橡胶加氢及其反应器研究
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摘 要：随着合成橡胶技术的不断提高，天然橡胶在橡胶业的霸主地位受到威胁。氢化改性可以提高聚合物的耐氧、耐热、耐老化性能，延长聚合物的寿命，扩大了合成橡胶材料的应用领域。不饱和橡胶的部分氢化或完全氢化技术在橡胶的化学改性中占有很重要的地位。目前，氢化改性正由固体胶向乳胶、液体胶发展，由改善老化性能向赋予热塑性能以及制备现有合成方法难以合成的新型微观结构弹性体材料的方向发展。
关键词：橡胶 氢化 反应器
一、研究背景
氢化改性的范围也已经从氢化SBS和NBR扩至氢化NBR胶乳等，氢化后的弹性体均达到了高性能、高附加值的目的。氢化丁腈橡胶（HNBR）是通过有选择地使丁腈橡胶（NBR）中的碳-碳双键加氢获得[1]。氢化丁腈橡胶的化学结构决定了其独特的性能[2-5]，使HNBR不仅保持了NBR的优良性能，而且还具有优异的耐热性能和耐油性能，突出的耐臭氧化性能，而耐硫化氢性能是HNBR的最大特性，是其他耐油橡胶无法比拟的。HNBR广泛用于汽车工业中的各种油罐、密封件、燃料泵隔膜及阀门的套衬垫等[6，7]。橡胶加氢在合成橡胶技术中日渐突出，对加氢技术和设备的要求也越来越高。
加氢由工艺决定，加氢精制、加氢处理与加氢裂化工艺中的反应器都可以叫做加氢反应器。加氢反应器是加氢装置的核心设备，其操作条件相当苛刻。压力高、温度高、难操作、介质易燃易爆，所以技术要求高，造价昂贵。在反应器制造工艺上，有单层结构与多层结构两种，其中单层一般采用锻焊结构，多层分绕带式、热套式等方式。主要满足安全要求，耐高温高压，耐氢蚀氢脆。另外关键技术还在于反应内部构件上，主要有：入口扩散器、上分配盘、防垢吊篮、催化剂支撑栅、冷氢箱与分配盘、出口收集器、冷氢管、热电偶等。加氢反应一般为放热反应，还要求能导出反应热，易于调温做到恒温操作。
对于加氢设备的核心——加氢反应器进行分类，按高温介质是否直接与筒壁接触，可以分为热壁结构和冷壁结构，性能如下表所示：
根据提供的加氢工艺流程，选用适宜的反应器类型。本课题主要根据提供的氢化丁腈橡胶（HNBR）的工艺要求，完成加氢反应器的研究与设计。
二、国内外发展研究现状
就加氢工艺而言，20世纪80年代德国拜耳公司、日本瑞翁等公司相继开发出了氢化丁腈橡胶。其中，日本Zeon公司采用钯的非均相溶液加氢[8]和醋酸钯的均相溶液加氢法[9]。德国Bayer公司采用铑有机配位化合物的均相溶液加氢体系[10-13]。HNBR的制备方法有三种：丙烯腈-乙烯共聚法，NBR溶液加氢法和NBR乳液加氢法。用丙烯腈-乙烯共聚法制备HNBR时，由于共聚反应中丙烯腈与乙烯单体的竞聚率相差悬殊，组分控制比较难，制品强度较低，目前此法尚处于小试研究阶段。
在我国，北京化工大学与台湾帝化学公司开展合NBR溶液加氢研究，兰州公司采用铑系催化剂通过均相溶液加氢技术研制HNBR。吉化公司研究院以乙酸钯均相络合催化氢化NBR。遗憾的是目前我国内研究还没有实现产业化的HNBR生产[14]。并且对于加氢设备而言，热壁加氢反应器的器壁直接与高温、高压的氢或氢和硫化氢的反应物料接触，材质容易劣化或者由于操作使用不当使其产生缺陷。根据国内外使用经验及积累的检验数据，加氢反应器最易出现的典型缺陷按其产生的部位可分为：①器壁主焊缝：回火脆化、氢致裂纹和氢腐蚀等；②母材：回火脆化、氢腐蚀；③堆焊层表面：因氢脆、σ脆化和应力腐蚀而龟裂；④母材/ 堆焊层结合面：因氢致裂纹而剥离；⑤内件焊接处：因氢脆、σ脆化而龟裂；⑥裙座焊缝：应力集中裂纹，蠕变裂纹；⑦接管密封面垫圈槽：因氢脆、σ脆化而开裂；⑧接管安装处：高温蠕变裂纹；⑨外部附件焊接处：应力集中裂纹。[15]在我国很多文献中均涉及到相关缺陷的避免，如：对反应器接管补强位置的应力分析，易爆管部位的分析，出口管线焊缝开裂原因的分析，对新材料2_25Cr_1Mo_0_25V钢制板焊式加氢反应器的研制等。
如何针对这些缺陷，借鉴已有方案完成本课题设备结构的设计，尚需要进一步的研究。
三、研究目标及方法
本文根据对氢化丁腈橡胶的工艺要求，考虑高压加氢设备设计中的注意事项，设计一套加氢反应设备，主要完成以下几项目标：
1.理解HNBR的性质以及制备工艺过程。
2.了解溶液聚合加氢法，通过对橡胶加氢反应过程的深入研究，确定合理的反应技术要求。
3.分别研究反应器缺陷产生的原因和机理，通过对热壁加氢反应器的结构的研究，设计符合反应技术要求的压力容器。
本文文献总结参考国内外加氢设备设计相关的论文，了解相关国家标准和工程设备图绘制要求，完成设计，掌握工程软件进行强度校核，最终完成设备图的绘制。
参考文献
[1]侯元斌，氢化丁腈橡胶的低温性能[J]，橡胶参考资料，1998，28（11）：19 -24.
[2]陈士朝，氢化丁腈橡胶的结构与性能[J]，橡胶工业，1992，39（10）：628-633.
[3]郑长伟，日本瑞翁公司氢化丁腈橡胶的性能及应用介绍[J]，橡胶工业，1995，42（6）：342-344.