腈綸微波干燥和熱風(fēng)循環(huán)干燥方法的比較

陳偉明

腈綸微波干燥和熱風(fēng)循環(huán)干燥方法的比較

陳偉明

(中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司腈綸事業(yè)部,200540)

簡(jiǎn)單介紹了腈綸干燥工藝應(yīng)用現(xiàn)狀、微波干燥技術(shù)原理及其應(yīng)用。采用腈綸微波干燥和熱風(fēng)循環(huán)干燥兩種方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:與熱風(fēng)循環(huán)干燥相比,微波干燥的干燥速度快,對(duì)工藝控制要求高,干燥致密化效果好。

微波 熱風(fēng)循環(huán) 腈綸 干燥 致密化

腈綸生產(chǎn)中,纖維的干燥是一個(gè)重要的工序,干燥工藝先進(jìn)與否關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和能耗。目前常用的干燥方法是熱風(fēng)循環(huán)干燥 (亦稱為對(duì)流干燥),即用蒸汽將空氣加熱成熱空氣,熱空氣在干燥室內(nèi)與濕纖維進(jìn)行換熱和換質(zhì),纖維中的水分被熱空氣帶走,從而完成干燥過(guò)程。熱風(fēng)循環(huán)干燥設(shè)備主要有鏈板式、鏈網(wǎng)式、熱輥式等。這種干燥方法的能量利用效率低 (約在 40%以下),干燥不均勻,甚至?xí)霈F(xiàn)纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異擴(kuò)大、產(chǎn)生空洞的現(xiàn)象,影響了產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

微波干燥是一種新型干燥技術(shù)。微波是指波長(zhǎng)范圍為 0.001～1 m、頻率范圍為 300～3×105MHz的具有穿透性的電磁波。不同種類的物料對(duì)微波的反射、透射和吸收能力不同,而水具有較強(qiáng)的微波吸收能力,電磁場(chǎng)釋放的能量絕大部分被物料中的水分吸收,因此,微波加熱常用于干燥過(guò)程。由于干燥效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好,微波干燥的發(fā)展非常迅速,已在輕工、食品和化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用[2-5]。近年來(lái),微波干燥技術(shù)在紡織工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也得到了快速發(fā)展,已用于絞紗、紗線、紗筒、織物、毛條及玻璃纖維的干燥[6-9]。

微波干燥因其獨(dú)特的加熱方式,為實(shí)現(xiàn)腈綸快速、高效的干燥提供了可能。為了考察微波干燥在腈綸生產(chǎn)中應(yīng)用的可行性及其對(duì)纖維質(zhì)量的影響,對(duì)未經(jīng)干燥致密化的纖維進(jìn)行了微波干燥和熱風(fēng)循環(huán)干燥對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

3.33 dtex腈綸纖維,含水率 50%,中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司腈綸事業(yè)部生產(chǎn)。

1.2 設(shè)備和儀器

微波干燥機(jī),上海奧博微波能設(shè)備有限公司生產(chǎn);

鏈板式熱風(fēng)循環(huán)干燥機(jī),美國(guó)干燥設(shè)備公司生產(chǎn);

XQ-1型纖維強(qiáng)伸度儀,上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所生產(chǎn);

CGYG 743型八籃烘箱,常州紡織儀器廠生產(chǎn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

取若干長(zhǎng)約 1 m的腈綸纖維試樣,均勻地鋪在微波干燥機(jī)的輸送帶上送入微波干燥機(jī),鋪絲厚度在 0.01～0.04 m左右。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,微波功率恒定在 700 kW,通過(guò)調(diào)節(jié)物料輸送帶速度來(lái)改變干燥時(shí)間和鋪絲厚度,測(cè)定纖維的強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和沸水收縮率等質(zhì)量指標(biāo)。

熱風(fēng)循環(huán)干燥實(shí)驗(yàn)在腈綸事業(yè)部金陽(yáng)裝置第一干燥機(jī)上進(jìn)行,采用鏈板式熱風(fēng)循環(huán)干燥機(jī)。實(shí)驗(yàn)中,干球溫度為 100～120℃,濕球溫度為 60～70℃。纖維的鋪絲厚度通過(guò)降低鏈板速度來(lái)改變。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)紡絲、凝固和拉伸等一系列過(guò)程,纖維的超分子結(jié)構(gòu)已基本形成。但由于成型時(shí)間非常短,而大分子的松弛時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)中存在內(nèi)應(yīng)力和缺陷,必須加以干燥,使其致密化,以消除內(nèi)應(yīng)力和纖維內(nèi)部缺陷,提高纖維的尺寸穩(wěn)定性和纖維的紡織加工性能。此外,致密化還可以消除在紡絲凝固過(guò)程中由于溶劑及凝固劑相互擴(kuò)散所引起的結(jié)構(gòu)不均勻,以及由此而產(chǎn)生的為數(shù)眾多、大小不等的空洞及裂隙結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高纖維的染色性能。干燥致密化過(guò)程是不可逆的過(guò)程,干燥致密化后纖維的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生了很大的變化。表 1為不同干燥方法對(duì)纖維質(zhì)量的影響。

表 1 不同干燥方法對(duì)纖維質(zhì)量的影響

2.1 干燥方法對(duì)干燥時(shí)間的影響

在熱風(fēng)循環(huán)干燥中,腈綸纖維表面的水分首先被汽化,纖維內(nèi)部和表面的含水率產(chǎn)生差異,因此纖維內(nèi)部的水分以液態(tài)或氣態(tài)的形式向表面擴(kuò)散并汽化。顯然,干燥順利進(jìn)行的必要條件是氣流中水分的分壓低于濕物料表面水分的分壓,二者的壓差越大,干燥進(jìn)行得越快,所以干空氣應(yīng)及時(shí)地將汽化的水分帶走,以便保持一定的傳質(zhì)推動(dòng)力。由于纖維表面的水分汽化后,纖維表面的孔隙縮小,形成了皮芯結(jié)構(gòu),阻礙了纖維內(nèi)部水分向纖維表面擴(kuò)散,干燥速度下降。從表 1可以看出,采用熱風(fēng)循環(huán)干燥方法,試樣經(jīng)過(guò) 25 min的干燥,回潮率僅為 0.6%。

而微波干燥則不同。微波干燥是物料在電磁場(chǎng)中由介質(zhì)損耗而引起的體加熱,在干燥過(guò)程中,濕物料內(nèi)部的含水率往往比表面高,致使物料內(nèi)部水分大量吸收微波能并轉(zhuǎn)化為熱能,因此物料內(nèi)部的溫度比表面高。同時(shí),由于物料內(nèi)部產(chǎn)生熱量而迅速產(chǎn)生水蒸氣,形成了壓力梯度。濕物料的溫度梯度和壓力梯度與水的擴(kuò)散方向是一致的,大大改善了干燥過(guò)程中水分的遷移條件,從而提高了水分的擴(kuò)散速率,加快了干燥速度。同時(shí),由于壓力梯度的存在,使微波干燥具有由內(nèi)向外的干燥特點(diǎn),即對(duì)物料整體而言,物料內(nèi)層首先干燥,因而克服了在熱風(fēng)循環(huán)干燥中因物料外層首先干燥形成皮芯結(jié)構(gòu),阻礙物料內(nèi)部水分繼續(xù)外移的缺點(diǎn),大大改善了干燥過(guò)程中水分的遷移條件,從而提高了水分的擴(kuò)散速率,加快了干燥速度。從表 1中可以看出,微波干燥 8 min就能使纖維的回潮率達(dá)到 0.38%。

2.2 干燥方法對(duì)纖維收縮率的影響

從表 1中可以看出,長(zhǎng) 1 m、未經(jīng)干燥的纖維經(jīng)過(guò) 25 min的熱風(fēng)循環(huán)干燥,長(zhǎng)度縮短到 0.9 m,收縮率為 10%,纖維的沸水收縮率也降到了2.3%,纖維的尺寸穩(wěn)定性有了一定程度的提高。

與熱風(fēng)循環(huán)干燥相比,微波干燥對(duì)纖維的收縮率影響更大。由表 1可見,微波干燥 7 min時(shí),纖維的收縮率基本穩(wěn)定在 20%左右,比熱風(fēng)循環(huán)干燥大一倍。收縮率的提高在微觀上表現(xiàn)為纖維中空洞、裂隙的消除和不均勻性的減少,纖維纖度的明顯提高。同時(shí),纖維的收縮率越高,纖維的伸長(zhǎng)和耐磨性就越好,沸水收縮率就越低。從表 1中可以看出,采用微波干燥方法,纖維的收縮率從15%提高到 20%時(shí),纖維的伸長(zhǎng)從 30%提高到37%,而沸水收縮率則下降到 0,大大提高了纖維的致密化程度和尺寸穩(wěn)定性。

2.3 干燥方法和鋪絲厚度對(duì)纖維干燥效果的影響

在實(shí)際操作過(guò)程中,鋪在鏈板上的纖維厚度及其均勻性對(duì)纖維的干燥效果有很大的影響。表2為不同干燥方法及鋪絲厚度對(duì)干燥效果的影響。

表 2 干燥方法和鋪絲厚度對(duì)干燥效果的影響

在熱風(fēng)循環(huán)干燥過(guò)程中,纖維鋪在鏈板上的厚度以及均勻性,對(duì)干燥質(zhì)量有很大的影響。一般腈綸絲束在鏈板上的堆積密度控制在 6 kg/m2,此時(shí)具有一定分壓的干熱空氣能穿透纖維,到達(dá)鏈板的下方,從而把纖維表面的水分帶走,達(dá)到干燥的目的。而當(dāng)纖維堆積厚度較厚時(shí),干熱空氣不能穿透纖維,那么緊貼鏈板部分的纖維不易干燥,導(dǎo)致纖維含水率不均勻。若鋪絲不均勻或鏈板上有空隙,干熱空氣則會(huì)從阻力小的空隙處穿過(guò),導(dǎo)致纖維表面的水分不能及時(shí)被帶走而產(chǎn)生嚴(yán)重的干、濕不勻現(xiàn)象。

微波干燥對(duì)纖維的鋪絲厚度要求更高。微波干燥過(guò)程中,物料將吸收的微波能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?因而微波的場(chǎng)強(qiáng)和功率不斷衰減。不同物料由于介電常數(shù)不同,對(duì)微波能的吸收能力也不同。研究表明:微波能夠完全穿透厚度為 0.01～0.03 m的物料,但不能完全穿透厚度為 0.04～0.07 m的物料。由表 2可見,當(dāng)堆積密度提當(dāng)至 8 kg/m2時(shí),也就是鋪絲厚度增加到 0.04 m時(shí),纖維出現(xiàn)干、濕不均勻現(xiàn)象。

在微波干燥實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,隨著絲束堆積密度的增加,開始出現(xiàn)纖維束干、濕不均勻現(xiàn)象,甚至發(fā)生熔融和燒焦。這是由于從纖維內(nèi)部的水分無(wú)法及時(shí)移走而在纖維內(nèi)部聚集,水分在微波的長(zhǎng)時(shí)間作用下,將微波能轉(zhuǎn)化為熱能,因纖維內(nèi)部能量積聚,出現(xiàn)了局部高溫和燒焦的現(xiàn)象。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,堆積密度為 6～8 kg/m2較合理。因此如何使堆積密度保持高度均勻,即如何處理絲束的結(jié)頭,對(duì)微波干燥的在腈綸生產(chǎn)中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

3 結(jié)論

(1)微波干燥改變了常規(guī)干燥過(guò)程中水分和溫度的遷移勢(shì)和遷移勢(shì)梯度方向,明顯縮短了干燥時(shí)間,產(chǎn)品含水率的能夠得到有效控制。

(2)微波干燥與熱風(fēng)循環(huán)干燥相比,纖維的干燥致密化效果更明顯。微波可促進(jìn)腈綸高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,使纖維中的空洞得到較好消除,從而使纖維的沸水收縮率和尺寸穩(wěn)定性得到較大提高。

(3)微波干燥對(duì)工藝的控制要求較高,特別是鋪絲厚度不能太大,一般應(yīng)控制在 0.03 m以下。鋪絲厚度太大,易發(fā)生纖維熔融或燒焦現(xiàn)象,這將嚴(yán)重影響纖維的質(zhì)量和安全生產(chǎn)。

(4)微波干燥克服了熱風(fēng)循環(huán)干燥時(shí)間長(zhǎng)、效率低的缺點(diǎn),干燥質(zhì)量好、效率高,是一項(xiàng)非常有發(fā)展?jié)摿Φ男滦透稍镄录夹g(shù),該技術(shù)在腈綸生產(chǎn)中的應(yīng)用值得深入研究和探討。

[1] Mcloughlin CM.Microwave drying phar maceuticalpowder[J].Food Bioprod Process,2000,78(2):90-96.

[2] Ldeion J.Modification of the scaling properties of water by microwave heating[J].J.Eur.Hydrol,1999,30(1):13-33.

[3] 馬國(guó)遠(yuǎn).熱泵微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)研究[J].化學(xué)工程,2000,28(2):27-30.

[4] 楊洲.微波干燥及其發(fā)展[J].糧油加工與食品機(jī)械,2000,267(3):5-8.

[5] 任進(jìn)和,于光.射頻烘干機(jī)在染紗生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].印染,2004,20(3):32-41.

[6] 馬玉晶.微波干燥法與普通干燥法對(duì)棉紗上染率影響的研究[J].紡織服裝科技,2008,29(1):8-11.

[7] 黃長(zhǎng)根.采用微波技術(shù)烘干玻纖原絲的微波化學(xué)作用和效果[J].玻璃纖維,2001(1):19-22.

[8] 王錦麟,陸錦昌.桑蠶絲低溫射頻干燥[J].絲綢,1997(5):32-33.

[9] 高健,陳惠芳.聚丙烯腈原絲及其干噴濕紡[J].合成纖維工業(yè).2002,25(4):35-38.

Comparison between M icrowave Drying and Heated A ir C irculation DryingM ethods for Acrylic Fibers

ChenWeiming
(Acrylic FiberD ivision,SINOPEC Shanghai Petrochem ical Co.,Ltd.200540)

The application situation of acrylic fiber drying process,principle and application of microwave drying technologywere introduced briefly.Comparative experiment was conducted on microwave drying method and heated air circulation drying method for acrylic fibers.Result showed that microwave drying method was superior to heated air circulation dryingmethod with its high drying speed,high demand on process control and good drying densification result.

microwave,heated air circulation,acrylic fiber,drying,densification

1674-1099 (2011)02-0034-03

TQ340.65

A

2011-03-24。

陳偉明,男,1973年 4月出生,2005年畢業(yè)于華東理工大學(xué)高分子材料專業(yè),工程師,現(xiàn)從事腈綸生產(chǎn)管理工作。