KR20080089439A - 수중 펠렛화기 가동 방법 - Google Patents

수중 펠렛화기 가동 방법 Download PDF

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앤드류 스티븐 허드슨
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웨스트레이크 롱뷰 코포레이션
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Abstract

본 발명은 수중 펠렛화기의 가동 방법 또는 이의 정지 및 재가동 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 다이 플레이트의 면부를 가로질르는 만수 유동에 의해, 내부적으로 절연된 다이 플레이트의 홀에서 중합체 용융물의 부분적 프리즈 오프(freeze-off)를 유도하여 중합체 드룰을 방지하는 것을 포함한다. 상기 방법은 다이 플레이트를 가열하기 위해 고온 오일을 사용하거나 상기 다이 플레이트에 제공되는 가열을 감축 및/또는 증대시키는 것을 필요로 하지 않는다는 장점이 있다.

Description

수중 펠렛화기 가동 방법{STRAT-UP PROCEDURE FOR UNDERWATER PELLETIZER}
본 발명은 일반적으로 개선된 수중(underwater) 펠렛화기 가동 방법에 관한 것이다.
중합체 펠렛은 보통 많은 수의 홀(hole)을 갖는 다이 플레이트를 통해 중합체 용융물을 압출시킴으로써 제조된다. 전형적으로, 상기 다이 플레이트는 냉수욕에 잠겨 있어서, 중합체가 다이 플레이트에서 방출될 때에 중합체가 고화되게 한다. 상기 중합체가 다이에서 방출될 때에, 이는 다이 면부 위를 통과하는 회전 블레이드에 의해 펠렛으로 절단되고, 냉각수의 유동에 의해 쓸려진다.
수중 펠렛화기를 가동시키는 통상적인 방법은 가동 절차 단계들을 순서대로 수행하는 것이다. 상기 수행 공정은, 다이 플레이트 홀을 통해 용융된 중합체를 통과시키기 전에 수초간 상기 플레이트 다이를 가로질러 물을 통과시키는 것을 포함한다. 그러나, 성공적인 펠렛화를 성취하기 위해서는 다이 플레이트를 가로지르는 물의 유동이 적시에 조절되어야 하기 때문에, 대형 수중 펠렛화기에서는 그러한 순서대로 수행되는 가동이 곤란할 수 있다. 충분한 물이 상기 다이 플레이트를 가 로질러 통과하기 이전의 과량의 중합체 용융물 드룰(drool)은 불량한 펠렛 품질을 초래할 수 있고, 가동 시도에 실패할 수 있다. 그 반대의 경우도 또한 가능하다. 용융물 유동이 정립되기 이전에 물이 다이 플레이트를 가로질러 너무 길게 유동하는 경우, 상기 홀이 프리즈 오프(freeze off)될 수 있고, 작동이 방해받을 수 있다.
이런 문제를 치유하기 위해, 펠렛화기를 수중에서, 즉 다이 플레이트를 가로지르는 만수(full water)의 유동으로 가동시키기 위한 시도가 있었다. 그러나, 이러한 시도는 매우 고온으로 다이 플레이트를 가열하기 위한 고온 오일 시스템의 사용을 필요로 하였다. 이런 고온 오일 시스템은 고가일 뿐만 아니라, 안전성 및 환경 문제, 예컨대 가연성 및 폐기 문제에 직면한다.
따라서, 수중 펠렛화기, 특히 스팀-가열식 다이 플레이트를 사용하는 펠렛화기에 대한 보다 관대하고, 저렴하고, 안전하고, 환경친화적이고, 신뢰할 수 있는 가동 방법에 대한 필요성이 당해 분야에서 존재한다.
발명의 요약
놀랍게도, 오일 가열식이 아닌, 다이 플레이트를 가로지르는 만수의 유동에 의해 펠렛화기를 성공적으로 가동시키는 방법이 밝혀졌다. 따라서, 하나의 양태에서, 본 발명은 열가소성 수지 펠렛화기의 가동 방법을 제공한다. 상기 방법은
(a) 내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 열가소성 수지 펠렛화기를 구비하는 단계;
(b) 상기 펠렛화기에서 열가소성 수지 용융물을 Tm + 30℃ 내지 Tm + 200℃의 온도로 가열하는 단계(이때, Tm은 ASTM D-3418에 의해 측정된 열가소성 수지의 용융 전이 온도이다);
(c) 상기 다이 플레이트를 Tm + 50℃ 내지 Tm + 250℃의 온도로 가열하는 단계;
(d) 상기 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하기 이전에, 상기 다이 플레이트의 홀에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간 동안, 상기 다이 플레이트의 면부(face)를 가로질러 Tm - 20℃ 내지 Tm - 50℃ 온도의 물을 통과시키는 단계; 및
(e) 상기 열가소성 수지 용융물을 상기 다이 플레이트를 통해 압출하는 단계
를 포함한다.
다른 양태에서, 본 발명은 내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 열가소성 수지 펠렛화기의 정지 및 재가동 방법을 제공한다. 상기 방법은
(a) 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하는 것을 정지하는 단계;
(b) 상기 다이 플레이트의 홀에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간 동안, 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하는 물을 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 단계;
(c) 상기 펠렛화기 내의 열가소성 수지 용융물을 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 단계;
(d) 상기 다이 플레이트를 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 단계; 및
(e) 상기 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출시키는 것을 재개하는 단계를 포함한다.
하나의 양태에서, 본 발명은 열가소성 수지 펠렛화기의 가동 방법을 제공한다. 상기 방법의 제 1 단계는, 내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 열가소성 수지 펠렛화기를 구비하는 것을 포함한다. 열가소성 수지 물질을 압출할 수 있는 임의의 펠렛화기가 사용될 수 있다. 본 발명에 사용하기 적합한 내부적으로 절연된 다이 플레이트는 당업계에 공지되어 있으며, 예컨대 미국 특허 제 4,752,196 호 및 제 4,856,974 호, 및 유럽 특허 EP 0 246 921 호에 기재된 것들이 있고, 이들을 본원에 참고로 인용한다.
본원에서 사용된, 용어 "압출기", "압출하는" 또는 "압출"은 제한적 의미를 갖지 않는다. 이들은, 다이 플레이트 뒤에서 수지 용융물 압력을 증가시켜 상기 다이 플레이트의 홀을 통해 수지 용융물을 밀어내는 모든 모드(mode)를 포함한다. 이런 모드는 단축 압출기, 다축 압출기 및 양변위(positive displacement) 장치, 예컨대 기어 펌프를 포함한다.
본 발명의 제 2 단계는, 상기 펠렛화기에서 열가소성 수지 용융물을 Tm + 30℃ 내지 Tm + 200℃의 온도로 가열하는 것(이때, Tm은 ASTM D-3418에 의해 측정된 열가소성 수지의 용융 전이 온도이다)을 포함한다. 예컨대, 약 110℃의 Tm을 갖는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)에서, 수지 용융물은 230℃ 내지 300℃ 범위의 온도를 가져야 한다. 바람직하게는, LDPE 용융물 온도는 250℃이다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 폴리프로필렌(PP)에서, 상기 중합체 용융물 온도는 230℃일 수 있다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 폴리에스터도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.
본 발명의 제 3 단계는, 상기 다이 플레이트를 Tm + 50℃ 내지 Tm + 250℃의 온도로 가열하는 것을 포함한다. 상기 다이 플레이트는 스팀으로 가열되는 것이 바람직하지만, 다른 가열 모드, 예컨대 전기 가열 소자에 의한 가열도 고려된다. 예컨대 LDPE에서, 상기 다이 플레이트 온도는 225℃ 내지 260℃ 범위일 수 있다. 바람직하게, LDPE의 경우 상기 다이 플레이트 온도는 225℃이다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 LLDPE, HDPE 및 PP에서, 상기 다이 플레이트의 온도는 225℃일 수 있다.
스팀은 통상의 공장에서 대기압 내지 600 파운드/인치2(psi)으로 일반적으로 이용가능하다. 다이 플레이트가 스팀으로 가열되는 경우, 상기 스팀 압력은 목적하는 다이 플레이트 온도에 좌우되어 100 내지 600 psi의 범위일 수 있다.
본 발명의 제 4 단계는, 상기 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하기 이전에 상기 다이 플레이트의 홀에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간 동안 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 Tm - 20℃ 내지 Tm - 50℃ 온도의 물을 통과시키는 것을 포함한다. 이런 냉각수는 상기 다이 플레이트 위에 설치될 수 있는, 당업계에 공지된 워터 박스의 사용을 통해 공급될 수 있다. LDPE의 경우, 예컨대 물의 온도는 60℃ 내지 90℃일 수 있다. 바람직하게, 물의 온도는 75℃이다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 HDPE, LLDPE 및 PP의 경우, 물의 온도는 70℃ 내지 90℃일 수 있다.
당업자에게 자명한 바와 같이, 다이 플레이트의 홀에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간은 수지 조성물, 용융물 온도, 다이 플레이트 온도, 다이 플레이트중의 절연 양, 냉각수 온도 및 유속을 비롯한 많은 수의 인자에 좌우되어 변할 수 있다. 또한, 고화 정도도 변할 수 있다. 상기 다이 플레이트의 홀에서의 열가소성 수지는 중합체 드룰 및 냉각수가 압출기로 다시 흘러 들어가는 것을 최소화 또는 억제하기 위해 충분히 저점도이어야 하며, 너무 많은 배압(back-pressure)을 생성시켜 중합체 용융물 유동을 재개하지 못하게 할 정도(보통 "프리즈 오프"라 불리는 상태)는 아니어야 한다. 일반적으로, 이러한 시간은 수 초, 예컨대 5초 초과 내지 수 시간 이상일 수 있다. 바람직하게, 상기 시간 범위는 1분 내지 30분, 보다 바람직하게는 5분 내지 25분일 수 있다.
상기 제 2 단계 내지 제 4 단계는 임의의 순서로 또는 동시적으로 실시될 수 있다.
최종적으로, 펠렛화기에서의 압출기를 가동시켜, 상기 다이 플레이트를 통한 열가소성 수지 용융물의 압출을 개시할 수 있다.
전술된 단계들 및 조건들의 이용을 통해, 오일-가열식 다이 플레이트의 사용 없이, 다이 플레이트를 가로지르는 만수의 유동에 의해 펠렛화기를 가동시킬 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 열가소성 수지 펠렛화기의 정지 및 재가동 방법을 제공한다. 이미 작동되고 있는, 즉 중합체를 압출하고 있는 열가소성 수지 펠렛화기에서, 상기 방법의 제 1 단계는, 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하는 것을 정지하는 것을 포함한다. 적합한 펠렛화기, 열가소성 수지 및 다이 플레이트는 제 1 양태에서 언급된 바와 같다. 이 단계는 펠렛화기의 압출기 부분을 정지시킴에 의해 실시될 수 있다.
압출기의 정지 동안, 회전 블레이드(들)(압출된 중합체 용융물을 펠렛으로 절단하기 위해 사용됨)는 회전하는 상태로 또는 정지된 상태로 유지될 수 있다.
본 방법의 제 2 단계는, 상기 다이 플레이트의 홀에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간 동안, 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하는 물을 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 것을 포함한다. 바람직하게, 물은 Tm - 20℃ 내지 Tm - 50℃의 온도에서 상기 다이 플레이트의 면부를 가로지르면서 유지된다. 이런 냉각수는 당업계에 공지된, 다이 플레이트 위에 설치될 수 있는 워터 박스의 사용을 통해 공급될 수 있다. LDPE의 경우, 예컨대 상기 물의 온도는 60℃ 내지 90℃일 수 있다. 바람직하게, 상기 물의 온도는 75℃이다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 HDPE, LLDPE 및 PP의 경우, 상기 물의 온도는 70℃ 내지 90℃일 수 있다.
일반적으로, 냉각수가 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하는 것을 계속하는 동안, 상기 압출기는 수 초, 예컨대 5초 내지 수 시간 이상 동안 정지될 수 있다. 바람직하게, 상기 시간은 1분 내지 30분, 보다 바람직하게는 5분 내지 25분의 범위이다.
본 방법의 제 3 단계는, 펠렛화기 내의 상기 열가소성 수지 용융물을, 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 것을 포함한다. 전형적으로, 펠렛화기 내의 열가소성 수지 용융물은 Tm + 30℃ 내지 Tm + 250℃의 온도로 유지될 수 있으며, 여기서 Tm은 ASTM D-3417에 의해 측정 시 열가소성 수지의 용융 전이 온도이다. 예컨대 약 110℃의 Tm을 갖는 LDPE에서, 전형적으로 상기 수지 용융물은 230℃ 내지 300℃ 범위의 온도를 갖는다. 바람직하게, 상기 LDPE 용융물 온도는 250℃이다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 및 폴리프로필렌(PP)에서, 상기 중합체 용융물 온도는 230℃일 수 있다.
본 방법의 제 4 단계는, 상기 다이 플레이트를 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 것을 포함한다. 전형적인 다이 플레이트 온도는 Tm + 50℃ 내지 Tm + 250℃의 범위이다. 바람직하게 상기 다이 플레이트는 스팀으로 가열되지만, 다른 가열 모드, 예컨대 전기 가열에 의한 모드도 고려된다. 예컨대 LDPE에서, 상기 다이 플레이트 온도는 225℃ 내지 260℃의 범위일 수 있다. 바람직하게, LDPE의 경우에서 상기 다이 플레이트의 온도는 225℃이다. 다른 열가소성 수지, 예컨대 LLDPE, HDPE 및 PP에서, 상기 다이 플레이트 온도는 250℃이다.
다이 플레이트가 스팀으로 가열되는 경우, 상기 스팀 압력은 목적하는 다이 플레이트 온도에 좌우되어 100 내지 600 psi 범위일 수 있다.
제 5 단계에서, 소정의 시간 경과 후에 압출기의 운동을 개시함으로써 상기 다이 플레이트를 통한 열가소성 수지 용융물의 압출을 재개할 수 있다.
제 1 양태와 마찬가지로, 이러한 본 발명의 이 방법은, 압출기가 마치 여전히 작동되고 있는 것처럼 다이 플레이트의 면부를 가로질러 만수를 유동시킴에 의해 다이 플레이트의 홀에서 수지 물질의 부분적 고화를 유도시키는 것을 고려한다. 부분적 고화라는 용어는, 다이 플레이트의 홀 중의 수지 물질이, 중합체 드룰 및 냉각수가 압출기로 다시 흘러 들어가는 것을 최소화 또는 억제하는데는 충분하지만(또는 저점도) 너무 많은 배압을 생성하여 압출을 재개하지 못할 정도는 아닌 고체인 것을 의미한다.
이러한 본 발명의 방법의 장점은, 느려지고 수행하기 번거로운 다이 플레이트의 가열을 감축 및/또는 증대시킬 필요 없이 펠렛화기를 관리(maintenance) 또는 수리(trouble-shooting)하기 위해 또는 다른 이유로 일시적으로 정지 및 재개시킬 수 있다는 점이다.
본 발명은 후술되는 바람직한 실시양태의 실시예에 의해 추가로 설명될 수 있지만, 이러한 실시예는 단지 설명의 목적으로 포함되고, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않음을 이해할 것이다.
500mm 직경을 가지며, 약 1200개의 홀을 갖는 단열 다이 플레이트 및 18개의 회전 펠렛화기 블레이드를 갖는 단축 압출기에서 LDPE를 용융시켰다. 상기 다이 플레이트는 미국 특허 제 4,752,196 호에 기술된 유형의 것이다.
하기 표 1에, 본 발명에 따른 예시적 수중 가동 시간에 대한 다이 플레이트 스팀 압력, 중합체 용융물 온도, 펠렛화기 물의 유속, 펠렛화기 물 온도, 압출기 속도 및 펠렛화기 나이프 속도가 기재되어 있다.
시간(분) 다이 플레이트 스팀 압력(psig) 중합체 용융물 온도(℃) 펠렛화기 물 온도(℃) 펠렛화기 물의 유속(gps) 펠렛화기 나이프 속도(rpm) 압출기 속도(rpm)
0 약 430 약 190 약 60 0 0 0
1.5 약 430 약 190 약 60 시작됨 0 0
2 약 410 약 190 약 60 약 26 시작됨 0
5 약 420 약 190 약 60 약 25 약 340 시작됨
10 약 425 약 200 약 60 약 26 약 340 약 35
표 1에서와 같이, 시간 = 0분에서, 다이 플레이트 스팀 압력은 약 430 psig, 중합체 용융물 온도는 약 190℃ 및 펠레화기 물 온도는 약 60℃였다.
시간 = 1.5분에서, 약 60℃ 온도의 냉각수가 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하기 시작하였다. 압출기 속도는 0 rpm으로 설정되었다.
시간 = 2분에서, 약 26 갤런/초(gps)로 냉각수를 유동시키고, 펠렛화기 블레이드가 회전하기 시작하였다. 압출기 속도는 0 rpm으로 설정되었다.
시간 = 5분에서, 압출기가 가동되고 중합체 유동이 개시되기 전에, 3.5분 동안 다이 플레이트를 가로질러 물을 유동시켰다.
시간 = 10분에서, 압출기 속도는 약 35 rpm이었다.

Claims (16)

  1. (a) 내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 열가소성 수지 펠렛화기를 구비하는 단계;
    (b) 상기 펠렛화기에서 열가소성 수지 용융물을 Tm + 30℃ 내지 Tm + 200℃의 온도로 가열하는 단계(이때, Tm은 ASTM D-3418에 의해 측정된 열가소성 수지의 용융 전이 온도이다);
    (c) 상기 다이 플레이트를 Tm + 50℃ 내지 Tm + 250℃의 온도로 가열하는 단계;
    (d) 상기 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하기 이전에, 상기 다이 플레이트의 홀(hole)에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간 동안, 상기 다이 플레이트의 면부(face)를 가로질러 Tm - 20℃ 내지 Tm - 50℃ 온도의 물을 통과시키는 단계; 및
    (e) 상기 열가소성 수지 용융물을 상기 다이 플레이트를 통해 압출하는 단계
    를 포함하는, 열가소성 수지 펠렛화기의 가동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지가 저밀도 폴리에틸렌인, 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이 플레이트가 스팀으로 가열되는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스팀이 100 psi 내지 600 psi의 압력을 갖는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물을, 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하기 이전에 1분 내지 30분 동안 다이 플레이트의 면부를 가로질러 통과시키는, 방법.
  6. (a) 내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 펠렛화기를 구비하는 단계;
    (b) 상기 펠렛화기에서 저밀도 폴리에틸렌 용융물을 230℃ 내지 300℃의 온도로 가열하는 단계;
    (c) 상기 다이 플레이트를 225℃ 내지 260℃의 온도로 가열하는 단계;
    (d) 상기 다이 플레이트를 통해 상기 폴리에틸렌 용융물을 압출하기 이전에 1분 내지 30분 동안 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 60℃ 내지 90℃ 온도의 물을 통과시키는 단계; 및
    (e) 상기 폴리에틸렌 용융물을 다이 플레이트를 통해 압출하는 단계
    를 포함하는, 펠렛화기의 가동 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 다이 플레이트 온도가 225℃이고, 상기 폴리에틸렌 용융물 온도가 250℃이고, 상기 물의 온도가 75℃인, 방법.
  8. (a) 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하는 것을 정지하는 단계;
    (b) 상기 다이 플레이트의 홀에서 열가소성 수지 용융물의 적어도 일부를 고화시키기에 충분한 시간 동안, 상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하는 물을 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 단계;
    (c) 펠렛화기 내의 상기 열가소성 수지 용융물을 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 단계;
    (d) 상기 다이 플레이트를 압출 중에 이용된 온도로 유지시키는 단계; 및
    (e) 상기 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출시키는 것을 재개하는 단계를 포함하는,
    내부적으로 절연된 다이 플레이트를 갖는 열가소성 수지 펠렛화기의 정지 및 재가동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하는 물이 Tm - 20℃ 내지 Tm - 50℃의 온도로 유지되며, 여기서 Tm은 ASTM D-3418에 의해 측정 시의 열가소성 수지의 용융 전이 온도인, 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 펠렛화기 내의 열가소성 수지 용융물을 Tm + 30℃ 내지 Tm + 200℃의 온도로 유지시키는, 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 다이 플레이트를 Tm + 50℃ 내지 Tm + 250℃의 온도로 유지시키는, 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 열가소성 수지가 저밀도 폴리에틸렌인, 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 다이 플레이트가 스팀으로 가열되는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 스팀이 100 psi 내지 600 psi의 압력을 갖는, 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 다이 플레이트의 면부를 가로질러 유동하는 물을, 상기 다이 플레이트를 통해 열가소성 수지 용융물을 압출하는 것을 재개하기 전에 1분 내지 30분 동안 유지시키는, 방법.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 펠렛화기가, 압출된 열가소성 수지를 펠렛으로 절단하기 위한 회전식 블레이드(들)를 포함하고, 상기 블레이드(들)이, 상기 다이 플레이트를 통한 열가소성 수지 용융물의 압출이 정지되는 동안 회전을 유지하는, 방법.
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