JP3787687B2 - α−オレフィン類の気相重合方法と装置 - Google Patents

Description

この発明は、二つの相互に連結された重合ゾーンで行われるオレフィン類の気相重合方法に関し、その方法では、１つまたはそれ以上のα−オレフィン類ＣＨ₂＝ＣＨＲが重合条件下で触媒の存在下に供給され、生成したポリマーが排出される。この発明の方法において、生長するポリマー粒子は、速い流動化条件下で、第１の重合ゾーンを流動し、第１の重合ゾーンを出て、第２の重合ゾーンに入り、そこで圧縮された形で、重力の作用下に流動し、第２のゾーンを出て、次いで第１の重合ゾーンに再導入され、これによって二つの重合ゾーン間のポリマーの循環が確立される。
チーグラー−ナッタタイプのかつより適用されるものであるメタロセンタイプの高い活性と選択性を有する触媒の開発により、オレフィン類の重合が、固形触媒の存在下で、気相媒体中で行われる工業的スケールの方法で広く用いられるようになっている。液体懸濁液（モノマーについてまたはモノマー／溶剤混合物について）中でのより普通の技術と比較して、この技術は次の利点を有する。
ａ）操作柔軟性：反応パラメータが触媒の特性および製品に基づいて最適化でき、かつ反応成分（一般に連鎖移動剤としての水素を含む）の液体混合物の物理化学性質に制限されない：
ｂ）生成物幅の拡大：生長するポリマー粒子の膨潤と液体媒体中でのポリマー区分の溶解化の効果によって、あらゆる種類のコポリマーの生産の幅が非常に少なくなる：
ｃ）重合の下流での操作の最小化：ポリマーは、乾燥固体の形で反応器から直接得られ、溶解したモノマーを除去し、触媒を不活性化するために簡単な操作でよい。
α−オレフィン類の気相重合について、これまで考案されたすべての技術は、反応ガスが流動するポリマー床を保持する：この床は機械的撹拌（攪拌床反応器）によるか、反応ガスそれ自体の循環によって得られる流動化（流動床反応器）によって懸濁液を保持される。両方の反応タイプにおいて、反応中でのポリマー粒子の回りのモノマー組成物は、誘引した撹拌によって十分に一定に保持される。これらの反応器は、“連続撹拌槽反応器”の理想的な挙動に非常に近いもので、比較的容易に反応を制御させ、かつそれによって定常状態の条件下で操作した時、生成物の品質の一貫性を確かなものとするものである。
現在までもっとも広く確立された工業的技術としては、“泡立ち”下で操作する流動反応器についてのものである。ポリマーは、垂直な円筒状ゾーンに閉じ込められる。反応器を出る反応ガスは、遠心コンプレッサーに採取され、冷却され、追加モノマーおよび適当量の水素とともに分配器を介して床の底に戻される。ガス中の固形物のエントレイメントは、反応器の下部（フリーボード、すなわち床の表面とガス排出間の間）を適当な寸法にすることによって制限され、そこでガス速度が減少され、いくつかの考案では、ガス排出ライン中にサイクロンを介在させることによって制限されている。
循環ガスの流速は、流動速度を最小の流動速度以上で、“輸送速度”以下の適当な範囲に保証されるように設けられる。
反応熱は、循環ガスを冷却することによって専ら除去される。触媒成分は、連続的に供給される。気相の組成が、ポリマーの組成を規制する。反応器は、定圧、かつ通常１ないし３ＭＰａの範囲で操作される。反応速度は不活性ガスの添加によって制御される。
α−オレフィン類の重合における流動床反応器技術の信頼性で明白に貢献したのは、調節された寸法を持つ適当に前処理した回転楕円状の触媒の導入と希釈剤としてのプロパンの使用によるものであった（国際特許公開番号第ＷＯ９２／２１７０６号参照）。
流動床技術は制限があり、そのいくつかを下記に詳細にのべる。
Ａ）反応熱の除去
最大の流動速度は、非常に狭い制限を受けやすい（流動床で満たされたものと等しいかまたは大きい解放用の反応容量を必要とする）。反応熱、ポリマー寸法およびガス密度によって、反応器の生産性（単位反応器断面当たりの時間生産量として表現し）の制限が避けられず、ガス混合物の露点より高いガス導入温度内での操作が望まれる。この制限はプラント生産高、特に通常のチーグラー−ナッタ触媒で行われ、オレフィンリッチのガス組成を必要とするエチレンと高級α−オレフィン（ヘキセン，オクテン）との共重合で、プラント生産量の減少を導くことになる。
従来技術における熱除去に関する制限を解消する多くの提案がなされており、これは循環ガスの部分的な濃縮や、反応器の内部の温度を調節するための濃縮物の蒸発の潜熱を使用することに基づくものである（ヨーロッパ特許第ＥＰ−８９６９１号、米国特許第５，３５２，７４９号、国際特許公開番号第ＷＯ９４／２８０３２号参照）。技術的に考慮の価値があるが、この原理を実施するために提案されたすべてのシステムは、流動反応器の操作に限界がある。
特に（かつ分配グリッドの下のプレナム（ｐｌｅｎｕｍ）中の湿潤固体の分布に関連した問題と離れて）、ヨーロッパ特許第ＥＰ−８９６９１号と米国特許第５，３５２，７４９号に用いられた技術は、ポリマー上に液体を分配させるためグリッドによって発生される乱流によるものである。プレナム中の融着現象が起こりうることが、特に粘着する傾向があるポリマーの場合に、再分配できない凝集物の生成を伴い、液体の分配が悪い制御できない現象を生じることになる。米国特許第５，３５２，７４９号に与えられた識別基準では、定常状態条件下の状況を反映するが、流動化の取消できない損失を導き、結果的に反応器の破壊になる一過性の“反応ランナウェイ”についてさえも状況の案内となるものではない。
国際特許公開第ＷＯ９４／２８０３２号に記載の方法は、濃縮物の分離と、特別の適宜配置したノズルの手段によってこの濃縮物をグリッド上に分配するものである。実際、濃縮物は反応条件下で固形物の含有が避けられず、低い濃縮量でもその濃縮は非常に高くなる。加えて多くのノズル上に懸濁液を均一に分配することがもともと困難であることが、いくつかのノズルの操作性を低下させ、あるノズルの閉鎖が、反応器の関連部分で蒸発する液体の分配に逆作用する。操作の効率が、反応器での固体の激しい循環に従属し、かつ注入点以下では、この効率は大量の濃縮物によって生ずるガス流速の均衡化によって減少されることも明らかである。加えて、一つのノズルについての保守の必要性が、反応器の完全な閉鎖を必要とするのである。
Ｂ）分子量分布
既に述べたように、流動床は、理論上、混合反応器（ＣＳＴＲ）に直接比較しうる挙動を示す。α−オレフィンの単一撹拌段階（モノマー類と通常水素である連鎖移動剤の定常組成を含む）で、チーグラー−ナッタタイプのＴｉ触媒で連続重合させて、比較的狭い分子量分布を有するオレフィン類が得られることが一般に知られている。この特徴は、メタロセン触媒を使用した場合、さらにより強調される。分子量分布の幅は、ポリマーの流動学的挙動（従って溶融物の加工性）および生成物の最終機械特性の両方に影響を有するものであり、エチレンの（コ）ポリマーについて特に重要な性質である。
分子量分布を広げる目的で、一連のいくつかの反応器を用い、その各々で異なった水素濃度で少なくとも操作することが可能となることに基づく方法が、工業的に重要となっている。非常に広い分布が必要とされる場合に、これらの方法で代表的に見られる問題は、生成物の均質性が不十分なことである。材料の均質性は、ブロー成形法や少量での不均一な材料が存在すると、フィルム中に非融着粒子（“フィッシュアイ”）の出現をもたらす薄いフィルムの生産で特に重要である。ヨーロッパ特許出願第ＥＰ５７４８２１号において、二つの反応器間にポリマーを再循環させ、異なる重合条件下で操作する系が提案されている。この考えは、製品の均質性の問題を解消するのに適しているが、実験結果から示されるように、このような系は投資コストがかかり、操作上ある複雑性が存在する。
他の場合で、単一反応器で異なるチーグラー−ナッタ触媒（個々の触媒は水素に対して異なるレスポンスをするようにつくられている）の混合物を用いて、広い分子量分布のポリマーが得られている。反応器からの出口で、固有の特性を持った顆粒の混合物が得られることは明らかである。このルートで生成物の均質性を得ることは難しい。
Ｃ）生成物の排出
α−オレフィンの気相反応器で重合させる技術が、最近急速に進歩し、これで得ることができるポリマーの範囲は非常に広がっている。特にエチレンとプロピレンについてのホモポリマーの他に、広範なコポリマーが工業的に生産できる。例えば−プロピレン／エチレン、プロピレン／エチレン／高級α−オレフィンおよびプロピレン／高級α−オレフィン；
−４ないし８の炭素原子を含有する高級α−オレフィンで改質された超および極低密度のポリエチレン（ＬＬＤＰＥ、ＶＬＤＰＥ）；
−上記した１以上のポリマーについておよびエチレン／プロピレンまたはエチレン／ブテンゴムについて、連続工程で触媒の活性中心での生長によって得られた高衝撃強さを有する異相コポリマーおよび；
−ＥＰＲおよびＥＰＤＮゴム。
つまり、気相で生産するポリマーにおいて、柔軟性モジュラスは２３００ＭＰａから１００ＭＰａ以下の値に変化し、キシレン溶解分は１％ないし８０％に変化する。流動性、圧縮性および粘着性は、分子量および各種ポリマー層の組成、結晶化度の関数として非常に変化するものである。これらの生成物の多くは、個々の固体粒子間の静電力が、効果を持たない条件下である流動化状態または流れ中で保持されるかぎり、顆粒状でかつ流動性（したがって加工可能）を残存する。これらは、沈降させたり停滞ゾーンで圧縮させると、多かれ少なかれ互いに凝縮し、凝縮物を形成し；この現象は、温度と大量の溶解炭化水素の作用が重なって、ポリマーが特に柔軟で、圧縮性でかつ緻密性（ｃｏｍｐａｃｔａｂｌｅ）でかつ粘性の場合の反応条件下で特に増強される。柔軟で粘着性ポリマーの特性はヨーロッパ特許第ＥＰ−３４８９０７号または米国特許第４，９５８，００６号に効率よく記載されている。
反応器からポリマーの排出の最も直接的な方法は、調節バルブを通して流動床から直接排出することである。このタイプの排出は、停滞ゾーンを作らない利点とともに単純なことである。十分に低圧（０．５ないし３バールゲージの範囲）が排出バルブの下流で保持されると、反応はポリマー中に溶解したモノマーの蒸発またはモノマーの低分圧によって事実上停止され：このようにして反応器の下流の受け装置の危険が避けられる。
しかしながら、オリフィスを通して流動床からポリマーと排出されるガスの量は、流動速度、床中の固体の密度などについて反応圧の関数として非常に高い値に達する（例えば“流動化（Ｆｌｕｉｄｉｚａｔｉｏｎ）”６５１ないし６７０頁（ニューヨーク，アカデミック，デビッドソンアンドハリソン１９７１年発行）のマセミラ（Ｍａｓｓｉｍｉｌｌａ，“流動化濃密相の流動性（Ｆｌｏｗ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｄｉｚｅｄ ｄｅｎｓｅ ｐｈａｓｅ）参照）”。ポリマーと排出される大量のガスは、受け装置圧から反応器圧に、このガスを再圧縮する必要があることから、投資コストと操作コストがかかる。多くの工業的応用の下では、交互操作で少なくとも二つのホッパーを介在させた非連続排出系が用いられている。例えば、米国特許第４，６２１，９５２号では、ポリマーが反応器から沈降タンクへ、断続的にかつ高い差圧で移送される排出系が記載されている。充填段階中に、沈降タンクの壁に、次いでポリマーの床に衝突するポリマーの運動量が、流動性を損なう材料を形成する。充填段階中、沈降タンクの圧は、反応器圧の値に急速に上昇し、温度を優位に変化させることができない。反応は、高い速度論で断続的に進行する。柔軟で粘着性の生成物とともに、顆粒化できない凝集物の形成が容易にみられ、以下の受けタンクへの排出の困難を伴うものである。同様のことが米国特許第４，７０３，５９４号にもあてはまる。
不連続系の制限は、複雑な連続系についての提案で明白にされている。特開昭５８−３２６３４号では、ポリマーを排出に対して圧縮するため反応器中に内部スクリューの設置をしており；米国特許第４，９５８，００６号では、押出機でそのスクリューが流動化床反応器の内部に直接供給されるものの設置を提案している。工業的適用の複雑さと困難さから離れ、提案された系はポリマーを続いての反応段階に供給するのに不適切なものがいずれの場合にもある。
ここに新しい重合方法が見出され、かつこれはこの発明の第１の観点を示すものであるが、この方法は当該分野の公知事情における流動床技術の問題を生ずることなく、単位反応器当たりの高い時間生産量で、オレフィン類を気相重合させるものである。この発明の第２の観点はこの方法を実施するものに関する。
この発明の気相重合法は、第１と第２の相互連結した重合ゾーンで、１以上のα−オレフィン類ＣＨ₂＝ＣＨＲ（式中Ｒは水素または１ないし１２の炭素原子を有する炭化水素基である。）が、反応条件下で触媒の存在下に供給され、生成されたポリマーが排出されることによって行われる。この方法は、生長するポリマー粒子が、速い流動条件下、重合ゾーンの第１を流れ、第１の重合ゾーンを出て、重合ゾーンの第２に入り、そこでは圧縮された形で、重力の作用で流動し、第２の重合ゾーンを出てかつ第１の重合ゾーンに再導入されるものであり、このようにして二つの重合ゾーン間のポリマーの循環が確立される。
急速な流動化の状態は、流動化ガスの速度が移送速度より高い時に得られることが知られており、移送方向に沿って傾斜圧が、流動化ガスの等しい流速と密度に対して、注入固体の量について単調な関数であることが特徴である。この発明に対して、公知技術状態の流動床技術について、流動化ガス速度は、固形物の巻き込みと粒子キャリーオーバーの現象を避けるために十分に移送速度以下に保持される。移送速度および急速流動化は当該分野で知られており、その定義は例えば“Ｄ．Ｇｅｌｄａｒｔ，Ｇａｓ Ｆｌｕｄｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐａｇｅ １５５ ｅｔ ｓｅｑｑ．，Ｊ．Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｌｔｄ．，１９８６参照”。
ポリマーは圧縮された形（ｄｅｎｓｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍ）で、重力の作用下で流動する第２の重合ゾーンにおいては、固形物の密度が高い値となり（ポリマーで専有された反応器のｍ³当たりポリマーのｋｇ＝固体の密度）、ポリマーのかさ密度に近づき；従って圧の明確な増加を流れ方向に沿って得ることができ、そのため特別の機械手段の補助を必要とすることなく、ポリマーを第１反応ゾーンに再導入することが可能となる。このように“ループ”循環が組み立てられ、これは二つの重合ゾーンの間の圧のバランスと系に導入される圧力損失によって否定される。
この発明を例示目的に挙げた添付図を参照して記載するが、これは発明を制限するものではない。
−図１はこの発明による方法の略図である。
−図２のこの発明による方法の第１の具体例による略図である。
−図３はこの発明の方法の第２の具体例による略図である。
図１に関して、生長するポリマーは、矢印１４に沿って急速な流動化条件下、第１の重合ゾーン１を流れ；第２の重合ゾーンにおいて生長するポリマーは矢印１４’の方向に沿って圧縮された形で、重力の作用下で流れる。二つの重合ゾーン１と２は、セクション３と５によって適宜連結されている。材料のバランスは、モノマーと触媒の供給およびポリマーの排出によって保たれる。
一般に急速な第１の重合ゾーンにおける流動化の条件は、１以上のα−オレフィンＣＨ₂＝ＣＨＲからなるガス混合物（ライン１０）を第１の重合ゾーン１へ供給することによって確立され；ガス混合物の供給は、適当な場合、例えば分配グリッドのようなガス分配手段を用いてポリマーを第１ゾーン１に再導入する点より下であるのが好ましい。
輸送ガスの第１重合ゾーンへの速度は、操作条件下で移送速度より高く、２ないし１５ｍ／ｓが好ましく、３ないし８ｍ／ｓの間がより好ましい。
二つの重合ゾーン間を循環するポリマーの制御は、例えば機械バルブ（スライドバルブ，Ｖボールバルブなど）、非機械的バルブ（Ｌバルブ，Ｊバルブ，略シールなど）のような固体の流れを制御するのに適当な手段を用いて、第２重合ゾーン２を出るポリマー量を測量することによって行うことができる。
一般に、第１重合ゾーン１を出るポリマーとガス混合物は、固体／ガス分離ゾーン４に運ばれる。固体／ガス分離は、例えば慣用タイプのセパレータまたは、好ましくは遠心分離タイプのセパレータまたは、これらの二つの組み合わせのような通常の分離手段によって行うことができる。遠心分離器（サイクロン）はアキシアル、スパイラル、ヘリカルまたは接線タイプであってもよい。
分離ゾーン４からポリマーは、第２重合ゾーン２に入る。分離ゾーン４を出るガス混合物は、圧縮され、冷却され、補給モノマーおよび／または分子量調節剤の添加が適切である場合に、第１重合ゾーン１に移送される。この移送は、圧縮７および冷却８の手段とモノマーおよび分子量調節の供給手段１３を備えたガス混合物循環ライン６によって行われる。
分離ゾーン４を出るガス混合物の一部は、圧縮された後、第２重合ゾーンから第１重合ゾーンへポリマーの移送を促進するため、結合ゾーン５にライン９を介して移送できる。
各種の触媒成分を第１重合ゾーン１のいずれかの点で第１重合ゾーン１に供給するのが好ましい。しかしこれらは第２の重合ゾーン２のいずれかの点で供給することもできる。オレフィン重合で用いられるいずれのタイプの触媒も、この発明の方法に使用することができる。これはこの発明の方法が特定の物理状態であることが重要ではなく、公知技術状態の気相方法に比して、この発明の方法は少なくとも一つの成分が顆粒状である触媒の使用を必須とせず、各種の成分が溶液である触媒で行うことができることから、固体または液体のいずれの形の触媒も使用できる。例えばチタン、クロム、バナジュウムまたはジルコニウムベースの触媒は、支持された形または支持されない形のいずれでも使用できる。使用できる触媒の例は、米国特許第４，７４８，２７２号，米国特許第４，３０２，５６６号，米国特許第４，４２７，５２０号および米国特許第４，２１８，３３９号に記載されている。特に適するものは、調節された形態の触媒であり、これらは米国特許第４，３９９，０５４号，米国特許第５，１３９，９８５号，ヨーロッパ特許第ＥＰ−３９５０８３号，ヨーロッパ特許第ＥＰ−５５３８０５号，ヨーロッパ特許第ＥＰ−５５３８０６号およびヨーロッパ特許第ＥＰ−６０１５２５号に記載されており、かつ一般に平均寸法が、０．２ないし５の間、好ましくは０．５ないし３ｍｍの間の回転楕円状（スフェロイド状）の粒子のポリマーを与えうる触媒が適する。この発明の方法は、その上特にメタロセン触媒を使用するのに適し、この触媒は溶液でもまたは支持されていてもよい。各種の触媒成分が、第１重合ゾーンの同じ箇所または異なる箇所に導入できる。
触媒は事前処理なしでまたは予備重合した形で供給できる。他の重合段階が上流に位置する場合に、上流のバルク反応器からポリマー懸濁液中に分散された触媒、または上流の気相反応器からの乾燥ポリマー中に分散された触媒を重合ゾーンに供給することもできる。
反応ゾーン中のポリマー濃度は、当該分野で公知の通常の方法、例えば重合ゾーンの軸線に沿う２つの適当な点の間の差圧を測定するか、または核検出器（例α−線）で密度を測定してモニターすることができる。
例えば温度のような操作パラメータは、気相オレフィン重合法で普通のもの、例えば５０℃〜１２０℃の間である。
この発明による方法は、多くの利点を有する。ループ配置が、比較的簡単な反応器結合構造の採用を可能とする。実際に各反応ゾーンは、高アスペクト比（高さ／直径比）の円筒形反応器としてデザインできる。構造の観点から、この特定の反応器結合構造が、通常の流動床反応器で経済的ではない高い操作圧の採用を可能とするものである。従って、この発明による方法は、０．５乃至１０ＭＰａの間、好ましくは１．５乃至６ＭＰａの間の操作圧で行うことができる。結果として高いガス密度は、単一粒子での熱交換および反応熱の全体的な除去の両方に有効である。従って、反応運動を高める操作条件を選ぶことが可能である。その上ポリマーが急速な流動化条件下で流動する反応器（第１重合ゾーン）が、２００ｋｇ／ｍ³に達するかまたは越えるポリマー濃度で完全に操作できる。第２重合ゾーンの貢献と、確立できるより好ましい運動条件を考慮して、この発明の方法は通常の流動床技術で得られるレベルより高い比生産性（反応器単位容量当たりの時間生産量）を得ることが可能となる。従って、より制限された寸法の重合装置を用い、通常の気相法の触媒収量に等しいかまたは越えることが可能で、プラントの建築コストの明らかな削減を行うことが可能となる。
この発明による方法において、固体／ガス分離ゾーンからの出口でのガス循環ライン中に、固体のエントレイメントと同じラインで冷却器を出る液体が存在しうることが第１重合ゾーンの効力を制限しない。例えば、グリッドのようなガス分配手段を用いた場合、グリッドの下のプレナム中の移送ガス速度は以前として高く、停滞点がなくかなりの寸法の液滴と湿潤ポリマーのエントレイメントを保証するような値である。移送ガスが第２重合ゾーンからくる熱いポリマー流と接触すると、液体の蒸発が事実上瞬時に起こる。そのためガスの部分を濃縮するために、固体／ガス分離ゾーンからのガス混合物を露点以下の温度に冷却することが可能である。次いで、形成するガス／液体混合物を第１重合ゾーンに供給し、そこでは当該分野の公知状態の問題と制限がなく、かつこれらを避けるために提案された複雑な装置の使用をすることとなく熱除去がされる。再循環ガスの部分的な濃縮に加えておよびまたはかわりに、この発明の方法は、反応熱の除去に新しい方法を開くものである。急速な流動化を持つ重合ゾーンの特徴的な結合構造（高い表面／容量比）が、このゾーンでの直接熱交換に利用できる充分な外表面積を与える（かつ従って冷却液体と反応系との間の最大の熱交換を持つ）。適切な場合に、反応器の内部に加えてまたはかわりの熱交換表面を存在させることができる。かくして第１の重合ゾーンは、外部冷却手段で有利に冷却することができる。急速な流動化条件と高いガス密度に関連した高乱流が、いずれの場合にも非常に高い熱伝達係数を保証する。内壁での濃縮は急速な流動化条件のためポリマーの強く過激で軸撹拌によって連続的に除去される。その上この特性は、提案した技術が上流バルク反応器から直接供給される第２工程として操作するのに適するものとなすものである。また困難性を伴うことなく補給モノマーの部分を濃縮した形で供給することを可能とする。反応熱の除去に関する限り、この発明の方法による生産能力は、公知技術のものより優れており、先行技術にある困難性が解消される。その上循環ガスの容量比は、必ずしも熱交換の条件に従属しない。
１以上の不活性ガスが、その分圧の和がガスの全圧の５〜８０％であるのが好ましいような量で重合ゾーンに保持されるのが有利である。不活性ガスは窒素または２〜６の炭素原子を有する脂肪族炭化水素、好ましくはプロパンである。不活性ガスの存在は、多くの利点をもたらす。すなわち反応速度を緩和し、一方同時に、循環ガス混合物を冷却器に通して、表面で除去２０されなかった反応熱の除去のために、循環圧縮の圧力損失を低く保ち、かつ床中で粒子の熱交換に対する適切なマス流速を保証する。
この発明の方法において、不活性ガスの存在は他の利点も有する。すなわち本質的に断熱モードで行われる第２重合ゾーンでの温度増大を制限することが可能とするかぎり、また特にエチレンの重合において、ポリマーの分子量分布も幅を制御することを可能とする。これはすでに述べたように、制限された量の巻き込みガスに囲まれたプラグ流（充填流モード）で、ポリマーが第２重合ゾーンを垂直に下降するからである。すでに知られているように、エチレン重合でのポリマーの分子量は、気相での水素／エチレン比によりかつ小さな程度で温度によって制御される。不活性物の存在下で、反応がエチレンと水素を限界程度だけ消費すると、エチレン／水素比は、移動方向でポリマー流の軸に沿って減少し、分子量減少を伴い同じ粒子にポリマーフラクションの生長を生ずる。反応による温度上昇が、この効果を付加する。従って、ガス組成と２つの重合ゾーンの滞留時間の適切なバランスをさせることにより、ポリマーの分子量分布の拡げ、一方同時に生成物の最大の均質性の保持を効果的に制御することができる。
逆に、狭い分子量分布のポリマーを作りたい場合には、上記のメカニズムを、例えば不活性ガス量を制限するか、第２重合ゾーンの適切な位置に、適量の反応ガスおよび／または補給モノマー（類）を供給する反応条件の適当な選定により制限または避けることができる。第２重合ゾーンに供給されるガスは、固体／ガス分離ゾーンを出るガス混合物を、圧縮後に採取するのが有利である。導入されるガス量は、注入ガスの流動固体速度に対する相対速度が、第２重合ゾーンに存在する固体／ガス系の最少の流動速度特性以下に保れるような値内に調整されるのが好ましい。このような条件下で、ポリマーの下向流は実質的に乱れない。そのため、この発明の方法の操作の柔軟性は、全体的であり、異なる分子量分布のポリマーの生産が、ガス組成により、かつ必要であればガスラインのバルブの簡単な閉塞または開放により調節可能である。
ポリマーは、固形物密度が大であるゾーン、例えば、巻き込みガス量を最小にするため、大量の圧縮流動ポリマーが得られる第２重合ゾーンの適当な点から排出するのが有利である。第２重合ゾーンからのポリマーの出口領域の上流の適当な点に調節バルブを挿入することにより、生産されたポリマーの取出しを連続的に制御することができる。ポリマーを伴うガスの量は非常に少なく、交互の断続操作で一連のホッパーを介在させる装置で達成できるものよりごく僅かに大である。このように、公知技術の放出系の全ての制限が、巻き込みガス量と放出生成物の性質の双方に関して克服される。
上記のように、この発明の方法は、この発明により操作される重合セクションの上流または下流に、通常の技術を使用する１以上の重合段階（流動床または撹拌床の何れかで、バルクまたは気相で）がある逐次多段方法で通常の技術を組合すことができる。この発明の方法により行われる２以上の工程による多段法も可能である。
更に、この発明の方法のループ循環特徴を常に維持しながら、この発明による方法と通常の流動床気相技術とを、流動気泡床（ｆｌｕｉｄ ｂｕｂｂｌｅ ｂｅｄ）（すなわち最小流動速度より高くかつ輸送速度より低い流動ガス速度で）を使用する重合ゾーンを、この発明で定義されるような２つの重合ゾーンの間に介在さすことにより、組み合わせることが可能である。例えば、１つの可能な例示として、第２重合ゾーンが、第１および第２セクションからなる。前記セクションの１番目（ポリマーの下方流に対して）において、流動床は適切なガスの供給および分散により維持し；第２セクションにおいて、第１セクションと適切に接続され、ポリマーが圧縮された形で、重力により流れる。第２セクションから、ポリマーがループ循環を維持しつつ、第１重合ゾーンに再導入される。種々のゾーンを適切な大きさにすることで、上記記載の全ての利点を維持しつつ、ポリマーの分子量分布の拡張を達成することが可能となる。上記例はこの発明の方法の可能な例示の１つにすぎず、通常の定義付けにおいて、圧縮された形で、重力によりポリマーが流れるゾーンと相互連結された少なくとも１つの速い流動ゾーンからなる。
この発明の方法は、上記記載の欠点がなく、多くのオレフィンポリマーの製造に適切である。得られたポリマーの例は：
−エチレンホモポリマーおよび、３〜１２の炭素原子を有するα−オレフィンとのエチレンコポリマーを含む高密度ポリエチレン（０．９４０より高い相対密度を有するＨＤＰＥ）；
−３〜１２の炭素原子を有する１つ以上のα−オレフィンとのエチレンコポリマーを含む低密度（０．９４０より低い相対密度を有するＬＬＤＰＥ）および、非常に低密度および超低密度（０．９２０より低い、０．８８０より下の相対密度を有するＶＬＤＰＥとＵＬＤＰＥ）の線状ポリエチレン；
−エチレンとプロピレンと少量成分のジエンとの弾性ターポリマー、またはエチレンとプロピレンと約３０〜７０重量％の間のエチレン由来の単位の一定量との弾性ターポリマー；
−プロピレンおよびエチレンおよび／または８５重量％以上のプロピレン由来の単位の一定量を有する他のα−オレフィンの結晶コポリマーおよびアイソタクチックポリプロピレン；
−プロピレンおよび、エチレンおよび／または他のα−オレフィンとプロピレンとの混合物の逐次重合により得られる異相（ｈｅｔｅｒｏｐｈａｓｉｃ）プロピレンポリマー；
−プロピレンおよび、エチレンおよび／または７０重量％以上のプロピレン由来の単位の一定量を有する他のα−オレフィンのアタクチックポリプロピレンおよびアモルファスコポリマー；
−例えばポリ−１−ブテン、ポリ−４−メチル−１−ペンテンのようなポリ−α−オレフィン；
−ポリブタジエンおよび他のポリジエンゴム
である。
この発明の更なる観点は、α−オレフィンの気相重合用装置に関する。この発明の装置は、触媒供給ライン３４を備えた第１垂直円筒状反応器２０、ポリマー排出系２３を備えた第２垂直円筒状反応器３０からなり、第１反応器２０の上部領域が固体／ガス分離器２２と第１ライン２１により接続され、次いで第２反応器３０の上部領域に接続されており；第２反応器３０の下部領域が第１反応器２０の下部領域と第２ライン３１により接続されており；固体／ガス分離器２２が第２ライン３１の入口部下の第１反応器２０の底部の領域３７で第１反応器２０と気体混合物３６用の再循環ライン手段により接続されていることにより特徴付けられる。好ましくは、第１反応器２０は、第２ライン３１の入口部とこの反応器の底部の領域３７との間に位置するガス分配手段３３（例えば、グリッド）を備えていることである。代わるものとして、図３に参照されているように、第１反応器６０中でガス分配手段は、高速でガスを流し、かつ好ましくは４５°より小さく、より好ましくは３０°と１０°の間の垂直に対する傾斜角の円錐台（ｆｒｕｓｔｏｃｏｎｉｃａｌ）部６２に接続された円筒状ライン６５で再配置させてもよい。有利には、触媒（全ライン６６）とライン７７を通過し第２反応器７０から来るポリマーの両方が、この円錐台接続を通して運ばれることである。
ポリマー流速を制御するための第１バルブ２４は、通常第２反応器３０と第２ライン３１との間に挿入される。このバルブ２４は、機械的または非機械的のいずれの種類でもよい。
ガス分配手段３３が存在する場合、触媒のいくつかまたは全ての成分が、ガス分配手段の上部で、第１反応器２０中の第３ライン３２を介して注入されることが有利である。
有利には、気体混合物３６用の再循環ラインは、圧縮器２６、冷却系２７および、共通または分離されたモノマー２８および分子量調節剤２９の導入系を備えていることである。圧縮器の下流に１つ上流に１つの２つの冷却系を存在させてもよい。
好ましくは、第１ライン２１は、第１反応器の上部領域の側面を出る。第１反応器２０から固体／ガス混合物の側面排出は、全反応系の動的安定性のために重要な手段として貢献していることが確認されている。
第１反応器２０の上部領域は、反応器の直径と等しい円筒状の形状を有してもよく、または広い端部を上にした円錐台形状のであってもよい。
第１ライン２１は、ポリマーの排出を容易にするために重力の方向に水平であるかまたは傾斜を有していてもよい（図３のライン７１の形状参照）。第２ライン３１は、適切には、下方へ向かって傾斜していてもよく、圧縮器２６の下流点で、ガス再循環ライン３６にライン２５を介して（第１バルブ２４のすぐ下流の点で）接続することもできる。この方法で、ポリマーの流れを再循環ラインから生じ、ライン自身で反応器２０の導入部でポリマーのよどみ領域を防ぐ圧力下のガスの気流により補助される。
反応器の下領域間の接続系は、ポリマーの循環が、ライン７５を通して再循環ラインから取り出されたガスにより操作される空気Ｌバルブ７４により得られような図３に記載されている種類のものでもよい。Ｌバルブは、第１反応器６０に導入されるライン７７と接続されており、このライン７７は、ライン７６を介して再循環ライン８１と接続されている。このラインを通して、ライン７６から生じるガスの適切な気流により、ポリマーが反応器６０の内部また運ばれる。
第１反応器２０は、壁熱交換器のような外部冷却手段３５を備えていることが有利である。
この発明の２つの可能な例示を図２および図３に図示している。これらの例示は単純な図示目的であり、この発明を限定しない。
図２に関して、２０は速い流動化条件下で操作される第１反応器、３０は圧縮された形で、重力の作用下で流れるポリマーを通過させる第２反応器；２１と３１は２つの反応器の上部および下部領域を接続するライン；３４は触媒供給ライン；２２は固体／ガス分離器；２３はポリマー排出系；３６は第１反応器の底部で領域３７への分離器と接続する気体混合物用の再循環ライン；２４はポリマー流速を制御するための制御バルブ；３３はガス分配装置；３２は触媒供給用ライン；２６および２７は再循環ガス混合物用の圧縮器および冷却系；２８および２９はモノマーおよび分子量調節剤供給用系；２５はライン３１に再循環ライン３６を接続するライン；３５は第１反応器２０の外部冷却系である。
図３に関して、６０は速い流動化条件下で操作される第１反応器、７０は圧縮された形で、重力の作用下で流れるポリマーを通過させる第２反応器；７１と７７は２つの反応器の上部および下部領域を接続するライン；６６は触媒供給ライン；７２は固体／ガス分離器；７３はポリマー排出系；８１は第１反応器６０の円錐台部による基部に接続したライン６５と分離器７２を接続する気体混合物用の再循環ライン；７４はポリマー流速を制御するためのＬバルブ；７９および８０は再循環ガス混合物用の圧縮器および冷却系；６３および６４はモノマーおよび分子量調節剤供給用系；７５はＬバルブ７４に再循環ライン８１を接続するライン；７６はライン７７と再循環ライン８１を接続するライン；７８は第２反応器７０の底部の領域と再循環ライン８１を接続するライン；６１は第１反応器２０の外部冷却系である。
以下の実施例は、この発明をその範囲を限定することなしに更に説明するものである。
実施例
一般的な重合条件
種々の触媒成分が予備混合された予備接触部、予備重合部および、図２に記載した形の反応器で行われる気相重合部からなるプラントで連続的に重合を行った。
ヨーロッパ特許出願第ＥＰ−Ａ−３９５０８３号の実施例３に記載された工程により製造された固体触媒成分、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡＬ）およびシラン化合物を、予備接触容器に１０分間、１０℃でヘキサン中で予備接触させた。予備重合部に供給された活性化触媒は、分散媒体としてプロパンを使用したスラリー中で重合させたプロピレンである。所望の予備重合収量（固体触媒成分１ｇあたりのポリマーのｇ数に換算して）を達成するために、モノマー供給および滞留時間を調節した。
プレポリマーを気相重合装置に連続的に供給した。装置は、図２に参照として記載されているように、パイプ２１と３１により接続された２つの円筒状反応器２０と３０からなる。反応器２０には熱交換器３５を備えさせた。まず、反応器２０中で流動化が、ガス−再循環ライン３６を経由して、ガス／固体分離器２２から反応器２０の底部へ再循環するガスにより行われた。ガス−分配手段を使用せず、パイプ３１の入口部より下部で、反応器２０の底部の領域３７に直接再循環ガスを供給した。ガス−再循環ラインに、圧縮器２６と熱交換器２７とを備えさせた。プレポリマースラリー反応物をパイプ３１の入口部上の点で直ちに反応器２０に供給した。ポリマーの循環を、再循環ライン３６から取り出したガス２５の気流により操作されたＬバルブ２４を介して制御した。補給（メークアップ）モノマーを再循環ライン３６に供給した。得られたポリマーを、パイプ２３を介して、反応器３０から連続的に流出させた。装置の全容量（すなわち、反応器２０と３０＋接続領域２１と３１）は、２５０リットルとした。
実施例１
シラン化合物としてジシクロペンチル−ジメトキシ−シラン（ＤＣＰＭＳ）からなる触媒を使用して、ポリプロピレンを製造した。気相重合工程において、プロパンを不活性ガスとして使用した。
主操作条件
予備接触工程
−ＴＥＡＬ／固体成分 （重量） ８
−ＴＥＡＬ／ＤＣＰＭＳ（重量） ３
予備重合工程
−収量 （ｇ／ｇ） １００
気相重合
−温度 （℃） ８５
−圧力 （バール） ２５
−プロピレン （モル％） ９１
−プロパン （モル％） ８
−水素 （モル％） １
−比生産性 （Ｋｇ／時・ｍ³） １４０
生成物の特徴
−嵩密度 （ｋｇ／リットル） ０．４５
実施例２
シラン化合物としてシクロヘキシル−メチル−ジメトキシ−シラン（ＣＭＭＳ）からなる触媒を使用して、ヘキサン−変性ＬＬＤＰＥをを製造した。気相重合工程において、プロパンを不活性ガスとして使用した。
主操作条件
予備接触工程
−ＴＥＡＬ／固体成分 （重量） １２０
−ＴＥＡＬ／ＤＣＰＭＳ（重量） ２０
予備重合工程
−収量 （ｇ／ｇ） ４００
気相重合
−温度 （℃） ７５
−圧力 （バール） ２４
−エチレン （モル％） １５
−１−ヘキセン （モル％） １．５
−水素 （モル％） ３
−プロパン （モル％） ８０．５
−比生産性 （Ｋｇ／時・ｍ³） ８０
生成物の特徴
−メルトインデックスＥ（ｇ／１０分） １．４
−密度 （ｋｇ／リットル） ０．９０８
上記記載の温度は、反応器３０の頂部で測定した。操作圧力での気体混合物の露点は６６℃である。反応器２０の表面の温度を６３℃にするような方法で、冷却液体を熱交換器３５に循環させた。これらの条件下で、ガス状混合物は部分的に反応器の壁に凝縮し、それゆえ反応器の熱の除去に寄与した。汚損の問題は、操作期間中生じなかった。

Claims (33)

1. 第１と第２の相互連結した重合ゾーンで、１以上のα−オレフィン類ＣＨ₂＝ＣＨＲ（式中Ｒは水素または１ないし１２の炭素原子を有する炭化水素基である。）が、反応条件下で触媒の存在下に供給され、生成されたポリマーが排出され、生長するポリマー粒子が、流動化ガスの速度が移送速度より高い速い流動条件下、第１の重合ゾーンを流れ、第１の重合ゾーンを出て、巻き込みガスに囲まれたプラグ流（充填流モード）で、ポリマーが垂直に下降する第２の重合ゾーンに入り、そこでは圧縮した形で、重力の作用で流動し、第２の重合ゾーンを出てかつ第１の重合ゾーンに再導入されるものであり、このようにして二つの重合ゾーン間のポリマーの循環が確立されるα−オレフィン類の気相重合方法。
2. 速い流動条件が、第１重合ゾーンに１以上のα−オレフィン類ＣＨ₂＝ＣＨＲからなる気体混合物を供給することにより確立される請求項１の方法。
3. 気体混合物が、第１重合ゾーン中のポリマーの再導入点より下の領域で第１重合ゾーンに供給される請求項２の方法。
4. 気体混合物の供給が、ガス分配器手段により行われる請求項３の方法。
5. 第１重合ゾーンに残存するポリマーと気体混合物が、固体／ガス分離ゾーンに運ばれ、固体／ガス分離ゾーンを通過するポリマーが、第２重合ゾーンに運ばれる請求項１〜４のいずれか一つの方法。
6. ２つの重合ゾーンのポリマー循環の制御が、第２重合ゾーンを通過するポリマーの量をモニターすることによりなされる請求項１〜５のいずれか一つの方法。
7. 得られたポリマーが、第２重合ゾーンから連続的に取り出される請求項１〜６のいずれか一つの方法。
8. 触媒成分が、第１重合ゾーンに供給される請求項１〜７のいずれかの方法。
9. 反応ゾーンのいずれかに、予備重合形の触媒を供給する請求項１〜８のいずれか一つの方法。
10. 反応ゾーンのいずれかに、ポリマースラリー中に分散された触媒を供給する請求項１〜９のいずれか一つの方法。
11. 反応ゾーンのいずれかに、乾燥ポリマー中に分散された触媒を供給する請求項１〜９のいずれか一つの方法。
12. 固体／ガス分離ゾーンを通過する気体混合物が、圧縮され、冷却され、補給モノマーの追加がふさわしい場合、第１重合ゾーンに移送される請求項５の方法。
13. 固体／ガス分離ゾーンを通過する気体混合物が、第２重合ゾーンから第１重合ゾーンにポリマーを移送するために使用される請求項５の方法。
14. 固体／ガス分離ゾーンを通過する気体混合物の一部が、圧縮され、第２重合ゾーンに移送される請求項５の方法。
15. 固体／ガス分離ゾーンを通過する気体混合物が、露点以下の温度に冷却される請求項１２の方法。
16. 第１重合ゾーンが、外部冷却手段により冷却される請求項１〜１５のいずれか一つの方法。
17. 補給モノマー及びモノマーが、第１重合ゾーンに少なくとも一部圧縮された形で供給される請求項１〜１６のいずれか一つの方法。
18. 第１重合ゾーン中の流動ガスの速度が、２〜１５ｍ／ｓである請求項２の方法。
19. ポリマーが、０．２〜５ｍｍの平均寸法を有する球状粒子の形である請求項１による方法。
20. 作業圧が、０．５〜１０ＭＰａである請求項１の方法。
21. １以上の不活性ガスが、ガスの全圧の５〜８０％の分圧で重合ゾーンに存在する請求項１の方法。
22. 不活性ガスが、窒素または、２〜６の炭素原子を有する脂肪族炭化水素である請求項２１の方法。
23. 触媒供給ライン（３４）を備えた第１垂直円筒状反応器（２０）；ポリマー排出系（２３）を備えた第２垂直円筒状反応器（３０）；第１反応器（２０）の上部領域が固体／ガス分離器（２２）と第１ライン（２１）により接続され、次いで、巻き込みガスに囲まれたプラグ流（充填流モード）で、ポリマーが垂直に下降する第２反応器（３０）の上部領域に接続されており；第２反応器（３０）の下部領域が第１反応器（２０）の下部領域と第２ライン（３１）により接続されており；固体／ガス分離器（２２）が第２ライン（３１）の入口部下の第１反応器（２０）の底部の領域（３７）で第１反応器（２０）と気体混合物（３６）用の再循環ライン手段により接続されていることからなるα−オレフィンの気相重合装置。
24. 第１反応器（２０）が、第２ライン（３１）と第１反応器（２０）の底部で領域（３７）との間に位置するガス分配手段（３３）を備えてなる請求項２３の装置。
25. ポリマー流速を制御するための第１制御バルブ（２４）が、第２反応器と第２ライン（３１）との間に介在されてなる請求項２３の装置。
26. 第１バルブ（２４）が、機械バルブである請求項２５の装置。
27. 第１バルブ（２４）が、非機械バルブである請求項２５の装置。
28. 触媒供給ライン（３４）が、第３ライン（３２）を介して、ガス分配手段（３３）上の点で第１反応器に接続されてなる請求項２４の装置。
29. 気体混合物の再循環ライン（３６）が、圧縮器（２６）、冷却系（２７）、およびモノマーおよび分子量調節剤供給系（２８、２９）を備えてなる請求項２３の装置。
30. 第１ライン（２１）が、第１反応器（２０）の上部領域の横からでる請求項２３の装置。
31. 第１反応器の上部領域が、上端に広がる円錐台の形状である請求項２３の装置。
32. 気体混合物の再循環ライン（３６）が、第２ライン（３１）にライン（２５）を介して、圧縮器（２６）の下流点で接続されている請求項２９の装置。
33. 第１反応器（２０）が、外部冷却手段（３５）を備えてなる請求項２３の装置。

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