JP2013542286A - 活性モニタリング及び重合プロセス制御 - Google Patents

活性モニタリング及び重合プロセス制御 Download PDF

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Abstract

本発明は、液体供給流を制御する方法に関し、この方法は、開始剤若しくは触媒を含む液体供給流の少なくとも1つのスペクトルを測定し、前記スペクトルに基づく予測モデルを用いて、その活性を決定し、所望のレベルの全活性を達成又は維持するように、供給流及び/又は開始剤若しくは触媒を含む供給流の製造条件を調節することによって実施される。別の態様では、本発明は、モノマー及び開始剤又は触媒を含む液体供給流を接触させて実施する重合反応器におけるポリマー製造のための制御されたプロセスに関し、重合反応器に入る供給流及び/又は開始剤若しくは触媒製造の制御は、開始剤若しくは触媒を含む液体供給流の少なくとも1つのスペクトルを測定し、前記スペクトルに基づく予測モデルを用いてその活性を決定し、重合反応器内で所望のレベルの全活性を達成又は維持するように、供給流及び/又は開始剤若しくは触媒を含む供給流の製造条件を調節することによって実施される。さらに具体的には、本発明は、イソオレフィンとマルチオレフィン、特に、イソブチレンとイソプレンの共重合プロセスにおいて、アルミニウム含有開始剤の活性を制御する方法に関する。本発明はさらに、前記プロセスを実施するのに好適な装置及び化学プラントにも関する。

Description

本発明は、液体供給流を制御する方法に関し、この方法は、開始剤若しくは触媒を含む液体供給流の少なくとも1つのスペクトルを測定し、前記スペクトルに基づく予測モデルを用いてその活性を決定し、所望のレベルの全活性を達成又は維持するように、供給流及び/又は開始剤若しくは触媒を含む供給流の製造条件を調節することによって実施される。別の態様では、本発明は、モノマー及び開始剤又は触媒を含む液体供給流を接触させて実施する重合反応器におけるポリマー製造のための制御されたプロセスに関し、重合反応器に入る供給流及び/又は開始剤若しくは触媒製造の制御は、開始剤若しくは触媒を含む液体供給流の少なくとも1つのスペクトルを測定し、前記スペクトルに基づく予測モデルを用いてその活性を決定し、重合反応器内で所望のレベルの全活性を達成又は維持するように、供給流及び/又は開始剤若しくは触媒を含む供給流の製造条件を調節することによって実施される。
さらに具体的には、本発明は、イソオレフィン及び/又はマルチオレフィンの共重合プロセス、特に、イソブチレン及びイソプレンからブチルゴムを製造するためのプロセスにおいて、アルミニウム含有開始剤の活性を制御する方法に関する。
本発明はさらに、前記プロセスを実施するのに好適な化学プラントにも関する。
重合のための開始剤又は触媒系は、概して極めて濃度の低い活性中心が、製造条件及び微量成分の存在によって強い影響を受けることから、多くの場合、極めて可変性で、制御しにくい、又は低再現性の活性を呈示する。
開始剤又は触媒系の評価は、開始剤又は触媒の活性のオンラインモニタリングに好適な確立された分析方法が、現在利用可能ではないため、一般に、徹底的な試験を必要とする。
例えば、ATR−IR又は熱量測定によるモノマー消費及びポリマー形成のリアルタイムモニタリングは、(非特許文献1)及び(非特許文献2)から公知である。しかし、開始剤活性の寄与及び品質並びに、重合動力学に影響を及ぼしうるその他の因子との相違については、まだ評価されていない。
(非特許文献3)及び(非特許文献4)では、開始剤溶液中のイオン濃度及び解離度を決定するために、導電率測定値が用いられている。
(非特許文献5)及び(非特許文献6)においては、開始剤の特徴を触媒活性と関連付ける試みが開示されている。
さらに、(特許文献1)から、プロセス制御パラメーターとして、可変プロセスパラメーター、特にムーニー粘度及びポリマー分子量分布を用いることにより、ハロブチルゴム製品の特性を制御することが公知である。この方法は、in situ測定システムを用いて実施するが、このシステムは、プロセスからサンプル材料を一切取り出す必要がなく、特にフーリエ変換近赤外(FTNIR)分光計を含む。しかし、(特許文献1)は、プロセス制御パラメーターとして、重合プロセスに使用する触媒又は開始剤の活性を用いるポリマーの製造方法を開示していない。
欧州特許出願公開第0948761A号明細書
Storey,R.F.;Donnalley,A.B.;Maggio,T.L.Macromolecules 1998,31,1523 A.Ledwith,E.Lockett,D.C.Sherrington,Polymer 1975,16,31 X.Xu,Y.Wu,Y.Qiu,C.Dong,G.y.Wu,H.Wang,Eur.Polym.J.2006,42,2791 L.Balogh,L.Fabian,I.Majoros,T.Kelen,Polym.Bull.1990,23,75 G.Heublein,J.Macromol.Sci.−Chem.1985,A22,1277 R.Metava,C.Konstantinov,V.Kaibanov,J.Polym.Sci.Part A,Polym.Chem.1970,8,3563
従って、連続又はバッチ重合反応における開始剤又は触媒の使用前に活性を決定し、特に、プロセス制御パラメーターとして活性を用いることにより、前記重合プロセスに用いる触媒又は開始剤の量を制御することを可能にする方法が依然として求められる。
新たに、ポリマーの製造のための制御されたプロセスであって、少なくとも以下:
a)少なくとも1種の重合触媒又は少なくとも1種の重合開始剤を含む活性第1液体媒質を製造するステップと、
b)重合反応器内で、
・少なくとも1種の重合触媒又は少なくとも1種の重合開始剤を含む、体積V1の前記活性第1液体媒質の供給流と、
・量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む、体積V2の第2液体媒質の供給流と
を接触させて、反応媒質を形成し、反応媒質中で少なくとも1種の重合性モノマーを重合して、ポリマーを含む生成物媒質を形成するステップを含み、
これにより、
・ステップb)で用いた供給流V1及びV2を、少なくとも以下:
i)活性第1液体媒質の少なくとも1つのスペクトルを測定するステップと、
ii)予測モデルを用いて、活性第1液体媒質の比活性(aspecific)を決定するステップと、
iii)全活性aTotal(=aspecific x V1)と、V2に含まれるモノマーの量Mとの所望の体積比を得るのに必要な、活性第1液体媒質V1と第2液体媒質V2との所望の体積比(前記比を以後Rdesiredと呼ぶ)を決定するステップと、
iv)重合反応器に入る、
・体積V1の触媒活性第1液体媒質の供給流、又は、
・量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む、体積V2の第2液体媒質の供給流
・又は、体積V1及びV2の供給流の両方、
を、V1及びV2の体積比がRdesiredに少なくとも収束するやり方で制御する、
並びに、任意選択で又は代わりに、好ましくは任意選択で、
・活性第1液体媒質の製造条件、
並びに、任意選択で又は代わりに、好ましくは任意選択で、
・第2液体媒質中のモノマーの量M
を制御するステップ
によって制御し、
かつ、これにより、前記予測モデルは、少なくとも以下:
A)異なる活性を有する複数の活性液体媒質のスペクトルを測定するステップと、
B)既知体積V1及びV2と既知量Mの少なくとも1種のモノマーとの重合反応における複数の活性液体媒質の使用、並びにそれにより形成されるポリマーの分析によって、前記複数の活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定し、これにより、重合反応は、ステップb)の重合と実質的に同じ作用機構によって進行するステップと、
C)ステップA)で測定した活性液体媒質のスペクトルとステップB)で決定したその比活性(aspecific)を相関させるステップと
を含む方法によって作製された、
制御されたプロセスが提供される。
本発明の範囲は、全体として、又は好ましい範囲若しくは好ましい実施形態のいずれにおいても、相互に、すなわち特定の範囲及び好ましい範囲のあらゆる組合せと共に、以上及び以下に記載するプロセスステップ、パラメーター及び実例のあらゆる組合せを包含するものとする。
供給流
ステップa)で、少なくとも1種の重合触媒又は少なくとも1種の重合開始剤を含む活性第1液体媒質を製造する。
本明細書で用いる「液体媒質」という用語は、ステップb)における重合温度で実質的に液体である媒質を指す。実質的に液体とは、固形分が10重量%以下、好ましくは5重量%以下、より好ましくは2重量%以下の液体を意味する。
ステップa)で製造した活性液体媒質は、少なくとも1種の重合触媒又は少なくとも1種の重合開始剤を含む。
好ましい実施形態では、活性液体媒質は、
・少なくとも1種の重合開始剤又は少なくとも1種の重合触媒と、
・有機溶剤と
を含む。
重合開始剤は、例えば、アニオン又はカチオン開始剤の群から選択され、そのため、アニオン又はカチオン開始剤は、アニオン又はカチオン重合を開始することができる開始剤を指し、これらを含む。
好適なカチオン開始剤は、カチオン重合を開始することができるプロトン、カルボカチオン若しくはシリリウムカチオンを生成するものである。
好適なカチオン開始剤としては、以下のものがあるが、これらに限定されるわけではない:
・− 少なくとも1種のルイス酸、例えば、三ハロゲン化アルミニウム、例えば三塩化アルミニウム、ハロゲン化チタン、例えば四塩化チタン、ハロゲン化すず、例えば四塩化すず、ハロゲン化ホウ素、例えば三フッ化ホウ素及び三塩化ホウ素、ハロゲン化アンチモン、例えば五塩化アンチモン若しくは五フッ化アンチモン、又は少なくとも1種の有機金属化合物、例えば、ハロゲン化ジアルキルアルミニウム、例えば塩化ジエチルアルミニウム、二ハロゲン化アルキルアルミニウム、例えば二塩化エチルアルミニウム、又は前述のルイス酸及び/又は有機金属化合物の混合物と、
− 少なくとも1種のプロトン源、例えば、水、アルコール、例えばC〜C12脂肪族アルコール、例えばメタノール、エタノール及びイソプロパノール、フェノール、カルボン酸、スルホン酸、チオール、又は無機酸、例えば硫化二水素、塩化水素、臭化水素若しくは硫酸と
の反応生成物、
・式(I)のカルボカチオン化合物:
[CRAn (I)
(式中、R、R及びRは、R、R及びRのいずれか1つが水素であるか、又はいずれも水素ではないという条件で、独立に、水素、C〜C20−アルキル又はC〜C20−アリールであり、Anは、モノアニオン又はp価アニオンの1/p同等物を示す)
又は
・式(II)のシリリウム化合物:
[SiRAn (II)
(式中、R、R及びR並びにAnは、式(I)について記載したのと同じ意味を有する)
又は
・前述した化合物及び反応生成物の混合物。
ルイス酸又は有機金属化合物とプロトン源の好ましいモル比は、1:0.0001〜1:5、好ましくは1:0.5〜1:3の範囲であり、さらに好ましくは1:0.5〜1:2である。
式(I)及び(II)において、R、R及びRは、好ましくは独立に、フェニル、トリル、キシリル及びビフェニル、メチル、エチル、n−プロピル、n−フェニル、n−ヘキシル、シクロヘキシル、n−オクチル、n−ノニル、n−デシル、n−ドデシル、3−メチルフェニル及び3,5,5−トリメチルヘキシルからなる群から選択される。
式(I)及び(II)において、Anは、好ましくは、式(III)のアニオンを示す:
[M(R (III)
(式中、
Mは、+3形式酸化状態のホウ素、アルミニウム、ガリウム又はインジウムであり、
は、独立に、より好ましくは、同一に、水素化物、ジアルキルアミド、ハロゲン化物、例えば、塩化物、C〜C20−アルキル又はC〜C20−アリール、C〜C20−ハロアルキル又はC〜C20−ハロアリールからなる群から選択される)。
好ましい有機溶剤としては、C〜C20アルカン及びC〜C20ハロアルカン並びにこれらの混合物がある。
好ましいC〜C20アルカンは、エタン、プロパン、n−ブタン、イソブタン、n−ペンタン、シクロペンタン、シクロヘキサン、n−ヘキサン、メチルシクロペンタン、2,2−ジメチルブタン、2,3−ジメチルブタン、2−メチルペンタン、3−メチルペンタン、n−ヘプタン、2,2−ジメチルペンタン及びn−オクタン又はこれらの混合物である。
別の好ましい実施形態では、有機溶剤は、圧力1013hPaで45℃〜80℃の範囲の沸点を有するアルカンを少なくとも80重量%、好ましくは少なくとも90重量%、より好ましくは少なくとも95重量%、さらに好ましくは少なくとも97重量%含み、残りは、重合条件下で少なくとも実質的に不活性の他の化合物、例えば、他のアルカン又はハロアルカンである。
圧力1013hPaで45℃〜80℃の範囲の沸点を有するアルカンとしては、シクロペンタン、2,2−ジメチルブタン、2,3−ジメチルブタン、2−メチルペンタン、3−メチルペンタン、n−ヘキサン、メチルシクロペンタン及び2,2−ジメチルペンタンがある。
本発明のさらに好ましい実施形態では、有機溶剤は、ハロアルカンを実質的に含まない。
本明細書で用いる「実質的に含まない」という用語は、有機溶剤中のハロアルカンの含有率2重量%未満、好ましくは1重量%未満、より好ましくは0.1重量%未満、さらに好ましくはハロアルカンの不存在を意味する。
一般には、活性液体媒質は、0.0001〜20重量%、好ましくは0.01〜10重量%、より好ましくは0.05〜5重量%の式(I)及び/若しくは(II)並びに/又は少なくとも1種のルイス酸及び/若しくは少なくとも1種の有機金属化合物並びに少なくとも1種のプロトン源を含む。さらに好ましい実施形態では、活性液体媒質は、以下のものを含む:
・−少なくとも1種のルイス酸、例えば、三ハロゲン化アルミニウム、例えば三塩化アルミニウム、ハロゲン化チタン、例えば四塩化チタン、ハロゲン化すず、例えば四塩化すず、ハロゲン化ホウ素、例えば三フッ化ホウ素及び三塩化ホウ素、ハロゲン化アンチモン、例えば五塩化アンチモン若しくは五フッ化アンチモン、又は少なくとも1種の有機金属化合物、例えば、ハロゲン化ジアルキルアルミニウム、例えば塩化ジエチルアルミニウム、二ハロゲン化アルキルアルミニウム、例えば二塩化エチルアルミニウム、又は前述のルイス酸及び/又は有機金属化合物の混合物と、
−カチオン開始剤としての、少なくとも1種のプロトン源、例えば、水、アルコール、例えばC〜C12脂肪族アルコール、例えばメタノール、エタノール及びイソプロパノール、フェノール、カルボン酸、スルホン酸、チオール、又は無機酸、例えば硫化二水素、塩化水素、臭化水素若しくは硫酸
の反応生成物、並びに
・圧力1013hPaで45℃〜80℃の範囲の沸点を有するアルカンを少なくとも80重量%、好ましくは少なくとも90重量%、より好ましくは少なくとも95重量%、さらに好ましくは少なくとも97重量%含有する有機溶剤であって、残りは、重合条件下で少なくとも実質的に不活性の他の化合物、例えば、他のアルカンである、有機溶剤。
さらに好ましい実施形態では、塩化ジエチルアルミニウム若しくは二塩化エチルアルミニウム又はこれらの混合物と、少なくとも1種のプロトン源、例えば、水、アルコール、例えばC〜C12脂肪族アルコール、例えばメタノール、エタノール及びイソプロパノール、フェノール、カルボン酸、チオール、又は無機酸、例えば硫化二水素、塩化水素、臭化水素若しくは硫酸との反応生成物を用いるが、水、メタノール及び塩化水素がより好ましく、特に水が好ましい。
塩化ジエチルアルミニウム若しくは二塩化エチルアルミニウム又はこれらの混合物と、前述のプロトン源又は好ましくは水の好ましいモル比は、1:0.01〜1:3の範囲であり、より好ましくは1:0.5〜1:2である。前述の活性液体媒質は、好ましくは、0.0001〜20重量%、より好ましくは0.01〜10重量%、さらに好ましくは0.05〜5重量%の塩化ジエチルアルミニウム若しくは二塩化エチルアルミニウム又はこれらの混合物と少なくとも1種のプロトン源との反応生成物を含む。
第1活性液体媒質の製造は、例えば、触媒若しくは開始剤を有機溶剤と混合することにより、又は有機溶剤中に触媒若しくは開始剤を少なくとも部分的に溶解させることにより、又は有機溶剤中で先駆物質を反応させて、開始剤若しくは触媒を含有する活性液体媒質を形成することにより、あるいは、ルイス酸若しくは有機金属化合物とプロトン源の反応生成物を使用する場合には、有機溶剤中で前述の化合物を反応させることにより、実施することができる。必要であれば、さらなる有機溶剤を添加又は除去することにより、開始剤又は触媒の濃度をさらに調節してもよい。
ステップb)において、体積V1の活性液体媒質の供給流を、量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む、体積V2の第2液体媒質の供給流と接触させることにより、反応媒質を形成する。これによって、重合が、概して直ちに開始する。好ましくは、反応器内の供給流の接触を、当業者には公知の回転又は静的ミキサーのような混合手段により促進する。
本明細書で用いるように、「重合性モノマー」という用語は、重合反応で重合することができるすべてのモノマーを包含する。
好ましい重合性モノマーは、式(IV)のモノマーである。
Figure 2013542286
(式中、R、R、R及びRは、互いに独立に、以下:
〜C18−アルコキシ、C〜C18−アルキル、C〜C18−アルケニル、C〜C18−アルキニルからなる群から選択され、
これらは、以下:
−O−、−CO−、−OCO−、−O(CO)O−、NR(CO)−、−NR(CO)O−、−O(CO)NR、−(CO)NR−、−NR(CO)NR−、−Si(R10−、−OSi(R10−、−OSi(R10O−、−Si(R10O−
からなる群から選択される非連続な官能基によって、1回、2回若しくは3回以上のいずれの回数でも分断されておらず、
そして、これらは、C〜C15−ヘテロシクロ−ジイル及びC〜C14−アリールジイルからなる群から選択される二価残基によって、1回、2回若しくは3回以上のいずれの回数でも分断されておらず、
そして、これらは、加えて又は代わって、以下:
ハロゲン、シアノ、エポキシ、C〜C14−アリール;C〜C15−ヘテロシクリル、C〜C−アルキル、C〜C−アルコキシ、C〜C−アルキルチオ、C〜C−アルケニル、C〜C15−アリールアルキル、ヒドロキシ、−SON(R2、NRSO−R10、−N(R、−CON(R10、−COR、−OCOR、−O(CO)OR、NR(CO)R10、−NR(CO)OR10、O(CO)N(R、−NR(CO)N(R、−OSi(OR10y−3(R10、−Si(OR10)(y−3)(R10(yは、1、2若しくは3である)
からなる群から選択される置換基によって、1回、2回若しくは3回以上のいずれの回数でも置換されていない)。
好ましい重合性モノマーの例としては、以下のものがある:
・C〜C16モノオレフィン、例えば、イソブテン、2−メチル−1−ブテン、3−メチル−1−ブテン、2−メチル−2−ブテン、4−メチル−1−ペンテン、スチレン、2−、3−及び4−メチルスチレン、2−、3−及び4−ブロモメチルスチレン、クロロスチレン、p−メトキシスチレン、インデン、酢酸ビニル及びイソブチルビニルエーテル又はこれらの混合物。好ましいC〜C16モノオレフィンは、C〜Cイソオレフィンである。最も好ましいものは、イソブテンである。
・共役C〜C16多価オレフィン、例えば、イソプレン、ブタジエン、2−メチルブタジエン、2−フェニル−1,3−ブタジエン、2,4−ジメチルブタジエン、1,3−ペンタジエン、3−メチル−1,3−ペンタジエン、2,4−ヘキサジエン、2−ネオペンチルブタジエン、2−メチル−1,5−ヘキサジエン、2,5−ジメチル−2,4−ヘキサジエン、2−メチル−1,4−ペンタジエン、2−メチル−1,6−ヘプタジエン、シクロペンタジエン、メチルシクロペンタジエン、シクロヘキサジエン、1−ビニル−シクロヘキサジエン又はこれらの混合物。イソプレンが特に好ましい。
・非共役C〜C16多価オレフィン、例えば、ジビニル−ベンゼン、ノルボルナジエン、2−イソプロペニルノルボルネン、2−ビニル−ノルボルネン、ジイソプロペニルベンゼン、ジビニルトルエン、ジビニルキシレン及び上記ジビニル芳香族化合物のC〜C20アルキル置換誘導体。
本発明の好ましい実施形態では、量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む第2液体媒質は、70.0〜99.5重量%のC〜C16モノオレフィンと、少なくとも1種の共役C〜C16多価オレフィンの約0.5〜30.0重量%のC〜C16モノオレフィンの混合物を含み、そのため、これら成分は、第2液体媒質中に存在する少なくとも1種の重合性モノマーの総量Mに基づき、合計100重量%となる。
より好ましくは、第2液体媒質は、92.0〜99.0重量%のC〜C16モノオレフィンと、少なくとも1種の共役C〜C16多価オレフィンの1.0〜8.0重量%のC〜C16モノオレフィンとの混合物を含み、上記の成分は、第2液体媒質中に存在する少なくとも1種の重合性モノマーの総量Mに基づき、合計100重量%となる。
さらに好ましくは、第2液体媒質は、92.0〜99.0重量%のイソブテンと、1.0〜8.0重量%のイソプレンとの混合物を含み、上記の成分は、第2液体媒質中に存在する少なくとも1種の重合性モノマーの総量Mに基づき、合計100重量%となる。
別の実施形態では、第2液体媒質は、90.0〜98.5重量%のイソブテンと、1.0〜8.0重量%のイソプレンと、2−、3−若しくは4−メチルスチレン、スチレン、2−、3−若しくは4−クロロスチレン、p−メトキシスチレン、シクロペンタジエン、メチルシクロペンタジエン、インデンからなる群から選択される0.5〜9重量%のモノマーの混合物を含み、上記の成分は、第2液体媒質中に存在する少なくとも1種の重合性モノマーの総量Mに基づき、合計100重量%となる。
さらに別の実施形態では、第2液体媒質は、91.0〜98.5重量%のイソブテンと、1.0〜8.0重量%のイソプレンと、0.5〜3重量%の少なくとも1種の、好ましくは1種の非共役C〜C16多価オレフィンの混合物を含み、上記の成分は、第2液体媒質中に存在する少なくとも1種の重合性モノマーの総量Mに基づき、合計100重量%となる。
ステップb)では、量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む第2液体媒質は、例えば、0.1〜100.0重量%、好ましくは1〜80.0重量%、より好ましくは10.0〜50.0重量%の少なくとも1種の重合性モノマーを含む。
一実施形態では、残り(存在する場合)は、有機溶剤、好ましくは活性液体媒質について既述した有機溶媒である。
好ましい実施形態では、残り(存在する場合)は、活性液体媒体中のものと同じ有機溶媒である。
重合反応器内の好ましい反応温度は、ステップb)で使用するモノマー及び開始剤又は触媒の種類及び濃度に応じて異なる。しかし、前述した好ましい重合性モノマーを用いたポリマーの製造の場合には、反応温度は、典型的には−100℃〜50℃の範囲であり、少なくとも1種のC〜C16モノオレフィンと、少なくとも1種の共役若しくは非共役多価オレフィンを含むコポリマーの製造の場合には、反応温度は、好ましくは−100℃〜0℃の範囲であり、少なくとも1種のイソブテン及びイソプレンを含むコポリマーの製造の場合には、反応温度は、好ましくは−100℃〜−40℃の範囲である。
ステップb)は、バッチ式又は連続式のいずれで実施することもできるが、連続プロセスが好ましい。
「重合反応器」という用語は、供給流を接触させるのに好適なあらゆる装置を含み、従って、その目的に適していれば、当業者には公知の任意のタイプのものとし得る。これは、欧州特許出願公開第0053585号明細書及びPCT/EP2010//059385号明細書(この文献は、その全文を参照として本明細書に組み込む)に開示されている重合反応器を含む。
プロセス制御
ステップb)では、ステップb)で使用するV1及びV2の体積比は、少なくとも以下:
i)活性第1液体媒質の少なくとも1つのスペクトルを測定するステップ、
ii)予測モデルを用いて、活性第1液体媒質の比活性(aspecific)を決定するステップと、
iii)全活性atotal(=aspecific x V1)と、V2に含まれるモノマーの量Mとの所望の比を得るのに必要な、活性第1液体媒質V1と第2液体媒質V2の所望の体積比(前記比を以後Rdesiredと呼ぶ)を決定するステップと
によって制御される。
連続プロセスの場合には、Rdesiredは、全活性atotal(=aspecific x V1)と、V2に含まれるモノマーの量Mとの所望の比を得るのに必要な、活性第1液体媒質V1と第2液体媒質V2の所望の体積流量比を意味する。
連続プロセスの場合には、重合反応器内で接触させる体積V1及びV2は、好ましくは、体積流量を調節することによって制御する。従って、本明細書で使用するように、V1及びV2は、連続プロセスが意図又は開示される場合、体積流量を指す。
第1ステップでは、活性第1液体媒質の少なくとも1つのスペクトルを測定する。
好ましい実施形態では、測定は、その空間的構成に対して、アトライン(at−line)又はインライン(in−line)である。
別の好ましい実施形態では、測定は、少なくとも10分に1回、好ましくは少なくとも2分に1回実施する。
好ましい実施形態では、測定は、オンラインで実施する。
好ましくは、少なくとも1つのスペクトルは、吸収、反射若しくは散乱スペクトルであり、NMRスペクトル、ラマンスペクトル若しくは赤外(780nm〜1mm)、紫外(1nm〜400nm)又は可視(400〜780nm)吸収スペクトルが好ましく、赤外吸収スペクトルがより好ましい。
別の実施形態では、1種以上のスペクトルを測定してもよい。
さらに好ましくは、特に開始剤(これは、ルイス酸又は有機金属とプロトン源の反応生成物を意味する)を用いる場合には、少なくとも1つの赤外スペクトルを測定するが、これは、400〜700cm−1(14.2μm〜25μm)のMIR(中赤外)領域を含み、この領域は、出願人によって、この種の開始剤の「指紋」領域であると認めることができた。
スペクトルは、当業者には公知のあらゆる種類の標準的装置、又は市販の装置を用いて、測定することができる。従って、前記装置の構成要素については詳述しない。
好ましい実施形態では、スペクトルは、伝送フローセルを用いて測定する。こうした伝送フローセルは、好ましくは、0.1〜5mm、さらに好ましくは0.5〜2mmの光路長で操作する。この光路長によって、これより光路長がはるかに短い従来の方法と比べて、光路長の変化について吸収スペクトルを補償する必要性が大幅に低減する。
赤外スペクトルを測定するための好ましい装置は、フーリエ変換赤外分光計(FT−IR)又はフーリエ変換近赤外分光計(FT−NIR)である。
測定したスペクトルは、複数の作用のために変動を被る場合がある。これらの作用として、例えば、測定中の線源温度変動によって起こるベースライン変動、セルウィンドウによる反射率、散乱若しくは吸収、並びに検出器の温度変化、又は測定過程で存在する前サンプルの化学化合物、例えば、分光計自体における水蒸気及び/若しくは二酸化炭素によって起こるスペクトルの重なりが考えられる。
従って、測定したスペクトルは、任意洗濯で、当業者には公知の標準的方法、例えば、欧州特許出願公開第948761A号明細書(これは、その全文を参照として本明細書に組み込む)に開示されている方法によって補正してもよい。
しかし、活性の決定に1つ以上の分離した吸収帯を用いる場合には、スペクトルの補正は、一般に必要ではない。
第2ステップでは、予測モデルを用いて、活性第1液体媒質の比活性(aspecific)を決定する。
本明細書で用いる「比活性」とは、活性液体媒質の単位体積当たりの重合反応を触媒又は開始する、触媒の活性又は開始剤の能力を意味する。
決定過程では、測定、及び任意選択で補正したスペクトルを、分析計からコンピューターに伝送するのが好ましく、コンピューターは、測定値を分析し、後述する予測モデルを用いて、活性第1液体媒質の比活性(aspecific)を決定する。
第3ステップでは、連続プロセスの場合、全活性aTotal(=aspecific x V1)と、V2に含まれるモノマーの量Mとの所望の比を得るのに必要な、活性第1液体媒質V1と第2液体媒質V2の体積流量比(Rdesired)を決定する。第2液体媒質に存在するモノマーの量Mは、一般に既知であり、特に連続プロセスの場合、例えば、重合中のモノマー濃度の変化によって起こる粘度の変動又はその他の作用による反応条件の変動を回避するために、実質的に一定に保持される。「実質的に一定」とは、モノマーの量が、第2液体媒質中に存在するモノマーの予め定めた量Mの±−5%、好ましくは±2%、さらに好ましくは±−1%の範囲内に保持されることを意味する。
さらに、第2液体媒質に存在するモノマーの量Mは、本発明の方法のステップb)で使用するのと同じ分光法によって決定することができる。特に、赤外分光法が好ましく、フロートラフ(trough)セルを用いた赤外分光法が、さらに好ましい。この実施形態では、次に、スペクトルを用いて、体積供給流がRdesiredに収束するように、これを制御する。
重合反応器に入る供給流V1の全活性が低すぎて、第2液体媒質に存在する量Mのモノマーを効率的に触媒又は開始することができない場合には、モノマーの転化率は概して低く、後に、モノマー及び溶剤を回収する追加ステップ、あるいは最悪の場合のシナリオでは、反応媒質をすべて処分する追加ステップのいずれかが必要になる。
重合反応器に入る供給流V1の全活性が、第2液体媒質に存在するモノマーの量Mに対して高すぎる場合には、転化率はかなり高くなりうる。しかし、ポリマーの鎖長及び分子量が、例えば、意図する目的には低すぎたり、あるいは、所望のレベルから逸脱したりする場合があり、その結果、ポリマーを市販不能にする恐れがある。
従って、全活性aTotal(=aspecific x V1)と、V2に含まれるモノマーの量Mとの所定の比(Rdesired)を維持することが望ましい。この所望の比は、概して、また好ましくは、予め定めた範囲内にあり、この範囲は、以下に説明する予測モデルを構成するための実験から得られる結果であってよい。
第4ステップでは、重合反応器に入る以下:
・体積V1の触媒活性第1液体媒質の供給流、又は、
・量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む、体積V2の第2液体媒質の供給流、
・又は体積V1及びV2の供給流の両方
を、V1及びV2の体積比が、Rdesiredに少なくとも収束するか、又は好ましくはRdesiredであるようなやり方で、制御する。
第3のステップ(iii)の決定は、好ましくは、これに応じて設計したコンピューターを用いて行うが、この決定により、体積比又は、連続プロセスの場合には、活性第1液体媒質と第2液体媒質との体積流量比が、Rdesiredから逸脱していることが明らかになった場合、この情報を、体積又は体積流量V1若しくはV2又はその両方を操作する体積又は供給流制御装置への入力として用いる。
こうした体積又は供給流は、調節可能な弁、ポンプ又は体積若しくは供給流を制御するのに好適な、当業者には公知のいずれか他の装置であってよい。
例えば、連続プロセスで、活性第1液体媒質と第2液体媒質の体積流量比が、Rdesiredより低い場合、活性第1液体媒質と第2液体媒質の体積流量比V1/V2が、所望のRdesiredに収束するか、又は好ましくはRdesiredであるようなやり方で、以下のいずれかを行う:
・流量V2を一定に維持しながら、V1の体積流量を値V1まで増加させる、又は
・流量V1を一定に維持しながら、V2の体積流量を値V2まで減少させる、又は
・V1及びV2の体積流量を値V1及びV2に合わせて調節する。
例えば、連続プロセスで、活性第1液体媒質と第2液体媒質の体積流量比が、Rdesiredより高ければ、活性第1液体媒質と第2液体媒質の体積流量比V1/V2が、所望のRdesiredに収束するか、又は好ましくはRdesiredであるようなやり方で、以下のいずれかを行う:
・流量V2を一定に維持しながら、V1の体積流量を値V1まで減少させる、又は
・流量V1を一定に維持しながら、V2の体積流量を値V2まで増加させる、又は
・V1及びV2の体積流量を値V1及びV2に合わせて調節する。
上記に加えて、「供給流の制御」という用語は、理由が何であれ、活性液体媒質の比活性が、特に低い又はゼロである場合に、体積又は体積流量V1若しくはV2又はその両方をゼロに設定し、活性液体媒質が重合反応器に入る前に、処分又は回収ユニットに直接移送又は向け直すという可能性もさらに含む。
このタイプの制御は、特に連続重合プロセスの場合、少なくとも生産の予備的停止を引き起こすことから、本発明の別の実施形態では、第1活性液体媒質の製造は、活性液体媒質の2つ以上の供給流の使用を含み、これらは、互いに独立に製造及びモニタリングされ、前述のように独立に制御可能である。しかし、この場合、活性液体媒質の単一供給流について測定したスペクトルが、重合プロセスの制御及び計算のための共通の基準を形成する。
この実施形態によって、重合反応器に入る活性液体媒質の少なくとも1つの供給流を依然として保持しながら、1つ又は総数より少ない数の活性液体媒質の供給流を処分したり、又は向け直したりすることが可能になる。
任意選択で又は代わりに、好ましくは任意選択で、活性第1液体媒質の製造を制御する。
第1液体媒質の製造は、前述したように、例えば、以下:
a)触媒若しくは開始剤を有機溶剤と混合する、又は有機溶剤中に触媒若しくは開始剤を少なくとも部分的に溶解させることにより、又は
b)有機溶剤中で先駆物質を反応させて、開始剤若しくは触媒を含む活性液体媒質を形成することにより、又は
c)ルイス酸若しくは有機金属化合物とプロトン源の反応生成物を使用する場合、有機溶剤中で上記化合物を反応させることにより、
実施することができる。
必要であれば、さらなる有機溶剤を添加又は除去することにより、開始剤又は触媒の濃度をさらに調節してもよい。
次に、製造の制御を、例えば、以下:
・a)の場合、混合又は溶解に使用する触媒若しくは開始剤と有機溶剤の比を変更することにより、
・b)の場合、触媒若しくは開始剤を形成する先駆物質の比及び/又は先駆物質の反応に使用する有機溶剤の割当量を変更することにより、
・c)の場合、ルイス酸及び/又は有機金属化合物とプロトン源の比及び/又は先駆物質の反応に使用する有機溶剤の比を変更することにより、
また、必要であれば、量、さらなる有機溶剤を添加又は除去して、開始剤若しくは触媒の濃度を調節することにより、
実施してもよい。
任意選択で又は代わりに、第2液体媒質中のモノマーの量Mを制御する。
モノマーの量Mは、例えば、第2液体媒質中のモノマーの量Mと有機溶剤の比を変更することにより、実施することができる。
しかし、場合によっては、特に、連続プロセスの場合、既に述べた理由から、この実施形態はあまり好ましいものではない。
制御は、使用する液体媒質の連絡管路内の滞留時間、例えば、分光計から重合反応器までの管路内の活性液体媒質の滞留時間を考慮してよく、好ましくは考慮して行うことは当業者には明らかである。
予測モデル
活性液体の比活性の決定の基準として用いる予測モデルは、少なくとも以下:
A)異なる活性を有する複数の活性液体媒質のスペクトルを測定するステップ、
B)既知体積V1及びV2と既知量のモノマーMの重合反応における複数の活性液体媒質の使用、並びにそれにより形成されるポリマーの分析によって、前記複数の活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定し、これにより、前記重合反応は、ステップb)の重合と実質的に同じ作用機構によって進行するステップ、
C)ステップA)で測定した活性液体媒質のスペクトルとステップB)で決定したそれらの比活性(aspecific)を相関させるステップ
を含む方法によって作製される。
ステップA)では、処理ステップb)について前述したのと同じ方法及び分光計を用いることができる。予測モデルについては、スペクトルの測定に関するものと同じ特徴(それらの好ましい範囲を含む)を異なる活性を有する複数の活性液体媒質の測定に同様に、好ましくは同一に適用する。
上に開示したように、活性液体媒質は、製造条件によって、異なる活性を有する場合がある。
予測モデルを構成するのに必要な、異なる活性を有する活性液体媒質を得るために、例えば、以下のパラメーターの1つ以上を変更することによってその製造を実施する:
・混合又は溶解に使用する触媒若しくは開始剤と有機溶剤の比、
・使用する溶剤又は好ましくは溶剤組成物、
・使用する触媒若しくは開始剤又は有機溶剤の純度若しくは供給源、
・活性液体媒質の製造中の温度の変更、
・触媒若しくは開始剤を形成する先駆物質の比及び/又は先駆物質の反応に使用する有機溶剤の比、
・ルイス酸及び/又は有機金属化合物とプロトン源の比及び/又は先駆物質の反応に使用する有機溶剤の比、
・該当する場合には、活性液体媒質が化学反応の生成物であれば、滞留又は反応時間。
上記に加え、又は上記の代わりに、制御しようとするプロセスの性質に応じて、その他のバラメーター及び条件を変更してもよいことは、当業者には明らかである。これはまた、本発明の範囲に含まれる。
好ましい実施形態において、また、ルイス酸及び/又は有機金属化合物とプロトン源の反応生成物を開始剤として用いる場合には、少なくともルイス酸及び/又は有機金属化合物とプロトン源の比を変更する。
ステップB)では、既知体積V1及びV2と既知量Mのモノマーの重合反応における複数の活性液体媒質の使用、並びにそれにより形成されるポリマーの分析によって、ステップA)で製造及び測定した複数の活性液体媒質について比活性(aspecific)を決定し、それにより、前記重合反応は、ステップb)の重合と実質的に同じ作用機構によって進行する。
最小限の要件は、予測モデルを構成するのに用いる重合反応は、プロセスのステップb)で制御しようとする重合と実質的に同じ作用機構によって進行させることである。
本明細書で用いる「実質的に同じ作用機構によって」とは、例えば、活性液体媒質の比活性(aspecific)を、例えば、以下:
− 制御しようとする重合プロセスのステップb)がカチオン開始によって進行する場合には、カチオンによって開始される重合、
− 制御しようとする重合プロセスのステップb)がアニオン開始によって進行する場合には、アニオンによって開始される重合、
− 制御しようとする重合プロセスのステップb)がラジカル開始によって進行する場合には、ラジカルによって開始される重合
において決定する必要があることを意味する。
予測モデルを構成するのに用いる重合性モノマーは、本発明の方法のステップb)で用いる重合性モノマーと必ずしも同じである必要はないが、同じであるのが好ましい。
同じことは、有機溶剤にも当てはまるが、実質的に同じ溶剤の使用が好ましい。
本明細書で用いる「実質的に同じ溶剤」とは、当業者によって同様に使用可能であると認識されている溶剤又は溶剤混合物を意味する。
特に、実質的に同じ溶剤は、「供給流」の節で記載したのと同じ定義に該当するものである。特に、ある特定のC〜C20アルカン又はC〜C20ハロアルカンは、単独で若しくは混合物中のいずれかで置換された別のC〜C20アルカン又はC〜C20ハロアルカンと「実質的に同じ溶剤」である。
好ましい実施形態では、予測モデルの構成は、温度範囲、溶剤組成物の範囲及び第2液体媒質組成物の範囲に関して、前記予測モデルを用いて制御しようとする重合と同じ重合条件下で実施する。
複数の活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定するために、体積V1及びV2と既知量Mのモノマーを使用しなければならないが、これは、予測モデルをセットアップするのに用いるすべての実験について、相対体積V1及びV2とモノマーの量Mを一定に維持することにより実施するのが好ましい。
重合反応を実施した後、又は重合反応中に、形成されたポリマーを分析する。
分析を重合反応後に実施する場合には、この分析は、モノマーの全転化率、全生成物形成、分子量分布、粘度、又は開始剤若しくは触媒活性に直接応じて変動することが当業者にはわかっているその他の好適なインジケーター若しくはパラメーターに基づいて行ってよい。
前記分析は、当業者には公知の技術を用いて実施する。
モノマーの全転化率又は全生成物形成は、例えば、UV/VIS−、ラマン−、IR−若しくはNMR−分光法、又は物質収支による最も容易な方法、例えば、残留モノマー及び溶剤などの揮発性成分の除去後に残留する固形分の量を計量することによって分析する。
分子量分布は、例えば、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)又はゲル透過クロマトグラフィー(GPC)で分析する。
ステップC)では、ステップA)で測定した活性液体媒質のスペクトルとステップB)で決定した比活性(aspecific)を相関させる。
高い比活性を示す活性液体媒質のスペクトルは、低い比活性を示す活性液体媒質のスペクトルとは実質的に異なることがわかった。
ステップC)による相関は、活性液体媒質について測定した全スペクトルとその比活性の相関、又はスペクトルの少なくとも一部の相関のいずれかを含む。
特に、吸収スペクトルを測定する場合、スペクトルの部分、すなわち吸収帯及びその強度を、高い又は低い触媒活性のいずれかを示す特定の化学結合のいくつかの特性吸収に割り当てることができる。
別の実施形態では、スペクトルの2つ以上、例えば、2つ、3つ又はそれを超える特定の部分が、高い又は低い触媒活性の好適なインジケーターとして役立つことを明らかにすることができた。
驚くことに、活性液体媒質について測定した複数のスペクトルとそれらの比活性との良好な相関が存在することがわかった。前記相関の結果は、一実施形態では、二次元グラフに描くことができ、このグラフから、例えば、線形最小二乗回帰又は部分的最小二乗回帰を用いて、最良当てはめモデルを計算することにより、予測モデルを導き出すことができる。活性液体媒質のスペクトルの2つ以上の特定の部分がそれらの比活性と相関する一実施形態では、最初に、吸収帯の加重セットを用いて、インジケーターを計算し、次に前記インジケーターと比活性の相関についての最良当てはめモデルを計算することにより、予測モデルを構成する。
別の実施形態では、複数の活性液体媒質について測定した複数のスペクトルを、測定したスペクトルと決定した比活性との最良相関、すなわち最良当てはめモデルを提示する予測モデルを作製するように設計したソフトウエアに対する入力として用いる。
こうしたソフトウエアは、市販されているか、又は当業者には公知である。こうしたソフトウエアの例として、ブルカー・オプティクス(Bruker Optics)のOPUSソフトウエア又はサーモ・サイエンティフィック(Thermo Scientific)のGRAMS suite分光ソフトウエアがある。
活性液体媒質のスペクトルとそれらの比活性の相関により、また好ましくは、最良当てはめモデルを計算することにより、ステップb)で使用するあらゆる活性液体媒質について測定したスペクトルに基づき、高い確実性で開始剤若しくは触媒の活性の予測を可能にする予測モデルを構成することができる。
実施形態例では、ブチルゴムを製造する重合プロセスの制御のための予測モデルを以下のように構成する:
・1:0〜1:10の変動モル比の、有機金属化合物、例えば、ハロゲン化ジアルキルアルミニウム、例えば塩化ジエチルアルミニウム、二ハロゲン化アルキルアルミニウム、例えば二塩化エチルアルミニウム、又は上記有機金属化合物の混合物と
プロトン源としての水との反応生成物
及び
・圧力1013hPaで45℃〜80℃の範囲の沸点を有するアルカンを少なくとも80重量%、好ましくは少なくとも90重量%、より好ましくは少なくとも95重量%、さらにまた好ましくは97重量%含み、残りは、重合条件下で少なくとも実質的に不活性の他の化合物、例えば、他のアルカンである、有機溶剤
を含む複数の活性液体媒質を製造し、好ましくはFT−IR分光計を用いてIRスペクトルを測定する。特に好ましくは、前記IRスペクトルは、400〜700cm−1(14.2μm〜25μm)の領域にわたる。
92.0〜99.0重量%のC〜C16モノオレフィンと、少なくとも1種の共役C〜C16多価オレフィンの約1.0〜8.0重量%のC〜C16モノオレフィンの混合物を含む第2液体媒質を重合させることにより、複数の活性液体媒質の比活性を決定し、このため、上記の成分は、第2液体媒質中に存在する少なくとも1種の重合性モノマーの全量Mに基づき、合計100重量%となる。
量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む前記第2液体媒質は、例えば、0.1〜100.0重量%の少なくとも1種の重合性モノマー、好ましくは1〜80.0重量%、より好ましくは10.0〜50.0重量%の少なくとも1種の重合性モノマーを含む。
反応温度は、好ましくは−100℃〜0℃の範囲であり、少なくともイソブテン及びイソプレンを含むコポリマーの製造の場合には、反応温度は、−100℃〜−40℃の範囲であるのが好ましい。
モノマーの転化率及びポリマー形成は、物質収支によって決定する。
その結果、比活性は、例えば、活性液体媒質グラム当たりのポリマーのグラム数で表す開始剤若しくは触媒の活性として、又は比活性を表すいずれかその他の関係として得ることができる。
相関は、異なる比活性を有する複数の活性液体媒質について測定したスペクトルの単変量又は多変量解析によって得られる。
一実施形態では、ベースラインを超える最大吸光度(高さ)又は吸光度の積分強度(面積)のいずれかを選択して、スペクトルを比活性と相関させた。積分強度を選択する場合、これは、概して、積分の開始点と終了点の間のベースラインを画定して、前記シミュレートしたベースラインを超える積分強度を計算することによって実施する。このステップを自動的に実施するソフトウエアは、容易に入手可能であり、当業者であれば、このような吸光度を解析する方法に精通している。
相関に基づいて、例えば、上に開示したソフトウエアを用いて、最良当てはめモデルを作製することができ、次に、これを予測モデルとして用いる。
次に、相関から得た予測モデルを用いて、
・予測モデルを構成するのに既に使用した前述の条件下でポリマーを製造する方法に用いる活性液体媒質の比活性を決定し、
・「プロセス制御」の節に記載した供給流を制御する。
一実施形態では、測定したスペクトル、及びポリマー製造の制御プロセスで形成されたポリマーの分析を用いて、予測モデルをさらに精密化にする。
いくつかの吸光度は、重合プロセスを制御する予測モデルを構成するのに特に有用であることがわかっている。従って、本発明は、以下のIR吸光度の少なくとも1つに基づく予測モデルの使用をさらに含む:
ポリマーの製造のための制御プロセスにおけるAl−Cl吸光度、Al−エチル吸光度及びAl−Oモードの吸光度。ここで、ハロゲン化ジアルキルアルミニウム、例えば、塩化ジエチルアルミニウム、又は二ハロゲン化アルキルアルミニウム、例えば、二塩化エチルアルミニウム、又は上記有機アルミニウム化合物の混合物と、プロトン源との反応生成物を重合開始剤として用いる。
重合プロセスを制御する方法は、重要な態様であることがわかっているため、本発明はさらに、ポリマーの生産プロセスの供給流を制御する方法であって、重合反応器内で、重合開始剤若しくは触媒を含む活性液体媒質の供給流と、量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む第2液体媒質を接触させるステップを含む方法に関し、この方法は、少なくとも以下:
1)重合プロセスで使用する開始剤若しくは触媒を含む活性液体媒質の少なくとも1つのスペクトルを測定するステップと、
2)予測モデルを用いて、活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定するステップと、
3)活性液体媒質又は量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む第2液体媒質の体積若しくは体積流量、及び任意選択で若しくは代わりに、好ましくは任意選択で、活性第1液体媒質の製造条件、又は任意選択で若しくは代わりに、好ましくは任意選択で、第2液体媒質に存在するモノマーの量Mを制御するステップと
を含み、
予測モデルは、少なくとも以下:
A)異なる活性を有する複数の活性液体媒質のスペクトルを測定するステップと、
B)重合における前記複数の活性液体媒質の使用、並びにそれにより形成されたポリマーの分析によって、複数の活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定し、そのため、前記重合反応は、活性液体媒質の供給流の使用を意図する重合と実質的に同じ作用機構によって進行するステップと、
C)ステップA)で測定した活性液体媒質のスペクトルと、ステップB)で決定したそれらの比活性(aspecific)を相関させるステップと
を含むプロセスによって作製された。
上記の方法では、前述したものと同じ説明、開示内容、記述、パラメーター(それらの好ましい範囲を含む)が同様に適用される。
化学プラントの重合セクションの簡略化した系統図である。 化学プラントの重合セクションの別の簡略化した系統図である。 化学プラントの重合セクションの別の簡略化した系統図である。 化学プラントの重合セクションの別の簡略化した系統図である。 図4の抜粋であり、制御方法を説明するためのものである。 典型的なIRスペクトルを示す。 予測モデルの結果を示す。 予測モデルの結果を示す。 単一重合実験の結果を示す。
本発明を図1〜5及び実施例によりさらに詳しく説明する。
図1は、化学プラントの重合セクションの簡略化した系統図である。活性液体媒質は、装置1で製造又は貯蔵され、ここから、液体媒質は、管路6a及び供給流制御装置7aを介して、供給流V1として重合反応器9に移送される。用いる供給流制御装置は、制御可能な弁、ポンプ又は、液体供給流を制御するのに好適な、当業者には公知のその他のどんな装置であってもよい。ループ2を介して、活性液体媒質の副流が、分光計3を通る流れに導かれ、管路6aに戻ることにより、アトライン(at−line)測定値が得られる。少なくとも1種のモノマーを含む第2液体媒質は、装置8内で製造又は貯蔵され、ここから、管路6b及び供給流制御装置7bを介して供給流V2として反応器9に移送される。分光計3を通過する流れについて測定されたスペクトルは、データリンク4aを介して、コンピューター5に移送され、ここで、予測モデルを適用して、活性液体媒質の比活性を決定すると共に、データリンク14b及び4cを介して弁7a及び7bを制御し、供給流V1及びV2の比が、コンピューター5で予め定めた所望の比Rdesiredに収束するようにする。
図2は、図1と類似しているが、以下の点が異なる:
・分光計3を通過する流れは、管路6a内に誘導されて、インライン(in−line)測定値が得られる。
・管路6bは、供給流V2の体積流量を測定する測定装置7cを含む。
測定した体積流量は、データリンク4cを介してコンピューター5の追加入力情報として用いられ、供給流制御装置7a及びデータリンク4bを介するだけで、制御が実施される。
図3は、化学プラントの重合セクションの別の簡略化した系統図である。活性液体媒質は、2つの装置1a及び1bで独立に製造又は貯蔵され、ここから、液体媒質は、管路6a及び6aを介して移送され、供給流V1a及びV1bとして、分光計3、続いて制御可能な三方弁7d及び7eを通る2つの流れを介した後、混合供給流V1として重合反応器9に移送されるか、あるいは、管路10a又は10bを介して独立に処分又は回収ユニットDに移送される。少なくとも1種のモノマーを含む第2液体媒質は、装置8で製造又は貯蔵され、ここから、管路6b、次に供給流制御装置7bを介して供給流V2として重合反応器9に移送される。V1a及びV1bについて測定されたスペクトルは、データリンク4aを介して、コンピューター5に伝送され、ここで、予測モデルを適用して、活性液体媒質の比活性を決定すると共に、データリンク4d及び4eを介して三方弁7d及び7eを制御し、これによって供給流V1及びV2の比が、コンピューター5で予め定めた所望の比Rdesiredに収束するようにする。この制御は、活性液体媒質供給流V1a又はV1bが、低又はゼロ比活性を呈示する場合、処分又は回収ユニットDに対して三方弁7d及び7eを開放することによって実施することもできる。測定装置7cは、供給流V2の体積流量を測定し、これは、データリンク4cを介してコンピューター5への追加入力情報として用いられる。
図4は、化学プラントの重合セクションの別の簡略化した系統図である。活性液体媒質は、装置1で製造されるが、装置1は、溶剤貯蔵タンクS、有機金属化合物貯蔵タンクP及びプロトン源貯蔵タンクAにより、供給流制御装置12a、12b及び12cを介して供給される。
活性液体媒質は、管路6a、フロースルー分光計3及び供給流制御装置7aを介して、供給流V1として重合反応器9に移送される。少なくとも1種のモノマーを含む第2液体媒質は、装置8において製造又は貯蔵され、ここから、第2液体媒質は、管路6b及び供給流制御装置7bを介して、供給流V2として重合反応器9に移送される。スペクトルは、データリンク4aを介して、コンピューター5に伝送され、ここで、予測モデルが適用されて、活性液体媒質の比活性を決定し、データリンク4b及び4cを介して供給流制御装置7a及び7bのいずれかを制御することにより、コンピューター5において予め定めた所望の比Rdesiredに供給流V1及びV2の比を収束させ、並びに/又はデータリンク4g、4h及び4iを介して供給流制御装置11a、11b及び/若しくは11cを制御することにより、前記活性液体媒質供給流V1を製造するのに用いた溶剤、有機金属化合物及びプロトン源の比を変更することによって、装置1で製造した活性液体媒質供給流V1の触媒活性を増強若しくは低減する。
図5は、図4の抜粋であり、制御方法を説明するためのものである。図面及び上に説明した化学プラントの重合セクションは、本発明の方法を実施するのにとくに有用である。
従って、本発明はさらに、少なくとも以下のものを含む化学プラントをさらに包含する:
・供給流制御装置(7a、7b、7d、7e、12a、12b、12c)を備える管路(6a、6b、12a、12b、12c)であって、以下のものと連通している管路:
・前記管路と連通する重合反応器(9)、
・管路(6a)を迂回するループ(2)内の供給流又は管路(6a)のインライン供給流のスペクトルを測定するために配置された装置、特にフロースルー分光計(3)、
・− 前記スペクトル又はその一部に予測モデルを適用して、前記活性液体媒質の供給流の比活性を測定し、かつ
− 供給流制御装置(7a、7b、7c、12a、12b、12c)を制御することによって、最終的に重合反応器に導入しようとする供給流の体積又は体積流量を制御するために
設計されたコンピューター(5)と、
・前記コンピューター(5)を前記装置(3)と接続して、装置(3)からコンピューター(5)へのデータ伝送を可能にするデータリンク(4a)と、
・前記コンピューター(5)を供給流制御装置(7a、7b、7d、7e、12a、12b、12c)と接続して、前記コンピューターによる前記供給流制御装置の制御を可能にするデータリンク(4b、4c、4d、4e、4g、4h、4i)。
実施例により、本発明をさらに詳しく説明するが、これら実施例に限定されるわけではない。
実施例:連続イソブテンイソプレン共重合
材料
塩化アルキルアルミニウムの溶液を受け取ったままの状態(ヘキサン中、17.5重量%〜20重量%溶液)で用いる。ヘキサン(様々な供給者からのn−ヘキサン又は工業銘柄、様々なクォリティ)、イソブテン及びイソプレンを、分子篩を充填したカラムの通過により乾燥させ、イソプレンをさらに阻害物質除去ステップに付す。
I 開始剤の製造
有機アルミニウム化合物はすべて、不活性雰囲気下で、しかも閉じたシステム内で取り扱う。窒素フラッシングした様々な容器間の移動は、窒素圧で実施する。先駆物質溶液を約1:1のモル比で混合し、市販のヘキサンクォリティで、約1.5重量%の目標濃度に希釈する。室温で、激しく撹拌しながら、希釈混合物に水を添加する。開始剤溶液を重合反応器に供給する前に、沈殿物を分離する。
II 重合
−60℃〜−80℃の温度で、壁洗浄攪拌器を備える、冷却した2容器カスケードにおいて、重合を実施する。6kg/時の全供給速度でモノマー及びヘキサンを供給するが、これらは、約64.6重量%のイソブテン、33.7重量%のヘキサン及び1.7重量%のイソプレンから構成される。開始剤の供給速度は、10g/時〜70g/時の間を変動する。ポリマー収率は重力測定により決定する。
III 方法
IRスペクトルはすべて、ポリエチレンウィンドウを有する伝送セルを用いて、DTGS検出器を備えるBiorad FTS 40 PRO分光計により室温で測定する。伝送路長さは1mmである。オンライン測定にはフロースルーセルを用いる。典型的スペクトルを図6に示す。
図6で、グラフのy軸は、吸収を示し、x軸は波長(cm−1)を示す。
4つのスペクトルは、点線がヘキサン(用いた溶剤)、低活性触媒(細い黒の線)、高活性触媒(太い黒の線)、及び水を加える前の先駆物質混合物(灰色の線)をそれぞれ示す。
高活性触媒(太い黒の線)については、Al−Cl(約483cm−1)、Al−エチル(約622cm−1)及びAl−Oモード(約604cm−1)の主吸収が示されている。
ブルカー・オプティクス(Bruker Optik GmbH)によるソフトウエアパッケージOPUS3.1を用いてスペクトルを処理する。
IV 予測モデルの作製
定常重合の実施中に、予測モデル構成のステップA)を実施するために、開始剤溶液製造を変化させることにより、IRスペクトルと重合活性との関係を決定した。Al−Clモード(約483cm−1で検出)、Al−エチルモード(約622cm−1で検出)、及びAl−酸素モード(約602cm−1で検出)に関する3つの特徴的スペクトル領域が、開始剤の活性の変化に応じて有意な変化を呈示する。
第1の予測モデルは、単純な単変量の線形回帰に基づくものであった。Al−酸素吸光度の高さは、重合活性を十分に表している。結果を図7に示す。
図7では、Aは、比活性を示し、ABSはIR吸光度を示す(高さ602cm−1)。
積分の計算値だけで、比活性と相関させるのには十分であるが、精密化したモデルでは、関連するAl−Cl、Al−エチル及びAl−酸素モードを含む430cm−1〜640cm−1のスペクトル領域を、ブルカー(Bruker)のOPUSソフトウエアパッケージのQuant2法を用いて、独立した重合からの大きなセットの測定値に基づいて分析した。全データセットについて、予測活性と測定活性との間に得られた良好な関係を図8に示す。
図8では、PAは、予測した比活性を示し、MAは、測定した比活性を示す。
V プロセス制御への適用
精密化した予測モデルの確認のために、開始剤クォリティを変化させて単一重合実験を実施した。適用した条件は、本明細書の「重合」の節に記載したものであった。予測活性と測定活性との間に良好な一致が達成された。結果を図9に示す。次に、精密化予測モデルを用いて、重合プロセスに使用する活性液体媒質の供給流体積V1を調節することにより、連続重合を制御する。全転化率及び活性は、予め定めた所望のレベルRdesiredに維持することができることを証明することができた。

Claims (22)

  1. ポリマーの製造のための制御されたプロセスであって、少なくとも以下:
    a)少なくとも1種の重合触媒又は少なくとも1種の重合開始剤を含む活性第1液体媒質を製造するステップと、
    b)重合反応器内で、
    ・少なくとも1種の重合触媒又は少なくとも1種の重合開始剤を含む、体積V1の前記第1活性液体媒質の供給流と、
    ・量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む、体積V2の第2液体媒質の供給流と
    を接触させて、反応媒質を形成し、前記反応媒質中で前記少なくとも1種の重合性モノマーを重合して、ポリマーを含む生成物媒質を形成するステップを含み、
    これにより、
    ・ステップb)で用いる前記供給流V1及びV2を、少なくとも以下:
    i)前記活性第1液体媒質の少なくとも1つのスペクトルを測定するステップと、
    ii)予測モデルを用いて、前記活性第1液体媒質の比活性(aspecific)を決定するステップと、
    iii)全活性aTotal(=aspecific x V1)と、V2に含まれるモノマーの量Mとの所望の体積比を得るのに必要な、前記活性第1液体媒質V1と前記第2液体媒質V2との所望の体積比(この比を以後Rdesiredと表す)を決定するステップと、
    iv)前記重合反応器に入る、
    ・前記体積V1の触媒活性第1液体媒質の前記供給流、又は、
    ・前記量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む、前記体積V2の第2液体媒質の供給流
    ・又は、体積V1及びV2の前記供給流の両方、
    を、V1及びV2の体積比がRdesiredに少なくとも収束する方法で制御する、
    並びに、任意選択で又は代わりに、好ましくは任意選択で、
    ・前記活性第1液体媒質の製造条件、
    並びに、任意選択で又は代わりに、好ましくは任意選択で、
    ・前記第2液体媒質中のモノマーの量M
    を制御するステップ
    によって制御し、
    かつ、これにより、前記予測モデルは、少なくとも以下:
    A)異なる活性を有する複数の活性液体媒質のスペクトルを測定するステップと、
    B)既知体積V1及びV2と既知量Mの少なくとも1種のモノマーとの重合反応における前記複数の活性液体媒質の使用、並びにそれにより形成されるポリマーの分析によって、前記複数の活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定し、これにより、前記重合反応は、ステップb)の前記重合と実質的に同じ作用機構によって進行するステップと、
    C)ステップA)で測定した前記活性液体媒質のスペクトルとステップB)で決定したその比活性(aspecific)を相関させるステップと
    を含む方法によって作製された、制御されたプロセス。
  2. ポリマーの生産プロセスの供給流を制御する方法であって、重合反応器内で、重合開始剤若しくは触媒を含む活性液体媒質の供給流と、量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む第2液体媒質を接触させるステップを含み、前記プロセスは、少なくとも以下:
    1)重合プロセスで使用する開始剤若しくは触媒を含む活性液体媒質の少なくとも1つのスペクトルを測定するステップと、
    2)予測モデルを用いて、前記活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定するステップと、
    3)前記活性液体媒質又は量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む第2液体媒質の体積若しくは体積流量、及び任意選択で若しくは代わりに、好ましくは任意選択で、前記活性第1液体媒質の製造条件、又は任意選択で若しくは代わりに、好ましくは任意選択で、前記第2液体媒質に存在するモノマーの量Mを制御するステップ
    を含み、
    これにより、前記予測モデルは、少なくとも以下:
    A)異なる活性を有する複数の活性液体媒質のスペクトルを測定するステップ、
    B)重合における前記複数の活性液体媒質の使用、並びにそれにより形成されたポリマーの分析によって、前記複数の活性液体媒質の比活性(aspecific)を決定し、そのため、前記重合反応は、前記活性液体媒質の供給流を用いることを意図する重合と実質的に同じ作用機構によって進行するステップ、
    C)ステップA)で測定した前記活性液体媒質のスペクトルと、ステップB)で決定したそれらの比活性(aspecific)を相関させるステップと
    を含むプロセスによって作製された、方法。
  3. 前記活性液体媒質が、少なくとも1種の重合開始剤又は重合触媒及び有機溶剤を含む、請求項1に記載のプロセス又は請求項2に記載の方法。
  4. 前記重合開始剤が、カチオン開始剤から選択される、請求項3に記載のプロセス又は方法。
  5. 前記カチオン開始剤が、以下:
    ・− 少なくとも1種のルイス酸、又は少なくとも1種の有機金属化合物、又はルイス酸と有機金属化合物との混合物と、
    − 少なくとも1種のプロトン源と
    の反応生成物、
    ・式(I)のカルボカチオン化合物:
    [CRAn (I)
    (式中、R、R及びRは、R、R及びRのいずれか1つが水素であるか、又はいずれも水素ではないという条件で、独立に、水素、C〜C20−アルキル又はC〜C20−アリールであり、
    Anは、モノアニオン又はp価アニオンの1/p同等物を示す)
    又は
    ・式(II)のシリリウム化合物:
    [SiRAn (II)
    (式中、R、R及びR並びにAnは、式(I)について記載したのと同じ意味を有する)
    又は
    ・前記化合物及び反応生成物の混合物
    から選択される、請求項4に記載のプロセス又は方法。
  6. 前記有機溶剤が、C〜C20アルカン及びC〜C20ハロアルカン並びにこれらの混合物から選択される、請求項3又は4に記載のプロセス又は方法。
  7. 前記重合性モノマーが、式(IV):
    Figure 2013542286
    (式中、R、R、R及びRは、互いに独立に、以下:
    〜C18−アルコキシ、C〜C18−アルキル、C〜C18−アルケニル、C〜C18−アルキニルからなる群から選択され、
    これらは、以下:
    −O−、−CO−、−OCO−、−O(CO)O−、NR(CO)−、−NR(CO)O−、−O(CO)NR、−(CO)NR−、−NR(CO)NR−、−Si(R10−、−OSi(R10−、−OSi(R10O−、−Si(R10O−
    からなる群から選択される非連続な官能基によって、1回、2回若しくは3回以上のいずれの回数でも分断されておらず、
    そして、これらは、C〜C15−ヘテロシクロ−ジイル及びC〜C14−アリールジイルからなる群から選択される二価残基によって、1回、2回若しくは3回以上のいずれの回数でも分断されておらず、
    そして、これらは、加えて又は代わって、以下:
    ハロゲン、シアノ、エポキシ、C〜C14−アリール;C〜C15−ヘテロシクリル、C〜C−アルキル、C〜C−アルコキシ、C〜C−アルキルチオ、C〜C−アルケニル、C〜C15−アリールアルキル、ヒドロキシ、−SON(R2、NRSO−R10、−N(R、−CON(R10、−COR、−OCOR、−O(CO)OR、NR(CO)R10、−NR(CO)OR10、O(CO)N(R、−NR(CO)N(R、−OSi(OR10y−3(R10、−Si(OR10(y−3)(R10(yは、1、2若しくは3である)
    からなる群から選択される置換基によって、1回、2回若しくは3回以上のいずれの回数でも置換されていない)
    の重合性モノマーである、請求項1又は3〜6のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第2液体媒質が、70.0〜99.5重量%のC〜C16モノオレフィンと、少なくとも1種の共役C〜C16多価オレフィンの0.5〜30.0重量%のC〜C16モノオレフィンとの混合物を含む、請求項1若しくは3〜7のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第2液体媒質が、92.0〜99.0重量%のC〜C16モノオレフィンと、少なくとも1種の共役C〜C16多価オレフィンの1.0〜8.0重量%のC〜C16モノオレフィンの混合物を含む、請求項1若しくは3〜8のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記第2液体媒質が、90.0〜98.5重量%のイソブテンと、1.0〜8.0重量%のイソプレンと、2−、3−若しくは4−メチルスチレン、スチレン、2−、3−若しくは4−クロロスチレン、p−メトキシスチレン、シクロペンタジエン、メチルシクロペンタジエン、インデンからなる群から選択される0.5〜9重量%のモノマーの混合物を含む、請求項1若しくは3〜9のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜9のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記第2液体媒質が、91.0〜98.5重量%のイソブテンと、1.0〜8.0重量%のイソプレンと、0.5〜3重量%の少なくとも1種の非共役C〜C16多価オレフィンの混合物を含む、請求項1若しくは3〜10のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 量Mの少なくとも1種の重合性モノマーを含む前記第2液体媒質が、例えば、0.1〜100.0重量%の少なくとも1種の重合性モノマーを含む、請求項1若しくは3〜11のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜11のいずれか一項に記載の方法。
  13. ステップb)を連続的に実施する、請求項1又は3〜12のいずれか一項に記載のプロセス。
  14. V1及びV2が、体積流量を指す、請求項1又は3〜13のいずれか一項に記載のプロセス。
  15. 前記測定をアトライン又はインラインで行う、請求項1若しくは3〜14のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜12のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記スペクトルが、赤外スペクトルである、請求項1若しくは3〜15のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜12若しくは15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記スペクトルが、フーリエ変換赤外分光計(FT−IR)を用いて測定される、請求項1若しくは3〜16のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜12若しくは15若しくは16のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記供給流の制御が、弁又はポンプによって実施される、請求項1若しくは3〜17のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜12若しくは15〜17のいずれか一項に記載の方法。
  19. ステップC)による相関が、前記活性液体媒質について測定した全スペクトルとその比活性との相関、又は前記スペクトルの少なくとも一部のと相関のいずれかを含む、請求項1若しくは3〜18のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜12若しくは15〜18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記予測モデルが、ブルカー・オプティクスのOPUSソフトウエア又はサーモ・サイエンティフィックのGRAMS suite分光ソフトウエアを用いて作製される、請求項1若しくは3〜19のいずれか一項に記載のプロセス又は請求項2〜12若しくは15〜19のいずれか一項に記載の方法。
  21. ポリマーの製造のための制御されたプロセス又はポリマーの製造を制御するための方法における、以下のIR−吸光度:
    Al−Cl吸光度、Al−エチル吸光度及びAl−Oモードの吸光度
    の使用であって、
    ハロゲン化ジアルキルアルミニウム、二ハロゲン化アルキルアルミニウム、又は前記有機アルミニウム化合物の混合物と、プロトン源との反応生成物を重合開始剤として用いる、使用。
  22. 少なくとも以下:
    ・供給流制御装置(7a、7b、7d、7e、12a、12b、12c)を備える管路(6a、6b、12a、12b、12c)であって、以下のものと連通している管路:
    ・前記管路と連通する重合反応器(9)、
    ・管路(6a)を迂回するループ(2)内の供給流又は管路(6a)のインライン供給流のスペクトルを測定するために配置された装置、特にフロースルー分光計(3)、
    ・− 前記スペクトル又はその一部に予測モデルを適用して、前記活性液体媒質の供給流の比活性を測定し、かつ、
    − 前記供給流制御装置(7a、7b、7c、12a、12b、12c)を制御することによって、最終的に前記重合反応器に導入しようとする供給流の体積又は体積流量を制御するために、
    設計されたコンピューター(5)と、
    ・前記コンピューター(5)を前記装置(3)と接続して、前記装置(3)から前記コンピューター(5)へのデータ伝送を可能にするデータリンク(4a)と、
    ・前記コンピューター(5)を供給流制御装置(7a、7b、7d、7e、12a、12b、12c)と接続して、前記コンピューターによる前記供給流制御装置の制御を可能にするデータリンク(4b、4c、4d、4e、4g、4h、4i)
    を含む化学プラント。
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