KR20220144130A

KR20220144130A - 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정

Info

Publication number: KR20220144130A
Application number: KR1020210050408A
Authority: KR
Inventors: 박찬호; 하종주; 고민수; 오상준
Original assignee: 한화토탈에너지스 주식회사
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-10-26
Also published as: KR102554319B1

Abstract

본 발명은 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정은 단량체 및 촉매가 공급되어 중합 반응이 일어나는 반응기 및 상기 반응기로부터 배출되는 반응물로부터 중합체가 분리되는 분리기를 포함하되, 상기 반응기는 적어도 한 개의 루프 리액터를 포함할 수 있다.

Description

폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정 {PROCESS FOR MANUFACTURING POLYMERIC COMPOUND}

본 발명은 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 POE, POP, EPR, EPDM 등에 대해 적용될 수 있는 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정에서 반응기에 관한 것이다.

예컨대 POE 공중합 시 물성을 좋게 만들기 위해 반응기에서 물질별 조성, 온도, 체류 시간 등을 통제할 필요가 있다. 흔히 POE 제조 공정에서 반응기로 Full Liquid CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor)을 사용한다. CSTR은 운전이 용이하고 반응기 내에서 물질별 조성, 온도 등을 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다. 그러나 중합열을 제거하기 위해 피드 온도를 약 -30~0℃ 정도로 낮추어 공급해야 하므로 추가적인 냉동기, 냉매 사용 등으로 투자 및 운전 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한 상업용 스케일의 경우 임펠러 효율이 아무리 뛰어나더라도 큰 부피로 인해 이상적인 CSTR과 다르게 높이에 따른 온도 차가 발생한다. 이는 메탈로센 촉매가 온도에 매우 민감하게 반응함을 감안할 때 공정 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

본 발명의 목적은 효율적인 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정을 제공하는 데 있다. 특히 기존 CSTR을 이용한 공정의 비효율적인 제열 시스템을 개선한 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정은 단량체 및 촉매가 공급되어 중합 반응이 일어나는 반응기 및 상기 반응기로부터 배출되는 반응물로부터 중합체가 분리되는 분리기를 포함하되, 상기 반응기는 적어도 한 개의 루프 리액터를 포함할 수 있다.

또한 상기 반응기는 적어도 한 개의 CSTR과 적어도 한 개의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성될 수 있다.

또한 상기 반응기는 적어도 두 개의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성될 수 있다.

또한 상기 중합체는 POE, POP, EPR 또는 EPDM일 수 있다.

또한 상기 루프 리액터는 제열 수단으로서, 상기 루프 리액터의 관의 외부를 감싸는 재킷 형태, 상기 루프 리액터의 관의 내부에 삽입되는 냉각관 형태, 상기 루프 리액터의 관에 설치되는 냉각핀 형태 또는 이들 중 적어도 둘 이상을 조합한 형태를 포함할 수 있다.

또한 상기 루프 리액터는 100 내지 170℃의 온도 및 50 내지 150 atm의 압력을 갖고, 상기 중합체는 폴리올레핀 탄성중합체로서, 0.85 내지 0.9 g/cm³의 밀도 및 0.3 내지 50 g/10min의 MI(Melting Index)를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정, 특히 POE 제조 공정은 반응기가 적어도 하나의 루프 리액터를 포함하는데, 이러한 루프 리액터는 기존 CSTR에 비해 훨씬 더 넓은 표면적을 갖기 때문에, 별도의 냉동기 또는 냉매를 사용할 필요 없이, 냉각수를 이용해 원하는 냉각 효과를 얻을 수 있어, 운전 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정의 개요도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반응기의 개요도이다.
도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반응기의 개요도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반응기의 개요도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 반응기의 개요도이다.

도면을 참조하여 본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정의 개요도이다.

도 1을 참조하면 본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정은 단량체(및 공단량체), 촉매 등이 공급되어 중합 반응이 일어나는 반응기 및 반응기에서 배출되는 반응물로부터 최종 제품으로 사용되기 위한 중합체와 그 외 미반응물이 분리되는 분리기를 포함한다. 미반응물은 이후 냉각/정제되어 반응기로 회수될 수 있다.

이러한 제조 공정은 POE(Polyolefin Elastomer), 예컨대 에틸렌-알파올레핀 공중합체, POP(Polyolefin Plastomer), EPR(Ethylene Propylene Rubber), EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer rubber) 등과 같이 다양한 폴리올레핀 탄성중합체에 대해 적용될 수 있다.

다만 위 제조 공정 자체는 공지된 바와 실질적으로 동일하거나 통상의 기술자라면 그로부터 쉽게 도출할 수 있는 정도에 해당하므로, 이에 대해 추가적인 설명은 생략하고, 이하에서는 반응기(100, 200, 300, 400)에 대해 중점적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반응기(100)의 개요도이다.

도 2를 참조하면 본 발명의 제1 실시예에 따른 반응기(100)는 루프 리액터(Loop Reactor)로 구성된다.

보다 구체적으로 루프 리액터는 입구(I)와 출구(O)를 가지며, 루프 관(110) 및 쿨링 재킷(120)을 포함할 수 있다. 루프 관(110)은 다시 두 개의 수직 관(111, 112), 두 수직 관(111, 112)을 그 상단에서 서로 연결하는 상측 연결 관(113) 및 두 수직 관(111, 112)을 그 하단에서 서로 연결하는 하측 연결 관(114)을 포함할 수 있다. 쿨링 재킷(120)은 두 수직 관(111, 112)을 각각 감싸는 형태로 설치될 수 있다. 소개된 루프 리액터의 형상은 정형화된 것은 아니며 수직 관 또는 수평 관의 개수가 2개 이상일 수 있고, 관의 지름은 변화할 수 있으며, 쿨링 재킷은 수직 관뿐만이 아니라 다른 어떠한 형태로든 설치될 수 있다. 물질이 관 형태로 된 리액터의 입구로 주입되어 반응 후 출구로 빠져나갈 때까지 리액터 내부를 수 바퀴 회전하는 경우 루프 리액터로 칭할 수 있다. 쿨링 재킷(120)은 냉각수를 이용해, 중합 반응 시 발생하는 열을 냉각하는 역할을 한다. 이를 위해 냉각수를 저장하기 위한 탱크(미도시), 탱크에 있는 냉각수를 쿨링 재킷(120)으로 공급하기 위한 펌프(미도시), 쿨링 재킷(120)으로부터 배출되는 냉각수를 냉각하여 탱크로 공급하기 위한 쿨러(미도시) 등이 더 구비될 수 있다. 한편 루프 리액터를 적절하게 제열할 수만 있다면, 루프 리액터는 제열 수단으로서, 전술한 재킷 형태뿐만이 아니라, 예컨대 루프 관(110)의 내부에 삽입되는 냉각관 형태, 루프 관(110)에 설치되는 냉각핀 형태, 이들 중 적어도 둘 이상을 조합한 형태 등을 채용할 수 있다.

이러한 루프 리액터는 사용되는 촉매 종류에 따라 체류 시간이 다양하게 설정될 수 있으며, 그 체류 시간에 따라 약 3 내지 20 m/s의 유속을 갖도록 직경과 길이가 적절하게 설계될 수 있다.

예를 들어 본 발명에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정이 POE에 대해 적용되고, 생산량이 약 300 KTA, 체류 시간이 약 7분, 유속 10 m/s인 경우를 기준으로 할 때, 루프 리액터는 루프 관(110) 직경이 약 16 in, 그 길이가 약 361.7 m로 설계될 수 있다(이 경우 루프 관(110) 표면적은 약 461.8 m²). 또는 루프 관(110) 직경이 약 20 in, 그 길이가 약 231.5 m로 설계될 수 있다(이 경우 루프 관(110) 표면적은 약 369.4 m²).

이에 의하면 위 루프 리액터 사이즈에 상당하는 CSTR(직경:높이 비가 1:3인 것으로 가정)에 비해, 상기 루프 리액터가 약 5.3 내지 6.7배 더 넓은 표면적을 가질 수 있다. 따라서 별도의 냉동기 또는 냉매를 사용할 필요 없이, 쿨링 재킷(120)을 통해, 다시 말해 냉각수를 이용해 원하는 냉각 효과를 얻을 수 있어, 운전 비용을 절감할 수 있다. 이때 제열량이 충분하지 않을 경우 유속을 높이거나, 관의 지름을 줄이거나, 루프 리액터 내부에 냉각수가 흐르는 관을 배치하는 등의 변형을 통해 필요한 양의 제열을 수행할 수 있다.

일례로 본 실시예에서, 반응기 온도는 100 내지 170℃이고, 반응기 압력은 50 내지 150 atm이며, 폴리올레핀 탄성중합체 밀도는 0.85 내지 0.9 g/cm³이고, 폴리올레핀 탄성중합체 MI(Melt Index)는 0.3 내지 50 g/10 min일 수 있다. 후술할 루프 리액터 역시 마찬가지로 위 조건으로 동작할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반응기(200)의 개요도이다.

도 3을 참조하면 본 발명의 제2 실시예에 따른 반응기(200)는 CSTR과 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성된다. 여기서 단일 CSTR 자체는 공지된 바와 실질적으로 동일하거나 통상의 기술자라면 그로부터 쉽게 도출할 수 있는 정도에 해당하므로, 이에 대해 구체적인 설명은 생략한다. 또한 루프 리액터는 제1 실시예에서 언급한 바와 실질적으로 동일하며, 혹 상이한 부분이 있더라도 통상의 기술자라면 제1 실시예와 제2 실시예의 차이에 대응하여 당연히 변경할 것으로 예상되는 정도에 불과하므로, 이에 대해 반복적인 설명 역시 생략한다.

이러한 반응기(200)는 각 분기점마다 밸브가 설치되어, 필요에 따라 그 밸브를 제어함으로써, CSTR만 이용할 수도 있고(빨간색 경로 참조), 루프 리액터만 이용할 수도 있으며(파란색 경로 참조), CSTR과 루프 리액터를 직렬로 모두 이용할 수도 있고(녹색 경로 참조), CSTR과 루프 리액터를 병렬로 모두 이용할 수도 있다(빨간색 경로 및 파란색 경로 참조). CSTR과 루프 리액터를 병렬로 이용할 경우, CSTR에 의해 반응한 물질과 루프 리액터에 의해 반응한 물질을 믹서로 혼합하여 제공할 수 있다.

한편 도면에서는 CSTR이 전단에 설치되고 루프 리액터가 후단에 설치되는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 루프 리액터가 전단에 설치되고 CSTR이 후단에 설치되는 것도 가능하다.

또한 도면에서는 한 개의 CSTR과 한 개의 루프 리액터가 서로 직렬로 연결되는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 한 개 이상의 CSTR과 한 개 이상의 루프 리액터가 서로 직렬로 연결되는 것도 가능하다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 반응기(300)의 개요도이다.

도 4를 참조하면 본 발명의 제3 실시예에 따른 반응기(300)는 복수 개의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성된다. 여기서 루프 리액터는 제1 실시예에서 언급한 바와 실질적으로 동일하며, 혹 상이한 부분이 있더라도 통상의 기술자라면 제1 실시예와 제3 실시예의 차이에 대응하여 당연히 변경할 것으로 예상되는 정도에 불과하므로, 이에 대해 반복적인 설명은 생략한다.

이러한 반응기(200) 역시 마찬가지로 분기점에 밸브가 설치되어, 필요에 따라 그 밸브를 제어함으로써, 단일 루프 리액터만 이용할 수도 있고(빨간색 경로 또는 파란색 경로 참조), 여러 루프 리액터를 직렬로(녹색 경로 참조) 혹은 병렬로(빨간색 경로 및 파란색 경로 참조) 모두 이용할 수도 있다. 여러 루프 리액터를 병렬로 이용할 경우, 어느 한 루프 리액터에 의해 반응한 물질과 다른 루프 리액터에 의해 반응한 물질을 믹서로 혼합하여 제공할 수 있다.

한편 도면에서는 두 개의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 세 개 이상의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 반응기(400)의 개요도이다.

도 5를 참조하면 본 발명의 제4 실시예에 따른 반응기(400)는 복수 개의 CSTR이 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성된다. 여기서 단일 CSTR 자체는 공지된 바와 실질적으로 동일하거나 통상의 기술자라면 그로부터 쉽게 도출할 수 있는 정도에 해당하므로, 이에 대해 구체적인 설명은 생략한다.

이러한 반응기(400) 역시 마찬가지로 분기점에 밸브가 설치되어, 필요에 따라 그 밸브를 제어함으로써, 단일 CSTR만 이용할 수도 있고(빨간색 경로 또는 파란색 경로 참조), 여러 CSTR을 직렬로(녹색 경로 참조) 혹은 병렬로(빨간색 열로 및 파란색 경로 참조) 모두 이용할 수도 있다. 여러 CSTR을 병렬로 이용할 경우, 어느 한 CSTR에 의해 반응한 물질과 다른 CSTR에 의해 반응한 물질을 믹서로 혼합하여 제공할 수 있다.

한편 도면에서는 두 개의 CSTR이 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되는 것으로 예시되어 있으나, 필요에 따라 세 개 이상의 CSTR이 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되는 것도 가능하다.

이상으로 설명한 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정 중 하나에 불과하다. 본 발명의 기술적 사상은 위 실시예로 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 바에 따라, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이 용이하게 변경할 수 있는 범위까지 모두 포함한다.

또한 본 명세서에서 '폴리올레핀 탄성중합체'라는 용어는 POE, POP, EPR, EPDM 등을 포괄하는 의미로 넓게 사용된다.

Claims

단량체 및 촉매가 공급되어 중합 반응이 일어나는 반응기 및
상기 반응기로부터 배출되는 반응물로부터 중합체가 분리되는 분리기를 포함하되,
상기 반응기는 적어도 한 개의 루프 리액터를 포함하는 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 적어도 한 개의 CSTR과 적어도 한 개의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성되는 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 적어도 두 개의 루프 리액터가 서로 직렬 혹은 병렬로 연결되어 구성되는 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정.
제1항에 있어서,
상기 중합체는 POE, POP, EPR 또는 EPDM인 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정.
제1항에 있어서,
상기 루프 리액터는 제열 수단으로서, 상기 루프 리액터의 관의 외부를 감싸는 재킷 형태, 상기 루프 리액터의 관의 내부에 삽입되는 냉각관 형태, 상기 루프 리액터의 관에 설치되는 냉각핀 형태 또는 이들 중 적어도 둘 이상을 조합한 형태를 포함하는 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정.
제1항에 있어서,
상기 루프 리액터는 100 내지 170℃의 온도 및 50 내지 150 atm의 압력을 갖고,
상기 중합체는 폴리올레핀 탄성중합체로서, 0.85 내지 0.9 g/cm³의 밀도 및 0.3 내지 50 g/10 min의 MI(Melting Index)를 갖는 폴리올레핀 탄성중합체 제조 공정.