메틸 메타크릴레이트(MMA)는 열, 빛 또는 촉매의 존재 하에서 자가 중합이나 다른 단량체와의 공중합을 일으킬 수 있는 중요한 화학 원료입니다. 무색 투명한 물질로, 내후성, 자외선 안정성, 투명성 및 고광택성이 뛰어납니다. MMA는 주로 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA)와 ACR, MBS와 같은 폴리염화비닐(PVC)용 내충격 개질제를 생산하는 데 사용됩니다. 또한 코팅, 접착제, 섬유 인쇄, 염색 보조제 및 기타 분야에서도 널리 사용됩니다.
I. 수급 현황
● 2019년부터 2023년까지 생산 능력의 연평균 성장률은 17.8%였던 반면, 소비의 연평균 성장률은 9.2%를 기록하여 자급률이 지속적으로 개선되었다. 2021년 이후, 수급은 점차 균형을 이루게 되었다.
그림 1: MMA 수급 현황 (2019–2023)
● 아시아는 세계 최대의 MMA 생산 및 소비 지역으로, 전 세계 생산 능력의 약 70%를 차지하며, 이 지역의 수급은 대체로 균형을 이루고 있다. 중국은 전 세계 최대 소비국으로, 전체 소비량의 29.3%를 차지한다.
● 북미는 전 세계 생산 능력의 14%를 차지하는 두 번째로 큰 생산 및 소비 지역이며, 이곳에서도 공급과 수요가 대체로 균형을 이루고 있다.
● 서유럽은 전 세계 생산 능력의 8%를 차지하지만, 2022년 미쓰비시 화학의 영국 공장 가동 중단으로 인해 이 지역의 수급 균형이 깨졌다.
● 중동 지역도 미쓰비시 레이온과 사빅(SABIC)의 에틸렌 기반 공장은 물론, 아람코와 스미토모가 공동 운영하는 C4 기반 공장을 앞세워 중요한 수출 기지로 부상했다.
수요 측면에서 볼 때, 2019년부터 2023년까지 MMA의 하류 응용 분야에 대한 개요는 다음과 같습니다.
그림 2: MMA 하류 산업 수요 (2019–2023)
1. PMMA 소비 분야:
• 위생 및 건설: PMMA는 위생 및 건설 분야에서 널리 사용되며, 전체 소비량의 32.0%를 차지합니다.
• 자동차: 차량 경량화에 대한 요구가 높아짐에 따라, PMMA는 자동차 부문에서 상당한 수요 잠재력을 보이고 있으며, 이 부문의 소비량은 19.7%를 차지합니다.
• 전자 및 가전 제품: 전자 및 가전 제품 분야에서 PMMA의 적용 규모는 28.0%를 차지하며, 특히 LED/LCP 디스플레이, 광학 소재, 광섬유, 고급 의료용 소재 등의 분야에서 널리 사용되고 있습니다.
2. MS 수지의 적용 분야:
• 디스플레이 광도판: MS 수지는 주로 디스플레이 광도판에 사용됩니다. 대형·얇은 베젤 디스플레이가 확산됨에 따라 MS 수지에 대한 수요는 안정적인 수준을 유지하고 있습니다.
• 화장품 포장재: MS 수지는 화장품 포장재 분야에서도 활용되고 있으며, 향후 수요가 소폭 증가할 것으로 전망됩니다.
3. 충격 수정자 ACR/MBS:
• 처리형 상품: 국내 ACR/MBS 상품은 주로 처리형 상품이지만, 저가형 CPE와의 경쟁으로 인해 시장 규모는 상대적으로 작다.
• 고부가가치 제품 개발: 고부가가치 제품의 연구개발(R&D)에 대한 투자를 확대하고 고품질 개발에 주력하는 것이 향후 ACR/MBS 산업의 성장을 위한 핵심 기회가 될 것입니다.
4. 도료 산업:
• 용제형 도료: 현재 국내 도료 산업은 여전히 용제형 제품이 주를 이루고 있으며, 시장 점유율이 60%를 넘는다.
• 친환경 코팅제: 환경 정책의 추진에 힘입어 새로운 수성 친환경 코팅제 시장이 급속히 성장할 것으로 전망됩니다. 방수 코팅제인 MMA는 상당한 발전 잠재력을 지니고 있습니다.
5. 기타 적용 분야:
• MMA는 조명 분야에서도 사용되며, 이 분야의 비중은 6.6%를 차지하고, 신흥 분야에서도 사용되어 6.5%를 차지하고 있다.
II. 기술 공정 경로의 비교
1. 주요 공정 경로:
• C2 노선: 여기에는 BASF 공법과 α-MMA 공법이 포함됩니다. BASF 공법은 공정이 간단하지만 막대한 투자가 필요하고 촉매 수명이 짧습니다. α-MMA 공법은 환경 친화적이지만 고순도 CO가 필요하기 때문에 분리 비용이 많이 듭니다.
• C3 경로 (ACH 방식): 이 기술은 성숙도가 높고 신뢰성이 뛰어나며 투자 비용도 적게 듭니다. 그러나 산으로 인해 장비의 부식이 심하고, 폐액 처리 비용이 높으며, 공정은 아크릴로니트릴의 가동률에 영향을 받습니다.
• C4 노선: 여기에는 전통적인 이소부텐 공정(3단계 공정)과 개선된 이소부텐 공정(2단계 공정)이 포함됩니다. 원료는 쉽게 구할 수 있지만, 비용은 C4 원료 가격의 영향을 크게 받으며, 촉매 제조가 다소 어려울 수 있습니다.
2. 국내 노선:
• C1 메탄올/알데히드 – 아세트산메틸 방법: 대규모 공장이 가동에 들어갔지만, 기술과 제품 품질은 여전히 개선이 필요합니다.
• C2 에틸렌 제조법: 수천 톤 규모의 파일럿 플랜트가 건설되었으나, 아직 연구 개발 단계에 머물러 있다.
• C3 ACH 방법: 여러 기업에서 도입하고 있으며, 기술적으로 비교적 성숙한 단계에 있다.
• C4 이소부텐 산화 방법: 3단계 방식과 2단계 방식이 모두 포함되어 있으며, 일부 기업에서는 이미 이를 도입하여 양산에 돌입한 상태입니다.
3. 다양한 공정 경로의 비교:
• 투자 비용: ACH 방식은 투자 비용이 비교적 적게 들지만, 원자재 가격 변동에 상당한 영향을 받을 수 있습니다.
• 제작 비용: 각 공정 경로의 생산 비용은 원자재 가격, 촉매 효율, 에너지 소비량 등 다양한 요인의 영향을 받습니다.
• 환경 및 안전 측면: C2 공정은 친환경적이며 안전성이 높지만, ACH 공정은 독성이 매우 강한 물질인 시안화수소를 취급하는 데 어려움이 있다.
4. 공정 경로 선정:
• 석유화학 기업: 일반적으로 이소부텐 산화 공정을 선택하는 경향이 있다.
• 석탄 화학 또는 CTO 기업: C1 및 C2 공정을 선택할 때 분명한 장점이 있습니다.
• 아크릴로니트릴 생산 기업: ACH 공법은 아크릴로니트릴 생산과 병행할 때 여전히 경쟁력을 유지합니다.
그림 3: 기술 경로별 MMA 응용 분야의 전 세계 분포
III. 새로운 공정: MMA 합성을 위한 바이오 기반 에탄올 카르보닐화법
그리고 메틸 메타크릴레이트 공정 DODGEN이 개발한 기술은 CO, 에탄올, 메탄올, 포름알데히드를 주원료로 사용하여 3단계 반응을 거쳐 MMA를 생산하는 완전히 새로운 합성 공정입니다. 이 공정의 혁신점은 원료가 바이오 기반이라는 점에 있으며, 이는 바이오 기반 소재에 대한 수요가 증가하는 세계적 추세와 부합합니다.
공정 원리 및 단계
1. 프로피온산 합성을 위한 에탄올 카르보닐화:
• 원자재: 에탄올, 이산화탄소
• 촉매: 프로피온산 생산을 위한 최적화된 촉매 시스템
• 반응: 촉매의 작용 하에, 에탄올은 CO와 카보닐화 반응을 일으켜 프로피온산을 생성한다.
• 전환율: 에탄올 전환율은 99%이며, 전체적인 CO 전환 95% 비율.
2. 프로피온산의 프로필 에스테르로의 에스테르화 반응:
• 원자재: 프로피온산, 메탄올
• 기술: 성숙된 산업용 에스테르화탑 기술을 기반으로 함
• 반응: 프로피온산은 에스테르화탑에서 메탄올과 반응하여 프로필 에스테르(메틸 프로피오네이트)를 생성합니다.
• 전환율: 프로피온산의 전환율은 99%입니다.
3. 메틸 프로피오네이트와 포름알데히드의 하이드록시 알돌 축합을 통한 MMA 생산:
• 원자재: 프로피오네이트 메틸, 포름알데히드
• 연구개발 중점 분야: 프로피오네이트 메틸의 단일 통과 전환율 및 선택성을 향상시킨다
• 반응: 프로피오네이트 메틸은 특정 조건 하에서 포름알데히드와 반응하여 하이드록시 알돌 축합 반응을 일으키며, 이 과정에서 MMA가 생성된다.
• 전환율과 선택성: 프로피오네이트 메틸의 단일 통과 전환율은 15%이며, 선택성은 95%이다. 시공간 수율은 168g/kg cat.h이다.
IV. MMA 합성을 위한 DODGEN 바이오 기반 에탄올 카르보닐화법의 장점
1. 바이오 기반 원료:
에탄올은 (옥수수나 사탕수수와 같은) 생물 발효 공정을 통해 생산될 수 있으며, 이는 바이오 기반 소재에 대한 전 세계적인 수요와 부합합니다.
2. 안정적인 비용:
바이오 기반 에탄올의 가격은 비교적 안정적이어서, 이 공정을 통해 생산되는 MMA 제품 역시 안정적인 생산 비용을 유지할 수 있습니다.
3. 환경적 이점:
다른 공정에 비해 에탄올 카르보닐화 공정은 발생되는 폐기물의 양이 적고 성분도 단순하여 환경 보호 요건을 충족합니다.
4. 높은 전환율과 선택성:
이 공정은 높은 에탄올 전환율과 CO 전환율을 달성하는 한편, 단일 통과 전환율과 메틸프로피오네이트의 선택성도 현저히 높은 수준을 보인다.
5. 중간재의 가치:
중간 제품인 프로피온산이나 그 유도체(프로피온산 메틸에스테르 및 프로피온산 염)를 판매함으로써 전체 제품군의 부가가치를 높일 수 있습니다.
V. MMA 합성을 위한 바이오 기반 에탄올 카르보닐화법의 과제 및 어려움
1. 분리 기술:
MMA는 열에 민감한 물질이기 때문에, 분리 공정은 진공 또는 저압 조건에서 수행되어야 합니다. 이를 위해서는 효율적인 분리를 보장하기 위해 낙하막 증발기와 같은 특수 장비가 필요할 수 있습니다.
2. 공비점 문제:
생산 과정에서 다양한 물질이 공비 혼합물을 형성할 수 있으며, 이로 인해 분리 공정이 복잡해집니다. 따라서 공비 혼합물과 관련된 문제를 관리하고 해결하기 위해서는 압력 변동 증류 및 회전 디스크 추출과 같은 기술을 신중하게 통합해야 합니다.
3. 초저온 용융 결정화 기술:
광학 등급 PMMA를 생산하기 위해서는 요구되는 순도와 물성을 확보하기 위해 초저온 용융 결정화 기술이 필수적입니다. 이로 인해 생산 공정이 복잡해지며 첨단 장비가 필요합니다.
4. 저압 증기 소비량:
MMA 증류 공정에는 상당한 양의 저압 증기가 필요합니다. 전체 생산 비용을 절감하는 데 있어 저비용 저압 증기를 확보하는 것이 핵심 과제입니다. 비용 효율성을 높이기 위해서는 증기 생산 및 소비를 최적화하는 것이 필수적입니다.
도겐, 유닛 기술을 기반으로 엔지니어링상의 강점을 활용하여 앞서 언급한 과제들을 극복하고, 실현 가능하며 신뢰할 수 있는 MMA 공정 기술을 설계했습니다. 소규모 시험 데이터를 바탕으로, 이미 파일럿 플랜트 흐름도(PFD) 및 물질 수지 계산을 완료했습니다. 주요 설비 선정은 최종 확정되었으며, 기타 설비 선정은 예비 단계에 있습니다. 또한, 파일럿 규모 투자, 부지 면적 요구 사항 및 폐기물 배출에 대한 기본 데이터를 확립했습니다.
엔지니어링 공정의 성공적인 구현을 보장하기 위해, 당사는 기존의 소규모 시험 기술을 바탕으로 1,000톤 규모의 파일럿 플랜트로 확대할 계획입니다. 첫 번째 공정 세트에 대한 안전성 평가는 이미 당사 전문가들에 의해 완료되었습니다. 바이오 기반 에탄올 카르보닐화 MMA 기술에 관심이 있는 다양한 산업 분야의 동료 여러분께서 협력하여 파일럿 기술 개발에 동참해 주시기를 진심으로 초대하며, 이를 통해 중국 내 MMA 생산에 새로운 발전 동력을 불어넣을 수 있기를 바랍니다!
