JP6069299B2 - 重合反応器、および吸水性樹脂の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、重合反応を行うための重合反応器に関し、特に、冷熱媒体の通流により容器本体の壁を通じて熱交換を行うように構成された重合反応器、およびその重合反応器を用いて行う吸水性樹脂の製造方法に関する。
吸水性樹脂などの重合物の製造時に用いられる重合反応器としては、一般には図４に示すように、反応液等を収容する容器本体９１と、この容器本体９１の外面を覆うように設けられた外套（ジャケット部９２）とを備えたものが採用されている。ジャケット部９２内には、必要に応じて冷熱媒体（冷媒あるいは熱媒）が通流させられ、容器本体９１の壁面を通じた熱交換により、内容物（例えば反応液または反応混合物）に対する冷却ないし加熱が行われ、容器本体９１の内容物が所定の温度となるように制御される。容器本体９１については、内容物に対する耐荷重や重合反応時の耐圧性能の観点により、所定の強度が必要とされることから、強度に優れた材料（例えば炭素鋼鋼板）を用いて構成される。また、通常、容器本体９１には攪拌翼９３が設けられており、この攪拌翼９３の作動によって、内容物の均質化と均温化が図られている。容器本体および外套を備えた重合反応器は、例えば下記の特許文献１に記載されている。
近年では、例えば吸水性樹脂などの重合物の需要が増大しており、この需要増大に対応するには、重合反応器の大型化により生産性向上を図ることが検討されている。
重合反応器を用いて行う重合物の生成においては、内容物を所望温度にするために冷熱媒体との熱交換により伝達すべき熱量が比較的大きい。このため、重合物生成のための工程（以下、重合工程という）において、内容物を加熱ないし冷却するための時間（以下、伝熱時間という）の占める割合が比較的に大きい。したがって、伝熱時間を短縮することができれば、重合物の生産効率の改善が見込まれる。そして、伝熱時間を短縮するには、上記の熱交換による熱伝達を効率よく行うことが要求される。
ジャケット部内に冷熱媒体を通流させる際、容器本体の壁を通じての冷熱媒体と内容物との間の熱伝達効率（熱伝達量Ｑ）に影響を与える代表的な因子として、次の３つが挙げられる。第１の因子は、冷熱媒体と容器本体の壁との伝熱抵抗（例えばジャケット部内の冷熱媒体の流量）であり、第２の因子は、容器本体の壁と内容物との伝熱抵抗（例えば攪拌翼による内容物の均質化・均温化の程度）であり、第３の因子は、容器本体の壁そのものによる金属抵抗である。これらの各因子に関して熱伝達率の改善を図る手法としては、第１の因子については、ジャケット部内における冷熱媒体の流量増加、第２の因子については攪拌翼による内容物の均質化ないし均温化の効率改善、第３の因子については、容器本体の壁の板厚の薄型化を挙げることができる。また、これら３つの因子のうち、全体の熱伝達率に最も大きな影響を与えるのは第３の因子（金属抵抗）である。したがって、伝熱時間を短縮するためには、容器本体の壁の厚みを薄くすることが最も効果的であると考えられる。
その一方、上述のように、重合反応器の大型化により生産性向上を図るには、容器本体の板厚については、強度上の観点から厚くする必要がある。このことは、容器本体の壁を通じての熱伝達効率の低下を招き、伝熱時間が長くなって却って生産効率の改善の阻害要因となり得る。
このような事情に鑑み、特許文献１においては、容器本体の内側に冷熱媒体の通路を形成する構成が開示されている。具体的には、同文献の図１、図２に表れているように、容器本体の内面に、帯板状の支持体を溶接によって所定間隔で直立状態に設け、隣接する支持体の配置間隔に等しい張り板を、支持体の先端に対して溶接によって設けている。これにより、容器本体の壁と支持体と張り板とで区画された密閉空間が冷熱媒体の通路となっている。このように容器本体の内側に冷熱媒体の通路を形成する構成によれば張り板（内容物と冷熱媒体との間の隔壁）の厚さを薄くすることが可能であり、伝熱時間の短縮による生産性向上が期待できる。
しかしながら、重合反応器の使用時に容器本体の内部の状態を確認することは、実質的に困難である。したがって、容器本体の内側に設けた冷熱媒体の通路の隔壁を薄くし、また、この隔壁を溶接により設ける構成は、隔壁の経年劣化による破損等を考慮すると、長期間の使用における信頼性が乏しい。
また、吸水性樹脂の製造においては、水溶性エチレン性不飽和単量体を重合する方法が主流であり、水溶性エチレン性不飽和単量体は、酸性物質であり、通常、水酸化ナトリウムで中和して用いられる。また、逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造においては、反応溶媒として有機溶媒が用いられる。このように、吸水性樹脂の製造においては、重合反応に際して酸、アルカリや有機溶媒が使用されるため、重合反応器（容器本体）の材質としては、ステンレス鋼などの耐腐食性金属を用いることが検討される。しかしながら、ステンレス鋼は炭素鋼よりも伝熱性能が劣るので、図４に示した構造において容器本体９１をステンレス鋼によって構成すると、反応液（内容物）の加熱ないし冷却を容器本体の外側に設けたジャケット部９２に冷熱媒体を流すことにより行う際に、容器本体の壁を通じての熱伝達効率の低下を招くこととなり、同じ厚みでも炭素鋼に比べて伝熱時間が長くなるという不都合があった。
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、長期間の使用における信頼性を維持しつつ、重合工程における伝熱時間を短縮するのに適した重合反応器を提供することを課題としている。また、本発明は、そのような重合反応器を用いて吸水性樹脂の製造を効率よく行うのに適した方法を提供することを他の課題としている。
本発明の第１の側面によって提供される重合反応器は、容器本体と、当該容器本体の外面を覆うように設けられ、上記容器本体の外面との間に冷熱媒体を通流させるための通路を形成するジャケット部と、を備え、上記容器本体は、上記容器本体の内側に位置する内面と上記容器本体の外側に位置する外面とを有する金属支持層と、当該金属支持層の内面に接合され、上記金属支持層よりも厚みの小さい耐腐食性金属からなる内側表皮層と、を有するクラッド金属板を用いて構成されている。
好ましくは、上記内側表皮層の厚みは、上記金属支持層の厚みの１／１０〜１／２である。
好ましくは、上記クラッド金属板は、上記金属支持層の外面に接合された耐腐食性金属からなる外側表皮層をさらに有し、上記外側表皮層は上記金属支持層よりも厚みが小さい。
好ましくは、上記金属支持層は炭素鋼からなり、上記外側表皮層および上記内側表皮層はステンレス鋼からなる。
好ましくは、上記内側表皮層の厚みは、上記外側表皮層の厚みより大きい。
好ましくは、上記金属支持層の厚みは５〜１５ｍｍである。
好ましくは、不活性ガスを上記通路に供給するための不活性ガス供給手段をさらに備える。
好ましくは、上記ジャケット部は螺旋状の仕切板により内部が仕切られており、上記通路は上記仕切板に沿って螺旋状に延びる。
好ましくは、上記容器本体は、蓋体によって閉鎖された上端開口を有している。
好ましくは、上記蓋体は、上記容器本体の内側に位置する内面と上記容器本体の外側に位置する外面とを有する追加の金属支持層と、当該追加の金属支持層の内面に接合され、上記追加の金属支持層よりも厚みの小さい耐腐食性金属からなる追加の内側表皮層と、を有する追加のクラッド金属板を用いて構成されている。
好ましくは、上記追加のクラッド金属板は、上記追加の金属支持層の外面に接合された耐腐食性金属からなる追加の外側表皮層をさらに有し、上記追加の外側表皮層は上記追加の金属支持層よりも厚みが小さい。
本発明の第２の側面によって提供される吸水性樹脂の製造方法は、石油系炭化水素分散媒中で水溶性エチレン性不飽和単量体を逆相懸濁重合する吸水性樹脂の製造方法であって、本発明の第１の側面に係る重合反応器における上記容器本体内にて重合反応を行う。
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
図１および図２は、本発明に係る重合反応器の一例を示す。図１に表れているように、本実施形態の重合反応器Ｘは、容器本体１と、ジャケット部２と、蓋体３とを備えている。
図１に示すように、容器本体１は、円筒状の側壁部１１と、この側壁部１１の下端に一体的に溶接接合された底壁部１２とを有する。
本実施形態において、側壁部１１は、３層クラッド鋼板で構成されている。より具体的には、図２に表れているように、側壁部１１を構成する３層クラッド鋼板は、例えば、炭素鋼鋼板からなる支持層１１ａの両面それぞれにステンレス鋼製の表皮層１１ｂ，１１ｃを熱間圧延により圧着したものである。当該３層クラッド鋼板を円筒形に曲げ成形するとともに、突き合わせた両端縁どうしを円筒の軸方向に沿って溶接接合することにより、円筒状の側壁部１１が形成されている。側壁部１１の上端部は開口しており、当該上端部の外周には、円環状のフランジ１１１が一体形成されている。
側壁部１１の寸法の一例を挙げると、直径が２００〜４００ｃｍ程度、高さ（軸方向の長さ）が２００〜６００ｃｍ程度である。また、側壁部１１における支持層１１ａの厚みは、例えば５〜１５ｍｍ程度、内側の表皮層１１ｂの厚みは例えば１〜４ｍｍ程度、外側の表皮層１１ｃの厚みは例えば１〜３ｍｍ程度とされる。内側の表皮層１１ｂの厚みは、外側の表皮層１１ｃの厚みよりも大きい。また、内側の表皮層１１ｂの厚みは、好ましくは支持層１１ａの厚みの１／１０〜１／２の範囲、より好ましくは支持層１１ａの厚みの１／５〜１／２の範囲である。
底壁部１２は、側壁部１１を構成する３層クラッド鋼板と同一の３層クラッド鋼板を用いて構成されており、下向き凸面状（例えば半球面状）に形成されている。底壁部１２は、側壁部１１の下端に対して、当該側壁部１１の円周方向に沿って溶接接合されている。詳細な図示は省略するが、底壁部１２は、支持層と、この支持層の両面それぞれに接合された表皮層とを有する。底壁部１２における内側の表皮層の厚みは、外側の表皮層の厚みよりも大きい。このような構成の容器本体１の側壁部１１および底壁部１２において、内側の表皮層１１ｂは、耐腐食性金属層であり、外側の表皮層１１ｃは、追加の耐腐食性金属層である。
容器本体１の底壁部１２には、当該容器本体１の内部を攪拌するための攪拌翼１３が設けられている。攪拌翼１３は、底壁部１２の中央を貫通している。また、底壁部１２には、容器本体１の内容物を外部に排出するための排出口１２１が設けられている。上記構成の容器本体１の内容量は、例えば１０〜６０ｍ3程度である。
ジャケット部２は、容器本体１の外面を覆う。ジャケット部２は、容器本体１の外面との間に冷熱媒体を通流させる通路を形成するべく、側壁部１１の上部から底壁部１２に至る範囲を覆っている。ジャケット部２は、たとえばステンレス鋼製であり、溶接により容器本体１に接合されている。ジャケット部２の下部には、冷熱媒体を当該ジャケット部２内に導入する導入口２１が設けられ、ジャケット部２の上部には、ジャケット部２内の冷熱媒体を外部に導出する導出口２２が設けられている。また、ジャケット部２の内側には、容器本体１の外周において冷熱媒体を螺旋状に流すための仕切板２３が設けられている。仕切板２３は螺旋帯の形態であり、例えば、ジャケット部２の内面に対して、起立状態にて溶接されている。容器本体１の外面とジャケット部２の内面と、螺旋状の仕切板２３とで囲まれた空間によって、螺旋状の通路が形成されている。導入口２１は、図外の冷熱媒体タンクに連結されており、所望の温度に調節された冷熱媒体が導入口２１を介してジャケット部２内に導入される。導出口２２は、図外の温度調節装置に連結されている。ジャケット部２内を通過した冷熱媒体は、導出口２２を介して図外の温度調節装置に導入され、所望の温度に調節されたうえで冷熱媒体タンクに供給される。以上から理解されるように、冷熱媒体タンクから供給される冷熱媒体は、ジャケット部２および温度調節装置の順に通過し、循環利用される。
ジャケット部２内に通流させる冷熱媒体は、例えば、水やエチレングリコール（不凍液）などの液体である。なお、本実施形態では、図１に表れているように、導出口２２の端部には分岐管２４が接続されている。この分岐管２４の分岐部から不活性ガスの１種である窒素（Ｎ2）を加圧供給することにより、ジャケット部２内側の上記螺旋状通路に窒素が供給可能である。また、分岐管２４の下流側には開閉弁（図示略）が設けられており、ジャケット部２内への冷熱媒体の供給を停止するときには、上記開閉弁を閉じる。ジャケット部２内の冷熱媒体の液面が下がると、分岐管２４および導出管２２を通じてジャケット部２内側の通路に窒素が供給され、上記通路への空気の侵入が防止される。
蓋体３は、容器本体１の上端開口部を覆うものであり、例えば側壁部１１と同様の３層クラッド鋼板によって構成されている。蓋体３は、上向き凸面状（例えば半球面状）に形成されている。蓋体３の頂部には、反応液等を供給するための供給口３１が設けられている。蓋体３の下端部の外周には、円環状のフランジ３２が一体形成されており、容器本体１と蓋体３とは、それぞれのフランジ１１１，３２に形成されたボルト孔（図示略）に挿入されるボルト（図示略）によって相互に密封状態にて固定されている。図示してはいないが、容器本体１のフランジ１１１と蓋体３のフランジ３２との間には適宜のシール材が介装されており、容器本体１内の密封状態が保たれる。
次に、上記の重合反応器Ｘの使用方法について説明する。
重合反応器Ｘは、種々の重合反応を行うための容器として使用することが可能であるが、本実施形態では、重合反応器Ｘを逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造に使用する場合について説明する。
本実施形態における吸水性樹脂の製造においては、水溶性エチレン性不飽和単量体を、石油系炭化水素分散媒（有機溶媒）中で、分散剤の存在下にラジカル重合開始剤を用いて、逆相懸濁重合を行う。以下においては、多段の重合反応を行う場合について説明する。逆相懸濁重合法による多段の重合反応は、得られる吸水性樹脂の粒径が大きく、水に対する濡れ性が良好で生産性が向上でき、分散剤の使用量を低減するうえで好ましい。
逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造においては、まず、容器本体１内に、石油系炭化水素分散媒と、分散剤とを投入する。そして、攪拌翼１３により容器本体１内を攪拌しながらジャケット部２内に熱媒を通流させて容器本体１内を所定の温度（例えば９０℃程度）になるまで加熱することにより（第１加熱工程）、石油系炭化水素分散媒に分散剤を溶解させる。次いで、ジャケット部２内に冷媒を通流させて、容器本体１内を所定の温度（例えば５０℃程度）になるまで冷却する（第１冷却工程）。
次に、容器本体１内に１段目の単量体溶液を添加し、１段目の逆相懸濁重合を行う。単量体溶液は、好ましくは、水溶性エチレン性不飽和単量体の水溶液に、ラジカル重合開始剤を添加することにより調製される。なお、水溶性エチレン性不飽和単量体が例えばアクリル酸などのように酸基を有する場合、当該酸基をアルカリ性中和剤によって中和してもよい。また、必要に応じて、単量体溶液に架橋剤を添加して重合を行ってもよい。
１段目の重合を行うに際し、所定温度（例えば１０℃程度）に調整した上記単量体溶液を添加して容器本体１の内容物を所定の温度（例えば３０℃程度）とし、安定な懸濁状態とする。次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を攪拌しながらジャケット部２内に熱媒を通流させて容器本体１内を所定の温度（例えば５５℃程度）になるまで加熱することにより（第２加熱工程）、１段目の重合を開始させる。この際、重合熱により内容物が昇温するが、これとともに、ジャケット部２内に冷媒（例えば先の重合開始の際に通流させた熱媒と同じ）を通流させて、内容物を所定の高温状態（例えば８０℃程度）に維持し、重合を所定時間行う。次に、ジャケット部２内に冷媒を通流させて、容器本体１の内容物を所定の温度（例えば５〜３０℃程度）になるまで冷却し（第２冷却工程）、１段目の反応混合物を得る。
次に、容器本体１内に２段目の単量体溶液を添加し、２段目の逆相懸濁重合を行う。２段目の単量体溶液は、好ましくは、水溶性エチレン性不飽和単量体の水溶液に、ラジカル重合開始剤を添加することにより調製される。なお、水溶性エチレン性不飽和単量体が例えばアクリル酸などのように酸基を有する場合、当該酸基をアルカリ性中和剤によって中和してもよい。また、必要に応じて、単量体溶液に架橋剤を添加して重合を行ってもよい。
２段目の重合を行うに際し、容器本体１内の反応混合物と同程度の温度に調整した上記２段目の単量体溶液を添加する。次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を攪拌しながらジャケット部２内に熱媒を通流させて容器本体１内を所定の温度（例えば５５℃程度）になるまで加熱することにより（第３加熱工程）、２段目の重合を開始させる。ここで、重合熱により内容物が昇温するが、これとともに、ジャケット部２内に冷媒（先の重合開始の際に通流させた熱媒と同じ）を通流させて、内容物を所定の高温状態（例えば８０℃程度）に維持し、重合を所定時間行う。次に、ジャケット部２内に冷媒を通流させて、容器本体１の内容物を所定の温度（例えば５〜３０℃程度）になるまで冷却し（第３冷却工程）、２段目の反応混合物を得る。
次に、容器本体１内に３段目の単量体溶液を添加し、３段目の逆相懸濁重合を行う。３段目の単量体溶液は、好ましくは、水溶性エチレン性不飽和単量体の水溶液に、ラジカル重合開始剤を添加することにより調製される。なお、水溶性エチレン性不飽和単量体が例えばアクリル酸などのように酸基を有する場合、当該酸基をアルカリ性中和剤によって中和してもよい。また、必要に応じて、単量体溶液に架橋剤を添加して重合を行ってもよい。
３段目の重合を行うに際し、容器本体１内の反応混合物と同程度の温度に調整した上記３段目の単量体溶液を添加する。次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を攪拌しながらジャケット部２内に熱媒を通流させて容器本体１内を所定の温度（例えば５５℃程度）になるまで加熱することにより（第４加熱工程）、３段目の重合を開始させる。ここで、重合熱により内容物が昇温するが、これとともに、ジャケット部２内に冷媒（先の重合開始の際に通流させた熱媒と同じ）を通流させて、内容物を所定の高温状態（例えば８０℃程度）に維持し、重合を所定時間行う。これにより、３段目の反応混合物を得る。そして、当該３段目の反応混合物から溶媒と水を分離し、乾燥させることにより、吸水性樹脂を得る。
本実施形態の重合反応器Ｘにおいて、容器本体１（側壁部１１および底壁部１２）は、炭素鋼製の支持層１１ａと、この支持層１１ａの両面に接合され、支持層１１ａよりも薄肉なステンレス鋼製の表皮層１１ｂ，１１ｃとを有する３層クラッド鋼板を用いて構成されている。支持層１１ａを構成する炭素鋼は、表皮層１１ｂ，１１ｃを構成するステンレス鋼よりも、強度が優れており、また伝熱性能についても優れているため、上記のように相対的に厚肉な支持層１１ａを炭素鋼製とすることにより、所定の強度を確保しつつ、容器本体１の壁（３層クラッド鋼板）の全体の厚みを比較的に薄くすることが可能となる。したがって、吸水性樹脂などの重合物生成のための全体工程（重合工程）において、内容物の加熱ないし冷却を容器本体１の外側に設けたジャケット部２内に冷熱媒体（冷媒あるいは熱媒）を通流させて行う際に、容器本体１の壁（側壁部１１および底壁部１２）を通じての熱伝達効率の低下を抑制することができ、例えば当該壁をステンレス鋼のみにより構成する場合に比べて、伝熱時間を短縮することが可能となる。
一方、容器本体１の内側の表皮層１１ｂは、ステンレス鋼からなるため、吸水性樹脂の重合反応に際して酸、アルカリ及び有機溶媒に接触しても腐食を受け難い。また、表皮層１１ｂは、支持層１１ａに圧着されており、支持層１１ａと表皮層１１ｂとは、全面が一様に圧着されたクラッド鋼板として構成される。これにより、表皮層１１ｂが支持層１１ａから剥離するといった事態を防止して、容器本体１の内面の耐腐食性を確実に維持することができる。
また、表皮層１１ｂの厚みは、支持層１１ａの厚みの１／１０〜１／２とされており、適度な厚みが確保されている。このことは、容器本体１の強度低下を回避しつつ耐腐食性を適切に維持する観点から好ましい。
ジャケット部２は、容器本体１の外面を覆うように設けられており、容器本体１とジャケット部２との間に冷熱媒体が通流させられる。したがって、本実施形態の重合反応器Ｘは、例えば容器本体の内側に冷熱媒体用の通路を設ける場合に比べて、ジャケット部２の状況確認を容易に行うことが可能であり、長期間の使用における信頼性に優れる。
本実施形態においては、容器本体１（側壁部１１および底壁部１２）は、外側にステンレス鋼製の表皮層１１ｃ（１２ｃ）を有する。これにより、ジャケット部２内側の通路を流れる冷熱媒体によって容器本体１が腐食するのを防止することができる。
また、本実施形態では、ジャケット部２内側の通路に窒素（不活性ガス）が供給されており、ジャケット部２内への空気の侵入が防止されている。このため、例えば、冷熱媒体として腐食性を有しない液体（例えば純水）を用いる場合には、容器本体１の外面において実質的に腐食の問題が生じることはなく、外側の表皮層１１ｃを設ける必要がない。この場合、容器本体１は、支持層１１ａと内側の表皮層１１ｂとを有する２層クラッド鋼板により構成することができる。
上記の逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造においては、冷却および加熱の操作が繰り返し行われ、重合に係る全ての時間（重合工程時間）に占める伝熱時間の割合が比較的大きい。したがって、伝熱時間の短縮による重合工程時間の短縮の割合も比較的大きくなり、このことは、生産効率の改善に資する。
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。上記実施形態においては、容器本体について、炭素鋼製の支持層１１ａ（金属支持層）の両面にステンレス鋼製の表皮層１１ｂ，１１ｃ，（耐腐食性金属層）を圧着した３層クラッド鋼板により構成する場合を例に挙げたが、容器本体１の構成材料として他のクラッド材を用いてもよい。金属支持層としては、強度や熱伝導率に優れた材料であれば好ましく、アルミニウム合金などの他の材料を用いてもよい。また、耐腐食性金属層としては、金属支持層よりも耐腐食性に優れた材料であればよく、チタンやクロムあるいはこれらの合金などの他の材料を用いてもよい。また、金属支持層や耐腐食性金属層の厚みについても、これらを構成する材料あるいは容器本体の内容量などに応じて種々変更可能である。
次に、本発明の有用性を実施例および比較例により説明する。
〔実施例〕
図１、図２に示す概略構成を有する重合反応器Ｘを使用して、上述した逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造を行う場合の各工程の時間を測定した。本実施例における吸水性樹脂の製造においては、水溶性エチレン性不飽和単量体を、石油系炭化水素分散媒中で、分散剤の存在下にラジカル重合開始剤を用いて、逆相懸濁重合法により３段の重合反応を行った。
図１、図２に示す概略構成を有する重合反応器Ｘを使用して、上述した逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造を行う場合の各工程の時間を測定した。本実施例における吸水性樹脂の製造においては、水溶性エチレン性不飽和単量体を、石油系炭化水素分散媒中で、分散剤の存在下にラジカル重合開始剤を用いて、逆相懸濁重合法により３段の重合反応を行った。
本実施例において使用した重合反応器Ｘは、容器本体１の内容量が６０ｍ3とされ、攪拌翼１３についてはパドル翼を用いた。容器本体１の側壁部１１および底壁部１２は、厚みが１８ｍｍの３層クラッド鋼板を用いて構成した。支持層１１ａは、厚みが１３ｍｍの中・常温圧力容器用炭素鋼鋼板（ＪＩＳ：ＳＧＶ４８０；ＪＩＳ：Japanese Industrial Standard）とし、内側の表皮層１１ｂは、厚みが３ｍｍのステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）とし、外側の表皮層１１ｃは、厚みが２ｍｍのステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）とした。
１段目の重合に際し、容器本体１内に、石油系炭化水素分散媒として２５℃のｎ−ヘプタンを１３５００ｋｇ、分散剤としてポリグリセリン脂肪酸エステル（商品名：サンソフトＱ−１８５Ｓ、太陽化学（株）製）の１０質量％ｎ−ヘプタン溶液３５１ｋｇを仕込んだ。
次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を撹拌しながら、ジャケット部２内に熱媒（温度９５℃、流量１.５ｍ3／ｍｉｎ、以下同じ）を通流させて、容器本体１内の内容物を９０℃になるまで加熱し（第１加熱工程）、分散剤を溶解した。ジャケット部２に熱媒を通じてから、容器本体１内の内容物を９０℃まで昇温するのに８８分を要した。ジャケット部２内に冷媒（温度１℃、流量１.５ｍ3／ｍｉｎ、以下同じ）を通流させて、容器本体１内の内容物を５０℃になるまで冷却した（第１冷却工程）。ジャケット部２に冷媒を通じてから、容器本体１内の内容物を５０℃まで降温するのに２２分を要した。
一方、別の容器に、水溶性エチレン性不飽和単量体として８０質量％アクリル酸水溶液３５０５ｋｇを加え、冷却しながら、アルカリ性中和剤として３０質量％水酸化ナトリウム水溶液を３８９０ｋｇ滴下して、７５ｍｏｌ％の中和を行った。次いで、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウムを３．５ｋｇ、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドを０．７ｋｇ、水を１９０８ｋｇ加えて溶解し、１段目の単量体を水溶液として調製した。
１０℃に調整した上記1段目の単量体水溶液の全量を容器本体１に加え、容器本体１の内容物を３０℃とし、系内を窒素で十分に置換した。
次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を撹拌しながら、ジャケット部２内に熱媒を通流させて、容器本体１内の内容物を５５℃になるまで加熱し（第２加熱工程）、重合を開始させた。ジャケット部２に熱媒を通じてから、容器本体１内の内容物を５５℃まで昇温するのに２６分を要した。重合開始後、重合熱により容器本体１の内容物が昇温し、内容物が８０℃に到達した時点から８０℃で３０分間重合を行った後、ジャケット部２内に冷媒を通流させて容器本体１の内容物を１３℃になるまで冷却し（第２冷却工程）、１段目の反応混合物を得た。ジャケット部２に冷媒を通じてから、容器本体１の内容物を１３℃まで降温するのに１０７分を要した。
一方、別の容器に、水溶性エチレン性不飽和単量体として８０質量％アクリル酸水溶液３５０５ｋｇを加え、冷却しながら、アルカリ性中和剤として３０質量％水酸化ナトリウム水溶液を３８９０ｋｇ滴下して、７５ｍｏｌ％の中和を行った。次いで、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウムを３．５ｋｇ、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドを０．７ｋｇ、水を１９０８ｋｇ加えて溶解し、２段目の単量体を水溶液として調製した。上記1段目の反応混合物に、１３℃に調整した上記２段目の単量体水溶液を加え、系内を窒素で十分に置換した。
次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を撹拌しながら、ジャケット部２内に熱媒を通流させて、容器本体１内の内容物を５５℃になるまで加熱し（第３加熱工程）、重合を開始させた。ジャケット部２に熱媒を通じてから、容器本体１内の内容物を５５℃まで昇温するのに４８分を要した。重合開始後、重合熱により容器本体１の内容物が昇温し、内容物が８０℃に到達した時点から８０℃で３０分間重合を行った後、ジャケット部２内に冷媒を通流させて容器本体１の内容物を１３℃になるまで冷却し（第３冷却工程）、２段目の反応混合物を得た。ジャケット部２に冷媒を通じてから、容器本体１の内容物を１３℃まで降温するのに１３２分を要した。
また、一方、別の容器に、水溶性エチレン性不飽和単量体として８０質量％アクリル酸水溶液３５０５ｋｇを加え、冷却しながら、アルカリ性中和剤として３０質量％水酸化ナトリウム水溶液を３８９０ｋｇ滴下して、７５ｍｏｌ％の中和を行った。次いで、ラジカル重合開始剤として過硫酸カリウムを３．５ｋｇ、架橋剤としてＮ、Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドを０．７ｋｇ、水を１９０８ｋｇ加えて溶解し、３段目の単量体を水溶液として調製した。上記２段目の反応混合物に、１３℃に調整した上記３段目の単量体水溶液を加え、系内を窒素で十分に置換した。
次いで、攪拌翼１３により容器本体１内を撹拌しながら、ジャケット部２内に熱媒を通流させて、容器本体１内の内容物を５５℃になるまで加熱し（第４加熱工程）、重合を開始させた。ジャケット部２に熱媒を通じてから、容器本体１内の内容物を５５℃まで昇温するのに５４分を要した。重合開始後、重合熱により容器本体１の内容物が昇温し、内容物が８０℃に到達した時点から８０℃で３０分間重合を行い、３段目の反応混合物を得た。当該３段目の反応混合物から、ｎ−ヘプタンと水との共沸蒸留によりｎ−ヘプタンと水を分離し、ｎ−ヘプタンは容器本体１内へ戻し、１６６４１ｋｇの水を系外へ抜き出した後、ｎ−ヘプタンを蒸発させて乾燥することにより、吸水性樹脂１１３１５ｋｇを得た。本実施例における各工程の所要時間を図３に示す。
〔比較例〕
上記実施例とは異なる重合反応器を使用して、上述した逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造を行う場合の重合工程時間を測定した。
上記実施例とは異なる重合反応器を使用して、上述した逆相懸濁重合法による吸水性樹脂の製造を行う場合の重合工程時間を測定した。
本比較例では、容器本体の材質をステンレス鋼製とした以外は、全て上記実施例と同一条件にて吸水性樹脂を製造した。
本比較例において使用した重合反応器は、容器本体の内容量が上記実施例と同一の６０ｍ3とされ、また、攪拌翼についても上記実施例と同一のパドル翼を用いた。本比較例の容器本体は、厚みが１８ｍｍのステンレス鋼（ＪＩＳ：ＳＵＳ３０４）を用いて構成し、上記実施例の容器本体１と強度が同程度になるように設定した。冷媒および熱媒の供給態様も上記実施例と同一とした。
第１加熱工程において、容器本体内の内容物を９０℃まで昇温するのに１１３分を要した。第１冷却工程において、容器本体内の内容物を５０℃まで降温するのに２８分を要した。第２加熱工程において、容器本体内の内容物を５５℃まで昇温するのに３３分を要した。第２冷却工程において、容器本体内の内容物を１３℃まで降温するのに１３５分を要した。第３加熱工程において、容器本体内の内容物を５５℃まで昇温するのに６１分を要した。第３冷却工程において、容基本体内の内容物を１３℃まで降温するのに１６５分を要した。第４加熱工程において、容器本体内の内容物を５５℃まで昇温するのに６９分を要した。本比較例における各工程の所要時間を図３に示す。
図３から理解されるように、容器本体１を３層クラッド鋼板を用いて構成した実施例の場合、容器本体をステンレス鋼を用いて構成した比較例に比べて、伝熱時間について２１％の短縮効果があった。また、重合工程時間についても、実施例は比較例に比べて１８％の短縮効果があり、上記吸水性樹脂の製造をバッチ処理で行うに際して、生産効率の改善が見込まれる。
Ｘ 重合反応器
１ 容器本体
２ ジャケット部
３ 蓋体
１１ 側壁部
１２ 底壁部
１１ａ，１２ａ 支持層（金属支持層）
１１ｂ，１２ｂ 表皮層（耐腐食性金属層）
１１ｃ，１２ｃ 表皮層（追加の耐腐食性金属層）
１１１ フランジ
１２１ 排出口
１３ 攪拌翼
２１ 導入口
２２ 導出口
２３ 仕切板
３１ 供給口
３２ フランジ
１ 容器本体
２ ジャケット部
３ 蓋体
１１ 側壁部
１２ 底壁部
１１ａ，１２ａ 支持層（金属支持層）
１１ｂ，１２ｂ 表皮層（耐腐食性金属層）
１１ｃ，１２ｃ 表皮層（追加の耐腐食性金属層）
１１１ フランジ
１２１ 排出口
１３ 攪拌翼
２１ 導入口
２２ 導出口
２３ 仕切板
３１ 供給口
３２ フランジ
Claims (11)
- 重合反応を行うための重合反応器であって、
容器本体と、当該容器本体の外面を覆うように設けられ、上記容器本体の外面との間に冷熱媒体を通流させるための通路を形成するジャケット部と、を備え、
上記容器本体は、上記容器本体の内側に位置する内面と上記容器本体の外側に位置する外面とを有する金属支持層と、当該金属支持層の内面に接合され、上記金属支持層よりも厚みの小さい耐腐食性金属からなる内側表皮層と、を有するクラッド金属板を用いて構成されており、
上記ジャケット部は、上記冷熱媒体を当該ジャケット部の内部に導入するための導入口と、上記冷熱媒体を外部に導出するための導出口と、を備えており、
上記ジャケット部の上記導出口には分岐管が接続されており、当該分岐管の分岐部に不活性ガスを上記通路に供給するための不活性ガス供給手段が接続されている、重合反応器。 - 上記内側表皮層の厚みは、上記金属支持層の厚みの１／１０〜１／２である、請求項１に記載の重合反応器。
- 上記クラッド金属板は、上記金属支持層の外面に接合された耐腐食性金属からなる外側表皮層をさらに有し、上記外側表皮層は上記金属支持層よりも厚みが小さい、請求項１または２に記載の重合反応器。
- 上記金属支持層は炭素鋼からなり、上記外側表皮層および上記内側表皮層はステンレス鋼からなる、請求項３に記載の重合反応器。
- 上記内側表皮層の厚みは、上記外側表皮層の厚みより大きい、請求項３または４に記載の重合反応器。
- 上記金属支持層の厚みは５〜１５ｍｍである、請求項１ないし５のいずれかに記載の重合反応器。
- 上記ジャケット部は螺旋状の仕切板により内部が仕切られており、上記通路は上記仕切板に沿って螺旋状に延びる、請求項１ないし６のいずれかに記載の重合反応器。
- 上記容器本体は、蓋体によって閉鎖された上端開口を有している、請求項１ないし７のいずれかに記載の重合反応器。
- 上記蓋体は、上記容器本体の内側に位置する内面と上記容器本体の外側に位置する外面とを有する追加の金属支持層と、当該追加の金属支持層の内面に接合され、上記追加の金属支持層よりも厚みの小さい耐腐食性金属からなる追加の内側表皮層と、を有する追加のクラッド金属板を用いて構成されている、請求項８に記載の重合反応器。
- 上記追加のクラッド金属板は、上記追加の金属支持層の外面に接合された耐腐食性金属からなる追加の外側表皮層をさらに有し、上記追加の外側表皮層は上記追加の金属支持層よりも厚みが小さい、請求項９に記載の重合反応器。
- 石油系炭化水素分散媒中で水溶性エチレン性不飽和単量体を逆相懸濁重合する吸水性樹脂の製造方法であって、
請求項１ないし１０のいずれかに記載の重合反応器における上記容器本体内にて重合反応を行う、吸水性樹脂の製造方法。
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