KR101550076B1 - 분할된 흐름을 갖는 경사진 관형 반응기 - Google Patents

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그루포 페트로테멕스 에스.에이. 데 씨.브이.
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Abstract

본 발명은 경사진 관형 반응기를 통해 흐르는 반응 매질에서 화학 반응을 촉진시키도록 작동될 수 있는 경사진 관형 반응기에 관한 것이다. 반응기는 하향으로 경사진 관형 부재, 상기 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 상기 관형 부재에 배치된 하나 이상의 내부 트레이를 포함할 수 있다. 흐름 분할기는 트레이 및 관형 부재의 바닥 중에서 반응 매질의 흐름을 분할한다.

Description

분할된 흐름을 갖는 경사진 관형 반응기{SLOPED TUBULAR REACTOR WITH DIVIDED FLOW}
본 발명은 액체-함유 반응 매질을 가공하기 위한 반응기에 관한 것이다. 다른 양태에서, 본 발명은 폴리에스터의 용융-상 제조에 사용되는 중축합 반응기에 관한 것이다.
용융-상 중합은 예를 들면 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)와 같은 다양한 폴리에스터를 제조하는데 사용될 수 있다. PET는 음료, 식품 및 기타 용기 뿐만 아니라 합성 섬유 및 수지에 폭넓게 사용된다. 늘어난 수요와 결부된 공정 기법의 진보는 PET의 생산 및 판매에 있어 점차적으로 경쟁적인 시장을 초래하였다. 따라서, PET를 제조하기 위한 저렴하고 고 효율적인 공정이 바람직하다.
일반적으로, PET를 제조하는데 사용되는 것들을 포함한 용융-상 폴리에스터 생산 설비는 에스터화 단계 및 중축합 단계를 이용한다. 에스터화 단계에서, 중합체 원료(즉, 반응물)는 폴리에스터 단량체 및/또는 올리고머로 전환된다. 중축합 단계에서는 에스터화 단계에서 빠져 나온 폴리에스터 단량체 및/또는 올리고머가 목적하는 최종 평균 쇄 길이를 갖는 중합체 생성물로 전환된다.
많은 통상적인 용융-상 폴리에스터 생산 설비에서, 에스터화 및 중축합은 예를 들면 연속 교반식 탱크 반응기(CSTR)와 같은 하나 이상의 기계적인 교반식 반응기에서 수행된다. 그러나, CSTR 및 다른 기계적인 교반식 반응기는 전체 폴리에스터 생산 설비에 있어 증가된 자본, 운영 및/또는 유지 비용을 초래시킬 수 있는 다수의 결점을 갖는다. 예를 들면, 전형적으로 CSTR과 결합된 기계적 교반기 및 다양한 조절 장비는 복잡하고, 값이 비싸며, 막대한 유지 관리를 필요로 할 수 있다.
따라서, 생성물의 품질을 유지하거나 향상시키면서 자본, 운영 및 유지 비용을 최소화시키는 고 효율의 폴리에스터 공정에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 한 실시양태에서, 하향으로 경사진 관형 부재, 상기 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 상기 관형 부재에 배치된 제 1 트레이를 포함한 반응기에서 반응 매질을 화학 반응으로 처리하는 단계를 포함하는 공정이 제공된다. 관형 부재는 수평 아래로 약 5 내지 약 75 도 범위의 하향 각도로 배향되는 신장부의 중심 축을 따라 신장된다. 흐름 분할기는 반응 매질을 관형 부재의 바닥 상으로 흐르는 제 1 부분 및 제 1 트레이 상으로 흐르는 제 2 부분으로 분할한다.
본 발명의 다른 실시양태에서, (a) 중축합 공급물을 중축합 반응기로 도입하는 단계로서, 이때 상기 중축합 공급물이 상기 반응기에서 반응 매질을 형성하고, 상기 중축합 공급물이 약 5 내지 약 50 범위의 평균 쇄 길이를 갖는 PET를 포함하는, 중축합 공급물을 중축합 반응기로 도입하는 단계, (b) 상기 반응 매질을 상기 반응기에서 중축합시키는 단계로서, 이때 상기 반응기가 실질적으로 곧은 파이프, 상기 파이프에 배치된 흐름 분할기, 상기 파이프에 배치된 제 1 트레이 및 상기 파이프에 배치된 제 2 트레이를 포함하고, 상기 파이프가 수평 아래로 약 10 내지 약 60 도 범위의 하향 각도로 배향되고, 상기 파이프가 약 2:1 내지 약 50:1 범위의 길이-대-직경(L:D) 비율을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 트레이가 각각 약 0.25L 이상의 길이를 갖고, 상기 흐름 분할기가 상기 반응 매질을 파이프의 바닥 상으로 흐르는 제 1 부분, 제 1 트레이 상으로 흐르는 제 2 부분 및 제 2 트레이 상으로 흐르는 제 3 부분으로 분할하고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 부분의 질량 유속이 서로 약 50% 이내에 있고, 상기 제 1 및 제 2 트레이가 각각 상기 반응 매질의 제 2 및 제 3 부분이 각각 흐르는 제 1 및 제 2 상향식 대향 표면을 제공하고, 상기 제 1 및 제 2 상향식 대향 표면이 파이프의 하향 각도의 약 5 도 이내로 각각 배향되는, 상기 반응 매질을 상기 반응기에서 중축합시키는 단계, 및 (c) 상기 반응기로부터 주된 액체 중축합 생성물을 회수하는 단계로서, 이때 상기 중축합 생성물이 중축합 공급물 중의 PET의 평균 쇄 길이보다 적어도 약 10을 초과하는 평균 쇄 길이를 갖는 PET를 포함하는, 상기 반응기로부터 주된 액체 중축합 생성물을 회수하는 단계를 포함하는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명의 추가의 실시양태에서, 하향으로 경사진 관형 부재, 상기 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 상기 관형 부재에 배치된 트레이를 포함하는 반응기가 제공된다. 관형 부재는 수평 아래로 약 5 내지 약 75 도 범위의 하향 각도로 배향된 신장부의 중심 축을 따라 신장된다. 트레이는 관형 부재의 길이의 4분의 1 이상 연장되며, 관형 부재의 상단 및 바닥으로부터 이격되어 있다. 반응기는 일반적으로 트레이 아래에 위치한 하부 챔버 및 일반적으로 트레이 위에 위치한 상부 챔버를 한정한다. 흐름 분할기는 하부 챔버와 유체 연통하는 제 1 출구 및 상부 챔버와 유체 연통하는 제 2 출구를 적어도 부분적으로 한정한다.
본 발명의 특정 실시양태는 하기 첨부된 도면을 참고로 하여 상세하게 설명된다.
도 1은 흐름 분할기가 하향으로 흐르는 반응 매질을 상부 내부 트레이, 하부 내부 트레이 및 반응기의 바닥으로 분배하는데 사용되는 것을 부분적으로 나타내는, 본 발명의 한 실시양태에 따라 형성된 경사진 관형 반응기의 계략적인 측단면도이다.
도 2는 반응 매질의 흐름을 내부 트레이 및 반응기의 바닥으로 향하게 하는 흐름 분할기의 5개의 흐름 채널을 부분적으로 나타내는, 도 1의 관형 반응기에 사용하기 적합한 흐름 분할기의 상부도이다.
도 3은 흐름 분할기의 채널들 중 하나를 통한 반응 매질의 흐름 및 반응기의 바닥으로의 흐름을 부분적으로 나타내는, 도 2의 라인(3-3)을 따라 취해진 도 2의 흐름 분할기의 측단면도이다.
도 4는 흐름 분할기의 채널들 중 하나를 통한 반응 매질의 흐름 및 상부 트레이로의 흐름을 부분적으로 나타내는, 도 2의 라인(4-4)을 따라 취해진 도 2의 흐름 분할기의 측단면도이다.
도 5는 흐름 분할기의 채널들 중 하나를 통한 반응 매질의 흐름 및 하부 트레이로의 흐름을 부분적으로 나타내는, 도 2의 라인(5-5)을 따라 취해진 도 2의 흐름 분할기의 측단면도이다.
도 6은 반응 매질의 흐름을 내부 트레이 및 반응기의 바닥으로 향하게 하는 흐름 분할기의 3개의 흐름 채널을 부분적으로 나타내는, 도 1의 관형 반응기에 사용하기 적합한 다른 흐름 분할기의 상부도이다.
도 7은 흐름 분할기의 채널들 중 하나를 통한 반응 매질의 흐름 및 반응기 바닥으로의 흐름을 부분적으로 나타내는, 도 6의 라인(7-7)을 따라 취해진 도 6의 흐름 분할기의 측단면도이다.
도 1 내지 7은 본 발명에 따라 형성된 대표적인 경사진 관형 반응기의 다양한 실시양태를 나타낸다. 도 1 내지 7에 도시된 반응기의 형상 및 작동은 하기에 상세하게 기재되어 있다. 하기 설명의 특정 부분이 주로 용융-상 폴리에스터 생성 공정에 사용되는 반응기와 관련될지라도, 본 발명의 실시양태에 따라 형성된 반응기는 다양한 화학 공정에 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 특정 실시양태에 따라 형성된 반응기는 화학 반응이 반응 매질의 액체 상에서 일어나고 증기가 반응기에서 생성되는 임의의 공정에서 유리하게 사용될 수 있다. 더욱이, 본 발명의 특정 실시양태에 따라 형성된 반응기는 반응 매질의 표면적을 증가시킴으로써 향상되는 화학 공정에서 유리하게 이용될 수 있다.
이제 도 1을 참고하면, 경사진 관형 반응기(10)의 한 실시양태는 일반적으로 관 쉘(vessel shell)(12), 관 쉘(12) 안에 배치된 흐름 분할기(14) 및 관 쉘(12) 안에 배치된 복수개의 트레이(16a, 16b)를 포함하는 것으로서 나타난다. 관 쉘은 하향으로 경사진 관형 부재(18), 관형 부재(18)의 상부 말단에 결합된 상부 말단 캡(20), 및 관형 부재(18)의 하부 말단에 결합된 하부 말단 캡(22)을 포함한다. 관 쉘(12)은 반응기(10)의 상단 근처에 위치한 공급물 입구(24), 반응기(10)의 바닥 근처에 위치한 액체 생성물 출구(26), 및 반응기(10)의 상단 근처에 위치한 증기 출구(28)(도 1에 도시된 바와 같음) 또는 반응기(10)의 바닥 근처(도시되지 않음)에 위치한 증기 출구(28)를 한정한다. 한 실시양태에서, 증기 출구(28)는 진공 공급원(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.
반응기(10)의 내부 부피는 흐름 분할기(14) 위에 위치한 상부의 비분할된 대역(30), 흐름 분할기(14) 바로 아래에 위치한 분할된 대역(32), 및 반응기(10)의 바닥 근처에서 분할된 대역(32) 바로 아래에 위치한 하부의 비분할된 대역(34)을 포함한다. 트레이(16a, 16b)는 분할된 대역(32)을 상부 챔버(36a), 중간 챔버(36b) 및 하부 챔버(36c)로 분리한다. 상부 챔버(36a)는 일반적으로 관형 부재(18)의 상단과 상부 트레이(16a)의 상부 표면 사이에 한정된다. 중간 챔버(36b)는 일반적으로 상부 트레이(16a)의 바닥과 하부 트레이(16b)의 상부 표면 사이에 한정된다. 하부 챔버(36c)는 일반적으로 하부 트레이(16b)의 바닥과 관형 부재(18)의 바닥(38) 사이에 한정된다. 흐름 분할기(14)(이는 하기에서 보다 상세하게 기재될 것이다)는 상부의 비분할된 대역(30)과 분할된 대역(32)의 챔버들(36a, 36b, 36c) 사이에 유체 연통을 제공한다.
반응기(10)의 관형 부재(18)는 하향 각도로 경사진 신장부의 중심 축을 따라 신장된다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 관형 부재(18)의 하향 각도는 수평 아래로 약 5 내지 약 75 도, 수평 아래로 약 10 내지 약 60 도, 또는 수평 아래로 15 내지 45 도 범위이다. 도 1에 도시된 실시양태에서, 관형 부재(18)는 실질적으로 곧으며, 실질적으로 원통형인 신장된 파이프이다. 그러나, 특정 실시양태에서, 관형 부재(18)는 다양한 단면 형상(예컨대, 직사각형, 정사각형 또는 타원형)을 갖는 신장된 관형 부재일 수 있다.
관 쉘(12) 및/또는 관형 부재(18)는 그의 최대 직경(D)보다 큰 최대 길이(L)를 가질 수 있다. 특정 실시양태에서, 쉘(12) 및/또는 관형 부재(18)는 약 2:1 내지 약 50:1, 약 4:1 내지 약 30:1, 또는 8:1 내지 20:1 범위의 길이-대-직경(L:D) 비율을 갖는다. 특정 실시양태에서, 길이(L)는 약 10 내지 약 200 피트, 약 20 내지 약 150 피트, 또는 30 내지 80 피트 범위이고, 직경(D)은 약 1 내지 약 20 피트, 약 2 내지 약 10 피트, 또는 3 내지 5 피트 범위이다. 각각의 트레이(16a, 16b)는 약 0.25L 이상, 약 0.5L 이상, 또는 0.75L 이상의 길이를 가질 수 있다. 또한, 트레이(16a, 16b)는 약 0.1D 내지 약 0.8D, 약 0.2D 내지 약 0.6D, 또는 0.25D 내지 0.5D 범위의 최소 거리 만큼 서로 이격될 수 있다. 트레이들(16a, 16b) 간의 최소 거리는 약 5 내지 약 50 인치, 약 10 내지 약 40 인치, 또는 15 내지 30 인치 범위일 수 있다.
내부 트레이(16a, 16b)는 액체가 흐를 수 있는 상향식 대향 표면을 각각 제공한다. 도 1에 도시된 실시양태에서, 트레이(16a, 16b)의 상향식 대향 표면은 실질적으로 평면이고 관형 부재(18)의 신장부의 축에 실질적으로 평행하게 연장된다. 다르게는, 트레이(16a, 16b)의 상향식 대향 표면은 관형 부재(18)의 신장부의 축의 하향 각도의 약 10 도 이내, 약 5 도 이내, 또는 2 도 이내로 연장될 수 있다. 본 발명의 한 실시양태에서, 트레이(16a, 16b)는 관형 부재(18)의 내부에 단단하게 결합된 평행한 엣지(edge)를 갖는 실질적으로 직사각형인 평면 판이다.
도 1에 도시된 실시양태에서, 반응기(10)는 두 개의 트레이(16a, 16b)를 포함한다. 그러나, 반응기(10)에서 트레이의 수 및 형상은 반응기(10)가 이용되는 용도와 조화되도록 달라질 수 있다. 예를 들면, 반응기(10)는 3개 이상의 트레이, 4개 이상의 트레이, 5개 이상의 트레이, 또는 6개 이상의 트레이를 이용할 수 있다.
도 1은 흐름 분할기(14)의 형상의 세부 사항을 제공하지 않는다. 그러나, 도 1은 흐름 분할기(14)가 유체 흐름을 상부의 비분할된 대역(30)으로부터 3개의 부분으로 분할하고 그 후 상기 부분들을 분할된 대역(32)의 상부, 중간 및 하부 챔버(36a, 36b, 36c)로 분배하도록 작동될 수 있음을 점선과 화살표로 나타내었다. 도 2 내지 5는 반응기(10)에 사용하기 적합한 흐름 분할기(14)의 한 형상을 나타낸다. 도 6 및 7은 반응기(10)에 사용하기 적합한 흐름 분할기(100)의 다른 형상을 나타낸다.
이제 도 2 내지 5로 돌아와서, 흐름 분할기(14)는 일반적으로 베이스 부재(40), 복수개의 이격된 분할기 벽(42a 내지 42d), 하부 역류 방지 벽(44) 및 복수개의 상부 역류 방지 벽(46a 내지 46c)을 포함하는 것으로서 나타난다.
분할기 벽(42a 내지 42d)은 베이스 부재(40)의 상부 표면에 단단하게 결합되고 일반적으로 베이스 부재(40)의 상부 표면으로부터 상향으로 연장된다. 제 1 바닥 채널(47a)은 베이스 부재(40) 위에 그리고 일반적으로 관형 부재(18)의 제 1 측벽(48a)과 제 1 분할기 벽(42a) 사이에 한정된다. 제 1 상부 채널(50a)은 베이스 부재(40) 위에 그리고 일반적으로 제 1 분할기 벽(42a)과 제 2 분할기 벽(42b) 사이에 한정된다. 중간 채널(52)은 베이스 부재(40) 위에 그리고 일반적으로 제 2 분할기 벽(42b)과 제 3 분할기 벽(42c) 사이에 한정된다. 제 2 상부 채널(50b)은 베이스 부재(40) 위에 그리고 일반적으로 제 3 분할기 벽(42c)과 제 4 분할기 벽(42d) 사이에 한정된다. 제 2 바닥 채널(47b)은 베이스 부재(40) 위에 그리고 일반적으로 제 4 분할기 벽(42d)과 관형 부재의 제 2 측벽(48b) 사이에 한정된다.
도 2 및 도 3에 아마도 최적으로 나타낸 바와 같이, 바닥 채널(47a, 47b)은 상부의 비분할된 대역(30)과 분할된 대역(32)의 하부 채널(36c) 사이에 유체 연통을 제공한다. 바닥 채널(47a, 47b)은 베이스 부재(40)의 리딩 엣지(leading edge)(54)에 위치한 각각의 바닥 채널 주입 개구를 통해 상부의 비분할된 대역(30)과 유체 연통한다. 바닥 채널(47a, 47b)은 바닥 채널 출구(56a, 56b)를 통해 하부 채널(36c)과 유체 연통한다.
도 2 및 도 4에 아마도 최적으로 나타낸 바와 같이, 상부 채널(50a, 50b)은 상부의 비분할된 대역(30)과 분할된 대역(32)의 상부 채널(36a) 사이에 유체 연통을 제공한다. 상부 채널(50a, 50b)은 베이스 부재(40)의 리딩 엣지(54)에 위치한 각각의 상부 채널 주입 개구를 통해 상부의 비분할된 대역(30)과 유체 연통한다. 상부 채널(50a, 50b)은 상부 채널 출구(58a, 58b)를 통해 상부 채널(36a)과 유체 연통한다.
도 2 및 도 5에 아마도 최적으로 나타낸 바와 같이, 중간 채널(52)은 상부의 비분할된 대역(30)과 분할된 대역(32)의 중간 채널(36b) 사이에 유체 연통을 제공한다. 중간 채널(52)은 베이스 부재(40)의 리딩 엣지(54)에 위치한 중간 채널 주입 개구를 통해 상부의 비분할된 대역(30)과 유체 연통한다. 중간 채널(52)은 중간 채널 출구(59)를 통해 중간 채널(36b)과 유체 연통한다.
도 2 내지 5에 도시된 실시양태에서, 흐름 분할기(14)의 베이스 부재(40)는 리딩 엣지(54)에서 관형 부재(18)의 내부에 강하고 단단하게 결합된 실질적으로 평면이며 실질적으로 수평인 판을 형성한다. 본 발명의 특정 실시양태에서, 베이스 부재(40)의 상부 표면은 수평의 약 15 도 이내, 약 5 도 이내, 또는 2 도 이내의 각도에서 연장된다. 베이스 부재(40)의 배향(즉, 실질적으로 수평)과 관형 부재(18)의 배향(즉, 하향으로 경사짐) 간의 차이는 흐름 분할기(14)의 리딩 엣지(54)를 불완전 타원 형태로 제공한다. 베이스 부재(40)와 관형 부재(18)의 배향 간의 각도 차이는 약 5 내지 약 75 도, 약 10 내지 약 60 도, 또는 15 내지 45 도 범위에 있을 수 있다. 흐름 분할기(14)에 의해 한정된 채널의 수는 여러 가지 인자에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 흐름 분할기(14)는 2개, 3개, 4개, 5개, 6개, 7개, 8개 또는 그 이상의 채널들을 한정할 수 있다.
반응기(10)의 작동을 이제 상세하게 설명할 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 액체-함유 공급물은 공급물 입구(24)를 통해 반응기(10)로 도입된다. 반응기(10)에서, 공급물은 관형 부재(18)의 바닥 상의 상부의 비분할된 대역(30)을 통해 처음으로 흐르는 반응 매질(60)을 형성한다. 그 후 반응 매질(60)은 흐름 분할기(14)를 통해 흐르며 여기에서 반응 매질(60)의 흐름은 제 1 부분(62a), 제 2 부분(62b) 및 제 3 부분(62c)으로 나뉘고, 그 후 이들은 각각 관형 부재(18)의 상부 트레이(16a), 하부 트레이(16b) 및 바닥(38)으로 분배된다. 반응 매질(60)의 제 1, 제 2 및 제 3 부분(62a 내지 62c)은 분할된 대역(32)의 상부, 중간 및 하부 채널(36a 내지 36c)을 통해 중력에 의해 흐른다. 반응 매질(60)의 제 1, 제 2 및 제 3 부분(62a 내지 62c)의 질량 유속은 서로 약 50% 이내, 약 30% 이내, 또는 10% 이내에 있을 수 있다. 예를 들면, 반응 매질(60)의 3개의 부분의 질량 유속은 최저 질량 유속을 갖는 부분의 질량 유속이 최고 질량 유속을 갖는 부분의 질량 유속의 50% 이상인 경우 서로 50% 이내에 있다. 트레이(16a, 16b)를 가로질러 흐른 후, 반응 매질(60)의 제 1 및 제 2 부분(62a, 62b)은 트레이(16a, 16b)의 말단부로 하향으로 떨어지고, 하부의 비분할된 대역(34)에서 반응 매질(60)의 제 3 부분(62c)과 재조합된다. 그 후 하부의 비분할된 대역(34)에서 조합된 반응 매질(60)은 액체 생성물 출구(26)를 통해 주로 액체 생성물로서 반응기(10)를 빠져 나온다.
반응 매질(60)이 반응기(10)를 통해 흐름에 따라, 화학 반응이 반응 매질(60) 내에서 발생한다. 증기(64)가 반응기(10)에서 형성될 수 있다. 증기(64)는 반응기(10)에서 수행된 화학 반응의 증기 부산물 및/또는 액체로서 반응기(10)에 들어가는 휘발성 화합물을 포함할 수 있으며, 반응기(10)에서 증발된다. 증기(64)의 적어도 일부분은 일반적으로 반응 매질(60)의 흐름 방향에 향류하여 반응 매질(60)로부터 분리되어 그 위로 흐른다. 증기(64)는 증기 출구(28)를 통해 반응기(10)를 빠져 나온다. 다르게는, 증기(64)는 반응 매질(60)과 병류하여 흐를 수 있으며, 반응기(10)의 하부 말단 근처에 위치한 증기 출구(도시되지 않음)를 빠져 나온다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시양태에서, 반응기(10)에서 수행되는 화학 반응은 반응 매질(60)의 포말화를 유발시킴으로써 포말 부분(66) 및 반응 매질(60)의 주된 액체 생성물(68)을 생성시킨다. 화학 반응은 포말 부분(66)과 주된 액체 부분(68) 둘 다의 액체에서 발생할 수 있다.
이제 도 2 내지 5로 돌아와 반응 매질(60)이 흐름 분할기(14)에서 나뉘는 방식을 보다 상세하게 논의할 것이다. 반응 매질(60)은 관형 부재(18)의 바닥으로부터, 베이스 부재(40)의 리딩 엣지(54)를 건너, 채널(47a, 50a, 52, 50b 및 47b)로 흐름으로써 상부의 비분할된 대역(30)으로부터 흐름 분할기(14)로 들어간다. 흐름 분할기(14)에서, 반응 매질(60)은 분할기 벽(42a 내지 42d)에 의해 분리되고 채널(47a, 50a, 52, 50b 및 47b)을 통해 흐르는 5개의 부분으로 나뉜다.
도 2 및 도 3에 아마도 최적으로 나타낸 바와 같이, 바닥 채널(47a, 47b)을 통해 흐르는 반응 매질(60)의 부분은 바닥 채널 출구(56a, 56b)를 통해 바닥 채널(47a, 47b)을 빠져 나오고 분할된 대역(32)의 하부 챔버(36c)로 들어간다. 바닥 채널(47a, 47b)을 빠져 나오고 하부 챔버(36c)로 들어가는 반응 매질(60)의 부분은 관형 반응기(18)의 바닥(38)에서 조합되어 반응 매질(60)의 제 3 부분(62c)을 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 챔버(36c)에서 생성된 증기는 하부 챔버(36c)에서의 반응 매질(60)의 제 3 부분(62c)을 일반적으로 향류하여 흐른다. 하부 챔버(36c)로부터의 증기는 바닥 채널 출구(56a, 56b)를 통해, 바닥 채널(47a, 47b)을 통해 그리고 상부의 비분할된 대역(30)으로 상향으로 흐르며, 여기에서 채널(50a, 50b 및 52)을 빠져 나오는 증기와 조합된다.
도 2 및 도 4에 아마도 최적으로 나타낸 바와 같이, 상부 채널(50a, 50b)을 통해 흐르는 반응 매질(60)의 부분은 상부 채널 출구(58a, 58b)를 통해 상부 채널(50a, 50b)을 빠져 나오고 분할된 대역(32)의 상부 챔버(36a)로 들어간다. 상부 채널(50a, 50b)을 빠져 나오고 상부 챔버(36a)로 들어가는 반응 매질(60)의 부분은 상부 트레이(16a) 상에서 조합되어 반응 매질(60)의 제 1 부분(62a)을 형성한다. 도 2, 3 및 5에 도시된 바와 같이, 상부 역류 방지 벽(46a 내지 46c)이 상부 트레이(16a)의 상단 근처에 제공되어 반응 매질(60)의 제 1 부분(62a)이 상부 트레이(16a)의 상단으로 흘러 하부 트레이(16b)로 떨어지는 것을 방지한다. 도 4를 다시 참고하면, 상부 챔버(36a)에서 생성된 증기는 상부 챔버(36a)에서의 반응 매질(60)의 제 1 부분(62a)을 일반적으로 향류하여 흐른다. 상부 챔버(36a)로부터의 증기는 상부 채널 출구(58a, 58b)를 통해, 상부 채널(50a, 50b)을 통해 그리고 상부의 비분할된 대역(30)으로 상향으로 흐르며, 여기에서 채널(47a, 47b 및 52)을 빠져 나오는 증기와 조합된다.
도 2 및 도 5에 아마도 최적으로 나타낸 바와 같이, 중간 채널(52)을 통해 흐르는 반응 매질(60)의 부분은 중간 채널 출구(59)를 통해 중간 채널(52)을 빠져 나오고 분할된 대역(32)의 중간 챔버(36b)로 들어간다. 중간 채널(52)을 빠져 나오고 중간 챔버(36b)로 들어가는 반응 매질(60)의 부분은 하부 트레이(16b) 상에서 반응 매질(60)의 제 2 부분(62b)을 형성한다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 하부 역류 방지 벽(44)이 하부 트레이(16b)의 상단 근처에 제공되어 반응 매질(60)의 제 2 부분(62b)이 하부 트레이(16b)의 상단으로 흘러 관형 부재(18)의 바닥(38)으로 떨어지는 것을 방지한다. 도 5를 다시 참고하면, 중간 챔버(36b)에서 생성된 증기는 중간 챔버(36b)에서의 반응 매질(60)의 제 2 부분(62b)을 일반적으로 향류하여 흐른다. 중간 챔버(36b)로부터의 증기는 중간 채널 개구(59)를 통해, 중간 채널(52)을 통해 그리고 상부의 비분할된 대역(30)으로 상향으로 흐르며, 여기에서 채널(47a, 47b 및 50a, 50b)을 빠져 나오는 증기와 조합된다.
이제 도 6 및 7을 참고하면, 도 1의 반응기(10)에 사용하기 적합한 다른 흐름 분할기(100)가 나타나 있다. 다른 흐름 분할기(100)는 도 2 내지 5의 흐름 분할기(14)와 유사하지만, 다른 흐름 분할기(100)는 단지 3개의 채널(102a 내지 102c) 만을 한정하고, 반면 도 2 내지 5의 흐름 분할기(14)는 5개의 흐름 채널을 한정한다. 도 6 및 7의 다른 흐름 분할기(100)와 도 2 내지 5의 흐름 분할기(14)의 또다른 차이점은 다른 흐름 분할기(100)가 흐름 균등화 개구(106a, 106b)와 함께 형성되는 분할기 벽(104a, 104b)을 갖는 것으로서 나타난다는 것이다. 도 2 내지 도 5의 흐름 분할기(14)의 분할기 벽(42a 내지 42d)에도 흐름 균등화 개구가 장착될 수 있음을 이해해야 한다.
도 6 및 도 7을 다시 참고하면, 작동시에, 다른 흐름 분할기(100)는 반응 매질을(60) 수용하고 반응 매질(60)을 바닥 채널(102a), 중간 채널(102b) 및 상부 채널(102c)을 통해 흐르는 3개의 부분으로 분할한다. 반응 매질(60)이 채널(102a 내지 102c)을 통해 흐름에 따라, 채널(102a 내지 102c)에서의 반응 매질(60)의 깊이는 반응 매질(60)이 흐름 균등화 개구(106a, 106b)를 통해 채널들(102a 내지 102c) 사이에 흐르도록 허용됨으로써 실질적으로 균등화될 수 있다. 바닥 채널(102a)에서의 반응 매질(60)의 부분은 바닥 채널(102a) 밖으로 흘러 관형 부재(18)의 바닥(38) 위로의 흐름을 위한 하부 챔버(36c)로 들어간다. 중간 채널(102b)에서의 반응 매질(60)의 부분은 중간 채널(102b) 밖으로 흘러 하부 트레이(16b) 위로의 흐름을 위한 중간 챔버(36b)로 들어간다. 상부 채널(102c)에서의 반응 매질(60)의 부분은 상부 채널(102c) 밖으로 흘러 상부 트레이(16a) 위로의 흐름을 위한 상부 챔버(36a)로 들어간다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라 형성된 경사진 관형 반응기는 그 안에서 가공된 반응 매질의 기계적 교반을 거의 요구하지 않거나 전혀 필요로 하지 않는다. 경사진 관형 반응기에서 가공된 반응 매질은 반응기를 통해 흐르고 하나의 반응기 수준에서 다른 수준으로 떨어지기 때문에 어느 정도 교반될 수 있지만, 이러한 흐름에 의한 교반 및 중력에 의한 교반은 기계적 교반이 아니다. 본 발명의 한 실시양태에서, 경사진 관형 반응기에서 가공된 반응 매질의 전체 교반의 약 50% 미만, 약 25% 미만, 약 10% 미만, 약 5% 미만 또는 0%는 기계적 교반에 의해 제공된다. 따라서, 본 발명의 특정 실시양태에 따라 형성된 반응기는 어떠한 기계적 혼합 장치 없이 작동될 수 있다. 이는 거의 대부분 기계적 교반을 이용하는 통상적인 연속 교반식 탱크 반응기(CSTR)와 직접적으로 대조된다.
상기 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시양태에 따라 형성된 경사진 관형 반응기는 다양한 화학 공정에 사용될 수 있다. 한 실시양태에서, 본 발명에 따라 형성된 경사진 관형 반응기는 다양한 출발 물질로부터 임의의 다양한 폴리에스터를 생성시킬 수 있는 용융-상 폴리에스터 생산 설비에 이용된다. 본 발명의 실시양태에 따라 제조될 수 있는 용융-상 폴리에스터의 예는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)(이는 PET의 동종중합체 및 공중합체를 포함한다); 전 방향족 또는 액정 폴리에스터; 생분해성 폴리에스터, 예컨대 뷰테인다이올, 테레프탈산 및 아디프산 잔기를 포함한 것들; 폴리(사이클로헥세인-다이메틸렌 테레프탈레이트) 동종중합체 및 공중합체; 및 1,4-사이클로헥세인-다이메탄올(CHDM) 및 사이클로헥세인 다이카복실산 또는 다이메틸 사이클로헥세인다이카복실레이트의 동종중합체 및 공중합체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. PET 공중합체가 생성되는 경우, 상기 공중합체는 90 몰% 이상, 91 몰% 이상, 92 몰% 이상, 93 몰% 이상, 94 몰% 이상, 95 몰% 이상, 96 몰% 이상, 97 몰% 이상, 98 몰% 이상의 에틸렌 테레프탈레이트 반복 단위 및 10 몰% 이하, 9 몰% 이하, 8 몰% 이하, 7 몰% 이하, 6 몰% 이하, 5 몰% 이하, 4 몰% 이하, 3 몰% 이하 또는 2 몰% 이하의 첨가된 공단량체 반복 단위를 포함할 수 있다. 일반적으로, 공단량체 반복 단위는 아이소프탈산, 2,6-나프탈린-다이카복실산, CHDM 및 다이에틸렌 글리콜로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상의 공단량체로부터 유도될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 특정 실시양태에 따른 폴리에스터 제조 방법은 두 개의 주요 단계, 즉 에스터화 단계 및 중축합 단계를 포함할 수 있다. 에스터화 단계에서, 하나 이상의 알콜 및 하나 이상의 산을 포함할 수 있는 폴리에스터 출발 물질은 에스터화되어 이에 따라 폴리에스터 단량체 및/또는 올리고머가 생성된다. 중축합 단계에서, 에스터화 단계로부터의 폴리에스터 단량체 및/또는 올리고머는 최종 폴리에스터 생성물로 반응된다. PET와 관련하여 본원에서 사용되는 경우, 단량체는 3 미만의 쇄 길이를 가지고, 올리고머는 약 7 내지 약 50의 쇄 길이를 가지며(4 내지 6 단위의 쇄 길이를 갖는 성분은 단량체 또는 올리고머로 고려될 수 있다), 중합체는 약 50 초과의 쇄 길이를 갖는다. 이량체, 예를 들면 EG-TA-EG-TA-EG는 2의 쇄 길이를 갖고 삼량체는 3을 가지며, 그리고 등등이 있다.
에스터화 단계에서 이용되는 산 출발 물질은 최종 폴리에스터 생성물이 약 4 내지 약 15개 또는 8 내지 12개의 탄소 원자 범위를 갖는 하나 이상의 다이카복실산 잔기를 포함하는 다이카복실산일 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합한 다이카복실산의 예는 테레프탈산, 프탈산, 아이소프탈산, 나프탈렌-2,6-다이카복실산, 사이클로헥세인다이카복실산, 사이클로헥세인다이아세트산, 다이페닐-4,4'-다이카복실산, 다이페닐-3,4'-다이카복실산, 2,2-다이메틸-1,3-프로판다이올, 다이카복실산, 석신산, 글루타르산, 아디프산, 아젤라산, 세바스산 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 한 실시양태에서, 산 출발 물질은 테레프탈산 대신에 상응하는 에스터, 예컨대 다이메틸 테레프탈레이트일 수 있다.
에스터화 단계에서 사용되는 알콜 출발 물질은 최종 폴리에스터 생성물이 하나 이상의 다이올 잔기, 예를 들면 약 3 내지 약 25개의 탄소 원자 또는 6 내지 20개의 탄소 원자 범위를 갖는 지환족 다이올로부터 기원하는 것들을 포함할 수 있는 다이올일 수 있다. 적합한 다이올은 에틸렌 글리콜(EG), 다이에틸렌 글리콜, 트라이에틸렌 글리콜, 1,4-사이클로헥세인-다이메탄올, 프로페인-1,3-다이올, 뷰테인-1,4-다이올, 펜테인-1,5-다이올, 헥세인-1,6-다이올, 네오펜틸글리콜, 3-메틸펜테인다이올-(2,4), 2-메틸펜테인다이올-(1,4), 2,2,4-트라이메틸펜테인-다이올-(1,3), 2-에틸헥세인다이올-(1,3), 2,2-다이에틸프로페인-다이올-(1,3), 헥세인다이올-(1,3), 1,4-다이-(하이드록시에톡시)-벤젠, 2,2-비스-(4-하이드록시사이클로헥실)-프로페인, 2,4-다이하이드록시-1,1,3,3-테트라메틸-사이클로뷰테인, 2,2,4,4-테트라메틸-사이클로뷰테인다이올, 2,2-비스-(3-하이드록시에톡시페닐)-프로페인, 2,2-비스-(4-하이드록시-프로폭시페닐)-프로페인, 아이소소르비드, 하이드로퀴논, BDS-(2,2-(설폰일비스)4,1-페닐렌옥시))비스(에탄올) 및 이들의 혼합물을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
또한, 출발 물질은 하나 이상의 공단량체를 포함할 수 있다. 적합한 공단량체는, 예를 들면 테레프탈산, 다이메틸 테레프탈레이트, 아이소프탈산, 다이메틸 아이소프탈레이트, 다이메틸-2,6-나프탈렌다이카복실레이트, 2,6-나프탈렌-다이카복실산, 에틸렌 글리콜, 다이에틸렌 글리콜, 1,4-사이클로헥세인-다이메탄올(CHDM), 1,4-뷰테인다이올, 폴리테트라메틸렌글리콜, 트랜스-DMCD, 트라이멜리트산 무수물, 다이메틸 사이클로헥세인-1,4 다이카복실레이트, 다이메틸 데칼린-2,6 다이카복실레이트, 데칼린 다이메탄올, 데카하이드로나프탈렌 2,6-다이카복실레이트, 2,6-다이하이드록시메틸-데카하이드로나프탈렌, 하이드로퀴논, 하이드록시벤조산 및 이들의 혼합물을 포함한 공단량체를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따라, 에스터화 단계에서 에스터화는 약 180 내지 약 350 ℃, 또는 약 215 내지 약 305 ℃, 또는 260 내지 290 ℃ 범위의 반응 매질 온도 및 약 70 psig 미만, 즉 약 -1 내지 약 10 psig, 또는 2 내지 5 psig 범위의 증기 공간 압력에서 수행될 수 있다. 에스터화 단계를 빠져 나오는 단량체 및/또는 올리고머의 평균 쇄 길이는 약 1 내지 약 20, 약 2 내지 약 15 또는 5 내지 12 범위일 수 있다.
본 발명의 특정 실시양태에 따라 형성된 반응기는 예비중합 단계를 수행하기 위한 예비중합체 반응기 및/또는 최종 단계를 수행하기 위한 마무리 반응기로서 용융-상 폴리에스터 제조 시스템에서 이용될 수 있다. 예비중합체 반응기 및/또는 마무리 반응기로서 이용되는 본 발명에 대한 공정 조건의 상세한 설명이 도 1을 참고로 하여 하기에 주어진다. 본 발명의 실시양태에 따라 형성된 반응기는 일반적으로 예비중합체 반응기 및/또는 마무리 반응기로서 이용될 수 있으며 이러한 공정 조건은 도 1에 기재된 실시양태로 제한되지 않는 것으로 이해된다.
도 1을 다시 참고하면, 반응기(10)가 용융-상 폴리에스터 제조 공정(예컨대, PET 제조 공정)에서 예비중합체 반응기로서 사용되는 경우, 하나보다 많은 화학 반응이 반응기(10)에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 중축합이 반응기(10)에서 수행되는 주된 화학 반응일 수 있지만, 특정량의 에스터화가 반응기(10)에서 또한 일어날 수 있다. 반응기(10)가 예비중합체 반응기로서 사용되는 경우, 공급물 입구(24)에 도입되는 공급물의 평균 쇄 길이는 약 1 내지 약 20, 약 2 내지 약 15, 또는 5 내지 12 범위일 수 있지만, 액체 생성물 출구(26)로부터 회수된 주된 액체 생성물의 평균 쇄 길이는 약 5 내지 약 50, 약 8 내지 약 40, 또는 10 내지 30 범위일 수 있다. 반응기(10)가 예비중합 반응기로서 이용되는 경우, 반응기(10)에서 수행되는 화학 반응은 공급물 입구(22)와 액체 생성물 출구(26) 사이에서 반응 매질(60)의 평균 쇄 길이가 약 2 이상, 즉 약 5 내지 약 30 범위, 또는 8 내지 20 범위 만큼 증가하도록 야기시킬 수 있다.
반응기(10)가 예비중합체 반응기로서 사용되는 경우, 공급물은 약 220 내지 약 350 ℃, 약 265 내지 약 305 ℃, 또는 270 내지 290 ℃ 범위의 온도에서 공급물 입구(24)로 들어갈 수 있다. 액체 생성물 출구(26)를 빠져 나오는 주된 액체 생성물은 공급물 입구(24)로 들어가는 공급물 온도의 약 50 ℃, 25 ℃ 또는 10 ℃ 이내의 온도를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 액체 생성물 출구(26)를 빠져 나오는 액체 생성물의 온도는 약 220 내지 약 350 ℃, 약 265 내지 약 305 ℃, 또는 270 내지 290 ℃ 범위이다. 반응기(10)가 예비중합체 반응기로서 이용되는 경우, 반응기(10)에서의 증기 공간 압력(증기 출구(28)에서 측정됨)은 약 0 내지 약 300 토르 범위, 약 1 내지 약 50 토르 범위, 또는 20 내지 30 토르 범위로 유지될 수 있다.
반응기(10)가 예비중합체 반응기로서 이용되는 경우, 반응기(10)로 도입되기 전에 공급물을 가열하는 것이 바람직할 수 있고/있거나 반응기(10)를 통해 흐름에 따라 반응 매질(60)을 가열하는 것이 바람직할 수 있다. 일반적으로, 반응기(10)의 바로 상류의 공급물에 가해지는 열과 반응기(10)에서의 반응 매질(60)에 가해지는 열의 누적 양은 약 100 내지 약 5,000 BTU/lb 범위, 약 400 내지 약 2,000 BTU/lb 범위, 또는 600 내지 1,500 BTU/lb 범위일 수 있다.
도 1을 다시 참고하면, 반응기(10)가 용융-상 폴리에스터 제조 공정(예컨대, PET 제조 공정)에서 마무리 반응기로서 이용되는 경우, 공급물 입구(24)로 도입되는 공급물의 평균 쇄 길이는 약 5 내지 약 50, 약 8 내지 약 40, 또는 10 내지 30 범위일 수 있지만, 액체 생성물 출구(26)로부터 회수된 주된 액체 생성물의 평균 쇄 길이는 약 30 내지 약 210, 약 40 내지 약 80, 또는 50 내지 70 범위일 수 있다. 일반적으로, 반응기(10)에서 수행되는 중축합은 공급물 입구(24)와 액체 생성물 출구(26) 사이에서 반응 매질(60)의 평균 쇄 길이가 약 10 이상, 약 25 이상, 또는 50 이상 만큼 증가하도록 야기시킬 수 있다.
반응기(10)가 마무리 반응기로서 이용되는 경우, 공급물은 약 220 내지 약 350 ℃, 약 265 내지 약 305 ℃, 또는 270 내지 290 ℃ 범위의 온도에서 공급물 입구(24)로 들어갈 수 있다. 액체 생성물 출구(26)를 빠져 나오는 주된 액체 생성물은 공급물 입구(24)를 들어가는 공급물 온도의 약 50 ℃, 25 ℃, 또는 10 ℃ 이내의 온도를 가질 수 있다. 한 실시양태에서, 액체 생성물 출구(26)를 빠져 나오는 액체 생성물의 온도는 약 220 내지 약 350 ℃, 약 265 내지 약 305 ℃, 또는 270 내지 290 ℃ 범위이다. 반응기(10)가 마무리 반응기로서 이용되는 경우, 반응기(10)에서의 증기 공간 압력(증기 출구(28)에서 측정됨)은 약 0 내지 약 30 토르 범위, 약 1 내지 약 20 토르 범위, 또는 2 내지 10 토르 범위로 유지될 수 있다.
본 발명의 실시양태에 따라 형성된 반응기는 폴리에스터 제조 공정의 중축합 단계에서 반응기로서 이용되는 경우 수많은 장점을 제공할 수 있다. 상기 반응기는 PET 제조 공정에서 예비중합체 및/또는 마무리 반응기로서 이용되는 경우 특히 유리할 수 있다. 추가로, 상기 반응기는 약 10,000 파운드/시간 이상, 약 100,000 파운드/시간 이상, 약 250,000 파운드/시간 이상, 또는 500,000 파운드/시간 이상의 비율로 PET를 생성할 수 있는 상업적 규모의 PET 생산 설비에서 사용하는 것이 아주 적합하다.
본 발명의 한 실시양태에서, 하향으로 경사진 관형 부재, 상기 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 상기 관형 부재에 배치된 제 1 트레이를 포함한 반응기에서 반응 매질을 화학 반응으로 처리하는 단계를 포함하는 공정이 제공된다. 관형 부재는 수평 아래로 약 5 내지 약 75 도 범위의 하향 각도로 배향된 신장부의 중심 축을 따라 신장된다. 흐름 분할기는 반응 매질을 관형 부재의 바닥 위로 흐르는 제 1 부분 및 제 1 트레이 위로 흐르는 제 2 부분으로 분할한다. 관형 부재, 반응 매질 흐름, 흐름 분할기 및 트레이의 특징을 포함한 도 1 내지 7의 상세한 설명이 이 실시양태에 적용된다.
하나의 예로, 생성물은 반응기의 생성물 출구로부터 제거되며, 이때 반응 매질은 반응기에서 생성물을 형성한다. 또한, 화학 반응이 중축합을 포함하는 경우, 생성물은 중축합 생성물일 수 있다. 생성물 또는 중축합 생성물의 고유 점도(It.V.)는 약 0.3 내지 약 1.2, 약 0.35 내지 약 0.6, 또는 0.4 내지 0.5 dL/g 범위일 수 있다. 하나의 예로, 생성물 또는 중축합 생성물의 It.V.은 약 0.1 내지 약 0.5, 약 0.1 내지 약 0.4, 또는 0.15 내지 0.35 dL/g 범위이다. 하나의 예로, 공급물은 반응기의 공급물 입구로 도입되어 반응 매질을 형성하고, 공급물의 It.V.은 약 0.1 내지 약 0.5, 약 0.1 내지 약 0.4, 또는 0.15 내지 0.35 dL/g 범위이다.
고유 점도 값은 60 중량% 페놀 및 40 중량%의 1,1,2,2-테트라클로로에테인 중 25 ℃에서 측정된 내재 점도(Ih.V.)로부터 계산되는 것으로 dL/g 단위로서 기재된다. 중합체 샘플은 0.25 g/50 mL의 농도에서 용매에 용해될 수 있다. 중합체 용액의 점도는, 예를 들면 레오테크(Rheotek) 유리 모세관 점도계를 사용하여 측정될 수 있다. 이 점도계의 작동 원리의 설명은 ASTM D 4603에서 찾을 수 있다. 내재 점도는 측정된 용액 점도로부터 계산된다. 하기 수학식 1은 상기 용액 점도 측정 및 Ih.V.으로의 후속 계산 및 Ih.V.로부터 It.V.로의 후속 계산을 설명한다:
Figure 112010001481076-pct00001
상기 식에서,
ηinh는 60 중량% 페놀 및 40 중량%의 1,1,2,2-테트라클로로에테인의 0.5 g/100 mL의 중합체 농도에서 25 ℃에서의 내재 점도이고;
ln은 자연 로그이고;
ts는 모세관을 통한 샘플의 흐름 시간이고;
to는 모세관을 통한 용매-블랭크의 흐름 시간이고;
C는 용매(0.50%) 100 mL 당 중합체 g의 농도이다.
고유 점도는 중합체의 비점도의 무한 희석시의 극한 값이다. 이는 하기 수학식 2로 정의된다:
Figure 112010001481076-pct00002
상기 식에서,
ηint는 고유 점도이고;
ηr은 상대 점도이고, 이는 ts/to와 같고;
ηsp는 비점도이며, 이는 ηr - 1과 같다.
고유 점도(It.V. 또는 ηint)는 하기와 같은 빌마이어(Billmeyer) 수학식 3을 사용하여 추정될 수 있다:
Figure 112010001481076-pct00003
고유 점도를 추정하기 위한 참조 문헌(빌마이어 관계)은 문헌[J. Polymer Sci., 4, pp. 83-86 (1949)]이다.
또한, 중합체 용액의 점도는 비스코텍 개질된 차등 점도계(Viscotek Modified Differential Viscometer)(차압 점도계의 작동 원리의 설명은 ASTM D 5225에서 찾을 수 있다) 또는 당해 분야의 숙련자에게 공지된 다른 방법을 사용하여 측정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에서, (a) 중축합 공급물을 중축합 반응기로 도입하는 단계로서, 이때 상기 중축합 공급물이 상기 반응기에서 반응 매질을 형성하고, 상기 중축합 공급물이 약 5 내지 약 50 범위의 평균 쇄 길이를 갖는 PET를 포함하는, 중축합 공급물을 중축합 반응기로 도입하는 단계, (b) 상기 반응 매질을 상기 반응기에서 중축합시키는 단계로서, 이때 상기 반응기가 실질적으로 곧은 파이프, 상기 파이프에 배치된 흐름 분할기, 상기 파이프에 배치된 제 1 트레이 및 상기 파이프에 배치된 제 2 트레이를 포함하고, 상기 파이프가 수평 아래로 약 10 내지 약 60 도 범위의 하향 각도로 배향되고, 상기 파이프가 약 2:1 내지 약 50:1 범위의 길이-대-직경(L:D) 비율을 갖고, 상기 제 1 및 제 2 트레이가 각각 약 0.25L 이상의 길이를 갖고, 상기 흐름 분할기가 상기 반응 매질을 파이프의 바닥 위로 흐르는 제 1 부분, 제 1 트레이 위로 흐르는 제 2 부분 및 제 2 트레이 위로 흐르는 제 3 부분으로 분할하고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 부분의 질량 유속이 서로 약 50% 이내에 있고, 상기 제 1 및 제 2 트레이가 각각 상기 반응 매질의 제 2 및 제 3 부분이 각각 흐르는 제 1 및 제 2 상향식 대향 표면을 제공하고, 상기 제 1 및 제 2 상향식 대향 표면이 파이프의 하향 각도의 약 5 도 이내로 각각 배향되는, 상기 반응 매질을 상기 반응기에서 중축합시키는 단계, 및 (c) 상기 반응기로부터 주된 액체 중축합 생성물을 회수하는 단계로서, 이때 상기 중축합 생성물이 중축합 공급물 중의 PET의 평균 쇄 길이보다 적어도 약 10을 초과하는 평균 쇄 길이를 갖는 PET를 포함하는, 상기 반응기로부터 주된 액체 중축합 생성물을 회수하는 단계를 포함하는, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 제조하는 방법이 제공된다. 관형 부재, 반응 매질 흐름, 흐름 분할기 및 트레이의 특징을 포함한 도 1 내지 7의 상세한 설명이 이 실시양태에 적용된다.
하나의 예로, 중축합 공급물의 It.V.는 약 0.1 내지 약 0.5 dL/g, 약 0.1 내지 약 0.4 dL/g, 또는 약 0.15 내지 약 0.35 dL/g 범위에 있다. 하나의 예로, 중축합 생성물의 It.V.은 약 0.3 내지 약 1.2 dL/g, 약 0.35 내지 약 0.6 dL/g, 또는 0.4 내지 0.5 dL/g 범위에 있다.
본 발명의 추가의 실시양태에서, 하향으로 경사진 관형 부재, 상기 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 상기 관형 부재에 배치된 트레이를 포함하는 반응기가 제공된다. 관형 부재는 수평 아래로 약 5 내지 약 75 도 범위의 하향 각도로 배향된 신장부의 중심 축을 따라 신장된다. 트레이는 관형 부재의 길이의 4분의 1 이상 연장되며, 관형 부재의 상단 및 바닥으로부터 이격되어 있다. 반응기는 일반적으로 트레이 아래에 위치한 하부 챔버 및 일반적으로 트레이 위에 위치한 상부 챔버를 한정한다. 흐름 분할기는 하부 챔버와 유체 연통하는 제 1 출구 및 상부 챔버와 유체 연통하는 제 2 출구를 적어도 부분적으로 한정한다. 관형 부재, 반응 매질 흐름, 흐름 분할기 및 트레이의 특징을 포함한 도 1 내지 7의 상세한 설명이 이 실시양태에 적용된다.
수치 범위
본 발명은 본 발명과 관련한 특정 매개변수를 정량화하기 위해 수치 범위를 사용한다. 수치 범위가 제공되는 경우, 상기 범위는 오직 상기 범위의 상한치만을 인용하는 청구범위의 제한뿐만 아니라 오직 상기 범위의 하한치만을 인용하는 청구범위의 제한을 문자적으로 지지하는 것으로서 간주됨을 이해해야 한다. 예를 들면, 10 내지 100 범위로 개시된 수치 범위는 "10 초과"(상계 없음)를 인용하는 청구범위 및 "100 미만"(하계 없음)을 인용하는 청구범위를 문자적으로 지지한다.
정의
본원에서 사용되는 단수 및 용어 "상기"는 하나 이상을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "교반"은 유체 흐름을 유발하고/하거나 혼합을 유발하는 반응 매질로 발산되는 작업을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "및/또는"은 두 개 이상의 항목에서 사용되는 경우, 열거된 항목 중 임의의 하나가 그 자체로 사용되거나, 열거된 항목 중 두 개 이상의 임의의 조합이 사용될 수 있음을 의미한다. 예를 들면, 조성물이 성분 A, B 및/또는 C를 함유하는 것으로 기재되는 경우, 상기 조성물은 A 단독; B 단독; C 단독; A와 B의 조합; A와 C의 조합; B와 C의 조합; 또는 A와 B와 C의 조합을 함유할 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "평균 쇄 길이"는 중합체의 반복 단위의 평균 개수를 의미한다. 폴리에스터의 경우, 평균 쇄 길이는 반복 산 및 알콜 단위의 개수를 의미한다. 평균 쇄 길이는 수 평균 중합도(DP)와 같다. 평균 쇄 길이는 당해 분야의 숙련자에게 공지된 다양한 수단으로 측정될 수 있다. 예를 들면, 1H-NMR을 사용하여 말단 기 분석에 기초한 쇄 길이를 직접적으로 결정할 수 있고, 광 산란을 사용하여 쇄 길이를 결정하는데 사용되는 상관 관계에 의해 중량 평균 분자량을 측정할 수 있다. 쇄 길이는 종종 겔 투과 크로마토그래피(GPC) 측정 및/또는 점도 측정에 의한 상관 관계에 기초하여 계산된다.
본원에서 사용되는 용어 "포함하는" 및 "포함하다"는 상기 용어 뒤에 인용되는 대상으로부터 상기 용어 앞에 인용되는 하나 이상의 요소로 이행하는데 사용되는 제한 없는 이행 용어이며, 여기에서 상기 이행 용어 앞에 열거된 요소들은 상기 대상을 구성하는 요소들만을 반드시 필요로 하지 않는다.
본원에서 사용되는 용어 "함유하는" 및 "함유하다"는 상기 제공된 "포함하는" 및 "포함하다"와 동일한 제한 없는 정의를 갖는다.
본원에서 사용되는 용어 "전환"은 에스터화로 처리된 스트림의 액체 상의 특성을 기술하기 위해 사용되고, 이때 에스터화된 스트림의 전환은 에스터 기로 전환된(즉, 에스터화된) 원래의 산 말단 기의 비율을 가리킨다. 퍼센트로서 표시되는 전환은 전환된 말단 기(즉, 알콜 말단 기)를 말단 기의 총 수(즉, 알콜 + 산 말단 기)로 나눔으로서 정량화될 수 있다.
본원에서 사용되는 용어 "직접적으로 결합된"은 두 개의 관보다 실질적으로 더 좁은 직경을 갖는 중간 연결기를 사용하지 않으면서 서로 유체 연통하는 두 개의 관을 연결하는 방식을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "에스터화"는 에스터화 및 에스터 교환 반응 둘 다를 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "갖는" 및 "갖다"는 상기 제공된 "포함하는" 및 "포함하다"와 동일한 제한 없는 정의를 갖는다.
본원에서 사용되는 용어 "수평으로 연장된"은 최대 수평 치수가 최대 수직 치수보다 더 큰 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "비롯한" 및 "비롯하다"는 상기 제공된 "포함하는" 및 "포함하다"와 동일한 제한 없는 정의를 갖는다.
본원에서 사용되는 용어 "기계적 교반"은 반응 매질에 거슬러서 또는 반응 매질 내에서의 강성 또는 가요성 요소의 물리적 움직임에 의해 유발된 반응 매질의 교반을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "개방 흐름 면적"은 유체 흐름에 이용 가능한 개방 면적을 지칭하며, 여기서 개방 면적은 개구를 통한 흐름 방향에 수직인 평면을 따라 측정된다.
본원에서 사용되는 용어 "파이프"는 일반적으로 원통형 측벽을 갖는 실질적으로 곧은 신장된 관형 부재를 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "폴리에틸렌 테레프탈레이트" 및 "PET"는 PET 동종중합체 및 PET 공중합체를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "폴리에틸렌 테레프탈레이트 공중합체" 및 "PET 공중합체"는 하나 이상의 첨가된 공단량체에 의해 10 몰% 이하만큼 개질된 PET를 의미한다. 예를 들면, 용어 "폴리에틸렌 테레프탈레이트 공중합체" 및 "PET 공중합체"는 100 몰%의 카복실산을 기준으로 10 몰% 이하의 아이소프탈산에 의해 개질된 PET를 포함한다. 다른 예로, 용어 "폴리에틸렌 테레프탈레이트 공중합체" 및 "PET 공중합체"는 100 몰% 다이올을 기준으로 10 몰% 이하의 1,4-사이클로헥세인 다이메탄올(CHDM)에 의해 개질된 PET를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "폴리에스터"는 통상적인 폴리에스터를 지칭할뿐만 아니라 폴리에스터 유도체, 예컨대 폴리에터에스터, 폴리에스터 아마이드 및 폴리에터에스터 아마이드를 포함한다.
본원에서 사용되는 용어 "주된 액체"는 50 부피% 초과의 액체를 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "반응 매질"은 화학 반응으로 처리되는 임의의 매질을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어 "잔기"는 특정 반응식에서의 화학 종의 결과적인 생성물 또는 후속 배합물 또는 화학 생성물인 부분을 지칭하는 것으로서, 이러한 부분이 상기 화학 종으로부터 실질적으로 수득되는지의 여부와는 관계없다.
본원에서 사용되는 용어 "수직으로 신장된"은 최대 수직 치수가 최대 수평 치수보다 더 큰 것을 의미한다.
본원에서 사용되는 용어 "증기 부산물"은 목적하는 화학 반응에 의해 발생된 증기(즉, 증기 공생성물) 및 반응 매질의 다른 반응(즉, 부 반응)에 의해 발생된 임의의 증기를 포함한다.
개시된 실시양태로 제한되지 않는 청구범위
상기 기재된 본 발명의 대표적인 실시양태는 청구되는 발명의 범위를 오직 설명하는 것으로서 사용되며, 청구되는 발명의 범위를 해석하기 위해 제한되는 의미로 사용해서는 안된다. 상기 기재된 대표적인 실시양태의 다양한 변형은 하기 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 당해 분야의 숙련자에 의해 용이하게 이루어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 액체-함유 반응 매질을 사용한 폴리에스터의 용융-상 제조 방법으로서,
    하향으로 경사진 관형 부재, 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 관형 부재에 배치된 제 1 트레이를 포함하는 반응기에서 반응 매질을 화학 반응에 적용하는 단계를 포함하되, 이때
    관형 부재가 수평 아래로 5 내지 75 도 범위의 하향 각도로 배향된 신장부의 중심 축을 따라 신장되고,
    흐름 분할기가 반응 매질을 관형 부재의 바닥 위로 흐르는 제 1 부분 및 제 1 트레이 위로 흐르는 제 2 부분으로 분할하는,
    폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하향으로 경사진 관형 부재가 수평 아래로 10 내지 60 도 범위의 하향 각도를 갖는 곧은(straight) 파이프이고,
    파이프에 배치된 제 2 트레이를 추가로 포함하고,
    이때 파이프가 2:1 내지 50:1 범위의 길이-대-직경(L:D) 비율을 갖고,
    제 1 및 제 2 트레이가 각각 0.25L 이상의 길이를 갖고,
    흐름 분할기가 반응 매질을 제 2 트레이 위로 흐르는 제 3 부분으로 더욱 분할하고,
    제 1, 제 2 및 제 3 부분의 질량 유속이 서로 50% 이내에 있고,
    제 1 및 제 2 트레이가 각각 반응 매질의 제 2 및 제 3 부분이 각각 흐르는 제 1 및 제 2 상향식 대향 표면을 제공하고,
    제 1 및 제 2 상향식 대향 표면이 파이프의 하향 각도의 5 도 이내로 각각 배향되는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    반응 매질이, 5 내지 50 범위의 평균 쇄 길이를 갖는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)를 포함하는 중축합 공급물을 포함하고, 이때 평균 쇄 길이는 PET의 반복 단위의 평균 개수를 의미하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    반응 매질이 중력에 의해 반응기를 통해 흐르는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    관형 부재가 2:1 내지 50:1 범위의 길이-대-직경(L:D) 비율을 갖고, 이때 길이(L)가 3.05 내지 61 미터(10 내지 200 피트) 범위이고, 직경(D)이 0.31 내지 6.1 미터(1 내지 20 피트) 범위인, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    반응기의 상단 및/또는 바닥에 위치한 증기 출구를 통해 반응기로부터의 증기 부산물의 적어도 일부를 배출하는 단계를 추가로 포함하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    반응기의 상단에 위치한 공급물 입구에서 50 부피% 초과의 액체를 함유하는 공급물을 반응기로 도입하는 단계를 추가로 포함하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    반응기의 바닥에서 반응 매질의 제 1 부분 및 제 2 부분을 조합하는 단계, 및 조합된 반응 매질을 반응기의 바닥에 위치한 액체 출구로부터 배출시키는 단계를 추가로 포함하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    반응기의 바닥에서 반응 매질의 제 1 부분, 제 2 부분 및 제 3 부분을 조합하는 단계, 및 조합된 반응 매질을 반응기의 바닥에 위치한 액체 출구로부터 배출시키는 단계를 추가로 포함하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    화학 반응이 중축합이고, 반응 매질의 평균 쇄 길이가 상기 반응기에서 10 이상 증가하고, 이때 평균 쇄 길이는 반응 매질 중에 존재하는 중합체의 반복 단위의 평균 개수를 의미하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    반응기에 의해 PET가 생성되는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  12. 제 3 항에 있어서,
    PET가, 90 몰% 이상의 에틸렌 테레프탈레이트 반복 단위 및 10% 이하의 첨가된 공단량체 반복 단위를 포함하는 PET 공중합체인, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    첨가된 공단량체 반복 단위가, 아이소프탈산, 2,6-나프탈린-다이카복실산, 1,4-사이클로헥세인-다이메탄올, 다이에틸렌 글리콜 및 이들의 두 개 이상의 조합물로 이루어진 군 중에서 선택되는 첨가된 공단량체로부터 유도되는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    첨가된 공단량체가 아이소프탈산을 포함하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  15. 제 3 항에 있어서,
    공급물을 220 내지 350 ℃ 범위의 온도에서 유지하고, 반응기에서의 증기 공간 압력을 0 내지 39996 Pa(0 내지 300 토르) 범위에서 유지하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  16. 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응기로부터 50 부피% 초과의 액체를 함유하는 중축합 생성물을 회수하는 단계를 추가로 포함하되, 중축합 생성물이, 중축합 공급물 중의 PET의 평균 쇄 길이보다 적어도 10을 초과하는 평균 쇄 길이를 갖는 PET를 포함하고, 이때 평균 쇄 길이는 PET의 반복 단위의 평균 개수를 의미하는, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  17. 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응기의 생성물 출구로부터 생성물을 회수하는 단계를 추가로 포함하되, 이때 반응 매질이 생성물을 형성하고, 생성물의 고유 점도(It.V.)가 0.3 내지 1.2 dL/g 범위인, 폴리에스터의 용융-상 제조 방법.
  18. 하향으로 경사진 관형 부재, 관형 부재에 배치된 흐름 분할기 및 관형 부재에 배치된 제 1 트레이를 포함하는 반응기로서,
    관형 부재가 수평 아래로 5 내지 75 도 범위의 하향 각도로 배향된 신장부의 중심 축을 따라 신장되고,
    제 1 트레이가 관형 부재의 길이의 4분의 1 이상 연장되며, 관형 부재의 상단 및 바닥으로부터 이격되어 있고,
    반응기가 제 1 트레이 아래에 위치한 하부 챔버 및 제 1 트레이 위에 위치한 상부 챔버를 한정하고,
    흐름 분할기가 하부 챔버와 유체 연통(fluid communication)하는 제 1 출구 및 상부 챔버와 유체 연통하는 제 2 출구를 적어도 부분적으로 한정하는, 반응기.
KR1020107000503A 2007-07-12 2008-07-07 분할된 흐름을 갖는 경사진 관형 반응기 KR101550076B1 (ko)

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US11/776,600 2007-07-12
US11/776,600 US7842777B2 (en) 2007-07-12 2007-07-12 Sloped tubular reactor with divided flow

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