يُعد ميثيل الميثاكريلات (MMA) مادة خام كيميائية مهمة يمكن أن تخضع لعملية بلمرة ذاتية أو بلمرة مشتركة مع مونومرات أخرى تحت تأثير الحرارة أو الضوء أو في وجود محفزات. وهي مادة عديمة اللون وشفافة تتميز بمقاومة ممتازة للعوامل الجوية، وثبات أمام الأشعة فوق البنفسجية، وشفافية، ولمعان عالٍ. يُستخدم MMA بشكل أساسي لإنتاج بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) ومعدِّلات الصدمات لبولي فينيل كلوريد (PVC)، مثل ACR وMBS. كما يُستخدم على نطاق واسع في الطلاءات والمواد اللاصقة وطباعة المنسوجات والمواد المساعدة في الصباغة ومجالات أخرى.
أولاً: وضع العرض والطلب
● في الفترة من 2019 إلى 2023، بلغ متوسط معدل النمو السنوي للطاقة الإنتاجية 17.8%، في حين بلغ متوسط معدل النمو السنوي للاستهلاك 9.2%، مما أدى إلى تحسن مستمر في الاكتفاء الذاتي. وبعد عام 2021، تحقق التوازن تدريجيًا بين العرض والطلب.
الشكل 1: نظرة عامة على العرض والطلب في سوق MMA (2019–2023)
● تُعد آسيا أكبر منطقة في العالم من حيث إنتاج واستهلاك مادة MMA، حيث تستحوذ على ما يقرب من 70% من الطاقة الإنتاجية العالمية، مع وجود توازن كبير بين العرض والطلب في المنطقة. وتُعد الصين أكبر مستهلك على مستوى العالم، حيث تمثل 29.3% من إجمالي الاستهلاك.
● تُعد أمريكا الشمالية ثاني أكبر منطقة من حيث الإنتاج والاستهلاك، حيث تستحوذ على حصة تبلغ 14% من الطاقة الإنتاجية العالمية، وتتميز أيضًا بتوازن كبير بين العرض والطلب.
● تمثل أوروبا الغربية 8% من الطاقة الإنتاجية العالمية، لكن إغلاق مصنع شركة «ميتسوبيشي كيميكال» في المملكة المتحدة عام 2022 أدى إلى اختلال توازن العرض والطلب في المنطقة.
● كما برزت منطقة الشرق الأوسط كمصدر رئيسي، حيث تضم مصانع تعتمد على الإيثيلين تابعة لشركتي «ميتسوبيشي رايون» و«سابك»، بالإضافة إلى مصنع يعتمد على مركبات C4 تديره شركتا «أرامكو» و«سوميتومو» بشكل مشترك.
من منظور الطلب، فيما يلي نظرة عامة على تطبيقات MMA في قطاع المعالجة النهائية خلال الفترة من 2019 إلى 2023:
الشكل 2: الطلب في الصناعات التحويلية لمادة MMA (2019–2023)
1. قطاعات استهلاك مادة PMMA:
• الصرف الصحي والبناء: يُستخدم مادة PMMA على نطاق واسع في قطاعي الصرف الصحي والبناء، حيث يمثل استهلاكها 32.0%.
• قطاع السيارات: مع تزايد الاتجاه نحو تصنيع مركبات خفيفة الوزن، يُظهر مادة PMMA إمكانات طلب كبيرة في قطاع السيارات، حيث يمثل 19.7% من الاستهلاك.
• الإلكترونيات والأجهزة المنزلية: تمثل تطبيقات مادة PMMA في مجال الإلكترونيات والأجهزة المنزلية 28.0%، لا سيما في مجالات مثل شاشات LED/LCP، والمواد البصرية، والألياف الضوئية، والمواد الطبية المتطورة.
2. مجالات تطبيق راتنج MS:
• ألواح توجيه الضوء للشاشات: تُستخدم راتنجات MS بشكل أساسي في صناعة ألواح توجيه الضوء للشاشات. ومع انتشار الشاشات كبيرة الحجم ذات الحواف الرفيعة، يظل الطلب على راتنجات MS مستقرًا.
• عبوات مستحضرات التجميل: تُستخدم راتنجات MS أيضًا في صناعة عبوات مستحضرات التجميل، ومن المتوقع أن يشهد الطلب عليها نموًا طفيفًا في المستقبل.
3. مُعدِّل التأثير ACR/MBS:
• المنتجات من نوع المعالجة: منتجات ACR/MBS المحلية هي في الأساس من نوع المعالجة، لكن سعة السوق محدودة نسبيًا، متأثرةً بالمنافسة من منتجات CPE منخفضة السعر.
• تطوير المنتجات الراقية: سيشكل زيادة الاستثمار في البحث والتطوير المتعلق بالمنتجات الراقية والتركيز على التطوير عالي الجودة فرصًا رئيسية لنمو صناعة ACR/MBS في المستقبل.
4. صناعة الطلاء:
• الطلاءات القائمة على المذيبات: في الوقت الحالي، لا تزال صناعة الطلاء المحلية تعتمد بشكل أساسي على المذيبات، حيث تستحوذ على أكثر من 60% من السوق.
• الطلاءات الصديقة للبيئة: مع الدعم الذي توفره السياسات البيئية، من المتوقع أن تشهد الطلاءات الجديدة الصديقة للبيئة القائمة على الماء نموًّا سريعًا. ويتمتع مادة MMA، باعتبارها طلاءً مقاومًا للماء، بإمكانيات تطوير كبيرة.
5. مجالات التطبيق الأخرى:
• يُستخدم مادة MMA أيضًا في قطاع الإضاءة، حيث تبلغ حصتها 6.6%، وكذلك في المجالات الناشئة، حيث تبلغ حصتها 6.5%.
ثانياً: مقارنة مسارات العمليات التكنولوجية
1. مسارات المعالجة الرئيسية:
• مسار C2: وتشمل طريقة BASF وطريقة α-MMA. تتميز طريقة BASF ببساطة العملية، لكنها تتطلب استثمارات ضخمة وتتميز بعمر افتراضي قصير للمحفز. أما طريقة α-MMA فهي صديقة للبيئة، لكنها تتطلب ثاني أكسيد الكربون عالي النقاء، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الفصل.
• مسار C3 (طريقة ACH): تتميز هذه التقنية بالنضج والموثوقية مع انخفاض تكاليف الاستثمار؛ إلا أن الحمض يتسبب في تآكل شديد للمعدات، كما أن تكاليف معالجة النفايات السائلة مرتفعة، وتتأثر العملية بمعدل تشغيل الأكريلونيتريل.
• مسار C4: وتشمل هذه الطريقة طريقة الإيزوبوتين التقليدية (طريقة الثلاث خطوات) وطريقة الإيزوبوتين المحسّنة (طريقة الخطوتين). وتتوفر المواد الخام بسهولة، لكن التكاليف تتأثر بشدة بأسعار المواد الخام من فئة C4، وقد يكون تحضير المحفزات أكثر صعوبة.
2. الخطوط الداخلية:
• C1 الميثانول/الألدهيد – طريقة أسيتات الميثيل: تم تشغيل مصانع واسعة النطاق، لكن التكنولوجيا وجودة المنتجات لا تزالان بحاجة إلى تحسين.
• طريقة الإيثيلين C2: تم إنشاء منشآت على نطاق تجريبي تبلغ طاقاتها الإنتاجية آلاف الأطنان، لكنها لا تزال في مرحلة البحث والتطوير.
• طريقة C3 ACH: تُستخدم هذه التقنية من قبل العديد من الشركات، وهي تقنية ناضجة نسبيًا.
• طريقة أكسدة الإيزوبوتين C4: وتشمل هذه الطرق كلاً من الطريقة المكونة من ثلاث خطوات والطريقة المكونة من خطوتين، حيث قامت بعض الشركات بالفعل بتبنيهما وتطبيقهما في مرحلة الإنتاج.
3. مقارنة بين مسارات العمليات المختلفة:
• تكاليف الاستثمار: تتميز طريقة ACH بتكاليف استثمارية أقل نسبيًا، لكنها قد تتأثر بشكل كبير بتقلبات أسعار المواد الخام.
• تكاليف الإنتاج: تتأثر تكاليف الإنتاج لكل مسار عملية بعدة عوامل، منها أسعار المواد الخام، وكفاءة المحفز، واستهلاك الطاقة.
• الجوانب البيئية والسلامة: تتميز طريقة C2 بأنها صديقة للبيئة وتتمتع بدرجة عالية من السلامة؛ غير أن طريقة ACH تواجه تحديات في التعامل مع مادة سيانيد الهيدروجين شديدة السمية.
4. اختيار مسار المعالجة:
• شركات البتروكيماويات: يُفضل عادةً اختيار عملية أكسدة الإيزوبوتين.
• شركات الكيماويات الفحمية أو شركات CTO: هناك مزايا واضحة عند اختيار العمليتين C1 وC2.
• شركات إنتاج الأكريلونيتريل: تظل طريقة ACH قادرة على المنافسة عند اقترانها بإنتاج الأكريلونيتريل.
الشكل 3: التوزيع العالمي لتطبيقات مادة MMA حسب المسارات التكنولوجية المختلفة
ثالثًا: عملية جديدة: طريقة الكربونيلاتيون باستخدام الإيثانول المشتق من مصادر حيوية لتخليق مادة MMA
إن عملية تصنيع ميثيل الميثاكريلات تُعد التكنولوجيا التي طورتها شركة DODGEN مسارًا توليفيًّا جديدًا تمامًا، حيث تستخدم بشكل أساسي ثاني أكسيد الكربون والإيثانول والميثانول والفورمالديهايد كمواد خام، وتنتج مادة MMA من خلال تفاعل من ثلاث خطوات. ويكمن الابتكار في هذه العملية في الطبيعة الحيوية لموادها الخام، وهو ما يتماشى مع الاتجاه العالمي نحو الطلب على المواد ذات الأصل الحيوي.
مبدأ العملية وخطواتها
1. كربونيل الإيثانول لتخليق حمض البروبيونيك:
• المواد الخام: الإيثانول، ثاني أكسيد الكربون
• المحفز: نظام محفز مُحسَّن لإنتاج حمض البروبيونيك
• رد الفعل: تحت تأثير المُحفز، يخضع الإيثانول لتفاعل الكربونيل مع أول أكسيد الكربون (CO) لإنتاج حمض البروبيونيك.
• معدل التحويل: يبلغ معدل تحويل الإيثانول 99%، مع معدل إجمالي تحويل ثاني أكسيد الكربون معدل 95%.
2. أسترة حمض البروبيونيك إلى إستر البروبيل:
• المواد الخام: حمض البروبيونيك، الميثانول
• التكنولوجيا: استنادًا إلى تقنية أبراج الأسترة الصناعية المتطورة
• رد الفعل: يتفاعل حمض البروبيونيك مع الميثانول في برج الأسترة لإنتاج إستر البروبيل (بروبيونات الميثيل).
• معدل التحويل: معدل تحويل حمض البروبيونيك هو 99%.
3. تكسير هيدروكسي ألدول لبروبونات الميثيل والفورمالديهايد لإنتاج MMA:
• المواد الخام: بروبيونات الميثيل، الفورمالديهايد
• تركيز البحث والتطوير: تحسين معدل التحويل في مرحلة واحدة وانتقائية بروبيونات الميثيل
• رد الفعل: يتفاعل بروبيونات الميثيل مع الفورمالديهايد في ظل ظروف محددة ليخضع لتفاعل تكثيف هيدروكسي ألدول، مما ينتج عنه مونومر الميثاكريلات (MMA).
• معدل التحويل والانتقائية: يبلغ معدل تحويل بروبيونات الميثيل في دورة واحدة 15%، مع انتقائية تبلغ 95%. ويبلغ العائد الزماني المكاني 168 غ/كغ من المحفز في الساعة.
الجزء الرابع: مزايا طريقة الكربونيلاتيون باستخدام الإيثانول الحيوي من DODGEN في تصنيع MMA
1. المواد الخام ذات الأصل الحيوي:
يمكن الحصول على الإيثانول من عمليات التخمير الحيوي (مثل الذرة أو قصب السكر)، بما يتماشى مع الطلب العالمي على المواد ذات الأساس الحيوي.
2. تكاليف ثابتة:
يتميز سعر الإيثانول المستخرج من مصادر حيوية بالاستقرار النسبي، مما يضمن أن منتجات MMA التي يتم إنتاجها عبر هذه الطريقة تحافظ هي الأخرى على استقرار تكاليف الإنتاج.
3. الفوائد البيئية:
بالمقارنة مع العمليات الأخرى، تنتج طريقة الكربونيلات الإيثانولية نفايات أقل وأبسط، مما يلبي متطلبات حماية البيئة.
4. معدل تحويل مرتفع وانتقائية عالية:
تحقق هذه العملية معدلات تحويل عالية للإيثانول ولثاني أكسيد الكربون، في حين أن معدل التحويل في مرحلة واحدة ودرجة انتقائية بروبيونات الميثيل مرتفعان أيضًا بشكل ملحوظ.
5. قيمة المنتج الوسيط:
يمكن بيع حمض البروبيونيك، باعتباره منتجًا وسيطًا، أو مشتقاته (بروبيونات الميثيل وأملاح البروبيونيك)، مما يزيد من القيمة المضافة لخط الإنتاج بأكمله.
خامساً: التحديات والصعوبات التي تواجه طريقة الكربونيلاتيون باستخدام الإيثانول الحيوي لتخليق مادة MMA
1. تقنية الفصل:
تُعد مادة MMA مادة حساسة للحرارة، لذا يجب إجراء عمليات الفصل في ظروف تفريغ هوائي أو ضغط منخفض. وقد يتطلب ذلك استخدام معدات متخصصة، مثل مبخرات الغشاء المتساقط، لضمان كفاءة عملية الفصل.
2. مشكلة الأزيوتروب:
أثناء عملية الإنتاج، قد تشكل مواد مختلفة خليطًا أزيوتروبيًا، مما يعقّد عملية الفصل. وهذا يتطلب دمجًا دقيقًا لتقنيات مثل التقطير بالتأرجح الضغطي والاستخلاص بالقرص الدوار من أجل معالجة المشكلات المرتبطة بالخليط الأزيوتروبي وحلها.
3. تقنية التبلور بالذوبان في درجات حرارة منخفضة جدًّا:
لإنتاج مادة PMMA ذات الجودة البصرية، تُعد تقنية التبلور بالانصهار عند درجات حرارة منخفضة للغاية أمرًا ضروريًا لتحقيق درجة النقاء والخصائص المطلوبة. وهذا يضيف تعقيدًا إلى عملية الإنتاج ويتطلب معدات متطورة.
4. استهلاك البخار منخفض الضغط:
تتطلب عملية التقطير باستخدام تقنية MMA كميات كبيرة من البخار منخفض الضغط. ويكمن التحدي الرئيسي في الحصول على بخار منخفض الضغط ومنخفض التكلفة، حيث إن ذلك أمر حاسم لتخفيض التكاليف الإجمالية للإنتاج. ويُعد تحسين توليد البخار واستهلاكه أمرًا حيويًا لتحسين الكفاءة من حيث التكلفة.
دودجن, ، استنادًا إلى تقنية الوحدة، استفادت الشركة من مزاياها الهندسية للتغلب على التحديات المذكورة أعلاه، حيث صممت تقنية عملية MMA قابلة للتطبيق وموثوقة. وبالاعتماد على بيانات الاختبارات على نطاق صغير كأساس، فقد أكملنا بالفعل مخطط تدفق المصنع التجريبي (PFD) وحسابات توازن المواد. وقد تم الانتهاء من اختيار المعدات الرئيسية، بينما لا يزال اختيار المعدات الأخرى في مراحله الأولية. بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتحديد البيانات الأساسية للاستثمار على نطاق تجريبي، ومتطلبات مساحة الأرض، وانبعاثات النفايات.
لضمان التنفيذ الناجح للعملية الهندسية، نخطط لتوسيع نطاق المشروع إلى مصنع تجريبي بسعة 1,000 طن استنادًا إلى التكنولوجيا التجريبية الحالية ذات النطاق الصغير. وقد أكمل خبراؤنا بالفعل تقييم السلامة للمجموعة الأولى من العمليات. وندعو بصدق الزملاء من مختلف الصناعات المهتمين بتكنولوجيا كربونيل الإيثانول الحيوي لإنتاج مونومر MMA إلى التعاون والمساعدة في تطوير هذه التكنولوجيا التجريبية، مما يسهم في إعطاء زخم جديد لتطوير إنتاج مونومر MMA في الصين!
