周宏軒

摘 要：安陽九天精細化工有限責任公司第二套N，N-二甲基甲酰胺（DMF）裝置采用的是一氧化碳一步合成法生產工藝。本研究從安陽九天精細化工有限責任公司N，N-二甲基甲酰胺生產裝置的實際出發(fā)，針對N，N-二甲基甲酰胺反應器液位測量儀表存在的經常堵塞、使用周期短、影響工藝操作等問題，探索多種方案并不斷優(yōu)化，逐步完善測量方法，取得了良好的效果。改造實施完成后，N，N-二甲基甲酰胺反應器液位測量儀表實現了安全可靠、長周期穩(wěn)定運行，為N，N-二甲基甲酰胺裝置高負荷穩(wěn)定運行創(chuàng)造了良好條件。

關鍵詞：N，N-二甲基甲酰胺反應器;差壓式液位計;雙法蘭變送器;研究

中圖分類號：TH816 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）12-0099-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.12.021

Research on Optimization of Liquid Level Measurement Method in

Dimethylformamide Synthesis Reactor

ZHOU Hongxuan

（Anyang Chemical Industry Group Co.， Ltd.， Anyang 455133，China）

Abstract：The second set of N，N-dimethylformamide （DMF） plant of Anyang Jiutian Fine Chemical Co.， Ltd.， adopts the one-step synthesis process of carbon monoxide. Starting from the reality of N，N-dimethylformamide production unit of Anyang Jiutian Fine Chemical Co.， Ltd.， aiming at the problems of frequent blockage， short service cycle and affecting process operation of liquid level measuring instrument in N，N-dimethylformamide reactor， the research explores and optimizes various schemes， gradually improves the measurement method， and achieves good results. After the transformation， the liquid level measuring instrument of N，N-dimethylformamide reactor has realized safe， reliable and long-term stable operation， creating good conditions for the high load and stable operation of N，N-dimethylformamide unit.

Keywords：N，N-dimethylformamide reactor; differential pressure liquid level gauge; double flange transmitter; research

0 引言

安陽九天精細化工有限責任公司N，N-二甲基甲酰胺（DMF）生產裝置中，合成反應器液位測量數值是生產工藝操作的一項重要參考指標，合成反應器液位測量裝置的運行情況直接影響著N，N-二甲基甲酰胺合成反應的效果。在該反應器的液位測量中，原設計采用的是差壓式液位計。自裝置投運以來，該液位計經常出現液位指示不準確、不顯示等異常情況，這不僅影響合成反應器液位指示的準確性，也造成了合成反應器液位無法采用自動調節(jié)模式運行，只能改用手動操作，同時增加了生產工藝操作的強度和難度，嚴重制約著N，N-二甲基甲酰胺生產系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行和高負荷生產。

1 生產工藝

安陽九天精細化工有限責任公司N，N-二甲基甲酰胺生產采用的是“一步法”合成工藝路線，即二甲胺與一氧化碳在一定的溫度、壓力和催化劑存在條件下，一步生成N，N-二甲基甲酰胺，該生產工藝是當今世界上較為先進的工藝技術。

1.1 反應原理

在N，N-二甲基甲酰胺反應器內部，合成N，N-二甲基甲酰胺的反應實際上分兩步進行。第一步是一氧化碳與甲醇在甲醇鈉催化下反應生成甲酸甲酯，第二步是甲酸甲酯與二甲胺反應生成N，N-二甲基甲酰胺?；瘜W反應方程式如下。

第一步：CH3OH + CO → HCOOCH3

第二步：（CH3）2NH + HCOOCH3 →

（CH3）2NCHO + CH3OH

總反應式：（CH3）2NH + CO → （CH3）2NCHO

其中，第一步反應進行得很慢，第二步反應進行得很快，整個反應速度由第一步決定。反應器中甲醇的有效濃度決定著整個反應的速度，因此，反應器中的甲醇需要維持一個合適的濃度。第二步反應生成的N，N-二甲基甲酰胺對第一步反應起著助催化的作用[1]。

1.2 生產工藝流程

N，N-二甲基甲酰胺合成生產工藝流程為：二甲胺、催化劑（甲醇鈉溶液）經加壓、計量后，從反應器R-801頂部進入反應器，來自氣化PSA系統(tǒng)的2.3 MPa（G）一氧化碳自反應器下部通過噴嘴進入反應器，氣液兩相反應生成N，N-二甲基甲酰胺。合成反應液經反應器底部出口流出后分為兩路，一路經冷卻器E-801降溫后回流到反應器，另一路經蒸發(fā)分離器除去催化劑殘渣后進入分離提純系統(tǒng)。此外，反應器頂部流出的氣相經冷凝器E-802冷凝后回到反應器，未冷凝的氣體再經尾凝器E-803冷凝后也回到反應器。

N，N-二甲基甲酰胺提純工段生產工藝流程為：反應液在蒸發(fā)分離器吸熱汽化后以氣相形式進入脫輕塔T-811脫除二甲胺等輕組分，經真空塔T-821脫除重組分，經氣提塔T-831脫除微量的輕組分后獲得合格的N，N-二甲基甲酰胺產品。

在實際生產中，因為原料二甲胺中含有微量的水，原料一氧化碳中含有微量的水、二氧化碳、氧氣等雜質，這些雜質在反應器中會發(fā)生如下副反應。

CH3ONa+H2O→NaOH+CH3OH

CH3ONa+O2→HCOONa+H2O

CO+NaOH→HCOONa

CO2+NaOH=NaHCO3

2HCOONa→Na2CO3+CO↑+H2↑

Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3

其中，NaOH、HCOONa、NaHCO3、Na2CO3等雜質在N，N-二甲基甲酰胺中溶解度較低，它們會沉積在合成反應器及管線上。

2 反應器液位測量和控制

2.1 基本情況

N，N-二甲基甲酰胺合成反應器為立式結構，它通過4個支耳懸掛在裝置框架上，在反應器的側面有上下2個DN80的法蘭口，法蘭面和設備的內壁間距為200 mm，這兩個法蘭口用來安裝液位測量儀表。反應器采用的是差壓式液位計，由于二甲基甲酰胺反應過程中可能形成各種鹽類副產物，易結晶，因此，設計選用的是智能型插入式雙法蘭液位變送器，即正壓側法蘭安裝在反應器液位測量的下法蘭口，與反應液直接接觸，負壓側法蘭安裝在反應器液位測量的上法蘭口。該插入式雙法蘭液位變送器的型號為EJA118E-EMJ-914DB-EH53B2SE06-AB28，變送器的法蘭為DN80，插入深度為150 mm，隔離膜片材質為316L，位號為LT-8201，其將液位高度轉換為4～20 mA標準電流信號，并通過信號線傳輸到集散控制系統(tǒng)DCS上進行顯示和高低限報警。二甲胺和CO合成反應后，反應液從合成塔的底部流出，經反應器循環(huán)泵，一路經反應器冷卻器冷卻后從合成塔上部返回到合成塔內，另一路經液位調節(jié)閥LV-8201進入蒸發(fā)分離器。反應器液位遠傳信號、DCS控制器及調節(jié)閥組成了一個簡單控制回路LIC-8201，實現了N，N-二甲基甲酰胺反應器液位的自動控制。在一個控制回路中，控制品質的好壞不僅與PID參數和調節(jié)閥調節(jié)精度有關，還與測量信號有關。如果測量信號發(fā)生故障時，該控制回路就無法實現自動控制。因此，測量信號的穩(wěn)定性、準確性直接影響控制回路能否投運及能否實現精準控制。

正常生產時，N，N-二甲基甲酰胺反應器液位一般控制在80%，若液位控制過高，很容易出現合成塔放空尾氣帶液現象，造成物料浪費，甚至造成反應器壓力劇烈波動，影響裝置安全生產;若液位控制過低，一氧化碳反應不徹底，系統(tǒng)放空量大，物料浪費嚴重，會出現反應器溫度下降，壓力上升，甚至會出現反應器循環(huán)泵抽空等嚴重事故。總之，嚴格控制反應器液位是化工操作的重點，液位穩(wěn)定是化工生產穩(wěn)定的基礎。

2.2 差壓式液位計工作原理及應用

N，N-二甲基甲酰胺反應器液位測量采用差壓式液位計完成，其測量原理：根據流體靜力學原理對液位或界面進行測量，無論是開口容器還是密閉容器，容器中的液體在同一水平面上的任何點的壓力都相同。如果容器中液面為零的位置為H0，液體的液面距離H0的垂直高度為h，液體密度為ρ，容器中氣相壓力為P0，那么根據流體靜力學原理，液面高度為h的液體所產生的壓力為[Ph=ρgh+P0]。如果用差壓式變送器測量，差壓變送器的正壓側與H0液面相連，負壓側與容器的氣相空間相連，那么差壓變送器的正壓側的壓力為[P+=ρgh+P0]，負壓側的壓力為[P?=]P0，差壓變送器在傳感器元件上所產生的壓力差為[ΔP=P+?P?=ρgh+P0?P0=ρgh]，即[ΔP=ρgh]，采用差壓變送器測量液位能夠消除容器內氣相壓力對測量的影響。由于密度ρ和重力加速度g是定值，因此，差壓變送器正負壓端產生的壓差ΔP只與液面高度h有關，且呈單一的線性關系[2]。

筆者公司的N，N-二甲基甲酰胺反應器使用的液位計是日本橫河EJA差壓變送器，變送器由膜盒組件和智能轉換部件構成。其中，膜盒組件硅諧振式傳感器上有兩個H型諧振梁，當受到壓力差時，這兩個諧振梁的固有頻率就會發(fā)生變化，利用測量兩個諧振梁的頻率之差，就能夠將差壓信號轉換為頻率差信號，再經過信號轉換處理后輸出4～20 mA DC標準電流信號。

法蘭式差壓變送器和差壓變送器的工作原理基本一樣，其相對差壓變送器來說，增加了遠傳密封裝置。在工作時，遠傳密封裝置的法蘭膜盒與工藝介質直接接觸，膜片受力產生形變，經毛細管內的填充液將壓力傳遞到變送器的膜盒上，再經信號轉換，輸出標準電流信號。

法蘭式差壓變送器根據設備容器是否密閉，分為單法蘭和雙法蘭。其中，單法蘭用于敞口容器，雙法蘭用于密閉容器;根據被測介質的特性分為平法蘭和插入式法蘭，其中，平法蘭變送器一般用在強腐蝕性、低凝固點、低黏性、不易結晶、易汽化和含懸浮物的工藝介質上，插入式法蘭變送器一般用在弱腐蝕性、高凝固點、高黏性、易結晶和沉淀的工藝介質上。由于N，N-二甲基甲酰胺合成反應過程中會有含鹽的副產物出現，這些鹽類物質屬于易結晶和沉淀的工藝介質，因此，在N，N-二甲基甲酰胺反應器的液位測量中選用插入式雙法蘭差壓變送器是比較合適的[3]。

3 存在的問題

N，N-二甲基甲酰胺裝置投運以來，N，N-二甲基甲酰胺反應器液位計在每次裝置檢修結束正常開車后的大約兩個月內儀表指示是正常的，但是隨著時間的延長，該液位計測量的數值就會出現偏差，有時甚至會出現儀表指示失靈，無法顯示液位的情況，而且隨著時間推移這種情況會越來越嚴重，直至徹底失效，從出現問題到徹底失效一般不會超過一個月。N，N-二甲基甲酰胺反應器液位計指示異常，不僅不能給生產工藝參數調整提供可靠的參考數據，而且也不能實現N，N-二甲基甲酰胺反應器液位的自動調節(jié)和聯鎖控制。這不僅增加了工藝操作的難度和強度，而且給二甲基甲酰胺系統(tǒng)的生產帶來嚴重的安全隱患。因此，必須解決液位計不能及時提供準確、可靠的數據問題，才能保證N，N-二甲基甲酰胺生產裝置安全、穩(wěn)定運行。

4 原因分析

針對N，N-二甲基甲酰胺反應器液位計存在的無法及時提供準確、可靠的數據問題，多次利用裝置的停車機會，對該液位計進行拆檢，仔細查找原因。在每次的拆檢過程中，發(fā)現在插入式雙法蘭差壓變送器的膜盒處的設備法蘭短節(jié)與變送器插入筒的環(huán)隙中都有結晶物，嚴重時結晶物會將變送器插入筒的膜盒到設備內壁之間全部堵死，造成膜盒無法檢測壓力，液位計指示失靈。一般來說，液相的正壓側膜盒與反應液直接接觸，結晶的程度比氣相的負壓側膜盒嚴重得多。曾經有兩次生產裝置運行時間較長，拆檢時發(fā)現N，N-二甲基甲酰胺反應器內壁也有一些結晶物，而且負壓側膜盒也有堵塞情況。根據每次拆檢的情況可以確定造成反應器液位計指示失靈的原因就是結晶物堵塞。

通過分析研究，證實結晶物形成的原因是生產中使用的原料二甲胺中含有少量水，原料一氧化碳中含有水、二氧化碳、氧氣等雜質，這些雜質在N，N-二甲基甲酰胺反應器中與甲醇鈉催化劑發(fā)生副反應，副產物為甲酸鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉等鹽類，這些鹽類在N，N-二甲基甲酰胺中的溶解度一般都很小，由于反應器液位計正負壓側法蘭短管部分溫度較低，容易達到過飽和，會在雙法蘭變送器的膜盒和法蘭短管部位析出白色結晶。這些結晶物堵塞儀表膜盒，造成液位計指示不準確甚至失靈，但是變送器本身并沒有損壞。

根據現有生產工藝和條件暫時無法消除N，N-二甲基甲酰胺在合成反應過程中產生的鹽類結晶物。因此，要想解決液位計指示不準確甚至失靈的問題，必須從液位計自身結構組成、測量原理和測量方式出發(fā)來解決問題。

5 探索解決方案及實施情況

5.1 方案實施前

方案實施前，N，N-二甲基甲酰胺反應器液位法蘭口距離設備內壁為200 mm，而插入式雙法蘭變送器的插入深度為150 mm，這樣變送器插入筒的膜盒距離設備內壁還有50 mm（見圖1），由于這一部分溫度較低，反應液中的副產物鹽類物質容易達到飽和而析出結晶物，在雙法蘭變送器的膜盒和法蘭短管部位造成結晶堵塞。

5.2 探索實施第一種解決方案

為解決因物料溫度低出現的結晶堵塞問題，探索將變送器插入筒加長到300 mm，使其超出反應器內壁100 mm，形成變送器插入筒加長的液位計（見圖2）。這樣，變送器的正壓側膜盒就浸泡在反應液中，可以解決因物料溫度降低出現鹽結晶堵塞的問題。

變送器插入筒長度為300 mm，屬于非標產品，因此，按照現場情況定制了一臺插入式雙法蘭變送器，膜片材質還選用原材質316L。利用停車機會，按照第一種解決方案將原長度150 mm變送器更換為長度300 mm插入式雙法蘭變送器，更換后液位計指示正常。運行兩個多月后，液位計數值顯示又出現了異常，再次利用停車機會對液位計進行拆檢，發(fā)現液位計2個插入筒的膜片丟失了。為尋找膜片丟失的原因，首先考慮排除液位計生產企業(yè)產品質量問題，為此從另外一個生產企業(yè)定制了一臺同樣規(guī)格的插入式雙法蘭變送器，運行一段時間后出現了同樣的問題，初步排除了產品質量問題。進一步查找膜片丟失的原因，考慮到變送器的膜片非常薄，厚度一般為0.06～0.12 mm，另外，考慮物料的操作條件和存在狀態(tài)等因素，綜合分析后確定膜片損壞的原因可能是變送器插入筒伸入反應器太多，膜片受氣、液、固物料不斷沖刷磨損變薄直至消失，這種情況影響了第一種方案的實施效果。

探索實施的第一種解決方案盡管可以解決液位計顯示異常問題，但是存在膜片使用周期短、更換頻繁等問題，需要進一步完善。

5.3 探索實施第二種解決方案

為了能夠為反應器生產工藝操作提供準確的液位參數，繼續(xù)探索解決方案。在沒有尋找到更好的方案之前，為不影響生產正常進行，臨時增加了一臺差壓變送器用于測量反應器液位。具體方法是在N，N-二甲基甲酰胺反應器的就地液位計的兩個根部閥后短管上開孔，焊接短節(jié)、根部閥，并敷設導壓管，安裝普通差壓變送器。由于氣相容易冷凝積液，所以在負壓根部增加了隔離罐，并加裝N，N-二甲基甲酰胺隔離液。另外，為防止管線結晶，又增加了蒸汽伴熱。這臺差壓變送器投運后，能夠維持運行一段時間，為生產提供液位參數。但本方案會出現有時隔離液被抽走的現象，需要不定期補充隔離液，且為防止堵塞，還須在正壓側定期排液，這樣造成了維護頻次增多。探索實施的第二種解決方案存在使用周期短、安裝和維護煩瑣、維護頻次多等問題。

5.4 探索實施第三種解決方案

第二種方案通過臨時增加一臺差壓變送器測量反應器液位，比第一種方案稍好，但是還不能從根本上解決問題。為此，需要繼續(xù)尋找新的解決方案?？紤]到設備上的液位計法蘭口為DN80，內徑為80 mm，變送器插入筒的外徑為71 mm，環(huán)隙為4.5 mm，在雙法蘭變送器的插入筒上分別增加一個保護套，這樣可以防止物料沖刷變送器膜片，保護其不被損壞，保護套采用厚度0.5 mm、長度450 mm的304不銹鋼皮卷成一個圓筒后，將圓筒包裹在變送器的插入筒上，并用不銹鋼絲將圓筒捆綁在插入筒上。具體情況見圖3。

利用停車機會，按照第三種解決方案完成整改，生產系統(tǒng)運行后，反應器液位計連續(xù)運行8個多月，指示準確、穩(wěn)定，同時液位實現了自動調節(jié)。利用停車機會，對液位計和保護套進行檢查，發(fā)現保護套消失了。分析原因應該是304材質的保護套不太適合工藝物料特性，且厚度不夠，影響使用周期，但液位計能連續(xù)穩(wěn)定運行8個多月，增加了進一步優(yōu)化整改的可能。

5.5 探索實施第四種解決方案

針對第三種解決方案存在的問題，探索進一步改進優(yōu)化方案，將第三種解決方案的保護套改為保護管，同時增強保護管的耐腐蝕性和強度，提高測量的穩(wěn)定性。該設計方案將保護套的材質更換為316的不銹鋼管，尾端焊接封堵，另一端焊接上法蘭。其中鋼管直徑為76 mm，壁厚為3.5 mm，長度為450 mm，由于內徑為69 mm，不能套在變送器的插入筒上，需要將其加工成直徑為76 mm，壁厚為2 mm，內徑為72 mm;利用同樣的方法，將DN80材質為316的盲法蘭的內徑加工成77 mm。同時，在保護管的尾端水平兩側分別鉆4個直徑為14 mm的孔，減小反應器對變送器測量膜片的擾動，提高穩(wěn)定性。另外，在保護管尾端的下面也鉆4個直徑為14 mm的孔，這樣可以避免鹽類聚集。保護管的作用是對變送器膜片進行保護，防止沖刷和擾動，另外，也方便拆檢和維護。安裝時，先在帶法蘭的保護管上安裝墊片，放到反應器液位計的法蘭口上，然后再把加上墊片的變送器法蘭安裝到保護管的外側，再用螺栓緊固。具體情況如圖4所示。

利用停車機會，按照優(yōu)化后的方案對液位計進行優(yōu)化改造，反應器液位計不僅測量數值準確可靠、穩(wěn)定，且投入了自動化控制系統(tǒng)，液位自動調節(jié)正常，至今運行良好。最終改造過程得到比較好的效果，解決了長期存在的不能為生產工藝操作持續(xù)提供準確可靠的液位參數的問題，減少了維護頻次，保障了生產裝置安全、穩(wěn)定、長周期運行。

6 結語

運用系統(tǒng)分析方法，考慮物料本身和液位計自身結構組成、測量原理和測量方法對液位參數測定準確度的影響，探索解決長期存在的不能為生產工藝操作持續(xù)提供準確可靠的液位參數的問題。在物料本身影響因素無法消除的情況下，從改進液位計結構、材料入手，設計解決方案，通過不斷探索和嘗試，不斷分析方案缺陷、優(yōu)化改進檢測方案，最終取得了較好的運行效果，解決了二甲基甲酰胺反應器液位計因物料析出不溶性鹽類結晶堵塞變送器引起的指示不準確甚至失靈的問題，且實現了反應器液位自動化調節(jié)控制，儀表維護周期延長，降低了儀表維護費用，同時優(yōu)化了工藝操作條件，降低了操作強度。二甲基甲酰胺反應器液位計的持續(xù)可靠、安全穩(wěn)定運行，為二甲基甲酰胺生產裝置的安全、穩(wěn)定、長周期、高負荷運行創(chuàng)造了有利條件。同時，能促使解決更多液位計在測定過程中遇到的實際問題，持續(xù)為企業(yè)化工生產提供準確可靠的操作參數。

N，N-二甲基甲酰胺反應器液位計出現的指示異常問題雖然在筆者公司發(fā)生，但液位計指示不準確甚至失靈的問題也是化工生產中普遍存在的問題。探索針對生產過程中析出不溶性鹽類結晶影響反應器液位計提供準確液位參數的解決方案，能為同行解決其他化工設備存在的類似問題提供借鑒和幫助。

參考文獻：

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