腈綸紡絲物料衡算及浴液系統(tǒng)改進探討

陳旭輝 周新露

(中國石化上海石油化工股份有限公司腈綸部，上海 200540)

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腈綸紡絲物料衡算及浴液系統(tǒng)改進探討

陳旭輝 周新露

(中國石化上海石油化工股份有限公司腈綸部，上海 200540)

通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)方法對一步法腈綸紡絲工段進行了物料衡算，推算出紡絲工段各部位的浴液和絲束中的組成，并根據(jù)衡算結(jié)果對工藝參數(shù)和浴液系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，提出了對浴液系統(tǒng)進行改進的措施，對優(yōu)化生產(chǎn)、提高工藝具有指導(dǎo)意義。

凝固浴 流量 濃度 組成

一步法腈綸紡絲屬于NaSCN濕法紡絲，漿液通過紡絲計量泵壓入噴絲頭，通過一定長度的噴絲孔道，漿液從噴絲孔擠出。在漿液擠出過程中，按照細(xì)流沿紡程所具有的運動學(xué)特點，可以劃分為四個區(qū)間：入口區(qū)(α區(qū))、孔流區(qū)(β區(qū))、脹大區(qū)(τ區(qū))、細(xì)化區(qū)(δ區(qū))。原液細(xì)流在引張力作用下被拉細(xì)，在凝固點處至第一導(dǎo)輥處，絲束經(jīng)歷等速行進區(qū)，此區(qū)域亦可成為等速區(qū)。漿液屬于高分子聚合物，相對分子質(zhì)量較大，具有黏彈性的特點，對作用力的影響有一定的滯后性，因此有一個松弛時間。

絲束在紡絲段由噴絲頭開始，經(jīng)歷“凝固浴-二浴-預(yù)欠伸-水洗-熱欠伸”等多道工序。漿液被擠出噴絲頭后在凝固浴槽中進行雙擴散，凝固浴濃度、溫度與流量顯著影響絲束成型狀態(tài)，后面四道工序?qū)z束狀態(tài)亦有一定影響。由于生產(chǎn)工段的連續(xù)性和測試條件的限制，不能掌握部分工序中絲束和凝固浴液的組成，通過物料衡算確定各種組成，對優(yōu)化紡絲工藝參數(shù)和進行浴液系統(tǒng)改進具有重要指導(dǎo)意義。

1 物料衡算

腈綸紡絲漿液自噴絲頭擠出后，以一段聚丙烯腈(PAN)固體質(zhì)量恒定作為考察對象。漿液是三組分，凝固浴是二組分，且漿液和凝固浴的溫度差別較大，溫差為30～40 K，漿液和凝固浴液進行雙擴散的過程是熱、質(zhì)同時傳遞的過程。濕絲在二浴、三浴中受四輥箱和三輥箱的擠壓，NaSCN的質(zhì)量和水的質(zhì)量均減少，但是水的質(zhì)量減少幅度大于NaSCN的質(zhì)量減少幅度。絲束在水洗中未受到牽伸且經(jīng)歷較長時間的噴淋，可使NaSCN的質(zhì)量進一步減少，而水的質(zhì)量增加，且總質(zhì)量增加。文章擬以某公司腈綸生產(chǎn)線生產(chǎn)的3旦纖維作為分析對象，確定各段絲束的組成以及各段浴液的組成。表1為已知的現(xiàn)場讀取、測定以及質(zhì)檢中心檢測的數(shù)據(jù)。

表1 已知數(shù)據(jù)

續(xù)表1

1.1 衡算方程的建立

凝固浴出口絲束因未受到欠伸擠壓表面附著較多浴液，以一小段絲束進行含量分析，假設(shè)凝固浴出口絲束中PAN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a1。凝固浴出口絲束富含較多水分，且絲束在二浴中受到四輥箱的擠壓，二浴中擠出浴液量0.693 m3/h，絲束在三浴中亦有水分被擠出，但是無法測量，假設(shè)擠出量為a2。建立衡算方程。

方程(1)：凝固浴出口絲束中含NaSCN量=二浴中擠出NaSCN量+三浴中擠出NaSCN量+水洗中洗出NaSCN量。

方程(1)左項可用含a1的式子表示，右側(cè)第一項通過計算求得，右側(cè)第二項可通過含a2的式子表示，右側(cè)第三項可計算求得。

方程(2)：凝固浴出口絲束質(zhì)量-預(yù)欠伸出口絲束質(zhì)量=二浴中擠出浴液質(zhì)量+三浴中擠出浴液質(zhì)量。

方程(2)左側(cè)第一項可用含a1的式子表示，左側(cè)第二項可通過計算求得，右側(cè)第一項可通過計算求得，右側(cè)第二項可用含a2的多項式表示。

聯(lián)立方程(1)和(2)解得：a1=0.219 4 m3/h，a2=0.180 2 m3/h。

1.2 各未知參數(shù)推導(dǎo)

(1)凝固浴表層和底層流量計算

設(shè)凝固浴回到T-516槽的流量為a3，凝固浴表層回到T-516槽流量為a4，底層回到T-516槽流量為a5。

方程(3)：凝固浴表層回到T-516槽浴液中NaSCN量+底層回到T-516槽浴液中NaSCN量=進入凝固浴槽浴液中的NaSCN量+供紡漿液中NaSCN量-凝固浴出口絲束中含有的NaSCN量。

方程(3)左側(cè)第一項為a4×b5×b6，左側(cè)第二項為a5×b7×b8。

方程(4)：a3=a4+a5。

聯(lián)立方程(3)和(4)解得：a4=138 m3/h，a5=43 m3/h。

(2)二浴出口絲束組成計算

假設(shè)二浴出口絲束PAN、NaSCN、水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為a6、a7、a8，二浴中擠出NaSCN量為d3。二浴中擠出浴液質(zhì)量為d10。

方程(5)：二浴中擠出NaSCN量=凝固浴出口絲束中NaSCN量-二浴出口絲束中NaSCN量。

方程(6)：二浴中擠出浴液質(zhì)量=二浴中擠出NaSCN量+凝固浴出口絲束中水量-二浴出口絲束中水量。

方程(7)：a6+a7+a8=1

聯(lián)立方程(5)、(6)、(7)求解得：

a6=26.00%，a7=16.47%，a8=57.53%。

(3)水洗出口流量計算

水洗出口的絲束中含水量遠(yuǎn)大于三浴出口絲束中的含水量，則水洗出口浴液的流量小于水洗水進口流量。

假設(shè)絲束在水洗過程中洗出的NaSCN對水洗出口流量的影響可以忽略不計。

水洗水損失量=水洗出口絲束中含水量-三浴出口絲束中含水量

水洗水損失量計算約為1.6 m3/h，已知水洗H-505處流量為11 m3/h，水洗T-525處流量為8 m3/h，則水洗水回到T-508G流量為17.4 m3/h。

(4)T-525槽至水洗水中NaSCN含量計算

水洗出口的絲束中的NaSCN在熱牽伸槽中析出，熱牽伸槽、T-525槽中的NaSCN含量維持不變，則析出的NaSCN將通過P-523泵至水洗水中。

析出NaSCN量：4 953.20 kg/h×0.27%=13.374 kg/h

T-525槽至水洗水流量：8 m3/h，則此水洗水濃度為13.374÷8 000=0.167 2%。

根據(jù)以上衡算結(jié)果，紡絲工段各部位的浴液和絲束中組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)列于表2和表3。

表2 絲束組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 浴液組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2 浴液系統(tǒng)的改進

根據(jù)物料衡算，對現(xiàn)有的生產(chǎn)流程進行辯證分析，提出了4條改進建議，改進圖見圖1，其中加粗線為新增管線和儲槽。

圖1 浴液系統(tǒng)改進前后對比

2.1 T-516槽改進

通過以上物料衡算，得知凝固浴底層回到T-516槽濃區(qū)的流量約為40 m3/h，NaSCN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.94%，而毛型纖維送化工車間淡料的流量為23.4 m3/h，NaSCN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.74%。因為T-516槽濃區(qū)和緩沖區(qū)相連，降低了送化工車間淡料的濃度。在T-516槽旁新建一個儲槽T-517，接受凝固浴底層的浴液，部分浴液送化工車間，部分送T-516槽。

2.2 凝固浴流量和進口管線改進

凝固浴的密度低控時，纖維成型將極大改善，毛型纖維的凝固浴密度為1.073～1.078 kg/L，凝固浴密度最低和密度最高時，NaSCN質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差竟可達1個百分點，當(dāng)凝固浴的密度較高時，纖維的雙擴散速度明顯下降，纖維粉末和疵點上升。在凝固浴浴槽底部接近出口處增加一根浴液排放管道，使底部濃NaSCN排出速度得到了加快，凝固浴浴槽底部增加管道為提高凝固浴總流量提供了空間。

2.3 優(yōu)化一浴溢流至二浴管線

將二浴冷熱供料浴液管路停用，二浴浴液改為直接從紡絲6#車凝固浴槽東側(cè)面淡區(qū)近出口處開一口子接一管道至二浴，管道上安裝一球閥用以調(diào)節(jié)流量。進二浴浴液不需要冷卻或加熱，減少冷卻凝固浴液時-5 ℃冷凍水和加熱預(yù)熱浴的蒸汽的消耗。二浴浴液進口流量比改進前明顯減少，濃度明顯提高。

2.4 改變T-516槽浴液補加方式

浴調(diào)T-516槽分為濃區(qū)、緩沖區(qū)、稀區(qū)，三個區(qū)之間用擋板不完全隔開，在目前工藝中，調(diào)節(jié)凝固浴濃度用稀釋水直接加入凝固浴循環(huán)槽T-516，這使得送回收部分稀溶劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)由13.94%降低至13.70%,由此增加了稀溶劑濃縮用蒸汽量。因此，將凝固浴淡料稀釋點由加入T-516槽內(nèi)改為補加至T-516槽出口至凝固浴P-517泵前。

3 結(jié)語

以凝固浴出口絲束中PAN含量、絲束在三浴槽中擠出水量為未知量進行紡絲工段物料衡算，然后以此為突破口，推導(dǎo)衡算出紡絲工段各部位的浴液和絲束中的組成。同時，根據(jù)衡算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)紡絲過程中存在的一些問題，進而提出對浴液系統(tǒng)等進行相應(yīng)的改進的措施，衡算結(jié)果對于優(yōu)化紡絲工藝具有指導(dǎo)意義。

[1]李青山，沈新元.腈綸生產(chǎn)工學(xué).北京：中國紡織出版社,2000.

[2]董紀(jì)震，羅鴻烈.合成纖維生產(chǎn)工藝學(xué)(上冊).2版.北京：紡織工業(yè)出版社,1994:93-110.

[3]錢枚，徐炳坤，虞基平.腈綸生產(chǎn)基本知識.北京：紡織工業(yè)出版社,1979:82-101.

[4]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2006:300-303.

大唐國際合成氣完全甲烷化技術(shù)實現(xiàn)催化劑及關(guān)鍵設(shè)備全部國產(chǎn)化

2016年7月26日，由大唐國際化工研究院和中國石化洛陽工程有限公司共同編制的《合成氣完全甲烷化成套工藝技術(shù)開發(fā)4×106m3/d SNG的合成氣甲烷化裝置技術(shù)工藝包》，通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會組織的專家評審。此舉意味著，合成氣完全甲烷化技術(shù)實現(xiàn)了催化劑及關(guān)鍵設(shè)備的全部國產(chǎn)化，打破了國外在該領(lǐng)域的長期壟斷。

評審專家組一致認(rèn)為，該工藝包的核心——合成氣高溫循環(huán)(HTREM)完全甲烷化工藝技術(shù)，工藝流程和控制方案合理，設(shè)備選型可靠，具有安全、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保等特點，可滿足大型甲烷化裝置建設(shè)需要，建議進一步加大推廣應(yīng)用力度。

大唐國際化工研究院院長李春啟表示：“該技術(shù)工藝包的編制，基于我院自主開發(fā)DTC-M1甲烷化催化劑和HTREM完全甲烷化工藝技術(shù)。目前，國內(nèi)煤制天然氣已建項目均采用英國戴維和丹麥托普索公司的甲烷化技術(shù)，尚無國產(chǎn)甲烷化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。而HTREM完全甲烷化工藝技術(shù)，則可實現(xiàn)甲烷化催化劑及反應(yīng)器、廢鍋、壓縮機等關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化?！?/p>

據(jù)悉，為驗證工藝及催化劑的工業(yè)適用性，大唐國際化工研究院歷時8年在山西潞安煤基合成油公司現(xiàn)場，按照工業(yè)化裝置標(biāo)準(zhǔn)建成3 000 m3/d SNG合成氣完全甲烷化裝置。裝置累計運行6 000 h，其中滿負(fù)荷連續(xù)穩(wěn)定運行4 000 h，產(chǎn)品氣甲烷體積分?jǐn)?shù)97.63%、氫氣體積分?jǐn)?shù)1.39%、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)0.66%、氮氣體積分?jǐn)?shù)0.32%。試驗結(jié)果表明，該預(yù)還原態(tài)甲烷化催化劑具有活性高、水熱穩(wěn)定性好、機械強度高、活性溫度區(qū)間寬等特點，可有效縮短開車時間，降低開車風(fēng)險。

據(jù)稱，與國內(nèi)同類技術(shù)相比，HTREM甲烷化技術(shù)采用四段全串并聯(lián)甲烷化工藝裝置及大唐國際化工研究院自主研發(fā)的DTC-M1甲烷化催化劑，開工時催化劑無需還原直接投用，可節(jié)省裝置投資500萬元以上，節(jié)省初次裝置開車時間20余天。HTREM甲烷化技術(shù)工藝操作靈活、循環(huán)氣溫度高、抗析碳能力強、裝置運行安全穩(wěn)定可靠，根據(jù)實際情況可生產(chǎn)甲烷體積分?jǐn)?shù)為90%～98%的合成天然氣。

(中國石化有機原料科技情報中心站供稿)

Discussion on Material Balance Calculation of Acrylic Spinning Process and Improvement of Liquid Bath System

Chen Xuhui,Zhou Xinlu

(AcrylicFiberDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.Shanghai200540)

Material balance calculation was made for one-step acrylic spinning section with the on-site measured data and mathematical method,the composition of liquid bath and filament tow of various parts in spinning process was figured out.The material balance calculation results had a guiding significance for the optimization of process parameters and improvement of the liquid bath system,and came up with four improvement measures to liquid bath system.

coagulating bath,flow,concentration,composition

2016-06-02。

陳旭輝， 1983年出生，碩士研究生，2008年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事工藝管理工作，已發(fā)表論文兩篇，兩篇專利。

1674-1099 (2016)05-0009-04

TQ34064

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