JP4270867B2 - 反応器への開始剤給送装置 - Google Patents

Description

本発明は、開始剤を反応器に給送する、例えば過酸化物を高圧反応器にＬＤＰＩ製造のために給送する装置に関する

ポリエチレン（ＰＥ）は、最も重要なプラスチックの一つであり、酸水溶液及びアルカリ水溶液に高度な耐性を有する。プラスチックは、低い誘電率及び高い抵抗率（固有抵抗）を有する。さらに、このプラスチックは、高い衝撃強さ（靭性）等の良好な機械特性と共に、低密度という性質も兼ね備えている。これにより、多数の技術分野に好適に使用されている。従って、家庭用及び工業用のフィルム及び消費材がＰＥから製造され；ポリエチレンはまたケーブルの絶縁及びパイプの被覆にも使用されている。低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）は、その低い結晶含有率のため高い透明性を有している。このＬＤＰＥの結晶含有率は、結晶含有率が７０〜９０％である高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）に比べて低く５０〜７０％であり、これはフィルム材料としての使用には好ましいものである。ポリエチレンフィルムを製造するための広く使用されている方法はカレンダリングであり、これにより０．０５〜１ｍｍの厚さのポリエチレンフィルムを製造することができる。カレンダリングにおいて、熱可塑性プラスチックは多数のロール間で圧延され、その間で熱可塑性プラスチックは成形され、常に薄いフィルムが形成される。カレンダーを過ぎた後、フィルムは冷却ロール上で冷却され、次いで巻き上げられる。

ＬＤＰＥの１つの製造方法は、管型反応器法である。重合の開始時に、過酸化物開始剤が、液状で管型反応器に導入される。エチレン量に比べて、過酸化物開始剤の流れの質量は小さい。使用される開始剤の性質は、管型反応器において優勢である条件下で、それが即座にフリーラジカルに分解することである。高い転化率、改良されたポリマーの性質及びより安定な反応器操作性を獲得できるよう、これらの開始剤（例、過酸化物）の高い有効性を達成するために、反応剤を相互に極めて素早く混合することが有利である。

ＥＰ０９８０９６７には、エチレン単独重合体及び共重合体を、管型反応器で、１０００バールを超える圧力及び１２０℃〜３５０℃の温度にてフリーラジカル重合により製造する方法が開示されている。少量のフリーラジカル開始剤が、まずエチレン、モル質量調節剤及び任意にポリエチレンを含む流れ媒体中に導入され、その後重合させる。この方法によれば、流れ媒体は先ず、相互に分離して流れる２つの体積部に分割され、分離された流れ体積部は、その後適当な流れ方向指示素子により相対的二重反転に向けられる。二重反転した流れ体積部は、次いで再結合し、流れ媒体を形成し、そして二重反転した流れ体積部の結合と同時に又は結合後直ぐに、フリーラジカル開始剤が二重反転した流れ体積部の間の剪断境界領域に導入される。ＥＰ０９８０９６７にはまた、この方法を実施するための装置が開示されている。計量導入された開始剤の混合における改良、及びこれと関連する、製品（生成物）の品質の改良も、混合ゾーンでの流速を増加させることにより達成することができた。

選択されたフリーラジカル開始剤の有効性は、それを、個々の場合の初期に存在する反応媒体と混合することができる迅速性により異なる。この目的のため、注入フィンガーが、ポリエチレンの製造用の工業プラントに使用されている。

ＥＰ０４４９０９２Ａ１には、フリーラジカル開始剤、開始剤混合物、又は開始剤の有機溶剤溶液を、反応器に沿った複数地点の注入フィンガーにより導入する方法が記載されている。

ＵＳ４１３５０４４及びＵＳ４１７５１６９には、冷却ゾーンにおける拡大された管直径に比較して、高圧反応器の開始及び反応ゾーンにおける比較的小さい管直径を用いて、高収率で極めて良好な光学特性を有する生成物を、反応器の全長に亘って比較的小さい圧力降下で製造することが可能な方法が記載されている。

最後に、ＵＳ３４０５１１５には、重合反応の均一な開始及び反応成分の最適混合は、得られるポリエチレンの品質、高い反応器収率及び均一な反応器操作を得る上で極めて重要である。この解決法によれば、開始剤を、特殊な混合チャンバーで冷却エチレンの副流と混合し、次いで単に、実際の反応器に導入する。混合チャンバーにおいて、低温が優先的であるため開始剤の分解しない流体が、幾重にもわきにそれて、チャンネル（管）を通過することになる。

本発明の目的は、フリーラジカル開始剤の流れ媒体への導入を、混合速度ができるだけ高くなるようにさらに最適化することにある。

本発明者等は、上記目的が、管型反応器において又は管型反応器とオートクレーブとを組み合わせてポリエチレンを製造する方法であって、フリーラジカル開始剤を、エチレン及び必要によりコモノマーを含む流れ媒体に導入し、そして少なくとも下記の工程：
混合することにより上記流れ媒体が形成される２つの副流（６１）と副流（６２）を所定の角度で混合することにより、又は渦巻素子（２０）により上記流れ媒体に回転を発生させる工程、
反応管（１）のフリーラジカル開始剤の給送点（７２）又は給送点（８１）の上流位置にて、上記副流又は上記流れ媒体の流入口ゾーンを有する横断面絞りを予め設ける工程、
フリーラジカル開始剤を、流出口オリフィス（４４）を介して上記回転が生じた流れ媒体に導入する工程、及び
前記流出口オリフィス（４４）から下流側に、上記流れ媒体と上記フリーラジカル開始剤とを混合する、横断面の幅拡大が可能な混合領域を設ける工程を行うことを特徴とする製造方法によって達成されることを見出した。

本発明に従う方法によって得られる有利な点は、特に以下のものである。すなわち、混合効果が高められるので、フリーラジカル開始剤（重合開始剤）の導入に関し、その取扱が経済的になることである。流れ媒体に回転を付与することにより、乱れ（乱流）が増加するが、この乱流増加は、混合流体中における横方向のインパルス（運動量）交換により、混合効果を改良するものである。本発明の方法は、高分子量の割合が小さいため、光学特性、特に透明性において顕著に改良されたフィルムを製造するために使用することができるポリエチレンを製造することが可能となる。本発明に従い提案された解決法、即ちポリエチレン含有流れ媒体とフリーラジカル開始剤との急速混合により、驚くべき高い最大温度で顕著に安定した反応器操作が、最終生成物の分解傾向無しに達成される。さらに、反応容器におけるより速い温度上昇、及び低温で分解する開始剤を使用したときの重合の良好な低温開始挙動を得ることができる。本発明に従う方法の別の利点は、開始剤の半減期に比較して、極めて短い混合時間である。

本発明の基調をなす考えの別の態様において、フリーラジカル開始剤の給送点が、流れ媒体で回転が発生する地点の下流に設けられている。これにより、その給送点で流れ媒体に給送されたフリーラジカル開始剤が、既に乱流状態になっている流れ媒体に常時流入して、混合時間を短縮し、混合効果を大幅に改善することが保証される。

フリーラジカル開始剤を回転する流れ媒体に給送するための素子の給送オリフィスの外形（ジオメトリー）は、フリーラジカル開始剤を流れ媒体に注入する深さに影響を与えることが可能である。注入フィンガー上のフリーラジカル開始剤用導入オリフィスを特に小さくする場合、フリーラジカル開始剤の微細なジェットを、管横断面に比較して極めて深く流れ媒体に注入することができる。流れ媒体の流速に依存して変化するが、フリーラジカル開始剤の注入深さ及び従って混合により達成される効果が、給送オリフィスのために選択された外形により明確に影響され、合わされ得る。

本発明の方法の一態様において、流れ媒体の副流の供給方向は、互いに９０°の角度とされている。これにより、結果として得られる流体媒体の物質流に接線（正接）方向の流れ成分が発生する。この接線方向の流れ成分は、統合（結合）された流体媒体の物質流に、周方向に走る回転を発生させる。この周方向に走る回転は、乱れた流れ状態（乱流状態）を発生されるために望ましいものである。９０°の角度で互いに合流（結合）させる前に、流れ媒体の副流を、それぞれ横断面絞りに通すことができる。これにより、独立部分（絞りでない部分）の流れ断面の、狭くなった部分の流れ断面に対する割合に依存して、流体の流速を２倍にすることができる。反応管の内部において、回転が付与された流れ媒体の副流が合流される。この場合、フリーラジカル開始剤用の給送点の上流側（であって、環状流路の後側）に別の絞り部を配置することができる。これにより、合流した流れ媒体の乱流流れ状態を増加させることができる。

給送点でのフリーラジカル開始剤の導入は、フリーラジカル開始剤の給送点の位置に関して流れ横断面の周囲方向で回転する、回転流れ媒体の剪断ギャップ内にされることが好ましい。

回転流を発生させる別の変形例では、独立した流れ断面に渦巻素子が予め設けられ、該渦巻素子に流れ媒体が通され、そして、該渦巻素子により、流れ媒体に流れ断面の周方向で回転が発生し、従って剪断ギャップ（剪断段差）が発生する。

一方、流れ媒体の回転を、芯流が、仮想円筒形の外側表面（即ち、剪断表面）上で、芯流に関して回転するようにされた環状流により包囲されるように、発生させることができる。芯流を包囲する環状流は、芯流の周りを時計回り方向又は反時計回り方向のいずれかに回転することができる。一方、芯流を回転させて、芯流の周囲の流れに、芯流の回転と反対の回転を発生させることも可能である。

本発明の課題は、上述した本発明の方法により、管型反応器内でポリエチレンを製造する次の装置によって解決される。すなわち、該装置では、エチレン及び必要によりコモノマーを含む流れ媒体に、フリーラジカル開始剤が導入される。そして、この装置では、流れ媒体は、流れの横断面が変化する反応官内を通され、フリーラジカル開始剤（重合開始剤）は、反応管の混合領域に導入される。また、この装置では、流れ媒体の副流（複数）が、所定の角度で互いに合流するか、又は流れの横断面に回転発生素子が設けられる。そして、回転が生じた流れの絞り部分の下流位置に供給素子が設けられるが、該供給素子は、フリーラジカル開始剤用の流出オリフィスを中心から外れた状態で有している。

本発明のポリエチレン製造装置では、軸流成分のみならず周方向の流れ成分も有する回転流れの剪断ギャップにフリーラジカル開始剤を給送することにより、極めて大きい混合効果がもたらされる。周方向の流れ成分は、流れ方向を横切って運動量（インパルス）の交換をもたらし、これにより複数の物質を効果的に混合するためのベース（素地）が与えられる。

本発明の装置の好ましい態様において、流れの好ましい注入フィンガーとして設計されている給送素子の先端における流出口オリフィスは、フィンガーの軸に対して４５°で傾斜していることが好ましい。オリフィスの横断面直径によるが、０°〜９０°の範囲のいずれの角度においても可能である。反応管における独立した流れ横断面に位置する渦巻素子は、その外側周辺において、反応管の管状空間に、それぞれ周囲方向に約９０°で伸びた渦巻ブレードを備えている。渦巻素子の別の好ましい態様では、渦巻ブレードが、その外側周囲に、それらが、それぞれ周囲方向に約１２０°で反応管の環状空間に伸びるように設けられている。

混合の有効性の別の改良は、フリーラジカル開始剤用の給送点の領域における流れ直径を独立流れの直径の約７０％に縮小することにより達成される。これにより、流速を２倍に増加させることができ、同様に混合の有効性に大きな寄与をもたらす。

「静水」領域を避けるため、絞りの上流に位置する独立横断面（絞りが位置しない横断面）から絞りへの移行が、２０°と４０°の間の合計角度で行なわれ、これにより、突然の移行が避けられる。合計角度は、３０°が特に好ましい。混合挙動を改良するために、フリーラジカル開始剤用の給送点の下流に位置する絞りの直径は、管直径（Ｄ）の１０〜２０倍の混合区域長さに亘って維持されている。混合区域のこの長さ（該長さは、管直径（Ｄ）の１０〜２０倍であるが、）の後に、混合区域は、合計角度が２０°未満で、独立の流れ横断面（絞りを有しない流れ横断面）へと、再び移行する。狭くされた流れ横断面から広くされた流れ横断面への移行において、速度低下による混合低下を避けるために、合計角度は、好ましくは１４°未満とされ、これにより混合区域横断面０．７×ＤからＤへの移行が徐々に行なわれる。

本発明を、図面を参照しながら以下にさらに詳細に記載する。

図面において、
図１は、混合領域及びフリーラジカル開始剤のための注入点を有する混合区域の原理略図を示し、
図２は、渦巻発生素子を示し、
図３は、渦巻素子のケーシングを示し、
図４及び４．１は、渦巻素子の外部を示し、
図５及び５．１は、渦巻素子の内部を示し、
図６及び６．１は、流れに好ましい注入フィンガーを示し、
図７は、渦巻発生器の下流及び混合区域の上流に設けられたフリーラジカル開始剤のための注入点を示し、
図８は、Ｔ型接続部分を示し、
図９、９．１及び９．２は、フリーラジカル開始剤の注入の上流にある９０°及び１２０°のブレード配置を有する、流れ横断面の渦巻発生内部インターナル（部品）を示す。

図１は、混合領域を有する混合区域、及びフリーラジカル開始剤（重合開始剤）の供給箇所を概略的に説明している。

図１の概略図で描かれた反応管１は、ポリエチレンＬＤＰＥを本発明により提案された方法により製造する管型反応器の部分であり得る。反応管１は、流入口横断面２及び流出口横断面３を有する。流入口側で、反応管１はラインシステムを介して反応剤を供給するシステムに連結されている。原料ガスと、高圧変換回路を介して再循環された未反応モノマーの両方を、変動ダンパーとして緩衝材を備えた混合容器４に給送する。スロットル素子５を、混合容器の上流に設けることができる。混合容器４の下流に、反応剤給送ラインはコンプレッサー６を備えており、これにより反応剤、即ち反応管１に進む流れ媒体を圧縮する。

給送領域１１において、フリーラジカル開始剤を、フリーラジカル開始剤流入ライン７を介して反応管１の内部に給送する。この目的のために、フリーラジカル開始剤の貯蔵物８を、スロットル素子９及びその下流に位置するコンプレッサー１０を介して、重合反応を開始させるフリーラジカル開始剤を反応管１の流れ媒体に導入する給送地点に供給する。給送領域１１に続いて、流れ方向に、反応管１の直径（Ｄ）×１０〜２０の長さを有することが好ましい混合領域１３が存在する。給送領域１１で導入されたフリーラジカル開始剤と以下に示すように混合される流れ流体媒体が混合区域１４を通過する。

反応管１の流れ横断面は、参照番号１６又はＤにより表される。反応管１の流出口端部３は、得られる反応混合物を減圧する手段である圧力維持バルブ１５により調節される。

ＬＤＰＥを製造する工業プラントにおいて、図１の原理略図で示される維持バルブ１５は、応答バルブ及び調節バルブとして働く。このバルブ及び下流の高圧セパレータ１９．１により、エチレン含有流れ媒体の一部が、工業的規模で、冷却後、高圧回路１９．３を介してプラントに戻され、そして得られたＬＤＰＥが高圧セパレータ１９．１を通過し、次いでそこから生成物１９．２が取り出される。

工業プラントにおいて、管型反応器の反応管１は、混合領域１３及び冷却壁１８を備えた続く混合区域１４に設けられている。冷却壁１８は、通常、流れ媒体とフリーラジカル開始剤との間の重合反応で放出した反応熱の一部を除去する冷却ジャケットとして設計されている。反応熱の残余が、流れ媒体に残っている。さらに、本発明の方法が工業的規模で使用され、各場合、反応段階をそれぞれが形成する複数の反応管１が直列に連結されている場合、混合区域１４は、それぞれ冷却ガス流入ライン１７ａ，１７ｂを備えることができる。混合区域１４の初期に冷却ガス流への混合により、重合反応で放出された熱の別の部分が流れ媒体とフリーラジカル開始剤との流れ混合物中で相殺され、これは転化率に関連する。さらに、フリーラジカル開始剤は、ポンプ１０を介して冷却ガス流に導入することができる。

図２は、例えば図１に概略的に示されている反応管１に設けることができる、渦巻発生素子のさらに詳細な図を示している。

図２に描かれた渦巻素子２０は、外側管２２に適応するようにされている。外側管２２は、それぞれ内側管２３を包含している。内側管２３の外側に、図２に概略的に示すように、渦巻ブレード領域３６が渦巻素子２０の流出口横断面２８の方向に減少する、渦巻発生外部ブレード２５が設けられている。２、３、４又はそれ以上の外部の渦巻ブレード２５を、内側管２３の外側周囲で相互に対向して設けることができる。内側管２３の内部は、図２に好適態様として示されているように、内部の渦巻ブレード２６を具備し得る。これにより、内側管２３の内部横断面を通過する流れの一部に、乱流を発生させる回転運動が与えられており、一方、内側管２３と外側管２２の間の環状空間を通過する流れ媒体の一部は、内側管２３の周囲外側に位置する２、４又はそれ以上の外部ブレード２５により周囲方向に流れ成分を備えている。従って、渦巻ブレードの点３４の領域における外側横断面区域２８で、中心線２９に関して周囲成分を有する回転流れが存在する。

図３は、図２で概略的に描かれた渦巻素子のケーシングを示している。

渦巻素子２０のケーシングは、２個のフレンジ２１の間にある外側管２２から実質的に構成されている。流入口横断面２７は、中心線２９と同軸の渦巻素子２０の流出口横断面２８と平行である。外側管２２の内壁３０は、内側管２３の外側表面と外側管２２との間に形成され、且つ内側管２３の外周に固定された外部ブレードがスクリュー状の形で通過する、環状間隙(ギャップ)の外側の境界を表す。

図４及び４．１は、周表面で相互に反対に位置する外部ブレードを備えた内側管２３をより詳細に示している。

図４で描かれた態様において、２個が内側管２３の外壁で相互に反対に固定された外部ブレード２５が、連結部３５のラインに沿って内側管２３に取り付けられている。渦巻ブレード２５は、スクリュー状の形で、内側管２３の外側表面上の連結部３５のラインに沿って伸びており、またここで選択されたスクリューラインは高いピッチを有している。図４に示される２個を超える外部ブレード２５を内側管の外壁３３に設けることも可能である。例えば、中心線２９に関して９０°で対称である４個又は平均６個のブレードを設けることも可能である。

図４．１には、内側管２３の後部の平面図が示されている。図４．１において、内側管の外壁３３上に外部ブレード２５は、渦巻素子２０の外側管２２で囲まれている。さらに、内側管２３の内壁に沿って少なくとも９０°の領域に捻れ形で伸びている内部の渦巻ブレード２６が、内側管の内部に設けられている。この領域は、１８０°まであっても良い。複数の流れ管(channel)を形成することも可能である。

図５及び５．１には、内部の渦巻ブレード２６の側面図及びその背面図が示されている。その中心線２９に関して、内側の渦巻ブレード２６は、捻れた内部渦巻ブレード表面３７を備えており、このブレード表面は、図５．１から分かるように、内側管２３の内側表面の９０°領域を覆っている。

外部ブレード２５及び内部ブレード２６のスクリュー状ピッチは同じ意味を有する；外部ブレード２５及び内部ブレード２６は、図２に示すように、相互に異なるピッチで渦巻素子に固定することができる。この配置により、内側管２３の内部を通過する流れ媒体の成分に反時計回り方向の回転が付与され、一方内側管の外壁３３と外側管２２の内側表面３０との間（即ち、環状空間）を流れる流体成分は、それに分け与えられた時計回り方向の回転を有する。図５の詳細から、外部の全ての端部、及びそれぞれが流れ方向又はその流れと反対の方向に向いている、外部及び内部の渦巻ブレード２５及び２６は、渦形成を避けるために流線型にされている。

図６及び６．１には、フリーラジカル開始剤のための給送素子（好ましくは、流れに好適な給送フィンガーとして設計されたもの）の側面図及び平面図が示されている。

給送素子は反応管１の壁に挿入され、コーンチップ４１を備えている。給送素子４０は、横断面の円錐状に狭くすることにより、角度４５°で流出口オリフィス４４と隣接する絞り孔に入る孔４３を有する。流出オリフィス４４の角度は、例えば給送素子４０の対称軸と４５°であるが、０〜１８０°の角度範囲が可能であり、これによりフリーラジカル開始剤の流れ媒体への傾斜導入が達成され得る。フリーラジカル開始剤が回転する流れ媒体に浸透する深さは、流出口オリフィス４４の角度及び断面積、及び冷却ガス流１７の流れの関数として調節することができ、これによりフリーラジカル開始剤、例えば過酸化物が流れ媒体に浸透する深さを、発生する乱流の程度と関係なく設定することができる。フィンガー形状の給送素子４０のコーンチップ４１では、フリーラジカル開始剤のための流出オリフィス４４を、その周囲が好ましくは回転する流れ媒体の剪断ギャップに入るような位置に配置する。乱流パラメータ及びフリーラジカル開始剤の注入深さにより、本発明に従い提案された方法及び本発明に従い提案されたポリエチレン製造用装置における混合の高い効果がもたらされる。給送素子４０のコーンチップ４１の流出口オリフィス４４は、給送素子４０の中心線から、軽く外れて置かれている。注入が、冷却ガス流１７無しに行われた場合、角度は０〜１５°が好ましい。冷却ガスを用いた場合、角度は、好ましくは４５°であるか、或いは３０〜６０°内で選択することができ、導入された流れが壁と接触することから防止する。

流出口オリフィス４４が流れ媒体の流れ方向に向けさせる、流れに好適な給送フィンガー４０は、それの下流に静水の形成を防止する。これにより、流れの渦の結果として、比較的高濃度のフリーラジカル開始剤が存在する領域の発生を防止する；そうでないと、このような高濃度は、ＬＤＰＥの製品品質に重大な悪影響を及ぼす分解反応をもたらす。

給送フィンガー４０によるフリーラジカル開始剤の導入の代わりに、開始剤を担体媒体により導入することもできる。従って、フリーラジカル開始剤、例えば過酸化物を、冷却ガス流入ライン１７の流れ媒体に導入することができ、この流入ラインは、その後図１に示すように、反応管の注入領域１１まで達している。フリーラジカル開始剤のための担体媒体としての冷却ガスの代わりに、フリーラジカル開始剤のための担体媒体として圧縮段階６の下流の直ぐ枝道に入った冷却エチレンを使用することも可能である。フリーラジカル開始剤を担体ガスとしての冷却ガスを用いて導入した場合、冷却ガス及びフリーラジカル開始剤を混合チャンバーで撹拌し、この混合流れはその後絞りで流れ媒体に注入することができ、これにより導入オリフィス及び導入角を好適に設計した場合、高いインパルスを導入地点で達成される。

図７には、渦巻発生素子の下流及び混合区域の上流に設けられた、フリーラジカル開始剤のための注入点が示されている。

外部渦巻ブレード２５を備えた渦巻素子２０は、絞られた流れ横断面に突き出ており且つフリーラジカル開始剤を流れ媒体に導入するオリフィス５１に割り当てられる。外部渦巻ブレード２５を渦巻素子２０の外側管２２に配置する。この渦巻素子２０の長さ８７は１〜３×Ｄが好ましい。渦巻素子２０は流れ媒体に回転を分け与え、この流れ媒体は、絞られた横断面を通過した後、フリーラジカル開始剤のための注入領域１１に加速された速度で流入する。

図７に示された態様において、オリフィス５１は、反応管１の２つの区域の間に設けられたレンズ型の本体５０により囲まれている管５３の端部にある。フリーラジカル開始剤の圧力のため、それは、反応管の混合領域１１において内壁５２に接触することなく流れ媒体に注入される。フリーラジカル開始剤を流れ媒体に流れ方向１２，２４で注入した後、反応混合物は、ここでは示されていない流れ横断面の幅拡大が続いて行われ得る混合区域１４に入る。

純粋なフリーラジカル開始剤７２，８１のための給送点の代わりに、開始剤を、図７に示される態様において、担体媒体、或いは冷却ガス又は圧縮段階６の上流で枝道に入ったエチレン流（図１）のどちらかにより導入することもできる。給送素子４０のフィンガー形状配置により、混合領域１１の下流で静水領域が形成されなくなり、これにより比較的高いフリーラジカル開始剤濃度を有する流れ媒体が発生することはない。

図８には、２つの反応剤流れを相互に混合する反応管のＴ型連結部が示されている。

図８に示される反応管では、第１の副流６１及び第２の副流６２が、反応管の導入点に角度６６で流入する。流れ媒体として存在する反応剤の第１の副流６１が、反応管上の円錐状の絞り６４として設計された第１の横断面絞り６３を通過する。それに対して９０°の角度で、反応剤の第２の副流６２が、反応管に対して円錐区域６７を介して垂直方向に下流に流れる。流れ媒体として存在する反応剤の両方の副流が、各横断面絞り６３及び６７の通過中に加速され、その後第２の反応剤流れが９０°で屈折６６され、従って正接の流れ６９を発生する。正接の流れ６９は、反応管１の環状空間６８内において、第１の副流６１の流れ方向に関して周囲（円周）方向に発生する。反応剤の副流６１，６２は、９０°の角度での組合せのため、正接の流れ成分６９の反応管に沿った流体流れへの導入により混合される。

反応管の環状空間６８の副流６２からの流体は、反応管の内壁と注入素子６５の外壁との間の環状空間６８に沿って流れ、注入素子６５の末端で副流６１と結合する。結合した流れはフリーラジカル開始剤（例、過酸化物）のための給送点７２及び別の横断面絞り７１を通る。横断面絞り７１は、フリーラジカル開始剤（例、過酸化物）のための給送点７２での独立した流れの横断面が好ましくは０．７×Ｄ（独立した管の直径）となるように設計されることが好ましい。その結果、反応剤の副流６１及び６２から作られた、回転する、加速された結合流７０が、さらなる加速を受ける。管壁上のフリーラジカル開始剤のための給送点７２が、図６及び６．１に示されるフィンガー形状の流れに好適な供給素子４０に設計されている場合、フリーラジカル開始剤が、正接の流れ成分６９を有する回転流中に剪断ギャップから導入され、これにより結合反応剤流の速く、有効な混合が達成される。横断面絞り７１の元の流れ横断面Ｄ〜０．７×Ｄにわたる合計角度が、２０°〜４０°の範囲が好ましく、特に３０°が好ましい。

フリーラジカル開始剤のための給送点７２に続く混合区域は、１０×Ｄ〜２０×Ｄ（Ｄ＝管直径）の長さを有し、しかし混合区域後、元の流れ直径Ｄへの移行の前は１００×Ｄでもあり得る。混合領域の直径０．７×Ｄ〜Ｄの移行は、拡散器(diffuser)の形態と類似し、１０〜２０°の合計角度、特に１４°未満の合計角度を有する。

ポリエチレンを製造するための、本発明で提案された装置の別の態様が、図９．１及び９．２に示されている。

これらの態様において、反応剤流６１は、横断面絞り７１に単一流として運搬される。相互にある角度で流入点から入る副流６１，６２への分割は、この態様では設けられない。

絞り７１は、図８に描かれた態様と類似の方法で、狭くされた流れ横断面に合計角度３０°で入る。絞り７１を通過後、反応管の流れ横断面が０．７×Ｄであり、これは混合区域に亘って維持される。この混合区域はフリーラジカル開始剤のための給送点８１に続くものである。混合区域の長さは、１０〜２０×Ｄ（Ｄ＝元の反応管直径）であることが好ましい。

流速が２倍に増加する絞り７１の後、渦巻素子８０を反応管の独立した流れの横断面に設置される。渦巻素子８０は、流れ方向２４に基づいて、フリーラジカル開始剤（例、過酸化物）のための給送点８１の上流側に設けられる。図９．１に描かれた態様において、２個の渦巻ブレードは渦巻素子８０の外周に設けられている。この形態において、２個の渦巻ブレードはそれぞれ、渦巻素子８０ｓの外周表面の周りに９０°で伸びており、これにより回転が、高速で入ってくる流体流に分け与えられる。渦巻素子８０の外側表面に据え付けられた渦巻ブレード８２の端部が、渦巻素子８０をおおう反応管１の内側と触れている。渦巻素子８０の外側表面８４上のブレード８２の末端８５がシールを形成し、これにより渦巻素子８０を通過する流体が、外側表面８４と反応管の内壁との間の環状空間を介して押し込まれ、従って渦巻素子８０を過ぎた経路中で周囲方向に流れ成分の発生が保証される。

そうではない別の可能性のある態様では、図９．２に概略的に示されているように、絞り７１の下流の反応管の領域に渦巻素子８０が設置され、渦巻本体８０の外側表面８４に据え付けられた渦巻ブレード８２が、参照番号８８により示されているように、今、渦巻素子８０の周囲表面８４の回りに１２０°で伸びている。本発明のこの態様でもまた、回転が、フリーラジカル開始剤が導入点８１で挿入されるべき反応剤流れに分け与えられ、その結果、フリーラジカル開始剤（例、過酸化物）のための導入点３１の下流の混合条件が顕著に改善される。乱流の程度は、第１に、渦巻ブレード８２のピッチ及び渦巻素子の長さ８７により影響され得る。第２に、達成され得る混合効果が、反応剤流の加速によって絞り７１の設計により最適化され得る。

重大なパラメータは、混合パラメータとは別に、混合ゾーンの長さ及び流れ媒体の加速である。

図８及び図９．１及び９．２に示される実施の形態は、全て以下の点で共通する。すなわち、一方では、反応剤の副流６１ないし６２の流入時に、既に回転を発生させることが可能であり、他方では、回転の生じた流れは、副流を所定の角度で合流させることにより得られることであり、及び他方では、（フリーラジカル開始剤が内部に導入される）液体への回転導入が、流れの断面に位置された渦巻素子（２０、８０）により実現可能である点である。フリーラジカル開始剤の導入は、冷却エチレン無しに、或いは用いて行うことができる。

回転を発生させるための本発明で使用される内部部品（インターナル）に改善を施して、現存のプラントを若干変更することで、その効率を増加させることもできる。

図１は、混合領域及びフリーラジカル開始剤のための注入点を有する混合区域の原理略図を示す。 図２は、渦巻発生素子を示す。 図３は、渦巻素子のケーシングを示す。 図４及び４．１は、渦巻素子の外側を示す。 図５は、渦巻素子の内側を示す。 図５．１は、渦巻素子の内側を示す 図６は、流れの好ましい注入フィンガーを示す。 図６．１は、流れの好ましい注入フィンガーを示す。 図７は、渦巻発生器の下流及び混合区域の上流に設けられたフリーラジカル開始剤のための注入点を示す。 図８は、Ｔ型接続部分を示す。 図９は、フリーラジカル開始剤の注入の上流にある９０°及び１２０°のブレード配置を有する、流れ横断面の渦巻発生インターナルを示す。 図９．１は、フリーラジカル開始剤の注入の上流にある９０°及び１２０°のブレード配置を有する、流れ横断面の渦巻発生インターナルを示す。 図９．２は、フリーラジカル開始剤の注入の上流にある９０°及び１２０°のブレード配置を有する、流れ横断面の渦巻発生インターナルを示す。

符号の説明

１ 反応管
２ 流入口
３ 流出口
４ 混合容器
５ スロットル素子
６ コンプレッサー
７ フリーラジカル開始剤流入ライン
８ 開始剤の貯蔵物
９ スロットル素子
１０ コンプレッサー
１１ 注入領域
１２ 流れ方向
１３ 混合領域
１４ 混合区域
１５ バルブ
１６ 流れ横断面
１７ａ 冷却ガス流入ライン
１７ｂ 冷却ガス流入ライン
１８ 冷却壁
１９ 原料ガス給送
１９．１ セパレータ
１９．２ 生成物（製品）
１９．３ 高圧再循環
２０ 渦巻素子
２１ フランジ
２２ 外側管
２３ 内側管
２４ 流れ方向
２５ 外部の渦巻ブレード
２６ 内部の渦巻ブレード
２７ 流入口横断面
２８ 流出口横断面
２９ 中心線
３０ 内壁
３１ 外壁
３２
３３ 内側管の外壁
３４ 渦巻ブレードの点
３５ 連結部のライン
３６
３７ 内部渦巻ブレードの表面
４０給送素子
４１ コーンチップ
４２
４３ 孔
４４ 流出口オリフィス
４５ 角度
５０
５１ オリフィス
５２ 内壁
５３ 管
６０ Ｔ−片
６１ 第１の副流
６２ 第２の副流
６３ 第１の横断面絞り
６４ 絞り区域
６５ 注入
６６ ９０°寸法
６７ 円錐区域
６８ 環状空間

Claims (21)

1. 管型反応器において又は管型反応器とオートクレーブとの組合せにおいて、フリーラジカル開始剤を、エチレン及び必要によりコモノマーを含む流れ媒体に導入し、ポリエチレンを製造する方法であって、少なくとも下記の工程：
   混合することにより前記流れ媒体が形成される２つの副流（６１）と副流（６２）を所定の角度で混合することにより、又は渦巻素子（２０）により前記流れ媒体に回転を発生させる工程、
   反応管（１）のフリーラジカル開始剤の給送点（７２）又は給送点（８１）の上流位置にて、前記副流又は前記流れ媒体の流入口ゾーンを有する横断面絞りを予め設ける工程、
   フリーラジカル開始剤を、流出口オリフィス（４４）を介して前記回転が生じた流れ媒体に導入する工程、及び
   前記流出口オリフィス（４４）から下流側に、前記流れ媒体と前記フリーラジカル開始剤とを混合する、横断面の幅拡大が可能な混合区域（１４）を設ける工程を行うことを特徴とする製造方法。
2. 流出口オリフィス（４４）は、給送フィンガー（４０）の先端（４１）に設けられた、中心から外れた流出口オリフィスであり、且つ流出口オリフィス（４４）は、給送フィンガー（４０）の軸に対して０〜１８０°の角度で傾いていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記各工程が実施可能に構成された、複数の反応管（１）が直列に接続され、前記フリーラジカル開始剤と前記流れ流体媒体とが通過する、これらの混合区域（１４）には、混合区域（１４）に冷却ガスを混合可能とする冷却ガス流入ライン（１７ａ）がそれぞれ備えられている請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記各工程が実施可能に構成された反応管（１）に、冷却機能を有する冷却壁（１８）と、混合区域（１４）に冷却ガスを混合可能とする冷却ガス流入ライン（１７ａ）、（１７ｂ）とを設け、反応管（１）内で発生する反応熱が、冷却壁（１８）と、冷却ガス流入ライン（１７ａ）、（１７ｂ）とを使用して除去される請求項１〜３の何れかに記載の方法。
5. 前記各工程が実施可能に構成された反応管（１）が使用され、且つフリーラジカル開始剤を、給送点（７２）又は給送点（８１）の使用に代えて、キャリアガス、冷却ガスの主流（１７ａ）又は圧縮前に分岐している流れ媒体の冷却副流により、注入領域（１１）に給送する請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. フリーラジカル開始剤の給送点（７２）又は給送点（８１）が、前記流れ媒体に回転を分け与える地点の下流に設置される請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. フリーラジカル開始剤が、流出口オリフィス（４４）から前記回転が生じた流れ媒体に注入される深さが、流出口オリフィス４４の角度及び断面積の関数として調節される請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記副流（６１）と副流（６２）の給送方向が、相互に４５〜１３５°の角度にある請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 副流（６１）と副流（６２）が、それぞれ横断面絞り（６３）及び横断面絞り（６７）を通過し、その後前記副流（６１）と副流（６２）が合流する請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記副流（６１）と副流（６２）とが前記混合されて前記回転が生じた流れ媒体が、環状空間（６８）の下流の横断面絞り（７１）を通過し、その後フリーラジカル開始剤用給送点（７２）に到達する請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. フリーラジカル開始剤を、回転流れ媒体（７０）の剪断ギャップ（７３）に給送点（７２）から給送する請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記反応管（１）の前記給送点（７２）又は供送点（８１）の上流側に、渦巻素子（２０）又は渦巻素子（８０）を前記流れ媒体が通過可能に設け、前記流れ媒体の前記回転を渦巻素子（２０）又は渦巻素子（８０）により発生させる請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. フリーラジカル開始剤が、エチレン及び必要によりコモノマーを含有する流れ媒体に導入され、その流れ媒体が、変化する流れ横断面（２７）を有する反応管（１）を通過し、そしてフリーラジカル開始剤が混合領域（１３）に導入される管型反応器において、請求項１〜１２の何れか１項に記載の方法によりポリエチレンを製造する装置であって、
    流れ媒体に回転を発生させるために、流れ媒体の副流（６１）と副流（６２）が、その供給方向が互いに所定の角度で相互に衝突するか、或いは渦巻素子（２０）又は渦巻素子（８０）が、流れ横断面（２７）と流れ横断面（２８）の間に設けられ、
    そしてフリーラジカル開始剤用の流出口オリフィス（４４）の給送フィンガー（４０）が、前記回転が生じた流れ媒体が通過する絞りの下流に設けられている装置。
14. 給送フィンガー（４０）の先端（４１）の流出口オリフィス（４４）が、中心から外れた流出口オリフィスであり、且つ給送フィンガーの軸に対して５〜８０°の角度で傾いている請求項１３に記載の装置。
15. 渦巻素子（２０）及び渦巻素子（８０）が、その外周に、反応管（１）の環状空間（６８）の周囲方向に４５〜３６０°で伸びた渦巻ブレード（２５）及び渦巻ブレード（８２）をそれぞれ備えている請求項１３又は１４に記載の装置。
16. 渦巻素子（２０）及び渦巻素子（８０）が、その外周に、反応管（１）の環状空間（６８）の周囲方向に１２０°で伸びた渦巻ブレード（２５）及び渦巻ブレード（８２）をそれぞれ備えている請求項１３又は１４に記載の装置。
17. 前記絞りの直径が、独立した流れ横断面（２７）及び横断面（２８）の直径Ｄの０．２〜０．９５倍である請求項１３〜１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記絞りの上流の独立した流れ横断面（２７）が、１０°〜７０°の合計角度で前記絞りに入る請求項１３〜１７のいずれかに記載の装置。
19. 合計角度が３０°である請求項１８に記載の装置。
20. フリーラジカル開始剤用の給送点（７２）又は供送点（８１）の下流における前記絞りの直径０．７×Ｄが、１０×Ｄ〜１００×Ｄの混合区域長さ（１３）に亘って不変のままである請求項１３〜１９のいずれかに記載の装置。
21. 混合区域（１３）が、１０×Ｄ〜１００×Ｄの長さの後に、２０°未満の合計角度で、独立した流れ横断面直径Ｄに入る請求項１３〜２０のいずれかに記載の装置。

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