El metacrilato de metilo (MMA) es una importante materia prima química que puede someterse a autopolimerización o copolimerización con otros monómeros en presencia de calor, luz o catalizadores. Es una sustancia incolora y transparente con excelente resistencia a la intemperie, estabilidad UV, transparencia y alto brillo. El MMA se utiliza principalmente para producir polimetacrilato de metilo (PMMA) y modificadores de impacto para cloruro de polivinilo (PVC), como ACR y MBS. También se utiliza ampliamente en revestimientos, adhesivos, impresión textil, auxiliares de teñido y otros campos.
I. Situación de la oferta y la demanda
● De 2019 a 2023, la tasa media anual de crecimiento de la capacidad de producción fue de 17,8%, mientras que la tasa media anual de crecimiento del consumo fue de 9,2%, lo que condujo a una mejora continua de la autosuficiencia. Después de 2021, la oferta y la demanda alcanzaron gradualmente un equilibrio.
Figura 1: Panorama de la oferta y la demanda de MMA (2019-2023)
● Asia es la mayor región del mundo en producción y consumo de MMA, con casi 70% de capacidad mundial, y la oferta y la demanda en la región están muy equilibradas. China es el mayor consumidor mundial, con 29,3% del consumo total.
● Norteamérica es la segunda región en producción y consumo, con una cuota de 14% de la capacidad mundial, donde la oferta y la demanda también están mayoritariamente equilibradas.
● Europa Occidental representa 8% de la capacidad mundial, pero el cierre de la planta británica de Mitsubishi Chemical en 2022 alteró el equilibrio entre oferta y demanda de la región.
Oriente Medio también se ha convertido en un importante exportador, con plantas de etileno de Mitsubishi Rayon y SABIC, así como una planta de C4 operada conjuntamente por Aramco y Sumitomo.
Desde la perspectiva de la demanda, he aquí una visión general de las aplicaciones descendentes de MMA de 2019 a 2023:
Figura 2: Demanda de la industria downstream de MMA (2019-2023)
1. Sectores de consumo de PMMA:
- Saneamiento y construcción: El PMMA se utiliza ampliamente en los sectores del saneamiento y la construcción, representando 32,0% de consumo.
- Automoción: Con el creciente impulso de los vehículos ligeros, el PMMA muestra un importante potencial de demanda en el sector de la automoción, representando 19,7% de consumo.
- Electrónica y electrodomésticos: Las aplicaciones de PMMA en electrónica y electrodomésticos representan 28,0%, sobre todo en áreas como pantallas LED/LCP, materiales ópticos, fibras ópticas y materiales médicos de gama alta.
2. Campos de aplicación de la resina MS:
- Placas guía de luz para expositores: La resina MS se utiliza principalmente en placas de guía de luz para pantallas. Con la promoción de pantallas de gran tamaño y bisel estrecho, la demanda de resina MS se mantiene estable.
- Envasado de cosméticos: La resina MS también se utiliza en envases cosméticos, y se espera que su demanda experimente un ligero crecimiento en el futuro.
3. Modificador de impacto ACR/MBS:
- Productos de procesamiento: Los productos ACR/MBS nacionales son principalmente de tipo procesamiento, pero la capacidad del mercado es relativamente pequeña, influida por la competencia de los CPE de bajo precio.
- Desarrollo de productos de gama alta: Aumentar la inversión en I+D de productos de gama alta y centrarse en el desarrollo de alta calidad serán oportunidades clave para el crecimiento de la industria de ACR/MBS en el futuro.
4. Industria de recubrimientos:
- Recubrimientos con disolventes: Actualmente, la industria nacional de recubrimientos sigue basándose principalmente en disolventes, con más de 60% del mercado.
- Recubrimientos ecológicos: Con el impulso de las políticas medioambientales, se prevé un rápido crecimiento de los nuevos recubrimientos ecológicos a base de agua. El MMA, como revestimiento impermeable, tiene un importante potencial de desarrollo.
5. Otros campos de aplicación:
- El MMA también se utiliza en el sector de la iluminación, con 6,6%, así como en campos emergentes, con 6,5%.
II. Comparación de rutas de procesos tecnológicos
1. Principales rutas de proceso:
• Ruta C2: Incluye el método BASF y el método α-MMA. El método BASF tiene un proceso sencillo pero requiere una gran inversión y tiene una corta vida útil del catalizador. El método α-MMA es respetuoso con el medio ambiente pero requiere CO de gran pureza, lo que da lugar a elevados costes de separación.
• Ruta C3 (método ACH): Se trata de una tecnología madura y fiable con una inversión reducida; sin embargo, el ácido provoca una elevada corrosión en los equipos, los costes de tratamiento de los líquidos residuales son elevados y el proceso se ve influido por la tasa de funcionamiento del acrilonitrilo.
• Ruta C4: Incluye el método tradicional del isobuteno (método en tres etapas) y el método mejorado del isobuteno (método en dos etapas). Las materias primas son fáciles de conseguir, pero los costes están muy influidos por los precios de las materias primas C4, y la preparación de catalizadores puede ser más difícil.
2. Rutas nacionales:
• C1 Metanol/Aldehído - Acetato de metilo Método: Se han puesto en marcha plantas a gran escala, pero la tecnología y la calidad del producto aún deben mejorar.
• Método del etileno C2: Se han construido plantas piloto con capacidades del orden de las mil toneladas, pero aún se encuentra en fase de investigación y desarrollo.
• Método C3 ACH: Adoptado por varias empresas, con tecnología relativamente madura.
• Método de oxidación del isobuteno C4: Incluye tanto el método de tres pasos como el de dos pasos, y algunas empresas ya los han adoptado y puesto en producción.
3. Comparación de diferentes rutas de proceso:
• Costes de inversión: El método ACH tiene unos costes de inversión relativamente más bajos, pero puede verse muy afectado por las fluctuaciones de los precios de las materias primas.
• Costes de producción: Los costes de producción de cada proceso dependen de varios factores, como el precio de las materias primas, la eficacia de los catalizadores y el consumo de energía.
• Aspectos medioambientales y de seguridad: El método C2 es respetuoso con el medio ambiente y tiene un alto nivel de seguridad; sin embargo, el método ACH se enfrenta a retos en la manipulación de la sustancia altamente tóxica cianuro de hidrógeno.
4. Selección de la ruta del proceso:
• Empresas petroquímicas: Tienden a elegir el proceso de oxidación del isobuteno.
- Empresas químicas del carbón o CTO: Tienen claras ventajas al elegir los procesos C1 y C2.
• Empresas de producción de acrilonitrilo: El método ACH sigue siendo competitivo cuando se combina con la producción de acrilonitrilo.
Figura 3: Distribución mundial de las aplicaciones de MMA por diferentes vías tecnológicas
III. Nuevo proceso: Método de carbonilación de etanol de base biológica para la síntesis de MMA
En proceso del metacrilato de metilo desarrollada por DODGEN es una ruta de síntesis totalmente nueva, que utiliza principalmente CO, etanol, metanol y formaldehído como materias primas, y obtiene MMA mediante una reacción de tres pasos. La innovación de este proceso radica en la naturaleza biológica de sus materias primas, en línea con la tendencia mundial hacia la demanda de materiales biológicos.
Principio y etapas del proceso
1. Carbonilación del etanol para sintetizar ácido propiónico:
• Materias primas: Etanol, CO
• Catalizador: Sistema catalizador optimizado para el ácido propiónico
• Reacción: Bajo la acción del catalizador, el etanol experimenta una reacción de carbonilación con CO para producir ácido propiónico.
• Tasa de conversión: La tasa de conversión del etanol es de 99%, con un Conversión de CO de 95%.
2. Esterificación del ácido propiónico a éster de propilo:
• Materias primas: Ácido propiónico, metanol
• Tecnología: Basado en tecnología industrial madura de torre de esterificación
• Reacción: El ácido propiónico reacciona con el metanol en la torre de esterificación para producir éster propílico (propionato de metilo).
• Tasa de conversión: El índice de conversión del ácido propiónico es 99%.
3. Condensación hidroxialdólica de propionato de metilo y formaldehído para producir MMA:
• Materias primas: Propionato de metilo, formaldehído
• Enfoque I+D: Mejorar la tasa de conversión de un solo paso y la selectividad del propionato de metilo
• Reacción: El propionato de metilo reacciona con el formaldehído en condiciones específicas para sufrir una reacción de condensación hidroxialdólica, produciendo MMA.
• Índice de conversión y selectividad: El índice de conversión en un solo paso del propionato de metilo es de 15%, con una selectividad de 95%. El rendimiento espacio-temporal es de 168g/kg cat.h.
IV. Ventajas del método de carbonilación de etanol de base biológica DODGEN para la síntesis de MMA
1. Materias primas de origen biológico:
El etanol puede obtenerse a partir de procesos de biofermentación (como el maíz o la caña de azúcar), en consonancia con la demanda mundial de materiales de origen biológico.
2. Costes estables:
El precio del etanol de origen biológico es relativamente estable, lo que garantiza que los productos de MMA producidos por esta vía también mantengan estables sus costes de producción.
3. Beneficios medioambientales:
En comparación con otros procesos, el método de carbonilación del etanol genera menos productos residuales y más sencillos, por lo que cumple los requisitos de protección del medio ambiente.
4. Alta tasa de conversión y selectividad:
El proceso consigue elevadas tasas de conversión de etanol y CO, mientras que la tasa de conversión en un solo paso y la selectividad del propionato de metilo también son notablemente altas.
5. Valor del producto intermedio:
El ácido propiónico, como producto intermedio, o sus derivados (propionato de metilo y sales propiónicas), pueden venderse, lo que aumenta el valor añadido de la línea de productos global.
V. Retos y dificultades del método de carbonilación de etanol de origen biológico para la síntesis de MMA
1. Tecnología de separación:
El MMA es un medio sensible al calor, por lo que los procesos de separación deben realizarse en condiciones de vacío o baja presión. Esto puede requerir equipos especializados, como evaporadores de película descendente, para garantizar una separación eficaz.
2. Emisión de azeótropos:
Durante la producción, varias sustancias pueden formar azeótropos, lo que complica el proceso de separación. Esto requiere una cuidadosa integración de técnicas como la destilación por presión y oscilación y la extracción con disco giratorio para gestionar y resolver los problemas relacionados con los azeótropos.
3. Tecnología de cristalización por fusión a temperatura ultrabaja:
Para producir PMMA de calidad óptica, la tecnología de cristalización por fusión a temperaturas ultrabajas es esencial para lograr la pureza y las propiedades requeridas. Esto añade complejidad al proceso de producción y exige equipos avanzados.
4. Consumo de vapor a baja presión:
El proceso de destilación MMA requiere una cantidad considerable de vapor a baja presión. El reto clave reside en obtener vapor de baja presión a bajo coste, ya que es crucial para reducir los costes globales de producción. Optimizar la generación y el consumo de vapor es vital para mejorar la rentabilidad.
DODGEN, La empresa, basada en la tecnología unitaria, ha aprovechado sus ventajas de ingeniería para superar los retos expuestos, diseñando una tecnología de proceso de MMA viable y fiable. Con los datos de las pruebas a pequeña escala como base, ya hemos completado el diagrama de flujo de la planta piloto (PFD) y los cálculos del balance de materiales. Se ha finalizado la selección de equipos clave, y la selección de otros equipos se encuentra en las fases preliminares. Además, hemos establecido los datos básicos para la inversión a escala piloto, los requisitos de superficie y las emisiones de residuos.
Para garantizar el éxito de la aplicación del proceso de ingeniería, tenemos previsto ampliarlo a una planta piloto de 1.000 toneladas basada en la tecnología de pruebas a pequeña escala existente. Nuestros expertos ya han completado la evaluación de seguridad del primer conjunto de procesos. Invitamos sinceramente a los colegas de diversas industrias que estén interesados en la tecnología MMA de carbonilación de etanol de base biológica a colaborar y ayudar a desarrollar la tecnología piloto, ¡contribuyendo con un nuevo impulso de desarrollo a la producción de MMA en China!
