(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラッギング現象を減少させるように並列に配置された２つの第１重合反応器に、ブタジエン、重合触媒及び溶媒を含む原料をそれぞれ供給及び重合してブタジエン重合体を含む第１重合液を製造し、前記第１重合反応器において重合熱によって生成される気体は凝縮器に排出される第１重合段階；
前記第１重合反応器に直列に配置された一つ以上の第２重合反応器に前記第１重合液を供給及び重合してブタジエン重合体を含む第２重合液を製造し、前記第２重合反応器において重合熱によって生成される気体は凝縮器に排出される第２重合段階；及び
前記第２重合液を排出する段階を含むポリブタジエンの製造方法であって、
前記並列に配置された第１重合反応器内の供給原料の滞留時間は３５から６５分であり、
前記第１重合反応器内の供給原料が占める体積は３０％から７０％であり、
前記重合反応は、７０℃から１２０℃の温度及び０．１ｋｇｆ／ｃｍ2から５ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力下で行われるものであり、
前記第１重合反応器におけるブタジエン重合体への転換率は８５％以上であり、
前記第１重合反応器への原料の供給流量は、以下の式で表される
［数式（２）］
原料供給流量（ｋｇ／ｈｒ）＝［反応器内で原料が占める体積（ｍ3）×重合溶液の密度（ｋｇ／ｍ3）］／滞留時間（ｈｒ）
ポリブタジエンの製造方法。
【請求項２】
前記第１重合反応器及び前記第２重合反応器から排出される気体が同一の凝縮器において凝縮されると、そこから凝縮された凝縮物は前記第１重合反応器に供給される請求項１に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項３】
前記第１重合反応器及び前記第２重合反応器から排出される気体が、各反応器に連結された互いに異なる凝縮器において凝縮されると、そこから凝縮された凝縮物は、前記第１重合反応器及び前記第２重合反応器にそれぞれ還流される請求項１に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項４】
前記第１重合反応器内の供給原料の滞留時間は、前記第１重合反応器内の体積を増加させるか、または、前記並列に配置された前記第１重合反応器に供給される原料流量を減少させることにより、増加させる請求項１〜３のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項５】
前記原料流量は、前記原料が並列に配置された前記第１重合反応器に別々に供給されて減少する請求項４に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項６】
並列に配置された前記第１重合反応器は重合熱を分散させ、重合時に発生する気体の量が減少する請求項１〜５のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項７】
前記ポリブタジエンの製造方法は、前記第２重合段階以後、前記第１重合反応器及び前記第２重合反応器に直列に連結される他の重合反応器に、前記第２重合反応器から排出される第２重合液を供給する段階をさらに含む請求項１〜６のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項８】
前記重合反応器の総数は３から５である請求項１〜７のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項９】
前記触媒は、遷移金属化合物、ランタン系列の化合物、有機アルミニウム化合物及びこれらの混合物からなる群より選択されるチーグラー・ナッタ触媒である請求項１〜８のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項１０】
前記溶媒は、炭素数４から６の脂肪族炭化水素、脂環族炭化水素、芳香族炭化水素及びこれらの混合物からなる群より選択される請求項１〜９のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項１１】
前記脂肪族炭化水素はブタン、ペンタン、ヘキサン、イソペンタン、ヘプタン、オクタン及びイソオクタンからなる群より選択され、前記脂環族炭化水素はシクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン及びエチルシクロヘキサンからなる群より選択され、前記芳香族炭化水素はベンゼン、トルエン、エチルベンゼン及びキシレンからなる群より選択される請求項１０に記載のポリブタジエンの製造方法。
【請求項１２】
前記第１重合反応器には、分子量調節剤、反応停止剤、酸化防止剤、分散剤、潤滑剤及びこれらの混合物が更に供給される請求項１〜１１のいずれか一項に記載のポリブタジエンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[関連出願との相互引用]
本出願は、2015年10月22日付韓国特許出願第10-2015-0147419号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されている全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
【０００２】
[技術分野]
本発明は、ポリブタジエンの製造方法に関し、さらに詳細には、ポリブタジエンの製造中に発生するプラッギング現象を最小化し、転換率を高めることにより生産性を向上させることができるポリブタジエンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ポリブタジエン(Polybutadiene)は、通常1,3-ブタジエンに代弁されるブタジエン(Butadiene)単量体(monomer)を重合させて得ることができる高分子化合物であって、軽いだけでなく、耐磨耗性及び柔軟性などに優れるので、多様な製品の素材に用いられている。このようなポリブタジエン中の約70%は耐磨耗性を重要視するタイヤの製造に用いられ、約25%はポリスチレン及びアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)のようなプラスチックの機械的強度を向上させるための添加剤(additive)として用いられる。その他、ポリブタジエンは電気抵抗度が高いので、電子組み立て品のコーティング材としても用いられており、ゴルフボール(コア(core)部分)や数多くの弾性物の製造に用いられる等、その用途は無限であるといえる。
【０００４】
このようなポリブタジエンを製造するための装置や方法は、既にかなり前から公知技術として位置付けされている。しかし、ポリブタジエンを製造する重合過程中には、重合体の一部が、重合熱により発生して反応器の上部に排出される気体混合物を冷却させる凝縮器に混入され、重合反応器と凝縮器との間に位置する気体排出配管及び凝縮器内部に沈着される現象、すなわち、プラッギング(Plugging)現象により熱交換効率が低下するという問題点があり、このような前記プラッギング現象は、排出される気体混合物の流量が多くなるほど加速化する可能性が更に高くなる。
【０００５】
また、ポリブタジエンの重合には、通常、チーグラー・ナッタ(Ziegler-Natta) 金属触媒が用いられるところ、このような触媒は水気により敏感に活性が低下するため、熱伝達媒質として水を主に用いる懸濁重合や、同様に乳化気質として水を主に用いる乳化重合は、ポリブタジエンを重合するのに効果的な合成方法であるといえない。よって、高分子構造が均一に生成されるためには、第1重合段階で一定水準以上の高い転換率を確保することが要求され、そのためには、必然的に第1重合反応器で発生する重合熱が非常に高くならざるを得ず、前記プラッギング現象は更に加速化する。
【０００６】
一方、ポリブタジエンは、通常2つ以上の反応器を用いて連続重合させることより製造されるところ、このような方法によってポリブタジエンを製造するようになると、反応原料の重合反応器内の滞留時間が増加することとなり、かつ転換率は増加されるが、滞留時間は反応器への原料投入量に反比例するため、重合反応器の個数及び配置などの全般的な環境を適宜構成することが要求される。
【０００７】
一方、韓国特許公開10-2015-0028615号(プラッギングが減少したブタジエンゴムの製造方法及び装置)は、2つの重合反応器を用いて連続重合することによりプラッギング現象を低減する内容を開示しており、韓国特許公開10-2013-0003125号(並列反応器を用いた1,3-ブタジエンの製造方法)は、互いに異なって供給される原料により触媒が変わるよう、2つの重合反応器を並列に構成することを開示している等、ポリブタジエンを製造するための多様な装置及び方法が公知となっており、これをより改善させるための研究が多角度で行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】韓国公開特許第10-2015-0028615号公報
【特許文献２】韓国公開特許第10-2013-0003125号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、ポリブタジエンの製造中に発生するプラッギング現象を最小化し、転換率を高めることにより、生産性を向上させることができるポリブタジエンの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を果たすために、本発明は、プラッギング現象を減少させるように並列に配置された2つの第1重合反応器に、ブタジエン、重合触媒及び溶媒を含む原料をそれぞれ供給及び重合してブタジエン重合体を含む第1重合液を製造し、前記第1重合反応器で重合熱によって生成される気体は凝縮器に排出される第1重合段階；前記第1重合反応器に直列に配置された一つ以上の第2重合反応器に前記第1重合液を供給及び重合してブタジエン重合体を含む第2重合液を製造し、前記第2重合反応器で重合熱によって生成される気体は凝縮器に排出される第2重合段階；及び前記第2重合液を排出する段階を含むポリブタジエンの製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るポリブタジエンの製造方法によれば、ポリブタジエンの製造中に発生するプラッギング現象を最小化し、転換率を高めることにより、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るポリブタジエンの製造方法を説明するための製造工程図である。
【図２】滞留時間に伴うブタジエンの転換率を示すグラフである。
【図３】（a）は、本発明の一実施形態に係るポリブタジエンの製造工程の模式図であり、（b）は、本発明の他の実施形態に係るポリブタジエンの製造工程の模式図である。
【図４】本発明の比較例に係るポリブタジエンの製造工程の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明を詳しく説明する。
【００１４】
図1は、本発明の一実施形態に係るポリブタジエンの製造方法を説明するための製造工程図であって、本発明に係るポリブタジエンの製造方法は、図1に示されているところのように、プラッギング現象を減少させるように並列に配置された2つの第1重合反応器100、200に、ブタジエン、重合触媒及び溶媒を含む原料をそれぞれ供給及び重合してブタジエン重合体を含む第1重合液を製造し、前記第1重合反応器100、200で重合熱によって生成される気体は凝縮器に排出される第1重合段階、前記第1重合反応器100、200に直列に配置された一つ以上の第2重合反応器300に前記第1重合液を供給及び重合してブタジエン重合体を含む第2重合液を製造し、前記第2重合反応器300で重合熱によって生成される気体は凝縮器に排出される第2重合段階、及び前記第2重合液を排出する段階を含む。
【００１５】
前記第1重合段階において、2つの第1重合反応器100、200を並列に配置することは、反応原料の量を約半分に分離供給して重合熱を分散させることにより、重合時に発生する気体の量を減らし、ポリブタジエンの生産収率を低下させるプラッギング現象を減少させるためのことであって、これに対する説明は後述する。
【００１６】
前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300の構造や形態は特別な制限がないものであって、通常の重合反応器を用いることができ、好ましくは、連続撹拌タンク反応器(Continuous stirred-tank reactor; CSTR)やループ(Loop)反応器を用いることができる。一方、前記のように、第1重合反応器100、200を並列に並んで構成するようになると、原料等の供給物を分けて各反応器に供給し、第1重合反応をそれぞれ行うことができるところ、ここで、供給物を分けて供給するとのことは、一つの第1重合反応器からなる工程システムに供給する量のうち一部、好ましくは約半分をまた他の第1重合反応器に供給するとの意味である。一方、前記のように、第1重合反応器100、200と第2重合反応器300が直列に連結されるとのことは、それぞれ第1重合反応器100、200から排出される重合液が第2重合反応器300に供給されることを意味し、もし多数の重合反応器が前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300に追加で直列連結されると、再度第2重合反応器300から排出される重合液がその次に位置した重合反応器に供給されることを意味する。つまり、本発明に係るポリブタジエンの製造方法は、前記第2重合段階以後、前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300に直列に連結されるまた他の重合反応器に、前記第2重合反応器300から排出される第2重合液を供給する段階をさらに含む。よって、前記第2重合反応器300から排出される第2重合液は、また他の重合反応器に供給されるかタンクに貯蔵され得るものである。
【００１７】
また、前記重合反応器100、200、300の総数は、最後に位置する最終重合反応器から排出されるブタジエン重合体を含有した重合液の転換率に応じて異なり得るものであって、例えば、90%以上、95%以上、98%以上のように、目標とする転換率の達成に必要な程度の重合反応器を更に配置することができ、第1重合反応器100、200に直列に連結される重合反応器を更に連結することにより転換率を更に向上させることができる。このように、重合反応器の総数は、目標転換率に応じて多少の差はあるが、3から5つ、好ましくは3から4つ、さらに好ましくは、並列の構成を有する第1重合反応器100、200は2つ、これに直列に連結される第2重合反応器300は一つ、合計3つでなすものである。
【００１８】
原料供給配管10、12を介し、前記第1重合反応器100、200に供給され重合反応に用いられる触媒はチーグラー・ナッタ(Ziegler-Natta)触媒であって、遷移金属化合物、ランタン系列の化合物、有機アルミニウム化合物またはこれらの混合物を例示することができる。また、同じく原料供給配管10、12を介し、前記第1重合反応器100、200に供給され重合反応に用いられる溶媒は、炭素数4から6の脂肪族、脂環族、芳香族炭化水素またはこれらの混合物であって、前記脂肪族炭化水素の例を挙げると、ブタン、ペンタン、ヘキサン、イソペンタン、ヘプタン、オクタン及びイソオクタン等があり、前記脂環族炭化水素の例を挙げると、シクロペンタン、メチルシクロペンタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン及びエチルシクロヘキサン等があり、前記芳香族炭化水素の例を挙げると、ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン及びキシレン等がある。このうち、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ベンゼン及びトルエンを用いるのが好ましく、これを水及び酸素が除去された状態で用いるのが更に好ましく、このためには、蒸溜及び乾燥して用いなければならない。一方、前記第1重合反応器100、200には、前記ブタジエン(反応原料)、触媒及び溶媒以外に、必要に応じて、通常の分子量調節剤、反応停止剤、酸化防止剤、分散剤、潤滑剤及びこれらの混合物が更に供給されてよい。
【００１９】
一方、前記重合反応器100、200、300の上部には、重合熱により生成された気体を凝縮器に供給する気体排出配管14、16、26、28が連結され、前記重合反応器100、200、300の下部には、ブタジエン重合体を含有した重合液を排出するか、次の重合反応器に供給する重合液排出配管（22及び24：第1重合液排出配管、30：第2重合液排出配管)が連結される。
【００２０】
前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300内で行われる重合反応は、70℃から120℃、好ましくは80℃から110℃の温度、及び0.1kgf/cm2から5kgf/cm2、好ましくは1.5kgf/cm2から3kgf/cm2の圧力下で行われてよい。また、前記第2重合反応器300で行われる重合反応は、前記第1重合反応器100、200で行われる重合反応に比べ、約5℃から10℃高い温度でなされ得るところ、この際の温度の上昇は外部からの熱の供給がなくても重合熱のみで可能なだけでなく、いずれにしても後工程であるストリッピング(Stripping)工程で熱供給の過程が必要なので、エネルギー節減の側面で有利である。但し、前記のところのように、通常、前記第2重合反応器300で行われる重合反応の温度が、前記第1重合反応器100、200で行われる重合反応の温度より約5℃から10℃高い温度で行われるが、一般に重合温度が低いほど分子量の分布(MWD)が狭い高分子を得ることができる等、物性的な要求条件に応じて異なり得るものである。一方、前記重合反応において、温度を調節するため、供給原料(反応原料)を予め加熱させることもできるが、重合反応時に発生する重合熱により重合反応器の内部温度を上昇させることができるため、原料を別に加熱する工程は必要に応じてのみ行われるのが好ましい。
【００２１】
一方、このような温度及び圧力下で、溶媒と未反応単量体は排出され、微量のブタジエン重合体も排出され得る。前記重合反応器の上部と連結された気体排出配管14、16、26、28に溶媒及び未反応単量体と共に排出される重合体の量は、重合熱及びこれに伴う気体の発生量が増加するほど多くなり、これは結局、気体排出配管14、16、26、28 及び凝縮器内部の気体の流れを止めるプラッギング現象の発生の頻度を高め、ポリブタジエンの生産収率を減少させる。
【００２２】
これを防止または最小化するため、本発明では、第1重合反応器100、200を並列になすところ、これはプラッギング(plugging)現象の原因である排出される気体の量を減少させつつも、第1重合段階で高い転換率が達成されるよう、各第1重合反応器100、200への供給原料の流量を減らして重合液の滞留時間を長く確保するためである。
【００２３】
一方、第2重合段階以降には転換率が15%未満であるため、重合熱が相対的に少なく、よって排出される気体の量も少ないので、一つの第2重合反応器300だけでも十分にプラッギング現象を最小化することができる。また、第2重合反応器300から排出される気体を凝縮した凝縮物が第1重合反応器100、200に分離供給されることにより(図1の26及び28を参照)、第1重合反応器100、200の気体発生量の減少に寄与することとなる。
【００２４】
本発明において、重合反応の転換率は、重合液の反応器内の滞留時間により調節が可能なものであって、すなわち、ブタジエン重合体への転換率を上昇させようとすると、前記並列に配置された第1重合反応器100、200内の供給原料の滞留時間をより長く確保しなければならない(増やさなければならない)。このような滞留時間は、重合液の反応器内の体積(重合反応器内で重合液が占める体積)と反応器に供給される反応原料の流量とにより決定され、下記数式（1）のような関係式で表すことができる。
【００２５】
［数式（1）］
滞留時間(hr) = 体積(m3)/原料供給流量(kg/hr)×重合溶液の密度(kg/m3)
したがって、滞留時間を増やすためには、反応器内の体積を増加させるか、反応器に供給される原料の流量を減少させなければならないところ、反応器内の体積を増加させる場合に重合熱も増加するため、結局、排出される気体の量も増加してプラッギング現象が加速化され得る。したがって、反応器に供給される原料の流量を減らして滞留時間を増やすのが安定的で好ましい。ここで、前記原料流量は、前記原料が前記並列に配置された第1重合反応器100、200に分離供給されるものであるため減少するのである。
【００２６】
このように滞留時間を増やし、本発明では、第1重合段階でブタジエン重合体への転換率が85%以上、好ましくは90%以上となるように誘導しつつ、プラッギング現象の原因となる気体排出配管14、16、26、28に排出される重合体の量を減少させることができるよう、2つの第1重合反応器100、200を並列に配置するものであり、これにより、重合熱を分散させると同時に高い転換率を確保することができる。それだけでなく、前記重合熱の分散により発生する気体の量を減少させることで、プラッギングの発生頻度を減少させ、さらにポリブタジエン製造装置の洗浄周期を増加させることができる。
【００２７】
したがって、本発明では、ブタジエン単量体(反応原料)、触媒及び溶媒などの供給原料の流量を調節し、前記第1重合反応器100、200での滞留時間を35から65分、好ましくは45から55分となるようにすることが適する。滞留時間が35分未満の場合は、第1重合段階で転換率が低いため、高分子構造の均一さが低下する恐れがあるのみならず、相対的に第2重合段階での転換率が増加するようになり、第2重合反応器300での気体排出量が急激に増加しつつ、却って第2重合反応器300によるプラッギング現象が現われることがある。また、滞留時間が65分を超過する場合は、それほど全体供給原料の流量を大幅に減らしたとのことを意味するため、生産効率が低くなる恐れがある。
【００２８】
図2は、滞留時間に伴うブタジエンの転換率を示すグラフである。一方、図2に示されているところのように、反応初期にはブタジエンの転換率が非常に急激に上昇するが、時間が経過するほど上昇幅が小さくなるところ(例えば、転換率が90%に到達するためには、転換率が80%に到逹するためにかかる時間の約2倍がかかる)、これは反応器内のブタジエン単量体の含量が多いと、滞留時間が短くとも重合熱は爆発的に増加するしかないためである。
【００２９】
また、プラッギング現象を最小化するための第1重合反応器100、200内の体積は30%から70%、好ましくは40%から60%となるようにし、体積が30%以下の場合は、それだけ生産効率が更に低くなる恐れがあり、体積が70%を超過する場合はプラッギング現象が加速化される恐れがある。
【００３０】
以上で検討してみたところのように、本発明に係るポリブタジエンの製造方法によると、全ての重合反応器を直列になした後、第1重合反応器にブタジエン(反応原料)、触媒及び溶媒などの原料を供給する方法に比べて、前記第1重合段階の気体生成量(言い換えると、前記第1重合反応器100、200で生成される気体生成量)を30重量%から50重量%減少させることができる。また、前記第1重合段階での気体生成量を減少させることにより、プラッギング現象が抑制され、ポリブタジエン製造装置の洗浄周期を既存に比べて3倍以上、好ましくは2.5倍以上、更に好ましくは2倍以上増加させることができる。
【００３１】
図3の（a）は、本発明の一実施形態に係るポリブタジエンの製造工程の模式図であり、図3の（b）は、本発明の他の実施形態に係るポリブタジエンの製造工程の模式図である。前記凝縮器400、500は、前記第1重合反応器100、200と連結された気体排出配管14、16及び第2重合反応器300と連結された気体排出配管26、28から排出される気体を凝縮させた後、循環配管18、20を介し、凝縮物を前記第1重合反応器100、200に供給する(または、還流させる)役割を担うものであって、重合反応に用いられる通常の凝縮器を用いることができ、図1及び図3の（a）に示されているところのように、合計2つでなすことが好ましいが、一つだけでなってもよく、3つ以上でなってもよい等、その個数には特別な制限がない。但し、凝縮器は凝縮させた還流液を処理することができる限界容量が存在するため、凝縮された還流液の量を考慮して凝縮器の個数を決定するのが好ましい。
【００３２】
一方、図1及び前記説明においては、第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300から排出される気体が同一の凝縮器400、500に供給されるものであるが、図3の（b）に示されているところのように、前記第2重合反応器300から排出される気体は別に設けられた凝縮器600に供給されてもよい。すなわち、前記第2重合反応器300から排出される気体は、前記第1重合反応器100、200と連結された凝縮器400、500ではなく、前記第2重合反応器300だけが連結された別の凝縮器600で凝縮され、ここで凝縮された凝縮物は、循環配管を介して前記第2重合反応器300に還流されるものである。
【００３３】
これをまとめると、前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300から排出される気体が同一の凝縮器で凝縮されると、これから凝縮された凝縮物は前記第1重合反応器100、200に供給され、前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300から排出される気体が各反応器に連結された互いに異なる凝縮器で凝縮されると、これから凝縮されたそれぞれの凝縮物は、前記第1重合反応器100、200及び第2重合反応器300にそれぞれ還流される。
【００３４】
以下、本発明の理解を助けるために好ましい実施形態を提示するが、下記実施形態は本発明を例示するものであるだけで、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正が可能であることは当業者において明白なことであり、このような変更及び修正が特許請求の範囲に属するのも当然のことである。
【００３５】
[実施例1] ポリブタジエンの製造
内部には撹拌装置が備えられており、上部には重合熱により生成された気体が排出される気体排出配管が連結されており、下部には重合反応により生成されたブタジエン重合体を含む重合液が排出される重合液排出配管が連結されており、側壁にはブタジエン、触媒及び溶媒を含む原料供給配管が連結されている50MT容量の第1重合反応器2台を並列になし、前記第1重合反応器と同一の形態でありつつ、前記2台の第1重合反応器の重合液排出配管の他端が側壁の原料供給配管に連結されている第2重合反応器が前記第1重合反応器と直列に連結されており、さらに、前記第1重合反応器の気体排出配管にそれぞれ凝縮器が連結されているとともに、該2台の凝縮器が前記第2重合反応器の気体排出配管とも連結され、前記第2重合反応器で生成された気体が半分に分けられ前記2台の凝縮器に排出されるようになし、凝縮器で熱交換を介して冷却された凝縮物がそれぞれの第1重合反応器に還流される循環配管をなし、連続重合で進められる製造装置を準備した。
【００３６】
第1重合反応器の原料供給配管には、1,3-ブタジエン(単量体)及び蒸溜精製コラムを経て回収されたn-ヘキサン(溶媒)を、分子濾過器(Molecular Sieve)及びシリカゲルが充填されているドライヤーを経るようにして水気及び酸素が除去されたものを供給し、これと共に、主触媒であるニッケルオクタノエート及び助触媒であるトリイソブチルアルミニウムを供給した。すなわち、予め1,3-ブタジエン及びn-ヘキサン溶媒と混合して60重量%となるようにした単量体のプレミックスを時間当り10,800kg、主触媒であるニッケルオクタノエートを予めn-ヘキサン溶媒に溶解させて5.5重量%の濃度にして時間当り9.8kg、助触媒であるトリイソブチルアルミニウムを予めn-ヘキサン溶媒に溶解させて35重量%の濃度にして時間当り41.6kg、これと共に、全体流量が時間当り21,700kgとなるようにn-ヘキサンを投入して前記第1重合反応器の原料供給配管に供給し、並列の構成を有する残り1台の第1重合反応器にも同一の量ほど供給し、2台の前記第1重合反応器に供給される原料混合物の全体流量が時間当り43,400kgとなるようにした。
【００３７】
次いで、第1重合反応器の体積は50%とした後、94℃の温度及び2.2kgf/cm2の圧力条件で重合反応を実施した。第1重合反応器で重合反応が進められつつ重合熱により生成された気体は、前記温度と圧力を維持するため、反応器上部の気体排出配管を介して凝縮器に排出され、前記重合反応で生成されたブタジエン重合体含有の第1重合液は、第1重合液排出配管を介して第2重合反応器に供給された。このとき、2台の第1重合反応器から1台の第2重合反応器に第1重合液が供給され、第2重合反応器では供給を受ける流量が2倍となるようにした。また、第2重合反応器の体積は50%とし、101℃の温度及び2.0kgf/cm2の圧力条件で重合反応を実施した。
【００３８】
第2重合反応器で重合反応が進められつつ重合熱により生成された気体は、前記温度と圧力を維持するため、反応器上部の気体排出配管に排出されるところ、このとき、排出された気体が半分に分けられて前記2台の凝縮器にそれぞれ排出され、各凝縮器に第1及び第2重合反応器から各凝縮器に排出された気体流量の合ほど熱交換を介して冷却されて凝縮物に液化され、前記凝縮物は再び循環配管を介して第1重合反応器に還流された。前記第2重合反応器から生成されたブタジエン重合体含有の第2重合溶液は、第2重合液排出配管を介して保管タンクに移送した。
【００３９】
[実施例2] ポリブタジエンの製造
前記実施例1の製造装置と同一であり、但し、第2重合反応器の気体排出配管が連結される別途の凝縮器を設け、前記第2重合反応器で生成された気体を前記別に設けられた凝縮器で熱交換を介して冷却させることにより、冷却した凝縮物が循環配管を介して前記第2重合反応器に還流されるように製造装置をなしたことを除き、前記実施例1と同一の製造装置及び方法を用いてポリブタジエンを製造した。言い換えると、2台の第1重合反応器と1台の第2重合反応器から排出された気体をそれぞれの凝縮器(合計3台)に排出させ、凝縮器で熱交換を介して冷却した凝縮物をそれぞれの反応器に還流させたことを除き、実施例1と同様に行った。
【００４０】
[比較例1] ポリブタジエンの製造
図4は、本発明の比較例に係るポリブタジエンの製造工程の模式図であって、図4に示されているところのように、前記実施例1で用いられた50MT容量の第1重合反応器を2台ではなく1台のみでなし(よって、第1重合反応器に連結される気体排出配管、重合液排出配管、原料供給配管及び循環配管も一つずつのみ存在)、第2重合反応器と直列に連結(第2重合反応器の重合液排出配管が連結)されるものであって、気体排出配管が第2重合反応器と別に連結された凝縮器(図4の600)と連結される1台の第3重合反応器(図4の1000)が追加されたことを除き、前記実施例1と同様の製造装置によって行った。
【００４１】
その他、予め1,3-ブタジエン及びn-ヘキサン溶媒と混合して60重量%となるようにした単量体のプレミックスを時間当り21,600kg、主触媒であるニッケルオクタノエートを予めn-ヘキサン溶媒に溶解させ、5.5重量%の濃度にして時間当り19.6kg、助触媒であるトリイソブチルアルミニウムを予めn-ヘキサン溶媒に溶解させ、35重量%の濃度にして時間当り83.2kg、これと共に、全体流量が時間当り43,400kgとなるようにn-ヘキサンを投入し、前記第1重合反応器の原料供給配管に供給した。
【００４２】
次いで、第1重合反応器で体積は50%とした後、91℃の温度及び2.6kgf/cm2の圧力条件で重合反応を実施した。第1重合反応器で重合反応が進められつつ重合熱により生成された気体は、前記温度と圧力を維持するため、反応器上部の気体排出配管を介して凝縮器に排出され、前記重合反応で生成されたブタジエン重合体含有の第1重合液は、第1重合液排出配管を介して第2重合反応器に供給された。引き続き、第2重合反応器で体積は50%とし、100℃の温度及び2.5kgf/cm2の圧力条件で重合反応を実施し、第2重合反応器で重合反応が進められつつ重合熱により生成された気体は、前記温度と圧力を維持するため、反応器上部の気体排出配管を介して凝縮器に排出され、前記重合反応で生成されたブタジエン重合体含有の第2重合液は、第2重合液排出配管を介して第3重合反応器に供給された。また、第3重合反応器で体積は50%とし、105℃の温度及び2.3kgf/cm2の圧力条件で重合反応を実施し、第3重合反応器で重合反応が進められつつ重合熱により生成された気体は、前記温度と圧力を維持するため、反応器上部の気体排出配管を介して凝縮器に排出され、前記重合反応で生成されたブタジエン重合体含有の第3重合液は、第3重合液排出配管を介して保管タンクに移送された。
【００４３】
[比較例2] ポリブタジエンの製造
予め1,3-ブタジエン及びn-ヘキサン溶媒と混合して60重量%となるようにした単量体のプレミックスを時間当り14,100kg、主触媒であるニッケルオクタノエートを予めn-ヘキサン溶媒に溶解させ、5.5重量%の濃度にして時間当り12.8kg、助触媒であるトリイソブチルアルミニウムを予めn-ヘキサン溶媒に溶解させ、35重量%の濃度にして時間当り54.4 kg、これと共に、全体流量が時間当り28,400kgとなるようにn-ヘキサンを投入して前記第1重合反応器の原料供給配管に供給したことを除き、前記比較例1と同様に行った。
【００４４】
[実施例1及び2、比較例1及び2] 製造されたポリブタジエンの物性評価 - A. プラッギング発生周期の評価
前記実施例1、2及び比較例1、2から第1重合反応器の気体排出配管に排出される気体の流量、第2重合反応器の気体排出配管から排出される気体の流量、プラッギング現象の発生までの時間、及び比較例1、2から第3重合反応器の気体排出配管に排出される気体の流量を下記表1に示した。プラッギングは、反応器の圧力が反応開始の初期圧力に比べて0.5kgf/cm2以上増加した時点までの時間で決定した。
【００４５】
【表１】
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【００４６】
前記表1に示したところのように、実施例1、2及び比較例1は全体原料供給量が同一であるが、比較例1に比べて実施例1及び2では、第1重合反応器から排出される気体排出量が大幅に減少したことが分かり、これに伴い、プラッギング現象の発生頻度が大幅に減少することを確認することができる(特に、プラッギング現象は主に第1重合反応器で現れるため、プラッギング現象の発生頻度は実施例2より実施例1で一層減少した)。また、第2及び第3重合反応器から排出される気体排出量は、第1重合反応器に比べて気体排出量が非常に少ないことが分かる。それだけではなく、全体原料供給量を35%減少させた比較例2もまた、第1反応器の気体排出量が実施例1及び2より更に多いことを確認することができる。プラッギングが発生すると、洗浄後に再稼動する時間が少なくとも48から96時間必要となるという点で、生産性に莫大な支障をもたらすようになるので、前記結果は非常に意味のあるものといえる。
【００４７】
[実施例1及び2、比較例1及び2] 製造されたポリブタジエンの物性評価 - B. 高分子物性の評価(分子量の分布)
前記実施例1、2及び比較例1、2から得た第1反応器の滞留時間及び転換率、反応器の全体滞留時間及び最終転換率及び分子量の分布値を下記表2に示した。 前記転換率は重合熱から計算し、分子量の分布は最終的に得たブタジエン重合体の物性の程度を確認するためにゲル透過クロマトグラフィー分析を行い、数平均分子量(Mn)と重量平均分子量(Mw)を求めた後計算した。
【００４８】
ここで少し前記で行われたゲル透過クロマトグラフィー(GPC,gel permeation chromatography)分析に対して説明すると、前記ゲル透過クロマトグラフィー(GPC)分析は、重合された高分子の分子量及び分子量の分布を確認するために40℃の温度下で行われたものであって、コラム(column)は、ポリマー・ラボラトリー社(Polymer Laboratories)のPlgel Olexisコラム(品名)2本とPlgel mixed-Cコラム(品名)1本を組み合わせ、新たに交替したコラムはいずれも混床(mixed bed)タイプのコラムを用いた。分子量の計算時、ゲル透過クロマトグラフィーの標準物質(GPC Standard material)としてはポリスチレン(Polystyrene)を用い、分析の結果、数平均分子量(Mn)及び重量平均分子量(Mw)を確認し、分析結果を介して分子量の分布(Mw/Mn)を計算した。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
前記表2に示したところのように、第1反応器での短い滞留時間により第1反応器の転換率が低い比較例1及び2に比べ、実施例1及び2で得たブタジエン重合体の分子量の分布値が低いので、実施例1及び2の高分子構造がより均一であることが分かる。比較例2に比べて反応器の全体滞留時間が短い実施例1及び2での最終転換率が相対的に低いが、その差はわずか約2%以内と少ないことが確認できる。
【００５１】
[実施例1及び2、比較例1及び2] 製造されたポリブタジエンの物性評価 - C. 生産効率の評価
前記実施例1、2及び比較例1、2から時間当りのポリブタジエン生産量を求め、これを下記表3に示した。
【００５２】
【表３】
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【００５３】
実施例1及び2は、比較例1及び2に比べ、同等水準以上の原料供給量を投入しつつも、相対的にプラッギングを低減させ、高分子構造が更に均一な重合体が製造され、それに伴い、時間当りのポリブタジエン生産量も優れていることが分かる。また、比較例1は、前記「A. プラッギング発生周期の評価」で確認したところのように、プラッギングの発生が頻繁で洗浄を頻繁に実施しなければならないため、時間当りのポリブタジエン生産量が同等であるとしても、生産効率は実施例1及び2に比べて低いといえる。それだけではなく、前記「B.高分子物性の評価」で確認したところのように、高分子物性も相対的に低下する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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