随着环境保护要求日益严格，清洁产品烷基化油及其绿色生产工艺过程—离子液体烷基化工艺的地位日渐突出。离子液体是一种新型的化学材料，其具有低挥发性、高热稳定性和化学稳定性、极性可调等优点，在萃取分离、有机合成、电化学和催化等领域引起了专家学者的广泛关注。由中国石油大学(北京)研究开发的新型复合离子液体，通过实验室和中试试验研究发现，其高活性可提高目标产物的产量，优良的选择性可有效抑制副反应的发生，在催化烷基化反应方面体现出了良好的发展前景。离子液体催化烷基化反应过程是发生在离子液体与烃类物质相界面上的极快反应，设计开发适用于该工艺，并可实现强化两相混合及加快产物及时分离的反应分离设备成为该工艺亟需解决的问题。基于此，文中提出一种新型的液液旋流反应器(Liquid-liquid Cyclone Reactor,LLCR)，利用旋流反应器的特殊结构实现烷基化反应及产物初级分离的一体化，提高产量的同时降低副反应的发生。本文旨在利用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究冷模条件下旋流反应器内两相的混合与分离性能，建立混合、分离性能与操作参数和结构参数之间的数学关系，为热模反应实验的开展提供基础数据。
　　基于该工艺搭建了一套冷模实验装置，利用74wt%甘油水溶液-煤油冷模实验体系代替真实反应体系中的离子液体-烃类物质，对冷模条件下旋流反应器内两相的混合和分离行为进行研究。首先，对旋流反应器反应腔内分散相的浓度分布进行了实验研究，研究结果表明：在反应腔内沿径向由轴心接近壁面，分散相浓度逐渐减小，在近壁面区域有所增加，即在近壁面区域出现“鱼钩”现象，根据径向浓度分布对旋流反应器反应腔内流动区域进行划分，将反应腔内流动区域分为有效混合区域和上行流区域，并根据浓度分布提出了分散均匀偏差度，用以定量分析有效混合区域内分散相在连续相中的分散情况。此外，操作参数中对分散相浓度大小影响水平的顺序为：进料比＞溢流比＞入口总流量，反应腔内稳定宽阔的有效混合区域有助于降低分散相的分散均匀偏差，因此在提高入口总流量的同时，应根据进料比对溢流比进行设置防止溢流出口出现过多的连续相或底流出口出现过多的分散相，通过对压降性能的研究得到入口总流量的升高会增大能耗，因此应在能耗及有效混合区域的大小之间取得相对的平衡。
　　其次，本文利用液滴尺寸在线测量分析系统，即聚焦光束反射测量和液滴录影显微技术，对旋流反应器反应腔内近壁面处分散相液滴的尺寸分布进行了实时监测，并通过建立的液滴弦长分布-直径分布(CLD-DSD)的转化模型将聚焦光束反射测量技术得到的液滴弦长分布转化液滴直径分布。根据操作参数对该位置处分散相液滴比表面平均直径的影响规律建立了此处分散相液滴比表面平均直径的预测模型。
　　基于近壁面处分散相液滴尺寸实验数据建立CFD-PBM耦合模型，对旋流反应器反应腔内分散相液滴的尺寸分布及两相的相接触界面面积进行研究。研究发现旋流反应器反应腔内分散相液滴的直径范围为：5.1~901.6μm。通过研究可得，溢流嘴附近分散相液滴的尺寸以及两相的相接触界面面积与反应腔内其它轴向截面相差较大，两相混合情况随着越接近分离腔变得越稳定。
　　最后，对旋流反应器的压降和分离性能进行了实验研究，利用两个出口处两相回收率研究旋流反应器的分离性能，通过实验数据建立操作参数和溢流嘴直径与压降和回收率之间的数学经验模型，通过回归诊断分析得出该数学模型可较为准确地表达操作参数和溢流嘴直径与旋流反应器的压降和分离性能之间的函数关系。