羟丙基甲基纤维素生产技术和发展前景
发布时间：2024-3-31
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[摘 要] 羟丙基甲基纤维素(简称HPMC) 是一种国内紧缺的高科技精细化工产品,广泛应用于许多工业领域和日常生活之中。在我国,这类产品的生产技术和应用开发还处于起步阶段。因此,掌握最新生产技术,并对其应用技术和市场开发提出设想就显得尤为重要。
[关键词] 羟丙基甲基纤维素;工艺技术;应用开发
[中图分类号] TE65 [文献标识码] A [文章编号] 1009 —301X(2004) 06 —0058 —(03)
羟丙基甲基纤维素(简称HPMC) 是一种国内紧缺的高科技精细化工产品,是各类纤维素中用途最广、性能最优的一个品种。由于该产品具有优良的增稠、乳化、保护胶体、保持水分等性能,应用于 涂料、聚合反应、建筑材料、石油钻井和开采、纺织、食品、医药、日用陶瓷、电子器件以及农业种子等部门。在发达国家,HPMC 广泛应用于各个工业领域和日常生活之中,被称为“工业味精”,已经成为一种不可或缺的化学助剂。
1 产品概况
纤维素醚是一类重要的水溶性高分子化合物,是以天然纤维素(α- 纤维素,包括棉短绒或木桨粕) 经过碱化、醚化反应而生成的一系列产品的总称。纤维素醚分为离子型和非离子型两类产品,离子型产品主要是羧甲基纤维素(CMC) ,非离子型产品包括甲基纤维素(MC) 、羟丙基甲基纤维素(HPMC) 、乙基纤维素( EC) 、羟乙基纤维素(HEC) 、羟丙基纤维素(HPC) 等。
HPMC属水溶性非离子型纤维素醚,是甲基纤维素(MC) 中部分甲氧基被羟丙氧基置换时得到的产物。其化学结构见图1 :
图1 HPMC化学结构
HPMC 为白色粉末,无味,无臭,无毒,在人体内完全无变化而排出体外。该品易溶于水,但不溶于热水。水溶液为无色透明粘稠物。HPMC 具有优良的增稠、乳化、成膜、分散、保护胶体、保持水分、粘合、耐酸碱,抗酶等性能,广泛用于建筑、涂料、医药、食品、纺织、油田、化妆品、洗涤剂、陶 瓷、油墨及化学聚合反应过程中。
2 国内外生产状况
2. 1 国外生产状况
水溶性纤维素醚自20 世纪30 年代中期在国外工业发达国家相继开发投产,50 年代得到快速发展,至今已形成以离子型和非离子型为主的两大类产品的庞大产业。CMC、MC/ HEC 分别为离子型和非离子型纤维素醚最重要的品种。
目前,全世界纤维素醚总生产能力已达50 万t ,其中离子型占67 %。2000 年世界总产量为47 万t ,非离子型纤维素醚明显地少于离子型纤维素醚。这是由于非离子型纤维素醚的价格一般都较高,而离子型纤维素醚因价格较低,一般应用大多选择CMC。生产 MC 和HEC 由于采用氯甲烷、环氧乙烷为醚化剂,需要有处理这些低沸点危险物质的一整套工艺系统,对安全和环境保护有较高的要求,所以至今仍只有美国、欧洲和日本少数 几个工业发达的国家才能实现大规模生产。下表列出了世界主要国家生产水溶性纤维素醚的能力和品种。
表1 国外纤维素醚生产能力 (单位:万t/ a)
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公司
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MC系列
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HEC 系列
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总计
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生产厂所在地
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赫克里斯
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1.65
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4.6
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6.25
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美国
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道化学
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4.73
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4.73
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美国、德国、英国
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克莱力特
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2.3
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0.36
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2.66
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德国
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联碳化学
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2.6
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2.6
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美国、比利时、巴西
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沃尔夫
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2.35
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2.35
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德国
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阿克苏诺贝尔
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2
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2
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瑞典
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信越化学
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1.2
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1.2
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日本
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三星
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1.85
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1.85
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韩国
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其它
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0.42
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0.22
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0.64
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合计
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13.5
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9.78
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23.28
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美国、德国是世界上水溶性纤维素最主要的生产国, 拥有较大规模的生产装置和先进的生产技术。亚洲的韩国和日本分别从德国和美国引进技术和设备组织生产, 生产能力分别达到或超过了万吨水平,成为世界上主要的生产国。世界上MC 系列主要用于建筑,其在建筑上的使用量在欧美国家达到50 %以上。特别需要提到的是韩国,为1988 年奥运会场馆建设兴起的水溶性纤维素行业在近10 多年间达到了18500t/ a 的规模。
2. 2 国内生产状况
我国纤维素醚类产品工业化生产始于上世纪60 年代中期,当时主要由无锡化工研究设计院、泸州化工厂和惠安化工厂开始研究与开发HPMC。近几年来HPMC 技术进步较大,其需求量一直以每年15 %的速度增长。目前,我国HPMC 的主要生产厂家是肥城瑞泰精细化工有限公司和泸州化工厂。其中,泸州化工厂天普精细化工厂经过改、扩建,在1999 年初已形成1400t/ a 的HPMC 及甲基纤维素(MC) 的总生产能力。
据统计,2002 年我国HPMC 生产能力为3500t/ a ,而实际产量只有2000 多吨,主要生产厂家分布在河北、山东、湖南、福建、四川、浙江和陕西等省。
3 生产技术
3. 1 国内外技术现状
目前,世界上比较先进的非离子型纤维素醚生产技术主要有美国道化学公司(Dow Chemical Co. ) 、赫尔克里斯公司(Hercules Co. ) 、德国克莱力特公司(Clariant Co. ) 的生产技术。日本信越化学(Shinetsu Chemical Co. ) 、韩国三星精细化学公司(Samsung Fine Chemical Co. ) 分别从美国道化学公司和德国吕帝哥公司(Loedige Co. ) 引进技术。
国内HPMC 生产工艺一般采用间歇式生产,但技术比较落后,其产品在质量控制方面存在缺陷,每釜产品质量之间存在差异性,只能通过降低指标的方式来销售产品,在许多领域不能满足要求;同时,由于国产规模普遍偏小,规模的放大存在很大风险。
国内技术与国外技术相比,在技术、设备、规模、售后服务、环保、自控等方面处于明显劣势,主要表现在以下几个方面(见表2) 。
表2 国内技术与国外技术综合比较
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国内技术
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国外技术
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技术及设备
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设备不过关,装置规模小,自控水平低,产量小
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设备先进,装置生产能力大,自动化程度高,连续化操作,副反应少
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产品质量
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产品规格单一,质量不稳定,缺乏细分的专用品
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高质量控制,产品纯度高,可以调节粘度范围,提供众多特殊用途的产品
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原材料消耗
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精制棉1t/ t ,氢氧化钠1. 3 t/ t ,氯甲烷3 t/ t , 环氧丙烷0. 7 t/ t
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精制棉0. 93t/ t ,氢氧化钠1. 15 t/ t , 氯甲烷0. 75 t/ t , 环氧丙烷0. 25 t/ t (德国)
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成本
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32000 元/ t - 35000 元/ t
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26354 元/ t (按中国建厂)
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环保
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环保处理技术较落后,废水量大
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采用先进的废水生化处理技术和废渣焚烧技术,废水量小
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3. 2 生产工艺简介
纤维素醚类生产工艺有其共性,即精制棉或木浆经液体烧碱浸渍,压榨除去多余的碱液,得到碱纤维素,再加入溶剂,醚化剂,在一定温度、压力下进行醚化反应,反应终点以所需醚化度为准,然后经中和洗涤、干燥,粉碎等得成品。
HPMC的生产采用氯甲烷和环氧丙烷作为醚化剂, 其化学反应方程是:
Rcell - OH+ NaOH+ CH3Cl + CH2OCHCH3
→Rcell - O - CH2OHCHCH3 + NaCl + H2O
国外先进的生产技术均采用一步法生产HPMC ,其生产工艺流程见图2 :
图2 HPMC生产工艺流程图
生产HPMC 的关键设备是反应器、干燥器、造粒机、粉碎机等,目前国外许多厂家都采用德国生产的设备。国内生产的设备,无论是生产能力,还是制造质量,都不能满足高品质HPMC 生产需要。
德国生产的全能反应器(All - In - One Reactor) 可以实现一台设备完成多个工艺步骤,实现自动控制,产品质量稳定,生产操作安全可靠。
生产HPMC 的主要原材料是精制棉、氢氧化钠、氯甲烷、环氧丙烷等。消耗定额见下表(按国外技术) 。
表3 原材料消耗定额一览表
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名称
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规格
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单耗(吨产品)
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精制棉
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含水≤6 %
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0. 93t
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氢氧化钠
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≥50 %
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1. 15t
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氯甲烷
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≥99 %
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0. 75t
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环氧丙烷
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≥99 %
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0. 25t
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4 发展HPMC 项目的建议
4. 1 在中国建设HPMC 项目面临良好的发展机遇
2001 年和2003 年,国家经贸委分别下发了第二批、第三批国家重点技术改造“双高一优”项目导向计划(即高科技术产业化、高校技术和先进适用技术改造传统产业、优化重点产 品和技术结构) ,明确指出对专用精细化工产品,特别是国内市场缺口大,主要依赖进口的产品如羟丙基甲基纤维素等进行重点改造,提高现有产品档次和加工深度,增加产品规 格。这一政策导向,不仅明确了HPMC是国内市场缺口大,主要依赖进口的产品,而且表明了国家鼓励发展专用精细化工产品的政策。
2000 年,中国纤维醚工业协会提出大力开发纤维素衍生物等精细化工产品,在产业结构调整规划中,提出重点发展非离子型纤维素醚,特别是MC/ HPMC 产品;中国氯碱工业协会在发展氯产品下游产品规划中,提出了开发MC/ HPMC 产品的设想;国家计委投资研究所和中国
工程咨询协会以及各地政府将MC/ HPMC 列为重点发展项目。
根据国外发展纤维素产品的经验,国家对HPMC 这类产品的需求是随着经济的发展而不断增加的。中国是当今世界上经济发展最快的国家之一,因此,HPMC在我国的应用前景十分广阔,当前是发展这一项目的有利时机。
4. 2 我国HPMC 产品有巨大的市场潜力
目前,中国纤维素醚市场仍然以离子型产品(CMC)为主,占总消费量的95 %以上,非离子型纤维素醚(MC、HPMC、HEC 等) 只占总消费量的5 %,而在欧美发达国家,这两类产品的消费量各占50 %。由于非离子纤维素醚耐盐、耐热性好,又具有适当的表面活性,很适应现代崇尚趋势,发展十分迅猛。CMC 只是由于制造容易和价格较低,现在仍有较大市场,但传统市场有些部分或者已被非离子型醚取代。预计随着非离子型醚制造工艺进一步改进和完善,成本得到降 低,非离子型醚的消费呈总体上升趋势。据中国纤维素行业和国外厂商预计,在未来
几年,我国MC/ HPMC 需求量可达到每年15 %的增长速度,主要基于以下原因:一是随着北京申办2008 年奥运会的成功,在奥运场馆和城市基础设施的建设上必将逐步达到国际先进水平。MC/ HPMC 作为建筑和涂料上的优良添加剂,将得到广泛应用,并以此为示范效应,带动全国建筑和涂料行业大量使用MC/ HPMC 产品。二是随着城市商品混凝土的普及和纤维素产品价格的降低,大量商品混凝土可添加MC/ HPMC 产品来增强流变性能和保水性能,逐步取代现有的水泥外加剂,MC/ HPMC 将有广阔的应用前景。三是国内PVC 行业的发展将带动MC/ HPMC 的需求。2005 年,我国PVC 产量预计达到400 万t ,所需HPMC量为1200t～1400t 。四是在医药、食品领域,随着人们的健康、环境意识提高,MC/ HPMC 这类对生理无害、不污染环境的非离子纤维素产品将逐步取代CMC ,得到快速发展。
根据上述分析,到2006 年,我国MC/ HPMC 市场需求预计为4000t～5000t 。为此,国外主要生产厂商均把中国作为最大的潜在市场,纷纷扩大生产能力,挤占中国市场。
4. 3 建设HPMC 项目具有良好的经济效益
据初步估算,按照当前中国的市场需要,引进国外生产技术,建设一座具有世界生产水平,年产6000t 的HPMC装置,项目总投资约4 亿元(含流动资金) ,装置投产后,产品平均售价按6. 5 万元/ t 计,年均销售收入为3.9 亿元,年均利润总额为1. 5 亿元,年均所得税为4677 万元。根据经济效益评估,项目投资利润率高达36 %,投资利税率为46 %,项目财务内部收益率为30 %,经济效益十分显著。项目建成投产后,仅需3 年即可收回全部投资。
由此可见,在当前有利的时机下,大力发展HPMC 项目,不仅符合国家和行业的产业发展政策,满足国内不断扩大的市场需要,而且可以缩短我国纤维素行业与国外先进国家的差距,促进国民经济发展,为企业创造巨大的经济效益。
[参考文献]
[1]中国化工市场信息中心. 水溶性纤维素醚发展趋向
[J ] . 中国化工市场信息,2000 , (3) :17 - 19.
[2]许冬生. 纤维素衍生物[M] . 北京:化学工业出版社,
2001.
[3]R.L. Feller , M. Wilt . Evaluation of cellulose ethers for con2
servation [M] . Getty Conservation Institute , 1990.
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