬程和流量，旋壳泵电机功率为30 kW，高速泵的电机功率为90 kW，采用旋壳泵每年可节约电费30多万元，节约维修费30多万元，而且减轻了工人劳动强度。

6.3 提高二塔分离效果，提升产品质量

采取了如下措施：①采购1台山东大华环境节能科技有限公司DNC-1500鼓风型蒸发式冷凝器替换原二塔塔顶列管式冷凝器，冷凝器的阻力由25 kPa降至5 kPa以下；②采购2台山东博山精工泵业2BVF-121真空泵替换原SK-3真空泵，抽气量由每分钟1.5 m3提高至230 m3，抽气量大幅增加更有利于把产品中微量二甲胺和水分脱除干净；③把真空泵从地面移至冷凝器出口，真空管线减少了15 m；二塔顶汽相出口管线由DN150更换为DN250，管道流通面积增加2.8倍，系统管道阻力下降5 kPa。

通过实施上述三个措施后，二塔真空度由原来的0.06 kPa提高至0.085 kPa以上，DMAC产品中的水分下降至50×10-6以下，碱度<1×10-6，重组分下降至300×10-6以下。

6.4 配备专业的氮气保护取样器，减少环境因素对分析数据的影响

DMAC吸湿能力特别强，当产品中水分含量降至100×10-6以内时，环境对分析结果影响较大。现场测试，用氮气保护取样与不用氮气保护取样，同样的DMAC产品不用氮气保护取样的水分分析数据要偏高100×10-6左右。为保证取样过程不受环境影响，增加了专业的氮气保护取样器，要求样品分析过程也必须在氮气保护下进行，并定期校准仪器，保证分析数据准确可靠，为优化工艺操作提供数据支撑。

6.5 严格控制二甲胺和醋酸原料质量是降低DMAC消耗的重要措施

生产实践证明原料质量对产品的影响很大，在生产过程中经常发现产品返酸现象，产品的酸度会随着时间的延长不断升高，而且是不定期出现。当产品出现返酸现象时，无论如何优化工艺指标，返酸现象不会有多少变化，最终发现造成这种问题的根本原因是醋酸质量波动，严格控制醋酸中的杂质含量，特别是大分子有机酸，会使二甲胺生成不稳定的醋酸采购也要专车运输，不得随意更换运输车辆，进厂醋酸要求一车一检，达不到优等品必须退货。公司自产的二甲胺产品也专罐储存，进入生产系统前必须分析为优等品才能使用。通过原料质量控制从源头上保证了产品质量的稳定。目前公司的DMAC产品各项指标已经完全能够满足氨纶和电子等高端行业要求，市场全面打开，产品供不应求，装置实现长期稳定满负荷运行。