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。
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
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]。
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。
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
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。
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
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.