国内过氧化氢生产技术的问题及应对,化工论文.docx
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1、国内过氧化氢生产技术的问题及应对,化工论文摘 要: 作为一种环境友好的绿色化学品,世界范围内过氧化氢市场需求量呈逐年上升趋势,行业竞争力也在逐步加强。扼要介绍了国内过氧化氢生产技术进展及当下存在的问题,提出了今后的发展建议,并指出了环保、石化、电子、食品等行业是过氧化氢值得开拓的极具潜力的消费领域。 本文关键词语: 过氧化氢; 生产; 消费; 市场; 发展趋势; Abstract: Hydrogen peroxide now is widely recognized as an environmentally friendly chemical product. Global market d
2、emand for hydrogen peroxide has been increasing year by year and the competitiveness of the hydrogen peroxide industry enhances gradually.This paper introduces briefly China s technology progress and existing problems in hydrogen peroxide production and puts forward suggestions for the future develo
3、pment. It also points out that the environmental protection,petrochemical,electronic and food industries are the potential consumption areas worth exploring for hydrogen peroxide. Keyword: hydrogen peroxide; production; consumption; market; development trend; 过氧化氢又名双氧水(H2O2),最早于1818年由法国化学家J.H.Thenar
4、d通过氧化钡与硝酸的反响而发现1。纯过氧化氢是淡蓝色的黏稠液体,溶于水、醇、乙醚,不溶于苯、石油醚;化学性质不稳定,受热、遇光、或与重金属离子、粗糙外表及其他杂质接触容易分解,有着火、爆炸的危险;在不同条件下有氧化作用及复原作用,能够发生氧化复原、取代分子加成、环氧化以及分解等反响2。过氧化氢是一种多用处的氧化剂,在全部p H范围内都具有很强的氧化性。可用活性氧原子质量占其分子质量的47.1,远高于其他工业常用的氧化剂,且用于氧化反响的最终产物为水,被以为是最清洁和绿色的化工原料之一。 20世纪80年代以来,过氧化氢已日渐成为一种重要的基础化学品,作为氧化剂、漂白剂、消毒剂、脱氧剂、聚合物引发
5、剂和交联剂3,4,5,广泛应用于包括化工、造纸、电子、食品、医药、纺织、矿业、农业废料加工等行业在内的漂白、化学品合成和环境保卫等三大领域5,6。2021年全球过氧化氢消费量为550万t,估计2023年将到达650万t。2022年全球过氧化氢市场消费构造大致为:纸浆漂白占41%,化学合成占43%,环境应用占4%,纺织业占4%,采矿、食品、水产等其他行业占8%。 1 、国内外过氧化氢市场现在状况 1.1 、国外市场现在状况 20世纪70年代,过氧化氢的年需求量为50万t;到20世纪90年代,为顺应环境保卫的需求,造纸行业大批量使用过氧化氢替代氯气(Cl2)作为漂白剂,过氧化氢的年需求量迅速增长到
6、150万t;进入本世纪以后,随着世界各国对绿色生产的要求不断升高,以及新兴市场(如合成己内酰胺、环氧丙烷)的产生,对过氧化氢的需求进入了飞速增长的阶段,2020年过氧化氢全球消费总量到达450万t,到2021年増加至550万t左右。根据环球市场观察咨询公司公开数据显示,2021年全球过氧化氢市场规模为24.4亿美元,估计到2025年末市场规模到达36.8亿美元,复合年增长率(CAGR)为4.7%7。从行业上看,固然过氧化氢氧化制环氧丙烷(HPPO工艺)等新兴市场正在迅速崛起,并逐步跻身过氧化氢消费市场的重要位置,然而在可预见的将来几年内,造纸与纺织行业仍将长期在过氧化氢消费市场中占据主导地位。
7、从全球各区域来看,亚太地区是当前最大的过氧化氢消费市场,而且拥有最快的增长速度(GAGR约为5.3%),因而仍将是将来过氧化氢需求量最大的区域。 全球范围内,最为主要的过氧化氢厂商有比利时索尔维公司(Solvay)、德国赢创公司(Evonik)、日本三菱瓦斯化学公司(MGC)、美国富美实公司(FMC)、芬兰凯米拉公司(Kemira)、瑞典Eka Chemical公司以及法国阿科玛公司(Arkema)。华而不实Solvay、Evonik及Akerma通过一系列兼并重组及扩能,位列全球过氧化氢产业前三强。 Solvay不仅仅是过氧化物的市场和技术领导者,而且在全球拥有19座工厂。从2008到202
8、1年,Solvay在全球建设了3个特大型过氧化氢生产装置,分别位于比利时的安特卫普(23万t/a)、泰国的马塔府(33万t/a)和沙特阿拉伯的朱拜勒(30万t/a)。从上世纪70年代开场,Solvay在中国开场发展业务,当前在中国有12个生产基地以及1个研究与创新中心,2022年中国经营业务净销售额到达了84.7亿元人民币。 1.2、 国内市场现在状况 我们国家过氧化氢生产起步较晚,上世纪70年代初第一套蒽醌法生产装置才在北京氧气厂建成投产,最初的设计规模为300 t/a(27.5%),为我们国家填补了空白8。后经化工部和黎明化工研究院多年的开发探寻求索和大力宣传,我们国家过氧化氢工业在七八十
9、年代间获得了较大进展,到1986年底,全国总生产能力已达12.3达式kt/a(27.5%),占当时全世界生产能力的2%左右9。1987年7月,中国第一套采用钯催化剂的蒽醌法过氧化氢生产装置(3 600 t/a,27.5%)在洞庭氮肥厂(巴陵公司的前身)建成开车8。此后,我们国家过氧化氢行业发展进入了快车道,发展速度及技术水平不断提高。 随着配套的己内酰胺生产装置的规模增大,从节约投资、节能降耗的角度,提高单套过氧化氢装置的生产能力势在必行。2000年以来装置大型化逐步在整个行业内达成共鸣,大型过氧化氢生产装置开场在国内新增产能中占据主流。2001年,国内过氧化氢生产能力突破100万t(27.5
10、%)。2003年 非典 疫情的发生,促使消毒用过氧化氢用量飙升,全面推动了国内过氧化氢项目的上马热潮。2005年,我们国家过氧化氢产能比4年前又翻了1倍,到达220万t/a(27.5%),产能、产量及表观消费量均超过美国,跃居世界第一。 2021年后国内过氧化氢产能持续增加,超过1 000万t/a(27.5%),详见表1。截至2020年,国内过氧化氢产能为1 460万t/a(27.5%)。由于过氧化氢应用领域前景广阔,将来仍将有新企业不断进入,且生产企业的销售形式为以销定产,产品订单量不断增加,过氧化氢的产量也将不断增长。预测2025年中国过氧化氢需求量将达2 379万t(27.5%)。 表1
11、 2021 2020年我们国家过氧化氢产能及产量 造纸、印染行业曾是我们国家过氧化氢的两大传统消费领域,其消费占比最高超过60%,但近年来随着我们国家供应侧改革的持续深切进入,安全环保要求日趋严格,作为传统制造业的造纸和印染行业产能大幅淘汰,因而过氧化氢的消费比例也逐年下降。与此相反的是,化工合成领域过氧化氢的消费量呈直线上升趋势, 十三五 末消费占比到达40%。除此之外,随着新环保法的施行,污水治理方面的要求越来越严格,过氧化氢在污水治理应用中的占比也在逐步提升,见表2。 表2 中国过氧化氢消费比例变化 据统计,2022年国内过氧化氢生产企业超过80家,生产能力在300 kt/a(27.5%
12、)及以上的仅有11家(见表3),占比不到13%;生产能力在100 kt/a(27.5%)下面的有16家,占比接近30%。近年来过氧化氢产能不断扩张的同时,部分生产企业因环保不达标、原料缺乏等问题也逐步被淘汰,如河南宏大化工有限公司、柳州盛强化工有限公司、山东潍坊星兴联合化工有限公司等。当前国内生产规模较大的企业有鲁西化工集团股份有限公司(下面简称 鲁西化工 )、赢创特种化学(吉林)有限公司、阳煤化工股份有限公司等。华而不实鲁西化工是国内最大的过氧化氢生产企业,年产能为100万t/a。2020年12月24日,鲁西化工发布公告,拟投资140.34亿元,分期分步施行用于建设60万t/a己内酰胺尼龙6
13、项目、120万t/a双酚A项目、24万t/a乙烯下游一体化项目,华而不实就包括新建75万t/a过氧化氢的生产装置。 表3 中国过氧化氢部分生产企业(生产能力 30.0万t/a) 2 、国内过氧化氢生产技术进展 随着过氧化氢应用越来越广泛、需求量的逐年增加,过氧化氢的合成方式方法也越来越多种多样,主要包括无机化学反响法、水解过氧化物法、碳氢化合物自氧化法、异丙醇氧化法、电解法、蒽醌法及氢气和氧气直接合成法。当前,商业过氧化氢的生产主要依靠蒽醌法(见图1)及氢气和氧气直接合成,华而不实,蒽醌法合成的过氧化氢占了全球产量的95%及国内产量的98%。 图1 典型蒽醌法制过氧化氢的工艺流程图 20世纪8
14、0年代初期我们国家开发出蒽醌法过氧化氢生产工艺,并投入工业化生产,在这里后短短的几十年里,国内的过氧化氢生产能力得到了迅猛发展。十分是在蒽醌法生产新工艺与新技术开发方面的不断创新、优化与改良,促使我们国家过氧化氢行业综合工艺技术水平与整体装备有了突飞猛进的进步。纵观我们国家过氧化氢行业这些年来所经历的主要技术进步,大致包括下面几个方面。 2.1 、蒽醌加氢催化剂的开发 蒽醌法工艺包含有多道工序,华而不实氢化工序是最为关键的部分,它的优劣直接决定了整个装置的生产能力和经济技术指标。为了到达简化工艺流程、提高生产效率、改善产品质量和降低生产成本的目的,必须选用加氢性能优越的催化剂。当前除少数小规模
15、生产装置仍然使用传统的雷尼镍催化剂,基本采用的都是负载型Pd催化剂。最初的负载型贵金属催化剂,活性组分在载体呈均匀分布。随着研究的深切进入和催化剂制备技术的提高,当前蒽醌加氢所用的Pd催化剂均为非均布蛋壳型催化剂,载钯薄层厚度通常为微米级,这样就极大地提高了贵金属利用率,有效地降低了催化剂生产成本。催化剂活性层变薄,不但避免了反响物在催化剂孔道滞留时间过长造成深度加氢,而且降低了产物的扩散阻力,进而提高了催化剂加氢效率及选择性。另外也有一些研究者致力于将催化剂制成特定形状,如圆柱整体、蜂窝状等10,11,以此到达改善催化剂加氢性能的目的。 史文涛等12在专利中介绍了一种蛋壳型固定床蒽醌加氢钯催
16、化剂的制备方式方法。浸渍结束后用电导率为26 S/cm的脱盐水对催化剂进行洗涤,除去附着在催化剂外表的杂质离子。催化剂的活性金属钯呈蛋壳型分布(5080 m),严密附着在催化剂外外表。整个制备经过相对简单、贵金属利用率高、生产成本低,且催化剂蒽醌加氢性能优越,选择性好。施行例中氢化效率最高可达9.6 g/L,选择性99.6%。 采用浸渍法制备的催化剂从严格意义上来讲并非真正的蛋壳型催化剂,贵金属离子仅仅是富集在外表层,有部分贵金属离子不可避免地会进入到载体内部,反响物和产物分子仍有可能扩散到这部分活性位上,增大降解物生成的概率13。为此,清华大学的研究人员以外层多孔构造、内部实心的玻璃微球作为
17、载体,结合亚临界水热刻蚀及离子交换法,制备了具有真正蛋壳构造的负载型Pd催化剂(见图2)14,15。电镜结果显示,Pd纳米颗粒在壳层侵入深度仅为34 m,平均粒径4 nm,呈单分子层分散。这种催化剂内部为实心构造,能够有效地阻止蒽醌分子向内扩散,十分合适于快速反响。 图2 玻璃微球负载的钯催化剂制备流程图 2.2、加氢反响器的开发 蒽醌加氢是一个典型的气-液-固三相反响,反响器选型直接影响选择性和时空产率。当前国内正常开工的过氧化氢生产装置,除上海华谊能源化工有限公司、苏州菱苏过氧化物有限公司等少数几家引进国外技术采用的是流化床工艺,其他基本均采用固定床蒽醌法加氢工艺。 与国内固定床大行其道相
18、反的是,国外只要少量规模较小的生产企业仍采用固定床,大多数公司的氢化反响是在流化床中进行。相比固定床,流化床反响器具有更高层次的收率及加氢选择性,反响器内传质良好,传热均匀,并且催化剂易于更换,十分合适于大规模生产。国外主要化工企业最近几年建成的大型过氧化氢生产装置中,均采用流化床氢化工艺16。华而不实就包括前文所述Solvay公司的3套特大型过氧化氢生产装置,以及赢创特种化学(吉林)有限公司的23万t/a过氧化氢生产装置。 2022年8月,中国石化石油化工科学研究院(RIPP)主导研发的2万t/a浆态床蒽醌加氢制过氧化氢工业示范装置在巴陵建成并一次开车成功,该装置成功地验证了浆态床全流程工艺
19、可行性。与改造前固定床工艺相比,催化剂装填量减少90%、生产效率增加1倍、生产成本下降19.9%、氢耗下降5%、废水减少67%,实现了生产经过本质安全,到达了国外公司文献报道的较高水平。 2.3 、工作液配方的优化 蒽醌工作液是蒽醌法循环生产过氧化氢的核心,主要由工作载体和溶剂两部分组成,华而不实工作载体承当着生产经过中发生的所有化学反响,而溶剂的主要功能是溶解与运输工作载体17。要提高过氧化氢的生产效率,通常采用2种方式方法:一种是选择溶解度大的烷基蒽醌作为工作载体,选择溶解蒽醌能力强的有机溶剂;另一种方式方法是提高非极性溶剂在工作液中的比例,增大蒽醌溶解量。 当前工业生产中使用的工作载体通
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