离子液体催化烷基化反应液-液两相表界面的介尺度机制及调控

As a desirable blending component to aviation and cars gasoline, the alkylate has lots of merits such as high octane, complete combustion and environment-friendly, which can be manufactured by the alkylation of isoparaffin with low molecular weight olefin catalyzed by acidic ionic liquid (IL). The alkylation is a typical liquid-liquid multiphase reaction with some key scientific issues to be understood, in which the physical and chemical meso-scale phenomena at the interface between IL and hydrocarbon is of vital importance to the alkylate yield, products distribution and its quality. This work focuses on the alkylation of isobutane with butene at the interface catalyzed by IL. The dynamic evolution of reactants at the interface will be in situ characterized with high precision by the Attenuated Total Reflection Spectroscopy (ATR) combined by infra-red spectrum (IR). And the diffusion, adsorption and self-assembly of the molecular cluster will be predicted by the molecular simulation based on IL force filed. The effective kinetic model based on meso-scale structure will be established, by which the relationship and the control mechanism between the meso-scale structure and the coupling reaction-diffusion process should be elucidated. The means and methods will be determined to adjust and control the target components’ selectivity under meso-scale structure. Hopefully this work will bring fundamental insights to the process optimization and the design and scale-up of the industrial reactor of the alkylation catalyzed by IL.

酸性离子液体催化异构烷烃与低分子烯烃烷基化反应生成的烷基化油，具有高辛烷值、燃烧完全、清洁、不污染环境等突出优点，是航空汽油和车用汽油的理想调和组分。作为典型的液-液多相反应，烷基化过程发生于酸/烃表界面的物理、化学等介尺度现象对于烷基化油收率、产物分布、油的品质都有着重要影响，存在诸多关键科学问题有待深入认识。本项目旨在以离子液体催化异丁烷/丁烯烷基化表界面反应为研究对象，通过ATR-IR技术高精度原位表征两相表界面处反应分子的动态演变历程，利用基于离子液体力场的分子模拟预测反应分子簇在表界面处的扩散、吸附以及自组织行为；构建包含介尺度结构影响的有效反应动力学模型，研究表界面处介尺度结构与反应-扩散耦合过程的相互关系及其控制机制；确定介尺度结构影响下调控烷基化目标产物选择性的手段和方法。期望本项目的研究将为离子液体催化烷基化新工艺的优化和新型高效工业反应器的设计与工程放大提供理论基础。

酸性离子液体催化C4（异丁烷/丁烯）烷基化反应生成的烷基化油，具有高辛烷值、燃烧完全、清洁、不污染环境等突出优点，是航空汽油和车用汽油的理想调和组分。作为典型的液-液多相反应，烷基化过程发生于酸/烃表界面的物理、化学等介尺度现象有待深入认识。本项目首先通过分子动力模拟（MD）研究了不同离子液体/C4混合物体系的液-液界面性质，揭示了阴离子种类以及阳离子支链长度对C4烷基化界面性质的调控规律。其次，利用MD研究了磺酸功能化以及非磺酸功能化的离子液体对浓硫酸/C4混合物界面性质的影响。通过烷基化实验验证了分子模拟揭示的离子液体对C4烷基化界面的调节规律。研究了复合离子液体烷基化的反应机理，建立了基于反应机理的动力学模型。.通过离子液体/C4烷基化以及混酸/C4烷基化界面性质的分子动力学模拟计算，发现相对于中性或者弱酸性阴离子，强酸性阴离子如[Al2Cl7]-能够明显地调变C4烷基界面性质，促进C4混合物在离子液体主体相以及界面的溶解和扩散。阳离子支链长度的增加能够明显改善C4烷基化界面性质，不仅增加了界面宽度，减少了界面张力，同时促进C4混合物在离子液体主体相以及界面的溶解，但是限制了C4混合物在界面处的扩散。另外，不同支链长度的磺酸功能化离子液体能够改善硫酸/C4烷基化的界面性质，增加界面C4混合物溶解和扩散，降低界面张力，促进界面的物质传递，提高烷基化油品质。模拟和实验均揭示，无论纯离子液体体系，还是离子液体混合硫酸体系，其界面性质都优于纯的硫酸体系。通过对烷基化反应机理的研究发现，离子液体能够促进主反应的反应速率，这是离子液体作为烷基化催化剂的重要优势。.本项目所揭示的离子液体/C4混合物界面介尺度性质及调控规律，有助于丰富人们对于离子液体催化C4烷基化过程在分子尺度上的认识，有利于后续新型离子液体的筛选和设计，同时可以为工业C4烷基化过程的设计和优化提供参考依据，改善现有硫酸法烷基化过程环境污染严重的缺点。