苯酚生产的市场分析与技术进展
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收稿日期:2005-4-12
苯酚生产的市场分析与技术进展
钱伯章,朱建芳
(上海擎督信息科技公司金秋石化科技传播工作室,上海 200127)
摘要:本文评述了近年来苯酚的世界生产能力和需求现状与扩能趋势,阐述了我国苯酚工业的发展现状(产能、
需求和扩能进展),以及苯酚生产技术的新进展。
关键词:苯酚;生产能力;需求;现状;发展趋势;技术进展;世界;中国
中图分类号:TQ243.1+2 文献标示码:A 文章编号:1009-4725(2005)5-0007-06
Phenol Product Market Analysis and Technical Advance
QIAN Bo- zhang ,ZHU Jian- fang
(Shanghai Kingdom Information Technology Co., Golden-Autumn Petrochemical Scientific Propagation-Room,
Shanghai 200127,China)
Abstract:The paper commentate recent years phenol world production capacity and the demand present situation
against enlarge capacity tendency ,elaborate our country phenol industry developing status (produce capacity ,demand and enlarge production progress ),along with new progress of phenol manufacture technique.
Key words:phenol ;production capacity ;demand ;present situation ;developing tendency ;technical advance ;world ;
China
苯酚是重要的有机化工原料之一,苯酚主要应用于制造酚醛树脂、双酚A、己内酰胺、己二酸、烷基酚、苯胺,并作为染料、医药、炸药、农药等精细化学品的原料。
一 世界产能和需求 1. 产能
据统计,2001年全球苯酚生产能力为778万吨,其中,北美占37%,西欧占31%,亚太地区占24%,东欧占3%,南美占2%,其他地区占3%。
2002年全球苯酚生产能力达到790.6万吨,其中,北美289.6万吨,占36.7%;西欧为241.5万吨,占30.5%;日本89万吨,占13.2%;其他国家66.1万吨,占8.3%。
2003年世界苯酚总生产能力为805.3万吨/年,
其中北美地区为297.7万吨/年,占世界能力37%;西欧为242.8万吨/年,占30.1%;日本为93万吨/年,占11.5%;中南美为14万吨,占1.7%;中东欧为30.1万吨/年,占3.7%;亚太地区(不含日本)为121.3万吨/年,占15.1%;其他地区为6.4万吨/年,占0.8%。
表1列出2003年底统计的全球各国(地区)的苯酚生产能力。
据美国化学市场协会公司(CMAI)酚醛塑料和尼龙中间体研究部研究报告显示,2004年全球苯酚产能达到844.6万吨/年,主要分布在美国、西欧和日本,具体的生产能力分布情况如下:北美300.9万吨/年,其中:美国296.6万吨/年,墨西哥4.3万吨/年;南美16.5万吨/年,其中:巴西16.5万吨/年;西欧240万吨/年,其中:比利时45万吨/年,芬兰13万吨/年,法国11万吨/年,德国76万吨/年,意大利48万吨/年,荷兰12万吨/年,西班牙35万吨/年;东欧41.8万吨/年;南非3万吨/年;亚洲242.4万吨/年,其中:澳大利亚2万吨/年,中国大陆28.7万吨/年,印度8.2万吨/年,日本93万吨/年,韩国13万吨/年,新加坡25万吨/年,中国台湾72万吨/年,泰国0.5万吨/年。
Ineons苯酚公司是目前世界最大的苯酚生产商,生产能力占世界的18%;其次是Sunoco公司,占世界11.2%;第三位是日本三井化学公司,占世界7.3%。
据CMAI分析,即使有一些新增产能投产,2005年苯酚市场供求状况将继续紧张。
2004年底,中国台湾的长春石化和台塑集团分别在台湾的高雄和麦寮新增20万吨/年的产能,但这些新增产能很快被市场吸收。
但随着新增产能开始超过需求增长,到2006年全球苯酚市场的供应紧张局面将开始趋缓。
由韩国锦湖集团、日本钢铁公司和LG化学公司三方合资组建的韩国锦湖P&B化学公司在韩国丽川和丽水各自新增15万吨/年的苯酚产能,计划在2005年底投产。
在欧洲,Ineos苯酚公司正计划在2006年10月份之前将其位于比利时安特卫普的苯酚装置从45万吨/年扩至64万吨/年。
西班牙Cepsa公司子公司Ertisa也计划将其苯酚装置由20万吨/年扩能至55万吨/年,新增产能将于2008年投产。
中国石化高桥分公司在上海漕泾建设的12.5万吨/年的苯酚生产装置已于2004年底~2005年初投产。
2. 需求
2001年全球需求苯酚665万吨,其中,双酚A(BPA)占31%(60%的BPA用于聚碳酸酯、近30%用于环氧树脂),酚醛树脂占41%,己内酰胺占14%,苯胺占3%,其他(如烷基酚、2,6-二甲酚等)占11%。
2002年全球苯酚需求量为683.8万吨,主要消耗分配为:双酚
地区公司地点能力,万吨/年墨西哥4.3美国Sunoco化学公司费城47哈维赫尔42.8
壳牌化学鹿园53.5
Ineos苯酚莫比尔44
Mount Vernon苯酚蒙特-韦农34
Georgia海湾帕拉奎米纳22.7
帕塞迪纳7.3
陶氏化学自由港29.5
Frontier石油埃尔-多拉多5
JLM工业兰岛5
其他6.2巴西罗地亚帕利尼亚13比利时Ineos苯酚安特卫普42芬兰北欧化工聚合物帕尔沃13法国罗地亚罗西林10.5德国Ineos苯酚格拉伯克64Domo化学品鲁纳13意大利埃尼化学蒙特温30帕托-托伦斯18荷兰DSM化学品博特累克12西班牙Ertisa赫温37东欧41.8南非3澳大利亚2中国大陆48.3印度8.2日本三井化学堺20千叶19
千叶苯酚千叶20
三菱化学鹿岛19
日本钢铁户 畑15韩国13新加坡25中国台湾台塑麦寮20荣昌林园12泰国0.5表1 2003年全球各国(地区)苯酚生产能力
数据来源:美国《化学周刊》2004年1月14日第33页
A占31.4%,酚醛树脂占41.5%,己内酰胺占13.7%,苯胺占2.6%,其他占10.8%。
表2和3分别列出世界苯酚按用途分和按地区分的需求量和所占比例。
表2 按用途分世界苯酚的需求量,万吨
表3 按地区分世界苯酚的需求量,万吨
据CMAI分析,2003年世界苯酚需求接近700万吨,为698万吨。
2003年苯酚需求量中,双酚A占38%、酚醛树脂占27%、己内酰胺占13%、聚苯醚占4%、烷基酚占6%、苯胺占2%、其他占10%。
尽管欧美苯酚树脂(环氧树脂和酚醛树脂)维持与GDP相同水平增长,但受亚洲BPA 20万吨/年新装置投产影响,美国苯酚需求下降0.6%,减至210万吨;欧洲仅增长2.1%,达197万吨。
亚洲因BPA继续高速增长(19%),达140万吨。
2003年BPA世界需求286.6万吨(增加6%)。
据CMAI报告,2004年世界苯酚需求量达到748万吨,其中:40%用于双酚A的生产,28%用于酚醛树脂的生产,12%用于尼龙/KA油,5%用于烷基酚,3%用于聚苯醚,2%用于苯胺,其它用途占10%。
据预测,在2005年后的5年内,随着苯酚衍生物双酚A、聚碳酸酸和聚苯醚的增长需求(其年均增长率可望达到8%~10%),全球苯酚需求的年均增长率仍将达到4.5%~5.4%,到2006年苯酚需求量可望达到800万吨,其中,亚洲尤其是中国将成为需求增长最快的地区。
3. 近期扩能项目
壳牌化学公司是北美仅次于Sunoco化学公司的第二大苯酚生产商,也是世界上仅次于Ineos苯酚公司、Sunoco公司和三井化学公司的世界第四大苯酚生产商,壳牌在美国得州鹿园拥有苯酚装置。
据统计,2003年北美领先的苯酚生产商生产能力为:1.Sunoco化学公司95万吨/年;2.壳牌化学公司57万吨/年;3. Ineos苯酚公司41万吨/年;4.Mount Vernon公司(辛特果、GE塑料与JLM工业公司的合资企业)32万吨/年;5.陶氏化学公司27万吨/年;6.Georgia海湾公司21万吨/年。
2004年初统计的亚洲地区主要的苯酚生产商为:三井化学公司70万吨/年;锦湖 P & B化学品公司28万吨/年;日本千叶苯酚公司20万吨/年;台塑集团20万吨/年;三菱化学公司19万吨/年;日本苯酚公司12万吨/年;中国台湾荣昌化学公司12万吨/年。
三井化学子公司--三井苯酚新加坡公司(MPS)是新加坡唯一的苯酚生产商,拥有25万吨/年装置。
三井最近在新加坡建成第三条双酚A(BPA)生产线,使当地BPA总能力增加到21万吨/年,大部分BPA产能用于帝人聚碳酸酯(PC)公司在新加坡的19万吨/年PC装置。
帝人公司计划在中国嘉兴建设二条PC生产线,总能力为12万吨/年,三井也研究在该地附近建设BPA装置。
韩国Kumho (锦湖)P & B化学品公司(韩国锦湖集团和日本钢铁公司的合资企业)扩增其在韩国丽川的苯酚和异丙苯产能,使异丙苯产能提高33万吨/年,达到42万吨/年,苯酚产能提高15万吨/年,达到28万吨/年。
从而使该公司成为在亚太地区仅次于三井化学公司的第二大苯酚生产商。
锦湖 P & B化学品公司采用UOP公司技术扩建15万吨/年苯酚装置,项目投资6900万美元,已经于2004年上半年完成。
该项扩能满足了当地对苯酚的需求,也向该公司双酚A装置(由10万吨/年扩增至13.5万吨/年)提供原料。
罗地亚公司计划于2007年使巴西的苯酚能力由16.5万吨/年扩增至21万吨/年。
综合CMAI预测表明,到2007年,亚洲将成为苯酚的第一生产地区。
2004~2008年间,全球将有212万吨/年苯酚能力投运(见表4),2008~2009年间将另有300万吨/年能力扩增。
2001年2002年2003年2006年双酚A228.6214.8256.8336.6酚醛树脂187.9233.8211.5216.9己内酰胺62.493.579.571.3烷基酚24.925.526.928.3其他117.1116.2123.3133合计620.9683.8698786.1
2000年 2001年 2002年
需求占%需求占%需求占%美国214.332204.431200.629西欧194.929193.9 29190.228日本76.81173.21174.911亚洲(除日本)95.21496.915119.417其他93.01496.21498.714合计674.2100620.9100683.8100
表4 2004-2008年全球苯酚扩增项目,万吨/年
二 技术进展
目前,苯酚生产工艺主要有:异丙苯法、甲苯-苯甲酸法和苯直接氧化法三种。
苯酚早期从煤焦油中制得,最早的苯酚化学合成工艺路线是磺化法,由于腐蚀和污染等原因,已基本废弃,此后相继出现了氯苯法、环己烷法、甲苯氧化法、联产丙酮的异丙苯法等,在这些方法中异丙苯法最具竞争力。
据统计,目前世界上92%以上的苯酚采用异丙苯法生产工艺。
从异丙苯出发生产苯酚要经过异丙苯氧化、氧化物提纯、过氧化氢异丙苯(CHP)分解、产品精制等工序。
其工艺步骤是:苯和丙烯反应得到异丙苯;异丙苯经氧气或空气氧化,生成过氧化氢异丙苯(CHP);CHP分解生成苯酚和丙酮。
该方法以KBR(凯洛格-布朗·路特)公司的苯酚法工艺最为典型。
除从异丙苯生产高纯度苯酚和丙酮外,还回收副产物α-甲基苯乙烯(AMS)和苯乙酮(AP)。
在该工艺中,异丙苯用空气氧化成CHP的效率高达95%以上,CHP被浓缩,并在酸催化剂存在下高产率(大于99%)地分解为苯酚和丙酮。
AMS加氢为异丙苯,用于循环氧化或回收。
带有AMS加氢的KBR流程,1.31吨异丙苯可生产1吨苯酚和0.615吨丙酮。
KBR苯酚工艺具有低能耗、低原材料消耗、低生产费用和低排放污染的特点。
迄至2003年初统计,已采用该工艺建设了30套生产装置,生产苯酚总能力超过280万吨/年。
20世纪90年代底,Aristech公司和壳牌化学公司采用该工艺分别在美国建成10万吨/年和22.5万吨/年装置,中国石化上海高桥分公司也引进了这一工艺。
采用KBR苯酚技术建设的4套新装置于1999-2002年投运,另有3套在设计中。
采用该工艺生产的苯酚占世界能力的50%以上。
甲苯-苯甲酸法先将甲苯液相氧化为苯甲酸,苯甲酸再转化为苯酚。
具有甲苯原料来源广泛、流程简单等优点。
目前苯酚合成工艺在继续完善异丙苯法的同时,正在向无废、少废、不联产丙酮技术的方向发展,研发热点有:
1. 异丙苯法的改进
异丙苯法改进的重点集中于开发新型催化剂、完善分解工序和提纯工序、
UOP工艺、鲁姆斯工艺、KBR工艺继续对原有工艺加以改进,在降低副产物量、提高苯酚纯度方面,较前有所改进,其中UOP工艺采用加入催化剂或化学品帮助分离的技术,提高苯酚的纯度。
以上三种技术均能获得纯度99.99%以上的苯酚,从而可满足生产聚碳酸酯的要求,同时,在热量利用上都有所改进。
埃克森美孚公司开发了由过氧化氢异丙苯(CHP)制取苯酚的催化精馏技术,塔器催化剂床层中采用Zr-Fe-W氧化物固体催化剂,转化率可达100%,苯酚和丙酮选择率高,而4-异丙苯基苯酚、α-甲基苯乙烯(AMS)二聚物及焦油等高沸点的联产杂质数量很少。
该工艺对苯酚的选择性为89.5%,稍低于采用硫酸为催化剂的传统工艺。
反应器催化剂床层操作条件为:50-90℃、34KPa、液时空速4h-1。
联产物α-甲基苯乙烯和苯乙酮的选择性分别为9.7%和0.8%。
该催化精馏工艺有效地将反应热用于丙酮精馏过程,将反应过程和精馏过程结合在一起,降低了能耗和投资。
由于采用固体酸催化剂代替通用的硫酸催化剂,可免除产物的中和过程。
Aristech公司提出异丙苯两步裂解生产苯酚/丙酮的改进工艺,在第一反应段以酸催化剂使95%的含二甲苄基醇的异丙苯过氧化物分解,在第二反应段,采用钯加氢催化剂和氢气使α-甲基苯乙烯(AMS)氢化成异丙苯,同时,第一反应段残余的CHP分解成苯酚和丙酮,残余的二甲苄基醇脱水成为α-甲基苯乙烯(AMS)。
GE公司提出的酸催化裂解CHP改进工艺,在第一
公司地点扩增能力投运时间台湾化学和纤维中国台湾省402004-2007长春石化中国台湾省202004
Ineos苯酚比利时192006
锦湖石化韩国152005
LG化学韩国152005
Ineos苯酚美国82005-2006北欧化工芬兰5.52005
Sunoco美国52007
Ertisa西班牙52006
罗地亚巴西3.52004
中国大陆中国大陆952004-2006合计212
容器中裂解CHP,得到含有过氧化氢二异丙苯的裂解产物后,再在第二容器中裂解过氧化氢二异丙苯。
据称该工艺在选择性最高的情况下,可大大提高装置生产率,降低工艺能耗,并使建设新的裂解单元的投资费用大大降低。
美国Allied Signal公司设计了节能型高纯度苯酚提纯工艺,在冷凝塔水冷凝蒸气的同时回收热能以产生蒸汽,而从冷凝塔抽出少量蒸气被送入酸分离蒸馏塔处理,得到的部分塔釜组分送回苯酚蒸馏塔,可有效地节约能源。
该公司还设计了另一种以胺处理提纯苯酚的方法,该方法以胺处理将苯酚粗产物中的丙酮醇和2-苯基丙醛转化成高沸点化合物,然后将粗产物蒸馏除去高沸点化合物,与水进行蒸汽蒸馏,再向塔釜产物中加入一定量的胺将一缩二丙酮和羰基化合物杂质转化为轻、重杂质,然后将蒸汽蒸馏工序得到的重组分蒸馏,可得到高纯度苯酚。
三井化学公司与新日铁等公司建立了不联产丙酮的生产装置。
在该工艺中,丙酮不作为产品取出,而是通过专门设计的磷酸镁沸石催化剂在固定床反应器中将丙酮氢化成异丙醇,异丙醇与苯进行烷基化反应生成异丙苯。
该工艺己于1997年应用于比利时安特卫普的21万吨/年扩建装置中。
2. 苯直接氧化制苯酚
由苯和丙烯出发经异丙苯生产苯酚的路线要联产大量丙酮(丙酮和苯酚产率比为0.6∶1),同时苯酚需精制而耗用能源。
从全球范围看,两者的产需基本上平衡,但就局部而言,市场仍然往往互相牵制,因此由苯为原料直接氧化(也可称羟基化)制取苯酚的工艺已成研发热点。
目前研究的氧化剂类型有氧、过氧化氢、一氧化二氮等,研究结果表明,采用分子氧作氧化剂时,苯
的转化率较低,而采用N
2O或H
2
O
2
一类专用氧化剂时,
苯转化率较高。
该法具有工艺简单、收率高、对环境污染小等特点,具有工业开发和应用前景。
该路线的研究重点是开发高效催化剂,目前研究的类型有H-ZSM-5、负载ZSM-5(Fe-ZSM-5、Na-ZSM5-5)、钛硅沸石TS-1、羟基磷灰石等。
美国Solutia(首诺)公司和俄罗斯博里斯可夫(Boreskov)催化剂研究所(BIC)共同研究开发了无联产
丙酮的苯直接氧化法新工艺—Alphox技术,利用N
2O在
分子筛催化剂上进行反应,反应在气相、低压运转的固
定床绝热反应器中进行,经过简单的分离和精馏后,可
得到高产率、高纯度的苯酚。
BIC对催化剂进行反复试
验后证实,含有铁的酸性ZSM5-5和ZSM-11沸石催化剂
用500-900℃水蒸汽处理2h后,可极大地提高苯酚的
产率,抑制苯与N
2
O的燃烧反应,延缓催化剂的失活。
该工艺过程产生的废弃物不足原料苯量的2%,并能有
效地将苯酚生产装置与己二酸装置整合起来,既能有
效地利用N
2
O,又能将苯酚用于生产己二酸,或作商品销售。
美国斯坦福研究所对Alphox法的技术经济评
估数据表明,该法的总固定投资费用比一套同等的异
丙苯法苯酚装置要低,其净生产费用具有竞争力,而
且不受丙酮市场波动的影响。
由于采用该方法的苯酚
装置要受到相联结的己二酸生产装置规模的牵制,故
适用于建较小规模的苯酚装置。
但由于中试验证的催
化剂的选择性/连续运转周期较差,以N
2
O计苯酚选择性较低,故要实现工业化尚存在许多问题。
首诺与俄罗斯西伯利亚Boreskov催化研究所共同
开发的苯一步法制苯酚工艺,与传统的异丙苯工艺相
比,操作简便,且投资费用可大大降低。
美国GTC技术
公司与首诺合作拟将该技术推向市场。
Alphox工艺由
苯与N
2
O在改性沸石催化剂上气相反应制得苯酚。
当
N
2
O与催化剂接触时会分解成N
2
和一种高活性、且与催化剂键合在一起的氧,即α-氧。
α-氧插入苯的C-
H链后生成苯酚。
由于该工艺中苯酚选择性较高,可达
90%-99%,因此Alphox工艺的苯酚分离部分比异丙苯
工艺简单。
原料N
2
O可来自己二酸生产的尾气,但需
经纯化以降低其中NO
x
、CO和O
2
等杂质含量,或由氨催化氧化反应制得。
一套13.62万吨/年采用Alphox
工艺的苯酚装置的投资费用约为异丙苯工艺的55%-
60%。
Alphox技术己在首诺公司位于美国佛罗里达州佩
森库拉的示范装置上得以验证,GTC公司己与一家石化
公司商讨建设首套工业化装置。
日本产业技术综合研究所、丸善石化公司、NOK
公司合作开发了苯直接氧化生成苯酚的新气相合成工
艺,用离解氢将氧活化后引入苯中,氢被钯膜吸附,而
解离活化的氧透过膜,与苯环加成为苯环氧化物,再异
构化为苯酚。
据称该工艺不副产丙酮,合成工艺大幅度
简化,能耗费用也大为节减。
埃尼化学公司以H2O2为氧化剂,采用两相反应溶剂体系,有机相由原料苯和一种有机溶剂(最好为乙腈)组成,含水相由H2O2和催化剂组成。
催化体系由含氮的杂芳族化合物羧酸配体、无机或有机酸性溶剂和Fe2+或Fe3+盐类物质组成。
据称,由于存在两相溶剂体系,使合成苯酚选择性较高。
日本东京理工学院开发了以铕-钛-铂为催化剂的苯直接制苯酚工艺,据称加入钛络合物作为助催化剂,可以促进直接氧化反应。
Sunoco公司开发了以氧气为氧化剂,以螯合物为催化剂的工艺,该工艺以负载在二氧化钛上的钒基螯合物(含1.2%金属)为催化剂,在苯转化率为1%时苯酚的选择性大于97%。
韩国化学技术研究院开发的催化体系由Y-分子筛和ZSM-5分子筛组成,ZSM-5分子筛中含2%的钛,在催化剂作用下,产出的苯酚选择性大于97%。
最近日本先进工业科技国家研究院(AIST)开发了由苯一步法合成苯酚的膜法催化工艺,而常规工艺从苯开始需三个步骤,并且产生需处理的废酸。
AIST的工艺使用不锈钢外管和多孔α-氧化铝内管组成的反应器,关键元件是厚1μm的钯膜催化剂,用化学蒸气沉积法涂覆在氧化铝管的外侧。
膜由AIST与丸善石化公司和NOK公司共同开发。
反应器置于加热至150-250℃的加热炉内,苯和氧气流过氧化铝内管,0.2MPa压力的氢气沿管外侧通过。
氢被吸附在膜上,在此被离解和活化,然后通过氧化铝管内表面,活化的氢捕集
管子内表面上的氧分子,生成活化的氧,活化的氧与苯环的双键反应通过苯环氧化物由苯生成苯酚。
实验室中,在转化率低于3%时,生成苯酚的选择性大于90%。
10%~15%转化率时,选择性大于80%。
苯酚产率为每千克催化剂1.5千克/时,随着工艺过程的改进,预计转化率还可提高。
日本化学创新研究院(JCII)与东曹公司合作,正在开发从苯制取苯酚而不产生副产物的新工艺。
目前制取苯酚的主要合成路线是异丙苯工艺,需使用过氧化物并生成丙酮副产品;甲苯法工艺会产生大量CO2;二步氯-苯法工艺的设备需采用防腐材料,并且产生含氯废液。
为解决这些问题,需开发由苯直接氧化法工艺。
新工艺由二步组成,首先,苯与醋酸在150-200℃和控制氧分压下反应,生成乙酸苯酯,该反应藉助Pd-硫属体系载于氧化硅上的新催化剂,单程下可达10%转化率。
乙酸苯酯再用离子交换树脂,在低于100℃下进行水解,生成苯酚和醋酸,醋酸回收并循环至第一反应器。
目前,研究人员正在改进第一步反应的转化率。
东曹公司开发了碲-钯催化剂,用于将苯、氧气和氢气转化成苯酚,具有低费用和催化剂能长时间保持活性等特点。
反应物先被转化成苯醋酸酯,苯醋酸酯再利用离子交换树脂分解成苯酚和氧气。
目前,苯转化率仅约10
%,现正在进一步改进苯的转化率。
(未完待续)。