方飞，方永豪，张平利

(1.江西盛源新材料有限公司，江西 赣州 341500；2.中原工学院，河南 郑州 450007；3.濮阳市市政设施管理处，河南 濮阳 457000)

0 引言

NMP 全称N-甲基-2-吡咯烷酮，是一种重要的有机溶剂，在锂电池、化学工业、半导体等众多应用领域中都有广泛应用。因此，开发NMP 溶剂连续节能生产工艺具有重要意义，不仅有助于提高生产效率，还能降低能源消耗，减少环境污染，降低生产成本，并实现可持续发展。NMP 在航空航天、军工、电子等领域有着广阔的应用前景，我国多所科研机构都对NMP 溶剂进行了研发攻坚，但在聚合工艺、溶剂回收等方面的关键技术仍有很大的提升空间[1]，并且由于其高昂的制造费用，导致了我国本土市场的开拓以及工业化生产的困难。但是经过政府的大力扶持以及科研工作者的不懈努力，NMP 的持续高能效制造技术在近几年取得了很大进展。

1 项目概况

NMP 下游应用集中性较高，其表现在以锂离子电池为代表的电动汽车的动力电池和导电剂、太阳能和风能发电储能装置、储能电池的生产制造，在新材料产业中，其主要用于芳纶、聚苯醚腈等聚合物材料的生产制造。本项目所研制的“高纯NMP 有机溶剂连续高效制备技术”，可在连续制备中将其纯度提高到99.99%，并能达到节约能源、减少环境污染的目的。本项目研制的NMP 产品质量已达世界领先水平，主要面向全球的锂电、绝缘材料、医药、农药等工业领域的高端市场。伴随着科技的发展和技术的不断提高，电子化学品对所用原材料的全产业链品质提出了更高的需求，因此，传统的制造过程已无法适应新能源和新材料产业的有关需求，需要进一步提高产品的品质和效率。

2 连续生产工艺

在NMP 合成中，绝大多数生产企业采用1,4-丁二醇(BDO)脱氢制取GBL 后，再通过氨化缩合制备NMP 的工艺路线。三菱化学采用顺酐加氢生产GBL，再氨化缩合得到NMP。

NMP 工业化生产实现较早，生产工艺成熟，目前世界范围内NMP 生产的工业化技术路线主要是GBL 和一甲胺缩合制NMP。该反应根据反应条件不同，可分为无催化反应和催化反应，前者是大多数生产企业采用的生产工艺。GBL 和一甲胺无催化剂缩合制NMP 是E.Spath 等于1936 年开发，后被德国BASF和美国GAF 公司率先实现工业化，是目前运用最普遍的NMP 生产技术[2]。由于无催化NMP 生产工艺往往需要较高的温度、压力，对设备要求较高，能耗高，而催化剂的使用可降低反应条件，节约能源，因此，近年来国内外许多研究人员开始关注催化剂在该过程中的作用。2008 年韩国梨树化学采用ZSM 分子筛催化合成技术，在一定程度上降低了反应条件。国内中石化采用Cu-Zn-Cr-Zr 作催化剂催化BDO 脱氢氨化制NMP 的工艺技术。催化工艺虽然有明显的优点，但是由于一些工程技术问题，如催化剂寿命等，目前工业化应用较少。迈奇化学的NMP 生产采用催化工艺，其自主研发的新型分子筛ZSM 复合稀土铈催化剂，能有效加快中间体NMH 闭环的速度。

NMP 回收提纯技术包括回收和提纯两部分，NMP 尾气回收目前主要的处理工艺有冷凝+ 蜂巢式转轮吸附工艺、冷凝+ 水喷淋工艺和多级水喷淋工艺。冷凝+吸附工艺是先将涂布尾气冷却，收集其中大部分的NMP，再通过吸附转轮将尾气处理至达标，同时脱附的尾气返回前端。水喷淋工艺是利用NMP 水溶性佳的特点，用水吸收NMP，从而使尾气达标排放。各工艺均有其适用范围和优劣势，需要根据实际生产情况和工程经验进行选择。当NMP 从尾气转移自水溶液或冷凝成液后就形成NMP 废液，其纯度往往达不到电池生产的要求，需要进一步提纯后才能回用。

3 N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂连续节能生产工艺的开发

N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂的连续高效制备技术，是实现NMP 溶剂高效制备的有效途径。该方法可有效提高产品的分离效率和组分的提纯率，在综合考量传热管路的情况下，采用塔顶部水蒸气的热能来加热原料，可以降低水蒸气消耗，提升热能利用率，进一步改进流程和装置的运行模式后，保证了装置的持续运行，改善了NMP 的溶剂回收率。该方法仅有内酯-烷酮两个部分，利用两个部分之间的压力差异，将符合要求的物质从负压塔中直接输送到蒸馏塔中，该过程效率高、能耗低，全流程人力配置少，自动化程度高，能做到产品质量高、产量高[3]。

在内酯部，首先将1,4-丁二醇经螺旋废气预热至80～90 ℃，将氢经螺旋废气预热至160～180 ℃，再将气体原料预热至180 ℃，随后由1,4-丁二醇交换部将130 ℃的蒸汽原料经2～100 ℃的煤气原料经氢与1,4-丁二醇经1～5∶1 的蒸汽原料经氢交换并升温至130 ℃，其中氢醇摩尔比为10∶1～5∶1、蒸汽温度为190～210 ℃、压力为0.06～0.09 MPa。1,4-丁二醇被彻底气化后送入过热器，通过导热油进行加热，该过热器的温度为210～230 ℃、压力为0.06～0.09 MPa。之后，在以Cu-Zn-Al2O3为代表、温度为220～250 ℃、压力为0.06～0.01 MPa 的铜系催化剂的反应器中进行反应。反应产生的丁内酯与氢的混合物先经过氢换热器，然后经过1,4-丁二醇换热器，再经过一级和二级冷凝器，将其冷却至40～80 ℃后，进入GBL 粗产品罐子中，其中GBL 粗产品的纯度在97%～99%之间。不凝结气体则会进入风扇前的缓冲箱，其中一部分被抽走，另一部分被风扇送入氢的循环系统中。将粗油槽中的丁内酯用水泵送入负压塔中，在压力为-0.072～0.070 MPa、温度为95～170 ℃的条件下，通过脱低沸点、加水获得干品GBL，再用真空将其送入蒸馏塔中，在压力为-0.089～0.085 MPa，温度为120～140 ℃的条件下，将其脱高沸点后，再凝结成新油，送入精油槽中。

在烷酮工段，GBL 精品与质量浓度为40%的一甲胺溶液以容积比1.0∶1.1 的比例进行混合后，放入烷酮反应床中，在高温高压的条件下，进行充分反应，产生NMP 粗品。在此过程中，反应温度在265～285 ℃之间，反应压力在6.5～8.0 MPa 之间，NMP 粗品的纯度在94%～96%之间。所获得的NMP 粗品在常压塔中闪蒸除去水分，变成半干品后进入到粗品罐中。另外一甲胺和水分从塔顶排出，经过冷凝后，送入甲胺回收塔，再泵入甲胺分解塔中进行处理，甲胺分解塔顶输出甲胺气体。在一次吸收机中经过回收后，将一次吸收机中的水输送到二次吸收机中，与甲胺混合后制成40%的甲胺水溶液，供二次反应使用。用水泵将半干品NMP 送入负压塔中，在压力为-0.065～0.028 MPa、温度为85～165 ℃的条件下，得到干品NMP 后，从塔顶排放出水及低沸点，经过凝结后的回流水箱，再由水泵将其送入常压塔循环，将干品NMP 抽真空后送入蒸馏塔，在压力为-0.089～0.085 MPa、温度为120～145 ℃的条件下，对其进行去高沸点的浓缩，然后装入NMP 精制槽中。

N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂连续节能生产工艺具有以下优势：第一，该工艺提出了一种高效、低能耗的连续蒸馏过程，克服了现有的间歇蒸馏过程存在的劳动强度大、单设备产量低和稳定性不高等问题[4]。第二，该工艺采用了自行研制的油浴反应装置，占用的空间很少，使单床产率有很大的增加，而且能保证材料加热均一，该工艺操作简便、产物纯度高，具有较好的应用前景。第三，该工艺研制了DCS 微机控制系统，实现了对温度、压力等参数的平稳调控，具有较高的转化效率和产物品质，并实现了体系的持续配制，确保了反应器的高生产率。第四，在电力驱动方面应用了变频器和节电技术，不仅对电动机起到了保护作用，还使电动机的工作性能有很大改善，并大幅度降低了电能消耗，节省了30% 的电能。第五，该工艺研制出GBL 粗产品的连续蒸馏设备，实现了流程的高效率、低能耗、省人工、省材料的目的。第六，该工艺实现了连续化和高效化，研制了丁二醇产品GBL 脱氢反应线。第七，该工艺研制了丁二醇制取GBL 中的废热回收系统，达到了节能降耗、增产增效的目的。

4 未来发展方向

由于下游锂电行业发展越来越快，很多企业开始生产NMP，行业规模也越来越大。作为溶剂使用的NMP，绝大部分都可以回收再利用，既能节约成本又能减少对环境的影响。根据行业数据显示，生产1 GW·h动力电池需要消耗1 500 t NMP，因此随着国内动力电池产量的快速增长，NMP 的回收提纯市场发展迅猛。2021 年以来，NMP 回收提纯市场呈爆发式增长，同年，我国采用了一批NMP 回收提纯装置，年回收总产能在40 万t 以上。根据2023 年动力电池产量趋势，全年将有82.5 万t NMP 需回收提纯，回收提纯产能预计超过百万吨。因此，NMP 溶剂连续节能生产工艺的开发研究具有重要意义。

4.1 工艺优化

优化现有工艺流程，提高生产效率，降低生产成本，可以考虑改进生产设备、改进生产工艺以及优化生产参数等。例如，通过改进反应条件、优化生产流程、提高设备效率等方式来提高生产效率。

4.2 原料选择

选择合适的原料，如：N-甲基-2-吡咯烷酮原料、溶剂助剂等，以降低生产成本，并提高NMP 原料的利用率，降低废液产生，对生产过程中产生的废液进行妥善处理，以减少对环境的影响。

4.3 节能技术

利用节能技术，如余热回收、采用高效能源设备等，降低能耗。通过回收利用溶剂，降低生产成本，可采用循环冷却水系统、密闭循环系统等方法，实现NMP 溶剂的循环利用。在NMP 生产过程中，会产生一定的热能，可将这部分热能用于车间供暖、供电等，以提高能源利用效率。此外，可以开发和利用可再生能源，如：太阳能、风能等，降低生产过程中的能源消耗，并且建立健全的能源管理制度，加强对能源消耗的监控与管理，还可以通过技术改造和管理优化，降低N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂生产过程中的能源消耗。此外，还可以采用节能型生产设备和工艺，提高设备的能效比[5]，例如：使用变频调速、高效电机等设备，降低NMP 溶剂生产过程中的能耗，并定期进行能源审计，找出生产过程中的能耗浪费点，制定相应的节能措施，提高能源利用效率。

5 结语

综上所述，在该项目的开发结束之后，N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂连续节能生产工艺将成为国内同行业中的第五代生产装置和工艺，对生产能力有极大的提高，可将NMP 产品的最高纯度提高到99.99%，并使设备的产品质量合格率达到100%，同时还可以节省大约30%的人工成本以及20%以上的动力燃料、水电等资源，使废水排放为零，具有较好的经济和社会效益。