周 長 江

(江蘇省紡織工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 21008)

近年來，聚酯熔體直接紡絲作為新興的滌綸長絲生產(chǎn)技術(shù)，得到了化纖企業(yè)的廣泛應(yīng)用。與切片間接紡絲工藝相比，熔體直接紡絲工藝具有流程短、能耗低、投資少、維修方便、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。 聚酯熔體輸送是實(shí)現(xiàn)直接紡絲的重要環(huán)節(jié)，熔體輸送的質(zhì)量不僅關(guān)系到后序紡絲的正常生產(chǎn)，而且對(duì)纖維質(zhì)量有較大的影響。聚酯熔體具有高溫、高壓、高黏度、易降解等特性，通常在低于260℃時(shí)即發(fā)生凝固，因此其輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。作者以24頭/位熔體直紡滌綸長絲裝置為例，詳細(xì)介紹了直紡裝置中熔體輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。

1 熔體輸送系統(tǒng)簡述

24頭/位直紡滌綸長絲裝置包括8條紡絲生產(chǎn)線，即24頭/位，48位/線，共384位。來自聚酯車間的聚酯熔體進(jìn)入紡絲車間，首先通過第一個(gè)熔體三通閥(1)進(jìn)行分配，分成兩路，然后送往Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，每個(gè)紡絲區(qū)的工藝流程相同。以Ⅰ區(qū)的熔體輸送系統(tǒng)為例，從管道輸送過來的熔體經(jīng)熔體三通閥(3)進(jìn)行分配，分成兩路，分別送往Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)；進(jìn)入Ⅰ區(qū)的熔體經(jīng)增壓泵(5)增壓至20 MPa左右，然后經(jīng)過熔體冷卻器(6)將熔體溫度降至280～292 ℃，再經(jīng)熔體三通閥(7)，分別送往A區(qū)和B區(qū)，A區(qū)和B區(qū)流程相同，在紡絲車間呈對(duì)稱布置；送往A區(qū)的熔體分成兩路分別流向一分四分配器(8)和(9)，通過一分四分配器后的各支管，進(jìn)入紡絲箱體(10)。熔體輸送系統(tǒng)工藝流程見圖1。熔體在輸送過程中通過液相熱媒不斷降溫和保溫平衡，熔體輸送系統(tǒng)中各分支管之前均設(shè)有高效靜態(tài)混合器，保證熔體充分混合，使熔體溫度和黏度分布均勻。

圖1 聚酯熔體輸送系統(tǒng)工藝流程示意Fig.1 Flow diagram of polyester melt conveying system1,3,4,7—三通閥；2—熔體管道；5—增壓泵；6—熔體冷卻器；8,9—熔體分配器；10—紡絲箱體

2 熔體輸送系統(tǒng)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，所以對(duì)熔體輸送系統(tǒng)中熔體的流速(υ)、平均停留時(shí)間(tav)、壓力降(?P)、溫升(?T)等需合理設(shè)計(jì)，才能保證紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。

2.1 熔體管道布置

在紡絲裝置中，熔體管道的布置一般要求盡量對(duì)稱布置，使輸送到每條生產(chǎn)線的熔體?P，?T及tav相同，從而使進(jìn)入紡絲箱體的聚酯熔體質(zhì)量相同。如24頭/位滌綸長絲裝置中包括8條紡絲生產(chǎn)線，分為4個(gè)區(qū)，1個(gè)區(qū)分2條線，每個(gè)區(qū)又分為A,B區(qū)，在熔體管道布置的設(shè)計(jì)上，熔體管道對(duì)稱布置，管道長度(L)相等。

聚酯熔體輸送過程中，管道越長，熔體?P越大，熔體?T越高，熔體更容易降解，且熔體tav也極大的影響了聚酯熔體的質(zhì)量，所以在進(jìn)行熔體管道布置時(shí)，在滿足管道柔性的前提下，L應(yīng)盡量選擇較小。但是對(duì)于新設(shè)計(jì)的熔體輸送系統(tǒng)來說，配管長度由于設(shè)備布置確定，無法更改，設(shè)計(jì)時(shí)所能改變的只能是配管的管徑。以熔體輸送系統(tǒng)A區(qū)為例，聚酯熔體管道分為8段，總長度為172 m，為使熔體管道滿足紡絲生產(chǎn)的要求，考慮按不同管段設(shè)計(jì)管道的管徑。

2.2 熔體的υ及管徑

聚酯熔體輸送過程中，若熔體υ太大，管道中熔體?P變大、?T提高，則熔體容易降解；若υ太小，熔體?P降低，熔體?T降低，則tav增加，也會(huì)引起熔體降解，色相變差，使聚酯熔體質(zhì)量變差。熔體在管道內(nèi)流速按式(1)計(jì)算：

υ=353.7q/d2ρ

(1)

式中：q為熔體質(zhì)量流量；d為管道內(nèi)徑；ρ為熔體密度。

以熔體輸送系統(tǒng)A區(qū)為例，由式(1)可知，υ主要與q，d以及ρ有關(guān)，ρ為熔體的物性參數(shù)，查相關(guān)資料可得；q可由裝置的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力計(jì)算確定；而根據(jù)各參數(shù)的實(shí)際調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)，υ一般控制在0.1～0.2 m/s，所以根據(jù)式(1)可以計(jì)算出實(shí)際管道d，然后再根據(jù)熔體管道等級(jí)規(guī)格，選擇d接近實(shí)際計(jì)算值的管道，再將選擇的d代入式(1)，則可重新計(jì)算出所選管道中熔體的υ。不同管段管道管徑的計(jì)算結(jié)果見表1，并通過計(jì)算得到各個(gè)管段中熔體的υ為0.05～0.22 m/s，與控制值基本相符。

表1 不同管段的管道管徑及υTab.1 Pipe diameter and υ for different pipe sections

2.3 熔體的tav

聚酯熔體在管道中的tav越長，熔體?T越高，熔體就越容易降解，熔體質(zhì)量就越差，從而導(dǎo)致熔體的可紡性變差，最終影響纖維質(zhì)量。通常，熔體溫度為280 ℃時(shí)，允許tav為60 min；在285 ℃時(shí)允許的tav為30 min[2]。

熔體在管道中的tav可通過式(2)計(jì)算：

tav=4.71×10-5Ld2ρ/q

(2)

以熔體輸送系統(tǒng)A區(qū)為例，由于L，d，q，ρ均為已知條件，所以，采用式(2)即可直接計(jì)算出各個(gè)管段的tav，熔體在輸送系統(tǒng)A區(qū)的tav為22.17 min，溫度基本控制在280～292 ℃，聚酯熔體tav的設(shè)計(jì)符合紡絲生產(chǎn)要求。

2.4 熔體的?P及?T

聚酯熔體輸送管道中的?P是計(jì)算熔體輸送機(jī)械功率和配管機(jī)械強(qiáng)度的依據(jù)[3]。熔體的壓力由3 部分組成：一是熔體流經(jīng)輸送管道時(shí)由于克服流體內(nèi)部剪切應(yīng)力而產(chǎn)生的壓力降；二是熔體過濾阻力；三是為保持紡絲計(jì)量泵效率穩(wěn)定所需的計(jì)量泵入口壓力。

考慮到熔體在輸送過程中，由于υ比較低，彎頭、三通等管件所受的局部壓力降可以忽略不計(jì)，因此，熔體在管道中流動(dòng)的?P可采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

?P=1.131×104μLq/d4ρ

(3)

式中：μ為熔體動(dòng)力黏度。

以熔體輸送系統(tǒng)A區(qū)為例，由于μ為熔體的物性參數(shù)，查相關(guān)資料可得，L,d,ρ,q都為已知條件，因此可用式(3)計(jì)算出各個(gè)管段?P。通過計(jì)算可得，熔體在增壓泵前的 ?P為5.07 MPa，增壓泵后的?P為7.9 MPa，不能滿足計(jì)量泵前熔體壓力在6 MPa以上的指標(biāo)要求(增壓泵出口的壓力至少應(yīng)在15.9 MPa)，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，需要在熔體輸送配管中間增加一增壓泵，以降低熔體輸送配管的強(qiáng)度，提高計(jì)量泵前熔體的壓力。另外，考慮到熔體管道上有閥門、彎頭、三通、靜態(tài)混合器等管件和小型設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生局部壓力降，所以增壓泵出口實(shí)際壓力一般控制在20 MPa以上。

聚酯熔體在輸送過程中，?P會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致熔體溫度上升，一般?P為10 MPa時(shí)，?T為4.0～4.5 ℃，溫度升高會(huì)使高分子熔體降解程度增大，且熔體的允許tav也會(huì)受到限制，因?yàn)樵谝欢囟认掠幸欢ǖ膖av[4]。

?P轉(zhuǎn)化為發(fā)熱量(Q)和?P的換算公式見式(4)、式(5)：

Q=0.267?Pq/ρ

(4)

?T=961?P/ρCP

(5)

式中：CP為熔體的定壓比熱容。

除了?P引起?T變化外，熔體通過增壓泵和計(jì)量泵也會(huì)引起?T變化，?T的大小與泵轉(zhuǎn)速(R)有關(guān)。

以熔體輸送系統(tǒng)A區(qū)為例，?P，ρ，CP均為已知條件，采取式(5)即可計(jì)算出各個(gè)管段的?T。通過計(jì)算可得，熔體在輸送系統(tǒng)A區(qū)由于流體?P引起的?T為5.86 ℃，加上熔體通過增壓泵和計(jì)量泵引起的?T(各約4 ℃)，總?T為13.86 ℃，?T較大，易導(dǎo)致熔體降解，因此，需要在增壓泵后加裝熔體冷卻器將熔體的溫度基本控制在280～292 ℃，才能符合聚酯熔體控制溫度的要求。一般加裝熔體冷卻器后?T下降7 ℃，輸送系統(tǒng)A區(qū)增壓泵后加裝熔體冷卻器后，?T下降了6.86 ℃。

通過上述計(jì)算分析，熔體輸送系統(tǒng)的工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 聚酯熔體輸送系統(tǒng)的工藝參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Process parameters calculation results of polyester melt conveying system

3 結(jié)論

a. 24頭/位直紡滌綸長絲裝置的熔體輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，管道L、管徑以及熔體υ、tav，?P和?T等因素非常關(guān)鍵，確保各種因素在最佳值或合理的范圍，才能滿足紡絲生產(chǎn)要求。

b. 在熔體輸送配管中間增加一增壓泵，可使聚酯熔體進(jìn)入計(jì)量泵前的熔體壓力在6 MPa以上，以保證紡絲產(chǎn)品的質(zhì)量。

c. 聚酯熔體在輸送過程中，除了?P引起?T變化外，熔體通過增壓泵和計(jì)量泵也會(huì)引起?T變化，可在增壓泵后加裝熔體冷卻器將熔體的溫度控制在280～292 ℃。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張德姜, 王懷義, 劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京: 中國石化出版社，2009:43-48.

Zhang Dejiang, Wang Huaiyi, Liu Shaoye. Installation design manual of process pipeline for petrochemical unit[M].Beijing: China Petrochemical Press,2009:43-48.

[2] GB 50508—2010, 滌綸工廠設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

GB 50508-2010, Code for design of polyester fiber plant[S].

[3] 孫成桂,高宏保.淺談PET熔體輸送管道的工藝設(shè)計(jì)[J].聚酯工業(yè)，1996,9(4) :54-59.

Sun Chenggui, Gao Hongbao. Preliminary discussion of process design of PET melt conveying pipeline[J]. Polyest Ind,1996,9(4):54-59.

[4] 楊濤.15 kt/a直紡滌綸短纖維裝置熔體輸送能力的研究[J]. 合成纖維工業(yè), 2003, 26(4): 24-26.

Yang Tao. Study on melt transportation capacity of 15 kt/a direct spinning PET staple plant[J]. Chin Syn Fiber Ind,2003,26(4):24-26.