一、项目摘要
丁基橡胶和卤化丁基橡胶是重要的合成橡胶制品，针对我国在丁基橡胶和卤化丁基橡胶合成领域起步晚、技术薄弱、高品质产品受制于人的问题，提出基于微反应器技术发展具有自主知识产权的新一代合成工艺和装备。设计、建设200吨/年的丁基橡胶合成、200吨/年的卤化丁基橡胶合成和5000kg/年的溴单质回收微反应示范系统，完成长周期实验研究，为产业化过程提供基础，初步形成丁基橡胶和卤化丁基橡胶合成产业化技术。
二、项目的必要性和重要性
丁基橡胶（简称IIR）是重要的合成橡胶，具有优良的气密性和良好的耐热、耐老化、耐酸碱、耐臭氧、耐溶剂、电绝缘、减震及低吸水等性能，使得其广泛应用于轮胎、电线电缆、防水建材、减震材料、药用瓶塞、食品（口香糖基料）、防毒用具、粘合剂、防腐蚀制品、码头船护旋、桥梁支承垫以及耐热运输带等方面。卤化丁基橡胶（HIIR）是丁基橡胶与卤素（氯或溴）进行反应的产物，可分为氯化丁基橡胶（CIIR）和溴化丁基橡胶（BIIR）两大类。卤化丁基橡胶不仅保持了丁基橡胶的特性，而且克服了普通丁基橡胶硫化速度慢的缺点，主要用于汽车子午线轮胎的气密层和医用瓶塞。目前，全球只有美国、德国、俄罗斯、意大利等少数几个国家拥有丁基及卤化丁基橡胶的生产技术，其中美国埃克森美孚公司和德国朗盛公司的丁基及卤化丁基橡胶生产技术和新产品开发能力在全球处于绝对领先地位，产能约占全球的80%。我国只有中国石化北京燕山分公司合成橡胶厂和浙江信汇等几家企业生产普通丁基橡胶和卤化丁基橡胶，产量远远不能满足国内实际需求，每年都要大量进口。
丁基橡胶合成技术主要有淤浆法和溶液法两种方法，两种方法的核心都是异丁烯与少量异戊二烯的阳离子聚合技术。淤浆法是以氯甲烷为溶剂的聚合反应，原料异丁烯必须有要求很高的纯度（正丁烯质量分数小于0. 5%），氯甲烷和单体的水含量必须很低。该法聚合反应温度低，约在-100oC进行，制冷设备庞大。由于存在严重的挂胶问题聚合釜连续运转周期短、能耗高。溶液法使用烷烃作为聚合反应溶剂，可以使反应温度提高，但受设备传热的限制，胶液浓度必须控制在12%以下。这些生产现状表明，发展新一代的聚合工艺和设备对于发展低能耗、周期和具有自主知识产权的丁基橡胶合成技术十分关键。
卤化丁基橡胶是丁基橡胶的改进产品，具有良好的市场前景。丁基橡胶的卤化反应机理是单质卤素与橡胶接触，迅速将橡胶双键上的仲位氢原子取代成为溴或氯的橡胶，反应同时形成卤化氢，未反应的卤素单质和卤化氢最后经碱液中和。卤化丁基橡胶合成的难点主要在于：产物卤化丁基橡胶在卤化氢存在的环境下易发生取代位由仲位向伯位的转化，同时卤化氢的加成也会使橡胶损失一定的双键，因此卤化丁基橡胶的合成需要反应迅速引发、迅速中和，但是反应物丁基橡胶的烷烃溶液的粘度很高，反应物的快速混合不容易实现；中和液和卤化反应液为不互溶的油水体系，大量含卤素废水，尤其是含溴废水，对生态环境也造成了严重的影响，这些因素都严重影响着卤化丁基橡胶的合成过程。针对溴化丁基橡胶合成反应的快速引发、快速终止的基本原理，发展新型的卤化丁基橡胶合成设备，建立可靠的卤素（溴素）回收工艺十分关键。
微结构反应器（简称微反应器）是一种新型的化工装备，是实现化工过程微小型化的核心。众多的研究结果表明微反应器能够担负起提高反应收率、减少副产物产生、控制产物形貌、以及提升过程安全性等重要责任，对于减小原材料消耗、降低后续分离回收难度和成本、减少过程污染等具有重要的意义。微反应器合成聚合物的优势在于微小的混合空间能够快速混合单体和引发剂，控制反应局部环境的均匀性，相对惰性的反应器壁面具有良好的导热性能，能够快速移除反应热或者瞬间提高反应温度。同时通过数量放大可以使技术快速走向产业化，降低放大风险，缩短研发周期。针对利用微反应器进行阳离子聚合，卤化的初步结果表明，微反应器在实验室里能够表现出良好的反应特性，有望替代传统的丁基橡胶合成和卤化反应装置，成为新一代具有自主知识产权的技术。
三、主要研究内容、技术路线、技术难点和创新点
1、研究内容
基于实验室小规模丁基橡胶合成与卤化反应的相关结果，设计、建设200吨/年的丁基橡胶合成微反应示范装置、200吨/年的卤化丁基橡胶合成微反应示范装置和5000kg/年的'溴单质回收示范微反应系统，完成试验研究，为产业化过程提供基础，具体研究内容包括：
（1）新型丁基橡胶聚合反应性能研究，研究微反应聚合装置和聚合工艺的验证和优化和长周期操作可靠性；
（2）新型丁基橡胶溴化、氯化反应性能研究，具体研究微反应设备的反应性能和长周期操作可靠性；
（3）溴单质回收过程研究，具体研究微反应设备的反应性能，考察反应工艺的稳定性、安全性和长周期操作可靠性。
2、技术原理及技术路线
（1）丁基橡胶聚合原理和路线
目前，丁基橡胶的合成技术的发展趋势逐渐由溶液法取代淤浆法，本项目拟采用溶液法聚合。溶液法是以烷基氯化铝与水的络合物为引发剂，在烃类溶剂（如正己烷）中于-90～-70℃下，异丁烯和少量异戊二烯共聚而成。新一代的聚合装置将以微反应器为核心装备，在微反应器内实现异丁烯与异戊二烯和烷基氯化铝引发剂的混合，完成聚合反应。
（2）卤化丁基橡胶合成原理和路线
由丁基橡胶制备卤化丁基橡胶的反应过程是，主反应为异戊二烯链节中的仲位原子发生取代反应，主要副反应是溴原子在橡胶分子内的异构化过程。异构化反应容易在酸性条件下进行，主要受到溴化反应时间，水解反应时间，以及水解过程中碱用量的影响，用过量的碱液快速中和溴化氢有利于抑制异构化反应的进行。新一代的微反应装置以串联微反应器为核心装备，在微反应器内实现卤素与丁基橡胶溶液的快速混合反应，以及快速的完成中和反应，中和形成的卤化氢。
（3）溴单质回收原理和路线
溴化丁基橡胶合成中产生的溴化氢通过氢氧化钠中和，由于废水中含有大量溴化钠，需要回收。溴单质的回收采用氧化还原方法，通过氯气与溴化钠水溶液反应置换出溴单质，再通过蒸馏或者萃取法分离出溴单质。本项目拟用微反应器完成氯气与溴化钠溶液的反应以及后续的萃取分离过程。
3、技术难点和创新点
（1）技术难点
本项目的技术难点在于：微反应器结构设计，反应工艺开发以及微反应器与常规反应分离设备的对接。
（2）创新点
本项目的创新点在于：发展新型高效的反应装备——微反应器，建立丁基橡胶和卤化丁基橡胶新一代合成技术。
四、研究目标和考核指标
1、研究目标
形成具有自主知识产权的新一代丁基橡胶合成、丁基橡胶卤化新技术，从而打破国外公司垄断，填补我国合成橡胶领域生产技术的空白。
申请发明专利3～5项。
2、考核指标
主要考核指标有：实现装置的连续和稳定运行；与国外技术和国内现有技术相比，工艺流程大大缩短，能耗、操作费用和设备投资大幅降低。
五、国内外研究现状及研究基础
1937年，美国ESSO Standard Oil Development公司首先发现异丁烯与少量异戊二烯共聚合可制得可以硫化的橡胶共聚物开创了丁基橡胶的合成基础。目前，世界能生产丁基橡胶的生产装置总数为11套。我国于1999年底在北京燕山石化公司建成1套3万t/a的丁基橡胶装置，并于20xx年完成了4.5万t/a扩能改造。丁基橡胶淤浆聚合工艺常用的引发体系为AlCl3/H2O，国内丁基橡胶装置目前主要采用这种引发体系。新型的催化体系包括：活性阳离子络合催化体系、烷烃Lewis酸催化体系、茂金属催化剂体系、钒系引发体系等，这些工艺使用的反应装置均为釜式反应器，未见微反应器在工业应用方面的报道。
卤化丁基橡胶是丁基橡胶的改性产品，其研究开发始于20世纪50年代，于20世纪70年代开始工业化生产。目前，生产溴化丁基橡胶的企业主要是美国的Eon公司和德国Bayer公司，生产的产品产量约占全球产量的80%，而国内溴化丁基橡胶基本依赖进口。卤化丁基橡胶合成的技术核心在于反应器，目前国外公司都有技术相对成熟的釜式反应设备，未见微反应器在工业应用方面的报道。
在产学研合作方面，清华大学与浙江信汇公司在溴化丁基橡胶合成上已经形成了初步的研究成果，双方合作申请了多项专利技术。在丁基橡胶合成以及溴单质的回收方面，清华大学均开展了实验室研究工作，研究结果表明在微反应器中可以可控的合成数十万分子量的溴化丁基橡胶，而基于微反应器技术能够达到90%以上的溴回收率，技术指标等同或优于国外报道的现有工业技术，具有很好的工业应用前景。