丙酮氰醇法和异丁烯法生产MMA技术经济对比

2015-05-18

甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylateMMA)为无色液体,易挥发,易燃。是重要有机化工原料,用于制造有机玻璃、涂料、润滑油添加剂、塑料、粘合剂、树脂、木材浸润剂、电机线圈浸透剂、离子交换树脂、纸张上光剂、纺织印染助剂、皮革处理剂、印染助剂和绝缘灌注材料等。

    目前世界MMA的工业化生产技术主要有丙酮氰醇法(ACH法)、异丁烯法、乙烯羰基化法和改进丙酮氰醇法。备生意方法在总产能中的占比大致为:丙酮氰醇法70%,生产装置主要分布在北美、西欧和中国;异丁烯法25%,生产装置主要分布在日本:其余5%为乙烯法和改进丙酮氰醇法,乙烯法只有巴斯夫(BASF)和璐彩特(Lucite)2家;改进丙酮氰醇法只有日本三菱瓦斯化学生产,生产装置主要集中在亚洲、北美和西欧地区。

    由于乙烯法和改进丙酮氰醇法在总生产能力中所占比重很低,并且其技术不对外转让,因此本文只对目前世界上最主要的两种MMA生产方法.丙酮氰醇法和异丁烯法进行生产技术和经济性的对比和分析。

1 MMA市场前景

    截止到2012年年底.世界MMA生产能力为403.7t/a,产量311.7t.消费量311.6t。世界MMA的生产和消费主要集中在亚洲、北美和西欧地区。其中亚洲的生产能力占世界MMA总生产能力的57.7%.北美占23.3%.西欧占16.1%。亚洲地区的消费量占世界MMA总消费量的57.7%,北美占20.8%,西欧占17.4%

    世界MMA主要用于PMMA板材、模塑料,挤出板、表面涂料。2012年世界MMA-消费量311.6t,在其消费构成中.PMMA板材所占比例最大,占31.9%,其次为模塑料/挤出板,占31.l%,表面涂料占20.1%,抗冲改性剂/加工助剂占5.1%,其他用途占11.8%

    未来几年世界MMA新建装置主要集中在亚洲地区。预计到2017年,世界MMA产能将达到482.5t/a2012-2017年,全球MMA需求量将以每年4%的速度增长.2017年世界MMA需求量将达到379.2t

    2013年国内MMA产能56t/a,产量36.9t(不含裂解量)。国内MMA生产装置主要集中在东北和华东地区.这两个地区产能占总产能的82,2%。主要生产企业有吉林石化公司、璐彩特国际(中国)化工有限公司、赢创德固赛(中国)公司、惠州惠菱化成有隈公司、黑龙江龙新化工公司。其中部分装置因生产规模小,设备腐蚀严重等原因已停产。赢创德固赛(中国)公司、惠州惠菱化成有限公司MMA装置采用异丁烯法,其余全部采用丙酮氰醇法。

    2013-2015年间.国内MMA拟建装置主要分布在华东地区,拟建产能57t/a。预计到2015年国内MMA生产能力将达到83t/a2020年将达到113t/a,开工率按80%计,产量分别为72.4t90.4t。预计未来几年国内MMA年均需求增长率约7%2015年和2020年需求量分别为76.1t106.7t,供需缺口依然存在。

    2008年国内合成MMA表观消费量33.4t2013年已达到56.5t2008-2013年表观消费量年均增速11.1%。近年来,国内MMA市场消费年均增长率为7%-15%.而且需求仍在不断扩大,未来几年将成为仅次子美国和日本的全球第三大消费市场。

    我国MMA行业处于成长期,未来市场不断扩大,但近年受全球经济放缓的影响,未来需求增速有所降低。但从长远来看,国外发展较快的高端PMMA产品在国内则刚刚起步,随着汽车、涂料以及高档PMMA产品在国内市场的快速渗透,必将带动MMA进入新一轮的增长,MMA还是极具发展潜力的。

2生产技术对比

2.1丙酮氰醇法

    丙酮氰醇法是工业化最早的MMA生产方法。1934年英国ICI公司(卜内门化学工业公司)登记了生产MMA专利技术,并于1937年实现工业化。主要工艺过程分四步来实现。

    (1)合成丙酮氰醇:此步在丙酮氰醇装置中进行,原料氢氰酸与丙酮按1:1的摩尔比;经有机碱催化剂作用进行氰化反应生成丙酮氰醇,生成的丙酮氰醇进入精馏塔在真空条件下进行精馏提纯后进入MMA装置。

    (2)酰胺化反应:丙酮氰醇装置生产出的丙酮氰醇作为原料进入MMA装置与l00%过量硫酸连续加入到静态混合器中进行反应。反应分两步进行.第一步反应生成α-甲酰胺基异丙基硫酸氢酯,第二步进行酰胺化转位重排反应,生成甲基丙烯酰胺硫酸盐。

    (3)水解和酯化反应:甲基丙烯-酰胺硫酸盐与水和甲醇在酯化釜中依次进行水解、酯化反应生成粗MMA。反应过程中产生的副产品硫酸氢铵以及少量杂质混在过量硫酸中形成废酸。早期对这些废酸液的处理多用于生产硫酸铵,现多采取进入硫酸回收装置(SAR),生产出的硫酸再作为原料利用。

    (4)萃取和精馏提纯:粗MMA经冷凝后进入萃取塔和精馏塔中进行提纯后得到99.9%以上的MMA产品。

    丙酮氰醇法的优点是技术先进、成熟可靠、工艺流程短、产品质量较好、收率高、成本较低。丙酮氰醇法的缺点主要是:

    (1)原料氢氰酸属于剧毒物质,基本上很难通过外购获取,建设氢氰酸合成装置受到技术、原料和环保等多方面条件的限制。氢氰酸比较经济合理的来源是丙烯腈装置副产,但这将使MMA生产受到丙烯腈装置的影响。

    (2)副产大量废酸液,废酸液的处理比较困难.一般需配套建设价格昂贵的酸性残液处理回收装置。

    (3)丙酮氰醇法由于工艺中有较多强烈腐蚀性物料,如硫酸等,用通常的耐腐蚀材料不能倮证长期稳定运行,现多选用超耐腐蚀的哈氏合金等,增加了装置造价。

2.2异丁烯氧化法

    异丁烯氧化法于1982年由日本三菱丽阳公司(Mitsubishi Rayon Co.Ltd.)首先实现工业化生产。此法在日本约占其总能力的60%。该法主要工艺过程分四步来实现。

    (1)氧化反应。即异丁烯加热后与空气混合进入氧化反应器。氧化反应器为固定床列管式,分为两段。在第一段反应器,混合气体在催化剂作用下氧化生成甲基丙烯醛(MAL)。在第二段反应器中,甲基丙烯醛与空气在催化剂作用下氧化生成甲基丙烯酸(MAA)

    (2)甲基丙烯酸提纯。从氧化反应器出来的气体进入急冷塔急冷后,急冷液依次进入萃取塔和精馏塔进行萃取和精馏提纯,得到提纯后MAAMAA提纯的目的是避免MAA中含有的杂质使下一步酯化反应中的离子交换树脂催化剂失效。

    (3)酯化反应。MAA和甲醇在加热后进入酯化反应器,在离子交换树脂催化下进行醋化反应,制得MMA。由于MAAMMA极易聚合,特别是加热能促进其聚合,因此需要加入阻聚剂并控制操作温度。

    (4)精馏提纯。酯化反应器生成的MMA再经过精馏提纯去除甲醇和水等杂质,得到99.9%以上的MMA产品。

    异丁烯氧化法的优点是技术成熟可靠、原料易得、产品质量好,对环境影响较小。异丁烯氧化法的缺点是设备多、工艺较为复杂、催化剂寿命短,总产率低。

3两种生产方法经济性对比

3.1效益测算基础数据

3.1.1建设规模

    MMA建设的合理经济规模在4t/a以上。本次测算以10t/a的规模分析比较丙酮氰醇法和异丁烯法装置的经济效益情况。

3.1.2主要原料和产品价格

    丙酮氰醇法和异丁烯法的主要原料为丙酮、甲醇、氢氰酸、异丁烯,以上主要原料和产品MMA 2010-2014年以来的各年的国内市场平均价格见表1

    从表1可以看出,丙酮、甲醇、氢氰酸的价格走势比较平稳,异丁烯的2010年均价为11000/t,2011年均价上涨到近13000/t2012-2013年均价在13000/t上下小幅平稳波动,在2014年均价上涨到14000/t以上,价格上涨幅度较大:MMA的价格则波动较大,2010年和2011年均价在18000/t19000/t以上的高位.2012年和2013年迅速下降到16000/t15000/t以下,20141-8月均价又上涨到接近17000/t

    主要原料和产品价格选取上,均采用以市场价格为基础,不考虑原料是否由本企业上游装置生产提供或是产品提供下游装置的需要,也不考虑运费等因素。由于化工产品市场价格一般呈周期性波动.因此主要原料和产品采用2010-20148月的期间的均价来测算建设项目在整个计算周期内的经济效益。

3.1.3投资估算和融资方案

    投资估算按装置界区内投资考虑,不包括公用工程投资。10t/a丙酮氰醇法的MMA装置建设投资按4.5亿元人民币估算,10t/a异丁烯法的MMA装置建设投资按9亿元人民币估算。融资方案按项目全部为自有资金考虑,去除融资因素对项目的影响。

3.1.4其他测算参数和数据选取

    (1)项目计算期。丙酮氰醇法建设项目计算期按16年计算,其中建设期1年,生产期15年;异丁烯法建设项目计算期按17年计算,其中建设期2年,生产期15年。

    (2)燃料和动力价格。燃料和动力价格统一采用相同的价格水平,参考吉林地区2010年以来平均价格水平。

    (3)人员费用。丙酮氰醇法定员按50人估算,异丁烯法定员按80人估算,人员费用均按10万元/(人·年)估算。

    (4)折旧费、摊销费、修理费、其他制造费用、其他管理费用。折旧费按平均年限法计算折旧,综合折旧年限为。15年,净残值率3%;无形资产按10年平均摊销,其他资产按5年平均摊销:修理费按固定资产原值的2%计算;其他制造费用按固定资产原值的1%计算;其他管理费用按40 000/(人·年)计算。

    (5)营业费用。营业费用按营业收入的2%计算。

    (6)各项税率和费率。增值税税率17010(蒸汽、水、天然气等按13%);城市维护建设税和教育附加费分别按增值税的7%5%计算;企业所得税按应纳税所得额的25010计算。

3.2效益测算结果

3.2.1成本对比分析

    按以上数据和参数计算的10t/a规模的丙酮氰醇法和异丁烯法MMA单位生产成本见表2

    由表2中数据可以看出,异丁烯法生产成本要高于丙酮氰醇法,两者之间的差额为1101/t,生产成本差距较大。其中原材料成本的差额占最主要的因素,异丁烯价格2010年以来价格上涨幅度较大,而丙酮氰醇法的主要原料价格较低且走势基本上较为平稳。此外,燃料和动力成本、人员费用、折旧费、修理费、其他制造费用异丁烯法也都高于丙酮氰醇法。

3.2.2经济效益指标对比分析

    按照建设项目经济评价方法和以上所述的参数和数据对10t/a规模的丙酮氰醇法和异丁烯法MMA建设项目分别进行经济效益测算,测算所得的经济指标如表3

    丙酮氰傅法10t/a项目的税后项目投资IRR(财务内部收益率)为56.23%,远超过国内化工行业基准收益水平(12%-13%),税后投资回收期2.00年,投产后2年即可收回投资,项目的经济效益非常好。

    异丁烯法10t/a项目税后项目投资IRR24.34%.也超过国内化工行业基准收益水平(12%-13%)较多,税后投资回收期3.57年,投产后3.57年即可收回投资。经济效益指标虽然不如丙酮氰醇法,但是仍属于化工行业中效益较好的建设项目。

4结论

    (1)丙酮氯醇法和异丁烯法生产MMA的生产技术都是成熟可靠的,从工艺技术上比较各有优缺点。

    (2)从市场上看,MMA的市场需求在不断扩大,市场前景较好。

    (3)从生产成本和经济效益上比较,丙酮氰醇法的优势比较明显,但是丙酮氰醇法受原料氢氰酸来源和环保等多方面条件的限制,要解决大量废酸液的处理问题。异丁烯法生产成本相对高一些,经济效益虽然不如丙酮氰醇法,怛也是较好的,而且异丁烯法原料相对较易得到。也没有较难解决的环保问题。

    (4)从经济角度来看,在有原料氢氰酸来源的情况下,生产MMA选取丙酮氰醇法是最佳的选择;如果没有可靠的氢氰酸来源,选择异丁烯法生产MMA也能获得不错的经济效益。

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