고농도의 올레핀을 사용한 폴리올레핀의 제조 document_id A220623031055

수년간 폴레올레핀 제조의 효율을 증가시키는 것이 바람직한 것이었다. 이의 목적은 소정의 반응기 부피 내에서 생산할 수 있는 폴리올레핀의 양을 증가시키는 것이었다. 더 적은 폴리올레핀 제조 비용으로 더 많은 양의 폴리올레핀을 제조할 수 있는 방법은 시장에 명백한 이점을 주는 방법이다. 반응기의 단위 부피 당 제조되는 생성물의 양을 증가시키는 한 방법은, 반응기 내 단량체의 농도를 증가시키는 것이다. 단량체의 농도가 높을수록, 반응기 내의 최종 생성물의 농도가 더 높은 것은 명백한 것이다. 그러나 하기에서 논의되는 바와 같이 단량체 농도의 증가와 관련하여 다수의 문제점이 존재한다. 일반적으로, 올레핀 단량체의 중합 반응은 발열 반응이다. 이 반응은 1차 역학(first order kinetics)에 따른다. 따라서 단량체의 농도가 더 클수록, 반응이 더 빠르게 진행되어, 반응에 의해 방출되는 열의 양이 더 많아지게 된다. 이러한 열 발생이 조절되지 않으면 매우 위험할 수 있다. 가연성 탄화수소를 함유하는 반응기 내에서의 열 축적(build-up)으로 인해 화재 또는 폭발이 일어날 수 있음은 명백하다. 이러한 문제점을 해결하고 가능한 한 고농도의 단량체를 사용하기 위해, 과거에는 통상적으로 2가지 방법을 취하여 왔다. 첫째로, 반응기의 표면적:부피 비를 조절하기 위해 올레핀 중합 반응기를 신중하게 디자인하였다. 이것으로 외부 분위기와의 열 교환이 이루어질 만큼 반응 용기에 대한 표면적이 충분하게 되어, 반응기 내부의 온도를 감소시킬 수 있다. 대개 단일 또는 이중 루프 반응기가 사용된다. 이들 반응기는 1개 또는 2개의 루프로 배열되어 있는, 장형 파이프로 이루어져 있으며, 각각의 루프 높이는 수십 미터에 이른다. 파이프의 직경은 통상적으로 약 60 cm이다. 이러한 배열은 종래의 플라스크 또는 탱크 배열과 비교했을 때 더 큰 표면적:부피 비를 가진다. 둘째로, 대개 반응기를 워터 재킷(water jacket)과 같은 냉각 시스템으로 덮는다. 이로 인해 열이 반응기 표면으로부터 효율적으로 제거되어, 냉각 효율이 증가될 수 있다. 그러나 일반적으로 상기한 방법은 약 4 중량% 내지 약 6.5 중량%의 단량체 농도에 대해서만 적절하다. 이는 단량체 농도가 증가하면 추가의 문제점이 존재하기 때문이다. 종종 단량체는 반응에서 사용되는 온도 및 압력에서 기체이다. 단량체의 상승된 농도에서, 단량체는 용액으로부터 흘러 나와 반응기 내에 기체 포켓(pocket)을 형성할 수 있다. 이는 명백한 단점이다. 형성된 기체는 위험한 압력 축적을 유도할 수 있다. 또한 용매로부터 단량체가 배출되면 반응에 사용될 수 있는 단량체가 감소되어, 신중하게 선택된 반응물 농도의 균형이 깨지고, 바람직하지 않은 생성물 및 불순물이 생기게 된다. 이는 공정 효율을 증가시키기보다 오히려 공정 효율을 감소시키는 효과를 보일 수 있다. 마지막으로, 반응물은 효율적인 혼합 및 냉각을 위해 반응물 루프 주변에서 통상적으로 펌핑(pump)되지만, 펌프는 액체를 펌핑하도록 디자인되어 있어, 기체가 존재하는 경우에는 적절하게 작용하지 않을 것이다.