氨纶干法纺丝状态参数的计算.pdf

经验交流PDF下载2023,52(7)81氨纶干法纺丝状态参数的计算氨纶干法纺丝状态参数的计算摘要：根据纶的真实纤度和一些纺丝条件计算单个纺丝甬道的聚合物和溶剂流量，通过试验和对试验数据的分析获得热气流达到纺丝甬道上部时温度（T）的计算公式，假设热交换在绝热条件下进行，计算纺丝甬道内流体的平衡温度（T），从而计算出纺丝甬道内气流的平均速度。关键词：氨纶；干法纺丝；真实纤度；气流温度；气流速度中图分类号：TQ342.76文献标志码：B文章编号：10 0 1-7 0 54(2 0 2 3)0 7-7 7-0 3自19 56 年氨纶工业化生产以来，干法纺丝用的气源有氮气和空气，无论采用哪种气源，在工程设计、产品研发和日常运行过程中，工艺人员主要关注那些通过测量可显示的工艺参数，如压力、流量、温度，而对于纺丝甬道内的那些难以测量的状态参数，如纺丝甬道内上部气流温度、热交换后的混合气流的平均温度和速度(这些是纺丝甬道内真正存在着的状态参数)，因不易测量而易被遗忘。本文举例计算氨纶干法纺丝甬道内的几个关键状态参数，以期抛砖引玉。1单个纺丝甬道的溶液流量氨纶干法纺丝所用的溶液由聚氨酯和溶剂二甲基乙酰胺(DMAc)组成，进入一个纺丝甬道的溶液流量通常以纤度和纺丝速度为依据计算而得在生产过程中，为了使纤维在使用时能从丝饼上顺利退绕，要给纤维上油，含油率通常在4%左右。此外，由于DMAc不可能与聚氨酯完全分离，按照产品安全的要求，剩余质量分数要控制在1%以下，因此，为了获得氨纶的真实纤度，计算时要扣除油剂和溶剂这二种物质的含量。在实际生产过程中，部分氨纶厂使用真实纤度，标签上的44.4dtex就是真实纤度，而另一部分氨纶厂使用的纤度含油剂和DMAc。在计算纺丝流量时要根据该品种的平均油剂质量分数和平均DMAc质量分数进行换算，如：标签上的纤度为44.4dtex，含油率为4.5%，DMAc质量分数为0.55%，真实纤度=44.4(1-0.045-0.005 5)42.2 dtex。干法纺丝溶液里的聚氨酯质量分数(称为固含量)在聚合工序中会被严格控制，如固含量为34.5%，那么溶液里DMAc的质量分数就是65.5%。溶液进入甬道和高温气流进行热交换之前，经过了计量泵和水加热器后的温度通常是7 585，这里起始温度取7 5。假设氨纶真实纤度为44.4dtex，一个甬道生产48根丝，卷绕速度为7 8 5m/min，纤维在丝饼上被拉伸的百分比(PR)为12%，固含量为3 4.9%，根据上述情况可以计算出：聚氨酯流量为8.8 42 kg/h；DMAc流量为16.49 3 kg/h。进入纺丝甬道进行热交换的溶液参数见表1。表1进入纺丝甬道的溶液参数名称参数聚氨酯流量P/(kgh)8.842DMAc流量D/(kghl)16.493起始温度T/752热气流进入纺丝甬道顶部时的温度氨纶干法纺丝需要用高温气流将溶液里的DMAc蒸发，达到与聚氨酯分离的目的。目前氨纶干法纺丝有氮气纺和空气纺，由于聚氨酯在高温下会氧化降解，空气纺的气流温度设定必须低于聚氨酯氧化降解的温度；而氮气是惰性气体，氮气纺的气流温度可远高于空气纺的气流温度，这是氮气纺氨纶的某些物性(如强力和弹性回复力)优于空气纺的主要原因之一。经计量控制的氮气流量(F)进入加热器被加热，气流温度升到工艺设定值(T)，然后从纺丝甬道上部的气流分配器进入到甬道内部（喷丝板下方)，由于管路和甬道壁上部的热量损失，以及甬道顶部喷丝板(和上层部件)的吸热，高温气流还没有与溶液进行热交换，气流温度(T)已经明显低于T2，见图1。82合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第52 卷第7 期P、D、T,计量泵和组件(上装式）辅助T.、F加热带基本加热带OpoT.OpbV-D、F、FP(纤维)图1线性甬道在新生产线的调试(空运转)期间，在甬道中通入氮气流，不加入聚合物溶液的情况下，在四个变量(F、T 2、O p b、O p o)的可行范围内做试验，实测T2，然后分析所获得的试验数据，可以得到计算T的关系式。式(1)是某种氮气纺线性甬道T,的计算公式。T;=a+bxT2+cxOpb+dxOpo-exF+fxOpb-gOpo?+hxT,xF(1)表2 中的T值是根据生产44.4dtex时的工艺条件计算出的结果表2 氮气纺线性甬道T计算参数名称数值名称数值系数198.000氮气流量F/(kgh)254系数60.263氮气温度T/344系数0.073甬道壁基本加热输出Opb35系数d0.560雨道壁外层加热输出Opo45系数e0.749氮气温度T/323系数厂0.003.90系数0.00559系数h0.002.33参考上述T计算公式里的变量，可以通过试验和数据分析得到自已工厂里氨纶纺丝甬道的T计算公式，从而可以在电脑上预测特定纺丝条件下的T3。掌握统计分析软件Minitab里面的试验设计(DOE)和回归分析方面的内容，会大有帮助，不同的DOE会获得不同的T，计算公式。3纺丝甬道内溶液和高温氮气热交换后的平衡温度假设纺丝甬道内聚合物溶液和高温氮气之间的热交换在绝热条件下进行，达到平衡后的温度为T4，即氮气、聚氨酯和DMAc的温度都是T4。所谓热交换达到平衡，就是聚合物溶液的总吸收热量等于高温氮气的总放出热量而不考虑热量损失。依此先建立关系式(2)，然后求得T4，参数见表3。PxC,x(T4-T)+DxCa(T、-T)+D Cd g(T 4-T)+DxC,=NxC.x(T;-T)(2)将数据逐一代入，得到平衡温度T为2 0 9。表3 T.计算参数名称数值名称数值DMAc气化热C/聚氨酯流量P/(kgh-)8.842498.033(Jg)DMAc流量D/(kgh)16.493DMAc气化温度T/166.1起始温度T,/75氮气流量N/(kgh)115聚氨酯比热容C/1.884氮气温度T/323(JgK-)DMAc液态比热容Ca/氮气比热容CJ2.0091.088(Jg.K)(JgK)DMAc气态比热容Cal1.235(Jg.K)以上计算公式适合于氮气纺，在Excel里面做好计算模板，就可以根据不同的纺丝工艺条件计算得到T值。在设定新的工艺条件或做新产品开发时，可以用Excel模板进行模拟，这就是“键盘上的试验”。4纺丝甬道内气流速度在纺丝甬道内，DMAc升温后气化和氮气形成混合气流向下流动，气流速度从某种程度上会影响纤维粗细和力学性能的均匀性，因此有必要计算甬道内气流平均速度(V)。甬道内的压力接近常压，将混合气体假设为理想气体，根据理想气体状态方程并用前面计算得到的T4，可以得到式(3)，并计算出气流速度V，参数见表4。V=1 000(D/m2+F/ml)R(T4+273)/(PS3 60010)(3)根据上述数据，计算得到甬道内的风速是0.5 m/s。5空气甬道的相关计算假设一个空气甬道生产16 根丝，以44.4dtex为例进行相关计算，表5中的纤度是真实纤度，空832023,52(7)氨纶干法纺丝状态参数的计算表4纺丝甬道内气流速度参数名称数值名称数值76.2x甬道长x宽(LxW)/cm氮气分子质量m/（g?mo l-）2812.7甬道截面积S/m0.097DMAc分子质量m2/(gmol)87DMAc流量D/(kghl)16.493甬道内压力P/MPa0.981氮气流量F/(kgh)115气体常数R/(JmolK-)8.314甬道平衡温度T/209气流速度V(ms)0.5气流量是7 m/min(200)，常压下的空气密度可以从相关手册里查得为0.7 46 kg/m，计算得空气流量为3 13.3 2 kg/h。具体参数见表5。表5空气甬道基本参数名称数值纺丝速度S/(mminl)480聚氨酯流量P/(kgh)1.993DMAc流量D/(kgh)3.637温度T,/75空气流量F/kgh)313.32空气温度T/200由于空气温度只有2 0 0，按T;=T计算T4，计算公式和氮气纺丝甬道的计算相同，物性数据和工艺参数见表6。表6 T.计算参数名称数值名称数值聚氨酯流量P/(kghl)1.993DMAc气化热C/Jg)498.033DMAc流量D/(kgh)3.637DMAc气化温度T/166.1起始温度T/75空气流量F/(kgh)313.32聚合物比热容C1.884空气温度T/200(JgK)DMAc液态比热容Cal空气比热容C/2.0091.026(JgK-)(JgK)DMAc气态比热容Ca/1.235(J gK)由式(4)可计算出平衡温度T4T=(F.C,T,+PxC,T;-DxCaT,+DxCaTi+DxCagxT,-DxC)/(PxC,+F,xC,+DxCdg)(4)将44.4dtex的参数代入，计算得T=192.6。空气纺丝甬道内风速的计算和氮气纺丝甬道内的风速计算相同，只是将氮气分子质量换成空气平均分子质量。根据表7 里的参数和44.4dtex的数据，由式(5)计算出气流速度V。表7 空气甬道内气流速度的计算参数名称参数甬道长x宽（LxW)/cm60.9645.72甬道截面积S/m0.279空气分子质量m/(gmol)28.95DMAc分子质量m2/(gmol)87甬道内压力P/MPa0.981气体常数R/(JmolK-)8.314V=1 000 x(D/m2+F./ml)Rx(T4+273)/(PxS3 60010)(5)经计算，V=0.43 m/s。6结语对于氮气纺，在新生产线投入运行前，可以通过试验得到T,计算公式，这是关键的一步，有了T才能计算T4和V。在Excel文件里建立计算模板，就可以按需进行键盘模拟。对于空气纺，计算原理和氮气纺相同，仅是二者的物性数据不同。由于空气纺丝甬道的气流量大、温度低，按T,=T,计算T4。对于如何评估同一条聚合线下游的不同纺丝机之间(氨纶关键物性)的差异、同一台纺丝机上的不同纺丝位之间的差异，每个纺丝位同时生产出的许多根丝(丝饼)之间的差异，有待另述。Calculation of Statusandex Dry SpinningAbstract:The volume of polymer and solvent of a single spinning tunnel are calculated according to the realtiter of Spandex and some spinning conditions.Based on the experiments and data analysis,the formula of T,(the temperature of gas reaching dry spinning tunnel top)can be obtained.The balance temperature T in-side the spinning tunnel can be calculated under the assumption of adiabatic status.Then the average speedof gas flow can be calculated.Key words:Spandex,dry spinning,real titer,gas temperature,gas velocity