超重力离子液体催化反应强化机制及应用基础研究

The alkylation of C4 is an important industrial process for the synthesis of clean gasoline. On the basis of the development and successful industrial demonstration application of compound ionic liquid with highly activity and high selectivity, this project proposes a novel idea of intensifying the ionic liquid catalytic reaction by the high-gravity technology, aiming at significantly enhancing the selectivity, reducing materials and energy consumption in industrial reaction processes so as to realize a clean production. The intrinsic kinetics of the catalytic reaction, molecular mixing and transfer rules of liquid-liquid multiphase viscous system and the intensification effect of catalytic reaction in high-gravity environment will be studied to reveal the intensification mechanism of the ionic liquid catalytic reaction and to establish a theoretical model to reflect the synergic relationship of molecular mixing, transfer and reaction of multiphase viscous system based on the principles of molecular reaction engineering in high gravity environment. The measurement method of the intrinsic kinetics of extremely fast reaction catalyzed by ionic liquid in high-gravity environment will be developed. By experimental research and computational fluid dynamics study, the scientific understanding of micro-flow, molecular mixing, transfer and reaction of multiphase viscous fluid intensified by high gravity will be established; the engineering scale-up rules will be revealed; and the novel process and reactor technology of high-gravity ionic liquid catalytic alkylation will be formulated. The theoretical research and scientific insight can guide the industrial application of the new alkylation technology intensified by high gravity and the C4 alkylation technology catalyzed by ionic liquid.

石油化工碳四烷基化是合成清洁汽油的重要工业过程，在已研制出高活性、高选择性复合离子液体及其成功工业应用示范基础上，本项目提出超重力反应器强化的学术新思想，以显著提高工业反应过程的选择性、降低物耗和能耗、实现清洁生产。通过研究离子液体催化反应本征动力学、超重力环境下液-液多相粘性体系分子混合与传递规律、以及超重力强化离子液体催化反应效应，揭示超重力强化离子液体催化反应工程机制，构建基于分子反应工程理念的超重力多相粘性体系分子混合/传递与反应协同关系的理论模型。突破并形成超重力环境下测定离子液体催化极快速反应本征分子动力学新方法；利用实验研究和计算流体力学相结合方法，突破超重力强化多相粘性流体的微流动、分子混合/传递及反应过程的科学认识，揭示工程放大规律，创制出超重力离子液体催化烷基化新工艺和新反应器技术。基于理论研究和科学新认识，指导超重力强化烷基化新技术和离子液体碳四烷基化技术的工业应用。

烷基化油具有高辛烷值、低敏感性、低蒸汽压、高燃烧热值，并且几乎不含硫、烯烃与芳烃，燃烧完全、清洁等突出优点，是新配方汽油最理想的调和组分。异丁烷和丁烯在强酸催化作用制备烷基化油的过程是典型的液-液多相快速反应，保证反应原料和催化剂的良好接触是得到高质量烷基化油的先决条件。工业碳四烷基化生产工艺是以硫酸或氢氟酸为催化剂，但存在安全和环保隐患。为此，一方面要优化现有的液体酸烷基化工艺，采用过程强化装备，提高生产安全性，节能降耗与减排；另一方面就是开发环境友好型烷基化催化剂和相应的生产工艺。.本项目将超重力强化技术与复合离子液体催化剂相结合，围绕强酸催化碳四烷基化这一快速反应过程的反应与传质/混合协同机制及强化的关键科学问题，展开了从基础研究—工艺创新—工程应用的系统性的理论和实验研究以及工业实践，利用实验研究和计算流体力学相结合方法，建立了复合离子液体催化碳四烷基化短时反应产物转化动力学模型和烷基化短时反应动力学模型；获得了超重力反应器内的流体流动、分子混合、液-液不互溶体系相间传质规律；考察了小分子烃类在氯铝酸离子液体中的溶解性能和扩散性能，完成了离子液体与烃类的混合分散规律的实验研究和数值模拟；提出了超重力反应器内硫酸和复合离子液体催化碳四烷基化反应新工艺，实现了在较低烷烯比下获得辛烷值可达98左右的烷基化油产品的目标；结合基础研究、工艺开发和CFD模拟进行了千吨级超重力烷基化反应器的开发设计，并实现了复合离子液体烷基化技术的推广应用。研究工作为复合离子液体催化碳四烷基化的过程优化和超重力反应器在液-液体系的开发应用奠定良好基础。.获得国家技术发明奖二等奖1项，教育部技术发明一等奖2项；共发表SCI论文36篇，申请国际发明专利和PCT各1件，申请中国发明专利9件，其中获授权6件；入选中国工程院院士1人，培养博士研究生7名，培养硕士研究生6名。