化工
作為重要的化工單體，苯乙烯年需求量超過2500萬噸，在全球的單體生產(chǎn)量中位列第四。但是與其他聚合物單體相比，苯乙烯的生產(chǎn)耗能是單體平均水平的10倍，而且生產(chǎn)中會排放大量的溫室氣體甲烷。針對這一現(xiàn)狀，在美國能源部和新澤西州科學(xué)技術(shù)委員會的共同資助下，美國新澤西州Exelus公司開發(fā)了苯乙烯新技術(shù)ExSyM工藝。它采用甲苯和甲醇為原料，利用甲苯與甲醇進(jìn)行側(cè)鏈烷基化反應(yīng)，替代常規(guī)的乙苯脫氫路線，不僅操作條件緩和，而且生產(chǎn)成本明顯降低，能耗和溫室氣體排放大幅度減少，是一種生成苯乙烯的全新低能耗工藝。
ExSyM工藝采用甲苯與甲醇側(cè)鏈烷基化生成苯乙烯、氫氣和水，這種方法使用固定床工藝直接生產(chǎn)苯乙烯。反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，使用的是專有催化劑，反應(yīng)溫度約400℃～425℃。由于沒有脫氫反應(yīng)，新方法吸熱減少50%，比傳統(tǒng)路線降低能耗40%。新方法采用甲醇和甲苯作原料，價格大大低于乙苯，因此整個反應(yīng)節(jié)約成本約35%，每噸苯乙烯可節(jié)約350~400美元，而且大大減少投資成本。
據(jù)Exelus公司估計，采用ExSyM工藝建設(shè)25萬噸/年苯乙烯裝置的投資費用為6300萬美元，而傳統(tǒng)裝置為1.25億美元，而且還可以對傳統(tǒng)苯乙烯裝置進(jìn)行改建，改建一套25萬噸/年裝置的投資費用為1000萬～1500萬美元，投資回收期很短。新工藝還可降低溫室氣體的排放量，尤其是甲烷和CO2。傳統(tǒng)的苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)為乙苯脫氫法，是強(qiáng)吸熱化學(xué)反應(yīng)，需輸入大量熱能，工業(yè)上一般需要用900℃的蒸汽加熱，反應(yīng)溫度需超過600℃。Exelus公司總裁慕克吉（Mukherjee）認(rèn)為，近年來乙苯生成苯乙烯技術(shù)開發(fā)大部分集中在催化劑和設(shè)備優(yōu)化上，難以從根本上改變工藝耗能狀況，因此很難具備競爭優(yōu)勢。近年來由于乙苯價格高漲，使苯乙烯和下游聚苯乙烯的生產(chǎn)受到很大限制。
據(jù)了解，用甲醇對甲苯進(jìn)行側(cè)鏈烷基化的新工藝早在30多年前就曾提出，但由于甲醇易于分解成氫氣和一氧化碳，而氫氣可使苯乙烯轉(zhuǎn)化成乙苯，使苯乙烯收率降低，副產(chǎn)物的生成還使苯乙烯提純較困難，因此苯乙烯的最大收率僅10%，難以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。
Exelus公司介紹，傳統(tǒng)的研究往往致力于改進(jìn)反應(yīng)催化劑以提高苯乙烯收率，而現(xiàn)今該公司將催化劑、反應(yīng)工程和工藝設(shè)計相結(jié)合，開發(fā)出具有孔結(jié)構(gòu)、含有較高堿活性中心的改性沸石材料。沸石材料的孔結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)反應(yīng)物滲透并延長反應(yīng)停留時間，而活性中心可以將甲苯選擇性吸附在甲醇上，減少了甲醇分解，強(qiáng)化了甲苯烷基化反應(yīng)。Exelus還設(shè)計了全新的反應(yīng)器，降低了甲醇分解率，提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和苯乙烯的選擇性，因此甲醇生成苯乙烯和乙苯的轉(zhuǎn)化率超過90%，其中苯乙烯比例超過85%。以甲醇計，苯乙烯總收率超過60%。而且生產(chǎn)的乙苯既可以脫氫繼續(xù)生成苯乙烯，也可以銷售給其他生產(chǎn)廠商。生成的氫氣聯(lián)產(chǎn)物易于回收燃燒，提供反應(yīng)所需的大量能源，不產(chǎn)生二氧化碳。Exelus表示，苯乙烯生產(chǎn)商如采用這項新技術(shù)，僅美國即可年節(jié)能196萬億千焦，減少碳排放43.4億千克，可使美國溫室氣體排放減少約5%。
Exelus公司目前正以工業(yè)級甲苯和甲醇為原料，在1米高的反應(yīng)器中測試催化劑的長期穩(wěn)定性，初步試驗將驗證催化劑在1000小時的穩(wěn)定性。如果試驗成功，下一步將進(jìn)行商業(yè)規(guī)模的示范。
技術(shù)看點：
傳統(tǒng)工藝：乙苯脫氫法，反應(yīng)溫度高，投資大，能耗高，排放大量甲烷、二氧化碳等溫室氣體
新工藝：甲苯甲醇側(cè)鏈烷基化法，反應(yīng)溫度低，大幅提高轉(zhuǎn)化率，尾氣轉(zhuǎn)化為熱能循環(huán)利用，能耗和溫室氣體排放大大減少
ExSyM工藝采用甲苯與甲醇側(cè)鏈烷基化生成苯乙烯、氫氣和水，這種方法使用固定床工藝直接生產(chǎn)苯乙烯。反應(yīng)在常壓下進(jìn)行，使用的是專有催化劑，反應(yīng)溫度約400℃～425℃。由于沒有脫氫反應(yīng)，新方法吸熱減少50%，比傳統(tǒng)路線降低能耗40%。新方法采用甲醇和甲苯作原料，價格大大低于乙苯，因此整個反應(yīng)節(jié)約成本約35%，每噸苯乙烯可節(jié)約350~400美元，而且大大減少投資成本。
據(jù)Exelus公司估計，采用ExSyM工藝建設(shè)25萬噸/年苯乙烯裝置的投資費用為6300萬美元，而傳統(tǒng)裝置為1.25億美元，而且還可以對傳統(tǒng)苯乙烯裝置進(jìn)行改建，改建一套25萬噸/年裝置的投資費用為1000萬～1500萬美元，投資回收期很短。新工藝還可降低溫室氣體的排放量，尤其是甲烷和CO2。傳統(tǒng)的苯乙烯生產(chǎn)技術(shù)為乙苯脫氫法，是強(qiáng)吸熱化學(xué)反應(yīng)，需輸入大量熱能，工業(yè)上一般需要用900℃的蒸汽加熱，反應(yīng)溫度需超過600℃。Exelus公司總裁慕克吉（Mukherjee）認(rèn)為，近年來乙苯生成苯乙烯技術(shù)開發(fā)大部分集中在催化劑和設(shè)備優(yōu)化上，難以從根本上改變工藝耗能狀況，因此很難具備競爭優(yōu)勢。近年來由于乙苯價格高漲，使苯乙烯和下游聚苯乙烯的生產(chǎn)受到很大限制。
據(jù)了解，用甲醇對甲苯進(jìn)行側(cè)鏈烷基化的新工藝早在30多年前就曾提出，但由于甲醇易于分解成氫氣和一氧化碳，而氫氣可使苯乙烯轉(zhuǎn)化成乙苯，使苯乙烯收率降低，副產(chǎn)物的生成還使苯乙烯提純較困難，因此苯乙烯的最大收率僅10%，難以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。
Exelus公司介紹，傳統(tǒng)的研究往往致力于改進(jìn)反應(yīng)催化劑以提高苯乙烯收率，而現(xiàn)今該公司將催化劑、反應(yīng)工程和工藝設(shè)計相結(jié)合，開發(fā)出具有孔結(jié)構(gòu)、含有較高堿活性中心的改性沸石材料。沸石材料的孔結(jié)構(gòu)能夠加強(qiáng)反應(yīng)物滲透并延長反應(yīng)停留時間，而活性中心可以將甲苯選擇性吸附在甲醇上，減少了甲醇分解，強(qiáng)化了甲苯烷基化反應(yīng)。Exelus還設(shè)計了全新的反應(yīng)器，降低了甲醇分解率，提高了反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和苯乙烯的選擇性，因此甲醇生成苯乙烯和乙苯的轉(zhuǎn)化率超過90%，其中苯乙烯比例超過85%。以甲醇計，苯乙烯總收率超過60%。而且生產(chǎn)的乙苯既可以脫氫繼續(xù)生成苯乙烯，也可以銷售給其他生產(chǎn)廠商。生成的氫氣聯(lián)產(chǎn)物易于回收燃燒，提供反應(yīng)所需的大量能源，不產(chǎn)生二氧化碳。Exelus表示，苯乙烯生產(chǎn)商如采用這項新技術(shù)，僅美國即可年節(jié)能196萬億千焦，減少碳排放43.4億千克，可使美國溫室氣體排放減少約5%。
Exelus公司目前正以工業(yè)級甲苯和甲醇為原料，在1米高的反應(yīng)器中測試催化劑的長期穩(wěn)定性，初步試驗將驗證催化劑在1000小時的穩(wěn)定性。如果試驗成功，下一步將進(jìn)行商業(yè)規(guī)模的示范。
技術(shù)看點：
傳統(tǒng)工藝：乙苯脫氫法，反應(yīng)溫度高，投資大，能耗高，排放大量甲烷、二氧化碳等溫室氣體
新工藝：甲苯甲醇側(cè)鏈烷基化法，反應(yīng)溫度低，大幅提高轉(zhuǎn)化率，尾氣轉(zhuǎn)化為熱能循環(huán)利用，能耗和溫室氣體排放大大減少
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（苒兒）