摘要
近年来，由于二氧化碳（CO2）大量排放，导致温室效应和海平面上升等环境问题愈加明显。在化工生产中，CO2作为一种无毒、丰富、可再生的C1资源，可用于生产多种化学品，其中，二氧化碳和环氧化物合成环状碳酸酯的环加成反应具有原子利用效率100%、产品附加值高等优点，其产品碳酸乙烯酯(EC)和碳酸丙烯酯(PC)等已广泛应用于极性非质子溶剂、化学中间体、锂二次电池电解元件和医药原料等领域。值得注意的是，通过环氧化物和 CO2的环加成反应合成环状碳酸酯，已采用含卤素的有机/无机盐（如溴化四乙基铵/碘化钾）作为均相催化剂进行了工业化生产。然而，这些催化剂和反应工艺仍存在一些缺点，例如反应时间长、时空产率（STY）低、混合性能低（鼓泡床反应器），这都限制了该工艺的经济性，增加其能耗。环加成反应是典型的气液多相催化过程，包括反应器内的气液混合/传质和液相进料中的催化过程。因此，需要一种高效的反应器和催化剂来进一步优化环状碳酸酯的生产工艺。本论文设计开发了几种高效低共熔离子液体（DEILs），在微通道反应器辅助强化传质的作用下开展了温和条件下低共熔离子液体催化环加成反应的研究。在此基础上，通过 T 型微通道芯片对环状碳酸酯体系气液两相流流型和传质规律进行了初步研究。论文主要创新性工作及成果如下： （1）设计开发了几种用于制备环状碳酸酯的低共熔离子液体，其由氢键供体和氢键受体组成。氢键供体采用的是1,2-丙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、柠檬酸，氢键受体采用的是咪唑型离子液体，主要有 1-羟乙基-3-甲基咪唑溴（[(EtOH)MIM]Br）、1-羧乙基-3-甲基咪唑溴([(EtCOOH)MIM]Br)等，低共熔离子液体不仅保留了原有离子液体催化剂的催化活性和稳定性，同时含有大量功能化官能团，与环氧化物形成氢键作用，使其活化，促进卤素阴离子进攻开环，加速反应进行；而且DEILs还可以提高离子液体在PO/PC体系中的溶解度，很好地匹配了传质效率极高的微通道反应器，极大的提高了反应效率，最终实现温和转化。以羟乙基咪唑型低共熔离子液体为例，在80℃，1 MPa下，采用微通道反应，停留时间为19分钟，收率可达94.2%，时空收率10.06 g/g/h，而在同等条件下，普通反应釜反应7小时，收率为92.3%，时空收率为0.41 g/g/h，微通道反应器中的时空收率提高了24.8倍。 （2）研究计算了PO/PC体系在微通道芯片内的气液两相流的流型和液相体积传质系数（ kLa ）。设计制作了一套由T型玻璃材质的微通道芯片和高速摄像等组成的环加成反应气液两相传质研究实验装置，通过高速摄像在线监测气泡变化，计算液相体积传质系数，分析了催化剂浓度对气液两相流型和传质系数的影响。随着催化剂浓度的提高，在不改变气液流量的条件下，气液两相流流型从泰勒-泡状过渡流转变为泰勒流，当催化剂浓度从0增大到0.099 mol/L时，液相传质系数从0.04367增大到0.05379 s-1。因此，催化剂浓度升高可以增大气泡体积，提高传质，加快反应速率。在微通道反应器中，可以适当提高催化剂浓度，加长气相段长度，提高气液两相传质，加快反应速率，同时可以稳定气液两相流型。
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