异丙醇的生产工艺及应用

唐国旗，徐利红，田保亮，向良玉

（1. 中国石化 北京化工研究院，北京 100013；2. 浙江新化化工股份有限公司，浙江 建德 311607）

异丙醇又名仲丙醇、二甲基甲醇，外观为无色透明液体，是一种性能优良的有机溶剂，主要应用在油墨和涂料等领域中，在医药、有机化工中间体原料及电子工业清洗剂等方面也有着广泛应用［1-2］。目前文献中对制备异丙醇的催化剂研究较多［3-7］，关于异丙醇的生产工艺及其经济性比较的研究相对较少。

本文介绍了合成异丙醇生产技术路线，综合比较了丙酮加氢路线和丙烯水合路线的经济性，并分析了异丙醇的应用前景。

1 生产方法

异丙醇生产工艺主要有丙烯水合法、丙酮加氢法和醋酸异丙酯加氢法等［8-9］。目前，国内的异丙醇生产以丙酮加氢工艺为主，世界上其他国家仍然以丙烯水合工艺为主要生产方法。

1.1 丙烯水合法

丙烯水合法工艺路线可分为间接水合法和直接水合法。目前，丙烯间接水合法因环保等原因已被淘汰，因此，水合法生产异丙醇均为丙烯直接水合法，反应方程见式（1）。

丙烯直接水合法是在催化剂的作用下，丙烯直接与水发生加成反应生成异丙醇［10］。该方法相对丙烯间接水合法流程简单，选择性高，在国外生产装置中广泛应用。依据反应物相态不同，丙烯直接水合法可分为气相法、液相法和气液混相法三种。气相法以德国维巴公司开发的Veba 法为代表，液相法以日本德山曹达公司溶液催化法为代表，气液混相法以美国德士古德国分公司的离子交换树脂法为代表，三种丙烯直接水合制备异丙醇的方法都各有利弊。三种不同工艺的技术参数对比详见表1。

表1 丙烯直接水合法生成异丙醇的不同工艺比较［11］Table 1 Comparison of different processes for direct hydration of propylene to isopropanol［11］

按照100%的转化率和100%的选择性计算，每生产1 t 异丙醇需要0.7 t 丙烯。中国科学院大连物理化学研究所开发的丙烯水合技术中单耗0.73 t丙烯。在丙烯水合过程中，不可避免地生成碳六烃类、异丙醚和重组分等［12］。反应后物料首先分出未反应的丙烯循环使用，然后进入异丙醇多塔精馏工序。据此看出，丙烯水合路线流程长、能耗高、设备多。

1.2 丙酮加氢法

丙酮加氢工艺是在催化剂的作用下，将丙酮在氢气气氛下还原成异丙醇，是异丙醇脱水的逆反应［13］，反应方程见式（2）。

丙酮加氢反应的反应温度较低，一般为70 ～200 ℃，在常压下就可反应，因此丙酮加氢法的能耗较低，相比传统的丙烯水合法对设备腐蚀小、工艺流程简单，是当前国内异丙醇装置中应用的主要方法，产能占比约70%。理论计算可得，每生产1 t 异丙醇需要0.967 t 丙酮。采用中国石化北京化工研究院（以下简称北化院）的催化剂，丙酮和氢气混合后在催化剂床层进行加氢反应生产异丙醇等，在此过程中会生成极少量的副产物均在0.05%（w）以下，反应产物气液分离后经脱轻、脱水和脱重过程得到高纯度的异丙醇产品，因此，北化院的生产工艺显著特点是催化性能好、异丙醇品质高、流程简单、三废少。丙酮加氢工艺路线常用的催化剂有镍基等非贵金属催化剂［14-16］。北化院开发的丙酮加氢系列催化剂具有催化性能优良、稳定性好等优点（见图1），已成功应用于国内多套丙酮加氢制备异丙醇装置，均取得了较好的经济效益。

图1 丙酮加氢制异丙醇催化剂的性能Fig.1 Performance of catalyst for hydrogenation of acetone to isopropanol.

1.3 醋酸异丙酯氢化法

近年来，中国科学院大连物理化学研究所开发了醋酸异丙酯加氢路线制备异丙醇，反应方程见式（3）。

醋酸异丙酯加氢法可同时生产乙醇和异丙醇，还会生成一些副产物，因此，此法生产的异丙醇产品品质不仅取决于加氢过程生成的副产物的数量，而且取决于后续精馏过程的分离效果。江苏凯凌化工于2015 年期间投产了醋酸异丙酯氢化法装置，虽能联产无水乙醇，但乙醇与异丙醇分离较为困难，加上脱水过程也较为复杂，目前处于停产状态。

1.4 醋酸加氢法

除上述方法外，中国科学院山西煤化所开发了醋酸加氢制备异丙醇工艺技术，反应方程见式（4）。

醋酸加氢合成异丙醇的催化剂是由第一金属磷化物和第二金属化合物组成，其中第一金属磷化物为主催化剂，第二金属化合物为助催化剂，醋酸转化率为98.6%，异丙醇选择性为83.3%。目前，此技术尚处于实验室阶段，有待进一步开发。

2 丙酮加氢和丙烯水合路线经济效益对比

目前，国内工厂生产异丙醇主要有丙烯水合法和丙酮加氢法两种工艺，将2015 年1 月至2020年5 月五年期间的国内丙烯、丙酮、异丙醇、异丙醇与丙酮法原料成本的价格差及异丙醇与丙烯法原料成本的价格差绘于图2。由图2 可知，从合成阶段来看，65 个月来丙烯水合路线的产品与原料的差值平均值比丙酮加氢路线的差值平均值每吨多110 元，但自2018 年3 月以来，丙酮加氢路线仅合成阶段产品与原料差值上已高于丙烯水合路线。丙烯价格受国际原油价格影响明显，价格波动会严重影响异丙醇装置的开工率乃至经济性。如2019年4 月到2019 年7 月异丙醇扣除丙烯原料成本的差值为负值，导致了丙烯水合路线的装置全部停产。2020 年前四个月，由于新冠肺炎疫情影响，异丙醇、丙酮价格大幅上升，而丙烯价格持续走低，丙烯水合路线的合成阶段中异丙醇扣除丙烯的差值大幅上升，使得国内2019 年不盈利的丙烯水合路线制异丙醇装置也纷纷重新开启。

反应产物精馏部分主要涉及到精馏塔的能耗成本和操作成本，为方便比较，这里仅考虑精馏脱水过程的蒸汽消耗，其他不作考虑。丙烯水合路线需要多个精馏塔进行提纯，分别是脱丙烯过程、提浓过程（异丙醇含量（w）从15%～20%提浓至87%）、脱水过程（将13%（w）的水脱除至0.1%（w））、脱轻组分和脱重组分过程。使用化工模拟软件Aspen Plus 计算，提浓过程每吨异丙醇需要蒸汽2.82 t，脱水过程每吨异丙醇需要蒸汽1.70 t，仅此两个精馏过程需要蒸汽4.52 t，按每吨200 元计算，这两个脱水过程每吨异丙醇产品共需蒸汽904元。而丙酮加氢路线主要的分离能耗是一个少量水的脱水过程，如将0.3%（w）的水脱至0.1%（w），使用Aspen Plus 模拟计算此脱水过程每吨异丙醇仅需蒸汽0.23 t，按每吨200 元计算，每吨异丙醇产品需蒸汽46 元，因而丙酮加氢路线的精馏阶段的成本很低。在精馏脱水阶段，丙烯水合路线要比丙酮加氢路线每吨异丙醇产品至少高出858 元。

综上所述，丙酮加氢工艺流程短、丙酮加氢路线的经济性要优于丙烯水合路线。

3 异丙醇应用前景分析

与其他国家相比，我国异丙醇的应用领域并未得到有效开发，有待进一步拓展以带动异丙醇行业稳步向前发展。在国外，异丙醇多用于皮肤、假肢和医疗器械的消毒，在一些国家是美容院等公共场所使用最广泛的消毒剂，但我国却很少做此类应用。从效果来看，异丙醇含有两组甲基使它溶解脂类的能力、浸透性比乙醇强，增加了触杀能力，对某些细菌和病毒异丙醇的灭杀效果比乙醇强。此外，相比乙醇，异丙醇具有更高的沸点，挥发性小，更易保存，使用更安全可靠。新冠肺炎病毒已在世界范围内蔓延，各种医疗防护物资都成稀缺物品，这也大大刺激了异丙醇在国内外的需求。

电子工业清洗剂领域是全球异丙醇消费增长最快的领域之一，需求量预计以年均10%以上的速度增长。在清洗剂领域，主要使用高纯度异丙醇作为半导体的清洗剂以及金属脱酯清洗剂，如在日本，高纯电子级异丙醇是微电子化学试剂中的重要品种，已广泛应用于半导体元件的生产、超大规模集成电路装配及加工过程中的清洗和腐蚀等方面。目前我国异丙醇在该领域的应用刚刚起步，发展潜力巨大。

图2 丙烯、丙酮、异丙醇的价格及产品与原料的价格差随时间波动Fig.2 The price of propylene，acetone and isopropanol and the price difference between products and raw materials.

4 结语

丙烯原料价格严重受制于石油价格的变化，丙烯水合路线装置的开工率及经济性容易波动，不利于异丙醇的稳定生产；与丙烯水合路线相比，丙酮加氢路线工艺流程短、三废少、异丙醇品质高，具有更好的经济性；积极拓展国内异丙醇的下游应用开发力度，如高端的消毒剂、电子行业的电子级异丙醇等，逐渐扩大应用领域，形成从生产到应用的有效产业链，促进我国异丙醇产业健康有序的发展。