ポリプロピレン製造プロセスの 変遷と現状 - 住友化学株式会社

ポリプロピレン製造プロセスの
変遷と現状
住友化学(株)
生産技術センター
Review on Development of Polypropylene
Manufacturing Process
Sumitomo Chemical Co., Ltd.
Process & Production Technology Center
佐 藤
秀 樹
小 川
弘 之
Hideki S ATO
Hiroyuki O GAWA
Polypropylene (PP) is a typical commodity plastic and has been widely used in many application fields
including packaging films, industrial components and miscellaneous goods, due to its excellence in properties
such as stiffness, heat resistance and processability in addition to light weight material density and also a
relatively low price. The continued demands from the market for higher performances have stimulated,
particularly in recent time, the improvement of PP manufacturing processes with newly created ideas. This
review describes, mainly based on the information published in literature and patents, an outline of the
development history of PP manufacturing processes and an introduction to recent progress, including our own
technologies.
はじめに
なる高度化に伴い、その製造プロセスにも様々なア
イデアや工夫が組み込まれてきている。本稿では、
ポリプロピレン(PP)は、比重が低く、剛性、耐
主に特許・文献情報に基づき、PP製造プロセスのこれ
熱性、加工性に優れるという物性上の特徴を有し、
までの変遷とその現状について、当社開発技術も交
また比較的低価格であることから、フィルム、自動
えて概括する。
車・家電などの工業部品、雑貨など、様々な用途に用
いられている。1954年にイタリアのG. Nattaらが高分
PP製造プロセスの変遷
子量・高結晶性のPPを合成することに成功 1)してから
50年以上を経て、PPの世界総需要量は、今や約4,700
PP製造プロセスは、主に原料精製工程、重合工程、
万t(2008年予測)もの量までに至っているが、他の
後処理工程、造粒工程から構成されている。原料精製
素材や樹脂の代替もさらに進み、今後も年平均6%程
工程は、プロセスの最上流工程であり、プロピレン等
度と、汎用樹脂の中で最も高い成長率が見込まれて
のモノマーや他に使用する溶媒等の原料・副原料か
いる 2)。
ら、水、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、硫化カル
このようなPP市場の隆盛は、触媒性能の飛躍的な
ボニル等のプロセスに影響する微量な不純物を除去
進展とともに成し遂げられた製造プロセスの大幅な
する工程である。なお、この工程はPP製造プラント
改良・簡素化によって支えられてきた。また、上記の
の上流に位置する原料製造プラントに設置される場
PP そのものの特徴に加え、エチレンなどの他の α-オ
合もあるが、いずれにしてもプロセス安定化のため
レフィンを共重合することによって透明性や低温で
には基本的に必要な工程である。重合工程は、プロ
の耐衝撃性などを大幅に改良してきたことなども大
ピレンと、必要に応じてエチレンなどのコモノマー
きな要因であろう。近年、品質に対する要求のさら
とを、重合活性を有する触媒と接触させて重合させ
10
住友化学 2009-II
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
る工程である。主触媒は工業的にはほとんどが粒子
プラントでは不可欠であるが、PP製造プロセスに特
状のものが用いられる。主触媒は直径数百Åの一次粒
有なものではないので、本稿では触れない。
子が凝集して数十µmの二次あるいは三次粒子を形成
これらの工程のうち、特に後処理工程については、
している場合が多い。重合反応は、触媒粒子の活性
化学製造プロセス進展の代表例の一つに挙げられる
点で起こり、生成したPPが析出して触媒を一次粒子
ほどの大幅な改良・簡素化が図られてきた。PP製造プ
に分裂してゆくが、触媒形状を逸脱することは少な
ロセスは、この技術進歩に応じて、第一世代(脱灰・
く、これらは凝集した元の触媒形状に相似なPP粒子
脱AP)、第二世代(無脱灰・脱AP, 無溶媒)、第三世代
として形成される 3)。後処理工程は、重合工程で得ら
(無脱灰・無脱AP)の三世代に区分される。また、重
れたPP粒子から、不要な成分である触媒残渣、溶媒、
合方法によって、溶媒重合プロセス、バルク重合プロ
副生されるアタックチックポリマー(略記:AP、プ
セス、気相重合プロセスに分類される。PP製造プロ
ロピレンユニットのメチル基が主鎖に対して不規則
セスの変遷を、各世代の代表重合プロセスの所要工程
に配列した非結晶性ポリマー)を除去する工程であ
によって整理したものをFig. 1に示す。なお、Fig. 1
る。このうち、触媒を除去する操作を脱灰と称する。
では、いずれのプロセスでも基本的に共通して必要
また、重合工程で溶媒を使用する場合には、その回
となる最上流の原料精製工程と下流の造粒工程は割
収・精製工程も含まれる。造粒工程は、プロセスの下
愛している。
流工程であり、後処理されたPP粒子に添加剤やフィ
このようなPP製造プロセスの変遷について、当社
ラー等を溶融混錬してペレット化する工程である。
が開発した各世代の代表重合プロセスを例にとり、
近年は触媒性能や安定剤賦与法等の改良によって、
以下に概説する。
造粒せずに大粒径のPP粒子のまま直接出荷される場
合もあるが、まだわずかな例に限られており、造粒
工程を完全に省略するまでには至っていない 4)。なお、
さらに下流には、貯蔵・包装・出荷などの工程も商業
1. 溶媒重合プロセス
溶媒重合プロセスは、PP 粒子が溶媒中にスラリー
状に分散しているため、スラリー重合プロセスとも
呼ばれ、かつて主流であった第一世代の代表的な製
造プロセスである。Fig. 2に当社で開発した第一世代
の溶媒重合プロセスを示す 5)。当社の溶媒重合プロセ
1st Generation
Solvent polymerization process
スは、当初、PPを世界で始めて工業化したイタリア
Monomer Recovery
Polymerization
Degassing
の Montecatini 社から技術導入したものであったが、
Deashing
Drying
PP
その後当社独自で数多くの技術改良を行い、複数の
企業にライセンス供与したものである。
Solvent Recovery
溶媒重合は、リアクターとして攪拌機付きオート
クレーブを用い、温度 50 ∼ 80 ℃、圧力 1MPa 程度の
AP, Ash
条件で、重合阻害物質を除去したヘキサンやヘプタ
ンなどの不活性炭化水素溶媒存在下にて行われる。
2nd Generation
a) Solvent polymerization process (Non-deashing)
第一世代では、後処理工程として、未反応プロピレ
Monomer Recovery
Polymerization
ンの分離・回収、脱灰(アルコールによる触媒の分
Degassing
Drying
PP
解・除去)、水洗、遠心分離、乾燥を経て、PP粒子を
得る。また、かつては重合量の 1 割以上も副生した
APを分離する工程も必要であり、そこでは重合溶媒
Solvent Recovery
への可溶性を利用してAPが分離される。このように
AP
工程が複雑であるだけでなく、特に脱灰で使用する
b) Bulk polymerization process (Non-solvent)
大量のアルコールや水を回収溶媒から分離精製する
Monomer Recovery
ためのコスト負担が大きかった。その後、第二世代
AP, Ash
Polymerization
Extraction
PP
が省略され、多量のアルコールや水も不要となった。
このようにプロセスの簡素化が図られたものの、副
3rd Generation
Vaper phase polymerization process (Non-deashing, Non-AP)
Polymerization
では、触媒の活性が改良されたことから、脱灰工程
生APを除去する工程までをも省略するには、重合活
PP
性を上げることに加えて、AP副生割合の低減が可能
な高立体規則性を与える優れた触媒の出現を待たね
Fig. 1
Polypropylene manufacturing process
住友化学 2009-II
ばならなかった。
11
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
Water
Catalyst
Solvent
Recovery
Solvent
Centrifuge
Propylene
N2
Reactor
Degasser
Deashing
Tank
Slurry
Tank
Dryer
PP
Alcohol
Compressor
Drainage
Propylene
Recovery
Fig. 2
AP
Solvent Recovery
Heavy
Fraction
Schematic flow diagram of Sumitomo’s solvent polymerization process
2. バルク重合プロセス
とがわかる。この当社プロセスは、いくつかの企業
バルク重合プロセスは、塊状重合プロセスとも呼
にもライセンス供与し、非常に高い評価を得ている。
ばれ、ヘキサンやヘプタンなどの溶媒は使用せず、
独自に開発した特殊な内部構造を有する連続抽出塔
液化プロピレン中で重合するものである。原材料で
を使用していることが特徴である 5)。また、自社開発
あるプロピレンモノマーを溶媒としても活用するこ
の高性能触媒を用いることに加え、精製液化プロピ
とによってプロセスの簡略化を目指したのである。
レンを用いた向流洗浄工程を設けることで、世界に
液化プロピレン以外の溶媒を主プロセスでは使用し
先駆けて、脱灰、副生AP除去工程を大幅に簡素化さ
ないため、溶媒回収に要していたスチーム、電気等
せることに成功した。
のエネルギーコストが大幅に低減された。バルク重
バルク重合プロセスの一般的な運転条件は、温度
合プロセスは、第二世代の代表的なプロセスの一つで
が概ね50∼80℃、圧力はほぼプロピレンの蒸気圧で
あるが、第一世代とも並存し、第三世代が主流となっ
あり、温度によって変化するが2∼4MPaの範囲であ
た現在もプロピレンホモポリマーの製造には有利な
る。モノマーである液化プロピレンを溶媒に用いる
場合もあり、多様な商業プロセス群の一翼を担って
ため、重合反応速度が速く、滞留時間も短縮され、
いる。Fig. 3に当社で開発した第二世代のバルク重合
容積効率も大幅に改善されることから、同一生産能
プロセスを示すが、第一世代の溶媒重合プロセス
力を得るためのリアクターサイズは従来に比して小
(Fig. 2)と比較すれば、非常に簡素化されているこ
型化できる。ただし、高生産性でありながら装置を
小型化すると、重合熱除去に必要な除熱面積が不足
してしまう。このため、攪拌槽型リアクターの場合
Recycle Monomer
Compressor
Catalyst
には、ポリマーの付着防止対策を施した特殊な外部
熱交換器が採用されている。一方ではまた、反応容積
Propylene
に対して除熱面積が広くできるループ型リアクターも
実用化されている。
バルク重合プロセスは、このように多くの利点を
有するプロセスであるが、インパクトコポリマーと
AP
Polymerization Extraction
Fig. 3
12
PP
Powder
Heavy
Fraction
AP
Monomer
Separation Purification
Powder
Separation
Schematic flow diagram of Sumitomo’s
bulk polymerization process
称すポリマーの製造には不向きである。インパクト
コポリマーは、比較的低分子量のプロピレンホモポ
リマー成分と、比較的高分子量のエチレンープロピ
レンコポリマーであるゴム成分との混合物からなり、
PP本来の特徴である優れた剛性をできる限り保持し
つつ、同時に低温での衝撃強度を改良したもので、
住友化学 2009-II
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
主として自動車用部品をはじめとする射出成形用途に
のリアクターでも基本的に製造可能である。一般的
用いられている。工業的には、前者を重合した後、引
な運転条件は、温度が50∼80℃、圧力が1∼2MPa程
き続き後者を重合することによって得られ、連続製造
度の範囲である。リアクターとしては、攪拌槽、流
する場合には、各々の成分を重合するリアクターが
動層等、各社で様々な形式のものが開発されたが、
個々に必要である。ゴム成分を重合するには反応組
建設費、変動費に多少の違いがあるものの、それら
成を高エチレン濃度にする必要があるが、バルク重
の違いは最終製品のコスト差を決定付けるものでは
合では、液化プロピレン中で所要エチレン濃度が得
なく、メーカー間の競争は製品の品質面で主に行わ
られるまでにエチレンを溶解させようとすると全体
れていると言われる 7)。当社もプロセスの更なる改良
の反応圧力が高くなってしまうため、ほとんど実用
とともに、自社開発の高性能な触媒技術をベースと
化はされていない。また、液化プロピレン中にゴム
する多様なポリマーデザインを商業化することによ
成分が溶解するため、ゴム成分含量に制限があるこ
り、品質面での大幅な進展を図っている。
とも課題であった。
PP製造プロセスの現状
3. 気相重合プロセス
気相重合プロセスは、広義にはモノマー単独で行
近年、PP の品質に対する要求性能がさらに高度化
うバルク(塊状)重合プロセスの範疇に入るが、液
するに伴い、その製造プロセスにも様々なアイデア
化プロピレン中ではなく、プロピレンガス中で重合
や工夫が組み込まれてきている。これらの品質改良
を行うために、従来のバルク重合とは異なるプロセ
に主眼をおいたプロセス開発動向を俯瞰すると、い
スとして扱われる。第三世代のプロセスとして位置
ずれもひとつの方向を目指しているようである。す
づけられるが、その歴史は意外と古く、第一世代が
なわち、分子量分布や組成分布を多様化させるため
主流であった時代に既に技術は存在していた。その
に重合反応の態様や条件を大きく変化させる一方で、
頃の気相重合では、非常に多く副生するAPを分離す
それに伴って起こりがちな生成ポリマー粒子構造の
る工程がないために品質面では劣り、製品は特殊用
不均一化を最小限にとどめる試みがなされている。
途に限定されていた。しかし、その後の触媒性能の
具体的な方法には大きく二つの方向性がある。ひと
飛躍的な向上によって、脱灰、脱AP操作を完全に省
つは、循環型リアクターによる生成ポリマー粒子内
略するとともにプロセスの更なる簡素化も達成され、
の均一性改良であり、もうひとつは、滞留時間分布
高性能で多様な品質の製品を製造できる第三世代と
狭化型リアクターによる生成ポリマー粒子間の均一
しての地位を得たのである。Fig. 4に当社で開発した
性改良である。
第三世代初期のインパクトコポリマー製造用の気相
以下に、気相重合プロセスに対象を絞り、要求性
重合プロセスを示す 6)。インパクトコポリマー製造に
能によるポリマー粒子構造の均一性改良を目指した
は少なくとも2基のリアクターが必要であり、ゴム成
リアクターの形式や構成の違いに焦点を当てつつ、
分も重合できるように、後段のリアクターにはコモ
特許・文献情報をもとに、近年開発されてきた技術を
ノマーであるエチレンの供給ラインが設置されてい
当社開発技術も含めてレビューする。
る。なお、インパクトコポリマー以外であれば、1基
1. 循環型リアクターによる粒子内の均一性改良
生成ポリマー粒子内の均一性改良は、主として分
Recycle Monomer
子量分布を多様に制御することを指向したものであ
る。すなわち、成形品の衝撃強度などの物理的特性
を改善できることから、PPの分子量は高いほうが望
ましいものの、一方で加工が難しくなる。そこで、
Catalyst
その改善のためには低分子量成分を適度に含有させ
ることが必要で、結果的に分子量分布の広いPPが望
ましい。この概念自体は特に目新しいものではなく、
幅広い分子量分布のPPを得るために、従来のプロセ
Propylene
PP Powder
Ethylene
量を変化させるか、異なる分子量を与える条件に設
Polymerization
Fig. 4
スでは、回分式重合において一連の反応の中で分子
Powder Separation
Schematic flow diagram of Sumitomo’s
vaper phase polymerization process
住友化学 2009-II
定した複数の完全混合型リアクターを単純に連結さ
せて連続重合する方法が用いられてきた。ただし、
回分式重合は生産性が非常に劣るために、特殊用途
13
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
Distribution of
Distribution of Residence Time
Composition/Molecluar Weight
Model Structure of Particle
(Red-color portion indicates schematically a part polymerized in
the second stage.)
(a) Perfect mixing type reactor
wide
wide
(b) Circulation type reactor (excluding impact co-polymer manufacturing)
nallow
wide
(c) Nallow residence time distribution type reactor (including batch type reactor)
nallow
Fig. 5
nallow
Schematic structure of polymer particle produced by two polymerization zone type reactor
に限定されて採用されているだけで、広く普及はし
Gas Outlet
ていない。連続重合の場合でも、生成ポリマー粒子
間には滞留時間分布があるため、粒子ごとに分子量
Powder Separator Zone
分布が異なり、また、ひとつの粒子内であっても分
Gas Barrier
子量の異なる成分が偏在することは避け難い。これ
Liq. Monomer Inlet
らプロセスにおける生成ポリマー粒子構造の概念図
をFig. 5に示す。Fig. 5(a)に示したような、生成ポ
リマー粒子内における各成分の偏在は、特に高分子
量成分と低分子量成分との分子量差が大きい場合に
Riser Zone
Downcomer Zone
は、成形加工においてフィッシュアイと呼ばれる溶
融混錬不良の欠陥(強度低下、外観不良の原因とな
る)を生じてしまうことから大きな問題となってい
た。このような問題を解決するため、Fig. 5(b)に示
したような、粒子内の均一性が改良されたポリマー
Product Discharge
Catalyst Inlet
粒子構造の生成が望まれており、既にいくつかの改
善策が実現されてきている。
以下に、その一例として、循環型リアクターの開
発事例を紹介する。Fig. 6にその概念を示したリアク
ター(本稿では External circulation fluidized bed
Gas Inlet
Fig. 6
Gas Inlet
“External circulation fluidized bed type
reactor (1)”
type reactor(1)と呼ぶ)は、燃焼炉や流動触媒接触
分解装置(FCC)などで利用されている高速流動層
(Riser部)と移動層(Downcomer部)を連結した外
を形成させることで、分子量調節のための連鎖移動剤
部循環流動層をPP製造リアクターに応用したものと
である水素の濃度を低減させてからDowncomer部へ
思われる 8), 9)。
PP粒子を降下させることができる。このため、高水
Riser部は、ガス流速が高い(粒子終末速度以上の
素濃度のRiser部では低分子量成分を、低水素濃度の
0.8∼5 m/s)ため、粒子とガス間の熱伝達係数がかな
Downcomer部では高分子量成分を、それぞれ重合す
り大きく(非循環型流動層に比べ3割増)
、結果的にエ
ることが可能となり、Riser部とDowncomer部の各部
ネルギー消費が大きく改善されると言われている 10)。
の滞留時間を短く、かつ、逆混合なしで繰り返し循環
しかし、このようなランニングコストの削減以上に、
重合させることによって、粒子内における分子量の異
粒子内の均一性の品質面への効果が注目に値するもの
なる成分含量を均一にできるとされる 10), 11) 。なお、
と思われる。このリアクターでは、Riser部から高速
このプロセスは、当初はRiser部とDowncomer部をそ
で排出されたPP粒子とガスを内装サイクロンで分離
れぞれ独立したリアクターとして構成されていた 12)
し、液化プロピレンを最上部に供給してガスバリアー
が、その後は上記のようなループ状の一体型の構成
14
住友化学 2009-II
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
の異なる成分の偏在を抑制できるとされる。特に移
Gas Outlet
動層部からのPP粒子の排出量を独立に制御すること
で、高分子量成分を重合させる移動層部と低分子量
成分を重合させる流動層部のそれぞれの滞留時間の
比率を任意に制御できることから、ループ型の外部
Gas Barrier
循環リアクターよりもさらに多様なポリマーデザイ
Liq. Monomer Inlet
ンが可能になるとされる。
Liq. or Gas
Monomer Inlet
Product
Discharge
Catalyst Inlet
Gas Inlet
Product
Discharge
これら循環型リアクターは、分子量分布を多様に制
御することが可能であるが、同様にコモノマー濃度も
各重合領域で制御することにより、コモノマー組成分
布も多様にデザインすることが可能となる。しかし
ながら、インパクトコポリマーを製造する場合には、
ホモポリマー重合領域において、コモノマーをほぼ
完全に分離する必要があり、循環型リアクターを単
Gas Inlet
Fig. 7
“External circulation fluidized bed type
reactor (2)”
独で適用することは困難である。このため、生成ポ
リマー粒子内の偏在改良までには至らないものの、
Fig. 5(c)に示したような、粒子間の均一性が改良さ
れたポリマー粒子構造の生成を目指した、後述する
に改良されている。また、Fig. 7にその概念を示すよ
プロセス開発が行われている。
うに従来の流動層型リアクターに外部循環機能を付
与した構成のリアクター(本稿ではExternal circulation fluidized bed type reactor(2)と呼ぶ)も提案さ
れている 13)。
2. 滞留時間分布狭化型リアクターによる粒子間の均
一性改良
生成ポリマー粒子間の均一性改良は、上述のよう
以上、外部循環流動層の適用例について述べてき
に、主としてインパクトコポリマーのような、コモ
たが、内部循環流動層の適用例もいくつか報告され
ノマーをほぼ完全に分離したプロピレンホモ重合領
ている 14)。例えば、Fig. 8にその概念を示すように、
域と、コモノマー濃度が高い共重合領域という、組
従来の流動層型リアクター内に移動層部を設けて内
成が大きく異なる重合領域が同時に必要な場合に大
部循環機能を付与した構成のもの(本稿ではInternal
きな品質改良効果が期待される。以下、インパクト
circulation fluidized bed type reactorと呼ぶ)も提案
コポリマーの製造を例に、滞留時間分布狭化型リア
されている 15) 。基本的な改良の考え方は、上述した
クターが必要な理由を説明する。
外部循環流動層と同様と思われ、移動層の最上部に
インパクトコポリマーを連続重合する場合には、
液化プロピレンを供給してガスバリアーを形成させ
比較的低分子量のプロピレンホモポリマー成分と、
て内部循環することにより、粒子内における分子量
比較的高分子量のエチレンープロピレンコポリマー
であるゴム成分とを、それぞれ別のリアクターで重
合する必要があることは既に述べたとおりである。
Gas Outlet
商業生産プロセスとして採用されているものは、攪
拌槽型、流動層型などの形式の違いがあるものの、
リアクター内でポリマー粒子は通常は完全混合に近
い状態で混合される 16) 。このため、インパクトコポ
Liq. Monomer Inlet
Gas Barrier
Catalyst
Inlet
リマーを生産するために最も単純な2槽連続プロセス
では、各槽の滞留時間分布に起因して最終的に生成
されるポリマーは、ホモポリマー成分、ゴム成分の
Valve
量比が低いものから高いものまで混合したものとな
Product discharge
る。高ゴム成分含有ポリマー粒子が含まれると、溶
融混練時に分散不良を招き、外観悪化や耐衝撃性の
低下といった品質低下を引き起こすことも既に述べ
Gas Inlet
Fig. 8
“Internal circulation fluidized bed type
reactor”
住友化学 2009-II
たとおりである。このような機構に基づく品質低下
を防ぐため、特に前段の滞留時間分布狭化を目的に
プロセス改良がなされてきた。
15
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
上記の考え方から、高品質のものを製造するべく滞
一方、比較的スケールアップが容易な流動層を鉛
留時間分布を狭化するために、直列に接続する反応
直方向に多段化したものも報告されている 21) – 24)。特
装置の数を増やした多槽反応装置が適用されてきた。
にFig. 10にその概念を示したリアクター(本稿では
しかし、PPの高性能化とともに低コスト化への要求
Multi-stage fluidized bed type reactorと呼ぶ)は、各
も同時に高まっており、単純にリアクター数を増加
段の滞留時間分布を均一にするために、後段の重合
させる従来の手法では限界がある。このような観点
領域となる下部ほど容積を増加させるとともに、各
から、より少ない数のリアクターで、しかしながら
段に仕切り板も多数設置することで逆混合を抑制し
ポリマー粒子の滞留時間分布を狭化できる重合プロ
たものである 24) 。この仕切り板は、平板熱交換器と
セスの開発も行われてきている。例えば、Fig. 9(a)
なっており、また、冷却ジャケットも設けることで、
にその概念を示すような横型多室攪拌気相重合リア
重合熱を除去して、各段の温度の均一化も図ってい
クター(本稿では Horizontal, mechanically stirred
る。このように装置構造は非常に興味深いものであ
type reactor(1)と呼ぶ)が開発されている 17)。これ
るが、複雑である点に難があると考えられる。また、
は、装置内を仕切り板で複数に分割したもので、粒
ガス流路が上段ほど小さくなるために、上段ではガ
子の逆混合を完全には抑制できず、滞留時間によっ
ス空塔速度が非常に高速となることから、各段に別
て幅があるものの、リアクター1器で完全混合型リア
個のガス排気口も設ける必要があると考えられる。
クターを3∼5槽直列に配したものと同等程度には滞
留時間分布を狭くすることができるとされている 18)。
Fig. 9(b)にその概念を示すリアクター(本稿では
Horizontal, mechanically stirred type reactor(2)と
Gas Outlet
Catalyst Inlet
呼ぶ)は、上記Fig. 9(a)に記したリアクターの改良
型と言え、仕切り板を下部ではなく、上部に設置する
ことで、上部気相部でのガス混合を抑制して分子量分
布や組成分布の制御性を向上できたとされている 19)。
なお、これら横型多室攪拌気相重合リアクターは、
攪拌軸の重力によるたわみの問題などから、スケー
Plate Coil
Heat Exchanger
ルアップに難があるとされているが、近年大型化が
Downcomer
実現されてきている 20)。
Supplemental
Gaseous Monomer
Inlet
Cooling Fluid
Outlet
Cooling
Jacket
Cooling Fluid
Inlet
Catalyst
Inlet
Gas Outlet
Liq. Monomer
Inlet
Blower
Weir
Weir
Weir
Horizontal
Shaft Agitator
N2 Gas
Inlet
Gas Distribution Plate
Product discharge
(a)
Catalyst
Inlet
Gas
Product
Inlet Discharge
Gas Outlet
Gas Outlet
Liq. Monomer
Inlet
Liq. Monomer
Inlet
Weir
Weir
Weir
Horizontal
Shaft Agitator
Product discharge
(b)
Fig. 9
16
Surge Vessel
Gas Inlet
Gas Inlet
Gas Inlet
“Horizontal, mechanically stirred type
reactor (1)(2)”
Fig. 10
“Multi-stage fluidized bed type reactor”
また、粒子成長度合いによって生成ポリマー粒子
の粒径が異なることから、粒子の分級を利用して滞
留時間分布を狭化する方法も報告されている 25) – 29) 。
その中でも、Fig. 11 に示す当社で開発した一事例
(本稿では Fluidized bed type reactor with particle
segregation zone と呼ぶ)29)は、従来の流動層型リア
住友化学 2009-II
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
分布が極めて狭い。しかし、装置長さが200mでも滞
Gas Outlet
留時間は 15 分程度と、一般に数時間は必要な気相重
合での滞留時間を十分に確保できない点が工業化に
あたっての大きな課題になるものと考えられる。
他にも、例えば当社で開発した移動層型リアクター
Catalyst Inlet
Particle Segregation Zone
を用いる方法を挙げることができる 31),
32) 。これは、
Internal
除熱不良で溶融塊化しない程度までポリマー粒子を
従来型装置で成長させた後に、2段目以降で非循環型
の移動層型リアクターを用いるというプロセスであ
Product Discharge
る。このプロセス構成であれば、2段目以降では滞留
時間分布をほとんど生じず、かつ、十分な滞留時間
を確保できるものと考えられる。
Gas Inlet
Fig. 11
“Fluidized bed type reactor with particle
segregation zone”
おわりに
本稿では、PP製造プロセスの変遷と現状について、
特許・文献情報に基づき、当社開発技術も交えてレ
クターに内装物を設置して、装置内にガス空塔速度
ビューした。特に品質改良を目的としたプロセス開発
が異なる鼓型の領域を形成させ、その空塔速度差に
動向に主眼をおいてまとめたが、これ以外にも、安定
よって粒子を偏析させることで、未成長ポリマー粒
運転を目的とした多くの技術改良や、プロピレンの超
子のショートパスを抑制できる、ユニークな発想に
臨界域で運転することでポリマー粒子とモノマーの分
基づくものである。既設の従来型の流動層リアクター
離効率を向上させて高温重合を可能にするプロセス 33)
であっても、簡便な改造で済むことも大きな利点で
など、多様なプロセスが開発されてきている。既に
ある。
巨大な市場が形成されているPPではあるが、その製
以上のような攪拌槽型、流動層型といった従来から
造プロセスは完成を遂げているわけではなく、絶え
ある装置をベースに改良したもの以外にも、例えば
ることのない市場からの要求に応えるため、また触
Fig. 12にその概念を示すような管型気相重合リアク
媒をはじめとする基盤技術あるいは各種の周辺技術
ター(本稿ではTubular type reactor と呼ぶ)も報告
の発達に伴って、今後も更なる進化が望まれている。
されている 30)。これは、装置の長さと直径の比が100
当社においても、これまで蓄えてきた自社技術をさ
以上の管型装置であり、一定距離ごとにサイクロンに
らに磨き上げ、品質面でもコスト面でも、市場にお
よる固気分離と循環ガスコンプレッサを有するもの
いて魅力ある商品を提供できるプロセスを開発して
の、粒子は逆混合がほとんどないことから、滞留時間
いきたいと考えている。
Gas
Circulation
Cyclone Separator
Product
Discharge
Gas
Inlet
Gas
Distributor
Catalyst
Inlet
Fig. 12
Fresh (co) monomer
Inlet
(Optional)
Fresh (co) monomer
Inlet
(Optional)
“Tubular type reactor”
住友化学 2009-II
17
ポリプロピレン製造プロセスの変遷と現状
14) G. Weickert and C. Dittrich, Chemie Ingenieur
引用文献
Technik, 77 (8), 977 (2005).
1) G. Natta, P. Pino, P. Corradini, F. Danusso, E. Mantica, G. Mazzaniti and G. Moraglio, J. Am. Chem.
Soc., 77, 1708 (1955).
2) “世界の石油化学製品の今後の需要動向”, 経済産
15) Universiteit Twente, European Patent 1484343-A1
(2004).
16) J. J. Zacca, J. A. Debling and W. H. Ray, Chem. Eng.
Sci., 51, 4859 (1996).
17) スタンダード・オイル・カンパニー, 特公昭59-21321
業省 (2008).
3) 志賀 昭信, 佐々木 俊夫, 住友化学, [email protected], 15
(1984).
18) C. J. Dittrich and S. M. P. Mutsers, Chem. Eng.
(1984).
4) “平成15年度∼16年度成果報告書 地球温暖化防
Sci., 62, 5777 (2007).
止新技術プログラム「製造工程省略による省エネ
19) チッソ(株), 特許第2504452号公報 (1996).
型プラスチック製品製造技術開発」”, 独立行政法
20) 宮崎 耕造, “化学プロセス −基礎から技術開発ま
人 新エネルギー・産業技術総合開発機構 (2005).
5) 志賀 昭信, 松山 紀由, 角五 正弘, 橋本 渾, 住友化
学, [email protected], 52 (1980).
6) 角五 正弘, 貞利 甫, 高良 博征, 磯畑 重蔵, 小川
弘之, 住友化学, [email protected], 4 (1986).
7) K. B. Sinclair, Hydrocarbon Processing, July, 81
で−”, 化学工学会編, 東京化学同人 (1998), p.191.
21) Phillips, U.S. Patent 2936303 (1960).
22) Union Carbide Chem., International Patent
WO98/47611 (1998).
23) 住友化学工業(株), 特開2003-277412 (2003).
24) Phillips, U.S. Patent 5235009 (1993).
25) チッソ(株), 特開昭55-116716 (1980).
(1985).
8) Montell, International Patent WO97/04015 (1997).
26) 宇部興産(株), 特開平7-286004 (1995).
9) Montell, European Patent 1012195-A (2000).
27) 三菱化学(株), 特開平10-120741 (1998).
10) M. Covezzi and G. Mei, Chem. Eng. Sci., 56, 4059
28) 三菱化学(株), 特開平10-120742 (1998).
29) 住友化学(株), 特開2006-348275 (2006).
(2001).
11) A. de Vries and N. Izzo-Iammarrone, DECHEMA
Monographs, 137, 43 (2001).
12) Spherliene and Himont, European Patent 574821-
30) Elenac, International Patent WO00/49055 (2000).
31) 住友化学(株), 特開2007-84645 (2007).
32) 住友化学(株), 特開2007-112976 (2007).
33) Hydrocarbon Processing, March, 136 (1999).
A2 (1993).
13) Basell, International Patent WO2004/033505
(2004).
PROFILE
佐藤 秀樹
Hideki S ATO
小川 弘之
Hiroyuki O GAWA
住友化学株式会社
生産技術センター
主任研究員
住友化学株式会社
生産技術センター
主席研究員
(現職:嘱託研究員)
18
住友化学 2009-II