功能化离子液体催化碳四烷基化过程的关键基础问题研究

烷基化汽油的生产对环境保护和提高汽油这一化石能源的使用效率具有十分重要的现实意义，符合国家能源安全和国民经济可持续发展的重大需求。功能化离子液体催化碳四烷基化的化学工程基础问题代表了离子液体在工业催化领域科学基础研究的共性科学问题。本研究拟以功能化离子液体构效关系的研究为主线，围绕"功能化离子液体的催化活性起源与酸性表征新方法"、"功能化离子液体组成-结构-催化性能关系"、"离子液体-烃液液两相流动传质特性及反应-传质耦合规律"等三个关键科学问题，结合原位红外、原位拉曼、在线液滴分析系统等各种原位研究手段，开展功能化离子液体催化碳四烷基化反应机理及过程工程的创新性研究，获得对功能化离子液体催化碳四烷基化机理的全面认识，建立功能化离子液体催化碳四烷基化的反应-传质耦合模型及反应器的放大方法，为功能化离子液体催化碳四烷基化技术和工艺过程的开发提供理论依据，为离子液体在催化领域的应用提供借鉴。

项目针对离子液体催化碳四烷基化过程，开展了酸性来源与表征、反应机理、反应动力学、混合传递、流程模拟等应用基础研究，为离子液体催化碳四烷基化工业应用奠定了良好基础。项目研究获得下述主要结论和成果：（1）通过量子化学计算研究了氯铝酸离子液体与复合离子液体催化碳四烷基化的反应机理，阐述了烷基化起始阶段叔丁基正碳离子的主要来源，AlCuCl5ˉ具有很高的烷基化C8和TMP（三甲基戊烷）选择性。（2）对氯铝酸离子液体和复合离子液体进行了详细的IR、NMR、XRS等分析，对离子液体中的Brönsted酸和Lewis酸进行了指认，证明了复合离子液体的烷基化催化活性来源于Brönsted酸和Lewis酸的协同作用，阐明了氯代烃的生成及影响催化剂寿命的机理；确立了以吡啶、硝基苯等为指示剂，利用在线红外研究氯铝酸离子液体Brönsted酸和Lewis酸的定性和定量方法，并在此基础上开发了复合离子液体催化活性的监测方法。（3）建立了离子液体催化碳四烷基化短时反应评价体系，获得了短时烷基化反应数据，建立了短时反应动力学模型，发现在10-20秒的反应时间就可以获得高质量的烷基化油产品。（4）利用FBRM 和PVM测量手段研究了搅拌槽中离子液体和烃类的分散过程，并用数值模拟手段研究了离子液体与烃类体系的混合行为；通过系统的拟合和关联研究，建立了离子液体烷基化工艺的Aspen物性数据集并开展了烷基化工艺的稳态流程模拟计算，为10万吨/年离子液体烷基化工艺包的设计提供了基础研究数据。（5）有机集成原料预处理－催化反应－离子液体再生－分离回收过程，建成投产了世界首套10万吨/年复合离子液体碳四烷基化的工业化生产装置，为我国乃至世界商品汽油的清洁化和全面质量升级提供了一种崭新的解决方案。.项目期间获得中国石油和化学工业联合会技术发明特等奖1项、教育部技术发明一等奖1项、教育部2014年度十大科技进展1项；发表学术论文12篇，其中SCI收录9篇；授权中国发明专利11项、国外发明专利14项；项目负责人刘植昌教授入选2014年度杰青，项目组成员孟祥海研究员和蓝兴英教授分别入选2012、2013年度教育部新世纪人才；国际学术会议邀请报告2次，国内学术会议邀请报告1次；培养博士生1名、硕士生15名。通过项目研究，凝聚了研究团队，提升了研究水平，培养了科技人才，扩大了社会影响。