降膜微反应器中离子液体复合催化C4烷基化反应的强化机制

In the commercial C4 alkylation processes with sulfuric acid as catalyst, the low solubility of isoparaffin in the H2SO4 phase, the difficult mixing between hydrocarbon phase and acid phase, the high transfer resistance, the large heat transfer load, the broad residence time distribution and the low local molar ratio of isoparaffin/olefin (I/O ratio) in the reaction area lead to the low selectivity and high sulfuric acid consumption. In this project, the C4 alkylation will be carried out in a falling film microreactor with a binary mixture of ionic liquid and mineral acid as a new coupling composite catalyst. The solubility of isobutane in the catalyst phase will be improved by the ionic liquid additives. The good interphase transfer characteristic in falling film microreactor can intensify the interface characteristics between hydrocarbon phase and acid phase, improve the interphase transfer behavior, especially enhance the mass transfer rate of isobutane, increase the local I/O ratio in the reaction area. The excellent heat transfer characteristic of falling film microreactor brings an easy control of the reaction temperature. In the falling film microreactor, the flow behavior of the hydrocarbon phase and the acid phase can be easily modulated, so the residence time distribution, the reaction degree and reaction direction can be easily controlled. All these improvements will intensify the reaction. This project will illustrate the fundamental physicochemical properties of the new coupling composite catalyst, the characteristics of film forming on the falling film surface, the interface characteristics between hydrocarbon phase and acid phase, the transfer characteristic and the reaction characteristics of C4 alkylation in the falling film microreactor. The research results will show the transfer and reaction principles of the new reaction system in micro size reactor. The project will illustrate the intensification mechanism of C4 alkylation in the falling film microreactor catalyzed a new composite catalyst system. The work will enrich the principles of catalysis and chemical reaction engineering.

在C4烷基反应中，异丁烷溶解度低、烃酸两相不易混合、传质阻力大、传热负荷大、停留时间分布宽、反应局部环境的烷烯比低，使得反应选择性低且酸耗高。本申请项目采用离子液体/无机酸复合催化剂在降膜微反应器中进行C4烷基化反应，添加离子液体改善异丁烷在酸相的平衡溶解度，利用降膜微反应器良好的两相传递特性，改善烃酸两相界面特性和传质行为，强化异丁烷传质速率，改善局部环境的烷烯比；利用其良好的传热特性，实现反应温度的稳定可控调节；利用烃酸两相流动行为可控的特点，实现停留时间分布和C4烷基化反应的方向和程度的可控。多因素集成，实现反应过程的强化。本项目将阐明新型复合催化剂的基础物化性质、降膜微通道中的成膜特性、烃酸两相的界面与传递特性、反应特性等基础科学问题，阐明新反应体系在微尺度反应器中的传递与反应规律，揭示在降膜微反应器中离子液体/无机酸复合催化C4烷基化反应的强化机制，丰富催化与反应科学的知识内涵。

现有工业生产过程中，C4烷基化反应受热传制约，反应选择性低且酸耗高。本项目采用离子液体/无机酸复合催化剂改善烃酸两相界面特性，采用降膜微反应器以强化烃酸两相的传递特性，实现反应过程的强化。.分别建立了离子液体/无机酸复合催化剂密度、粘度、表面张力和酸强度H0值的测定方法，测定并探究了离子液体结构、温度对催化剂体系基础物性的影响。结果表明，离子液体结构、复合催化剂组成以及温度均对二元体系的密度、粘度和表面张力和酸强度H0值产生影响。建立了二元体系密度、表面张力、酸强度的预测模型。.建立了利用超景深智能型数码显微镜测量降膜微通道中液膜的方法。通过数值模拟计算了降膜微通道中液膜流动特性和液膜厚度。微通道内液膜厚度主要与液相流量及物性参数有关。。通过实验研究了不同介质在降膜微通道中的降膜行为及成膜特性，获得了流体基础物性与操作条件对降膜特性的作用规律，建立了液膜厚度的预测模型。.系统研究了降膜微通道中的流动和传递特性，开发了带微混结构的双通道降膜微反应器。对该微结构对传质混合过程的强化机理与作用机制进行了系统研究，探明了其强化机制。研究了微通道中液液两相逆流的流动和传递行为，获得了微通道中液液两相逆流时的液滴生成机制。.系统研究了微通道中的C4烷基化的反应特性，开发了具微混结构的微通道反应器。通过实验系统研究了反应器结构尺寸和操作参数对烷基化反应的烯烃转化率、烷基化油组成以及辛烷值的影响，获得了带微混元件的微通道中碳四烷基化反应的反应特性。在设计的微通道反应器中使用优化的复合催化剂，可制得辛烷值为99.5的烷基化油，该结果优于大部分在间歇反应器中获得的实验结果。.本项目通过在降膜微反应器中采用离子液体/无机酸为复合催化剂以强化C4烷基化反应。通过研究新型复合催化剂的基础物化性质、降膜微通道中的成膜特性与传递特性、反应特性等基础科学问题，阐明新反应体系在微尺度反应器中的传递与反应规律。相关研究结果对新型烷基化反应器的开发具有重要价值。