二甲基乙酰胺裝置性能綜合優(yōu)化提升方案

程建軍

(安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 ， 河南 安陽 455133)

0 前言

二甲基乙酰胺(DMAC)是一種高極性的無色透明液體，能溶解多種化合物，是一種優(yōu)異的有機(jī)高沸點(diǎn)強(qiáng)極性非質(zhì)子化溶劑。國內(nèi)主要用于聚酰亞胺、藥物合成、合成纖維(腈綸和氨綸)三大應(yīng)用領(lǐng)域。二甲基乙酰胺的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)主要有醋酐法、乙酰氯法、醋酸法三種。目前多采用醋酸法生產(chǎn)技術(shù)，DMAC的合成分兩步進(jìn)行：

+CH3COONH2(CH3)2+ΔH1

CH3CON(CH3)2+H2O-ΔH2

反應(yīng)的第一步速度很快，為放熱反應(yīng)；第二步為吸熱反應(yīng)，且速度很慢；須在一定的壓力下加催化劑或在較高溫度下進(jìn)行，才能提高反應(yīng)速度，以適應(yīng)工業(yè)化的要求。2012年12月9日安陽九龍化工有限公司投資6 500萬元，建成一套年產(chǎn)2萬t的DMAC裝置，并順利產(chǎn)出合格產(chǎn)品[1-3]。

1 工藝流程

二甲胺和冰醋酸經(jīng)原料預(yù)熱器升溫至150 ℃后進(jìn)入合成反應(yīng)器生成DMAC和水。從合成塔出來的物料：二甲胺、DMAC、醋酸和水進(jìn)入分離罐，分離出來的二甲胺進(jìn)入塔頂冷凝器變成液體，靠位差返回合成塔繼續(xù)參加反應(yīng)。從反應(yīng)液分離罐底出來的混合液進(jìn)入精餾一塔(脫輕塔)，一塔的作用是脫除產(chǎn)品中的二甲胺和水分。從一塔釜出來的DMAC和醋酸進(jìn)入二塔(產(chǎn)品塔)；從一塔頂出來的二甲胺和水進(jìn)入塔頂冷凝器，二甲胺和水降溫冷凝進(jìn)入一塔回流槽，經(jīng)過回流泵升壓，一部分作為回流液返回一塔頂，另一部分送至三塔(二甲胺回收塔)回收二甲胺原料。從一塔釜來的DMAC和醋酸進(jìn)入二塔，塔釜出來的混合液為DMAC和醋酸的共沸物，經(jīng)釜液冷卻器降溫，通過泵升壓后大部分再返回合成塔重復(fù)利用，少部分排入重組分槽，降低產(chǎn)品中重組分含量；二塔頂DMAC經(jīng)塔頂冷凝器降溫冷凝進(jìn)入二塔回流罐，一部分作為回流液返回二塔頂，另一部分作為產(chǎn)品采出送罐區(qū)儲存銷售。從一塔回流泵送來的二甲胺和水進(jìn)入三塔，從塔釜排出的含有少量有機(jī)物的廢水通過專用管線送污水廠經(jīng)生化處理合格后排出廠外；從塔頂出來的二甲胺經(jīng)塔頂冷凝器降溫冷凝后進(jìn)入回流槽，通過回流泵升壓，一部分作為回流液返回三塔頂，另一部分作為二甲胺原料返回DMAC合成系統(tǒng)重復(fù)利用[4-6]。

2 裝置基本情況

2012年國內(nèi)采用醋酸法生產(chǎn)DMAC工藝的企業(yè)只有三家，由于技術(shù)保密，公司和技術(shù)提供方均無法提供DMAC生產(chǎn)所需要的詳細(xì)技術(shù)資料，在試生產(chǎn)過程中，暴露出的問題較多。

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量較差

主要指標(biāo)：水分含量，200×10-6左右；酸度，50×10-6左右；堿度，10×10-6左右；電導(dǎo)率，0.1×10-4～0.2×10-4S/m，只能達(dá)到合格品，不能滿足大部分客戶采購優(yōu)等品需要。優(yōu)等品指標(biāo)：水分≤100×10-6，酸度≤30×10-6，堿度≤1×10-6，電導(dǎo)率≤0.05×10-4S/m，另外，電子化學(xué)品企業(yè)和氨綸生產(chǎn)企業(yè)對DMAC產(chǎn)品中的個(gè)別指標(biāo)要求更高。

2.2 生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)

受精餾二塔真空度低限制，生產(chǎn)負(fù)荷未達(dá)到設(shè)計(jì)能力，DMAC最高日產(chǎn)只有30 t，沒有達(dá)到日產(chǎn)60 t的設(shè)計(jì)能力。

2.3 產(chǎn)品單耗偏高

實(shí)際消耗：二甲胺650 kg/t，醋酸800 kg/t，蒸汽5 000 kg/t；設(shè)計(jì)值：二甲胺570 kg/t，醋酸730 kg/t，蒸汽2 500 kg/t。生產(chǎn)成本居高不下，失去市場競爭力。

3 主要問題原因分析

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量方面

3.1.1水分超標(biāo)問題

一塔的作用是完成出塔液中水分和堿度脫除，產(chǎn)品中水分和堿度超指標(biāo)，問題在一塔。首先請?jiān)O(shè)計(jì)單位和天津大學(xué)設(shè)計(jì)人員對一塔、二塔和三塔設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行重新模擬計(jì)算，兩家單位的模擬計(jì)算結(jié)果均顯示3個(gè)精餾塔參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。了解浙江江山、章丘日月和駐馬店駿化的DMAC裝置的情況，3個(gè)精餾塔和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相近，3個(gè)精餾塔的設(shè)計(jì)問題排除。

3.1.2堿度超標(biāo)問題

產(chǎn)品的堿度變化主要受原料二甲胺質(zhì)量影響，當(dāng)二甲胺產(chǎn)品質(zhì)量降低時(shí)，往往會出現(xiàn)產(chǎn)品堿度升高現(xiàn)象，因此用于DMAC產(chǎn)生的二甲胺原料必須是優(yōu)等品，否則產(chǎn)品質(zhì)量很難達(dá)到優(yōu)等品。

3.1.3酸度超標(biāo)問題

二塔的作用是完成醋酸與DMAC的分離，實(shí)際上完成醋酸和DMAC形成的共沸物與DMAC產(chǎn)品的分離，酸度超標(biāo)，問題在二塔。二塔主要問題是真空度達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，需對二塔系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查。

3.1.4電導(dǎo)率超標(biāo)問題

電導(dǎo)率受產(chǎn)品中水分、陰陽離子、酸堿度變化影響，必須綜合控制產(chǎn)品中4個(gè)指標(biāo)含量才能保證電導(dǎo)率指標(biāo)合格。

3.1.5分析方面問題

同樣的產(chǎn)品，不同的分析工由于物料置換次數(shù)、取樣方法、分析時(shí)間等不同，作出的分析結(jié)果有明顯的差異，更換分析工時(shí)也會出現(xiàn)產(chǎn)品的指標(biāo)變化。主要原因是取樣和分析過程不規(guī)范、不統(tǒng)一，公司必須制定嚴(yán)格規(guī)范的分析程序，實(shí)現(xiàn)分析過程標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2 產(chǎn)品產(chǎn)量方面

①產(chǎn)量偏低的主要原因是二塔能力限制。通過多次測試，當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)到50%時(shí)，二塔真空度低，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到合格品。②各塔壓力表、流量計(jì)、液位計(jì)和自調(diào)閥問題較多，系統(tǒng)不具備長周期穩(wěn)定運(yùn)行條件。③工藝技術(shù)問題。DMAC裝置除兩名技術(shù)員外全部為新工人，包括領(lǐng)導(dǎo)在內(nèi)大家都沒有接觸過DMAC生產(chǎn)工藝，再加上技術(shù)保密，設(shè)計(jì)單位也編制不出詳細(xì)開車方案和工藝操作手冊，許多問題需要大家多次討論、反復(fù)論證才能確定，工藝指標(biāo)也在生產(chǎn)過程中不斷地摸索總結(jié)和優(yōu)化。

3.3 產(chǎn)品單耗方面

①原料方面。原料二甲胺中一甲胺含量升高，它會和醋酸反應(yīng)生成重組分MMAC。醋酸中其他有機(jī)酸含量升高也會和二甲胺生成其它酰胺類物質(zhì)。②嚴(yán)格控制一塔塔頂溫度，減少DMAC從一塔塔頂蒸出，防止其到三塔隨塔釜廢水一起排出，造成產(chǎn)品損失。③嚴(yán)格控制三塔塔釜溫度，有效控制三塔釜液中二甲胺的含量，減少三塔釜液排放造成的二甲胺損失。④控制各塔壓力，杜絕超壓造成放空損失。⑤對現(xiàn)場管道進(jìn)行排查，消除跑冒滴漏造成的損失。⑥生產(chǎn)負(fù)荷較低是造成蒸汽、動力電、循環(huán)水、儀表空氣等消耗升高的主要原因，提高產(chǎn)量是降低公用工程消耗的主要方法。

4 優(yōu)化整改措施

4.1 解決設(shè)備和儀表硬件問題

組織專業(yè)技術(shù)人員對一塔、二塔、三塔內(nèi)部進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)一塔部分塔盤上的升汽帽脫落，全部修復(fù)完整。對系統(tǒng)所有的水冷器、再沸器、管線、閥門進(jìn)行全面檢查，對3臺塔頂冷器、3臺再沸器和原料預(yù)熱器進(jìn)行全面檢查。發(fā)現(xiàn)二塔塔頂冷凝器氣體進(jìn)口管線未按圖紙施工，氣體進(jìn)口管線與防沖板間距太小，氣體進(jìn)口通道不到進(jìn)氣管線面積的30%，通過增大進(jìn)氣管道直徑、去除冷凝器進(jìn)氣防沖板等措施，解決了二塔塔頂冷凝器阻力偏大的問題。對系統(tǒng)的壓力表、溫度計(jì)、液位計(jì)全部校核一次，保證裝置數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。對系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，確保裝置運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活可靠。

4.2 加強(qiáng)培訓(xùn)提高職工操作技能

通過從網(wǎng)上查詢資料、咨詢、請教、討論，編制了原始開車方案，指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)原始安全開車。在充分了解裝置的物料平衡和熱量平衡數(shù)據(jù)后，組織職工認(rèn)真學(xué)習(xí)原始開車方案，并進(jìn)行工藝操作方案講解和實(shí)操模擬，目標(biāo)是操作壓力、溫度和液位一條線，同時(shí)也要穩(wěn)定控制各塔進(jìn)料量和出料量。

4.3 補(bǔ)充完善分析儀器，規(guī)范分析方法

由于DMAC的各項(xiàng)指標(biāo)都很低，分析數(shù)據(jù)受多種因素影響，從取樣點(diǎn)設(shè)置、取樣儀器選取、儀器的存放、置換次數(shù)、置換量、產(chǎn)品分析的先后順序、時(shí)間長短等進(jìn)行全面規(guī)范。

5 運(yùn)行效果

2013年10月30日DMAC裝置整動優(yōu)化完成后開車，裝置一次產(chǎn)出優(yōu)等產(chǎn)品，3天后裝置實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)60 t，產(chǎn)品各項(xiàng)消耗接近設(shè)計(jì)指標(biāo)，二甲基乙酰胺裝置實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)達(dá)產(chǎn)。此后的生產(chǎn)過程中仍然存在諸多問題：產(chǎn)品中重組分含量不穩(wěn)定，時(shí)高時(shí)低；酸度不穩(wěn)定，產(chǎn)品會出現(xiàn)返酸的現(xiàn)象；雖然水分含量<100×10-6，但是仍不滿足氨綸和電子行業(yè)對產(chǎn)品水分的要求(水分含量<50×10-6)，很難進(jìn)入需求量最大的氨綸生產(chǎn)高端市場。由于產(chǎn)品質(zhì)量仍存在一些問題，市場開發(fā)困難，生產(chǎn)不能連續(xù)，經(jīng)常是生產(chǎn)半個(gè)月，停產(chǎn)一段時(shí)間，裝置產(chǎn)能不能充分發(fā)揮，生產(chǎn)成本居高不下，此后不斷分析問題原因，持續(xù)進(jìn)行探索整改。

6 全方位持續(xù)優(yōu)化提升

6.1 增加離子塔提純裝置，解決產(chǎn)品電導(dǎo)率超標(biāo)問題

2014年7月與江陰中綠化纖簽訂了離子塔技術(shù)協(xié)議，產(chǎn)品DMAC經(jīng)過離子提純塔后，可以有效降低DMAC中陰陽性離子含量，從而降低DMAC電導(dǎo)率。離子塔循環(huán)量控制在3 m3/h時(shí)，產(chǎn)品經(jīng)離子塔后電導(dǎo)率由0.06×10-4S/m下降到0.01×10-4S/m，達(dá)到優(yōu)等品設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6.2 采用新設(shè)備解決裝置長周期運(yùn)行問題

DMAC合成塔高速進(jìn)料泵故障多，安裝精度高，檢修時(shí)間長等影響裝置長周期滿負(fù)荷生產(chǎn)問題。選用1臺江蘇海獅泵業(yè)制造有限公司生產(chǎn)的型號為HXK400-S2型旋殼泵，該泵一種全新概念的葉片、泵殼與液體同步旋轉(zhuǎn)的液體升壓泵，該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長、維修方便等特點(diǎn)，它在小流量高揚(yáng)程時(shí)的機(jī)械效率可以達(dá)到50%以上，是一種替代高速泵和多級泵的高科技產(chǎn)品。2018年3月HXK400-S2投運(yùn)后，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行1年以上，同樣的揚(yáng)程和流量，旋殼泵電機(jī)功率為30 kW，高速泵的電機(jī)功率為90 kW，采用旋殼泵每年可節(jié)約電費(fèi)30多萬元，節(jié)約維修費(fèi)30多萬元，而且減輕了工人勞動強(qiáng)度。

6.3 提高二塔分離效果，提升產(chǎn)品質(zhì)量

采取了如下措施：①采購1臺山東大華環(huán)境節(jié)能科技有限公司DNC-1500鼓風(fēng)型蒸發(fā)式冷凝器替換原二塔塔頂列管式冷凝器，冷凝器的阻力由25 kPa降至5 kPa以下；②采購2臺山東博山精工泵業(yè)2BVF-121真空泵替換原SK-3真空泵，抽氣量由每分鐘1.5 m3提高至230 m3，抽氣量大幅增加更有利于把產(chǎn)品中微量二甲胺和水分脫除干凈；③把真空泵從地面移至冷凝器出口，真空管線減少了15 m；二塔頂汽相出口管線由DN150更換為DN250，管道流通面積增加2.8倍，系統(tǒng)管道阻力下降5 kPa。

通過實(shí)施上述三個(gè)措施后，二塔真空度由原來的0.06 kPa提高至0.085 kPa以上，DMAC產(chǎn)品中的水分下降至50×10-6以下，堿度<1×10-6，重組分下降至300×10-6以下。

6.4 配備專業(yè)的氮?dú)獗Ｗo(hù)取樣器，減少環(huán)境因素對分析數(shù)據(jù)的影響

DMAC吸濕能力特別強(qiáng)，當(dāng)產(chǎn)品中水分含量降至100×10-6以內(nèi)時(shí)，環(huán)境對分析結(jié)果影響較大?，F(xiàn)場測試，用氮?dú)獗Ｗo(hù)取樣與不用氮?dú)獗Ｗo(hù)取樣，同樣的DMAC產(chǎn)品不用氮?dú)獗Ｗo(hù)取樣的水分分析數(shù)據(jù)要偏高100×10-6左右。為保證取樣過程不受環(huán)境影響，增加了專業(yè)的氮?dú)獗Ｗo(hù)取樣器，要求樣品分析過程也必須在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，并定期校準(zhǔn)儀器，保證分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為優(yōu)化工藝操作提供數(shù)據(jù)支撐。

6.5 嚴(yán)格控制二甲胺和醋酸原料質(zhì)量是降低DMAC消耗的重要措施

生產(chǎn)實(shí)踐證明原料質(zhì)量對產(chǎn)品的影響很大，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品返酸現(xiàn)象，產(chǎn)品的酸度會隨著時(shí)間的延長不斷升高，而且是不定期出現(xiàn)。當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)返酸現(xiàn)象時(shí)，無論如何優(yōu)化工藝指標(biāo)，返酸現(xiàn)象不會有多少變化，最終發(fā)現(xiàn)造成這種問題的根本原因是醋酸質(zhì)量波動，嚴(yán)格控制醋酸中的雜質(zhì)含量，特別是大分子有機(jī)酸，會使二甲胺生成不穩(wěn)定的醋酸采購也要專車運(yùn)輸，不得隨意更換運(yùn)輸車輛，進(jìn)廠醋酸要求一車一檢，達(dá)不到優(yōu)等品必須退貨。公司自產(chǎn)的二甲胺產(chǎn)品也專罐儲存，進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)前必須分析為優(yōu)等品才能使用。通過原料質(zhì)量控制從源頭上保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。目前公司的DMAC產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)完全能夠滿足氨綸和電子等高端行業(yè)要求，市場全面打開，產(chǎn)品供不應(yīng)求，裝置實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行。