KR100426421B1 - 중합장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거의 원통형인 혼합용기 및 교반부재를 가지는 혼합장치를 제공하며, 여기서 교반부재는 두 개 이상의 바와 그 바들을 서로 접속하는 하나 이상의 접속부재를 포함하고, 바들이 혼합용기의 축 둘레를 회전하는 경우에, 바들의 괘적이 반드시 서로 일치하지 않도록 형성된다.

Description

중합장치

본 발명은 교반부재 (또는 휘저음(stirring) 부재) 및 이를 구비한 중합장치(예를 들어, 반응장치) 에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 복수개의 바를 구비하는 교반부재 및 이러한 부재를 구비하는 중합장치와 같은 중합장치에 관한 것이며, 이는 본 발명을 배타적으로 제한하지 않는다.

본 발명에 따른 교반부재 및 중합장치는 그 구조가 매우 단순하며 이것에 의해 생기는 교반효과는 용기 내부의 액체레벨의 변화에 의해 영향을 받지 않는다. 또한, 중합장치가 중합에 사용될 경우 블록매스(block mass)가 거의 형성되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 교반부재 및 중합장치는 다용도용이므로 다방면, 예를 들면 다양한 배치식 및 연속적인 중합처리들에 널리 사용될 수 있다. 따라서, 중합처리들에 사용될 수 있는 교반부재 및 중합장치를 참조하여 본 발명에 따른 교반부재 및 중합장치를 주로 설명하지만, 이는 본 발명을 이러한 처리들에 사용되는 것으로 배타적으로 제한하지 않는다.

지금까지, 다양한 중합장치들이 개발되어 왔으며, 특히 이러한 장치들에서 사용되는 다양한 교반부재들이 개선되어 왔다. 교반부재는 일반적으로 다음의 2 가지 형태로 분류되는데, 하나는 패들 교반기 및 터빈 교반기와 같은 반경류형(radial flow type)이며, 다른 하나는 프로펠러 교반기 (예를 들면, "교반장치의 설계와 조작 (교반장치의 디자인 및 작동)" 베사쓰-가가꾸 고오교, 가가꾸 고오교샤, 1970 년, 제 14 권, 제 7 호, pp. 4-11 참조) 와 같은 축류형(axial flow type)이다.

반경류형 교반부재가 중합용기에서 사용되는 경우에, 교반부재의 회전의 원심력 효과로 인해 부재의 회전방향을 따라 강한 액체 흐름이 형성된다. 강한 흐름은 용기의 액체레벨을 낮추며 액체 내부로 공기를 들여보내는 수평 와류(swirl)를 발생시킨다. 상기 와류의 중심부는 막대의 형태로 회전하기 때문에, 그 부분에서의 중합효과는 충분하지 않다. 상기 효과를 개선하기 위하여, 배플판이 중합용기에 설치된다. 배플판(baffle plate)들은 상기 부재의 축방향을 따른 중합을 가속시키며, 상기 부재에 의해 소비되는 전력의 증가에 대응하는 중합 효과를 개선한다. 그러나, 배플판은 점도가 낮은 액체에 대해 효과적이며, 점도가 높은 액체에 대해 사용될 경우 정체부분들이 배플판 뒤에 형성된다는 또다른 문제점을 갖는다. 즉, 배플판이 반드시 효과적인 것은 아니다.

한편, 축류형 교반부재가 중합용기에 사용되는 경우에, 강한 액체흐름이 상기 부재의 회전축 방향을 따라 형성되는 경향이 있다. 특히, 배플판들이 사용될 경우, 이러한 경향이 현저해져서, 액체는 용기에서 명료하게 재순환하는 스트림(stream)으로서 흐른다. 반경류형 교반부재와 비교할 경우, 축류형 교반부재는 용기의 훨씬 더 넓은 영역에서 액체를 액화시켜, 비교적 더 작은 교반부재가 부피가 큰 용기에서 사용될 수 있는 가능성을 유발시킨다. 그러나, 이러한 교반부재는 점도가 낮은 액체에 대해서만 그 가능성을 효과적으로 제공한다.

상술한 바와 같은 교반부재는 일반적으로 이와 같이 수직 위치로 용기의 임의의 위치에서 회전 샤프트에 고정된다. 이것은 용기의 액체표면 레벨에 대한 교반부재의 위치가 중합효과에 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 교반부재가 중합처리에 사용되는 경우, 예를 들어, 중합된 산물의 품질은 상기 부재의 위치에 크게 의존한다.

또한, 상기 교반부재는 중합효과를 증진시키기 위해 배플판을 필요로 한다. 배플판들이 중합용기에 설치되는 경우, 중합효과는 개선되지만, 정체부분들이 배플판 뒤에 형성된다. 예를 들어, 배플판들과 함께 교반부재를 사용하여 장시간 동안 중합처리를 계속할 경우, 중합체의 블록매스가 형성되어 정체부분들로 성장할 수 있으며, 이러한 블록매스들이 중합동작을 방해할 수 있다.

나사형 교반기 또는 나선형 리본 교반기가 고점도 액체의 중합에 사용된다. 예를 들어, 일본 특개평 14853/1986 호는 하나의 단부에서 지지되지 않는 나선형 교반기를 개시하며, 일본 특개평 34444/1989 호는 회전 샤프트 상의 복수개의 나선형 이중날들을 포함하는 교반기를 개시하며, 일본 특개평 51962/1983 호는 날이 스크레이퍼들을 포함하는 회전 샤프트에 고정된 교반용 날을 사용한다. 일본 특개평 55269/1994 호는 서로 맞물려 있는 한 쌍의 나사를 구비하는 교반기를 개시하고 있다. 그러나, 이러한 교반부재들은 그 구조가 매우 복잡하며 일반적으로 교반시에 큰 전력을 필요로 하며, 적용시 적용될 액체의 점도에 의해 제한된다.

상술한 바와 같은 교반부재 각각에 의해 발생된 흐름은 주로 수직 재순환흐름 (예를 들어, 회전 샤프트의 방향을 따라) 이다. 이러한 교반부재가 중합용기에서 배치식 동작모드로 사용될 경우에, 용기의 임의의 액체부분이 거의 동일한 체류시간을 갖는다. 그러나, 이러한 교반부재가 연속 동작모드 (즉, 용기로 연속적인 공급 및 용기로부터의 연속적인 회수) 로 사용될 경우에, 용기내의 다양한 액체부분들이 상이한 체류시간을 갖는다 (즉, 다양한 체류시간 분포가 존재한다).

예를 들어, 교반부재를 사용하여 반응이 연속적으로 실행되는 경우에, 다양한 액체부분들은 미세한 관점에서 볼 때 상이하게 반응 변환된다. 이러한 교반부재를 사용하는 중합 동작의 경우에, 상기 연속적인 동작이 다양한 중합도를 갖는 중합체산물들을 생성한다.

일본 특개평 3481/1983 호는 고점도의 액체가 정체부분들의 형성없이 사용되는 소위 피스톤 흐름형 장치를 목표로 하는 중합장치를 개시하고 있다. 이 장치에서, 용기의 중심축은 교반부재의 회전 샤프트로부터 이심(離心)적으로 되며, 다공성판 및 날개를 구비하며, 후자는 용기벽들에 부착된 중합체를 제거하는 스크레이퍼들로서 기능한다.

상술한 중합장치가 어느 정도까지는 자체의 목적들 (즉, 피스톤 흐름형 장치의 제공) 을 성취할 것으로 기대하지만, 상기 장치는 그 구조가 여전히 복잡하여 산업적으로 장치를 사용하기가 매우 곤란하다.

따라서, 본 발명의 목적은 구조가 단순하며, 블록매스가 적은, 바람직하게는 블록매스가 거의 없으며, 넓은 범위의 점도를 가지는 액체에 적용되는 배치식 모드 또는 연속 모드로 사용되는 교반부재 및 (중합장치와 같은) 중합장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 부분적으로 절단하여 본 발명에 따른 교반부재가 용기의 일부에서 도시되는 본 발명에 따른 중합장치의 일실시예의 개략사시도.

도 2 는 도 1 에 도시된 바와 같이 교반부재가 도시되도록 용기가 단면도로 도시되는, 본 발명에 따른 교반부재를 구비한 중합장치의 개략정면도.

도 3 은 도 2 의 선 A-A' 를 따라 취한 도 1 에 도시된 중합장치의 개략단면도.

도 4 는 도 2 와 유사하게 용기가 단면도로 도시된 본 발명에 따른 교반부재를 구비한 중합장치의 또 다른 실시예에 관한 개략정면도.

도 5 는 이후에 기재될 비교예에서 사용된 종래 중합장치의 개략정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 중합장치 12 : 교반부재

14 : 중합용기 16, 17 : 바

18, 19 : 접속부재 20 : 샤프트

22 : 상부커버 26, 28 : 접속기구

본 발명자들은 상기 목적을 성취하는 교반부재 및 중합장치를 제공하기 위하여 연구해 왔으며, 이하에 기재된 것이 매우 효과적이라는 것을 발견하였다.

제 1 태양에서, 본 발명은 두 개 이상의 바와 상기 바들을 서로 접속하는 하나 이상의 접속부재를 구비하는 교반부재를 제공하고, 상기 교반부재는 바들이 거의 원통형인 중합용기의 축 둘레에서 회전되는 경우에, 바들의 궤적이 반드시 서로 일치하지 않도록 형성된다. 궤적은 바들이 회전할 경우 바들에 의해 생기는 경로이다.

다시 말하면, 본 발명은 두 개 이상의 바와 바들을 교차하는 방향, 바람직하게는 서로 수직으로 바들을 접속하는 하나 이상의 접속부재를 구비하는 교반부재를 제공하고, 상기 접속 부재중 적어도 하나는 접속기구 (커플링과 같은) 를 구비하며, 상기 기구와 중합용기의 축이 서로 정렬되도록 상기 접속기구를 통하여 거의 원통형인 중합용기의 축에 대응하는 회전 샤프트에 고정되어 상기 샤프트 및 바들이 중합용기의 축 둘레를 회전할 경우에 바들의 궤적이 서로 동일하지 않게 된다.

이러한 고정은 교반부재가 중합용기의 회전 샤프트에 대하여 비대칭이라는 것을 의미한다.

제 2 태양에서, 본 발명은 거의 원통형인 중합용기 및 본 발명의 제 1 태양에 기재된 교반부재를 구비하는 중합장치를 제공하며, 상기 중합장치에 있어서 교반부재는 접속기구를 통해 중합용기 상에 장착되어 상기 샤프트가 중합용기의 축 둘레를 회전하는 경우에 바들의 궤적이 서로 일치하지 않게 된다.

바람직한 일실시예에서, 본 발명에 따른 교반부재는 중합용기의 축에 대해 거의 평행하며 두 접속부재를 사용하여 임의의 두 개의 대향위치에서 바람직하게는교반부재의 양단 또는 그 근처에서 서로 접속되는 두 개의 바를 구비한다.

본 발명의 특징 중 한 개는 두 개 이상의 바를 사용한다는데 있다. 길이(또는 높이) 와 폭 (또는 두께) 를 가지며 설치된 바에 대하여 특별한 제한들은 없으며, 즉 바는 거의 2 차원 이상이므로 상기 바가 임의의 방향을 따라 액체를 통과시키는 경우에 상기 바는 이와 같이 액체를 이동시킬 수 있다. 바람직한 실시예에서 바는 중합용기의 직경에 비례하여 더 긴 길이를 가질 수 있다. 상술한 바(bar)는 임의의 형태, 바람직하게는 기둥(column) 또는 각기둥(prism)의 형태이며, 더욱 바람직하게는 직립 기둥 또는 직립 각기둥의 형태이다. 바는 그 축에 수직한 단면에서 임의의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 단면은 원형, 타원형 그리고 삼각형, 사각형, 및 육각형 등과 같은 다각형일 수 있다. 바는 속이 빈 형태 또는 속이 찬 형태일 수 있다. 바가 원기둥의 형태일 경우, 그 직경은 바람직하게는 교반부재가 적용되는 용기의 내부 직경의 15 % 내지 20 % 범위이며, 더욱 바람직하게는 17 % 내지 18 % 의 범위이다. 바의 단면이 원형이 아닐 경우, 동등한 직경이 상기 직경 대신 사용될 수 있다. 바의 길이에 대한 바의 직경의 비는 바람직하게는 1/5 과 1/20 사이의 범위이며 더욱 바람직하게는 1/9 과 1/8 사이의 범위를 가질 수 있다. 바는 효과적인 중합을 위한 충분한 강도와 중합될 액체에 대한 충분한 저항을 갖는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 바는 일례로서 금속으로 만들어질 수 있다. 각 바는 일반적으로 동일한 길이를 가진다. 바들의 수는 일반적으로 2 개이지만, 선택적으로 3 개 이상일 수 있다. 두 개 이상의 바가 사용되는 경우에, 바들의 단부가 선상에 놓이도록 접속된다.

바람직한 실시예에서, 모든 바는 두 개의 접속부재에 의해 서로 평행하게 접속되어 바들의 단부가 각각의 접속부재들상에 정렬된다.

바들은 하나 이상의 접속부재들과 서로 수직으로 접속된다. 접속부재에 대한 특별한 제한은 없으며, 바에 대한 상술한 특징은 역효과가 생기지 않는한 일반적으로 적용된다. 접속부재가 바들을 접속하는 위치에 대한 제한은 없다. 원칙적으로, 접속부재(들)은 바들을 접속하고 이들 사이의 각각의 접속은 최적의 세기를 갖는다. 예를 들어, 한 개의 접속부재만이 사용될 경우, 이것은 바의 중간지점에서 바들을 접속하는 것이 바람직하다. 대부분의 경우에서와 같이 두개의 접속부재가 사용되는 경우, 바는 대향하는 양단에서 (즉 바들의 상단과 하단에서) 접속부재들에 의해 접속되는 것이 바람직하다. 이러한 교반부재에서, 각 접속부재의 양단이 바들을 접속하는 것이 또한 바람직하다. 접속부재의 수는 한 개 일 수 있지만, 교반부재에서 특별한 취약 부분을 형성하지 않도록 일반적으로 2 개 이상이다. 접속부재의 수가 2 개 이상인 경우에, 두 개의 부재가 양단에서 바들을 접속하며 나머지 부재들은 두 부재 사이에 바들을 접속하여 모든 접속 부재가 바들을 각각 동일한 길이를 가지는 복수의 바 부분들로 분할한다. 특히, 바가 비교적 긴 경우에, 접속부재의 수는 3 개 또는 4 개 이상일 수 있다. 한 개 이상의 접속부재들은 교반부재가 중합용기의 축에 대하여 비대칭되도록 만드는 접속기구를 갖는다. 양단에서 바들을 접속하는 한 개의 접속부재가 사용되는 경우에, 접속기구는 상기 접속부재의 중심으로부터 벗어나도록 배치된다. 양단에서 바들을 접속하는 한 개 이상의 접속부재가 사용되는 경우에, 한 개 이상의 부재 (일반적으로 최상부의 부재) 는 상기 접속부재의 중심으로부터 벗어나도록 배치된 접속기구를 갖는다.

따라서, 본 발명에 따른 교반부재는 서로 이격된 2 개 이상의 바와, 바들을 교차하는 방향, 바람직하게는 서로에 대해 수직인 방향을 따라 바들을 접속하는 한개 이상의 접속부재로 이루어지며, 한 개 이상의 접속부재는 중합용기의 원형단면의 중심에서 회전하는 샤프트 상에 교반부재를 고정시킬 수 있는 접속기구를 가지도록 구성되므로 바들에 의해 형성된 궤적은 서로 일치하지 않는다.

한 개 이상의 바는 설치된 중합용기의 축과 평행하지 않을 수 있으므로 이러한 비평행 바는 교반부재의 회전을 방해하지 않는다. 그러나, 적어도 최외부의 바 (즉, 중합용기의 축으로부터 최외부에 놓이는 바 또는 가장 큰 원통형 궤적을 형성하도록 회전하는 바) 가 축에 평행하게 놓여, 예를 들어 중합의 경우에 바는 임의의 중합산물이 용기의 벽에 부착되는 것을 방지하도록 기능하거나 및/또는 용기 벽 내부와 바의 최외부 측 사이의 거리로서 규정되는 클리어런스(clearance)가 충분히 작을 경우에 용기의 벽에 부착하는 중합산물을 닦아내는 스크레이퍼로서 기능할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명에 따른 중합장치는 자체 세정기구를 가질 수 있다.

상기 규정된 클리어런스의 폭은 중합되는 개별적인 시스템에 의존하지만, 바람직하게는 중합용기의 내부직경의 0.1 % 내지 0.5 % 사이의 범위이며 더욱 바람직하게는 0.2 % 내지 0.4 % 사이의 범위이다. 클리어런스가 더 작아질 수록 자체 세정효과 (즉, 중합체 매스의 부착 및/또는 중합체 매스의 성장 방지) 는 더 좋아진다. 그러나, 더 작은 클리어런스는 클리어런스에서의 전단 응력을 증가시키고, 이는 교반부재에 의한 전력소비를 증가시킨다. 반대로, 클리어런스가 더 커질 경우,전력소비는 감소하며, 자체 세정효과도 감소된다. 단지 상술한 바와 같은 클리어런스에 대한 설명은 접속부재가 바의 하단에 놓이며 용기의 하부면이 평평할 경우에 접속부재와 용기의 내부 하부면 사이의 클리어런스에 또한 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예에서, 바의 궤적이 반드시 서로 일치하지 않도록 하기 위해, 즉 교반부재가 용기의 축 둘레를 회전할 경우에 그 형태, 크기 및 위치가 서로 동일하지 않도록 하기 위해, 교반부재는 상기 용기상에 장착되어 2 개의 측 바 사이의 중심축이 용기의 축으로부터 오프셋(또는 편향)되며 상기 부재는 예를 들어 모터를 구비하는 구동기구에 의해 회전되는 용기의 축에 해당하는 샤프트에 고정된다. 도 2 에 개략적으로 도시된 바와 같이 두 개의 바를 구비하는 교반부재에 관하여 설명하는 경우, 용기의 중심과 최외부 바의 중심 사이의 거리[a] 는 용기의 중심과 최내부 바의 중심 사이의 거리 [b] 와 동일하지 않다.

본 발명의 효과를 충분히 성취하기 위하여, 최내부 및 최외부 바 사이의 중심과 용기의 축 사이의 거리에 해당하는 거리 (a-b)/2 는 바람직하게는 용기의 축으로부터 교반부재의 중심을 효과적으로 편향시키는 용기의 내부직경의 6 % 와 12 % 사이의 범위이며, 더욱 바람직하게는 8 % 와 10 % 사이의 범위이다. 이러한 편차와 용기의 내부직경의 15 % 와 20 % 사이의 범위에 있는 바의 외부직경을 결합하여, 회전바들에 의해 함께 형성된 용기의 축에 수직인 궤적면적은 축에 수직인 용기의 단면적의 약 90 % 이상 이므로, 액체의 중합효과가 충분히 얻어진다.

바람직한 실시예에서, 중합장치는 중합용기의 상단부에 놓인 상부커버를 구비하며, 상기 커버는 상기 용기내의 액체로부터 증발된 증기가 콘덴서로 들어가는노즐, 비정상적인 반응시에 중합억제제를 공급하는 노즐 등과 같은 노즐을 갖는다.

본 발명에 따른 교반부재의 상부가 임의의 비상상황에 의해 교반부재의 정지시에 이러한 노즐의 기능을 방해하지 않도록 하기 위해 (예를 들면, 상기 부재의 상부에 의해 폐쇄되는 것을 피하기 위해), 교반부재의 상부는 바람직하게는 중합용기의 상단부 아래로부터 100 mm 내지 1000 mm 이며, 더욱 바람직하게는 300 mm 내지 600 mm 이다.

중합장치는 본질적으로 중합용기 및 교반부재로 이루어지며, 용기의 내부직경 [D] 에 대한 용기의 높이 [H] (즉, 용기의 하부로부터 상단부까지의 길이) 의 비 (H/D) 는 실질적으로 0.5 ≤ H/D ≤ 5.0 이며, 바람직하게는 1.0 ≤ H/D ≤ 3.5이다. 장치는 용기의 내부직경 [D] 에 대한 용기의 액체 높이 [L] (즉, 사용가능한 액체의 량이 용기로 충전될 경우에 용기의 하부로부터 액체표면까지의 길이)의 비 (L/D) 가 실질적으로는 0.2 ≤ L/D ≤ 4.0 이며, 바람직하게는 0.5 ≤ L/D ≤ 2.0 이내에서 동작될 수 있다. 일반적으로, 중합용기는 외부 재킷을 가지므로 그 용기 내부의 액체가 임의의 적절한 가열 또는 냉각 매체에 의하여 가열 또는 냉각될 수 있다. 중합억제제의 공급의 안전을 위해, 파열판(rupture plate)이 중합장치 상에 선택적으로 설치될 수 있다. 접속부재의 상부표면상의 영역에서 단량체 반응으로부터 생성된 블록매스의 형성을 억제하기 위하여, 단량체 용액과 같은 액체를 용기로 공급하는 주입구가 교반부재의 상부표면 아래로부터 바람직하게는 10 내지 50 mm, 더 바람직하게는 20 내지 30 mm 인 레벨에 설치된다. 중합산물을 함유하는 용액과 같은 액체를 상기 용기로부터 배출하는 배출구가 일반적으로 용기의 하부벽상에 설치된다. 가능한 오랜 시간동안 배출구를 노출시키기 위하여, 배출구가 용기의 중앙으로부터 가능한 최외부에 설치된다. 용기에서 불충분하게 중합된 액체부분이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 용기는 바의 길이[1] (접속부재(들) 의 두께를 포함)에 대한 용기의 액체 높이 [L] 의 비 [L/l] 가 바람직하게는 0.1 과 0.95 사이의 범위, 더욱 바람직하게는 0.70 과 0.90 사이의 범위에서 동작할 수 있다. 용기의 높이 [H] 에 대한 바의 길이 [l] 의 비[l/H] 는 바람직하게는 0.70 과 0.95 사이의 범위이며, 더욱 바람직하게는 0.80 과 0.90 사이의 범위일 수 있다.

본 발명에 따른 중합장치는 일반적으로 임의의 점도의 액체 (고점도 액체 포함) 에 유용하며, 중합반응을 위한 단량체 용액의 중합, 즉 용액중합에 특히 효과적이다. 기본적으로, 임의의 단량체가 본 장치에서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 중합장치를 사용하여 효율적으로 중합되는 적당한 단량체의 예들은 비닐아세테이트, 비닐프로피오네이트, 비닐부틸레이트, 비닐베르세이트 및 비닐피바레이트와 같은 비닐에스테르를 포함한다. 단량체를 용해하여 단량체 용액을 제조하는 용제에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 상기 용제는 (메탄올, 에탄올 및 프로판올과 같은) 알콜, (에틸아세테이트 및 메틸아세테이트와 같은) 에스테르, (아세트산과 같은) 유기산, 아세톤, 벤젠 및 톨루엔을 포함한다. 단량체 용액과 같이 중합될 액체의 점도에는 특별한 제한이 없지만, 액체의 점도는 실질적으로 50 과 5000 포이즈(poise) 사이의 범위, 바람직하게는 100 과 3000 포이즈 사이의 범위이다.

바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 교반부재는 바람직하게는 접속부재(들)를 제외한 용기의 축방향을 따라 임의의 레벨에서 실질적으로 동일한 수평단면적을 갖는다 (점선을 사용하여 접속부재와 접속기구를 도시한 도 3 참조). 이것은 중합효과가 용기내의 액체부분들의 레벨에 관계없이 거의 동일하여 동일한 중합효과가 유지되는 동안 반응주기와 같은 임의의 처리주기 및/또는 임의의 처리량이 선택될 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 중합효과는 예를 들어 동작의 초기에 액체레벨이 낮은 경우에도 일정하기 때문에, 액체레벨이 소정 액체레벨로 증가할 때까지 동일한 중합상태가 얻어지므로 짧은 기간에 동작을 안정상태로 이동시키는 것을 더 용이하게 한다.

본 발명에 따른 중합장치는 배플판을 사용하지 않기 때문에, 용기에서 정체 부분이 거의 형성되지 않으므로 블록매스도 거의 형성되지 않는다. 또한, 용기 벽과 최외부 바 사이의 클리어런스가 너무 작아서 자체세정효과가 유용하게 되고, 블록매스의 형성이 더욱 더 어려워진다.

본 발명에 따른 중합장치에서, 바들의 회전이 교대로 거의 수평방향을 따라 회전하는 액체흐름을 형성하는 중합효과를 생성하므로, 바람직하게는 거의 수직 흐름이 형성되지 않거나 최소한의 중합이 수직방향을 따라 발생한다. 따라서, 전력소비가 작다. 액체가 연속적으로 공급되어 용기로부터 회수될 경우, 액체는 용기에서 거의 이른바 "피스톤 흐름" 으로 흐른다. 이것은 용키내의 액체의 체류시간 분포가 매우 샤프하게 (또는 좁게) 되어, 반응동작의 경우에, 거의 균일한 특성들을 가지는 변환된 산물이 얻어진다.

본 발명에 따른 중합장치는 상술한 바와 같이 다양한 장점을 갖기 때문에, 장치의 대형화가 유사성의 원리에 기초하여 용이하게 실행된다. 또한, 중합효과는용기에서의 액체레벨과 독립적이므로 중합동작이 임의의 선택된 액체 깊이에서 수행될 수 있다. 따라서, 중합장치가 일례로서 중합시의 배치식 모드 뿐만아니라 연속모드에서 매우 유용하다. 또한 본 중합장치는 블록매스를 형성하지 않고 실질적으로 긴 시간동안 안정하게 동작하며, 이것은 산업상의 관점에서 매우 중요하다. 특히, 본 중합장치는 상업적으로 안정한 중합동작을 보중한다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 중합장치(10)의 일실시예의 사시도이며, 도 2 는 도 1 의 정면도이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 중합장치 (10) 는 교반부재 (12) 및 원통형의 중합용기 (14) 를 구비한다. 교반부재 (12) 는 접속부재 (18) 의 양단에 의해 서로 수직으로 상단 및 하단에 접속되는 서로에 대해 평행한 2 개의 바 (16, 17) 를 갖는다. 접속부재 (18, 19) 는 그의 양단에서 바 (16, 17) 를 접속하지만, 최내부의 바의 연장이 자체 세정효과에 악영향을 주지않기 때문에 접속부재 (18, 19) 는 도 1 또는 도 2 로부터 알 수 있는 바와 같이 바 (16) 의 상단 및 하단을 약간 초과하여 연장될 수 있다. 용기 (14) 는 용기 (14) 의 축 (42) 인 샤프트 (20) 를 회전시키는 구동기구 (도시되지 않음) 에 접속가능한 용기중심부에서 상부커버 (22) 를 통과하는 회전샤프트 (20) 를 갖는다. 샤프트 (20)는 접속기구 (28) 에 의해 상부의 접속부재 (18) 에 접속된다. 따라서, 상부의 접속부재 (18) 는 도 1 또는 도 2 로부터 알 수 있는 바와 같이 부재 (18) 의 중심으로부터 이심적으로 샤프트 (20) 에 접속된다. 하부의 접속부재 (19) 는 샤프트 (20) 에 대향하는 접속기구 (26) 를 통해 그의 중심의 하부벽 (24) 에 자유롭게 회전할 수 있도록 접속된다. 접속기구 (26) 는 상부의 기구가 교반부재를 지지하기에 충분할 경우에는 반드시 필요하지는 않다. 상술한 바와 같은 이러한 접속들에 의해, 샤프트 (20) 가 회전할 경우, 바 (16, 17) 가 샤프트 (20), 즉 용기의 축 (42) 둘레를 각각 회전하여, 도 3 에 도시된 바와 같이 바 (17) 는 더 큰 원통형 궤적 (44) 을 형성하며 바 (16) 는 더 작은 궤적 (46) 으로 더 작은 원통형 궤적을 형성한다. 즉, 두 궤적이 서로 일치하지 않는다. 바 (16, 17) 가 용기 (14) 의 축 (42) 과 평행하므로 용기의 내부와 바 (17) 의 최외부 표면 사이의 클리어런스 (34 : 크기가 너무 작기 때문에 선으로 도시됨) 가 바 (17) 의 길이를 따라 거의 일정하게 유지된다. 중합용기 (14) 는 예를 들어 증기가 용기의 액체로부터 콘덴서 (도시되지 않음) 로 통과하거나 중합억제제가 액체에 공급되는 노즐 (48) 을 더 구비한다.

도 3 은 도 1 또는 도 2 의 중합장치의 단면도이다. 쉽게 이해하기 위해, 두 개의 궤적 (44, 46) 이 각각 회전바 (16, 17) 의 중심에 의해 형성된 파선을 사용하여 도시된다. 물론 바들에 의해 형성된 궤적은 환형고리이다.

도 4 는 본 발명에 따른 중합장치의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예는 바의 수가 3 개, 즉 교반부재가 최내부의 바 (16) 와 최외부의 바 (17) 사이에서 부가적인 바 (16') 를 갖는다는 것을 제외하고 도 2 의 실시예와 유사하다.

이하, 본 발명에 따른 중합장치의 사용에 대해 일예로서 중합공정에 설명한다.

우선, 중합장치 (10) 의 내부를 본질적으로 중합된 단량체로 이루어지는 단량체 용제, 질소로 대체하며, 주입구 (30) 를 통해 소정레벨로 중합용기 (14) 내에 소정량의 용제를 채워우며, 그 후 용제의 상태 (특히 점도) 를 관측하는 동안에 용제를 교반하여 소정온도로 가열한다. 가열은 주입구 (30) 을 통해 공급되어 배출구 (38) 를 통해 회수되는 증기 또는 고온의 물을 사용하여 용기 주위의 재킷(36) 으로 수행될 수 있다. 교반부재의 회전수는 용제의 조건들 (특히 점도)에 의존한다. 한편, 횟수가 너무 작을 경우에는, 용제의 중합이 충분하지 않게 된다. 다른 한편으로는, 횟수가 너무 클 경우에는 중합을 위한 전력소비가 빠르게 증가한다. 횟수는 일반적으로 2 와 20 r.p.m. 사이의 범위이며, 5 와 15 r.p.m. 사이의 범위가 바람직하다. 중합동작이 연속적으로 실행될 경우, 단량체 용제는 연속적으로 재공급되며, 소정 중합도가 용기의 용제에 도달한 후에 동시에 용제의 회수가 개시된다. 용제는 예를 들어 기어펌프 (도시하지 않음) 를 사용하여 배출구 (32) 를 통해 회수된다. 필요하다면, 오발형(oval type) 유량계와 같은 유량계가 회수용으로 사용될 수 있다. 용기에서의 액체레벨은 회수 양을 조절하여 제어될 수 있다. 회수용액의 적어도 일부는 용기로 재순환되어 용기에서의 액체레벨을 일정하게 유지시킨다. 의도적으로 중합을 정지시키기 위해, 액체에 중합억제제를 부가하는 수단을 중합장치에 설치할 수 있다. 비상시에, 파열판과 같은 임의의 안전장치를 또한 설치할 수 있다.

교반부재 또는 본 발명에 따른 상기 교반부재를 가지는 중합장치는 그 구조가 매우 단순하며 용기에서의 액체레벨에 관계없이 충분한 중합을 성취할 수 있다.

예를 들어 중합의 경우에, 본 발명에 의해 성취된 중합은 용기벽에 부착시킨중합체도 제공하지 못하고 블록매스를 형성하지도 못하므로, 연장된 기간동안 안정적인 중합을 행할 수 있다. 또한, 용기에서의 액체 흐름은 실질적으로 균일한 특성을 갖는 중합체 산물을 형성하는 피스톤식 흐름이며, 배치식 모드 또는 연속모드에서 사용될 수 있는 중합장치를 용이하게 대형화시킬 수 있다.

실시예

실시예 1

비닐아세테이트의 중합이 도 1 에 도시된 바와 같이 교반부재 (12)와 원통형 중합용기로 이루어지는 본 발명에 따른 중합장치를 사용하여 수행되었다. 상기 용기는 내부직경이 2300 mm 이며, 높이 (용기의 하부면으로부터 상단부까지의 길이에 해당함) 는 6000 mm 이다. 상기 부재는 외부직경이 400 mm 인 원형의 단면적을 가지는 기둥의 형태인 각각 2 개의 수직바 (16, 17) 로 이루어진다. 바는 두개의 접속부재 (18, 19) 에 의해 그의 양단에서 이런식으로 접속되어 각 바의 길이가 양단에서의 접속부재 (18, 19) 의 두께(각각 3000mm)를 포함하여 전체적으로 5500 mm 가 된다. 교반부재는 용기상에 장착되어 용기의 중심과 최외부의 바의(17) 중심 사이의 길이 [a] 는 943 mm 가 되며 용기의 중심과 최내부의 바의 (16)중심사이의 거리 [b] 는 510 mm 가 된다.

용기의 내부는 비닐아세테이트 83 중량% 와 메탄올 17 중량%를 함유하는 단량체 용액, 질소로 대체되며, 미량의 중합기폭제가 상기 용기로 채워진다. 단량체 용액은 고온의 물이 재순환되는 용기 둘레에 가열재킷 (36) 이 공급되는 경우에 열 교환기를 사용하여 가열된다. 중합을 용기바닥으로부터의 액체레벨이 4.2 m 이며 (예를 들어 용기의 내부직경에 대한 액체 높이의 비는 1.8/1 이다) 65℃ 의 온도에서 연속적으로 실행한다. 회전수는 10 r.p.m. 으로 설정된다. 중합변환은 단량체 용제의 조성물 및 용기내의 단량체 용제의 평균 체류시간 등에 기초하여 계산된 중합촉매의 부가량을 사용하여 제어된다. 중합변환을 약 64 %로 유지하면서 중합동작을 1 년 동안 계속하면, 블록매스는 형성되지 않으며 약 1700 의 중합도를 가진 폴리비닐 아세테이트 수지가 생성된다.

실시예 2

용기의 내부직경에 대한 액체높이의 비가 1.3/1 이 되는 것을 제외하고 실시예 1 을 반복실행한다. 중합동작이 약 64 % 의 중합변환으로 일년동안 계속되는 동안, 블록매스는 형성되지 않으며 약 1700 의 중합도를 가지는 폴리비닐 아세테이트 수지가 생성된다.

실시예 3

용기의 내부직경에 대한 액체의 높이의 비가 0.75/1 이며, 단량체 용액이 16중량% 의 메탄올을 함유하는 것을 제외하고 실시예 1 을 반복실행한다. 중합 동작이 용액이 약 62 % 의 중합변환으로 일년동안 계속되는 동안, 블록매스는 형성되지 않으며 약 2000의 중합도를 가진 폴리비닐 아세테이트 수지가 생성된다.

비교예

도 5 에 도시된 바와 같이 패들식 교반기 형태인 교반부재 (12) 와 내부직경이 2400 mm 이며, 높이가 3600 mm 이며 용기에 포함된 배플판 (50) 가지는 중합용기 (14) 로 이루어진 중합장치를 사용한다. 동작조건은 실시예 1 의 조건들과 동일하다.

중합동작이 10 일간 계속하면 많은 블록매스가 형성되고 이것이 점차적으로 성장하여 교반시의 전력소비가 증가한다. 또한, 중합효과가 교반부재와 관련된 액체부분의 위치에 의존하므로, 안정적인 연속동작을 유지하기가 매우 어렵다.

본 발명에 따른 중합장치는 배플판을 사용하지 않기 때문에, 용기에서 정체 부분들이 거의 형성되지 않아 블록매스가 형성되지 않는다. 또한, 바의 회전시 전력소비가 작으며 장시간 동안 안정적으로 동작할 수 있다.

Claims (5)

1. 거의 원통형인 중합용기 및 교반부재를 구비하며, 상기 교반부재는 두 개 이상의 바와 상기 바들을 서로 접속하는 하나 이상의 접속부재를 포함하며, 상기 바들이 상기 중합용기의 축 둘레를 회전하는 경우에 상기 바들의 궤적이 반드시 서로 일치하지 않게 형성되며, 상기 중합용기의 축선과 최내측 및 최외측의 바들의 중심선과의 거리가 용기 내경의 6% ~ 12% 인 것을 특징으로 하는 중합장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 중합용기의 내벽과 상기 내벽에 인접한 최외부 바 사이의 클리어런스(clearance)의 폭은 상기 중합용기 내부직경의 0.2 내지 0.4 % 인 것을 특징으로 하는 중합장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 장치는 용액의 중합에 사용되는 것을 특징으로 하는 중합장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 용액의 중합은 비닐아세테이트, 비닐프로피오네이트, 비닐부틸레이트, 비닐베르세이트 및 비닐피바레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택된 비닐에스테르 단량체의 중합인 것을 특징으로 하는 중합장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   두 개 이상의 바와,

   상기 바들을 서로 수직으로 접속하는 하나 이상의 접속부재를 포함하며,

   상기 접속부재의 최상부는 접속기구를 구비하고,

   상기 접속부재는 상기 접속기구를 통해 상기 접속기구와 상기 축이 서로 정렬되도록 상기 중합용기의 축에 대응하는 회전 샤프트에 고정되는 것을 특징으로 하는 중합장치.

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