JPH04106104A - 重合工程における反応制御方法及び反応制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 只１Ｂλ技１Ｌ大野 本発明は、回分式あるいは連続式重合工程において、オ
ンラインで熱収支計算から重合反応率を算出し　該反応
率に応じて重合反応を制御して重合体を得ることを特徴
とする改善された反応制御方法及びそれに用いる反応制
御装置に関する。

ｉ服二且五光ＩＪ 重合工程で得られる重合体の性次　たとえば分子量およ
び分子量分布＋Ｌ　　重合反応速度および最終反応率の
影響を強く受ける。

従って、得ようとする重合体の品質管理上、重合反応速
度および最終反応率を、目的とする範囲内に制御するこ
とが非常に重要である。

このためには、重合反応途中の重合反応率をオンライン
リアルタイムで精度良く測定し　その重合反応率の結果
に基づき、タイミング良く、触媒流量の変更等を行い、
重合反応速度を、目的とする範囲内に制御する必要があ
ると共＆−目的とする最終反応率に達した時点で重合反
応を停止する操作を行う必要がある。

従来で１転　刻々と変化する重合反応率の測定は、手作
業で重合反応器内から試料を採取し、該試料を乾燥・秤
量することにより試料中の固形分含有量を求め、この固
形分含有量と重合体の反応率が比例することから、計算
により反応率を求めている。

しかし　この方法服　手作業のためバラツキが多く、ま
た測定に長時間を要するため、刻々と変化する重合反応
率を即座に特定することが困難であり、反応速度および
最終反応率を、目的とする範囲内に１ノ御できない場合
が多々あり、オンラインリアルタイムでの反応率の測定
および重合反応の制御が強く望まれていた この目的を達成するため、種々の方法、例えば特Ｒ昭５
８−２０６６０２号公転　特開昭５８−２１９２０１号
公報が提案されているが、いずれの方法も重合反応器系
中から内容物を抜き出し外部循環を行う等煩雑なシステ
ムになるという欠点があった 本発明者等頃　上記従来技術に基づく欠点を解決すべく
、重合反応過程での熱収支に着目し　鋭意研究の結果　
重合反応熱量より重合反応率を算出する方法を利用して
重合反応制御を行え（ｆ、オンラインリアルタイムでの
重合反応の制御が効率的に行えることを見出し、この知
見に基づいて本発明を完成するに至った ｉ更二１尤 本発明（戴　このような新たな知見に基づきなさ札　回
分式あるいは連続式重合工程において、重合反応器内の
内容物を外部に取り出すことなく、重合反応器内の重合
反応率を、　リアルタイム式にきわめて精度良く算出す
ることが可能であり、オンライン式に熱収支計算から重
合反応率を算出し該反応率に応じて重合反応を制御し　
良好で安定した品質の重合体を得るための重合工程にお
ける反応制御方法及び反応制御装置を提供することを目
的としている。

Ｒ」Ｉす」！ このような目的を達成するためを−本発明に係る重合工
程における反応制御方法（転　回分式あるいは連続式重
合工程において、これら重合工程で用いる重合反応器内
外の熱量情報をオンラインで重合反応率計算手段に送り
、この重合反応率計算手段で熱収支計算を行い、この熱
収支計算から重合反応率を算出し　この反応率に応じて
前記重合反応器内の重合条件を変化させ、重合反応を制
御して重合体を得ることを特徴としている。

また、本発明に係る重合工程における反応制御装置は、
重合反応が内部で行われる重合反応器と、この重合反応
器内部の重合条件を変化させるための重合条件変化手段
と、前記重合反応器内外の熱量情報を検知する熱量情報
検知手段と、この熱量情報検知手段で検知した熱量に関
する情報がオンラインで入力さ娠　この熱量情報に基づ
き、重合反応器周囲の熱収支計算を行い、この計算に基
づき、現時点での実際の反応熱量を算出し、その実際の
反応熱量を理論総重合反応熱量で割り算することにより
、現時点での重合反応率を算出する重合反応率算出手段
と、この重合反応率算出手段で算出された重合反応率に
基づき、前記重合条件変化手段を駆動するように駆動信
号を出力する駆動手段とを有することを特徴としている
。

このような本発明によれば、重合反応器内外の熱量情報
をオンラインで重合反応率計算手段に送り、この重合反
応率計算手段で熱収支計算を行い、この熱収支計算から
重合反応率を算出し　この反応率に応じて前記重合反応
器内の重合条件を変化させ、重合反応を制御するように
したので、重合反応器内の内容物を外部に取り出すこと
なく、重合反応器内の重合反応率を、リアルタイム式に
きわめて精度良く算出することが可能となり、この重合
反応率に基づき重合反応をきわめて精度良く制御するこ
とが可能になり、その給気　きわめて良好で安定した品
質の重合体を得ることが可能になる。

Ｈの　体的・Ｈ 以下、本発明を図面に示す実施態様に基づき、詳細に説
明する。

第１図は本発明の一実施態様を示す回分式重合でのフロ
ーシートであり、第２図は本発明の一実施態様を示す連
続式重合のフローシートである。

まず、第１図に示すような回分式重合反応器２を例とし
て、本発明に係る重合工程における反応制御装置につい
て説明する。

重合反応器２内部に哄　攪拌機４が装着してあり、反応
器ｚ内の内容物を攪拌するようになっている。反応器２
内の内容物（戴　重合反応が生じるようになっている。

攪拌機４１転　　例えば電動モータ６により駆動される
ようになっている。攪拌機に加わるトルク１３　　）ル
クメータ８により検出さ瓢　その情報ｌ飄　　オンライ
ンリアルタイム式にコンピュータ１ｏへ入力するように
なっている。

この重合反応器２に頃　その内容物を所定温度に保つた
めの熱交換部１２が設置してあり、入口バイブ１４及び
出口バイブ１６を通して熱交換部１２に熱交換媒体が流
通するようになっている。

入口バイブ１４に１戴　調節弁１８が設置してあり、熱
交換部１２方向へ流入する熱交換媒体の流量を制御可能
になっている。

調節弁１８Ｉ戴　コンピュータ１０により＃Ｊ御される
ようになっている。調節弁１８を通して熱交換部１２へ
送られる熱交換媒体の流量去　入口バイブ１４に装着し
である流量計２０により計測さ汰　その情報ｉＬ　　リ
アルタイムでオンライン式にコンピュータ１０に入力す
るようになっている。

また、入口バイブ１４及び出口バイブ１６に屯それぞれ
温度センサ２２．２４が装着してあり、それぞれのパイ
プ内の熱交換媒体の温度を検知獣その情報をリアルタイ
ムでオンライン式にコンピュータ１０に入力するように
なっている。

また、この重合反応器２には、内部温度および反応器自
体の温度を検知するための温度センサ２５と反応器外部
温度を検知するための温度センサ２６とが装着してあり
、これらで検知した情報］戴　リアルタイムでオンライ
ン式にコンピュータ１０に入力されるようになっている
。

さら番ミ　この重合反応ｌ１Ｐｚに１戴　重合反応器２
内部の重合条件を変化させるための重合条件変化手段と
しての触媒供給パイプ２８及び重合停止剤供給パイプ３
０が連結しである。各パイプに１戴調節弁３２．３４が
装着してあり、各パイプ内を流通する流体を制御するよ
うになっている。各調節弁３２．３４の制御は、コンピ
ュータ１ｏにより行われる。また、各パイプ２８．３０
には、流量計３６．３８が装着してあり、各パイプ内を
流通する流体の流量がリアルタイムでオンライン式にコ
ンピュータ１０に入力されるようになっている。

コンピュータ１ｏには、重合反応率算出手段と駆動手段
とが内蔵しである。重合反応率算出手段用　重合反応器
２内外の熱量情報を検知する熱量情報検知手段としての
温度センサ２２，２４２５．２６、流量計２０及びトル
クメータ８で検知した熱量に関する情報がオンラインで
入力されると、この熱量情報に基づき、重合反応器周囲
の熱収支計算を行い、この計算に基づき、現時点での実
際の反応熱量を算出し　その実際の反応熱量を理論、！
重合反応熱量で割り算することにより、現時点での重合
反応率を算出するためのものである。また、駆動手段（
戴　重合反応率算出手段で算出された重合反応率に基づ
き、重合条件変化手段としての調節パルプ３２．３４等
を駆動するように駆動信号を出力するためのものである
。

次に、このような反応制御装置を用いた反応制御方法に
ついて詳細に説明する。

本発明では、上述したような重合反応器２を用いた回分
式重合工程において、次式で表される熱収支式が成立す
る。なお、次式は連続式重合工程においても同様に成立
する。

Σ（重合系での発生熱量）−Σ（重合系からの移動熱量
）＝Σ（重合系の熱量変化） この熱収支式で、重合系での発生熱量は、例えば、重合
反応熱（Ｑ、）と、重合反応器２に備えつけられた攪拌
機４から重合反応器内容物に移動した熱量（Ｑ２）との
和で表される。また、重合系からの移動熱量は、例えば
、重合反応器２内部を所定温度に保持するための熱交換
媒体間で移動した熱量（Ｑ、）、と、大気との間で移動
した熱量（Ｑ４）との和で表される。また、重合系の熱
量変化は、例えば、重合反応器および重合反応器内容物
の熱量変化（Ｑ５）で表される。

これを熱収支式で表すと以下のようになる。

Σ（Ｑ　＋　＋　Ｑ　２　）−Σ（Ｑ３＋（Ｌ）＝Σ（
Ｑ、）したがって、重合反応熱量（Ｑ、）は、Ｑ２、Ｑ
３、Ｑ、およびＱ、を算出することによって求められる
。

そして、重合系での理論総反応熱量と、計算による実際
の反応熱量との比率から反応率が算出される。

理論総重合反応熱量 ここで、重合反応器内容物と熱交換媒体間で移動した熱
量（Ｑ３）ｉＬ　　重合反応器２は　壁面あるいは重合
反応器２外部に設けられた熱交換媒体の通過設備の入口
および出口でのエンタルピー差で表される。

熱交換部１２内を流通する熱交換媒体１１　　液体でも
気体でも良く、または通過設備の中で状態変化をおこす
ものでも良い。

例え眠　熱交換媒体が液体の場合、重合反応器内容物と
熱交換媒体間で移動した熱量は以下の式％式％ ＣＩ、Ｃ２；熱交換媒体の通過設備入口、出口での比熱
　　　　　　（Ｋｃａｌ／ｋｇ、℃）Ｔ、、Ｔ２　、熱
交換媒体の通過設備入口、出口での温度　　　　　　（
℃） ｍ、　　　；熱交換媒体の流量（ｋｇ／時間）したがっ
て、熱交換春休の流量および通過設備入口、出口での温
度をオンラインで測定し、各熱交換媒体に固有の比熱を
用いることにより、重合反応器内容物と熱交換媒体間で
移動した熱量が算出される。

熱交換媒体の流量計２０は特に限定しないが、絞り万人
　流体抵抗芳志　遠心差圧万民　運動エネルギ一方人　
容積犬　熱万人　電磁万民　超音波万民　積分方式およ
び振動管式等が用いられる。

熱交換媒体の温度センサー２２は使用する熱交換媒体の
温度に適した温度測定用センサーが使用されるが白金線
抵抗温度計が望ましい。

重合器内容物と大気との間で移動した熱量（Ｑ、）は以
下の式で表される。

Ｑａ　＝ＡＵＸ　（Ｔ３−Ｔｊ） Ａ　　　；重合反応器表面積（ｍ２） Ｕ　　　：総括伝熱係数（Ｋｃａｌ／　ｍ２−　Ｈｒ　
・ｔ）Ｔ３．Ｔ、；重合反応器内温度および外気温度（
℃）したがって、重合器内容物と大気との間で移動した
熱量（Ｑ、）は、重合反応器の内温度および外気温度を
、それぞれ温度センサ２５．２６によりオンラインで測
定し、重合反応器表面積（Ａ）には重合反応器固有の値
を用い、総括伝熱係数（Ｕ）は予め実験により求めた値
を用いることにより算出される。

重合反応器の内温度および外気温度測定用センサー２５
．２６は使用する温度に適した温度測定用センサーが使
用されるが、白金線抵抗温度計が望ましい。

重合反応器２に備えつけられた攪拌機４から重合反応器
内容物に移動した熱量（Ｑ２）は攪拌のトルク値をオン
ラインで測定し算出される。

トルク値の変わりに攪拌機モーター６の電力、または電
流および電圧をオンラインで測定し算出しても良い。

トルク測定用センサー８１戴　　特に限定しなし）が、
例えば／ｈ野測器製トルク検出器等が用いられる。

重合反応器および重合反応器内容物の熱量変化（Ｑｓ）
は以下の式で表される。

Ｑ６　＝　（Ｍ、ｘＣ，＋Ｍ２ｘＣａ）ｘΔＴＭｌ、Ｍ
２　；重合反応器本体および重合器内容物の重量（−） Ｃ，、Ｃ，、重合反応器本体および重合反応器内容物の
比熱（Ｋｃａｌ／　ｋｇ・’Ｃ） ΔＴ　　；ある時間での温度差 したがって、重合反応器および重合反応器内容物の熱量
変化（Ｑｓ）　Ｉ戴　重合反応器本体および重合反応器
内容物の温度をオンラインで測定しＭ　＋　、　Ｍ　２
．　Ｃａ　、　Ｃ−には重合反応器本体および重合反応
器内容物に固有の値を用いることにより算出される。

したがって、第１図に示す重合反応器２内で重合反応が
開始されると同時番ミ　温度センサ２２２４により熱交
換媒体入口温度及び出口温度と、温度センサ２５により
重合反応器２の本体および内容物温度と、温度センサ２
６により外気温度と、流量計２０により熱交換媒体の流
量と、　トルクメタ８により攪拌機のトルク値、あるい
はモータ６の電力、または電流と電圧とがオンラインリ
アルタイムで測定さ瓢　コンピュータ１０に入力される
。

コンピュータ１ｏで（礼　これら測定データーを用い、
予め準備された下式に従い、重合反応率算出手段により
、重合反応率が一定時間間隔毎に連続して計算される。

Σ　（Ｑ、）＝Σ　（Ｑ３＋　Ｑａ＋　Ｑ、　Ｑａ）Ｑ
ｈ　　＝　　（Ｃ，ｘ’ｒ、−Ｃ２ｘＴ２）ｍ。

Ｑ、＝ＡＵｘ　　（Ｔａ−’Ｌ） Ｑｓ　　”　　（Ｍ＋　Ｘ　Ｃｓ＋Ｍ２Ｘ　Ｃｄ）ＸΔ
ＴＱ２　；トルク値または攪拌に要した電力値この反応
率の結果は予め定められた目標反応率と比較を行い、必
要であれば、反応温度の設定値を変更するか、もくしは
触媒の追加仕込み量を計算し　調節弁３２を駆動して重
合反応器２への追加仕込みを行う。

また、この反応率が目標最終反応率に達した時点で鷹　
調節弁３４を駆動して反応停止剤を重合反応器２に仕込
んで重合反応を停止させる。

なお、本発明１戴　第１図に図示する実施態様に限定さ
れず、本発明の範囲内で種々に改変することが可能であ
る。

例えば、上述した実施態様では、本発明を回分式の重合
工程に適用した例を示したが、これに限らず、連続式の
重合工程にも本発明を適用することが可能である。

第２図にその実施態様を示す。

１基以上の重合反応基２を直列に配列した連続重合工程
においてミ　各重合反応器２毎に回分式と同様の股備を
装着上　各重合反応器２毎に反応熱を算出し　反応率を
計算する。

そして、ｎ段目の重合反応器２での反応率は直列に繋い
だ前段（ｎ−１段）までの重合反応器２の反応率を累積
し表される。

この反応率の結果１戴　回分式と同機　目標反応率と比
較し、必要であれば反応温度の設定値の変更、触媒の追
加仕込みを行い、この反応率が最終反応率に達した時点
で反応停止剤を重合反応器２に仕込み反応を停止させる
。

本発明（戴　熱移動をともなう反応、例えば乳（１゜！
［１！Ｒ溶液および塊状重合等に有効である八　これら
重合反応に限定されるものではない。

また、本発明で１戴　重合条件変化手段は、上述した実
施態様に限定されず、重合反応器内に分子量調整剤ある
いはモノマーを供給する手段、その他も含まれる。

さらに本発明で１　重合反応器２内を所定温度に保つた
めの熱交換部１２は、必ずしも重合反応器２内部にある
必要はなく、反応器外部に設けても良く、また加熱のみ
ならず冷却するような構成であっても良い。しかも、重
合反応器２内を所定温度に保持するための手段としては
、熱交換方式のみならず、電熱ヒータなどを利用した方
式であっても良い。その場合には、前述した熱収支式に
おけるＱａを求めるための式を、加熱手段に合わせて変
更する必要がある。

ｉ貝Ｕ かくして本発明によれば、回分式あるいは連続式重合工
程において、従来の手作業による反応率の測定に比べ　
重合反応の経過をオンラインリアルタイムで精度良く監
視することによる、反応工程の自動化を可能にした しかも反応の制御をより迅速に行うことができ、より均
一で高い品質の製品を得ることが可能となった さらく　特開昭５８−２０６６０２号公転　特開昭５８
＝２１９２０１号公報で開示された方法に比較し　重合
器内容物の重合器から抜き出し　外部循環にともなう設
備の煩雑さがなく、非常に安定した操業が得られる。

（実施例） 以下実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。

なお、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例に
限定されるものではない。

寒１ｊユ 回分式乳化重合でＮＢＲを製造する工程での実施例を説
明する。実施例に用いた装置を第１図に示した　熱交換
媒体の通過設備入口、出口の温度、重合反応器内温度お
よび外気温度の測定設備として東京岡崎産業社製の形式
Ｐ、１００Ω　三線式を用い、熱交換媒体の質量流量計
としてオーバル機器社製のマイクロモーション形式Ｄ−
１５０を用い、　トルク検出器として４ｚ野測器社製の
トルク検出器ＫＳＴＤ−Ｚｏｏを用いた コンピューターとして汎用の制御用および反応率計算用
のコンピューターを用いた 反応率の計算には以下の式を用いた Σ（Ｑ、）＝Σ（Ｑａ＋Ｑａ＋Ｑｓ−Ｑ２）Ｑｓ　　＝
　　（Ｃ，ｘＴ、−Ｃ２ｘＴ２）ｍ。

Ｑａ　　＝ＡＵｘ　　（Ｔ、−Ｔ、） Ｑａ　　＝　　（Ｍ＋　Ｘ　Ｃｓ＋Ｍ２Ｘ　Ｃａ）ＸΔ
ＴＱ２＝ｆ（）ルク、回転速度） 熱収支式から計算した反応率の推定精度は実際の反応率
±０．５％の範囲で反応を制御することができた ｍヱ 連続式乳化重合でＳＢＲを製造する工程での実施例を説
明する。実施例に用いた装置を第２図に示しへ　熱交換
媒体の通過設備入口、出口の温度、重合反応器内温度お
よび外気温度の測定設備および熱交換媒体の質量流量測
定般備頃　実施例１と同等の設備を用い、攪拌熱（Ｑ２
）の算出には電流および電圧値を用いた 反応率の計算にｔＬ　　Ｑ２を除き、実施例１と同等の
式を用いた 熱収支式から計算した反応率の推定精度は実際の反応率
±０．３％の範囲で反応を制御することができた

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施態様を示す回分式重合でのフロ
ーシートであり、第２図は本発明の一実施恩様を示す連
続式重合のフローシートである。 ・・重合反応器　　１０・・・コンピューター２４、　
２５．　２６・・温度センサ ３２．３４・・・調節弁 ３６．３８　　・・流量計 ・・トルクメーター　　４　・・攪拌機・・触媒供給パ
イプ ・・重合停止剤供給パイプ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）回分式あるいは連続式重合工程において、これら
   重合工程で用いる重合反応器内外の熱量情報をオンライ
   ンで重合反応率計算手段に送り、この重合反応率計算手
   段で熱収支計算を行い、この熱収支計算から重合反応率
   を算出し、この反応率に応じて前記重合反応器内の重合
   条件を変化させ、重合反応を制御して重合体を得ること
   を特徴とする重合工程における反応制御方法。
2. （２）前記重合反応器内の重合反応温度の制御に用いら
   れる熱交換媒体、重合反応器および重合反応器内容物の
   熱量変化、および重合反応器に備えつけられた撹拌機に
   よる撹拌熱量をオンラインで重合反応率計算手段に入力
   し、これら熱量情報から熱収支計算を行い、重合反応率
   を算出する請求項第１項に記載の反応制御方法。
3. （３）重合反応温度の制御に用いられる熱交換媒体の温
   度および流量、重合反応器内外の温度および重合反応器
   に備えつけられた攪拌機のトルクをオンラインで重合反
   応率計算手段に入力し、これら測定値を用いて、熱交換
   媒体の重合反応器入口および出口での熱量差、重合反応
   器および重合反応器内容物の温度変化による熱量差、放
   熱または吸熱量および重合反応器に備えつけられた攪拌
   機から重合反応内容物に移動した熱量を計算し、熱収支
   計算を行い、この計算結果により、重合反応率を算出す
   る請求項第１項に記載の反応制御方法。
4. （４）重合反応温度の制御に用いられる熱交換媒体の温
   度および流量、重合反応器内外の温度および重合反応器
   に備えつけられた攪拌機の電流および電圧をオンライン
   で重合反応率計算手段に入力し、これら測定値を用いて
   、熱交換媒体の重合反応器入口および出口での熱量基、
   重合反応器および重合反応器内容物の温度変化による熱
   量差、放熱または吸熱量および重合反応器に備えつけら
   れた撹拌機から重合反応内容物に移動した熱量を計算し
   、熱収支計算により重合反応率を算出する請求項第１項
   に記載の反応制御方法。
5. （５）重合反応が内部で行われる重合反応器と、この重
   合反応器内部の重合条件を変化させるための重合条件変
   化手段と、 前記重合反応器内外の熱量情報を検知する熱量情報検知
   手段と、 この熱量情報検知手段で検知した熱量に関する情報がオ
   ンラインで入力され、この熱量情報に基づき、重合反応
   器周囲の熱収支計算を行い、この計算に基づき、現時点
   での実際の反応熱量を算出し、その実際の反応熱量を理
   論総重合反応熱量で割り算することにより、現時点での
   重合反応率を算出する重合反応率算出手段と、 この重合反応率算出手段で算出された重合反応率に基づ
   き、前記重合条件変化手段を駆動するように駆動信号を
   出力する駆動手段とを有する重合工程における反応制御
   装置。