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正丁烷异构化制备异丁烷对于提高碳四资源综合利用水平具有重要意义。环境友好的硫酸化氧化锆因其具有良好的催化正丁烷异构化活性,被认为最有可能取代目前工业使用的氯化氧化铝催化剂。本论文致力于对不经贵金属改性的硫酸化氧化锆催化剂（SZA）在正丁烷异构化反应中活性位的本质进行研究,明确了硫酸物种与催化剂载体的相互作用在活性位形成过程中所起的关键作用,探究了正丁烷活化、反应及催化剂失活和再生机理。在此基础上,提出了将SZA催化剂应用于循环流化床异构化工艺中的技术方案。以无定型Zr（OH）4-Al（OH）3为浸渍前驱体,在硫酸化处理后经650℃空气氛围焙烧可得到高活性的异构化催化剂,即可以得到纯的四方相氧化锆载体、硫酸物种在氧化锆表面处于单层分散状态和最大Br?nsted酸密度的催化剂。催化剂表面硫酸物种的引入抑制氧化锆在焙烧过程中晶粒的长大和晶相的转变,提高了催化剂的比表面积和孔容,为异构化反应提供不可或缺的Br?nsted酸性位。SZA催化剂虽能表现出良好的催化正丁烷异构化反应活性,但存在失活速率快的缺点。利用Ar-TPE-MS实验对反应过程中催化剂表面硫酸物种的变化进行研究,发现催化剂表面同时存在强氧化性的硫酸物种活性位和酸性活性位。利用原位FTIR实验和DFT理论计算对催化剂表面两类活性位之间的相互关系进行考察,发现在适当温度下脱水活化处理后,SZA催化剂表面硫酸物种的强吸电子诱导效应使得邻近锆羟基的酸性增强。DFT理论计算结果表明:在高度脱水的催化剂表面,桥键锆羟基具有超强酸性。然而,催化剂表面水含量的增加会显著降低锆羟基的酸强度。与中性的水分子相比,碱性探针分子在催化剂表面的吸附会造成催化剂的不可逆失活。在高度脱水的SZA催化剂表面,正丁烷分子存在两种活化途径:超强酸性位上质子化活化和强氧化性硫酸物种活性位上氧化脱氢活化。两类活性位在正丁烷异构化反应中是相互影响的:在反应初始阶段,两类活化途径并存;随着反应的进行,由正丁烷氧化脱氢生成的水和亚硫酸物种吸附于催化剂表面,降低了S=O键的密度和共价强度,导致其对酸性锆羟基的吸电子能力减弱,超强酸性丢失。这是反应初始阶段催化剂活性迅速降低的根本原因。本文提出三种可以提高正丁烷在SZA催化剂上异构化率的策略及相应机理:（1）催化剂表面碳物种的不完全烧除可以在不降低异丁烷生成速率的同时有效抑制一次和二次“二聚-裂化”反应的发生,从而提高异丁烷选择性。（2）在适当条件下对催化剂热处理会促进催化剂表面少量不稳定的硫酸物种发生分解,造成活性位密度的适度降低,从而实现在不降低异丁烷生成速率的同时有效抑制副反应的发生。（3）使用共沉淀法在SZA催化剂制备过程中引入少量的La和Ni,经硫酸化处理后在高温焙烧过程中硫酸物种不能稳定存在于载体表面的La2O3和NiO上,故造成表面硫酸物种密度小幅降低,从而起到提高异构化选择性的目的。采用喷雾干燥成型技术实现了SZA催化剂的放大生产,并成功应用于循环流化床异构化工艺中。中试试验结果表明,正丁烷进料空时对反应性能具有显著影响,而反应器内气体线速度对反应性能影响不大。反应温度和再生温度的升高均提高了正丁烷的转化率,但降低了异丁烷的选择性。催化剂再生过程中会有少量硫酸物种以SO2的形式流失掉。富氧环境、适中的气提温度、较低的再生温度和较高的进料质量空时均有利于降低硫流失速率。300小时中试评价结果表明:SZA催化剂表现出良好的催化正丁烷异构化反应性能。正丁烷转化率和异丁烷选择性在57.6 wt.%和76.4 wt.%左右稳定波动。异丁烷收率维持在44.0 wt.%左右,相应的异构化指数为50.9%,这已接近异丁烷和正丁烷在该反应条件下的平衡组成。