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偏苯三酸酐的生產工藝、市場和發展趨勢
發布日期:2022/10/12 16:43:23
背景
偏苯三酸酐簡稱偏酐，化學名稱為1，2，4-苯三甲酸酐，英文縮寫TMA。偏酐外觀為白色塊狀或顆粒狀固體，分子式C9H4O5，分子量為192.12，熔點為168℃，沸點為390℃，易溶於水、丙酮、乙酸乙酯、N，N-二甲基甲醯胺等，微溶於四氯化碳、乙醚和甲苯等。因為偏酐分子結構中含有雙官能團——羧酸和酸酐基團，使它兼具雙官能團的化學性質，反應活性很高，可用於生產一系列有價值的特種專用化學品，是現代新材料的重要化工原料[1]。
偏酐活潑的化學性質使其成為重要的有機合成原料，能夠合成較多高附加值的環保精細化工產品，具有廣泛的應用[2]：
（1）偏酐和一元醇通過酯化反應合成的偏苯三酸酯類增塑劑，具有十分優良的電熱性能，廣泛應用於聚氯乙烯（PVC）耐熱環保增塑劑，如耐熱等級90℃和105℃以及高壓6kV和10kV的電線電纜料等。
（2）偏酐和二異氰酸苯基酯發生聚合反應得到聚醯胺-醯亞胺聚合物，具備高溫環境性能好，抗溶劑溶解，抗沖擊性能好，抗輻射及蠕變性能好等優點，廣泛用於電動機用槽設備和電線電纜絕緣漆。
（3）醇酸樹脂材料具有優良的穩定性，常用於電泳塗裝底漆。該醇酸樹脂材料的耐火時間和火焰傳播比值指標均達一級標准。
（4）以偏酐為原料先合成聚酯樹脂，再按一定配方與環氧樹脂混合配料可以生產聚酯環氧粉末塗料，還可以將粉末熔融成膜，具有環保和施工上的優點。
（5）利用偏酐為原料合成的嵌段高聚物橡膠具有良好的耐候性、柔韌性和光照穩定性；通過偏酐和十二烷基醇、十八醇等高級脂肪醇反應，可製得偏苯三甲酸酯鈉鹽，是一類極好的陰離子表面活性劑。
1 偏酐生產工藝
早期偏酐是在氣相均四甲苯空氣氧化合成均苯四甲酸二酐時，在其副產物中被發現的。工業生產偏酐的方法[3-5]有偏三甲苯液相硝酸氧化法、間二甲苯甲醛液相空氣氧化法和偏三甲苯液相空氣氧化法，統稱為液相氧化法，此外還有氣態偏三甲苯空氣氧化法（屬於氣相氧化法）。
1.1 液相偏三甲苯硝酸氧化法
偏三甲苯硝酸氧化法採用偏三甲苯作為原料，在180℃～205℃，1.5～3.0MPa條件下，通過硝酸逐步分段進行氧化，然後蒸發降溫結晶、固液分離、溶劑沖洗、烘乾後得到偏苯三甲酸，最後加熱脫水得到偏酐。該法工藝容易操作，工序簡單，產品收率較高，但硝酸法伍差存在成本高、腐蝕嚴重、對設備材質要求高、污染嚴重等問題。
1.2 間二甲苯甲醛液相空氣氧化法
間二甲苯甲醛液相空氣氧化法是1985年日本三菱瓦斯化工公開的一種生產工藝：以間二甲苯和甲醛為原料合成偏酐，因此也稱MGC法。該法是在匯總前人方法的基礎上研發了間二甲苯在強酸催化劑HF-BF3絡合作用下與一氧化碳進行甲醯化反應制備2，4-二甲基苯甲醛的新路徑，然後在水溶液中經空氣氧化制備偏苯三甲酸，接著脫水成酐得到偏酐，最後經精製和切片工序後得到成品。
該連握陵續工藝反應過程是以水為溶劑，原料易得，具有較高的產品收率和純度，自動化容易操作和實施，幾乎沒有揮發損失，爆炸危險可以降至最低，副產物處理也較為容易；但該法使用強酸性催化劑HF-BF3，氧化部分核心設備需利用昂貴的鎳鈦鋯等合金製作，製作成本高，增加了裝置建造的投入。因為使用催化劑為超強酸HF-BF3，同時造成其他設備嚴重腐蝕，有安全腔皮皮及環保隱患，總生產成本過高，無法長期維持其生產裝置運行。
1.3 氣態偏三甲苯空氣氧化法
由日本觸媒化工公開的氣態偏三甲苯空氣氧化法，催化劑採用含V、Ti、P、Fe、Cr、Mn、Si和鹵素等金屬和非金屬化合物，氣態偏三甲苯金屬催化氧化反應合成偏苯三甲酸，再通過脫水成酐生成偏酐，也可以在V-P-Ti-Fe體系和鹼金屬氧化物作催化劑條件下，氣態偏三甲苯通過氧化工藝V-Cu-Mo體系催化開展空氣氧化。
該方法合成偏苯三甲酸的優勢在於工藝簡單，設備投資小，簡單易操作，但該工藝在工業化生產時，使用的催化劑無法回收，造成催化劑浪費，對環境污染較大，且對於目標產物來說，產率較低，副產物較多，連續化生產無法實現，後處理過程中消耗水較多，產生的廢料也很多，這些廢水廢渣對環境和經營造成了較大的壓力。
1.4 偏三甲苯液相空氣氧化法
目前廣泛採用的1，2，4-苯三甲酸酐生產工藝是偏三甲苯液相空氣氧化法。以1，2，4-三甲苯為原料和高純乙酸作為溶劑，Co-Mn-Br為催化劑，在1.4～1.6MPa，220℃～230℃條件下通過空氣液相氧化合成1，2，4-苯三甲酸，然後在高溫條件下脫水生成1，2，4-苯三酸酐。
該方法是由美國中世紀公司開發，後經阿莫科公司不斷改進實現工業化生產，因此簡稱Amoco法。該工藝的氧化劑是空氣，主催化劑為醋酸鈷錳鹽，助催化劑為四溴乙烷或氫溴酸，氧化反應在醋酸溶液中進行，先生成1，2，4-苯三甲酸，經脫水後生成1，2，4-苯三酸酐。1990年初，Amoco公司改進了該工藝，在偏三甲苯的空氣氧化過程中添加鈷、錳、溴的復合催化劑，大大增強了催化效果，縮短了反應時間，反應後期經進一步處理及催化劑回收，能耗和物耗降低，提高了產品產率，大大提高了該工藝的經濟性。目前國內外生產偏酐的主要方法是連續式或間歇式液相空氣氧化法。
2 偏酐間歇法和連續法生產工藝對比分析[6-7]
國內外液相空氣氧化法生產偏酐的工藝相比，主要差別在於國外先將偏苯三酸提純，而國內很多都是一步法的工藝路線。深究其中的原因：由於沒有偏苯三甲酸結晶提純，催化劑帶入的金屬離子殘留在偏苯三甲酸中，然後在高溫條件下脫水成酐和精製工序，都容易發生副反應，一部分偏苯三甲酸轉化成均苯三甲酸，另一部分偏苯三酸進一步脫去羧基發生歧化反應，最後轉化成鄰/間/對苯二甲酸、苯甲酸等。
鑒於偏酐的生產條件苛刻，有易堵料和設備腐蝕等不利因素，很難實現全工藝流程自動化。通常生產偏酐多採用間歇法或半連續法或者兩者相結合。因為成酐工藝和結晶工序等因為存在放大效應，目前大都使用間歇式操作，但是醋酸回收採用連續精餾工藝。
2.1 間歇氧化法和連續氧化法
2.1.1 間歇氧化法
間歇法氧化生產工藝是首先向反應釜投入配製好的偏三甲苯、醋酸、催化劑的混合物，進行升溫、升壓達到氧化反應條件時通入空氣，進行氧化反應，當反應完成後停止通入空氣，再進行泄壓降溫排出物料，然後再重復第一釜的投入物料進行第二釜的氧化反應進程，這樣一釜又一釜地往復氧化過程。
2.1.2 連續氧化法
連續氧化工藝是在保持一定的溫度、壓力等反應條件下，一邊連續打入物料，同時連續通入壓縮空氣，另一邊連續出料的工藝過程。
2.2 工藝對比分析
2.2.1 間歇法氧化工藝的優缺點
優點：工藝流程簡單，氧化反應單元間歇式操作，對員工操作技術要求低，設備投資少。
缺點：
（1）生產過程中頻繁地進行升降溫、升降壓操作，設備容易產生金屬疲勞，損傷率高，導致安全及環保隱患多，並易引起導熱油泄漏，引發火災等事故的概率大，如某幾個公司均都出現過不同程度的導熱油泄漏引發火災的安全事故。
（2）幾小時一次反復地向反應釜投料引發和排料的過程，能耗高，反應過程式控制制頻繁復雜，容易形成跑、冒、滴、漏，產品收率低，產品質量也不穩定，比連續法氧化工藝收率要低10%～15%，能耗高出20%～30%。
（3）產量不大，不適於大產能工業化生產。
2.2.2 連續法氧化生產工藝的優缺點
優點：
（1）連續法氧化生產過程是在一個恆定的氧化條件下一邊進料一邊出料，不需要一釜一釜地投入新物料往復式進行氧化反應，因此具有較高的自動化程度，反應過程穩定，減少了金屬設備疲勞，增加了使用設備的安全性，延長了設備使用壽命。
（2）連續法生產工藝反應溫度低，反應器體積小，反應過程穩定，產品質量穩定，能耗低，產品收率高，適用於大規模工業化生產。
缺點：因自動化程度較高，所以技術難度較大，一次性投入多，對工人素質要求高。
3 偏酐發展現狀和市場分析[8-11]
3.1 國外生產現狀
國外最早開始研究偏酐是在二十世紀50年代，美國Amoco公司在1962年首先採用偏三甲苯液相空氣氧化法並實現了工業化生產。二十世紀90年代，Amoco公司升級改造了現有工藝，通過改進催化劑，採用金屬復合化合物的方法，顯著增強催化效果，大大縮短了反應時間，提高了產品產率，降低了能耗。Amoco公司曾經是世界最大的偏酐生產商，分別擁有美國伊利諾伊州的Joliete工廠、比利時和馬來西亞的兩個海外工廠，年產能分別為6.5萬噸/年、2.3萬噸/年（已停產）和5.5萬噸/年（已停產）。1985年日本三菱瓦斯化學公司用MGC法在水島建成一套1.5萬噸/年的偏酐生產裝置；同時，日本蒸餾工業公司和三井東壓公司看準時機，分別建成年產千噸級別的生產裝置（已停產）。1995年義大利Lonza公司自主研發一套偏三甲苯液相空氣氧化法的偏酐生產裝置，年生產能力2萬噸（已停產）。義大利Sasas公司計劃在比利時建設年產5萬噸的偏酐生產裝置（已停產）。截至目前（2018年底），國外偏酐生產廠家主要分布在美國和歐洲等地，其中美國FHR公司產能為6.5萬噸/年，義大利Polynt公司產能為2萬噸/年。
3.2 國內生產現狀
二十世紀80年代，哈爾濱石油化工廠和黑龍江石油化學研究所合作，研發成功並建成一套300噸/年偏酐裝置，1993年將產能擴建至3000噸/年。1997年江蘇無錫江陰長涇醋酸廠在原國產技術基礎上加以改進，研發出2000噸/年的新生產規模。2000年在此基礎上，將生產規模又擴大到5000噸/年。2002年底該公司又通過引進義大利技術建成一套生產能力為1.5萬噸/年的偏酐生產裝置，使該集團公司的偏酐總生產能力達到2萬噸。此外，根據市場需求，同時兼顧規模優勢，我國本土公司組織科研技術力量，經過不懈努力和反復攻關，自主研發成功擁有知識產權的連續法氧化工藝，填補了國內空白，獲得三項國家技術發明專利，並於2003年10月建成投產一套生產能力為1.5萬噸/年的連續法偏酐生產裝置。截至目前（2021年9月），國內生產偏酐公司主要有江蘇正丹、無錫百川、常州波林和安徽泰達等，其偏酐產能分別為江蘇正丹10萬噸/年，無錫百川4萬噸/年，常州波林2萬噸/年（已停產搬遷）和安徽泰達2萬噸/年。
3.3 市場分析
目前世界偏酐生產裝置主要集中在中國、美國和歐洲，其中，中國是世界上最大的偏酐生產國，佔世界總產能70%以上。目前國外沒有偏酐擴建及擬建項目，新增產能主要來自中國。近年來，世界偏酐消費市場主要集中在亞洲、北美洲和歐洲，消費佔比為58.2%、27.8%和12.7%；南美偏酐消費量在千噸級的水平，而中東歐、中東、非洲和大洋洲消費量僅在百噸級的水平，其主要消費市場是生產環保型增塑劑偏苯三酸三辛酯（TOTM）；其次是粉末塗料、高級絕緣材料及高溫固化劑等，尚有少量用於飛機發動機潤滑油添加劑、電影膠片絮凝劑以及偏苯三酸酯鈉鹽陰離子表面活性劑等產品。
4 未來偏酐行業發展前景
前些年，偏酐行業面臨的主要問題是生產工藝較為落後，大部分是間歇法和半連續法生產工藝，這對於偏酐市場[12-18]的發展與競爭處於一種不利狀態。因此，加大力度發展連續法氧化生產技術，對於規模小，產能小，生產工藝落後的企業，要逐一淘汰或者兼並。同時擴大生產規模，提升產品質量。同行業企業之間要加強技術交流，推動我國偏酐行業技術升級[19-23]和持久健康發展，在國際市場上提高我國偏酐產品的競爭優勢，進一步擴大佔有率。
在塑料助劑行業中，偏苯三酸三辛酯（TOTM）是偏酐下游的一種重要的無毒環保型增塑劑產品，具有耐高溫、耐腐蝕、抗老化、耐遷移、絕緣性能優良等特性，在增塑劑行業已得到充分肯定和發展。尤其歐盟ROHS指令和REACH法規對環保標准要求的提高，肯定了TOTM在增塑劑行業將會逐步取代目前常用的非環保型增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）。
在粉末塗料行業，偏酐的應用也日益增長，尤其是對環境友好、性能優良的粉末塗料。隨著我國輕工家電等製品的生產進入一個飛速發展的時代，對塗料產品的產量、品種、品質及性能要求都有很大的提高，尤其對環保型塗料的需求量快速增長。
此外，偏酐還可以用於合成聚醯胺-醯亞胺和聚酯醯亞胺等特種工程塑料，不但可用作絕緣材料，還可用於製造軸承、閥件、電子元器件、噴氣發動機零件等模製塑料部件。目前國內在這一領域還有待進一步開發，可為偏酐產業的發展提供廣闊市場和強勁動力。
偏酐還可用於生產環氧樹脂高溫固化劑。中國塗料工業正朝著環保無毒、高阻燃的方向發展，採用水溶性樹脂塗料，得到新型水溶性樹脂塗料，用於汽車、電冰箱、洗衣機的電泳塗裝底漆。
隨著國家對環保要求越來越嚴，環境保護是企業發展中的基石。化工行業能耗大，污染較嚴重。在具體生產過程中，對於其中產生的廢水、廢氣和固廢，在允許的范圍內提升資源利用率。上游生產的廢料，將其回收利用作為下游生產原料，逐漸形成完善的資源利用循環圈。
因此，對於偏酐生產來說，下游產品對於環保需求日益增長，針對「三廢」處理設施不完善，廢水不達標排放等情況企業要進行整改，必要時引導整個行業向大規模集中化發展。
5 結論
綜上所述，偏酐具有巨大的發展前景，充分利用好國內外重芳烴資源，鼓勵發展碳九芳烴產業鏈資源的綜合利用，一方面，擴大生產偏酐的原料偏三甲苯生產規模，緩解市場供需矛盾；另一方面，充分利用氧化尾氣制氮和二氧化碳的補鏈優勢以及偏三甲苯烷基化制均四甲苯和連四甲苯、副產均三甲苯與連三甲苯等強鏈功能，增強整個碳九產業綜合競爭力。總之，偏三甲苯連續化氧化工藝將會是行業發展趨勢，同時增強技術研發力度，增加資本投入，在結晶-離心-成酐連續工藝等技術上有所突破，早日實現偏酐全連續化工藝生產。
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