KR101671043B1

KR101671043B1 - 퍼옥시드 개시제 주입용 저밀도 폴리에틸렌(ｌｄｐｅ) 관형 반응기

Info

Publication number: KR101671043B1
Application number: KR1020117020480A
Authority: KR
Inventors: 오토 베르베; 존 키팅; 게릿 홈머솜; 래리 모스; 베르너 초흐
Original assignee: 다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2016-10-31
Also published as: JP2012516935A; CA2749568A1; EP2393587B1; US20100193607A1; CN102369055B; US20110278379A1; US8308087B2; CN102369055A; WO2010091151A1; EP2393587A1; BRPI1005304A2; ES2828730T3; WO2010091151A9; SG173530A1; KR20110123761A

Abstract

공정 유체를 수용하기 위한 입구 포트, 출구 포트, 및 개시제를 수용하기 위한 주입기 입구; 수축부, 목부 및 팽창부를 이 순서대로 더 포함하는 공정 유체 유동 통로 - 이를 통해 공정 유체가 중심 공정 유동 축을 따라 입구 포트와 출구 포트 사이를 가로지름 -; 수축부에서 공정 유체 유동 통로와 교차하는 개시제 유체 유동 통로 - 이를 통해 개시제가 주입기 중심 수직 축을 따라 주입기 입구와 주입기 출구 사이를 가로지름 - ; 개시제 유체 유동 통로를 적어도 부분적으로 포함하고, 개시제 유체 유동 통로의 주입기 출구를 형성하는 형상(shaped) 주입기 팁을 더 포함하는 스타일러스를 포함하며, 주입기 출구는 중심 공정 유동 축을 따라 결정된 수평 오프셋만큼 목부의 상류에 및 공정 유체 유동 통로의 수축부에 배치되며, 주입기 출구는 주입기 중심 수직 축을 따라 결정된 수직 오프셋만큼 중심 공정 유동 축으로부터 떨어져서 배치되는, 개시제를 공정 유체와 혼합하기 위한 개시제 주입 노즐.

Description

퍼옥시드 개시제 주입용 저밀도 폴리에틸렌(ＬＤＰＥ) 관형 반응기 {LOW DENSITY POLYETHYLENE(LDPE) TUBULAR REACTOR FOR PEROXIDE INITIATOR INJECTION}

본 발명은 승온 및 승압에서 유체를 다른 유체에 주입하는데 유용한 장치, 및 이러한 하나 이상의 장치를 도입한 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 유기 퍼옥시드를 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체를 함유한 공정 유체에 주입하여 자유 라디칼 중합된 에틸렌 기재 중합체 생성물을 형성하는데 유용한 장치에 관한 것이다.

관형 반응기를 사용하여 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체로부터 저밀도 에틸렌 기재 중합체, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 형성하는 방법은 본 기술분야에 주지되어 있다. 전체적인 공정은 공정 유체를 함유하는 튜브 반응기에서의 자유 라디칼 중합이며, 여기서 부분적으로 에틸렌으로 구성된 공정 유체 및 에틸렌은 고 발열 반응으로 에틸렌 기재 중합체로 전환된다. 이 반응은 약 160 ℃ 내지 약 360 ℃인 최대 온도에서의 난류 공정 유체 유동 조건에서 높은 작동 압력(약 1000 bar 내지 4000 bar) 하에서 일어난다. 반응 개시 온도, 또는 단량체(및 선택적인 공단량체)의 중합체로의 전환이 개시되는(또는 반응 튜브를 따라 다중 반응 지점이 존재하는 경우, 재개시되는) 온도는 약 120 ℃ 내지 약 240 ℃이다. 관형 반응기의 통상적인 단일 패스 전환값은 약 20 내지 약 40 %이다.

반응은 개시제를 반응기 튜브 내의 하나 이상의 반응 구역에 주입함으로써 개시(및 재개시)된다. 개시제는 공정 유체와 혼합되며, 열(통상적으로, 잠열 - 공정 유체는 대개 이미 적절한 반응 온도에 있음)의 존재 하에서, 개시제는 자유 라디칼 분해 생성물을 형성한다. 분해 생성물은 에틸렌(및 선택적인 공단량체)과 자유 라디칼 중합 반응을 시작하여 에틸렌 기재 중합체 생성물을 형성한다.

반응은 반응 구역에 다량의 열을 발생시킨다. 적절한 냉각이 없으면, (이제 열을 흡수하여 보유한 에틸렌 기재 중합체 생성물을 함유하는) 공정 유체의 단열 온도 상승은 결국 부적절하고 제어불가능할 수 있는 반응을 초래한다. 이러한 바람직하지 않은 반응은 에틸렌 분해(탄소, 메탄, 아세틸렌 및 에탄과 같은 생성물을 형성함), 고분자량 중합체 쇄의 형성, 및 조합 및 가교에 의한 종결을 포함할 수 있으며, 이는 분자량 분포의 넓어짐을 야기할 수 있다. 이러한 바람직하지 않은 반응의 결과는 일정치 않은 생성물 품질 및 농도(consistency) 문제에서부터 반응 시스템 정지, 통기 및 세척에 이른다.

바람직하지 않은 반응은 또한, 공정 유체에 개시제가 부적절하게 분배된 경우에 일어날 수 있다. 정상적인 공정 작동 조건 하에서, 개시제는 공정 유체에 주입된 후 신속하게 자유 라디칼 생성물로 분해(break down)된다. 공정 유체에의 개시제 분산은 종종 공정 유체 흐름 내부에 높은 개시제 농도를 갖는 국부적인 구역을 야기한다. 이러한 국부적인 개시제 구역은 공정 유체에 불균형적인 반응 프로파일을 조성한다: 국부적인 개시제 구역 부근에는 더 많은 양의 중합 및 열 발생이 일어나고, 다른 부분에서는 덜 일어남.

이러한 불균형적인 반응 프로파일은 공정과 관련된 문제들, 예컨대 주입 포트 또는 공정 유체 유동 채널을 막히게 할 수 있는, 개시제 주입 위치 부근에 고분자량 물질의 축적을 야기할 수 있다. 이는 또한, 종종 고분자량 물질의 "벗겨짐(sloughing off)"을 초래하는, 주입 위치 부근에 또는 반응 튜브의 벽을 따라 고분자량 물질의 축적을 야기할 수 있다. 이는 또한, 상기 언급한 바와 같이 에틸렌 분해를 야기할 수 있다. 유의한 농도의 새로운 개시제가 (온도가 상승된) 반응 섹션에서 반응기 튜브의 벽과 접촉하는 경우, 개시제는 분해되고 신속히 반응하여, 완전한 시스템-전체의 분해로 전파될 수 있는 국부적인 반응 "핫 스팟(hot spot)"을 시작할 수 있다.

다양한 노즐 구성 및 다른 시스템 변화를 통해 공정 유체 스트림에 주입한 물질의 혼합을 개선하기 위한 다양한 시도가 이뤄졌다. 영국특허 제1,569,518호(키타(Kita) 등)는 기계적인 제한부 - 정적 인라인 혼합기 - 를 사용하여 난류 유동을 생성하는 것을 기술하고 있다. 미국특허 제3,405,115호(샤퍼트(Schapert) 등)는, 기체 스트림이 나뉘어져서, 하나의 스트림에 촉매가 주입되고, 기체 스트림을 재조합하는 스파저(sparger)와 유사한 것을 기술하고 있다. PCT 특허공보 제WO 2005/065818호(헴(Hem) 등)는 비원형 반응 튜브 프로파일을 기술하고 있다. 미국특허 제6,677,408호(맬링(Mahling) 등)는 개시제 주입 위치 상류에 역회전하는 2 개의 기체 유동을 발생시키는데 사용되는 인라인 블레이드를 갖는 도그본(dog-bone) 구성을 기술하고 있다. 미국특허 제6,951,908호(그루스(Groos) 등)는 개시제를 반응 시스템에 도입하기 위한 "와류 요소"를 갖는다. 유럽 공개출원 제0449092호(쾰러(Koehler) 등)는 일반적인 주입 노즐을 기술한다.

본 발명의 일 실시양태에서, 개시제를 공정 유체와 혼합하기 위한 개시제 주입 노즐은, 공정 유체를 수용하기 위한 입구 포트, 출구 포트, 및 개시제를 수용하기 위한 주입기 입구를 더 포함하는 본체; 수축부, 목부 및 팽창부를 이 순서대로 더 포함하는 공정 유체 유동 통로 - 이를 통해 공정 유체가 중심 공정 유동 축을 따라 입구 포트와 출구 포트 사이를 가로지름 - ; 수축부에서 공정 유체 유동 통로와 교차하는 개시제 유체 유동 통로 - 이를 통해 개시제가 주입기 중심 수직 축을 따라 주입기 입구와 주입기 출구 사이를 가로지름 - ; 및 개시제 유체 유동 통로를 적어도 부분적으로 포함하고, 개시제 유체 유동 통로의 주입기 출구를 형성하는 형상(shaped) 주입기 팁을 더 포함하는 스타일러스(stylus)를 포함할 수 있으며, 주입기 출구는 중심 공정 유체 축을 따라 결정된 수평 오프셋(offset) 만큼 목부의 상류에 및 공정 유체 유동 통로의 수축부에 배치되며, 주입기 출구는 주입기 중심 수직 축을 따라 결정된 수직 오프셋만큼 중심 공정 유동 축으로부터 떨어져서 배치된다.

본 발명의 다른 실시양태에서, 수평 오프셋 대 수직 오프셋의 비는 약 1.0 내지 약 10이다. 다른 실시양태에서, 수직 오프셋을 제외한 목부 반경 대 목부 반경의 비는 약 0.45 내지 약 0.90이다. 다른 실시양태에서, 팽창부 각도는 약 23 내지 약 48 도이다. 다른 실시양태에서, 팽창부 각도 대 수축부 각도의 비는 약 1.0 내지 약 3.0이다.

본 발명의 다른 실시양태에서, 형상 주입기 팁은 바늘형 형상을 포함한다. 일부 다른 실시양태에서, 형상 주입기 팁은 직각 바늘형 형상을 포함한다. 일부 다른 실시양태에서, 형상 주입기 팁은 원형 또는 돔형 형상을 포함한다. 일부 다른 실시양태에서, 형상 주입기 팁은 경사져 있다.

본 발명의 일 실시양태에서, 공정 유체를 함유하는 튜브 반응기 시스템은, 에틸렌을 공정 유체에 공급하기 위한 하나 이상의 새로운 공급물 공급원, 하나 이상의 새로운 공급물 공급원 및 재순환 도관 모두와 유체 연통하고 반응 조건으로 공정 유체를 가압하기 위한 제1 압축기, 공정 유체 내의 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체의 일부를 저밀도 에틸렌 기재 중합체로 전환하고 에틸렌의 나머지 부분은 제1 압축기와 유체 연통하게 하는 반응기 튜브, 에틸렌의 나머지 부분으로부터 저밀도 에틸렌 기재 중합체를 분리하기 위한, 반응기 튜브와 유체 연통하는 고압 분리기, 및 에틸렌의 나머지 부분을 제1 압축기로 이송하기 위한, 고압 분리기와 유체 연통하는 재순환 도관을 포함하며; 개선사항은, 개시제 및 공정 유체를 함유하는 개시제 공급원과 유체 연통하는 하나 이상의 개시제 주입 노즐 - 하나 이상의 개시제 주입 노즐은 공정 유체를 수용하기 위한 입구 포트, 출구 포트, 및 개시제를 수용하기 위한 주입기 입구를 더 포함하는 본체를 포함함 - 을 더 포함하는 반응기 튜브를 포함하며; 하나 이상의 개시제 주입 노즐은, 수축부, 목부 및 팽창부를 이 순서대로 더 포함하는 공정 유체 유동 통로 - 이를 통해 공정 유체가 중심 공정 유동 축을 따라 입구 포트와 출구 포트 사이를 가로지름 - 를 더 포함하며; 하나 이상의 개시제 주입 노즐은 수축부에서 공정 유체 유동 통로와 교차하는 개시제 유체 유동 통로 - 이를 통해 개시제가 주입기 중심 수직 축을 따라 주입기 입구와 주입기 출구 사이를 가로지름 - 를 더 포함하며; 하나 이상의 개시제 주입 노즐은, 개시제 유체 유동 통로를 적어도 부분적으로 포함하고 개시제 유체 유동 통로의 주입기 출구를 형성하는 형상 주입기 팁을 더 포함하는 스타일러스를 더 포함하며; 개시제 출구는 중심 공정 유동 축을 따라 결정된 수평 오프셋만큼 목부의 상류에 및 공정 유체 유동 통로의 수축부에 배치되며; 주입기 출구는 주입기 중심 수직 축을 따라 결정된 수직 오프셋만큼 중심 공정 유동 축으로부터 떨어져서 배치된다.

전술한 개요 및 하기 상세한 설명은 첨부된 도면과 함께 읽으면 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 본 발명은 도시된 정확한 구성 및 수단으로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 도면의 구성요소는 반드시 비례하는 것은 아니며, 대신 본 발명의 원리를 명확히 예시하고자 강조가 이뤄진다. 또한, 도면에서 동일한 참조 번호는 수 개의 도면에 걸쳐 상응하는 부분을 지칭한다.
도 1a 내지 도 1d는 일 실시양태의 개시제 주입 노즐의 렌즈 티(tee) 부분(100)의 (a) 정면, (b) 측면, (c) 축방향 단면, 및 (d) 축방향 단면의 확대부의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 (a) 주입기 부분(200) 또는 일 실시양태의 개시제 주입 노즐의 부분 단면을 갖는 측면, 및 (b) 일 실시양태의 개시제 주입 노즐의 렌즈 티 부분(100)의 축방향 단면에 결합된 주입기 부분(200)의 측면도의 사시도이다. 도 2c 내지 도 2f는 (c) 바늘형 형상, (d) 직각 바늘형 형상, (e) 원형 또는 돔형 형상, 및 (f) 경사진 형상을 포함하는 다양한 형상 주입기 팁(221)의 개략도이다.
도 3은 하나 이상의 실시양태의 개시제 주입 노즐을 포함하는 일 실시양태의 튜브 반응기 시스템(300)의 개략도이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 개시제 주입 노즐을 제1 개시제 주입 노즐로 사용하여 0.25 MI 에틸렌 기재 중합체를 제조하는데 있어서, 상응하는 조건 하의 유사한 시스템의 제1 개시제 주입 노즐로부터 제2 개시제 주입 노즐까지의 거리에 대한 온도의 차트이다.
도 5는 실시예 및 비교예의 개시제 주입 노즐을 제1 개시제 주입 노즐로 사용하여 2.3 MI 에틸렌 기재 중합체를 제조하는데 있어서, 상응하는 조건 하의 유사한 시스템의 제1 개시제 주입 노즐로부터 제2 개시제 주입 노즐까지의 거리에 대한 시스템 온도의 차트이다.
실시양태의 개시제 주입 노즐의 다른 태양 및 장점이 하기 설명 및 첨부된 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.

하기 논의는 당업자가 첨부된 특허청구범위 내에서 개시된 본 발명을 실시하고 사용할 수 있게 하기 위해 제공된다. 기술된 일반적인 원리는, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 하기 상세하게 설명된 것 이외의 실시양태 및 용도에 적용될 수 있다. 본 발명은 도시된 실시양태로 제한되는 것은 아니며, 개시된 원리 및 특징과 일관된 가장 넓은 범위를 따른다.

종래 기술의 참고문헌 중 어느 것도 개시제 혼합을 최대화하기 위해 노즐을 사용하여 개시제 주입 위치의 바로 하류에 난류 혼합 구역을 형성하는 것에 대해 나타내고 있지 않다. 종래 기술의 참고문헌 중 어느 것도 공정 유체 유동의 중심에 대한 개시제 주입 위치의 위치를 최적화하여, 난류 혼합 구역에 진입시 공정 유체 흐름 내에서 개시제의 최대 분산을 보장하고 있지 않다.

실시양태의 개시제 주입 노즐은 벤투리(Venturi) 타입형 공정 유체 유동 채널을 사용하여, 공정 유체에 매우 빠른 개시제 분산을 제공하는 것을 돕는다. 공정 유체 유동 채널의 수축부 및 팽창부는 협력하여, 공정 유체의 압축 및 이후 공정 유체의 팽창에 의한 고 난류 후류(highly turbulent wake)의 생성에 의해 공정 유체가 개시제 주입 영역을 통해 신속하게 이동하도록 디자인된다. 실시양태의 개시제 주입 노즐 중 어느 것도 공정 유체 유동에 항력(drag) 또는 난류를 생성하는 기계적인 제한부 또는 장치를 사용하지 않는다. 공정 유체 유동의 기계적인 제한부는 고분자량 중합체의 형성을 허용하는 항력을 생성한다. 고분자량 중합체는 비교적 높은 수준의 개시제 농도 및 승온을 포함하는 낮은 공정 유체 유동의 영역에 형성된다. 목부 상류의 수축부 및 목부 하류의 팽창부는 바람직하게는, 가능한한 적은 유동 제한을 제공하면서 공정 유체로의 개시제의 혼합 능력은 유지하도록 최적화된다.

관형 반응기 내부의 고체-유체 경계면, 예컨대 튜브 벽과 공정 유체 사이에서, 공정 유체의 속도는 표면 마찰 또는 항력으로 인해 평균 공정 유체 속도에 비해 비교적 낮다. 항력은 또한, 불균형한 유체 유동을 초래하는 인라인(in-line) 물체에 의해, 예컨대 주입 튜브 또는 포트에 의해 야기될 수 있다. 블리엣 이 밴(Vliet, E. van), 더케센 제이제이(Derkesen, J.J.), 및 밴 덴 아커 에이치이에이(van den Akker, H.E.A.)의 문헌["Turbulent Mixing in a Tubular Reactor: Assessment of an FDF/LES Approach", AICHE JOURNAL, 725-39, Vol. 51, No. 3 (March 2005)]을 참조한다. 튜브벽 부근 또는 인라인 물체 이후의 낮은 공정 유체 속도는 벽 또는 물체의 표면 부근에 경계층을 형성시킨다. 이러한 경계층에서, 공정 유체 유동은 층류(비-난류)가 되며, 대개 점성 서브층으로 지칭된다. 점성 서브층 내에서는, 느리게 이동하고 잘 혼합되지 않기 때문에(비-난류이기 때문에), 단량체 및 새로 형성된 중합체 쇄는 더 긴 반응기 체류 시간에 노출되고, 이는 상승된 공정 반응 온도 및 화학적 개시제에 대한 추가적인 노출을 의미한다. 더 긴 반응기 체류 시간은 이러한 점성 서브층에 고분자량 중합체 쇄의 형성 가능성을 증가시킨다. 튜브 벽 또는 인라인 물체 부근의 경계층은 더 작고 빠르게 이동하거나 난류로 교란되기 때문에, 높은 평균 공정 유체 속도에서 또는 난류 유동의 도입에 의해 점성 서브층에 고 점성 고분자량 중합체 쇄가 축적되는 것이 최소화될 수 있다. 맥케이브(McCabe), 워렌 엘(Warren L) 등의 문헌[Unit Operations of Chemical Engineering, 56-58, McGraw-Hill, Inc. (5th ed., 1993)]을 참조한다.

압축된 공정 유체의 팽창에 의해 발생되는 난류는 혼합 구역의 튜브 벽 부근에서의 층류 유동층의 억제를 제공한다. 이는 개시제의 상대 농도가 가장 높은 반응기 튜브의 영역에서 매우 바람직한 것으로 밝혀졌다. 실시양태의 개시제 주입 노즐에 의해 생성된 난류는 부적절한 혼합으로 인해 발생하는 바람직하지 않은 화학적 반응 가능성을 현저하게 감소시킨다.

개시제가 단순히 노즐 벽의 구멍을 통해 공정 유체로 진행하거나, 개시제 노즐이 공정 유체 유동으로 충분히 멀리 돌출되지 않거나, 노즐 자체가 공정 유체에 개시제가 혼합되는 하류에 영향을 미치는 과도한 항력을 생성하는 종래 기술의 개시제 주입기는 공정 유체에 고르지 못한 개시제 분배를 제공한다. 정상 공정 조건에서 고르지 않고 부정확한 개시제 분배는 기대 이하의 에틸렌 전환 효율, 생성된 중합체의 더 넓은 분자량 분포, 시스템 오염을 초래하는 과도한 고분자량 중합체 형성, 및 심지어 제어불가능한(runaway) 반응 및 분해에 의한 공정 불량을 야기할 수 있다.

실시양태의 개시제 주입 노즐은, 개시제를 공정 유체에 주입하기 위해 공정 유동으로 돌출된 형상 주입기 팁을 구비한 주입기 튜브를 갖는다. 실시양태의 개시제 주입 노즐에서, 형상 주입기 팁은 공정 유체 유동 채널의 수축부의 목부 상류에 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 주입기 튜브는, 형상 주입기 팁이 수축부의 벽으로부터 충분히 멀리 떨어져서 개시제가 수축부의 벽과 상호작용하지 않고 공정으로 주입된 개시제가 배출시 공정 유체 유동의 중심에 근접하지만, 공정 유체 유동에는 그렇게 멀지 않아서 주입기 튜브 하류의 후류가 공정 유체 유동 방향에 유의한 영향을 주지 않도록, 공정 유체 유동 채널로 연장되는 것이 바람직하다. 형상 주입기 팁이 공정 유체 유동의 중심에 근접하지만 그 위에 있거나 그를 지나지 않도록, 그리고 공정 유체가 목부에 근접할 때 공정 유체에 대한 항력 효과를 보상하도록 충분히 멀지만 난류 혼합 구역을 반응시키기 전에 개시제가 분해되고 자유 라디칼 중합 반응을 개시할 수 있도록 그렇게 멀지는 않게 목부 상류에 주입기 튜브가 존재하도록 주입기 튜브를 공정 유체 유동으로 충분히 멀리 연장함으로써 상반되는 이익들 사이에 균형을 유지할 수 있음을 발견하였다. 주입기 튜브의 바람직한 위치는 공정 유체 유동 축을 따라 수축부의 벤투리 노즐의 목부 상류에서 양(positive)의 거리에 있고, 형상 주입기 팁이 공정 유체 유동의 중심 부근에 있지만 그 내부에 있거나 그를 넘어서지는 않는 곳이다.

실시양태의 개시제 주입기 노즐 구조의 이러한 협력 효과는 공정 유체가 수축될 때, 개시제가 공정 유체 유동의 중심 부근에 주입되게 한다는 점이다. 개시제가 포함된 공정 유체가 목부를 가로지를 때, 개시제는 유동의 중심에 그리고 주입 노즐의 벽으로부터 먼 곳에 농축된다. 공정 유체가 팽창 섹션에서 팽창될 때, 유동 중심의 개시제 농도는 모든 방향으로의 난류 유동 체제 내에서 신속히 분배된다.

개시제 주입 노즐을 사용하여 공정 유체 내에 개시제를 난류 혼합하고 급속히 분산시키는 것은 종래 기술에서는 발견되지 않는 몇 가지 긍정적인 장점을 갖는다. 고농도의 개시제 부근의 층류 구역을 최소화함으로써, 고분자량 중합체 쇄의 형성이 제한된다. 고분자량 중합체 쇄로 이루어진 단열성 중합체 층의 형성을 최소화하는 것은 전체적인 열 전달 효율을 향상시킨다. 고분자량 중합체 쇄는 공정을 "플레이트 아웃(plate out)"하고 반응 구역 부근의 공정 용기 또는 반응기 튜브의 내부를 코팅하는 경향이 있다. LDPE와 같은 에틸렌 기재 중합체는 매우 우수한 단열체이다. 고분자량 에틸렌 기재 중합체로 관형 반응기 또는 공정 용기의 내부 라이닝을 형성하는 것은 낮은 열 제거 능력(더 높은 단열 공정 온도를 초래함), 또는 반응기를 가로질러 더 높은 온도 차("델타 T" 또는 "ΔT"로도 공지된 온도 차)를 생성하기 위해 더 많은 에너지를 사용해야 함으로써 더 큰 에너지 비효율(즉, 단열된 반응기 튜브를 통해 더 높은 열 플럭스(flux)를 구동시키기 위해 입구 냉각 온도를 더 낮춤)을 초래할 것이다.

열 전달 성능의 향상과 관련하여, 개시제 주입 노즐과 함께 추가적인 개시제를 사용하여, 공정의 단일 패스 전환 효율을 향상시킬 수 있다. 공정 안전을 고려하여, 시스템에 주입되는 개시제의 양은 피크 공정 온도를 기준으로 제한된다. 이러한 온도 기반 제한은 반응 시스템을 통해 공정 유체의 단일 패스에서 전환될 수 있는 전체적인 에틸렌의 양을 제한시킨다. 고분자량 중합체 쇄의 생성이 최소화되면, 중합체 단열층의 축적이 제한됨으로써 열 제거 성능이 향상된다. 향상된 열 제거 성능은, 공정을 재개시하고 동일한 피크 공정 온도 제한을 사용하여 전환 효율을 증가시키는데 더 많은 양의 개시제가 사용되게 한다.

실시양태의 개시제 주입 노즐은 하나의 구성요소 또는 몇 개의 구성요소의 조립체 형태를 가질 수 있다. 본 발명의 특징 및 태양을 강조하기 위하여, 2 개의 구성요소 - 렌즈 티 부분(100) 및 주입기 부분(200) - 로 이루어진 일 실시양태의 개시제 주입 노즐을 기술한다. 당업자는 본 발명의 특징 및 태양 모두가, 개시된 개시제 주입 노즐의 단일 구성요소 또는 다중 구성요소 실시양태에 포함될 수 있으며, 본 발명의 특징 및 태양이, 기술된 것과는 다른 구성요소에 나타날 수 있다는 것을 이해해야 한다.

실시양태의 개시제 주입 노즐의 다양한 속성을 기술함에 있어, 사용되는 용어 "상류" 및 "하류"는 고압 저밀도 폴리에틸렌 생성 시스템, 특히 관형 반응기 시스템을 통한 공정 유체, 스트림 및 생성물의 일반적인 방향을 지칭하는 공간 상대적인 용어이다. 통상적으로, 맥락상 다른 의미임이 명확하지 않으면, "상류"는 새로운 단량체/공단량체 공급물 공급원에서 시작하고, "하류"는 최종 중합체 저장 설비를 통해서 끝난다. 달리 언급하지 않으면 공정 유체는 상류 위치로부터 하류 위치로 유동한다. 상류 및 하류는 또한, 공정 유체, 스트림 및 생성물이 상류의 입구통로 또는 포트를 통해 유입되고 하류의 출구를 통해 배출되는 설비 부품의 상대적인 위치를 기술하는데 사용될 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 각각, 일 실시양태의 개시제 주입 노즐의 렌즈 티 부분(100)의 정면, 측면 및 축방향 단면을 도시한다. 렌즈 티 부분(100)은 일반적으로 다른 형상 및 구성이 사용될 수 있지만, 측면도로 볼 때, 블록 섹션(103) 및 샤프트 섹션(105)을 갖는 뒤집힌 "T"자 형상의 본체(101)로 구성될 수 있다. 본체(101)는 외벽(107), 블록 섹션(103)의 블록 내벽(109), 및 샤프트 섹션(105)의 샤프트 내벽(111)을 갖는다. 외벽(107)과 내벽(109 및 111) 사이의 본체(101) 두께는 렌즈 티 부분(100)의 다양한 위치에서 달라질 것이며, 본체(101)의 구성 재료, 렌즈 티 부분(100)의 작동상 사용 압력 및 온도, 및 내벽(109 및 111)에 의해 제공되는 편익을 반영한다. 본체(101)는 단일 금속편으로 제조되는 것이 바람직하다.

도 1c를 이용하여 볼 때, 블록 내벽(109)은 본체(101)의 블록 섹션(103)의 입구 단부(117)로부터 출구 단부(119)로 중심 공정 유동 축(115)을 따라 공정 유체 유동 통로(113)를 형성한다. 공정 유체는 중심 공정 유동 축(115)을 따라 입구 포트(121)와 출구 포트(123) 사이의 공정 유체 유동 통로(113)를 가로지른다. 블록 내벽(109)은 원형 단면을 갖는다.

일부 실시양태에서, 블록 내벽(109)은, 실질적으로 원통형이고 입구 포트(121)로부터 블록 섹션(103) 내로 하류로 연장되는 입구 결합 립(125)을 포함한다. 입구 결합 립(125)의 치수는, 반응기 튜브가 렌즈 티 부분(100)에 연결되는 지점에서 반응기 튜브의 외경 및 두께, 및 연결 방식(예컨대, 용접, 플랜지(flange), 나사 결합) - 그러나, 용접 연결이 바람직함 - 에 따라 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 블록 내벽(109)은 또한, 실질적으로 원통형이고 출구 포트(123)로부터 블록 섹션(103) 내로 상류로 연장되는 출구 결합 립(127)을 포함한다. 출구 결합 립(127)의 치수는 입구 결합 립(125)과 유사한 이유로 달라질 수 있다. 일부 실시양태에서, 입구 결합 립(125) 및 출구 결합 립(127)의 치수는 상이하다.

일부 실시양태에서 블록 내벽(109)은, 실질적으로 원통형이고 입구 결합 립(125)으로부터 블록 섹션(103)으로 하류로 연장되는 유입부(129)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 블록 내벽(109)은 또한, 실질적으로 원통형이고 출구 결합 립(127)으로부터 블록 섹션(103)으로 상류로 연장되는 유출부(131)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 유입부(129)의 치수는 입구 반응기 튜브의 내경과 실질적으로 유사하여, 경계면에서 블록 내벽(109)을 따라 편평한 표면을 제공한다. 일부 실시양태에서, 유출부(131)의 직경은 출구 반응기 튜브의 내경과 실질적으로 유사하다.

수축부(133)는 유입부(129)로부터 하류로 축방향으로 연장된다. 유입부(129)를 갖는 실시양태에서, 유입부(129) 및 수축부(133)는, 중심 공정 유동 축(115)에 수직인 제1 원형 교차부(135)에서 만난다. 수축부(133)는 우선적으로, 유입부(129)로부터 하류로 축방향으로 연장됨에 따라 직경이 감소하는, 절두원추형(frusto-conical)이다. 수축부(133)는 제1 원형 교차부(135)로부터 목부(143)까지 중심 공정 유동 축(115)을 따라 측정시 약 40 밀리미터 내지 약 60 밀리미터인 수축 길이(137)를 갖는다. 수축부(133)는 또한, 수축부(133)에서 블록 내벽(109)의 양 측에 의해 형성되는 각도로 측정될 수 있는, 약 15 내지 약 40 도의 수축부 각도(139)를 갖는다.

수축부(133)는, 중심 공정 유동 축(115)에 수직인 목부(143)에서 팽창부(141)와 만난다. 목부(143)의 직경은 약 15 내지 약 37 밀리미터로 달라질 수 있다. 제1 원형 교차부(135) 대 목부(143)의 직경비는 약 1.4 내지 약 2.7, 바람직하게는 약 2.0 내지 약 2.2이다.

팽창부(141)는 목부(143)로부터 하류로 축방향으로 연장된다. 팽창부(141)는 또한 우선적으로, 목부(143)로부터 유출부(131)로 하류로 축방향으로 연장됨에 따라 직경이 증가하는, 절두원추형이다. 유출부(131)를 갖는 실시양태에서, 유출부(131)와 팽창부(141)는 중심 공정 유동 축(115)에 수직인 제2 원형 교차부(145)에서 만난다. 팽창부(141)는 목부(143)로부터 제2 원형 교차부(145)까지 중심 공정 유동 축(115)을 따라 측정시 약 15 밀리미터 내지 약 40 밀리미터의 팽창 길이(147)를 갖는다. 팽창부(141)는 또한, 팽창부(141)의 블록 내벽(109)의 양 측에 의해 형성되는 각도로 측정될 수 있는, 약 23 내지 약 48 도의 팽창부 각도(149)를 갖는다.

모든 실시양태에서, 공정 유체 유동 통로(113)는 수축부(133), 목부(143) 및 팽창부(141)를, 개시제 주입 노즐에 대한 상류 위치로부터 하류 위치로의 공정 유체의 유동에 기반하는 순서대로 포함한다.

일부 실시양태에서, 및 도 1c의 실시양태에 도시된 바와 같이, 수축부(133)와 팽창부(141)는, 목부(143)의 양 측을 따라 유사하지 않은 비대칭형이다. 일부 실시양태에서, 도 1c에 도시된 실시양태에서와 같이, 수축 길이(137)는 팽창 길이(147)와 동일하지 않다. 바람직한 실시양태에서, 수축 길이(137)는 팽창 길이(147)보다 길다. 이러한 실시양태에서, 수축 길이(137) 대 팽창 길이(147)의 비는 약 1.3 내지 약 3.0, 더 바람직하게는 약 1.3 내지 약 1.8이다. 일부 실시양태에서, 도 1c에 도시된 실시양태와 같이, 팽창부 각도(149)는 수축부 각도(139)보다 크다. 팽창부 각도(149) 대 수축부 각도(139)의 비는 약 0.97 내지 약 3.0, 바람직하게는 1.0 초과 내지 약 3.0으로 달라질 수 있다.

일부 실시양태에서, 샤프트 내벽(111)은 샤프트 섹션(105) 내로 샤프트 수직 축(153)을 따라 주입기 리세스(151)를 형성한다. 샤프트 수직 축(153)은 중심 공정 유동 축(115)과 교차하고 이와 수직이며, 샤프트 섹션(105)에서 우선적으로 중심설정된다. 이러한 주입기 리세스(151) 영역의 예가 도 1c에 도시되고 도 1d에 확대되어 도시된다. 주입기 리세스(151)의 치수 및 구조는 주입기 부분(200)과의 연결 방식(예컨대, 용접, 플랜지, 나사 결합) 및 치수에 따라 달라질 수 있다. 작동상 사용 압력 및 온도에 적합한 나사형성 커플링(155)을 포함하는 주입기 리세스(151)가 바람직하다. 일부 실시양태에서, 주입기 리세스(151)는 또한, 샤프트 섹션(105)과 주입기 부분(200) 사이에 개스킷을 사용하여 공정을 외부 환경으로부터 밀폐하기 위한 개스킷 갭(157)을 포함한다.

도 1c에 도시된 실시양태에서 볼 때, 샤프트 내벽(111)은 샤프트 섹션(105)의 주입기 리세스(151)로부터 블록 섹션(103)의 공정 유체 유동 통로(113)까지 샤프트 수직 축(153)을 따라 주입기 통로(159)를 형성하여, 주입기 통로(159)와 공정 유체 유동 통로(113)는 유체 연통된다. 주입기 통로(159)의 길이는 주입기 통로(159)와 주입기 리세스(151) 사이의 하류 연결 지점으로부터 주입기 통로(159)와 공정 유체 유동 통로(113) 사이의 하류 연결 지점 - 또한 목부(143)와 가장 가까운 지점임 - 하류까지로 측정된다. 샤프트 내벽(111)은, 주입기 부분(200)의 구조에 따라 필요한 경우 다른 형상이 사용될 수도 있지만, 대개 원형 단면을 갖는다.

도 1c의 실시양태에 도시된 바와 같이, 주입기 통로(159)는 수축부(133)에서 공정 유체 유동 통로(113)와 교차한다. 이러한 실시양태에서, 샤프트 수직 축(153)은 목부(143)의 상류에서 중심 공정 유동 축(115)과 수직으로 교차한다.

도 2a는 주입기 부분(200)의 부분 측면도를 도시한다. 도 2b는 일 실시양태의 개시제 주입 노즐을 형성하도록 주입기 부분(200)의 측면도와 결합된 렌즈 티 부분(100)의 축방향 단면도(도 1c와 유사함)를 도시한다. 주입기 부분(200)은 외부 표면(201) 및 내부 표면(203)을 포함한다. 바람직하게는, 주입기 부분(200)은 렌즈 티 부분(100)과 결합하기 위한 형상을 갖는다. 주입기 부분(200)은 또한, 일반적으로 다른 형상 및 구조가 사용될 수 있지만, 커넥터 섹션(205) 및 스타일러스 섹션(207)으로 구성된다. 주입기 부분(200)은 바람직하게는 단일 금속편으로 구성되지만, 또한 작동상 사용 압력 및 온도에 적합한, 당업자에게 공지된 접합 기술을 사용하여 서로 체결되는 둘 이상의 재료로 구성될 수 있다.

도 2a에서 보는 바와 같이, 주입기 부분(200)의 내부 표면(203)은 커넥터 섹션(205)의 주입기 입구(215)로부터 스타일러스 섹션(207)의 형상 주입기 팁(221)의 주입기 출구(231)로 연장되는 주입기 중심 수직 축(213)을 따라 개시제 유체 유동 통로(219)를 형성한다. 모든 실시양태에서, 개시제 유체 유동 통로(219)는 수축부(133)에서 공정 유체 유동 통로(113)와 교차한다. 개시제 유체 유동 통로(219)는, 다른 형상이 사용될 수도 있지만, 대개 원형 단면을 갖는다.

개시제 유체 유동 통로(219)가 원형 단면인 실시양태에서, 개시제 유체 유동 통로(219)는 약 2 내지 약 3.5 밀리미터일 수 있는 유체 유동 통로 직경(223)을 갖는다. 유체 유동 통로 직경(223)은, 공정 교란(예컨대, 에틸렌 분해), 시작 또는 정지 활동이, 형상 주입기 팁(221) 내로 (및 또한 가능하게는 개시제 유체 유동 통로(219)로) 단량체(또는 공단량체) 또는 중합체의 부분적인 역류를 야기하는 경우, 먼저 개시제 주입 노즐을 분해 및 세척할 필요 없이, 공정 재개시 시에 생성 물질을 쉽게 제거 및 방출시킬 수 있도록 충분히 넓은 것이 바람직하다. 너무 작은 유체 유동 통로 직경(223)은 공정 불량 상태 중에 막히게 되어, 이후 개시제 유체 유동 통로(219)로부터 물질의 제거 또는 방출이 불가능하게 될 가능성이 크다.

일부 실시양태에서, 커넥터 섹션(205)의 외부 표면(201)은, 주입기 부분(200)을 렌즈 티 부분(100)에 대해 밀폐하여 공정을 격리하는데 유용한 주입기 장착부(209)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 주입기 장착부(209)에서의 외부 표면(201)은 주입기 중심 수직 축(213)에 대해 수직이 아닌 각도의 경사면(211)을 갖는다. 주입기 장착부(209)의 구조 및 치수는, 렌즈 티 부분(100)의 주입기 리세스(151)와의 연결 방식(예컨대, 용접, 플랜지, 나사 결합) 및 치수에 따라 달라질 수 있다.

주입기 입구(215)에 근접한 커넥터 섹션(205)의 외부 표면(201)은 개시제 공급원 결합 연결부(217)를 포함한다. 개시제 공급원 결합 연결부(217)의 치수는 개시제 공급원과의 연결 방식(예컨대, 용접, 플랜지, 나사 결합)에 따라 달라질 수 있다. 도 2a의 실시양태에 도시된 바와 같은 나사형성 연결부가 바람직하다.

도 2에 도시된 실시양태와 같이 2-부품 조립체를 사용하는 실시양태에서, 주입기 부분(200)의 스타일러스 섹션(207)의 내부 표면(203) 및 외부 표면(201)은 스타일러스(225)를 형성한다. 스타일러스(225)는, 스타일러스(225)가 샤프트 내벽(111)으로 자유롭게 삽입되게 하는 스타일러스 외경(227)을 갖는다. 스타일러스 외경(227)은 약 6 내지 약 10 밀리미터일 수 있다. 바람직하게는, 스타일러스 외경(227)은, 스타일러스(225)가 렌즈 티 부분(100)의 샤프트 내벽(111)과 마찰 결합하여, 렌즈 티 부분(100)의 본체(101)가 스타일러스(225)에 기계적인 안정성을 제공할 수 있도록 된다. 공정 유체 유동 속도는 정상 및 불량 공정의 경우, 예컨대 에틸렌 분해 중에 스타일러스(225)의 노출된 부분에 엄청난 힘을 가한다. 스타일러스(225)는 상대적으로 움직이지 않도록 유지되는 것이 바람직하다.

개시제 주입 노즐이 단일 부품으로 제조되는 실시양태에서, 샤프트 내벽(111)은 직접적으로 개시제 유체 유동 통로(219)의 역할을 할 수 있다. 이러한 실시양태에서, 스타일러스(225)는 샤프트 내벽(111)의 튜브형 연장부의 형태를 취할 수 있다. 이러한 경우, 스타일러스(225)의 유체 유동 통로 직경(223)은 샤프트 내벽(111)과 동일한 직경일 수 있다. 다른 실시양태에서, 스타일러스(225)는 샤프트 내벽(111)과 접합 또는 결합되는 튜브형 삽입부이다. 이러한 실시양태에서, 스타일러스(225)의 단부의 주입기 출구(231) 역시 형상 주입기 팁(221)에 의해 형성된다.

도 2에 도시된 것과 같은 실시양태를 다시 참조하면, 스타일러스 외경(227) 대 유체 유동 통로 직경(223)의 비는 약 1.8 내지 약 3.5, 바람직하게는 2.8 내지 약 3.4일 수 있다. 이러한 비율은 스타일러스(225)가 그의 내경에 비해 상대적으로 두꺼운 튜브임을 나타낸다. 스타일러스(225)는, 스타일러스(225), 특히 공정 유체 유동에 직접 노출되는 스타일러스(225)의 부분을 기계적으로 안정화시키기 위하여 주어진 것과 동일한 이유로 상대적으로 두꺼운 것이 바람직하다. 모든 실시양태에서, 스타일러스(225)는, 형상 주입기 팁(221) 및 스타일러스(225)의 일부가 공정 유체 유동 통로(113)에 배치되도록 주입기 통로(159)를 넘어서 돌출한다. 더 큰 외경 대 내경비는 공정 유체 유동에의 지속적인 노출 뿐만 아니라 공정 유체에서 잠재적으로 이를 따라 운반되는 물체 및 찌꺼기에 의한 손상에 대비한 추가적인 기계적인 보강을 제공한다.

시스템이 에틸렌 분해를 겪을 수 있고 개시제 주입 노즐이 높고 가변적인 압력 및 온도 조건에 노출되는 상황에서는 스타일러스(225) 및 형상 주입기 팁(221)의 설계, 및 개시제 주입 노즐의 본체(101)에 의해 제공되는 지지가 특히 중요하다. 공정 시스템의 에틸렌 분해 부분 동안, 특히 분해가 개시되는 영역 부근은 매우 높은 내부 온도(1000 내지 2000 ℃), 압력 서지(surge)(4000 내지 5000 bar), 및 정체된(stagnant) 공정 유체 유동(압축기가 오프라인될 수 있음)에 노출될 수 있다. 안전 시스템이 자동적으로 개입하고 공정이 (대개 압력-완화 장치를 통해) "통기"되기 때문에, 위치에 따라, 시스템 분해에 의해 아직 영향을 받지 않은 공정 유체 부분은 영향을 받은 영역을 회복시키고 영향을 받은 영역을 냉각시키는 작용을 한다. 또한, 위치에 따라, 공정 유체는 분해의 결과물인 고형 찌꺼기, 예컨대 탄소 입자 또는, 분리 또는 정제 이전의 다양한 생성 단계에서의 중합체를 함유할 수 있다. 통기 중에, 공정 유체는 역방향으로 또는 정상 유동 경로로부터의 바이패스(bypass)를 통해 이동할 수 있다. 공정 유체가 역방향으로 이동하고, 압력-완화 장치에서 대기압 부근의 압력과 정상 초과의 시스템 압력의 압력 구배의 영향 하에 있는 상황에서, 공정 유체는 시스템을 통해 매우 고속(아음속(subsonic))으로 이동할 수 있다. 분해는 안전 및 제어 시스템의 작동 및 인간의 개입에 따라 수 초 내지 수 분 간 지속될 수 있다.

이전에 제공된 분해 시나리오를 기반으로, 공정 유체 유동의 스타일러스(225) 부분 및 형상 주입기 팁(221)은 하기 일련의 극한 조건에 노출될 수 있다. 먼저, 공정 유체 유동의 스타일러스(225) 부분 및 형상 주입기 팁(221)은, 하나 이상의 반응 구역에서 시스템 전체의 에틸렌 분해 시작에서부터 개시 압력파(압력 "스파이크")에 의해 영향을 받을 수 있다. 다음으로, 개시제 주입 노즐 부근의 공정 유체의 온도는, 특히 공정 유체 유동이 멈추거나 정체된 경우, 분해 온도 수준으로 신속하게 상승할 수 있다. 최악의 시나리오로는, 전체 반응기 튜브가 격리되고 통기되지 않아서, 전체 반응기 튜브에 걸쳐 유동이 멈추고 반응기 튜브 내의 에틸렌 대부분이 정체 환경에서 분해되게 하는 방식으로 시스템 전체의 분해가 반응기 튜브에서 일어날 수 있다. 이러한 온도에 대한 개시제 주입 노즐의 노출은 일련의 다음 사건에 따라 수 초 내지 수 분 간 지속될 수 있다. 다음으로, 시스템 압력 완화 장치가 작동하여, 시스템을 가로지르는 압력 구배를 생성한다. "통기"가 시작된 후에, 이제 분해 찌꺼기 및 고형 중합체 입자를 함유한 공정 유체는 고속으로 압력 완화 장치를 향해 유동한다. 통기의 속도(즉, 얼마나 신속하게 시스템이 완전히 감압되는지) 및 상대적인 방향에 따라 공정 유체 유동의 스타일러스(225) 부분 및 형상 주입기 팁(221)은, 정상 작동 값으로부터 분해 수준으로 온도가 변화하고 (및 가능하게는 한 극단(extreme)에서부터 다른 극단으로 교호하고) 고형 중합체 입자 및 분해 찌꺼기를 함유하며 최대 수 분 동안 고속으로 진행하는 공정 유체에 노출될 수 있다. 스타일러스(225)의 부분 및 형상 주입기 팁(221)의 디자인은 유의한 변형 또는 손상(예컨대, 스타일러스 절곡 또는 파단; 주입기 출구가 입자에 의해 막힘)없이 이러한 유동력 및 온도 편위(excursion)를 견딜 수 있는 것이 바람직하다. 개시제 주입 노즐의 디자인은 이러한 분해 후에 개시제 주입 노즐의 제거 또는 유지보수를 필요로 하지 않는 것이 매우 바람직하다.

형상 주입기 팁(221)은 다양한 형태를 취할 수 있지만, 형상 주입기 팁(221)의 바람직한 디자인은 항력을 감소시키고 주입기 출구(231)를 통한 스타일러스(225)로의 역류 방지에 도움이 되는 것이다. 항력 감소 및 역류 방지는 스타일러스(225) 상에 또는 일부분에 고분자량 중합체의 형성을 방해한다. 바람직한 디자인은 또한, 유체역학적으로 공정 유체 유동이 스타일러스(225) 및 형상 주입기 팁(221) 주위에서, 공정 유체 유동 중 개시제의 최고 농도 지점(형상 주입기 팁(221)의 주입기 출구(231))에서 최소의 유동 교란으로 부드럽게 이동하게 함으로써, 고분자량 중합체의 유의한 응집에 저항한다. 공정 유체 유동의 유의한 교란을 방지함으로써, 이 지점의 고농도의 개시제는 신속하게 주입기 출구(231)로부터 멀리 이동되며, 스타일러스(225) 또는 개시제 출구(231) 상에 및 그 주위에 고분자량 중합체의 형성을 파괴(break down), 개시 및 보조하는 것을 허용하지 않는다. 이는, 스타일러스(225) 또는 형상 주입기 팁(221)의 막힘으로 인한 개시제 공급 교란, 과도한 고분자량 중합체 형성으로 인한 최종 생성물의 열악한 품질 제어, 및 고분자량 중합체 "덩어리(chunk)" - 시스템에 쌓이게 되면, 추가적인 공정 유체 유동 교란을 야기할 수 있음 - 의 형성 및 벗겨짐(sloughing off)에 관한 시스템의 기계적 문제들을 비롯한 몇몇 바람직하지 않은 효과들을 방지한다. 신뢰성있는 개시제 공급 유동을 이용하면, 시스템 작동은 안정적이며, 에틸렌 분해와 같은 예기치 못한 시스템 불량이 보다 용이하게 방지될 수 있다.

일부 실시양태에서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 형상 주입기 팁(221)은 튜브 또는 파이프의 단부와 같이 편평하다. 일부 실시양태에서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 형상 주입기 팁(221)은 주사기 "바늘"과 같이 각진 면 형상일 수 있다. 일부 실시양태에서, 도 2d에 도시된 바와 같이, 형상 주입기 팁(221)은, 층계 또는 직각 노치와 같이, 형상 팁의 선단부는 도 2c에서 논의된 바와 같이 바늘과 같고 나머지 부분은 경사지지 않은 형상일 수 있는 부분적으로 각진 면일 수 있다. 일부 실시양태에서, 도 2e에 도시된 바와 같이, 형상 주입기 팁(221)은 "원형"일 수 있거나 돔 형상이다. 일부 실시양태에서, 도 2f에 도시된 바와 같이, 형상 주입기 팁(221)은 경사질 수 있다. 당업자는 다른 다양한 형상의 형상 주입기 팁(221)을 생각할 수 있다.

기술된 구성요소를 사용하여 이들 - 렌즈 티 부분(100) 및 주입기 부분(200) - 을 서로 결합하면, 일 실시양태의 개시제 주입 노즐이 형성된다. 구성요소들은 공정의 압력 및 온도 조건에 대하여 공지된 결합 기술을 사용하여 서로 결합될 수 있다. 예컨대, 도 2b의 실시양태에 도시된 바와 같이, 글랜드 너트(gland nut: 250)는 렌즈 티 부분(100)에 나사 연결되고, 주입기 부분(200)에 마찰 연결되며, 주입기 부분(200)을 렌즈 티 부분(100)에 인장 연결(tensionally connect)하도록 구성될 수 있다. 도 2b에 도시된 실시양태의 경우, 주입기 통로(159)와 주입기 리세스(151)의 교차부에 주입기 장착부(209)를 사용하여 형성된 직접적인 인장 연결은 공정을 외부 환경으로부터 밀폐한다.

도 2b에 도시된 실시양태의 개시제 주입 노즐의 경우, 주입기 중심 수직 축(213)과 샤프트 수직 축(153)은 서로 중첩되며 본질적으로 동일하다.

모든 실시양태에서, 개시제 유체 유동 통로(219)를 적어도 부분적으로 포함하고, 개시제 유체 유동 통로(219)의 주입기 출구(231)를 형성하는 형상 주입기 팁(221)을 더 포함하는 스타일러스(225)는 공정 유체 유동 통로(113)로 돌출되어, 주입기 출구(231)는 공정 유체 유동 통로(113)의 수축부(133)에 배치된다. 스타일러스(225)는 주입기 중심 수직 축(213)을 따라 충분히 멀리 돌출되어, 주입기 출구(231)는 주입기 중심 수직 축(213)을 따라 결정된 수직 오프셋(229)만큼 중심 공정 유동 축(115)으로부터 떨어져서 배치된다. 스타일러스(225)는 주입기 중심 수직 축(213)을 따라 주입기 출구(231)로부터 스타일러스(225)와 수축부(133)의 벽의 교차점까지의 거리로 측정되는 돌출 거리만큼 수축부(133) 내로 돌출된다. 모든 실시양태의 개시제 주입기 노즐에서, 돌출 거리는 중심 공정 유동 축(115)으로부터 측정된 주입기 중심 수직 축(213)에서의 수축부(133)의 반경 미만이다.

수직 오프셋(229)을 제외한 목부(143)의 반경과 목부(143)의 반경(목부 반경으로 표현됨) 간의 비는, 목부(143) 상에서 공정 유체 유동으로 연장되는 스타일러스(225)의 잠재적인 영향을 나타낼 수 있는, 실시양태의 개시제 주입기 노즐 디자인 간의 무차원량을 제공한다. 스타일러스(225)는 공정 유체 유동 통로(113)를 통해 중심 공정 유동 축(115)보다 멀리 연장되지 않기 때문에, 이 비율의 값은 절대 0 (주입기 출구(231)가 중심 공정 유동 축(115)에 있음을 나타냄) 또는 음수 (스타일러스(225)가 중심 공정 유동 축(115)을 넘어 연장됨을 나타냄)가 되지 않는다. 실시양태의 개시제 주입 노즐의 경우, 이 비율은 약 0.45 내지 약 0.90, 바람직하게는 약 0.75 내지 약 0.90이며, 이는 중심 공정 유동 축(115)을 따라 실시양태의 개시제 주입 노즐의 하류 측에서 볼 때 목부(143)를 넘어서는 주입기 출구(231)가 거의 보이지 않는다는 것을 나타낸다.

모든 실시양태에서, 주입기 출구(231)는 중심 공정 유동 축(115)을 따라 결정된 수평 오프셋(161)만큼 목부(143) 상류에서 공정 유체 유동 통로(113)의 수축부(133)에 배치된다. 수평 오프셋(161)은 약 6 내지 약 15 밀리미터일 수 있다.

도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 수평 오프셋(161) 및 수직 오프셋 모두가 0이 아닌 값은 주입기 출구(231)를 목부(143)의 상류에 및 중심 공정 유동 축(115)에서 약간 떨어져서 위치시킨다. 주입기 출구(231)는, 형상 주입기 팁(221)을 통과하는 개시제가 유동하는 방식으로 실시양태의 개시제 주입 노즐에 위치되고, 공정 유체가 목부(143)를 가로지르기 전에 짧은 시간 동안 고농도의 개시제가 공정 유체의 중심(즉, 중심 공정 유동 축(115)) 부근에 배치되는 방식으로 공정 유체에 의해 휩쓸린다. 수평 오프셋(161) 및 수직 오프셋(229)에 필요한 치수를 결정하는데 사용되는 인자는, 비제한적으로 주입기 출구(231) 및 목부(143)에서의 공정 유체 속도, 주입기 출구(231)에서의 개시제 유체 속도, 공정 유체의 온도, 공정 유체 온도에서 유기 퍼옥시드로부터 자유 라디칼 함유 분자로의 분해 속도 및 렌즈 티 부분(100) 및 주입기 부분(200)과 같은 개시제 주입 노즐의 물리적 특성을 포함한다. 수평 오프셋(161) 대 수직 오프셋(229)의 비는 약 1.0 내지 약 10, 바람직하게는 약 1.1 내지 약 7.0이다.

이 실시양태의 개시제 주입 노즐의 전체적인 구조는 노즐이 종래 기술의 노즐보다 작동상 훨씬 더 신뢰성있게 하고 세척 및 유지를 용이하게 한다. 공정 유체 유동으로 직접 연장되는 부품이 단 하나 - 스타일러스 - 이기 때문에, 시스템 자체가 정상적으로 수행되는 것 외에 공정 정지 또는 불량 후에 실시양태의 개시제 주입 노즐을 제거, 수리 및 재조립할 필요가 없다. 상기 논의한 바와 같이, 실시양태의 개시제 주입 노즐의 스타일러스는 노즐의 본체 자체에 의해 부분적으로 보강되며, 바람직하게는 불량 상태를 포함한 공정 유체 유동력을 견디도록 두꺼운 치수의 관(piping)이다.

개시제 주입 노즐의 구성에는 에틸렌 기재 중합체 생성의 최대 반응기 온도 및 높은 작동 압력의 가혹함에 견디기 위하여 다양한 재료가 적절하게 사용될 수 있다. 개시제 주입 노즐의 부품 및 구성요소는 조립시 격심한 에틸렌 분해 반응의 분해 생성물 및 공정 생성물을 함유하고 이를 견딜 수 있는 것이 바람직하다. 개시제 주입 노즐에 사용되는 재료는 정상적인 작동상 온도 및 압력 뿐만 아니라 에틸렌 분해 중에 볼 수 있는 것과 같은 격심한 온도 및 압력 편위에도 견딜 수 있는 것이 바람직하다. 구성에 바람직한 재료는 비제한적으로 크롬 강 합금, 티타늄, 니켈, 상표명 모넬(MONEL™), 및 상표명 인코넬(INCONEL™) (스페셜티 메탈스 코퍼레이션(Specialty Metals Corp.); 미국 뉴욕주 뉴 하트포드)을 포함한다.

일 실시양태의 시스템은 에틸렌, 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체를 사용하여 저밀도 에틸렌 기재 중합체 생성물을 형성하는 고압의 자유 라디칼 개시 중합 공정을 지원하기 위하여 다른 구성요소와 조합되는 하나 이상의 실시양태의 개시제 주입 노즐을 도입한다. 일 실시양태의 시스템은 반응물을 중합체 생성물로 전환하기 위한 다수의 물리적 수단, 예컨대 비제한적으로, 연속적으로 및 순차적인 순서로 작동하는 하나 이상의 오토클레이브 및 관형 반응기의 조합, 또는 단일 관형 반응기 시스템을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시양태의 시스템의 용도를 기술하기 위해, 일 실시양태의 시스템에서의 자유 라디칼 개시 저밀도 에틸렌 기재 중합 반응(관형 반응기 공정)의 비제한적인 설명을 기술한다. 당업자는 다른 유형의 반응기 구성요소, 예컨대 오토클레이브 및 튜브가, 생성 중합체를 생성하기 위한 다양한 구성(즉, 직렬, 병렬)으로 서로 조합되어 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 튜브 반응기에 에틸렌, 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체를 공급하는 것 이외에도, 에틸렌 기재 중합체 생성물이 형성됨에 따라 자유 라디칼 반응을 개시 및 지원하기 위한 다른 성분, 예컨대 반응 개시제, 촉매, 용매 및 쇄이동제를 반응기에 공급한다.

고압 저밀도 에틸렌 기재 중합체 생성물을 형성하기 위한 관형 반응기를 부분적으로 포함하는 시스템을 사용하는 방법은 본 기술분야에 주지되어 있다. 이러한 시스템에서, 에틸렌을 부분적으로 포함하는 공정 유체는 관형 반응기 내부에서 고 발열 반응으로 자유 라디칼 중합되어 생성 에틸렌 기재 중합체 생성물을 형성한다. 이 반응은 난류 공정 유체 유동 중에 높은 작동 압력(1000 bar 내지 4000 bar) 하에서 일어난다 (따라서, 저밀도 에틸렌 기재 중합체는 "고압" 중합체로도 지칭됨). 튜브 반응기 내의 최고 온도는 대개 약 160 ℃ 내지 약 360 ℃이고, 반응 개시 온도는 약 120 ℃ 내지 약 240 ℃이다. 대개, 개시 전에는 공정 유체의 예열이, 그리고 개시 후에는 공정 유체의 냉각이 일어난다. 튜브 반응기 공정의 경우, 단일 패스 에틸렌 전환 값은 약 20 내지 약 40 % 범위이다. 최신 관형 반응기 시스템은 또한, 전환 효율을 더 향상시키기 위한 하나 이상의 단량체 재순환 루프를 포함한다.

본 실시양태의 개시제 주입 노즐을 사용하는 시스템을 기술하기 위하여, 비제한적인 실시양태의 튜브 반응기 시스템을 도 3에 도시한다. 공정 유체를 함유한 일 실시양태의 튜브 반응기 시스템(300)은, 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체를 공정 유체에 공급하기 위한 하나 이상의 새로운 공급물 공급원(306), 하나 이상의 새로운 공급물 공급원(306)과 유체 연통하고 공정 유체를 반응 조건으로 가압하기 위한 제1 압축기(304), 공정 유체 중의 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체의 일부를 저밀도 에틸렌 기재 중합체로 전환하고 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체의 나머지 부분을 제1 압축기(304)와 연통하게 하는 반응기 튜브(302), 저밀도 에틸렌 기재 중합체를, 반응기 튜브(302)와 유체 연통하는 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체의 나머지 부분과 분리하기 위한 고압 분리기(320), 및 에틸렌 및 선택적으로 1종 이상의 공단량체의 나머지 부분을 고압 분리기(320)로부터 제1 압축기(304)로 이송하기 위해 제1 압축기(304) 및 고압 분리기(320) 모두와 유체 연통하는 재순환 도관(322)을 포함할 수 있다. 그러나, 최신 시스템은 대개 전체적인 규모(global-scale)의 고압 저밀도 폴리에틸렌 생성에 필요한 온도, 압력, 처리량 및 효율을 달성하기 위한 추가적인 공정 구성요소를 사용한다. 추가적인 시스템 구성요소는, 도 3에 도시된 바와 같지만 비제한적으로, 저압 시스템 재순환 도관(329), 제2 또는 "하이퍼(hyper)" 압축기(305), 쇄이동제 공급원(307), 상류 공정 공급물 스트림 도관(312) 및 하류 공정 공급물 도관(314), 개시제 도관(309), 반응기 튜브 출구(316), 고압 감소 밸브(317), 제트 펌프(318), 제트 펌프 재순환 도관(319), 저압 분리기(328), 외부 재순환 응축기(324), 고압 재순환 정제 시스템(326), 및 고압 시스템 퍼징 통기구(325)를 포함한다. 기술된 구성요소에 관한 추가적인 정보, 및 고압 저밀도 폴리에틸렌 생성에서의 이들의 용도를 포함하는 참조문헌은 미국 가출원 제61/103374호 (카잘라(Karjala) 등, 2008년 10월 7일 출원) 및 PCT 특허 공보 제WO 2007/134671호 (코넬리센(Cornelissen) 등)를 포함한다.

당업자는 튜브 반응기 시스템(300)의 다양한 구성요소가, 구성요소들 사이에서의 물질 유동에 적합한 도관에 의해 연결된다는 것을 이해해야 한다. 도관은, 도시되지 않은 밸브, 열 교환기, 센서와 같은 이러한 보조 설비를 포함할 수 있다.

전술되고 도 1 및 도 2에 부분적으로 도시된 실시양태의 개시제 주입 노즐을 참조하면, 공정 유체는 반응기 튜브(302)의 상류 부분으로부터, 도 3에 도시된 바와 같이, 입구 단부(117)로부터 주입 노즐(310)의 일부를 형성하는 렌즈 티 부분(100)의 본체(101)를 통하고, 수축부(133) 및 팽창부(141) 모두를 통하며, 출구 단부(119)를 통해 빠져나와 다시 반응기 튜브(302)의 하류 부분으로 이송된다. 공정 유체가 수축부(133)를 통과함에 따라, 공정 유체는 압축되고 공정 유체 속도는 증가한다.

공정 유체가 주입 노즐을 통과할 때, 자유 라디칼 개시제가 공정 유체로 계속적으로 주입된다. 개시제는 종래에 공지된 수단을 사용하여 개시제 공급원(308)으로부터 주입기 입구(215)를 거쳐 주입기 부분(200)으로 이송된다. 개시제는 개시제 유체 유동 통로(219)를 통하고, 형상 주입기 팁(221)을 통해, 목부(143)의 상류 지점에서 공정 유체로 이동한다.

공정 유체(이제 개시제를 함유함)가 목부(143)를 가로질러 팽창부(141)로 가면서, 공정 유체는 급속 감압되어, 주입 노즐의 목부(143)로부터 하류로 그리고 반응기 튜브(302)로 연장되는 고 난류(highly turbulent) 비층류 혼합 구역을 야기한다. 이러한 난류 혼합 구역 내에서, 개시제는 순수한 혼합 환경의 공정 유체로 급속 분배되어, 목부(143)를 가로지르기 전에 형상 주입기 팁(215)을 떠나는 임의의 국부적인 고농도의 개시제를 분해(break apart)한다. 비기계적인 수단을 사용하고, 공정 유체의 유동 상에서 주입기(100)의 유체 항력 영향을 최소화함에 의한 이러한 개시제의 급속 분산은 개시제 분배 지점 가까이에 고 반응성 유기 퍼옥시드의 임의의 국부적인 축적 방지를 돕는다. 상기 설명한 바와 같이, 고 반응성 유기 퍼옥시드의 축적은 특정한 반응 조건 하에서 (및 특히 추가로 튜브 반응기 시스템(300) 온도가 이전의 자유 라디칼 중합 반응으로부터 급속히 상승하는 주입 노즐의 하류에서) 에틸렌 분해를 유발한다.

고 난류 비층류 혼합 구역은 공정 유동 스트림 전체에 걸쳐 신속하게 고 반응성 유기 퍼옥시드 개시제를 분배하는 효과를 가질 뿐만 아니라, 개시제 농도가 높은 팽창 구역의 벽 부근에 층류 유동층을 감소시킴으로써 고분자량 중합체의 생성에 영향을 준다. 목부(143)를 가로지른 후의 공정 유체의 유동은 난류이기 때문에, 유체 항력 효과에 의해 팽창 구역의 내벽에 대해 형성되는 층류 유동층은 유의하게 교란된다. 개시제 농도가 높은 영역에 더 두껍고 느리게 이동하는 층류 유동 체제가 없으면, 고분자량 중합체의 초기 형성이 방해된다. 이는, 고분자량 중합체가 헤이즈(haze) 및 흐림도(cloudiness)와 같은 부정적인 광학적 특성을 야기한다는 것이 본 기술분야에 공지되어 있기 때문에, 전체적으로 더 우수한 광학 특성을 갖는 중합체 생성물을 형성한다. 고분자량 중합체 형성을 방지하는 것은 또한, 단열성 생성 중합체층이 형성되지 않기 때문에 더 우수한 열 전달 용량을 갖는 공정으로 이어지며, 이는 또한 보다 효율적인 열 제거, 보다 우수한 하류 개시제 사용 및 보다 우수한 전체적인 제1 패스 에틸렌(또는 공단량체)을 효율적으로 얻을 수 있다.

튜브 반응기 시스템(300)에 사용될 수 있는 자유 라디칼 개시제의 비제한적인 예는 산소 기재 개시제, 예컨대 유기 퍼옥시드(PO)를 포함한다. 바람직한 개시제는 t-부틸 퍼옥시 피발레이트, 디-t-부틸 퍼옥시드, t-부틸 퍼옥시 아세테이트 및 t-부틸 퍼옥시- 2- 에틸헥사노에이트, 및 이들의 혼합물이다. 이들 유기 퍼옥시드 개시제는 새로운 단량체 공급물의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 2 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 1 중량%의 통상적인 양으로 사용된다.

일부 실시양태에서, 자유 라디칼 개시제는 유기 용매에 용해된다. 적절한 용매는 지방족 탄화수소, 예컨대 옥탄 또는 벤젠, 또는 불활성 용매, 예컨대 클로로벤젠, 시클로헥산 또는 메탄올이다. 유기 용매의 예는 n-파라핀 탄화수소 용매 (90-240 ℃ 비점 범위), 이소-파라핀 탄화수소 용매 (90-240 ℃ 비점 범위) 및 미네랄 오일 기재 용매를 포함한다. 유기 개시제 용액의 농도는 자유 라디칼 개시제 및 유기 용매를 합한 총 중량을 기준으로 약 1 내지 약 90 중량%, 바람직하게는 약 5 내지 약 50 중량%일 수 있다.

일부 실시양태의 시스템에서, 도 3에 도시된 것과 같이, 하나 초과의 실시양태의 개시제 주입 노즐(310)을 사용하여 반응기 튜브(302)에서 자유 라디칼 중합을 개시할 수 있다. 자유 라디칼 고압 저밀도 폴리에틸렌 중합 시스템의 전환 효율을 향상시키기 위한 복수의 개시제 주입 노즐들이 본 기술분야에 공지되어 있다. 하나 초과의 개시제 주입 노즐이 사용되는 일부 실시양태의 시스템에서, 하나 초과의 개시제 주입 노즐은 하나 초과의 개시제 공급원, 예컨대 예시의 목적으로 제1 개시제 공급원 및 제2 개시제 공급원과 유체 연통할 수 있다. 하나 초과의 개시제 주입 노즐이 사용되는 다른 일부 실시양태의 시스템에서, 하나의 개시제 주입 노즐은 제1 개시제 공급원과만 유체 연통한다. 이러한 구성의 예를 미국 가출원 제61/103374호 (카잘라(Karjala) 등, 2008년 10월 7일 출원)에서 확인할 수 있다.

하나 이상의 실시양태의 개시제 주입 노즐을 사용하는 실시양태의 시스템에서, 상응하는 조건 하의 유사한 시스템에 비한 단일 패스 에틸렌 전환 효율 이득은 0.5 % 초과, 바람직하게는 1.0 % 초과, 더 바람직하게는 1.5 % 초과, 더욱 더 바람직하게는 2.0 % 초과, 가장 바람직하게는 3.0 % 초과이다.

용어 "조성물"은 물질의 혼화물(intimate mixture) 뿐만 아니라 조성물의 일부인 물질 간의 상호작용 및 반응으로부터 형성되는 반응 생성물 및 분해 생성물을 기술한다.

용어 "에틸렌 기재 중합체"는 50 몰% 초과의 중합된 에틸렌 단량체 (중합성 단량체의 총량을 기준으로 함)를 함유하고, 선택적으로 1종 이상의 공단량체를 함유할 수 있는 중합체를 지칭한다. 에틸렌의 단일 중합체는 에틸렌 기재 중합체이다.

용어 "혼성 중합체"는 둘 이상의 상이한 유형의 단량체의 중합에 의해 제조되는 중합체를 지칭한다. 용어 "혼성 중합체"는 상이한 2종의 단량체로부터 제조되는 중합체를 지칭하는데 통상 사용되는 공중합체, 및 둘 초과의 상이한 유형의 단량체로부터 제조되는 중합체, 예컨대 삼원공중합체를 포함한다.

용어 "LDPE"는 또한 "고압 에틸렌 중합체" 또는 "고분지형 폴리에틸렌"으로도 지칭될 수 있으며, 중합체가 자유 라디칼 개시제, 예컨대 퍼옥시드(예컨대, 미국특허 제4,599,392호(맥킨니(McKinney) 등) 참조)를 사용하여 13,000 psig 초과의 압력으로 오토클레이브 또는 관형 반응기에서 부분적으로 또는 전체적으로 중합된 것을 의미하는 것으로 정의된다.

용어 "중합체"는 동일한 유형의 단량체이든 상이한 유형의 단량체이든 단량체를 중합함으로써 제조되는 화합물을 지칭한다. 용어 "중합체"는 "단일중합체"와 "혼성 중합체"를 포함한다.

용어 "정상 상태" 및 "정상 상태 조건(들)"은 임의의 시스템 부분의 특성이 공정 중에 일정한 조건이다. 루이스 리차드 제이 시니어(Lewis, Richard J., Sr.)의 문헌[Hawley's Condensed Chemical Dictionary, Wiley-Interscience (15th ed., 2007)]; 및 힘멜블라우 데이비드 엠(Himmelblau, David M.)의 문헌[Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering, Prentice Hall (5th ed., 1989)]을 참조한다.

용어 "유사한"은 다른 것들은 유사하지 않더라도 일부 측면에서 유사하거나 동등함을 의미한다. 사용된 바와 같이, "유사한" 공정 및 시스템은, 특정한 비교 순서 없이 하나 이상의 상응하는 공정 진행에 일 실시양태의 장치를 사용하고 하나 이상의 다른 상응하는 진행에 비교 종래 기술 장치를 사용한다는 점을 제외하고는, 동일한 공정 설비 또는 시스템을 사용하여 상응하는 공정을 진행시킨다. 본 출원에서는 입증을 위하여, 유사한 공정 및 시스템은 일 실시양태의 또는 종래 기술의 제1 반응 구역 개시제 주입 노즐을 사용함에 의해 상이하다.

용어 "상응하는"은 부합(conforming)의 측면에서 유사함을 의미한다. 제공된 자유 라디칼 저밀도 에틸렌 기재 중합체 공정의 경우, "상응하는" 공정 진행은, 유사한 공정 설비 또는 시스템을 사용하는 둘 이상의 공정 진행에 있어서, 정상 상태 조건에서 각각의 유사한 반응 구역에 대한 피크 온도 값(실시예 1의 제1 반응 구역 피크 온도와 비교예 1의 제1 반응 구역 피크 온도) 간의 차이가 5 % 이내, 바람직하게는 3 % 이내, 더 바람직하게는 1 % 이내, 가장 바람직하게는 1 ℃ 이내임을 의미한다.

당업자는 유사한 공정 또는 시스템의 상응하는 공정 진행을 평가하는데 있어서, 특정 값(이른바, 시스템 압력, 에틸렌 대 쇄 이동제 공급 분할비, 생성물 용융 지수(I₂) 목표, 에틸렌 공급 속도, 냉각 매질 유량 및 입구 온도와 같은 "마스터" 변수)으로 설정 및 제어되는 공정 변수는, 달리 명시되지 않으면 상응하는 공정 진행 간에 정상 작동 동안 동등한 값으로 유지된다는 것을 이해해야 한다. 또한, 제어 및 설정 공정 변수에 부차적인 공정 변수 및 비제어 공정 변수(이른바, "슬레이브(slave)" 변수)는 공정 조건을 변화시키는 것에 대한 반응으로, 또는 제어 및 설정 공정 변수를 목표치로 유지하기 위해 변동될 수 있음을 이해해야 한다.

상응하는 공정 진행을 비교하는 기준은 정상 상태 조건의 적어도 24 시간 동안 1 시간 평균 데이터(특정 시점에서의 개별적인 데이터 판독값인 "스팟 데이터"와 반대됨)를 사용하는 것이다.

용융 지수, 즉 "MI" 또는 I₂는 ASTM D 1238, 조건 190 ℃/2.16 kg에 따라 측정된다.

실시예

튜브 반응기 시스템에서 실시양태의 개시제 주입 노즐(실시예)과 종래 기술의 개시제 주입 노즐(비교예) 간의 성능을 비교하는 상응하는 공정 진행을 나타낸다. 반응 시스템 데이터 및 계산된 성능 기준은 상응하는 공정 진행을 사용하는 정상 상태 조건에서 유사한 튜브 반응기 시스템의 작동을 기준으로 비교한다.

상응하는 실시예 및 비교예 진행 모두에 있어서 동일한 전체 튜브 반응기 시스템 구성을 사용한다. 튜브 반응기 시스템은 실시예와 비교예 공정 진행 사이에서 제1 반응 구역 개시제 주입 노즐 만을 교환 - 다른 물리적 변형은 이뤄지지 않음 - 하여 변형된다. 실시예 공정 진행 동안, 제1 반응 구역 개시제 주입기 노즐에 대해 실시예 개시제 주입 노즐을 사용한다. 비교예 공정 진행의 경우, 제1 반응 구역 개시제 주입 노즐에 대해 비교예 개시제 주입 노즐을 사용한다. 따라서, 시스템은 유사하다.

튜브 반응기 시스템은 도 3에 도시된 실시양태의 시스템과 전체적인 구조에서 유사하다. 실시예 및 비교예에 있어서 튜브 반응기 시스템은 공정 유체를 함유하며, 새로운 에틸렌 공급원, 제1 압축기, 제2 또는 "하이퍼" 압축기, 개시제 공급원, 쇄 이동제 공급원, 반응기 튜브, 고압 감소 밸브, 고압 분리기, 재순환 도관, 저압 분리기, 저압 시스템 재순환 도관, 시스템 퍼징 통기구, 및 시스템 구성요소를 서로 상호연결하기 위해 필요한 모든 도관 및 연결부를 포함한다. 반응기 튜브는 반응기 튜브의 길이를 따라 둘 이상의 개시제 주입 노즐, 및 각각의 개시제 주입 노즐의 하류에서 연장되는 상응하는 반응 구역을 갖는다.

제1 개시제 주입 노즐과 제2 개시제 주입 노즐 사이의 반응기 튜브 길이는 1540 피트(469.4 미터)이다. 제1 개시제 주입 노즐의 입구 단부에서 반응기 튜브의 내부 (작동) 직경은 2 인치(50.8 밀리미터)이다. 제2 개시제 주입 노즐로의 제1 개시제 주입 노즐의 출구 단부에서 반응기 튜브 내경은 1.75 인치(44.5 밀리미터)이다.

비교예 개시제 주입 노즐은 표 1에 나열된 물리적 특성을 갖는다. 비교예 개시제 주입 노즐은 공정 유동 채널로 돌출하는 단일 스타일러스 상류의 원통부와 수축 절두원추부 하류의 공정 유동 채널이 조합된 삽입부로서 기술될 수 있다. 원통부는 직경이 2.0 인치(50.8 밀리미터)이다. 수축부는 스타일러스에서는 직경이 2.0 인치(50.8 밀리미터)이며, 1.75 인치(44.5 밀리미터)의 직경으로 수축된다. 스타일러스는 원통 섹션과 수축 섹션 사이의 교차 지점에서 중심 공정 유동 축을 향해 측벽으로부터 돌출된다. 스타일러스는 주입기 팁을 가지며, 주입기 팁은 수직 오프셋만큼 중심 공정 유동 축으로부터 떨어져서 배치된다. 비교예 개시제 주입 노즐은 수축부 또는 스타일러스 뒤에 팽창부를 갖지 않는다. 비교예 개시제 주입 노즐은 목부 또는 오리피스판 또는 다른 유동 제한부를 갖지 않는다.

실시예 개시제 주입 노즐은 표 2에 나열된 물리적 특성을 갖는다. 실시예 개시제 주입 노즐은 수축 절두원추형 채널부의 측벽으로부터 중심 공정 유동 축을 향해 돌출하는 단일 스타일러스를 갖는 공통의 원형 목부에서 만나는 수축 절두원추부와 팽창 절두원추부 모두를 갖는 공정 유체 유동 채널을 갖는 삽입부로서 기술될 수 있다. 스타일러스는 수평 오프셋만큼 주입 노즐의 목부 상류에 있다. 스타일러스는 편평한 형상 주입기 팁에 의해 형성되는 주입기 출구를 갖는다. 주입기 출구는 수직 오프셋만큼 중심 공정 유동 축으로부터 떨어져서 배치된다.

표 2에 제공된 값을 기준으로, 수직 오프셋을 제외한 목부의 반경 대 목부의 반경의 비는 0.80이고, 수평 오프셋 대 수직 오프셋의 비는 2.54이다.

상응하는 공정 진행 실시예 1 및 비교예 1은 제1 개시제 주입 노즐에 대해 실시예 및 비교예 개시제 주입 노즐을 사용하여 0.25 MI 에틸렌 기재 중합체를 생성하는 유사한 공정 시스템에서 진행된다. 작동 및 공정 조건이 표 3에 있다.

"TPO"는, 자유 라디칼 에틸렌 기재 중합체 생성에 통상적으로 사용되는 유기 퍼옥시드 개시제인 t-부틸 퍼옥시-2 에틸헥사노에이트를 나타낸다. "DTBP"는, 또한 자유 라디칼 에틸렌 기재 중합체 생성에 통상적으로 사용되는 유기 퍼옥시드 개시제인 디-t-부틸 퍼옥시드를 나타낸다. 사용되는 개시제 용매는, 90 - 240 ℃의 비점 범위를 갖는 용매인 n-파라핀 탄화수소 용매이다.

상응하는 공정 진행 실시예 1 및 비교예 1에 대한 온도 프로파일을 도 4에 도시한다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 반응 구역 피크 온도로부터 제2 개시제 주입 지점으로의 실시예 1의 온도 감소는 상응하는 조건 하에서 비교예 1에 대한 온도 감소보다 유의하게 더 급격하다. 개시제 주입 지점에서의 공정 유체 유동 온도를 반영하는, 상응하는 개시제 주입 온도는, 제2 반응 구역에서 거의 40 ℃ (실시예 1의 207.7 ℃와 비교예 1의 245.7 ℃)의 유의한 차이를 보인다. 도 4에서 나타난 공정 온도 프로파일 및 표 3의 제2 반응 구역 개시제 주입 온도의 유의한 차이는 비교예 1에 비해 실시예 1이 공정 시스템으로부터의 열 제거가 더 우수한 것에 기인한다. 실시예 노즐이 비교예 노즐보다 우수한 개시제 주입 후 공정 유체의 혼합을 제공하기 때문에, 제1 개시제 주입 노즐의 하류의 반응 구역에 단열 고분자량 에틸렌 기재 중합체가 덜 형성된다.

표 3의 데이터를 검토함으로써 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 공정 진행으로부터의 열 제거가 비교예 1 공정 진행 동안보다 우수(따라서, 제2 개시제 주입 지점에서 공정 시스템 온도가 더 낮음)하기 때문에, 제2 반응 구역에 대해 동일한 제2 피크 반응기 온도 (~300 ℃)를 달성하는데 더 많은 개시제가 사용될 수 있다. 제2 반응 구역에서 반응을 재개시하기 위해 실시예 1 공정 진행에서 사용된 TPO 및 DTBP의 양(0.65 gal/hr의 TPO 및 0.47 gal/hr의 DTBP)은 비교예 1 공정 진행에서 유사한 지점에 대해 사용된 양(0.54 gal/hr의 TPO 및 0.24 gal/hr의 DTBP)보다 유의하게 많다. 더 많은 유기 개시제를 사용하는 능력은 단일 패스 에틸렌 전환을 전체적으로 향상시킬 수 있다.

상응하는 공정 진행 실시예 2 및 비교예 2는 제1 개시제 주입 노즐에 대해 실시예 및 비교예 개시제 주입 노즐을 사용하여 2.3 MI 에틸렌 기재 중합체를 생성하는 유사한 공정 시스템에서 진행된다. 작동 및 공정 조건이 표 4에 있다.

상응하는 공정 진행 실시예 2 및 비교예 2에 대한 온도 프로파일을 도 5에 도시한다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 반응 구역에서 실시예 1과 비교예 1 간의 온도 감소 차이는 실시예 2와 비교예 2 간에서 보이는 감소와 유사하다. 개시제 주입 지점에서의 공정 유체 유동 온도를 반영하는 상응하는 개시제 주입 온도는, 제2 반응 구역에서 거의 20 ℃ (실시예 2의 177.3 ℃와 비교예 2의 196.3 ℃)의 유의한 차이를 보인다. 제2 반응 구역에서 반응을 재개시하기 위해 실시예 2 공정 진행에서 사용된 TPO 및 DTBP의 양(0.97 gal/hr의 TPO 및 0.20 gal/hr의 DTBP)은 비교예 2 공정 진행에서 유사한 지점에 대해 사용된 양(0.26 gal/hr의 TPO 및 0.09 gal/hr의 DTBP)보다 유의하게 많다. 더 많은 유기 개시제를 사용하는 능력은 단일 패스 에틸렌 전환을 전체적으로 향상시킬 수 있다.

실시예 2/비교예 2 진행의 경우, 공정으로부터 열을 제거하는데 사용되는 물의 온도인 재킷수 온도가 비교예 2 진행에 비해 실시예 2 진행의 경우 유의하게 더 낮다는 것을 인지한다. 직관적으로, 더 찬 재킷수를 사용하는 공정이 더 유리한 것(즉, 튜브 벽을 통해 더 우수한 플럭스 유동을 생성하는 더 찬 열 제거 매질; 더 많은 공정 열의 흡수; 재개시 지점에서의 더 낮은 공정 유체 온도; 사용될 수 있는 더 많은 양의 개시제; 에틸렌 효율 이득)처럼 보이지만, 더 낮은 재킷수 온도는 반응기 튜브에 - 때때로, 수 시간 이내에 - 오염을 발생시키는 것으로 알려져 있다. 실시양태의 개시제 주입 노즐의 혼합 향상이, 장기간의 작동 조건 하의 재킷수 온도에서 대개 "플레이트 아웃되는(plated out)", 실시예 2의 유의한 양의 고분자량 중합체의 형성을 방지한 것으로 여겨진다.

선행 문헌을 포함한, 인용된 모든 특허, 시험 절차 및 다른 문헌들은, 그 개시내용이 본 발명과 모순되지 않는 범위에서 그리고 도입이 허용되는 모든 관할지역에 있어서 참조로 완전히 도입된다.

개시된 본 발명의 실시양태들을 특수성을 갖고 기술하였지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 다른 변형이 당업자에 의해 용이하게 이뤄질 수 있고 이들에게 명백하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본원에 첨부된 특허청구범위가 기재된 실시예 및 설명에 의해 제한됨을 의도하지 않으며, 특허청구범위는, 본 발명이 적용되는 당업자에 의해 등가물로 취급되는 모든 특징을 포함하여, 본 발명에 존재하는 특허가능한 모든 신규성 특징들을 포함하는 것으로 이해된다.

수치적인 하한 및 수치적인 상한을 나열한 경우, 임의의 하한으로부터 임의의 상한까지의 범위를 고려한다.

수치가 기술된 맥락에 따라, 달리 명시적으로 기술하지 않으면, 이러한 수치는 1 %, 2 %, 5 %, 또는 때때로 10 내지 20 % 만큼 달라질 수 있다. 하한(RL) 및 상한(RU)을 갖는 수치 범위가 개시될 때는 언제나, 범위 내에 속하는 모든 수가 명시적으로 개시된 것이다. 특히, 범위 내의 이하의 수(R)가 명시적으로 개시된 것이다: R=RL+k*(RU-RL), 여기서 k는 0.01의 증분으로 0.01 내지 1.00 범위의 변수, 즉 k는 0.01 또는 0.02 또는 0.03 내지 0.99 또는 1.00이다. 또한, 상기 정의된 2 개의 R 수에 의해 정의되는 모든 수치 범위 또한 명시적으로 개시된 것이다.

사용된 바와 같이, 및 특허청구범위의 용어 "포함하는"은 포괄적이거나 제한을 두지 않으며(open-ended), 열거되지 않은 추가의 요소, 조성 성분 또는 방법 단계를 배제하지 않는다. 따라서, 이러한 용어는 단어 "갖는(has, have, having)", "포함하는(includes, including)" 및 이 단어들의 임의의 파생어들과 같은 뜻을 갖는 것으로 의도된다.

Claims

공정 유체를 수용하기 위한 입구 포트, 출구 포트, 및 개시제를 수용하기 위한 주입기 입구를 포함하는 본체;
수축부, 목부 및 팽창부를 이 순서대로 더 포함하는 공정 유체 유동 통로 - 이를 통해 공정 유체가 중심 공정 유동 축을 따라 입구 포트와 출구 포트 사이를 가로지르고, 수축부의 길이는 팽창부의 길이보다 긺 - ;
수축부에서 공정 유체 유동 통로와 교차하는 개시제 유체 유동 통로 - 이를 통해 개시제가 주입기 중심 수직 축을 따라 주입기 입구와 주입기 출구 사이를 가로지름 - ;
개시제 유체 유동 통로를 적어도 부분적으로 포함하고, 개시제 유체 유동 통로의 주입기 출구를 형성하는 형상(shaped) 주입기 팁을 더 포함하는 스타일러스(stylus)
를 포함하며,
주입기 출구는 중심 공정 유동 축을 따라 결정된 수평 오프셋만큼 목부의 상류에 및 공정 유체 유동 통로의 수축부에 배치되며,
주입기 출구는 주입기 중심 수직 축을 따라 결정된 수직 오프셋만큼 중심 공정 유동 축으로부터 떨어져서 배치되는,
개시제를 공정 유체와 혼합하기 위한 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 수평 오프셋 대 수직 오프셋의 비가 1.0 내지 10인 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 수직 오프셋을 제외한 목부의 반경 대 목부의 반경의 비가 0.45 내지 0.90인 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 팽창부 각도가 23 내지 48 도인 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 팽창부 각도 대 수축부 각도의 비가 1.0 내지 3.0인 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 형상 주입기 팁이 바늘형 형상을 포함하는 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 형상 주입기 팁이 직각 바늘형 형상을 포함하는 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 형상 주입기 팁이 원형 또는 돔형 형상을 포함하는 개시제 주입 노즐.
제1항에 있어서, 형상 주입기 팁이 경사져 있는 개시제 주입 노즐.