JP4144967B2

JP4144967B2 - 横型反応装置

Info

Publication number: JP4144967B2
Application number: JP11489099A
Authority: JP
Inventors: 一元宮嶋; 公彦佐藤
Original assignee: Teijin Fibers Ltd
Current assignee: Teijin Frontier Co Ltd
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: JP2000302874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリエステル、ポリアミド及びポリカーボネートなどの高分子化合物の合成に使用する横型反応装置に関する。更に詳しくは、反応によって揮発性の低分子物質を副生する高分子化合物の合成に使用する横型反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリエステル、ポリアミド及びポリカーボネートなどの高分子化合物、中でもポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレートで代表されるポリエステルはそのすぐれた物理的、化学的性質を有するため、種々の用途に広く用いられている。特に、ポリエステルは、強度や弾性率等の機械特性、耐熱性等に優れているため、衣料用やタイヤコード等の産業用の繊維として、あるいはフィルムやエンジニアリングプラスチックとして広く用いられている。
【０００３】
一般に、このような各種の用途に使用されるポリエステルの製造方法としては、直接重合法又はエステル交換法が用いられる。
【０００４】
ここで、前者の直接重合法は、酸成分とジオール成分とを直接エステル化反応させることによりポリエステル先駆体を形成し、次いで該ポリエステル先駆体を減圧下で重縮合させてポリエステルを製造する方法である。他方、後者のエステル交換法は、酸成分の低級アルキルエステルとジオールとをエステル交換反応させてポリエステル先駆体を形成し、次いで該ポリエステル先駆体を減圧下で重縮合させる方法である。
【０００５】
このようなポリエステルの重合に際しては、従来はバッチ方式によるものが多く用いられていたが、近年においてスケールメリットを生かし、安価にポリエステルを製造するために、連続方式への切り替えが進められてきている。何故ならば、連続方式を採用することによる歩留まりの低下、品質の向上、重合度の均一化、操業性の向上等そのメリットが極めて大きいからである。
【０００６】
一般に、ポリエステルの連続重合による製造方法の多くは、エステル交換反応装置又はエステル化反応装置と、重縮合反応装置とが複数組み合わせれたプロセスにより行われている。例えば、先ず原料をエステル交換反応装置又はエステル化反応装置に供給して単量体又はオリゴマーを生成し、得られた単量体又はオリゴマーを初期重縮合反応装置へと供給して減圧下で反応させて低重合体を生成する。次いで、この低重合体をさらに重縮合反応装置へ供給して減圧下で中間重合体及び高重合体を生成させる方式が行われている。
【０００７】
このような重縮合反応装置においては、従来より、より速い反応速度を得るための方法が数多く提案され、実用化されてきた。例えば、このような従来の方法の一つとして、ポリエステルの重縮合反応においてグリコール類のような副生物を速やかに分離・除去する目的で反応物を薄層にして反応を行わせる薄膜反応装置を用いることが行われている。また、激しい撹拌を行なって反応物の蒸発面積を大きくすることで、前記の副生物の蒸発を容易にできる反応装置を用いることも行われている。
【０００８】
このような反応装置としては、濡れ壁式やスクリュー方式の縦型反応装置、一軸、二軸方式の横型反応装置が一般に使用されている。さらには、反応物の自由表面積を大きくとることができるように撹拌に配慮した反応装置も多く市販されているが、これらの反応装置では、強烈な撹拌を行なうことが要求されるために、このための設備費が高価となり、多くのエネルギーを消費するという問題を有している。しかも、強烈な撹拌を行なうことに伴なう反作用によって、得られる反応物は重合度斑等が生じ易く、得られるポリエステルの品質が悪くなるという問題を有している。さらには、気相部に長時間滞在したポリマー等の更新が十分に行われないことによる劣化ポリマーが異物として混入することで反応物の品質をも悪化させるという重大な問題を有している。
【０００９】
このような問題を解決するための従来技術としては、特公昭４０−３９６４号公報に、横型反応装置を用いることが提案されている。この従来技術は、撹拌によって反応液を掻き上げ、この掻き上げた反応液の大部分を落下させることによって、絶えず反応液の新しい液膜を形成させ、反応を極めて短時間で遂行させようとするものである。また、この反応装置では、それぞれ撹拌羽根を保持する撹拌軸を横型反応器の両端にのみ設けることによって、横型反応器内部の中間部から撹拌軸を無くす構造を採っている。さらに、該反応装置は、(1) 大部分の横型反応器内周壁面に対して小さな間隙を置いて相対する前記の攪拌羽根と、(2) 横型反応器の内部を２室以上に仕切ると共に、その中央部には開口を有し、更に該攪拌羽根と一体回転する仕切板とを具備している。その際、仕切板に設ける前記の開口は液注入口から液排出口へ近づく程その径を大きくすることが提案されている。
【００１０】
確かに、このような反応装置によれば、横型反応器の内周壁面を絶えず新しい反応液で濡らしながら更新できるため、反応液への熱伝達が良好であり、反応液が長時間に渡って内周壁面に付着しないという利点を有している。また、横型反応器内部の中間部に撹拌軸が設けられていないために、撹拌軸のまわりに団子状の反応液の塊が生じるという事態が発生しないという大きな利点も有している。しかしながら、該反応装置では、仕切板間の間隔が大きくなると、反応液が攪拌羽根より落下する際に、安定した垂れ膜の形成が困難となるという欠点を有している。また、該反応装置では、反応液の大部分は仕切板に設けられた中央開口から溢れて、仕切板で仕切られた隣の室に流れ込むため、重合度が高く高粘度となった反応液を安定かつ連続的に排出口へ向って送液することが難しくなるという問題がある。
【００１１】
また、前述の問題を解決するための従来技術として、特開平８−２５９６９９号公報には、スリットを設けた複数の平板に取り付けられた連続又は不連続なリボン翼により高粘度となった重合物を出口側に安定して送液する重合反応装置が提案されている。確かに、この従来装置では、リボン翼を用いることで送液能力が大きくなるが、「スリットを設けた複数の平板に取り付けられた連続又は不連続なリボン翼」という構成を有するために装置構造が複雑になり、装置製作・コスト面で不利である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた諸問題に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、強烈な撹拌を必要とせず、しかも反応中の異物発生を少なくでき、これによって、反応速度あるいは反応効率と製造されるポリエステルの品質を著しく向上させることができる安価な横型反応装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
ここに、前記の課題を解決する手段として、ポリエステル、ポリアミド又はポリカーボネートからなる高分子化合物の合成に使用する横型反応装置であって、かつ下記の（Ａ）〜（Ｆ）の要素を具備する横型反応装置が提供される。
（Ａ）反応液の入口と出口とをその両端部あるいは両端部近傍にそれぞれ有する円筒状の横型反応器。
（Ｂ）該横型反応器内部の両端部にそれぞれ対向して設けられた回転自在の端部円板。
（Ｃ）両端部に設けた該端部円板を駆動する、横型反応器の両端部のみに設けられた軸。
（Ｄ）中央部に開口を設けて反応液を流通自在とし、かつ該開口によって反応液の液面を制御して横型反応器中に気相部と液溜部を形成させると共に、前記の端部円板間に配設された開口円板。
（Ｅ）前記の端部円板と開口円板との間及び／又は開口円板同士の間に横型反応器の内周壁面に対して近接又は密接して架設された撹拌羽根。
（Ｆ）少なくとも一つの該撹拌羽根に設けられると共に、撹拌羽根を流下する反応液を複数の流れに分流させるための分流部材。
また、本発明においては、前記横型反応器の液溜部において、出口方向への速度成分を生じるように反応液に対して、前記の分流部材が液送り機能を有するようにすることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら更に詳細に説明する。図１は、本発明を実施するための横型反応装置を例示した側面断面図である。
【００１５】
該図において、１は横型反応装置本体であり、２は反応液入口、３は反応液出口であり、それぞれ図示したように横型反応器１の両端部あるいは両端部近傍に設けられている。また、４及び５は横型反応器１の両端に設けられた軸、そして、６は蒸気出口であり、該蒸気出口６は、横型反応器１の外殻上方に開口し、横型反応器１内を減圧に保つための吸引口を兼ねている。更に、７は横型反応器１の内周壁面であり、そして、８及び９は、端部を切り欠いた端部円板である。なお、該端部円板８及び９は、軸４及び５に固定されており、該軸４及び５を駆動装置（図示せず）によって駆動することで、該端部円板８及び９をそれぞれ回転させることができる。その際、該端部円板８及び９には、特開平９−５２０４１号公報に示されているように、鏡部分の液の滞留を防止するために切り欠き開口を設けることが好ましい。
【００１６】
次に、１０は内周壁面７の長手方向に僅かな間隙を置くか或は密接して設けられた撹拌羽根であって、前記の端部円板と開口円板との間及び／又は開口円板同士の間に架設されている。このとき、前記の僅かな間隔としては、１０mm以下、好ましくは５mm以下の間隔とすることが望ましく、このようにして僅かな間隙を設けることによって、攪拌羽根１０を円滑に回転させることができる。また、１１及び１２は分流部材であって、該分流部材１１及び１２は、撹拌羽根１０を流下する反応液の液流幅を制御するために、撹拌羽根１０の少なくとも一部に単列又は複列に設けられている。なお、図１の実施態様においては、該分流部材１１は平板状の形状を有する部材とし、分流部材１２は湾曲した板状の部材としている。更に、１３は開口円板であって、該開口円板１３は、撹拌羽根１０によって長手方向に所定の間隔で連結固定され、かつその中央部に開口を有し、該開口円板１３に設ける開口を反応液の入口より出口に近づくにしたがって、開口径が漸次拡大されている。なお、該開口円板１３は、さらには横型反応器１の内部を複数の室に仕切る仕切板の役割をも併せ持っている。
【００１７】
以上のように構成される本発明の横型反応装置では、撹拌羽根１０が回転（回転方向Ｒ）して横型反応器１内の気相部を上昇中は、内周壁面７に近接又は密接する側の縁を下向き、これと反対側の落下縁が上向きとなるように、撹拌翼１０を傾斜させて設けることが好ましい。また、横型反応器１内の気相部を下降中は、内周壁面７に近接又は密接する側の縁を上向き、これと反対側の落下縁が下向きとなるように、撹拌翼１０を傾斜させることが好ましい。このようにすることで、撹拌羽根１０が横型反応器１内の気相部を上昇中は、反応液を内周壁面７に沿って掻き揚げ、下降中は、薄膜状態で反応液を撹拌羽根１０上から流下させることができる。
【００１８】
その際、本発明の横型反応装置では、前述のように分流部材１１及び１２を設けることで、横型反応器１の気相部において反応液が撹拌羽根１０から流下するときに分流部材１１及び１２によって流下する反応液を分流させることができる。更に、横型反応器１の液溜部においては、開口円板１３によって反応液の液レベルが一定に維持されていいる。このため、分流部材１２が該液溜部に入ると、分流部材１２は反応液を攪拌しながら、出口側へ送液する機能を発揮する。なお、撹拌羽根１０を内周壁面７に密接させる場合においては、特開平９−５２０４１号公報に示されているような尾翼１４を内周壁面７と僅かな隙間を保持させながら補助的に設けることが好ましい。何故ならば、このようにすることで、該尾翼１４によって横型反応器１の内周壁面７に付着した反応液の更新を促進することができるからである。
【００１９】
本発明においては、撹拌羽根１０から流下する反応液を該攪拌羽根１０に設けた分流部材１１及び１２により、安定した自由表面を持った液流の形成を十分に行うことを可能とし、さらには分流部材１１及び１２により反応液の送液・攪拌作用を生じせしめることを一大特徴とする。この点に関して、更に、図２（図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図である）を参照しながら、以下に詳細に説明する。
【００２０】
該図２において、撹拌羽根１０は、その回転方向と逆方向に４５°傾斜して設けられると共に、横型反応器１の円周方向に９０°づつずらせて、４枚が等ピッチで配設されている。更に、該撹拌羽根１０には分流部材１１が攪拌羽根１０に対して垂直に設けられている。このようにすることで、該攪拌羽根１０により掻き上げられた反応液は分流部材１１により分流されて、それぞれが適当な幅を有する安定した複数の液膜流を形成して落下する。したがって、従来技術のように撹拌羽根の全幅に広がった不安定な液膜流に代わって、目的とする十分に安定した自由表面を持つ液膜流の形成を行うことが可能となる。なお、このような分流部材１１又は１２としては、反応液を分流するための適当な高さを持った平板を好適に使用することができる。このとき、該平板は、安定した液膜流を形成させるためのものであるから、この目的を達成できるものであれば、その形状が湾曲していても、湾曲していないくてもよい。更に、該分流部材１１は、傾斜させて設けたり、格子状や網状としたり、穴開き板としたり、或いは単なる丸棒や角棒などを用いたりすることもできる。
【００２１】
ここで、前記の撹拌羽根１０及び開口円板１３、分流部材１１又は１２の数量、形状、及びサイズ、或は設置する間隔等の条件については、ポリマーの製造条件等によって異なる。ただし、これらの条件においては、撹拌羽根１０から落下する反応液の自由表面積が大きく、かつ共廻りしないといった条件を備えた安定した液膜流を形成させることができる分流部材１１又は１２とすることが肝要である。また、横型反応器１の入口２から出口３に向かって、反応液の溶融粘度が変化するため、これに応じてこれらを変えることができることは言うまでもない。
【００２２】
本発明の横型反応装置は、反応液を所望の温度に加熱するための加熱手段（図示せず）を有している。その際、該加熱手段は、横型反応器１の外殻を電熱熱源により直接加熱することも、また横型反応器１の外殻を図１に示すように二重ジャケット構造とし、ジャケット内部に適当な加熱媒体、例えばダウサーム（商品名）等の熱媒体液あるいは熱媒体蒸気を存在さて直接加熱することもできる。更には、反応室中に熱交換器の伝熱面を設置する方法等を適宜採用することができる。その際、前記の加熱は開口円板によって仕切られた各反応室毎及び／又はさらに反応室内を分割して各分割領域毎に独立して加熱しうるようにしてもよく、或いは２つ以上の反応室を一体として加熱してもよい。なお、反応圧力については、減圧下で行うことができるのは当然のことながら、減圧下に限定することはなく、不活性ガスの雰囲気下で常圧以上の加圧下でも反応させてもよい。
【００２３】
次に、本発明の横型反応装置を用いて、ポリエチレンテレフタレートを製造した場合の実験例を示す。なお、該実験例において、「極限粘度」はオルソクロロフェノールを溶媒として３５℃で測定した粘度から求めた値、「％」は重量％である。
【００２４】
重合触媒として三酸化アンチモン０.０４％を含む極限粘度０.３７のポリエチレンテレフタレート中間重合体を５５０ｋｇ／ｈｒの割合で図１の横型反応器１の入口２より供給した。反応液は熱媒を封入したジャケットからの加熱によって、入口２で２８３℃から出口３で２８８℃まで加熱するように制御した。また、反応圧力は図示しないエジェクターにより内部のガスを吸引することで、１.９mmHgの真空に保持した。更に、軸４及び５の回転数は４rpmと一定回転となるようモーターで制御して、該軸４及び５を介して端部円板８及び９を回転させると共に、該端部円板８及び９に連結固定されている撹拌羽根１０及び開口円板１３を回転させた。供給された中間重合体は、撹拌羽根１０により掻き上げられ、大部分は撹拌羽根１０より整流板１１及び１２により安定した液膜を形成しながら液溜部へと落下させた。また、一部は撹拌羽根と共に回転し外殻内面を絶えず新しいポリマーで更新させた。この撹拌によりエチレングリコールの揮発を促進し、重縮合反応が促進され、主に開口円板１３の中央開口部からの溢流により次の室へと流れ、約１.３時間の滞留時間の後に、出口３より極限粘度０.７１のポリエチレンテレフタレート高重合体が得られた。また、撹拌羽根１０による掻き上げ効果により横型反応器１の内周壁面７が絶えず新しいポリマーで更新されるため異物の少ないポリエチレンテレフタレートであり、反応速度は整流板１１及び１２を設けない場合と比較して約１.２倍速かった。また、ポリエチレンテレフタレート高重合体の送液上の問題もなく、長期間にわたって安定した連続運転が可能であった。
【００２５】
【発明の効果】
以上に述べた本発明の横型反応装置によれば、強烈な撹拌を必須としないため、反応中の異物発生を少なくでき、これによって、反応速度あるいは反応効率を向上させることができると共に、製造されるポリエステルの品質をも著しく向上させることができる安価で簡単な構造の装置が提供される。しかも、横型反応器の気相部にあっては、撹拌羽根から落下する反応液の液流幅を好ましい値に制御することができるため、安定した自由表面積を持つ液膜として形成させることができ、これによって反応速度を著しく高める効果が得られる。また、横型反応器の液溜部にあっては、分流部材の液送り機能によって、反応液の送液・攪拌をすることができる。このように、品質と反応効率を向上させることが可能な本発明の横型反応装置を使用することによって、反応装置のサイズをコンパクトにすることができると共に、異物の発生が少ない高分子化合物の合成ができ、繊維、フィルム、その他成形素材を製造する上で極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の横型反応装置を模式的に例示した側面断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視断面図である。
【符号の説明】
１横型反応装置の外殻
２反応液入口
３反応液出口
６蒸気出口
７横型反応器の内周壁面
８，９端部切り欠き円板
１０撹拌羽根
１１分流部材（平面板）
１２分流部材（湾曲板）
１３開口円板
１４尾翼
Ｒ回転方向

Claims

ポリエステル、ポリアミド又はポリカーボネートからなる高分子化合物の合成に使用する横型反応装置であって、かつ下記の（Ａ）〜（Ｆ）の要素を具備する横型反応装置。
（Ａ）反応液の入口と出口とをその両端部あるいは両端部近傍にそれぞれ有する円筒状の横型反応器。
（Ｂ）該横型反応器内部の両端部にそれぞれ対向して設けられた回転自在の端部円板。
（Ｃ）両端部に設けた該端部円板を駆動する、横型反応器の両端部のみに設けられた軸。
（Ｄ）中央部に開口を設けて反応液を流通自在とし、かつ該開口によって反応液の液面を制御して横型反応器中に気相部と液溜部を形成させると共に、前記の端部円板間に配設された開口円板。
（Ｅ）前記の端部円板と開口円板との間及び／又は開口円板同士の間に横型反応器の内周壁面に対して近接又は密接して架設された撹拌羽根。
（Ｆ）少なくとも一つの該撹拌羽根に設けられると共に、撹拌羽根を流下する反応液を複数の流れに分流させるための分流部材。
前記横型反応器の液溜部において、出口方向への速度成分を生じるように反応液に対して、前記の分流部材が液送り機能を有する請求項１記載の横型反応装置。