關(guān)于氨綸纖維紡絲甬道的研究與運用

張所俊

摘 要：為了研究提升氨綸纖維品質(zhì)的均一性、降低生產(chǎn)運行成本、制取差別化功能性纖維的適應(yīng)性，以及最大化降低氨綸纖維有害溶劑的殘存量，滿足日益提高的環(huán)保要求。我們通過對氨綸纖維紡絲甬道的理論研究及實驗表明：優(yōu)化紡絲甬道孔板開孔率、改善吹風(fēng)均一性，可提升氨綸纖維品質(zhì)的均一性；通過研究氨綸纖維在紡絲甬道中的傳熱機理，為紡絲甬道有效長度的設(shè)計提供新思路及理論支持，優(yōu)化紡絲甬道有效長度，可降低纖維內(nèi)有害溶劑殘存率；通過研究紡絲甬道伴熱形式對紡程溫度梯度變化趨勢的影響，優(yōu)化伴熱形式，使甬道外壁溫度與內(nèi)部空氣溫度梯度的一致性、確保傳熱機理發(fā)揮最大化、降低運行成本、以及差異化、功能化纖維的制取。

關(guān)鍵詞：開孔率；均一性；傳熱機理；溫度梯度；殘存量；熱損

中圖分類號：TH-39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）07-0188-02

當(dāng)前，國內(nèi)外氨綸市場競爭會更加激烈，競爭不僅體現(xiàn)在常規(guī)產(chǎn)品上、運行成本上、環(huán)保上，而是全方位的，從世界范圍講，未來差別化、功能性纖維的競爭會更加激烈，更重要的是差別化氨綸的大量進口會影響國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)進步。同時，環(huán)保要求的提高也對氨綸生產(chǎn)提出新的要求。目前，國內(nèi)90%以上氨綸纖維產(chǎn)能都采用干紡工藝，其核心裝備為方型紡絲甬道，紡絲甬道影響著氨綸纖維成形過程中纖維的斷裂伸長等品質(zhì)指標(biāo)，也影響著纖維內(nèi)有害溶劑（二甲基乙酰胺）揮發(fā)回收的效率。溶劑揮發(fā)效率基本受紡絲甬道的影響，纖維內(nèi)有害溶劑殘存越高，纖維品質(zhì)會下降；溶劑揮發(fā)不均、后道條干也不均；在存儲下，溶劑的溶解特性，容易形成纖維間粘連一起，造成絲餅退繞不良；而發(fā)達(dá)國家已開始明令禁止使用附帶有害微量溶劑殘留物的干紡氨綸纖維[1]。因此，通過研究改善紡絲甬道吹風(fēng)均一性，來提高氨綸纖維品質(zhì)均一性；通過研究氨綸纖維在紡絲甬道中傳熱機理、研究紡絲甬道長度設(shè)計思路、通過研究紡絲甬道伴熱形式對紡程溫度梯度變化趨勢的影響，來最大化降低氨綸纖維內(nèi)有害溶劑殘存量、降低運行成本、以及差異化、功能化纖維制取，成當(dāng)前首要解決問題。

1 紡絲甬道吹風(fēng)均一性的研究

目前，干紡工藝使用最多的屬方型側(cè)吹風(fēng)甬道，由側(cè)吹風(fēng)腔的上甬道、帶有伴熱的中甬道與下甬道組成。甬道內(nèi)吹出熱風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)溫需要均勻恒定，以保證原液細(xì)流在紡絲過程中的溫度分布、風(fēng)速分布和固化點的位置恒定，纖維經(jīng)恒定軸向拉力制得粗細(xì)均勻、品質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)均勻的纖維。通常紡絲過程為：氨綸原液從噴絲板頭毛細(xì)孔中壓出的原液細(xì)流進入紡絲甬道中，由側(cè)吹風(fēng)腔的上甬道垂直于絲路按0.2～0.3m/s風(fēng)速均勻吹出高溫?zé)犸L(fēng)、并由上甬道回風(fēng)腔回收60%～70%風(fēng)量、其余40%～30%風(fēng)量延絲路同向經(jīng)中甬道由下甬道回風(fēng)口回收，通過甬道中熱空氣流作用，使原液細(xì)流中溶劑快速揮發(fā)，原液的粘度達(dá)到某一臨界值而實現(xiàn)凝固，揮發(fā)出來的溶劑蒸汽被熱空氣流帶走冷凝回收利用，原液在逐漸脫去溶劑同時發(fā)生固化，并在卷繞張力的作用下伸長變細(xì)而形成氨綸纖維[2]。

但在生產(chǎn)實際過程中，上甬側(cè)吹風(fēng)通常出現(xiàn)孔板風(fēng)速不均、熱能不均，常表現(xiàn)為甬道同一截面兩端風(fēng)速大、中間風(fēng)速小；兩端風(fēng)速小、中間風(fēng)速大；延甬道方向（紡程方向）頂部風(fēng)速小、底部風(fēng)速大等缺陷；其風(fēng)腔由風(fēng)腔室、孔板一、整流框、孔板二、濾網(wǎng)組成，前后兩塊孔板開孔率0.6%～1.0%過小、造成風(fēng)速30～40m/s過大撞擊孔板和濾網(wǎng)形成紊流，造成風(fēng)速不均。孔板吹風(fēng)把氣流經(jīng)過孔板的過程分解為突縮和突擴兩個階段，孔板吹風(fēng)口通常為平板上按一定規(guī)則排布均勻開設(shè)大量圓孔，風(fēng)經(jīng)過孔板時每個圓孔都呈現(xiàn)小孔射流，多股小孔射流然后混合匯聚，均勻送出。為理論計算孔板的壓降，需提供每個圓孔的入流條件，分析各個圓孔的流動特征，給計算帶來諸多繁瑣。企業(yè)常簡化模型計算，將多個孔板圓孔等效為一個簡單送風(fēng)孔，即多圓孔面積與孔板風(fēng)口的有效通過面積相等計算孔板壓損。但實際忽略了多孔射流的混合損失、多孔間相互干擾現(xiàn)象，為取得最佳吹風(fēng)均一性、參考CFD軟件模擬數(shù)據(jù)[3]。制作不同開孔率孔板試驗、經(jīng)試驗測試提高孔板開孔率至8%～9%、有效降低風(fēng)速、降低孔板射壓損、降低多孔射流擾動，使氣流在整個孔板分配面上風(fēng)速CV<3%，有效解決甬道風(fēng)速不均、消除了氨綸纖維內(nèi)溶劑揮發(fā)不均的現(xiàn)象。

2 紡絲甬道有效長度的研究

紡絲甬道長度一般為上中下甬道總長，也稱為紡程，甬道的長度對纖維內(nèi)有害溶劑殘存量有著決定性影響，通常要求紡絲甬道長度能夠確保纖維溶劑最大化揮發(fā)、減少纖維在甬道中擾動，研究紡絲甬道長度就必須從研究氨綸纖維在紡絲甬道中的傳熱機理來研究甬道長度。氨綸纖維溶劑在紡絲甬道中延紡程整個過程通過：閃蒸、纖維內(nèi)部溶劑的擴散、纖維表面向周圍介質(zhì)的對流傳質(zhì)三種機理作研究分析[4]：

根據(jù)氨綸纖維在紡絲甬道中傳熱機理和紡絲甬道的長度，將整個紡程劃分為三個區(qū)域，分別研究不同區(qū)域下，纖維內(nèi)溶劑揮發(fā)程度及氨綸纖維內(nèi)外溫度的變化情況。根據(jù)理論研究和試驗繪制不同區(qū)域下纖維內(nèi)溶劑揮發(fā)程度及內(nèi)外溫度變化圖如圖1所示。

如上圖1第1階段區(qū)（氨綸纖維起始蒸發(fā)區(qū)）：在組件噴絲板出絲口處，纖維原液從噴絲板微孔中擠出，低溫原液細(xì)流遇到高溫側(cè)吹風(fēng)熱氣流，溶劑快速閃蒸，使有害溶劑迅速大量揮發(fā)，在機架羅拉的牽引下，離噴絲板出口0.1m處纖維速度逐漸與卷繞速度相近，原液細(xì)流的組成、線徑、速度、溫度和粘度發(fā)生急劇變化。在此階段內(nèi)，原液細(xì)流內(nèi)部溫度（圖1中線段2）比原液細(xì)流表面溫度（圖1中線段1）高，有害溶劑從原液細(xì)流內(nèi)部向表面作快速擴散運動，原液細(xì)流表面有害溶劑濃度變高、內(nèi)部溶劑濃度成下降趨勢，原液細(xì)流總濃度快速下降（圖1中線段3），逐步進入溶劑揮發(fā)的第2階段。第2階段（氨綸纖維恒速蒸發(fā)區(qū)）：經(jīng)過熱空氣的傳熱與氨綸纖維內(nèi)有害溶劑的蒸發(fā)達(dá)到平衡，當(dāng)纖維表面有害溶劑蒸發(fā)的速度高于溶劑從纖維內(nèi)部向表層擴散的速度時，纖維表層溫度將上升，纖維內(nèi)溶劑擴散速度呈下降趨勢，這時原液細(xì)流開始慢慢固化成型，進入溶劑揮發(fā)的第3階段。第3階段（氨綸纖維降速蒸發(fā)區(qū)）：此階段氨綸纖維內(nèi)部有害溶劑向表層擴散的速度變得更緩慢，隨著纖維表面蒸發(fā)強度的逐漸降低，纖維表面溫度上升（圖1中第3階段線段1）并近熱風(fēng)溫度，該階段內(nèi)氨綸纖維固化成絲條基本完成，纖維內(nèi)殘存的有害溶劑濃度將降至最低點（圖1中線段3）。

從上述三個階段纖維有害溶劑揮發(fā)的機理看：要最大化降低氨綸纖維內(nèi)溶劑殘存率，就必須確保纖維表層固化前，即氨綸纖維表層溫度開始提高前，確保有害溶劑在上述第1階段（氨綸纖維起始蒸發(fā)區(qū)）和第2階段（氨綸纖維快速蒸發(fā)區(qū)）內(nèi)溶劑充分得到揮發(fā)。因此，通過增長紡絲甬道第1階段第2階段紡程長度，可加快纖維表層固化前溶劑的揮發(fā)量，從而有效降低氨綸纖維內(nèi)有害溶劑殘存率。

3 紡絲甬道伴熱與內(nèi)部溫度梯度變化對纖維殘存溶劑的研究與分析

氨綸纖維固化成形階段，紡絲甬道內(nèi)熱空氣與原液細(xì)流通過傳質(zhì)和傳熱兩個過程，不發(fā)生化學(xué)變化。纖維原液從噴絲板出絲孔中擠出的細(xì)流原液進入紡絲甬道中，通過紡絲甬道孔板均勻吹出的熱空氣流作用，使原液細(xì)流中有害溶劑快速揮發(fā)，當(dāng)原液細(xì)流粘度升至某一臨界值時實現(xiàn)凝固，揮發(fā)出來的溶劑蒸汽被熱空氣流帶走，原液逐漸脫去溶劑，固化形成氨綸纖維。當(dāng)紡絲甬道外壁伴管溫度高于甬道內(nèi)部熱空氣溫度時，伴管給甬道內(nèi)部空氣加熱，被加熱的熱空氣將使纖維提前固化，阻礙了纖維內(nèi)部溶劑向纖維表面的擴散，最終導(dǎo)致纖維內(nèi)部有害溶劑無法最大化揮發(fā)；反之，當(dāng)紡絲甬道外壁伴管溫度低于甬道內(nèi)部熱空氣溫度時，甬道內(nèi)部溫度會降低，滯后固化，將降低纖維強度、彈性等物理指標(biāo)。

目前，紡絲甬道外壁延紡程方向采用單程伴管伴熱、伴熱基本采用蒸汽或高溫導(dǎo)熱油，其存在：單程伴管伴熱溫度難同紡絲甬道內(nèi)空氣溫度一致，存在伴管給甬道內(nèi)部空氣加熱或內(nèi)部空氣反向給外部伴管加熱現(xiàn)象，從而影響?zhàn)纼?nèi)空氣溫度梯度與纖維溶劑揮發(fā)溫度梯度的一致性；圓形伴管與方型紡絲甬道外壁為線接觸、接觸面小、傳熱效率低；紡絲甬道伴管外界供熱系統(tǒng)熱損失大、運行成本高；伴管焊點多易漏、形成安全隱患；多組甬道一套供熱系統(tǒng)易造成每組伴管內(nèi)蒸汽或?qū)嵊头植疾痪⑼唤孛嬉仔纬蓽囟炔睢⒉焕跍囟染_控制、以及各段溫度難調(diào)整等缺陷。

綜上現(xiàn)有伴熱缺陷，優(yōu)化設(shè)計采用電伴熱分段伴熱，可根據(jù)氨綸纖維溶劑揮發(fā)最大化及最優(yōu)物理指標(biāo)分段設(shè)定伴熱溫度，可確保紡絲甬道外壁電伴熱伴熱溫度梯度與甬道內(nèi)溫度梯度一致性。

我們通過實際試驗，實測對比不同伴熱方式下延紡程紡絲甬道壁溫度與紡絲甬道內(nèi)部空氣溫度梯度的變化對比[5]。從對比圖表（如圖2所示）可看出電伴熱方式與甬道內(nèi)部空氣溫度梯度一致性優(yōu)于現(xiàn)有蒸汽或?qū)嵊凸馨闊岱绞剑椰F(xiàn)有伴熱方式的確存在伴管與甬道內(nèi)空氣加熱與反加熱現(xiàn)象。因此，通過采用電伴熱伴熱，可確保伴管溫度梯度與甬道內(nèi)部空氣溫度梯度一致，可有效降低纖維內(nèi)有害溶劑殘存量。

同時，采用電伴熱可獨立控制紡絲甬道每段紡程，根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格、可設(shè)置不同控制生產(chǎn)工況條件、確保工況與產(chǎn)品匹配；當(dāng)然，在運行成本上，電伴熱遠(yuǎn)低于蒸汽或?qū)嵊桶闊幔饕w現(xiàn)在電伴熱可完全省去紡絲甬道伴熱外界供熱系統(tǒng)的熱損失；以年產(chǎn)6萬噸氨綸纖維為例計算不同紡絲甬道伴熱形式的經(jīng)濟效益：紡絲甬道導(dǎo)熱油或蒸汽伴熱伴管外供熱系統(tǒng)單位長度散熱損失計算：

Q=2*3.14*（T-T1）/（1/λ*ln（D0/DI）+2/a*D0）

得：甬道伴熱外部總管熱損失（kw）：圖3所示。

從上述伴管外系統(tǒng)管路熱損失數(shù)據(jù)看：伴管外系統(tǒng)熱損失大。根據(jù)2.1元/萬kcal導(dǎo)熱油生產(chǎn)實際運行成本計算，伴管外供熱系統(tǒng)年熱損失279萬元，也相當(dāng)于年消耗標(biāo)煤1640t、而采用電伴熱伴熱將消除現(xiàn)有伴管外系統(tǒng)熱損失，即相應(yīng)年可節(jié)省標(biāo)煤1640t。因此，紡絲甬道外壁通過采用電伴熱分段伴熱控制，可確保伴管溫度梯度與甬道內(nèi)部空氣溫度梯度一致，可減少對甬道內(nèi)空氣溫度的影響，最大化確保溶劑的揮發(fā)量；采用電伴熱伴熱也省去大量外圍供熱系統(tǒng)、降低運行成本；同時，也適應(yīng)不同品種下不同工況的需要，為差異化、功能化纖維制取創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)語

我們通過對紡絲甬道的理論研究及實驗表明：優(yōu)化紡絲甬道孔板開孔率、改善吹風(fēng)均一性，可提升氨綸纖維品質(zhì)的均一性；通過研究氨綸纖維在紡絲甬道中的傳熱機理，為紡絲甬道有效長度的設(shè)計提供新思路及理論支持，優(yōu)化紡絲甬道有效長度，可降低纖維內(nèi)有害溶劑殘存率；通過實測對比不同伴熱形式甬道外壁溫度與內(nèi)部空氣溫度梯度的變化、以及不同的運行成本分析，得出采用電伴熱方式可使甬道外壁溫度與內(nèi)部空氣溫度梯度的一致性、確保傳熱機理發(fā)揮最大化、也為差異化功能化纖維制取創(chuàng)造條件，同時，減少外界熱損失、降低運行成本、實現(xiàn)技術(shù)升級、提高了企業(yè)市場競爭優(yōu)勢。

參考文獻

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