利用转极性溶剂催化酯交换反应的多相复杂反应分离体系集成耦合原理

Simultaneously enhancing both reaction and separation process in organic multi-phase reactions is an important topic. Using switchable polarity solvents (SPS) to catalyze transesterification of oil/methanol, a novel system composed of homogeneous reaction-extraction separation-product phase separation is proposed. The polarity switch of SPS is triggered with CO2. The SPS switches from neutral to polar form in the high conversion in order to extract product glycerol from reaction phase. The reaction and separation efficiencies are greatly enhanced. A divisional operation reactor with auto-flow recycling will be built. SPS can be designed and screened by studying the polarity switch characteristics, catalytic characteristics, heat effect, distribution of mass and mass transfer rate. The equations of energy and mass equilibrium in the integrated system will be built through studying dynamics. In addition, the novel compact reaction-separation coupling mechanism of the new reactor will be explored. The composition distribution of system will be measured and flow status of streams will be simulated. In view of theory of reaction engineering, the stability of the integrated system and itself adaptability will be investigated. Furthermore, periodic intervention strategies and dynamic characteristics will be studied to provide fundamental data and optimization method for the integrated system to build an effective and compact reactor. The project will create a novel method of reaction-separation coupling system.

有机多相化学反应中同时强化反应和分离过程是重要的研究课题。采用转极性溶剂(SPS)催化油脂甲醇进行均相酯交换反应，利用CO2调控手段控制反应过程中的SPS极性转化在反应后期连续萃取产品甘油并实现分离，构建一个均相反应-萃取分离-产物分相的新反应体系，可以有效强化反应。集成酯交换多相复杂反应-分离系统，形成介质自流循环的分区操作反应器。通过SPS极性转换特性、催化特性、热效应、物质分配及传质速率等研究，设计并筛选SPS溶剂体系；结合过程研究和动力学研究，建立集成反应系统的能量、物料衡算方程，测定系统组成分布，模拟系统内流动情况，研究新反应器的催化-萃取-分离耦合集成原理。从反应工程原理出发，研究集成反应体系的稳定性、自适应性，研究周期干预策略和反应器的动态特性，为该集成耦合反应系统提供基础数据和优化方法，最终构建高效、紧凑的酯交换反应器。本项目将提供一套全新的反应分离系统集成耦合方法。

本项目针对传统液体碱催化酯交换反应制备生物柴油系统存在相间传质、分离等多方面的矛盾，导致反应效率低、废水排放大、分离能耗高、催化剂不能回收再利用等工艺问题，围绕转极性溶剂提取油脂、催化酯交换反应、CO2诱发下极性转变相分离净化产品耦合反应系统进行研究，以降低对原料油脂品质要求和降低分离过程能耗。. 通过溶剂筛选，选择了两种应用于油脂提取和油脂酯交换的可转极性溶剂，实现了无蒸馏的溶剂分离：（1）采用可转极性溶剂N,N-二甲基环己胺直接从油籽中提取油脂，可以实现很好的油脂-溶剂相变分离；（2）采用可转极性溶剂1,8-二氮杂双环［5.4.0］十一碳-7-烯（DBU）催化油脂的酯交换反应，反应结束后通过CO2离子化转极性，可以实现溶剂、副产品甘油从甲酯产品中的相变分离，甲酯产品无需进一步水洗和蒸馏分离就可达到产品标准。可转极性溶剂应用于生物柴油制备中，可以大幅度节约能耗、减少废水排放、简化流程。. 详细研究了以DBU作为酯交换反应的共溶剂、催化剂的反应基础数据，以及反应体系的溶解、分离基础数据，为反应过程相变分离和共溶催化系统耦合提供了理论基础。主要研究结果包括：（1）测定了转极性溶剂DBU明显促进油脂、甲醇体系互溶基础物性数据，研究了DBU有效催化酯交换反应的机理和动力学关系；（2）研究了DBU作为催化剂对原料油中的杂质水和游离脂肪酸的适应性，该催化剂可以利用更劣质的原料；（3）研究了CO2-DBU和醇反应产物的基础物性变化和极性变化原理，实现了相变分离产品相中的DBU溶剂及甘油副产品，相变分离后甲酯产品达到国家标准；（4）使用超疏水铜网可高效分离两相产物；（5）利用副产品甘油中的DBU可催化甘油和碳酸二甲酯反应生成高附加值的碳酸甘油酯及催化甘油和油脂生产单甘酯，提高整个生物柴油生产链的经济性。