KR101126587B1 - 자켓 냉각수를 이용한 발포 폴리스티렌의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발포 폴리스티렌의 제조시 중합 반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수를 상기 발포 폴리스티렌의 중합 반응의 중합수로 사용하는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법에 관한 것으로, 발포 폴리스티렌 제조시 중합 반응기의 냉각을 위해 사용된 자켓의 냉각수를 다시 현탁중합의 중합수로 사용함으로써 버려지는 폐에너지를 절감하면서도, 중합수 가열에 따른 사이클 타임을 절약할 수 있어 생산성을 높일 수 있는 발포 폴리스티렌의 효과적인 제조방법에 관한 것이다.

발포 폴리스티렌*EPS*냉각수*중합수*에너지*효율*

Description

자켓 냉각수를 이용한 발포 폴리스티렌의 제조방법{Method of preparing expanded polystyrene using jacket cooling water}

본 발명은 중합 반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수를 축적하여, 이를 현탁 중합의 중합수로 사용함으로써 초기 반응기를 일정 온도 이상으로 승온시킴에 따른 시간과 에너지를 절약할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 발포 폴리스티렌의 효율적인 제조방법에 관한 것이다.

폴리스티렌은 무색 투명한 열가소성 물질로, 산, 알칼리, 기름, 알코올 등에 강한 성질을 가지고 있어 널리 사용되는 플라스틱이다.

발포 폴리스티렌(Expanded polystyrene, EPS)은 상기 폴리스티렌 수지에 펜텐이나 부텐 등의 탄화수소가스를 주입시킨 뒤 이를 증기로 부풀린 발포 제품으로, 체적의 98%가 공기이고 나머지 2%가 수지인 자원 절약형 소재이다.

발포 폴리스티렌은 희고 가벼우며, 내수성, 단열성, 방음성, 완충성등이 우수하기 때문에 주로 컵이나 그릇, 접시, 조개 모양의 용기, 육류 포장용기, 달걀 포장용기, 전자제품이나 기타 부서지기 쉬운 물품의 운송용 포장재, 나뭇결 무늬를 넣은 건축재료, 장식용 가구, 농수산물 상자, 식육 냉동창고의 벽재, 냉동 파이프의 외장, 조립식 주택의 벽이나 천장 재료, 텔레비전의 무대장치나 인공눈 등으로도 사용된다.

다음 도 1은 발포 폴리스티렌 제조를 위한 폴리스티렌 제조 공정 및 현장 반응기의 냉각 시스템을 나타낸 것이다. 발포 폴리스티렌은 열가소성 중합체인 폴리스티렌을 단독으로 또는 다른 고분자를 포함하는 중합체에 발포제, 개시제, 중합수, 첨가제 등을 첨가하여 현탁중합으로 제조되고 있다.

발포 폴리스티렌의 중합과정을 살피면, 중합수와 스티렌을 프리믹스시켜 중합반응기 내로 채운 다음, 반응 개시를 위해 상기 중합 반응기를 일정 온도(90℃)까지 승온시킨다. 상기 중합 반응기로 채워지는 중합수의 온도는 약 40℃이다.

상기 온도에서 중합을 진행시킨 다음, 발포제를 첨가하여 함침시키고, 잔류 모노머 제거를 목적으로 다시 단계적으로 승온 (90℃→100℃→125℃)을 수행한다. 또한, 함침된 용융물을 냉각시키고, 냉각된 혼합물을 과립화시켜 최종 발포 폴리스티렌을 얻게 된다.

따라서, 현재의 운전 조건에서는 중합 반응, 발포제 함침, 잔류 모노머 제거, 용융물 냉각 등의 목적으로 중합 반응기의 온도를 적정한 수준으로 조절해야되며, 이때 온도 조절은 스팀과 냉각수를 사용하고 있다.

한편, 상기 중합 반응이 종료되면, B/D(blow down) 이전에 자켓의 냉각수를 이용하여 상기 중합 반응기를 냉각시킨다. 그러나, 지금까지는 상기 중합 반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수는 그대로 버려지고 있어 자원이 낭비되고 있는 실정이 다.

또한, 상기 냉각된 중합 반응기는 다시 중합 개시를 위해 중합수와 스티렌을 채우고 중합 온도인 90℃까지 승온시키는 과정이 필요하므로 중합 반응기의 온도 조절에 따른 에너지가 많이 소모되고 있는 실정이다. 따라서 이러한 반응 사이클에 있어서 효율적으로 온도를 조절할 수 있는 방법이나 시스템이 매우 절실한 형편이며, 이는 에너지 절약 차원에서도 매우 필요하다고 할 수 있다.

이에 본 발명에서는 현탁중합을 통한 단계적 승온에 의한 발포 폴리스티렌의 제조에 있어서, 종래 기술에서와 같이 스팀과 냉각수를 이용하여 중합반응기를 승온 및 냉각시킴에 따른 에너지 소모를 줄일 수 있는 방법을 개발하고자 한 것이다.

본 발명에서는 중합 반응기의 냉각을 위해 사용되는 자켓 냉각수는 상기 중합 반응기를 냉각시킨 다음에는 그 온도가 일정 부분 상승되는 점에 착안하여, 이를 그대로 버리지 않고 직접 현탁 중합의 중합수로 이용하는 방법을 이용하였다. 이 경우, 상기 냉각된 중합 반응기를 재승온시킴에 따른 에너지 소비를 줄일 수 있기 때문에 폴리스티렌 중합체와 중합수를 예비 혼합시키는 과정에서 현재의 승온 시간, 즉 사이클 시간을 단축시켜 효율적으로 발포 폴리스티렌을 제조할 수 있게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 발포 폴리스티렌 제조시 자켓 냉각수를 재활용함으로써 폐열 에너지를 이용하여 효율적으로 발포 폴리스티렌을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명과 같이 발포 폴리스티렌 제조시 중합 반응기의 냉각을 위해 사용된 자켓의 냉각수를 다시 현탁중합의 중합수로 사용함으로써 버려지는 폐열 에너지를 절감하면서도, 중합수 가열에 따른 사이클 타임을 절약할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 발포 폴리스티렌의 제조방법은 중합 반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수를 상기 발포 폴리스티렌의 중합 반응의 중합수로 사용하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 발포 폴리스티렌 제조시 중합 반응기의 냉각을 위해 사용된 자켓의 냉각수를 다시 현탁중합의 중합수로 사용함으로써 버려지는 폐에너지를 절감하면서도, 중합수 가열에 따른 사이클 타임을 절약할 수 있어 생산성을 높일 수 있는 발포 폴리스티렌의 효과적인 제조방법에 관한 것이다.

다음 도 2는 중합 반응기의 냉각에 사용되는 자켓 용수의 냉각 전후, 즉 자켓의 입구를 통과할 때의 온도와 자켓의 출구를 통과할 때의 온도를 냉각 시간에 따라 측정한 그래프이다.

도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 냉각에 사용된 자켓 냉각수의 경우 사용되기 전에 비해 그 온도는 일정 부분 상승된 것을 관찰할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 자켓 냉각수를 별도의 승온과정 없이도 예열된 중합수로 사용하기 위한 조건을 만족함을 확인할 수 있다.

다음 도 3은 냉각에 사용된 후의 자켓 냉각수를 축적하였을 때, 냉각 시간에 따른 축적 온도, 보유 열량, 및 총 냉각수의 함량을 계산한 그래프이고, 도 4는 이를 확대한 그래프이다.

다음 도 3과 4에서와 같이, 냉각 시작 후 약 13분이 되는 시점까지 축적된 자켓 냉각수의 함량은 22.7ton으로 확인되는 바, 이 냉각수 함량은 발포 폴리스티렌 제조시 사용되는 단일 배치(batch)에서 요구되는 중합수와 일치하는 동일한 함량이다. 또한, 이때의 상기 냉각수의 온도는 약 74℃임을 확인할 수 있고, 이때 축적된 열량은 0.62Gcal/Batch 이다. 상기 자켓 냉각수의 온도는 자켓 입구에서 측정된 온도 대비 약 30℃ 이상 상승된 것이다.

냉각 시간에 따라 축적되는 상기 자켓 냉각수의 평균 온도는 다음 도 3에서와 같이 약 50℃를 유지하고 있고, 축적량도 충분하므로 스케쥴링을 통하여 회수된 자켓 냉각수를 타 배치의 중합수로 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 발포 폴리스티렌의 제조시 사용되는 중합 반응기는 특별히 한정되지 않으며, 자켓 냉각수를 재활용하는 면에서는 여러 개의 중합 반응기를 이용하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다.

실제적으로 공정에서는 동일한 크기를 가지는 여러 개의 중합 반응기가 운전되고 있고, 각각의 중합 반응기를 예비-혼합된 스티렌과 중합수가 40℃로 반응기 내에 채워진 후 90℃까지 1hr 동안 승온되는 점을 감안한다면, 상기 승온에 따른 시간을 단축할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 승온을 위한 에너지를 절감할 수 있는 이중 효과를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 발포 폴리스티렌의 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 발포 폴리스티렌의 제조는 2단계 단계적 승온을 통하여 이루어지는 바, 1단계 반응은 약 70~90℃의 온도에서 중합개시제를 첨가하여 반응을 개시하는 단계; 약 100~120℃의 온도로 승온시키고 발포제를 투입시켜 발포시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

구체적으로는, 폴리스티렌과 반응 중합수가 각각의 공급 탱크로부터 공급되어 예비중합조에서 프리믹스된다. 또한, 별도의 분산탱크에서 중합수, 분산제, 난연제, 가교제 등을 포함하는 여러 가지 첨가제들이 자체 교반 수단으로 교반되면서 혼합되어 상기 첨가제들이 고루 섞일 수 있도록 한다.

상기 폴리스티렌과 반응중합수의 프리믹스가 별도의 중합반응기로 투입되며, 이때 투입되는 반응 중합수의 온도는 약 40℃ 정도이며, 상기 프리믹스가 중합 반응기에 채워진 후 약 70~90℃까지 승온시킨다. 상기 중합 반응기는 그 내부에 교반수단을 포함하고 있으며, 중합 반응기의 온도 조절은 별도의 자켓 용수 탱크에 있는 물을 이용하여 스팀과 냉각수를 이용하여 수행되고 있다.

본 발명의 발포 폴리스티렌에 사용되는 폴리스티렌은 중량평균분자량 150,000~260,000을 갖는 고분자를 단독으로 사용하거나, 또는 상기 폴리스티렌과 α,β-에틸렌성 불포화 화합물과의 공중합체를 사용할 수 있다. 상기 폴리스티렌과 공중합되는 α,β-에틸렌성 불포화 화합물의 예를 들면, α-메틸 스티렌, 링-할로 겐화 스티렌, 링-알킬화 스티렌, 아크릴로나이트릴, (메트)아크릴레이트, N-비닐 화합물 등이 있으나, 이에 한정되지 않는다.

또한, 본 발명의 중합개시제는 통상의 발포 폴리스티렌 제조시 사용되는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 벤질 펄옥사이드를 사용한다.

통상 반응 개시 온도가 다음 도 5와 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 70℃ 근처이므로 본 발명과 같이 자켓 냉각수를 현탁 중합의 예열된 중합수로 사용함에 따라 개시제에 미치는 영향도 미비함을 확인할 수 있다.

본 발명의 발포제는 탄소수 3~6의 탄화수소가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 사용되는 중합수는 중합 반응기에 첨가된 후 일정 중합 개시 온도까지 승온되나, 그 다음 중합 반응시에는 자켓 냉각수가 상기 중합수로 재사용된다. 따라서, 예열 시간을 단축시킬 수 있고, 예열에 따른 에너지를 절감할 수 있다.

상기 과정을 거친 다음, 120~130℃의 온도로 승온시켜 잔류 모노머를 제거시키는 단계를 포함하며, 이를 순수 세척-탈수-건조 등의 과정을 거치며, 필요에 따라 숙성 과정을 거칠 수도 있다.

본 발명의 중합 과정을 거친 발포 폴리스티렌은 그 전환율이 99.8~99.9 %이고, 잔류 모노머 함량은 0.2 % 이내로 조절된다.

이하 본 발명을 실시예, 비교예에 의하여 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 하기 특허청구범위에 의해 정의되는 범위와 그 변경, 치환을 포함하는 것이며, 본 실시예의 범위로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1~9, 및 비교예 1

다음 표 1과 같은 조건으로 자켓 냉각수를 재활용하여 현탁 중합의 중합수로 사용하고, 상기 중합수를 중합 반응기에 혼합하고, 이를 90℃까지 승온할 때까지의 단축 효과를 관찰하였다. 비교예 1은 47℃의 자켓 냉각수를 사용한 경우로서, 이를 기준으로 하여 단축 가능 시간을 측정하였다.

	자켓 냉각수 온도(℃)	중합반응기 혼합 온도(℃)	단축 가능 시간(min)
실시예 1	50	42.0	2.4
실시예 2	55	45.4	6.5
실시예 3	60	48.8	10.5
실시예 4	65	52.2	14.6
실시예 5	70	55.6	18.7
실시예 6	75	59.0	22.8
실시예 7	80	62.4	26.9
실시예 8	85	65.8	30.9
실시예 9	90	69.2	35.0
비교예 1	47	40	-

상기 표 1의 결과에서와 같이, 발포 폴리스티렌 제조시 중합반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수를 현탁 중합의 중합수로 재활용하는 경우 폴리스티렌 중합체와 중합수의 예비 혼합물의 온도가 증가되어, 상기 단계별 승온에 따라 중합되는 본 발포 폴리스티렌 중합시 반응기 온도 상승을 위한 시간이 단축되고 이에 따라 생산성이 크게 향상될 수 있다.

실험예

본 발명에서 예열된 자켓 냉각수를 현탁 중합의 중합수로 재활용함에 따라, 발포 폴리스티렌 제조시 사용되는 중합개시제에 미치는 영향을 조사하였다. 본 실험에서는 중합개시제로서 벤조일 펄옥사이드를 사용하였다.

다음 도 5와 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 발포 폴리스티렌의 중합 개시에 사용되는 벤조일 펄옥사이드의 경우 통상 반응 개시 온도가 70℃ 근처이므로 본 발명과 같이 자켓 냉각수를 현탁 중합의 예열된 중합수로 사용하더라도 개시제에 미치는 영향은 미비함을 확인할 수 있다.

도 1은 발포 폴리스티렌 제조 공정 및 냉각 시스템을 나타낸 것이고,

도 2는 자켓의 유입 및 유출 온도 프로파일을 나타낸 것이고,

도 3과 4는 냉각 시간에 따른 자켓 냉각수의 온도 및 축적량의 프로파일을 나타낸 것이고,

도 5와 6은 반응물의 온도에 따른 중합개시제의 영향을 확인한 그래프이다.

Claims (9)

1. 발포 폴리스티렌의 제조방법에 있어서,

   중합 반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수를 상기 발포 폴리스티렌의 중합 반응의 중합수로 사용하는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 중합 반응은 중합 개시 반응인 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 중합 반응시 상기 중합 반응기는 70~90℃의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 중합 반응기는 복수의 반응기로 구성된 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 하나의 중합 반응기의 냉각에 사용된 자켓 냉각수는 다른 중합 반응기의 반응 중합수로 사용되는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서, 추가적으로 100~120℃의 온도로 2차 승온시키고 발포제를 첨가하여 폴리스티렌을 발포시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌에 사용되는 폴리스티렌은 중량평균분자량 150,000~260,000인 단독 중합체인 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 발포 폴리스티렌은 폴리스티렌과 α-메틸 스티렌, 링-할로겐화 스티렌, 링-알킬화 스티렌, 아크릴로나이트릴, (메트)아크릴레이트 및 N-비닐 화합물로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 α,β-에틸렌성 불포화 화합물과의 공중합체를 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 발포 폴리스티렌의 제조방법.

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