膜分散强化的非均相传递与反应协同机理研究

Gas-liquid-solid reactions play important roles in chemical and petrochemical production processes. Gas-liquid mass transfer is often the limiting reaction process. In this proposal, microporous ceramic membranes are employed as dispersion media for controlled feeding of gas into liquid reactant to realize the coordination of the mass transfer in multiphase reaction. Based on the understanding of the formation and regulation of microscale dispersed phase, cooperative mechanisms between transmission and reaction, interactions between membrane material and chemical reaction, which restrict the application of membrane dispersion technology, direct hydroxylation of benzene to phenol with oxygen is taken as a model reaction. The real-time in situ measurement technique is used to observe the dispersed bubble flow and dynamics, to research the law of microbubble nucleation, growth, fragmentation and coalescence and explore the formation mechanism of the micro- and nano-scale dispersed phase morphologies. Numerical simulations are conducted by computational fluid dynamics combined with kinetic equation, in which membrane parameters was embedded, to demonstrate the cooperative mechanisms of molecular mixing, transfer and intrinsic kinetics. And structure-functionality relationships between the membrane parameters and applied performance are established to explore the interaction between the membrane and reaction environment. The implementation of this project provides theoretical basis and technical support for the membrane dispersion technology used in gas-liquid-solid multiphase catalytic reactions.

气液固多相催化反应是化工和石化过程工业中的典型过程。气液传质不佳是造成此类反应效果不好的关键原因。本项目提出采用陶瓷膜的纳微多孔结构，强化气相分散相的形成，实现物质传递与反应过程的协调匹配和调控。针对制约该技术应用的微纳尺度分散相形成机制、多相传递与反应协同匹配机理、膜材料与应用环境相互作用规律等关键科学问题，本项目以苯羟基化为模型反应，拟采用原位监测手段实时观察分散气泡的形成及运动过程，研究微纳气泡的成核、生长、破碎和聚并规律，探讨微纳尺度分散相的形成机制与调控方法；引入膜性能参数构建反应动力学方程，结合计算流体力学数值模拟，认识微纳尺度混合、传递与反应动力学的相互匹配规律，获得膜分散强化的多相催化氧化反应的混合机理及反应机制；研究膜与反应环境的相互作用规律，建立膜表面性质和微结构参数与过程应用性能之间的构效关系。项目的实施将为膜分散技术应用于气液固多相催化反应提供理论参考和技术支撑。

多相催化反应是化工和石化过程工业中的典型过程。对于受传质控制的反应，相间传质速率低是造成其宏观反应速率慢和选择性低的关键原因。如何获得尺度小且分布窄的分散相，实现物质传递与反应过程的协调匹配和调控是研究热点。本项目针对此展开研究，主要进展如下：.1、揭示了膜分散强化的微纳尺度分散相的形成机制及调控因素. 利用陶瓷膜的微纳多孔结构，强化气相分散相的形成。研究了气泡产生方式对气泡生成过程的影响，发现陶瓷膜内膜分散气相辅以循环错流剪切可形成密度大、粒径小且分布窄的气泡群。明确了膜材料微结构及流体特性两种控制气泡粒径及其分布的关键因素。小孔径的膜、表面张力小的液相流体以及大的气相流量、液相流速和液相流体黏度，有利于粒径小的气泡的形成。.2、揭示了氧传质过程中的膜分散强化机制. 采用溶氧电极动态法测定水中溶解氧质量浓度随时间的变化，计算获得膜分散强化的不同曝气条件下氧气在水中的体积传质系数的变化规律。多孔陶瓷膜在氧传质过程中表现出很大的优越性，相比传统的多孔及微孔曝气装置，其体积传质系数明显提高，显著强化了气液相间的传质。.3、提出了基于多孔陶瓷膜分布器的多相反应过程强化新方法. 针对以气相或者液相反应物为分散相的多相反应体系，以多孔陶瓷膜为分散介质，在压力差的作用下，将透过膜的分散相减少到微纳尺度，实现了反应物的快速高效的分散混合，达到了强化相间传质的目的，有效提高了多相催化反应的选择性或者收率。并利用计算流体力学方法对膜反应器内的流体流动、混合和传递进行了模拟，建立了以强化膜面剪切速率和催化剂分散性为目标的膜反应器构型设计和优化的方法。. 以上研究过程中，在Chem Eng J等期刊上发表了论文8篇，其中SCI收录6篇；参加了国际性膜与纳米会议2次，口头报告1次，海报展出1次；申请发明专利2项。