KR101017914B1 - Method for adjusting the deviation of molecular weight by monitoring the water contents in the preparation of the polytetramethylene ether gylcol - Google Patents
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Abstract
본 발명은 촉매로서 헤테로폴리산 및/또는 그 염을 단독 또는 혼합 사용하여, 테트라하이드로퓨란의 개환중합으로 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 중합과정에서 수분함량을 모니터링하여 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 평균분자량 편차를 조절하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 헤테로폴리산을 촉매로 사용하여 테트라히드로퓨란으로부터 폴리테트라메틸렌 에테르글리콜을 제조하는 방법에 있어서, 투입되는 테트라히드로퓨란 모노머, 반응중 생성되는 유기물층 및 회수되는 테트라히드로퓨란 모노머의 수분량을 모니터링하여 최종 생산되는 폴리테트라메틸렌 에테르글리콜의 분자량의 편차를 조절하는 것을 특징으로 하는 폴리테트라메틸렌 에테르글리콜의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for preparing polytetramethylene ether glycol by ring-opening polymerization of tetrahydrofuran using heteropoly acid and / or a salt thereof as a catalyst, in particular polytetramethylene by monitoring the water content during the polymerization process. It relates to a method of controlling the average molecular weight deviation of ether glycol. The present invention provides a method for producing polytetramethylene ether glycol from tetrahydrofuran using heteropolyacid as a catalyst. It provides a method for producing polytetramethylene ether glycol, characterized in that for controlling the variation in the molecular weight of the polytetramethylene ether glycol produced.
테트라하이드로 퓨란, 폴리테트라메틸렌에테르글리콜, 헤테로폴리산, 분자량 미세조절, NIR,Near Infrared Spectroscopy Tetrahydrofuran, Polytetramethylene EtherGlycol, Heteropoly Acid, Molecular Weight Fine Control, NIR, Near Infrared Spectroscopy
Description
본 발명은 촉매로서 헤테로폴리산 및/또는 그 염을 단독 또는 혼합 사용하여, 테트라하이드로퓨란의 개환중합으로 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히 중합과정에서 수분함량을 모니터링하여 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 평균분자량 편차를 조절하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing polytetramethylene ether glycol by ring-opening polymerization of tetrahydrofuran using heteropoly acid and / or a salt thereof as a catalyst, in particular polytetramethylene by monitoring the water content during the polymerization process. It relates to a method of controlling the average molecular weight deviation of ether glycol.
폴리테트라메틸렌에테르 글리콜(polytetramethylene ethergylcol, 이하 "PTMG"라고 한다.)은 폴리우레탄 탄성섬유 및 합성가죽용으로 사용되는 폴리우레탄의 주된 원료물질, 오일첨가제 및 연화제로서 산업적으로 유용한 폴리머이다. 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜은 산업적으로 필요한 용도에 따라 최적의 평균분자량을 가질 필요가 있다.Polytetramethylene ether glycol (hereinafter referred to as "PTMG") is an industrially useful polymer as the main raw material, oil additive and softener of polyurethane used for polyurethane elastic fibers and synthetic leather. Polytetramethylene ether glycol needs to have an optimum average molecular weight depending on the industrially required use.
폴리테트라메틸렌에테르 글리콜이 폴리우레탄 섬유로 대표되는 탄성 섬유용 원료물질로서 사용될 때, 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 분자량은 탄성섬유의 탄성작용, 특히 회복에 영향을 미치기 때문에 원하는 대로 분자량을 조절할 필요가 있다. 분자량 편차가 ±50 분자량 이내, 바람직하게는 ±30분자량 이내가 적정하다. 분자량 편차는 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜을 탄성섬유인 스판덱스용으로 공급할 경우 중요한 항목이 된다. 스판덱스를 생산하는 1차 반응에서 PTMG와 메틸디이소시아네이트(methyl diisocyanate, 이하 "MDI"라 한다)를 당량 반응시켜 중합물을 형성시키는데, 이때 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 분자량 편차가 적으면 적을수록 유리하다. 분자량 편차가 ± 30인 경우 반응에서 PTMG 대비 MDI 투입 비율을 조절할 필요가 없게 되고, 스판덱스 중합물을 형성하는데 있어 공정의 안정성을 부여할 수 있다. 즉 생산되는 PTMG의 분자량 편차가 적을수록 후공정성이 유리하게 되므로 적정한 방법으로 분자량 편차를 줄이는 방법이 요구되어 왔다. When polytetramethylene ether glycol is used as a raw material for elastic fibers represented by polyurethane fibers, it is necessary to adjust the molecular weight as desired because the molecular weight of polytetramethylene ether glycol affects elastic action, especially recovery of elastic fibers. . The molecular weight deviation is within ± 50 molecular weight, preferably within ± 30 molecular weight. Molecular weight deviation is an important item when polytetramethylene ether glycol is supplied for spandex which is an elastic fiber. In the first reaction to produce spandex, PTMG and methyl diisocyanate (hereinafter referred to as "MDI") are equivalently reacted to form a polymer, wherein a smaller molecular weight variation of polytetramethylene ether glycol is advantageous. If the molecular weight deviation is ± 30 it is not necessary to adjust the MDI input ratio to PTMG in the reaction, it can give the stability of the process in forming the spandex polymer. That is, since the less the molecular weight variation of the produced PTMG, the post-processability is advantageous, a method of reducing the molecular weight variation by an appropriate method has been required.
일반적으로 사용하는 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜은 상대분자량이 1,000과 2,000의 두 가지이다. 상대분자량이 1,000인 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜을 톨루엔 디이소시아네이트(Toluene diisocynate)와 반응하여, 내마모성이 좋고, 기름에 강하며, 저온환경에 적응능력이 뛰어난 고강도 고무를 생산할 수 있다. 또한, 상대분자량 2,000의 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜은 4-페닐메틸 디이소시아네이트(4-phenylmethyl diisocynate)와 반응하여 우레탄 탄성섬유를 생산할 수 있다. 이 탄성섬유의 특징은 강도가 높고, 탄성이 천연고무와 유사한 장점을 가지고 있다. Polytetramethylene ether glycol generally used has two relative molecular weights of 1,000 and 2,000. Polytetramethylene ether glycol having a relative molecular weight of 1,000 is reacted with toluene diisocynate to produce high strength rubber having good abrasion resistance, oil resistance, and excellent adaptability to low temperature environments. In addition, polytetramethylene ether glycol having a relative molecular weight of 2,000 may react with 4-phenylmethyl diisocyanate to produce urethane elastic fibers. This elastic fiber is characterized by high strength and elasticity similar to that of natural rubber.
헤테로폴리산을 사용하여 PTMG를 제조하는 공정에서, 반응 유출물의 유기물층과 촉매층을 정치 분리한 후, 촉매층의 밀도를 측정하고, 이 값을 유지할 수 있도록, 반응기의 공급되는 물의 양을 조정하여 평균분자량을 조정하는 방법이 일반 적으로 알려져 있다. 그러나 이 경우, 정치되는 시간에 따라 촉매층의 온도가 변하여 밀도값에 영향을 미칠 수 있으며, 촉매층의 밀도값이 반응의 활성도를 정확하게 나타내는 데는 어려움이 있다. In the process of producing PTMG using heteropoly acid, after separating the organic layer and the catalyst layer from the reaction effluent, the density of the catalyst layer is measured and the average molecular weight is adjusted by adjusting the amount of water supplied to the reactor so as to maintain this value. The method is generally known. However, in this case, the temperature of the catalyst layer may change depending on the time to be left to affect the density value, and it is difficult for the density value of the catalyst layer to accurately indicate the activity of the reaction.
헤테로 폴리산을 사용하는 제조공정에서 평균분자량을 조정하기 위하여 공지된 또 다른 방법은 미국등록특허 제5,395,959호에 개시되어 있다. 당 특허는 헤테로 폴리산을 사용하여 PTMG를 중합함에 있어서 평균분자량을 조절하는 방법이다. 자세하게는, 반응과정에서 전도율을 측정하고, 이를 이용하여 반응시스템 중에 프로톤(물) 공급량을 조절하는 방법이다. 좀 더 자세하게는 반응산물의 분자량 및 분자량 분포도와 해당 중합시스템에서 측정한 전도율과의 상관관계를 구한 후, 요구되는 분자량과 상응하는 촉매층의 전도율을 유지하도록 물의 공급양을 조절하여, 균일한 평균분자량을 갖는 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜을 수득하는 것이다.Another known method for adjusting the average molecular weight in a manufacturing process using heteropolyacids is disclosed in US Pat. No. 5,395,959. This patent describes a method for controlling the average molecular weight in the polymerization of PTMG using heteropolyacids. In detail, the conductivity is measured during the reaction process, and the proton (water) supply amount is controlled in the reaction system by using the same. More specifically, the correlation between the molecular weight and the molecular weight distribution of the reaction product and the conductivity measured in the polymerization system is calculated, and then the amount of water supplied is adjusted to maintain the conductivity of the catalyst layer corresponding to the required molecular weight, thereby obtaining a uniform average molecular weight. To obtain polytetramethylene ether glycol.
또한 전도율을 측정하여 분자량을 조정하는 방법이 중국공개특허 CN1156515에 개시되어 있다. 단, 미국등록특허 제5,395,959호에서는 촉매층의 전도율을 측정하여 공급되는 물의 양을 조절한 것과는 달리, 당 특허에서는 반응물중 상층의 유기물 전도율을 측정하여 반응시스템 중에 주입할 물의 양을 결정한다. In addition, a method of adjusting the molecular weight by measuring conductivity is disclosed in Chinese Laid-Open Patent CN1156515. However, US Patent No. 5,395,959, in contrast to adjusting the amount of water supplied by measuring the conductivity of the catalyst layer, the present patent determines the amount of water to be injected into the reaction system by measuring the conductivity of the organic material of the upper layer of the reactants.
두 방법 모두 별도의 소형 물질분리기를 설치하여, 정치시간을 단축함으로서 체류시간에 따른 반응응답 시간을 단축하는 데에는 성공하였으나, 촉매량 전체가 전도율에 영향을 미치는 이온화된 형태로 존재하는 것이 아니므로 촉매층의 전도율 값의 정확성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 상부 유기층의 전도도를 측정할 경 우, 상부층에도 일정량의 촉매가 함유되어 있으므로, 이 함량을 고려할 경우, 전도율의 측정에 있어 정확성이 떨어진다. 특히 물질분리기 내에서의 체류시간이 불충분할 경우, 촉매의 불균일성으로 인하여 정확성을 보증할 수 없다.Both methods succeeded in shortening the reaction response time according to the residence time by installing a separate small material separator and shortening the settling time, but since the whole catalyst amount does not exist in an ionized form affecting the conductivity, There is a problem that the accuracy of the conductivity value is poor. In addition, when measuring the conductivity of the upper organic layer, since the upper layer contains a certain amount of catalyst, when considering this content, the accuracy of measuring the conductivity is poor. In particular, if the residence time in the material separator is insufficient, the accuracy cannot be guaranteed due to the heterogeneity of the catalyst.
본 발명의 목적은 촉매로서 헤테로폴리산 및/또는 그 염을 단독 또는 혼합하여 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜을 제조할 경우에, 우선 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 평균분자량을 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method capable of effectively controlling the average molecular weight of polytetramethylene ether glycol when preparing polytetramethylene ether glycol alone or by mixing heteropoly acid and / or salt thereof as a catalyst.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 본 발명은 헤테로폴리산을 촉매로 사용하여 테트라히드로퓨란으로부터 폴리테트라메틸렌 에테르글리콜을 제조하는 방법에 있어서, 투입되는 테트라히드로퓨란 모노머, 반응중 생성되는 유기물층 및 회수되는 테트라히드로퓨란 모노머의 수분량을 모니터링하여 최종 생산되는 폴리테트라메틸렌 에테르글리콜의 분자량의 편차를 조절하는 것을 특징으로 하는 폴리테트라메틸렌 에테르글리콜의 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, according to a preferred embodiment of the present invention, in the method for producing polytetramethylene ether glycol from tetrahydrofuran using a heteropolyacid as a catalyst, the tetrahydrofuran monomer to be introduced, generated during the reaction It provides a method for producing polytetramethylene ether glycol, characterized in that by controlling the moisture content of the organic material layer and the tetrahydrofuran monomer to be recovered by controlling the variation in the molecular weight of the polytetramethylene ether glycol is finally produced.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 수분량의 모니터링은 NIR(Near Infrared Spectroscopy)을 이용하여 실시간으로 하는 것을 특징으로 한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the monitoring of the amount of moisture is characterized in that in real time using NIR (Near Infrared Spectroscopy).
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 수분함량의 조절은 기준수분함량과의 차이를 기준으로 투입되는 모노머의 수분함량을 조절하는 것을 특징으로 한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the control of the water content is characterized in that the control of the water content of the monomer introduced based on the difference with the reference water content.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 최종 생산되는 폴리테트라메틸렌 에테르 글리콜의 분자량 편차는 ±30이내인 것을 특징으로 한다.According to another suitable embodiment of the present invention, the molecular weight deviation of the polytetramethylene ether glycol to be produced is within ± 30.
본 발명은 투입 및 회수 모노머의 수분를 측정하는 방법으로 반응계 뿐만 아니라 전체 계(system)내에서 수분을 측정함으로써 최종 분자량의 편차를 미리 예측하는 것이 가능하게 한다. 또한 실시간으로 계내의 수분을 측정함으로써 공정변수를 빠르게 조정할 수 있기 때문에 상업화 공장의 안정된 운전시 유리하다. 특히 NIR(Near Infrared Spectroscopy)로 수분을 측정하는 경우에 촉매상이나 기타 혼합계에서는 불리할 수 있으나, 모노머 단독 상에서는 10~20ppm의 오차범위 내에서 수분측정 가능하고, 이는 오프라인으로 사용하는 Karl-Fisher와 동일 수준의 오차범위 내에서 측정이 가능하다. 또한 계속적인 보정 데이터(Calibration Data)의 증가에 따라 수 ppm 내의 오차 범위내로도 수분 함량을 측정 가능 하며 이는 상업화 공장에서 유용하게 쓰일 수 있다. The present invention makes it possible to predict the variation of the final molecular weight in advance by measuring the moisture in the reaction system as well as the entire system as a method of measuring the moisture of the charged and recovered monomers. In addition, by measuring the moisture in the system in real time, process variables can be adjusted quickly, which is advantageous for stable operation of commercial plants. In particular, when measuring moisture by NIR (Near Infrared Spectroscopy), it may be disadvantageous in catalyst or other mixing systems, but in monomer alone, moisture can be measured within an error range of 10 to 20 ppm, which is different from Karl-Fisher used offline. Measurements can be made within the same level of error. In addition, as the calibration data continues to increase, the moisture content can be measured within a few ppm error range, which can be useful in commercial plants.
본 발명자들은 반응 중 촉매의 배위수를 일정하게 유지하면서도 상업화시 운전이 용이한 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 평균분자량 조절방법에 대하여 연구를 하였다. 그 결과 투입되는 테트라히드로퓨란 모노머의 수분량, 반응기 중의 유기물층에 존재하는 수분의 함량 및 회수되는 모노머의 수분량 등의 수분량을 종합적으로 모니터링 후 평균분자량의 변동과의 상관관계를 밝혀내고 및 이를 이용하여 효과적이면서도 정확하게 투입 수분량을 조절하여 생성되는 분자량을 균일하게 유지할 수 있는 조절 방법을 발견하였다. The present inventors studied a method for controlling the average molecular weight of polytetramethylene ether glycol which is easy to operate during commercialization while maintaining a constant coordination number of the catalyst during the reaction. As a result, after monitoring the water content such as the water content of the tetrahydrofuran monomer introduced, the water content in the organic layer in the reactor, and the water content of the recovered monomer, the correlation between the variation of the average molecular weight and the effective In addition, it was found that a control method capable of maintaining a uniform molecular weight produced by controlling the amount of input water accurately.
이때 수분을 측정하고 모니터링(Monitoring)하는 기기로써 여러 기기를 이용 할 수 있으나 특히 유기 용매상의 수분 함량을 정확하게 측정 가능 한 NIR(Near Infrared Spectroscopy)을 사용한다. NIR은 여러 가지 용도로 사용되고 있으나, 특히 유기 용매의 수분 측정에 유리하며 또한 본 발명에서 수분함량을 정확하게 측정할 수 있다. NIR은 주기기에 4~6개의 프로브(Probe)를 장착하여 각각의 프로브를 공정 중 여러 곳에 설치 할 수 있었으며, 동시에 정보를 받아 실시간 모니터링 할 수 있는 장점이 있으며, 사용 데이터의 누적 개수가 증가 할수록 정확성이 높아진다는 장점이 있다. At this time, as a device for measuring and monitoring moisture, various instruments can be used, but NIR (Near Infrared Spectroscopy) is used, which can accurately measure moisture content in organic solvents. Although NIR is used for various purposes, it is particularly advantageous for the measurement of moisture in organic solvents and in the present invention, the moisture content can be accurately measured. NIR was equipped with 4 to 6 probes in the cycler so that each probe could be installed in several places during the process, and at the same time, it can receive information and monitor it in real time. This has the advantage of being high.
본 발명은 촉매로서 헤테로폴리산 또는 헤테로폴리산의 염을 단독으로 사용하거나, 헤테로폴리산과 그 염을 혼합하여 사용하고, 개시모노머인 테트라히드로퓨란을 중합하여 특정범위의 수평균 분자량을 갖는 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜을 제조한다. 본 발명의 헤테로폴리산 촉매는 배위수 3~5를 가진 헤테로폴리산 또는 헤테로폴리산의 염을 단독으로 또는 혼합하여 테트라히드로퓨란에 투입하여 촉매층을 형성한 다음 반응기에 투입한다. 또한 반응기를 통과하여 나온 혼합액(PTMG+촉매층)에서 헤테로폴리산이 포함된 촉매층을 비중에 따라 분리하여 다시 반응기로 재순환하여 사용할 수 있다. In the present invention, a polytetramethylene ether glycol having a specific range of number average molecular weight is prepared by polymerizing a heteropoly acid or a salt of a heteropoly acid alone or using a mixture of a heteropoly acid and a salt thereof and polymerizing tetrahydrofuran, which is a starting monomer. do. In the heteropolyacid catalyst of the present invention, a heteropoly acid having a coordination number of 3 to 5 or a salt of a heteropoly acid alone or mixed is added to tetrahydrofuran to form a catalyst layer, and then to a reactor. In addition, the catalyst layer containing heteropoly acid may be separated from the mixed solution (PTMG + catalyst layer) passing through the reactor according to specific gravity and recycled back to the reactor.
본 발명에서 분자량 편차란 요구되는 PTMG 분자량 값에서 벗어난 정도, 즉 공정에서는 생산하고자 하는 PTMG의 목표값에서 벗어난 정도를 의미한다. 분자량은 여러가지 측정 방법이 있으나 본 발명의 분자량 값은 전체 고분자 무게에서 말단 OH기가 차지하는 무게 비율을 적정을 통하여 측정하게 되며 편차가 발생한다는 의미는 이 분자량 값이 목표값 대비하여 변동이 나타나게 된다는 것을 의미한다. 이 변동 폭을 편차라고 정의한다. In the present invention, the molecular weight deviation means a deviation from the required PTMG molecular weight value, that is, a deviation from a target value of PTMG to be produced in the process. Molecular weight can be measured in various ways, but the molecular weight value of the present invention is measured by titration of the weight ratio of the terminal OH group in the total weight of the polymer, and the fact that the deviation occurs means that the molecular weight value changes compared to the target value. do. This variation is defined as the deviation.
이하에서는 본 발명에 따른 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 제조공정에서 분자량 편차를 조절하는 방법을 도 1을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of controlling molecular weight variation in the manufacturing process of polytetramethylene ether glycol according to the present invention will be described with reference to FIG. 1.
우선 수분 측정용 NIR 프로브(21)가 설치된 THF 저장조(11)에 테트라하이드로퓨란 모노머를 공급하고, 물투입장치(10)로부터 물을 공급한 후 교반한다. THF 저장조(11)의 수분을 측정하여 적당량의 수분을 함유한 테트라하이드로퓨란을 반응기(12)로 투입한다. 배위수 3~5를 가지고 있는 헤테로폴리산 및/또는 그 염을 단독 또는 혼합물과 테트라하이드로퓨란을 혼합하여 미리 촉매층을 제조하고 이를 반응기(12)에 투입한다. 반응기(12)는 40~80℃로 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 이 때 THF 저장조(11)에 설치된 NIR 프로브(21)가 THF의 수분량을 측정한다. First, the tetrahydrofuran monomer is supplied to the
촉매로서 헤테로폴리산 및/또는 그 염을 단독 또는 혼합으로 사용하는 THF의 중합에 있어서, 반응계는 2개의 상, 즉 중합체를 함유하는 유기상 및 촉매상이 액체 비말의 형태로 분산되어 있는 에멀젼 용액을 형성한다. 중합은 촉매상에서 수행되는 것으로 생각된다. 중합이 진행함에 따라 촉매상에 용해하는 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜은 촉매상과 유기상 사이에서 분포되기 시작한다. THF와 함께 공급되는 물은 촉매상의 배위수로 또한 유기상에 평형농도만큼 분포하게 되며, 반응이 진행됨에 따라 반응물 말단의 하이드록실기로서 존재하게 된다.In the polymerization of THF using heteropolyacids and / or salts thereof alone or in combination as a catalyst, the reaction system forms an emulsion solution in which two phases, an organic phase containing a polymer and a catalyst phase, are dispersed in the form of liquid droplets. The polymerization is thought to be carried out on a catalyst. As polymerization proceeds, polytetramethylene ether glycol dissolved in the catalyst phase begins to be distributed between the catalyst phase and the organic phase. The water supplied with THF is distributed in the coordination water in the catalyst phase and also by the equilibrium concentration in the organic phase and, as the reaction proceeds, exists as a hydroxyl group at the end of the reactant.
생성된 반응물은 촉매비중분리조(13)로 이송되며, 실온에서 일정 시간(40분 내지 1시간) 체류시킨다. 촉매비중분리조(13)에서는 촉매층과 유기상층으로 분리되는데, 유기상층은 회수하여 증발기(14)로 이송하고, 촉매층은 다시 반응기(12)로 이송한다. 촉매비중분리조(13)에서 증발기(14)로 이송되는 라인상에 NIR 프로브(22)를 설치하여 이송되는 유기상층의 수분량을 측정한다. The produced reactant is transferred to the catalyst specific
증발기(14)로 이송된 유기상층은 증류에 의해 최종 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜과 THF 모노머로 분류하고 THF 모노머는 증류에 의해 분리하여 모노머 회수조 열교환기(15)를 거쳐 모노머 회수로(16)로 이송된다. 이때 회수조 열교환기(15)에서 모노머 회수조(16)로 이송되는 라인상에 NIR 프로브(23)를 설치하여 회수된 THF의 수분량을 측정한다. 또한 최종 생산된 PTMG에 대하여도 NIR 프로브(24)를 설치하여 수분량을 측정한다. The organic phase layer transferred to the
본 발명에서는 상기 각 부분에서 설치된 NIR 프로브(21~24)를 이용하여 각 단계에서의 THF 모노머, 유기상층, PTMG에서 수분량을 측정한다. 별도로 수분을 투입할 수 있는 물투입장치(10)를 설치하고, 유량조절기(101) 및 제어장치(102)를 이용하여, 생성되는 PTMG 분자량에 대하여 생성하고자 하는 PTMG 분자량 대비 분자량이 크게 형성되면, 물 투입량을 줄이고, 분자량이 줄어들게 되면 물 투입량을 늘린다. 투입하는 THF 모노머 수분과 회수되는 THF 모노머의 수분 및 중합된 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 평균분자량에 대한 상관관계를 구할 수 있다. 이 때 반응계의 수분측정을 모니터링하면서 상관관계에 따라 수분을 조절하게 되며, 이 경우 최종 분자량의 편차를 줄일 수 있다. In the present invention, the amount of water in the THF monomer, the organic layer, and PTMG is measured at each step by using the NIR probes 21 to 24 installed in the respective parts. When the
반응계에서 수분의 의미는 크게 두 가지 의미를 가지게 된다. 첫째로 사용촉매의 활성(Activation) 에너지를 조절하여 반응의 강약을 조절하게 되고, 둘째로 테트라하이드로 퓨란의 개환 후 중합 반응이 일어나고 물 분자와 반응하여 반응이 종결되는 반응종결제(Terminator)의 역할을 하게 된다. 반응계 내에 종결제로 참여하는 양 이상으로 수분이 공급되게 되면 반응 촉매 활성에 영향을 주게 되므로 수분 함량의 밸런스가 매우 중요하며 따라서 이를 모니터링 하고 조절하는 것은 PTMG의 분자량 조절에 있어서 가장 중요한 요소이다. The meaning of water in the reaction system has two meanings. First, it controls the strength of the reaction by controlling the activation energy of the catalyst used. Second, the role of terminator in which the polymerization reaction occurs after the ring opening of tetrahydrofuran occurs and the reaction is terminated by reacting with water molecules. Will be When water is supplied in excess of the amount participating as a terminator in the reaction system, it affects the reaction catalyst activity, so the balance of water content is very important and thus monitoring and controlling it are the most important factors in controlling the molecular weight of PTMG.
투입 수분량은 각 단계의 수분 측정장치(21~24)의 수분함량의 증감% 비율에 따라서 조절된다. 투입 수분이 일정하고 반응 온도 또는 반응기의 기타 조건들이 일정한데, 수분 측정장치(21~24)의 수분함량이 변화되는 것은 반응의 활성(activation) 에너지 및 전체 반응에서의 말단 비율이 변화하는 것을 의미하고 이를 모니터링 및 피드백(feed back)함으로써 생성되는 PTMG 분자량의 편차를 최소화 할 수 있다. The amount of added water is adjusted according to the percentage change in the moisture content of the
수분측정장치(21~24)는 투입되는 수분량을 모니터링 하면서 각 계열별로 투입되는 수분 함량의 변화를 측정하고, 이를 통하여 생성되는 PTMG 분자량의 변화를 표시하였다. 수분량은 도 1에서 보이는 유량조절기(101)를 통하여 조절하게 되고, 투입 되는 물의 양은 수분 모니터링의 결과로 조정하게 된다. 시간이 지남에 따라 반응 조건에 변동이 발생하여 수분량의 변화가 발생하고 이를 실시간으로 모니터링 하면서 수분측정장치(21~24)에서 수분이 상승하는 양을 감지하고 이에 따른 분량(백분율 단위)으로 투입되는 물의 양을 조절하게 된다. Moisture measurement device (21 ~ 24) by monitoring the amount of water inputted by measuring the change in the water content of each series, and displayed the change in the generated PTMG molecular weight. The amount of water is controlled through the
수분함량은 적정시간에 걸쳐 조절하는데, 기준 수분상태를 목표점으로 수렴하게 된다. 반응진행 중의 이론 투입 수분량은 원하는 PTMG의 분자량에 따라 정할 수 있다. 기준 수분량를 유지하면서 수분측정장치를 통하여 수분함량을 모니터링하고, 이를 1시간 후 시점에서 기준 수분량 대비 수분함량 변화 %를 계산하여, 변화 수분량 %만큼 반영하여 투입 수분량을 조절한다. 이 때 변화 수분량이 1%이하에서는 투입 수분량을 조절하지 않는다.The moisture content is adjusted over time, and the reference moisture state converges to the target point. The theoretical added water content during the reaction can be determined according to the molecular weight of the desired PTMG. The moisture content is monitored through a moisture measuring device while maintaining the standard moisture content, and after 1 hour, the moisture content change% is calculated from the standard moisture content, and the input water amount is adjusted by reflecting the changed moisture content%. At this time, if the change moisture content is less than 1%, the input moisture content is not controlled.
아래에서 본 발명은 실시예를 들어서 상세하게 설명되지만, 제시된 실시예는 발명을 명확하게 이해하기 위한 것으로서, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.In the following the invention is described in detail by way of examples, but the examples presented are for clarity of understanding and should not be construed as limiting the invention.
< 실시예 1> <Example 1>
100kg의 테트라히드로퓨란 모노머 및 250cc의 물을 NIR 프로브가 설치된 모노머 저장조에 공급하여 교반한다. 수분을 함유한 테트라히드로퓨란 모노머를 반응기로 이송하고 배위수 3~5를 갖는 인텅스텐산과 테트라히드로퓨란을 이용하여 제조된 촉매층을 반응기에 투입하고 60℃의 온도를 유지하면서 반응시킨다. 생성된 반응물은 연속침강조로 이송되어 촉매층과 유기상층으로 분리된다. 분리된 촉매층은 다시 반응기로 이송되고, 유기상층은 증발기로 이송되어 테트라히드로퓨란은 모 노머 회수조로 이송되고, 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜은 저장조에 수집된다. 이때 모노머 회수조로 이송되는 라인상 및 폴리테트라메틸렌에테르 저장조에 설치된 NIR 프로브를 이용하여 각각의 수분함량을 측정하였다. 각 단계에서 측정된 수분함량 및 최종 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 분자량을 하기 표 1에 나타내었다. 100 kg of tetrahydrofuran monomer and 250 cc of water are supplied to the monomer reservoir equipped with the NIR probe and stirred. The tetrahydrofuran monomer containing water is transferred to the reactor, and a catalyst layer prepared using phosphotungstic acid having a coordination number of 3 to 5 and tetrahydrofuran is introduced into the reactor and reacted while maintaining a temperature of 60 ° C. The resulting reactants are transferred to a continuous settling tank and separated into a catalyst layer and an organic phase layer. The separated catalyst layer is transferred back to the reactor, the organic phase layer is transferred to the evaporator, tetrahydrofuran is sent to the monomer recovery tank, and polytetramethylene ether glycol is collected in the storage tank. At this time, the water content was measured using NIR probes installed on the line and the polytetramethylene ether storage tank transferred to the monomer recovery tank. The moisture content and the molecular weight of the final polytetramethylene ether glycol measured at each step are shown in Table 1 below.
표 1을 보면, 반응 개시후 1시간 경과시점에서 각 단계의 수분함량이 반응개시단계의 각 단계의 수분함량(기준 수분함량)과 비교한 결과 그 차이의 평균이 약 1%이었다. 따라서 250cc/hr의 1% 수준인 2.5cc 만큼의 수분 투입량을 조절하여 250cc/hr에서 247.5 cc/hr로 물 투입량을 조절하였다. 이렇게 조절된 물 량을 투입하면서 반응개시후 2시간 경과시점에서 각 단계에서의 수분함량을 특정하였다. 2시간째 물의 함량은 기준 수분함량인 0hr 수준과 유사하였기 때문에, 물 투입량은 기준 수분량인 250cc/hr로 회복시킨다. 이후 동일한 수분량을 유지하면서 1시간 간격으로 수분함량을 측정하여 기준 수분함량과의 차이를 계산하였다. 차이평균이 1%미만이었기 때문에 물 투입량은 기준 수분량인 250cc/hr을 유지하였다. 반응개시후 6hr에 다시 기준 수분률과의 차이 평균이 1.2% 수준으로 낮아졌다. 이 때 투입수분량을 다시 1.2% 상향조정 하여(250cc/hr->253cc/hr) 반응을 진행하였다. As shown in Table 1, the water content of each step at 1 hour after the start of the reaction was compared with the water content (reference water content) of each step of the reaction start step, and the average of the difference was about 1%. Therefore, the water input amount was adjusted from 250cc / hr to 247.5 cc / hr by adjusting the water input amount of 2.5cc, which is 1% of 250cc / hr. The water content at each stage was specified 2 hours after the start of the reaction while the adjusted amount of water was added. At 2 hours, the water content was similar to the reference water content of 0hr level, so the water input was restored to the reference water content of 250cc / hr. Thereafter, the moisture content was measured at 1 hour intervals while maintaining the same moisture content, and the difference from the standard moisture content was calculated. Since the difference was less than 1%, the water input was maintained at 250 cc / hr. Six hours after the start of the reaction, the mean difference with the reference moisture content was lowered to 1.2%. At this time, the amount of water input was increased again by 1.2% (250cc / hr-> 253cc / hr) to proceed with the reaction.
이렇게 반응을 조절하면 반응의 균일성이 확보 되어 생성된 PTMG의 분자량을 표 1에 기재하였다. 각 단계에서 생성된 PTMG 분자량의 편차는 2000 ± 30 dalton 이였다. 표 1에는 6hr까지 시간별 수분 모니터링 값 및 분자량 값을 표시하였고 이후에는 기준 수분량과 1%이상 차이 나는 시간에서의 수분량, 분자량 값을 표시하였 다. 표 1에 나타나지 않은 각 시간에서의 값은 물 투입량은 250cc/hr이다. 최종 생성된 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 분자량 측정은 OH 적정법(OH Titration, ASTM D4274-05 Standard Test Methods for Testing Polyurethane Raw Materials: Determination of Hydroxyl Numbers of Polyols)를 사용하여 측정하였다.Adjusting the reaction in this way ensures the uniformity of the reaction is shown in Table 1 the molecular weight of the produced PTMG. The deviation of the PTMG molecular weight produced at each step was 2000 ± 30 daltons. Table 1 shows the hourly moisture monitoring values and molecular weight values up to 6hr, after which the moisture content and molecular weight values at times that differ by more than 1% from the reference moisture content. The value at each time not shown in Table 1 is 250 cc / hr of water input. The molecular weight of the final polytetramethylene ether glycol was measured by OH titration (OH Titration, ASTM D4274-05 Standard Test Methods for Testing Polyurethane Raw Materials: Determination of Hydroxyl Numbers of Polyols).
이때 각 계내의 수분량의 모니터링 및 제어에 따른 측정한 분자량 값을 표 1에 표시하였다. 특히 수분량 변화 범위에 따른 PTMG 분자량의 변동의 폭이 비례하여 변화됨을 알 수 있다.At this time, the measured molecular weight value according to the monitoring and control of the moisture content in each system is shown in Table 1. In particular, it can be seen that the width of the variation in the molecular weight of PTMG changes in proportion to the change in moisture content.
< 비교예 1><Comparative Example 1>
실시예 1과 동일한 반응기 및 동일하게 반응을 진행 시키면서 최종 생산되는 PTMG의 분자량 조절을 촉매비중 분리조에서 회수되는 촉매층의 밀도(Density)로 제어하였다. 생성되는 PTMG 분자량을 모니터링하면서 투입되는 물의 양의 조절을 통해 촉매층 밀도는 ±0.003g/cm3 로 조절 가능하였다. 이 때 PTMG 분자량은 반응을 30시간 이상 진행 하였을 때 2000±50 수준으로 분자량의 편차로 조절 가능 하였다. 분리조에서 회수되는 촉매층의 밀도는 밀도 측정기(Density Meter)를 통해서 측정하게 되고 이와 동시에 샘플을 취하여 분자량을 측정한다. 분자량의 편차가 목표 분자량의 1%이상이 발생하면 물투입을 분자량 편차 발생 %만큼 변화시킨다. 반응기내의 체류시간 등을 고려 할 때 물투입 후 분자량 변동까지는 반응시간(Response time)이 10~20시간이 소요되어 촉매층 밀도를 제어하더라도 생성되는 PTMG의분자량 편차는 ±50 수준이었다.The same reactor and the same reaction as in Example 1 while controlling the molecular weight of the final produced PTMG was controlled by the density (Density) of the catalyst layer recovered in the catalyst gravity separation tank. The catalyst layer density was controlled to ± 0.003 g / cm 3 by controlling the amount of water introduced while monitoring the generated PTMG molecular weight. At this time, the molecular weight of PTMG was able to control the variation of molecular weight to 2000 ± 50 level when the reaction proceeded for 30 hours or more. The density of the catalyst layer recovered from the separation tank is measured through a density meter (Density Meter) and at the same time taking a sample to measure the molecular weight. When the molecular weight deviation is more than 1% of the target molecular weight, the water input is changed by the% of molecular weight deviation occurrence. Considering the residence time in the reactor, the reaction time took 10-20 hours until the molecular weight was changed after the water was added, so that the molecular weight variation of the produced PTMG was ± 50 even if the catalyst bed density was controlled.
표 1에 수분량을 측정을 통한 촉매층 밀도를 표시하였다. 수분 편차대비 촉매층 Density 변화는 상대적으로 민감하지 못하며 유효숫자인 소수점 셋째자리의 변동폭이 ±0.001이내에 제어되었다.Table 1 shows the catalyst layer density through the measurement of the moisture content. The change of catalyst layer density relative to moisture deviation was relatively insensitive and the variation of the significant digits of the third decimal point was controlled within ± 0.001.
(cc/hr)Water input
(cc / hr)
(ppm)Moisture Measurement (21)
(ppm)
(22)
(ppm)Moisture measurement
(22)
(ppm)
(ppm)Moisture Measurement (23)
(ppm)
(ppm)Moisture Measurement (24)
(ppm)
(dalton)Molecular Weight
(dalton)
밀도
(g/cm3)Catalyst bed
density
(g / cm 3)
도 1은 본 발명에 따른 폴리테트라메틸렌에테르 글리콜의 제조공정을 도시한 것이다.1 shows a process for preparing polytetramethylene ether glycol according to the present invention.
* 도면 부호의 간단한 설명* Brief description of reference numbers
10. 물투입장치10. Water input device
11. THF 저장조11. THF reservoir
12. 반응기12. Reactor
13. 촉매비중분리조13. Catalyst specific gravity separation tank
14. 증발기14. Evaporator
15. 모노머 회수조 열교환기15. Monomer Recovery Tank Heat Exchanger
16. 모노머 회수조16. Monomer Recovery Tank
101. 유량조절기101. Flow regulator
102. 제어장치102. Control
21~24. 수분측정장치21-24. Moisture Measurement Device
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JP3181668B2 (en) * | 1991-03-13 | 2001-07-03 | ビーエーエスエフ アクチェンゲゼルシャフト | Method for adjusting average molecular weight of polyoxyalkylene glycol and polyoxyalkylene glycol derivative |
KR100366117B1 (en) * | 1998-05-26 | 2002-12-31 | 아사히 가세이 가부시키가이샤 | Method of regulating molecular weight distribution of polyether glycol |
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2008
- 2008-12-18 KR KR1020080129616A patent/KR101017914B1/en active IP Right Grant
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KR100366117B1 (en) * | 1998-05-26 | 2002-12-31 | 아사히 가세이 가부시키가이샤 | Method of regulating molecular weight distribution of polyether glycol |
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