直紡工程熔體輸送工藝探討

卓懷智

（江蘇恒力化纖股份有限公司，江蘇蘇州 215228）

隨著滌綸大容量、直接紡裝置在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用及升級，熔體直紡早已不滿足于生產(chǎn)常規(guī)產(chǎn)品，而是需要滿足包括各種差別化產(chǎn)品在內(nèi)的全系列產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。

對于直紡而言，影響聚酯熔體質(zhì)量的因素主要是兩大方面，首先是聚合系統(tǒng)，其次就是熔體輸送系統(tǒng)，熔體輸送也可以說是直紡紡絲工藝的源頭。

熔體輸送管道、增壓泵（熔體輸送泵）、熔體換熱器、保溫用的熱媒循環(huán)系統(tǒng)等都是直紡熔體輸送工程的重要組成部分。

直紡熔體輸送距離一般都在百米以上。長距離輸送過程中，熔體長時間受熱易發(fā)生裂解，使分子質(zhì)量和黏度下降，生成凝膠，控制不好會影響熔體的可紡性及長絲的產(chǎn)品質(zhì)量。[1,2]

細(xì)旦及超細(xì)旦產(chǎn)品是恒力E廠20萬噸滌綸FDY長絲工程的主打產(chǎn)品。項(xiàng)目的熔體輸送管線長約150 m，開車后對熔體輸送工藝進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，為FDY的可紡性和產(chǎn)品質(zhì)量奠定了良好的基礎(chǔ)。本研究就滌綸直紡工程中的熔體輸送系統(tǒng)工藝控制進(jìn)行一些探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

恒力化纖E線聚酯熔體[特性黏度：(0.678±0.003)dl/g，熔點(diǎn)：260.2℃]，油劑（日本竹本HL-100 型號專用油劑,質(zhì)量分?jǐn)?shù)：90%）。

1.2 工藝流程

1.3 主要紡絲設(shè)備

熔體換熱器[瑞士蘇爾壽（Sulzer）]，增壓泵（瑞士 MAAG公司），20～24頭紡絲和卷繞設(shè)備（日本TMT公司），外環(huán)吹冷卻裝置。

2 結(jié)果與分析

2.1 熔體換熱器位置對比

E廠長絲工程共14條生產(chǎn)線，熔體輸送由4套獨(dú)立的“增壓泵—換熱器”小系統(tǒng)組成，每套溫度、壓力單獨(dú)控制。

雖然管線設(shè)計安裝后難于更改，但是通過生產(chǎn)狀況的對比，可以對長期生產(chǎn)品種的布置以及今后新項(xiàng)目熔體管線的設(shè)計提供參考。

E廠第1和第4套小系統(tǒng)各有4條生產(chǎn)線，管線設(shè)計尺寸和目標(biāo)生產(chǎn)品種基本相同，差別只是第1套換熱器在增壓泵之前，第4套換熱器在增壓泵之后。在這兩套系統(tǒng)上，調(diào)整紡絲計量泵前壓力均在6.5～8.0 MPa，分別選取55 dtex/24 f和43 dtex/72 f兩個代表性產(chǎn)品作為考察目標(biāo)，通過3個月時間的跟蹤，檢測無油絲黏度降均在0.023～0.024 dL/g，但生產(chǎn)狀況以及物性指標(biāo)中斷裂伸長的不勻率等均有一定的差異，生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

表1 換熱器位置對應(yīng)的生產(chǎn)狀況

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在本裝置生產(chǎn)條件下，換熱器安置在換熱器前面或者后面，對于像55dtex/24f這類的常規(guī)產(chǎn)品，影響比較微小，生產(chǎn)狀況和產(chǎn)品品質(zhì)近乎同一水平；而對于像43dtex/72f這類細(xì)旦及超細(xì)旦產(chǎn)品，生產(chǎn)狀況和產(chǎn)品品質(zhì)差別比較大，換熱器設(shè)置在增壓泵之前，可紡性以及產(chǎn)品質(zhì)量明顯較好。

對比兩套系統(tǒng)的工藝差異可知，第1套系統(tǒng)是將聚合送來的熔體先經(jīng)換熱器降溫后再增壓輸送，第4套系統(tǒng)是將聚合送來的熔體先增壓再經(jīng)換熱器降溫后輸送，相關(guān)溫度測控數(shù)據(jù)見表2。

表2 第1和第4套熔體輸送系統(tǒng)測控溫度

由表2可見，雖然最終兩套系統(tǒng)輸送的熔體宏觀黏度降一樣，但換熱器設(shè)置在增壓泵之后，一方面由于增壓升溫作用，使進(jìn)入換熱器之前的熔體溫度明顯較高；另一方面，由于本熔體輸送管線的熱媒伴熱系統(tǒng)不能分段調(diào)控，為了控制熔體的黏度降，伴熱熱媒的溫度又不能太高，只有285℃，造成第4套系統(tǒng)在換熱器之前的這段輸送管線上，伴熱熱媒的溫度比熔體的溫度還要低2℃。由于聚酯熔體的流動本身具有很強(qiáng)的粘滯性，伴熱熱媒溫度長時間明顯低于熔體溫度的狀態(tài)勢必降低管壁附近熔體的流動性，加劇熔體局部降解，降低熔體質(zhì)量的均勻性，使得直紡FDY長絲物性不勻率增加，細(xì)旦絲的滿卷率下降、毛絲率增加。而換熱器設(shè)置在增壓泵之前，則可以更好地實(shí)現(xiàn)熔體的低溫輸送，熔體質(zhì)量均勻性較好，更有利于細(xì)旦絲的生產(chǎn)。

2.2 熔體輸送溫度

在密閉的空間里，熔體的降解與熔體溫度和停留時間密切相關(guān)，熔體的溫度越高，停留時間越長，降解就越多。在輸送管管徑、長度固定的情況下，輸送過程熔體停留時間由產(chǎn)量負(fù)荷決定。產(chǎn)量隨著市場需求會有一定的變化，為了保證熔體質(zhì)量，熔體輸送溫度需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

熔體輸送過程中，熔體的溫升主要來源于增壓，其次是熔體與輸送管道的摩擦。本裝置中，熔體經(jīng)過增壓后溫度急劇上升約4℃。通過換熱器將熔體溫度降低并保持穩(wěn)定是直紡正常生產(chǎn)的關(guān)鍵條件之一。這里把換熱器后熔體溫度稱為熔體輸送溫度。

熔體熱交換器相當(dāng)于靜態(tài)混合器，通過獨(dú)立的液相熱媒循環(huán)系統(tǒng)與流經(jīng)腔室的熔體換熱對熔體進(jìn)行溫度控制。本裝置換熱器的結(jié)構(gòu)及工藝示意如圖1所示。

圖1 熔體換熱器結(jié)構(gòu)及工藝示意圖

在第1套系統(tǒng)上，熔體輸送負(fù)荷為99.5 t/d時，換熱器前熔體溫度約285℃。常規(guī)和細(xì)旦FDY系列各取一個代表性品種作為考察對象，分別是50 dtex/24 f和55 dtex/96 f，測算輸送過程熔體停留時間約26.5～27 min，生產(chǎn)狀況如表3、表4所示。

表3 熔體輸送溫度及FDY 50 dtex/24 f生產(chǎn)狀況

表4 熔體輸送溫度及FDY 55 dtex/96 f生產(chǎn)狀況

生產(chǎn)實(shí)踐表明，在紡絲負(fù)荷即熔體停留時間一定的情況下，在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，熔體輸送溫度對FDY生產(chǎn)狀況有直接影響，對DPF較大的常規(guī)產(chǎn)品影響不明顯，對細(xì)旦絲的影響非常明顯。

熔體輸送溫度直接影響熔體在管道中的流變性能和降解狀況，最終影響FDY的可紡性。若熔體輸送溫度過高，熔體在輸送過程中容易降解，無油絲黏度降增大，導(dǎo)致下游可紡性變差，斷頭和產(chǎn)品毛絲率增加；若熔體輸送溫度過低，熔體的流動性能差，熔體在管道中層流現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致熔體質(zhì)量不勻，同樣使FDY的可紡性變差，斷頭和產(chǎn)品毛絲率增加。

為了使熔體流量分配相對均勻，生產(chǎn)線上往往都是既有常規(guī)產(chǎn)品，又有細(xì)旦以及超細(xì)旦產(chǎn)品，熔體輸送溫度的選擇需要兼顧常規(guī)和細(xì)旦絲的生產(chǎn)。因此，在第1套系統(tǒng)上，熔體輸送負(fù)荷為99.5 t/d左右時，熔體輸送溫度設(shè)置在279℃～279.5℃較好。

在熔體輸送負(fù)荷有較大變動時，根據(jù)生產(chǎn)情況，熔體輸送溫度應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2.3 管道伴熱

恒力化纖伴熱介質(zhì)使用液相熱媒，每個增壓泵對應(yīng)的一套熔體輸送小系統(tǒng)配置一套獨(dú)立控制的伴熱系統(tǒng)。熔體輸送管道為夾套管，芯層走熔體，殼層熱媒循環(huán)給熔體進(jìn)行伴熱保溫，并且熱媒和熔體的流向相反，以保證最佳的傳質(zhì)傳熱效果，見圖2。

圖2 熔體輸送管道示意圖

在輸送管線中，聚酯熔體的粘滯性會使得熔體的流速呈拋物線狀分層現(xiàn)象，會造成管道熔體在徑向分布上存在物理性能差異。為減小這一差異，除了管道設(shè)計及制造時要達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求，伴熱熱媒溫度的控制也非常關(guān)鍵。

如果熱媒溫度過高，通過熱傳導(dǎo)必將導(dǎo)致輸送過程的熔體溫度升高，加劇熔體降解；熱媒溫度過低，管壁附近熔體的流動性能差，熔體在管道中層流現(xiàn)象嚴(yán)重。過高或者過低的熱媒溫度均會降低熔體質(zhì)量，使FDY可紡性變差，斷頭和產(chǎn)品毛絲率增加?？紤]到熱傳導(dǎo)及熱損耗效應(yīng)，理想的熱媒溫度設(shè)置應(yīng)比管道熔體的溫度高2℃～3℃為宜。

事實(shí)上，輸送過程中各段管線熔體的溫度存在差異，尤其在換熱器和增壓泵前后，熔體溫度差一般在5℃左右，甚至達(dá)到7℃～8℃。由于現(xiàn)有系統(tǒng)管道伴熱熱媒溫度無法做到分段控制，只能在兼顧熔體流動性的基礎(chǔ)上盡可能低一點(diǎn)。因此，本裝置中管道伴熱熱媒溫度設(shè)置在285℃～286℃。這可以說是一個系統(tǒng)上的缺陷，今后有機(jī)會應(yīng)予以改造，使之達(dá)到分段精確控制的目的，進(jìn)一步提高熔體質(zhì)量。

2.4 熔體輸送壓力

為了滿足紡絲熔體壓力要求，直紡熔體輸送過程使用增壓泵來調(diào)控熔體的壓力。實(shí)際生產(chǎn)過程中，紡絲計量泵入口熔體壓力低于4.5 MPa時，紡絲就容易出現(xiàn)纖度不勻現(xiàn)象。但是，過高的熔體輸送壓力會使熔體溫度升高，加劇熔體降解，同時會對計量泵相關(guān)部件造成損傷，導(dǎo)致計量泵漏漿、降低計量精度等問題。因此，熔體輸送壓力應(yīng)在保證紡絲纖度正常的前提下盡可能低一些，一般計量泵入口熔體壓力應(yīng)控制在5.0～8.5 MPa為宜。

本裝置一臺增壓泵后面配置2～4條生產(chǎn)線，每條生產(chǎn)線又對應(yīng)6個紡絲箱體，每個箱體對應(yīng)6個紡位，每個紡位配置20～24頭大容量紡絲機(jī)。如果同一臺增壓泵對應(yīng)的生產(chǎn)線之間，或者一條生產(chǎn)線上箱體之間或者相鄰紡位之間熔體流量差異太大，就會出現(xiàn)計量泵實(shí)際入口壓力差異過大的現(xiàn)象，同時生產(chǎn)過程的開停泵操作會加劇計量泵入口壓力的波動，造成FDY纖度偏小或者線密度CV%值超標(biāo)等異?，F(xiàn)象。為了保證每個紡位計量泵入口壓力的均勻性，生產(chǎn)品種布置時，應(yīng)該注意同一個增壓泵對應(yīng)的各生產(chǎn)線、箱體及紡位之間熔體流量分配應(yīng)相對均衡。

3 結(jié)語

（1）熔體輸送過程中，熔體換熱器設(shè)置在增壓泵之前可以更好地實(shí)現(xiàn)熔體的低溫輸送，熔體質(zhì)量均勻性較好，有利于紡絲。

（2）熔體輸送溫度對細(xì)旦絲生產(chǎn)影響尤其明顯，而對常規(guī)及細(xì)旦FDY生產(chǎn)的影響有所不同；最佳的熔體輸送溫度應(yīng)在兼顧常規(guī)和細(xì)旦絲生產(chǎn)狀況的基礎(chǔ)上做出選擇。

（3）熔體輸送管道保溫?zé)崦綔囟仍O(shè)置應(yīng)略高于管道熔體的溫度?，F(xiàn)有的伴熱熱媒系統(tǒng)溫度無法做到分段控制，在兼顧熔體流動性的基礎(chǔ)上設(shè)置在285℃～286℃較好。理想的狀態(tài)是對現(xiàn)有保溫?zé)崦较到y(tǒng)進(jìn)行改造，使之達(dá)到分段精確控制的目的。

（4）熔體輸送壓力設(shè)定應(yīng)滿足紡絲計量泵入口壓力要求。為了保證每個紡位計量泵入口壓力的均勻性，生產(chǎn)品種布置時要注意同一臺增壓泵對應(yīng)的各生產(chǎn)線、箱體及紡位之間熔體流量的均衡分配。