催化精馏过程多孔介质内多组分传递与反应特性研究

Energy conservation is one of the most concerned issues in the whole world. Catalytic distillation (CD), which integrates the catalytic reaction and distillation in a single multifunctional process unit, is one of the most promising technological processes. As advantages of this integration, chemical equilibrium limitations can be overcome, process flow can be simplified. Increased process efficiency and reduction of investment and operational costs are the direct results of this approach. Catalytic carrier is the core element to achieve catalytic distillation process, where complex multi-phase and multi-component transfer and reaction take place. However, the corresponding theory is still imperfect. With esterification reaction as the research system, this project aims to investigate the multi-phase and multi-component transfer and reaction in the catalytic layer of catalytic carrier, and establish multi-scale lattice Boltzmann model, so as to elucidate the reactant and product transfer mechanism in porous media. Furthermore, the energy minimization principle of equilibrium distribution function is utilized to study the competitive and synergic relationship between surface diffusion and volume diffusion, and discuss the influence of micro-scale structures on the mass transfer and reaction, which will provide a theoretical basis and technological support for the development of highly efficient catalytic carrier, and realization of catalytic distillation process with high efficiency and low energy consumption.

节能减排是当今全球最为关注的重大问题。催化精馏耦合了催化反应和精馏过程，打破了化学反应平衡，极大地提高了转化率和产品收率，降低了生产能耗，简化了工艺流程，是极具开发前景的节能减排技术。催化填料是实现催化精馏过程的核心元件，其中发生的多相多组分传递与反应过程十分复杂，理论尚不完善。本研究针对催化填料催化层多孔介质中的多组分传递及催化反应过程，以酯化反应为研究体系，建立多尺度格子Boltzmann模型，阐明反应物及产物在多孔介质中的传递机理，利用平衡分布函数的能量最小化原理，深入研究表面扩散与体积扩散的竞争协调关系，探讨微尺度结构对传质及反应的影响，进而优化设计催化层，为实现节能高效的催化精馏工艺提供理论基础和核心技术支撑。

催化精馏耦合了催化反应和精馏过程，是极具开发前景的节能减排技术。催化填料是实现催化精馏过程的核心元件，其中发生的多组分传递与反应过程十分复杂，理论尚不完善。本项目基于催化填料多尺度结构和介尺度理论提出了两个介尺度结构，并对催化填料催化层多孔介质中的其多组分传递及催化反应过程开展了系统研究。首先，在催化剂颗粒尺度上，基于梯级孔道随机生成方法（RGMMP）重构了催化剂颗粒内部结构，利用格子Boltzmann 模型研究催化剂颗粒内传质机理，探究颗粒内部结构参数对传质性能的影响；定向调控合成具有不同梯级孔道结构的催化剂颗粒，揭示催化剂颗粒内部孔道结构与传质、反应性能之间的构效关系；其次，在催化剂层尺度，基于随机分布法重构了催化剂颗粒的堆积结构，采用格子Boltzmann模型研究催化剂层内传质机制，研究催化剂层结构参数与催化剂层质量弥散系数之间的关系；采用体积平均法建立宏观控制方程，研究催化层异质可逆反应对宏观传输特性的影响机理；最后，基于催化精馏塔多尺度结构特点，利用能用于描述催化剂层内多组分催化反应及传质过程的微观模型与宏观催化精馏过程相结合，建立双向耦合多尺度数学模型，探究催化剂层结构参数与催化精馏效率之间的构效关系，进而优化催化剂层结构参数。由此，本项目分别从催化剂颗粒尺度、催化剂层尺度和催化精馏塔三个尺度出发，实现了催化精馏过程的跨尺度模拟研究，弄清了催化剂颗粒内部结构参数、催化剂层结构参数与催化剂层内多组分传递、反应过程之间的构效关系。本项目的研究结果为催化精馏过程提供了基础理论指导，对实现催化精馏过程的强化具有重要理论价值和实际指导意义。另外，本项目的研究成果，还扩展应用于新型离子液体的制备合成、固体超强酸SO42-/TiO2制备、乙酸甲酯深度水解隔壁反应精馏技术开发、乙酸仲丁酯水解工艺开发、丙二醇单甲醚醋酸酯合成等高活性催化剂的制备和反应精馏新工艺的开发，研究方法还拓展应用于研究微通道内纳米流体的迁移机理。目前已发表SCI/EI收录论文14篇，授权专利5项，“反应精馏成套开发技术及工业应用”项目获得福建省科技进步奖一等奖。