催化精馏多相传递及反应过程研究

催化精馏是非均相催化反应与精馏过程有机结合在一起并在一个设备中同时完成的化工过程，具有反应转化率和选择性高、能耗和成本低等优点。在催化精馏技术应用中，固体催化剂的装填方式对催化精馏效果有极大影响。因此研究其对催化精馏过程的影响规律具有重大理论和实际意义。本项目针对催化精馏中多孔介质（催化剂包）内的传递、反应及混合行为对催化精馏过程影响规律的问题，特别是针对相分裂体系在催化剂包内具有液液两相传递特点，以环己烯催化精馏水合过程为研究对象，提出采用多尺度研究方法对汽液液三相存在复杂体系中的传递及反应行为进行研究。利用分子动力学模拟、Galton钉板模型、有限元分析等方法，对多相传递和反应耦合过程建立跨尺度关联模型，从而弄清催化剂捆扎包的几何结构及组合方式与催化精馏塔性能之间的构效关系。本研究的开展将为双液相催化精馏过程提供基础理论指导，对实现催化精馏过程的强化具有重要参考价值和实际指导意义。

催化精馏是非均相催化反应与精馏过程有机结合在一起并在一个设备中同时完成的化工过程，具有反应转化率和选择性高、能耗和成本低等优点。在催化精馏技术应用中，固体催化剂的装填方式对催化精馏效果有极大影响。因此研究其对催化精馏过程的影响规律具有重大理论和实际意义。本项目针对催化精馏中多孔介质（催化剂包）内的传递、反应及混合行为对催化精馏过程影响规律的问题，以环己烯催化精馏水合过程为研究对象，提出采用多尺度研究方法对汽液液三相存在复杂体系中的传递及反应行为进行研究。首先，通过实验和分子动力学模拟计算结果，选定二氧六环为助溶剂；采用液液相平衡釜测定了环己烯水合体系液液相平衡数据；为实现催化精馏工业化中最常用的催化剂捆扎包装填方式，选用强酸型阳离子交换树脂A-36为催化剂，并在高压反应釜中测定了二氧六环存在时环己烯水合反应的动力学数据。利用获得热力学和动力学数据，采用残余曲线对环己烯催化精馏水合制环己醇过程进行可行性分析；其次，从概率论的角度出发，利用传统的Galton板模型，以催化剂捆扎包内的一个小布袋为研究对象，建立了固定床内示踪剂浓度分布模型，同时，以KCl溶液为示踪剂，建立了实验装置，将实验结果与模型计算值比较，验证模型的可靠性；再次，通过一定理想化的假设，以催化剂包为研究对象，建立了微观水平下的催化剂包内的传质、反应过程的微观控制方程，采用体积平均法推导得到了较粗水平下的宏观控制方程；建立了一个均一的多孔介质结构模型，并对催化剂捆扎包内的流动过程进行模拟研究，建立了能够用于描述催化剂捆扎包内流动过程的控制方程。最后，采用多尺度方法建立催化精馏过程数学模型，耦合催化剂捆扎包传质和反应的微观模型，全面考察各种操作、设计参数对过程的影响，并将模拟结果与实验结果进行比较，验证了模型的可靠性。由此，本项目利用分子动力学模拟、Galton钉板模型、CFD数值模拟等方法，对多相传递和反应耦合过程建立跨尺度关联模型，从而弄清了催化剂捆扎包的几何结构及组合方式与催化精馏塔性能之间的构效关系。本研究的开展为催化精馏过程提供基础理论指导，对实现催化精馏过程的强化具有具有重要参考价值和实际指导意义。另外，本项目的研究成果，还扩展应用到了反应精馏制丙二醇甲醚乙酸酯、甲基丙烯酸酐、仲丁醇、异丙醇等体系及液-固传质过程，并开展了相关的基础工作。目前共已发表SCI/EI收录论文19篇，授权专利5项。