回料紡滌綸短纖紡絲箱體的設(shè)計(jì)

李 東 坡

(恒天重工股份有限公司，河南 鄭州 450066)

合成纖維是指以成纖高聚物為主要原料制成的纖維,主要品種有滌綸、錦綸、腈綸、丙綸等。在這些纖維生產(chǎn)過程中，由于成纖高聚物熔體具有高溫、高壓、高黏度、易凝固、易降解等特性[1]，怎么長距離輸送熔體和保溫是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是國內(nèi)工程設(shè)計(jì)中多年存在的一個(gè)難題，在設(shè)計(jì)時(shí)一方面要進(jìn)行流體力學(xué)和傳熱學(xué)、熱力學(xué)計(jì)算，選擇最佳的輸送條件，防止熔體的質(zhì)量劣化；另一方面要對(duì)管道進(jìn)行熱應(yīng)力分析，保證生產(chǎn)的安全運(yùn)行[2]。而紡絲箱體的主要作用是使每個(gè)部位的計(jì)量泵和紡絲頭都能保持均勻一致的工藝溫度，并且將從總管輸入的熔體均勻的分配到每個(gè)紡絲頭。因此熔體紡絲用紡絲箱體需要根據(jù)工藝條件在設(shè)計(jì)中保證更高的要求。作者以80 t/d回料紡滌綸短纖項(xiàng)目為例，介紹了熔融紡絲用紡絲箱體的設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。

1 工藝流程

一般滌綸短纖紡絲生產(chǎn)工藝分為熔體直紡工藝和間接紡工藝(如切片紡、瓶片紡、回料紡)，本研究以回料紡工藝為例，其工藝流程為：熔化造粒→干燥→螺桿擠壓機(jī)→熔體過濾器→熔體管道→計(jì)量泵→紡絲組件→冷卻成形→上油→牽引→喂入→盛絲。

從螺桿擠壓機(jī)擠出的聚合物熔體經(jīng)過熔體輸送管道、過濾機(jī)，再經(jīng)熔體輸送管道最后進(jìn)入紡絲箱體。紡絲箱體內(nèi)設(shè)置熔體分配管道、針型閥、計(jì)量泵、紡絲組件等，主要作用是使每個(gè)紡絲位的計(jì)量泵和紡絲頭都能保證均勻一致的溫度，并將從總管輸入的熔體均勻分配到每個(gè)紡絲頭。

回料紡滌綸短纖生產(chǎn)能力(Q)計(jì)算見式(1)：

(1)

式中：N為噴絲板孔數(shù)；t1為成品絲線密度；t2為紡絲位數(shù)；R為后加工牽伸倍數(shù)；V為紡絲速度；η1為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率；η2為成品率。

項(xiàng)目N為2 450，t1為1.56 dtex，t2為36，R為3.4，V為1 250 m/min，η1為0.98，η2為0.98，由式(1)可計(jì)算出項(xiàng)目生產(chǎn)能力為80 t/d，需要設(shè)定箱體位數(shù)為6個(gè)，噴絲板直徑280 mm。

2 紡絲箱體的設(shè)計(jì)

聚酯熔體的熔點(diǎn)溫度為260 ℃，加熱溫度為280 ℃，紡絲箱體溫度在287～292 ℃。加熱方式和熔體管道的設(shè)計(jì)是紡絲箱體設(shè)計(jì)的核心，是決定能否進(jìn)行正常紡絲的關(guān)鍵。

2.1 加熱方式

紡絲箱體的加熱方式有兩種，一種為無循環(huán)內(nèi)加熱形式，一種為有循環(huán)外加熱形式。

(1)無循環(huán)內(nèi)加熱形式

無循環(huán)內(nèi)加熱方式常采用在紡絲箱體內(nèi)充入一定量的導(dǎo)熱油(或其他媒介)，以電熱棒加熱導(dǎo)熱油。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要管路輸送，便于使用；缺點(diǎn)是紡絲箱體內(nèi)各處溫度差異較大(±2 ℃)，溫度不均勻。

(2)有循環(huán)外加熱形式

有循環(huán)外加熱形式常采用聯(lián)苯蒸汽加熱，將來自聯(lián)苯鍋爐的聯(lián)苯蒸汽通入紡絲箱體，形成循環(huán)加熱回路。此種加熱方式紡絲箱內(nèi)溫差小(±0.5 ℃)。該加熱形式又分為完全密閉式和低溫時(shí)開放-高溫時(shí)密封式。

完全密閉式加熱形式由鍋爐將液相聯(lián)苯加熱，使之氣化，通過管道進(jìn)入紡絲箱，由于氣體的特性，使得紡絲箱各處溫度均勻。由于熱傳導(dǎo)的作用，蒸汽冷卻后凝固成液體，自動(dòng)流回鍋爐，繼續(xù)加熱，而氣體凝結(jié)后體積不變小，這樣蒸汽便馬上進(jìn)行補(bǔ)充，周而復(fù)始，故可始終保持溫度均勻一致。但由于整個(gè)裝置完全密閉，空氣不可能抽成真空，而空氣比重凝固點(diǎn)比聯(lián)苯蒸汽小得多，故始終不會(huì)凝結(jié)成液體，低溫空氣存在，影響紡絲箱的溫度均勻性。

低溫時(shí)開放-高溫時(shí)密封式加熱形式與完全密封式基本相同，不同的是，此加熱方式更為優(yōu)良，可除去低沸點(diǎn)物質(zhì)，如圖1所示，A表示箱體溫度，B表示箱頂溫度，C表示熱媒管道出口溫度，當(dāng)A大于B大于C時(shí)，閥門打開，使箱頂冷凝氣體排出；當(dāng)A等于B等于C時(shí)，閥門關(guān)閉，保證紡絲箱溫度一致。本設(shè)計(jì)采用此加熱形式。

圖1 低溫時(shí)開放-高溫時(shí)密封式加熱形式示意Fig.1 Diagram of open heating at low temperatures-sealed heating at high temperatures mode

2.2 熔體管道的設(shè)計(jì)

聚酯熔體輸送工藝條件直接影響紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量，甚至決定能否進(jìn)行正常紡絲，因此需合理設(shè)計(jì)熔體輸送的流速(υ)、平均停留時(shí)間(tav)、壓力降(?P)等，才能保證紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量[3-6]。

2.2.1 熔體管道的布置

熔體管道的布置形式主要有二分式和放射式，本設(shè)計(jì)采用二分式，如圖2所示。采用對(duì)稱布置，主管道長度(L1)為0.654 mm，一分三各支路管道長度(L2)均為1.35 mm，三分六各支路管道長度(L3)均為0.39 mm；輸送到每個(gè)紡絲頭的熔體溫度、υ、tav、?P均一致，從而保證紡絲質(zhì)量。同時(shí)為了使熔體管道滿足紡絲生產(chǎn)要求，一分三各支路與三分六支路設(shè)計(jì)兩種不同管道規(guī)格的管徑。熔體管道支路應(yīng)盡量短，以防止溫度對(duì)熔體黏度產(chǎn)生影響，出現(xiàn)熔體質(zhì)量降解、劣化。

圖2 熔體管道的布置形式Fig.2 Layout of melt pipes

2.2.2 熔體在管道內(nèi)的υ及管徑

聚酯熔體輸送過程中，若熔體υ太高，熔體在管道中產(chǎn)生的?P提高，溫升也提高，容易降解，但tav變短；若熔體υ太低，熔體在管道中產(chǎn)生的?P降低，溫升也降低，但tav變長，也會(huì)引起熔體降解。熔體在箱體熔體管道中的υ按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：q為單個(gè)箱體的熔體質(zhì)量流量；d為熔體管道內(nèi)徑；ρ為熔體密度，1 200 kg/m3。

由式(2)可知，υ主要與q、d、ρ有關(guān)，其值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算出d，然后再根據(jù)熔體管道等級(jí)規(guī)格進(jìn)行圓整，再將圓整后的d代入式(2)進(jìn)行驗(yàn)證。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，熔體在管道內(nèi)的υ應(yīng)控制在0.03～0.75 min/s。

因箱體內(nèi)的熔體管道屬于高溫、高壓的工況，最高工作壓力20 MPa、工作溫度300 ℃，所以設(shè)計(jì)選擇的材料為06Cr19Ni10，其在20 ℃的許用應(yīng)力([δ]20)、300 ℃時(shí)的許用應(yīng)力([δ]300) 分別為137，114 MPa。熔體管道壁厚(S)通過式(3)、式(4)計(jì)算：

(3)

S=(D-d)/2

(4)

式中：p為單個(gè)箱體的總進(jìn)口的介質(zhì)工作壓力；D為熔體管道外徑；[δ]t為熔體管道在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。

計(jì)算得到的管道壁厚通過最高工作壓力、工作溫度進(jìn)行驗(yàn)證，給予15%裕量作為管道折彎減薄率補(bǔ)償、圓整，即得到管道設(shè)計(jì)壁厚。不同管段管徑計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同支路段的管徑及υTab.1 Pipe diameters and υ of different branch sections

2.2.3 熔體在管道內(nèi)的tav

聚酯熔體在管道內(nèi)的tav越長，熔體溫升就越高，熔體就越容易降解，紡絲質(zhì)量就越差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，熔體在紡絲箱體熔體管道內(nèi)的tav應(yīng)小于5 min。

熔體在箱體熔體管道內(nèi)的tav通過式(4)計(jì)算：

(4)

將L(L1、L2、L3)，d等參數(shù)代入式(4)，可直接計(jì)算出整個(gè)熔體管道的tav為0.4 min，說明設(shè)計(jì)符合紡絲生產(chǎn)要求。

2.2.4 熔體在管道內(nèi)的?P

聚酯熔體在管道內(nèi)的壓力主要由兩部分組成，一部分是熔體流經(jīng)每段支路時(shí)克服流體內(nèi)部剪切應(yīng)力產(chǎn)生的?P；另一部分是為了保證計(jì)量泵正常工作的輸入壓力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)量泵入口壓力至少需要5 MPa?？紤]到紡絲箱體內(nèi)的熔體管道較短，流速較低，對(duì)于彎頭、三通接頭以及箱體外部的靜態(tài)混合器所受的局部壓力降、溫升可以忽略不計(jì)，所以紡絲箱體內(nèi)熔體管道的?P可按式(5)計(jì)算[4]：

(5)

式中：μ為熔體動(dòng)力黏度。

根據(jù)《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]查得聚酯在285 ℃、特性黏數(shù)0.67 dL/g下對(duì)應(yīng)的μ為363.8 Pa·s，將μ與其他參數(shù)代入式(5)，可計(jì)算出總的?P為1.2 MPa，設(shè)計(jì)滿足紡絲生產(chǎn)要求(根據(jù)生產(chǎn)工藝需求，紡絲箱體熔體進(jìn)口正常工作壓力為8 MPa，減去管道內(nèi)的?P后的壓力為6.8 MPa,滿足計(jì)量泵入口壓力至少需要5 MPa的要求)。

3 結(jié)論

a.在熔融紡絲用紡絲箱體的設(shè)計(jì)過程中，箱體的加熱方式，熔體管道的管徑、?P等設(shè)計(jì)極為重要，它會(huì)影響產(chǎn)品的品質(zhì)。

b.紡絲箱體熔體管道的設(shè)計(jì)過程中，熔體輸送υ應(yīng)控制在0.03～0.75 min/s，熔體管道tav應(yīng)小于5 min，并以此計(jì)算出最佳熔體管道管徑；紡絲箱體熔體進(jìn)口正常工作壓力減去管道損失?P應(yīng)大于計(jì)量泵入口壓力。

c.熔體管道的設(shè)計(jì)過程中，支路應(yīng)盡量短，以防止溫度對(duì)熔體黏度產(chǎn)生影響，出現(xiàn)熔體質(zhì)量降解、劣化。