張所俊

摘 要：為了研究提升氨綸纖維品質(zhì)的均一性、降低生產(chǎn)運(yùn)行成本、制取差別化功能性纖維的適應(yīng)性，以及最大化降低氨綸纖維有害溶劑的殘存量，滿足日益提高的環(huán)保要求。我們通過對(duì)氨綸纖維紡絲甬道的理論研究及實(shí)驗(yàn)表明：優(yōu)化紡絲甬道孔板開孔率、改善吹風(fēng)均一性，可提升氨綸纖維品質(zhì)的均一性；通過研究氨綸纖維在紡絲甬道中的傳熱機(jī)理，為紡絲甬道有效長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)提供新思路及理論支持，優(yōu)化紡絲甬道有效長(zhǎng)度，可降低纖維內(nèi)有害溶劑殘存率；通過研究紡絲甬道伴熱形式對(duì)紡程溫度梯度變化趨勢(shì)的影響，優(yōu)化伴熱形式，使甬道外壁溫度與內(nèi)部空氣溫度梯度的一致性、確保傳熱機(jī)理發(fā)揮最大化、降低運(yùn)行成本、以及差異化、功能化纖維的制取。

關(guān)鍵詞：開孔率；均一性；傳熱機(jī)理；溫度梯度；殘存量；熱損

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0188-02

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外氨綸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈，競(jìng)爭(zhēng)不僅體現(xiàn)在常規(guī)產(chǎn)品上、運(yùn)行成本上、環(huán)保上，而是全方位的，從世界范圍講，未來差別化、功能性纖維的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)更加激烈，更重要的是差別化氨綸的大量進(jìn)口會(huì)影響國(guó)內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)和技術(shù)進(jìn)步。同時(shí)，環(huán)保要求的提高也對(duì)氨綸生產(chǎn)提出新的要求。目前，國(guó)內(nèi)90%以上氨綸纖維產(chǎn)能都采用干紡工藝，其核心裝備為方型紡絲甬道，紡絲甬道影響著氨綸纖維成形過程中纖維的斷裂伸長(zhǎng)等品質(zhì)指標(biāo)，也影響著纖維內(nèi)有害溶劑（二甲基乙酰胺）揮發(fā)回收的效率。溶劑揮發(fā)效率基本受紡絲甬道的影響，纖維內(nèi)有害溶劑殘存越高，纖維品質(zhì)會(huì)下降；溶劑揮發(fā)不均、后道條干也不均；在存儲(chǔ)下，溶劑的溶解特性，容易形成纖維間粘連一起，造成絲餅退繞不良；而發(fā)達(dá)國(guó)家已開始明令禁止使用附帶有害微量溶劑殘留物的干紡氨綸纖維[1]。因此，通過研究改善紡絲甬道吹風(fēng)均一性，來提高氨綸纖維品質(zhì)均一性；通過研究氨綸纖維在紡絲甬道中傳熱機(jī)理、研究紡絲甬道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)思路、通過研究紡絲甬道伴熱形式對(duì)紡程溫度梯度變化趨勢(shì)的影響，來最大化降低氨綸纖維內(nèi)有害溶劑殘存量、降低運(yùn)行成本、以及差異化、功能化纖維制取，成當(dāng)前首要解決問題。

1 紡絲甬道吹風(fēng)均一性的研究

目前，干紡工藝使用最多的屬方型側(cè)吹風(fēng)甬道，由側(cè)吹風(fēng)腔的上甬道、帶有伴熱的中甬道與下甬道組成。甬道內(nèi)吹出熱風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)溫需要均勻恒定，以保證原液細(xì)流在紡絲過程中的溫度分布、風(fēng)速分布和固化點(diǎn)的位置恒定，纖維經(jīng)恒定軸向拉力制得粗細(xì)均勻、品質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)均勻的纖維。通常紡絲過程為：氨綸原液從噴絲板頭毛細(xì)孔中壓出的原液細(xì)流進(jìn)入紡絲甬道中，由側(cè)吹風(fēng)腔的上甬道垂直于絲路按0.2～0.3m/s風(fēng)速均勻吹出高溫?zé)犸L(fēng)、并由上甬道回風(fēng)腔回收60%～70%風(fēng)量、其余40%～30%風(fēng)量延絲路同向經(jīng)中甬道由下甬道回風(fēng)口回收，通過甬道中熱空氣流作用，使原液細(xì)流中溶劑快速揮發(fā)，原液的粘度達(dá)到某一臨界值而實(shí)現(xiàn)凝固，揮發(fā)出來的溶劑蒸汽被熱空氣流帶走冷凝回收利用，原液在逐漸脫去溶劑同時(shí)發(fā)生固化，并在卷繞張力的作用下伸長(zhǎng)變細(xì)而形成氨綸纖維[2]。

但在生產(chǎn)實(shí)際過程中，上甬側(cè)吹風(fēng)通常出現(xiàn)孔板風(fēng)速不均、熱能不均，常表現(xiàn)為甬道同一截面兩端風(fēng)速大、中間風(fēng)速?。粌啥孙L(fēng)速小、中間風(fēng)速大；延甬道方向（紡程方向）頂部風(fēng)速小、底部風(fēng)速大等缺陷；其風(fēng)腔由風(fēng)腔室、孔板一、整流框、孔板二、濾網(wǎng)組成，前后兩塊孔板開孔率0.6%～1.0%過小、造成風(fēng)速30～40m/s過大撞擊孔板和濾網(wǎng)形成紊流，造成風(fēng)速不均。孔板吹風(fēng)把氣流經(jīng)過孔板的過程分解為突縮和突擴(kuò)兩個(gè)階段，孔板吹風(fēng)口通常為平板上按一定規(guī)則排布均勻開設(shè)大量圓孔，風(fēng)經(jīng)過孔板時(shí)每個(gè)圓孔都呈現(xiàn)小孔射流，多股小孔射流然后混合匯聚，均勻送出。為理論計(jì)算孔板的壓降，需提供每個(gè)圓孔的入流條件，分析各個(gè)圓孔的流動(dòng)特征，給計(jì)算帶來諸多繁瑣。企業(yè)常簡(jiǎn)化模型計(jì)算，將多個(gè)孔板圓孔等效為一個(gè)簡(jiǎn)單送風(fēng)孔，即多圓孔面積與孔板風(fēng)口的有效通過面積相等計(jì)算孔板壓損。但實(shí)際忽略了多孔射流的混合損失、多孔間相互干擾現(xiàn)象，為取得最佳吹風(fēng)均一性、參考CFD軟件模擬數(shù)據(jù)[3]。制作不同開孔率孔板試驗(yàn)、經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試提高孔板開孔率至8%～9%、有效降低風(fēng)速、降低孔板射壓損、降低多孔射流擾動(dòng)，使氣流在整個(gè)孔板分配面上風(fēng)速CV<3%，有效解決甬道風(fēng)速不均、消除了氨綸纖維內(nèi)溶劑揮發(fā)不均的現(xiàn)象。

2 紡絲甬道有效長(zhǎng)度的研究

紡絲甬道長(zhǎng)度一般為上中下甬道總長(zhǎng)，也稱為紡程，甬道的長(zhǎng)度對(duì)纖維內(nèi)有害溶劑殘存量有著決定性影響，通常要求紡絲甬道長(zhǎng)度能夠確保纖維溶劑最大化揮發(fā)、減少纖維在甬道中擾動(dòng)，研究紡絲甬道長(zhǎng)度就必須從研究氨綸纖維在紡絲甬道中的傳熱機(jī)理來研究甬道長(zhǎng)度。氨綸纖維溶劑在紡絲甬道中延紡程整個(gè)過程通過：閃蒸、纖維內(nèi)部溶劑的擴(kuò)散、纖維表面向周圍介質(zhì)的對(duì)流傳質(zhì)三種機(jī)理作研究分析[4]：

根據(jù)氨綸纖維在紡絲甬道中傳熱機(jī)理和紡絲甬道的長(zhǎng)度，將整個(gè)紡程劃分為三個(gè)區(qū)域，分別研究不同區(qū)域下，纖維內(nèi)溶劑揮發(fā)程度及氨綸纖維內(nèi)外溫度的變化情況。根據(jù)理論研究和試驗(yàn)繪制不同區(qū)域下纖維內(nèi)溶劑揮發(fā)程度及內(nèi)外溫度變化圖如圖1所示。

如上圖1第1階段區(qū)（氨綸纖維起始蒸發(fā)區(qū)）：在組件噴絲板出絲口處，纖維原液從噴絲板微孔中擠出，低溫原液細(xì)流遇到高溫側(cè)吹風(fēng)熱氣流，溶劑快速閃蒸，使有害溶劑迅速大量揮發(fā)，在機(jī)架羅拉的牽引下，離噴絲板出口0.1m處纖維速度逐漸與卷繞速度相近，原液細(xì)流的組成、線徑、速度、溫度和粘度發(fā)生急劇變化。在此階段內(nèi)，原液細(xì)流內(nèi)部溫度（圖1中線段2）比原液細(xì)流表面溫度（圖1中線段1）高，有害溶劑從原液細(xì)流內(nèi)部向表面作快速擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，原液細(xì)流表面有害溶劑濃度變高、內(nèi)部溶劑濃度成下降趨勢(shì)，原液細(xì)流總濃度快速下降（圖1中線段3），逐步進(jìn)入溶劑揮發(fā)的第2階段。第2階段（氨綸纖維恒速蒸發(fā)區(qū)）：經(jīng)過熱空氣的傳熱與氨綸纖維內(nèi)有害溶劑的蒸發(fā)達(dá)到平衡，當(dāng)纖維表面有害溶劑蒸發(fā)的速度高于溶劑從纖維內(nèi)部向表層擴(kuò)散的速度時(shí)，纖維表層溫度將上升，纖維內(nèi)溶劑擴(kuò)散速度呈下降趨勢(shì)，這時(shí)原液細(xì)流開始慢慢固化成型，進(jìn)入溶劑揮發(fā)的第3階段。第3階段（氨綸纖維降速蒸發(fā)區(qū)）：此階段氨綸纖維內(nèi)部有害溶劑向表層擴(kuò)散的速度變得更緩慢，隨著纖維表面蒸發(fā)強(qiáng)度的逐漸降低，纖維表面溫度上升（圖1中第3階段線段1）并近熱風(fēng)溫度，該階段內(nèi)氨綸纖維固化成絲條基本完成，纖維內(nèi)殘存的有害溶劑濃度將降至最低點(diǎn)（圖1中線段3）。

從上述三個(gè)階段纖維有害溶劑揮發(fā)的機(jī)理看：要最大化降低氨綸纖維內(nèi)溶劑殘存率，就必須確保纖維表層固化前，即氨綸纖維表層溫度開始提高前，確保有害溶劑在上述第1階段（氨綸纖維起始蒸發(fā)區(qū)）和第2階段（氨綸纖維快速蒸發(fā)區(qū)）內(nèi)溶劑充分得到揮發(fā)。因此，通過增長(zhǎng)紡絲甬道第1階段第2階段紡程長(zhǎng)度，可加快纖維表層固化前溶劑的揮發(fā)量，從而有效降低氨綸纖維內(nèi)有害溶劑殘存率。

3 紡絲甬道伴熱與內(nèi)部溫度梯度變化對(duì)纖維殘存溶劑的研究與分析

氨綸纖維固化成形階段，紡絲甬道內(nèi)熱空氣與原液細(xì)流通過傳質(zhì)和傳熱兩個(gè)過程，不發(fā)生化學(xué)變化。纖維原液從噴絲板出絲孔中擠出的細(xì)流原液進(jìn)入紡絲甬道中，通過紡絲甬道孔板均勻吹出的熱空氣流作用，使原液細(xì)流中有害溶劑快速揮發(fā)，當(dāng)原液細(xì)流粘度升至某一臨界值時(shí)實(shí)現(xiàn)凝固，揮發(fā)出來的溶劑蒸汽被熱空氣流帶走，原液逐漸脫去溶劑，固化形成氨綸纖維。當(dāng)紡絲甬道外壁伴管溫度高于甬道內(nèi)部熱空氣溫度時(shí)，伴管給甬道內(nèi)部空氣加熱，被加熱的熱空氣將使纖維提前固化，阻礙了纖維內(nèi)部溶劑向纖維表面的擴(kuò)散，最終導(dǎo)致纖維內(nèi)部有害溶劑無法最大化揮發(fā)；反之，當(dāng)紡絲甬道外壁伴管溫度低于甬道內(nèi)部熱空氣溫度時(shí)，甬道內(nèi)部溫度會(huì)降低，滯后固化，將降低纖維強(qiáng)度、彈性等物理指標(biāo)。

目前，紡絲甬道外壁延紡程方向采用單程伴管伴熱、伴熱基本采用蒸汽或高溫導(dǎo)熱油，其存在：?jiǎn)纬贪楣馨闊釡囟入y同紡絲甬道內(nèi)空氣溫度一致，存在伴管給甬道內(nèi)部空氣加熱或內(nèi)部空氣反向給外部伴管加熱現(xiàn)象，從而影響?zhàn)纼?nèi)空氣溫度梯度與纖維溶劑揮發(fā)溫度梯度的一致性；圓形伴管與方型紡絲甬道外壁為線接觸、接觸面小、傳熱效率低；紡絲甬道伴管外界供熱系統(tǒng)熱損失大、運(yùn)行成本高；伴管焊點(diǎn)多易漏、形成安全隱患；多組甬道一套供熱系統(tǒng)易造成每組伴管內(nèi)蒸汽或?qū)嵊头植疾痪?、同一截面易形成溫度差、不利于溫度精確控制、以及各段溫度難調(diào)整等缺陷。

綜上現(xiàn)有伴熱缺陷，優(yōu)化設(shè)計(jì)采用電伴熱分段伴熱，可根據(jù)氨綸纖維溶劑揮發(fā)最大化及最優(yōu)物理指標(biāo)分段設(shè)定伴熱溫度，可確保紡絲甬道外壁電伴熱伴熱溫度梯度與甬道內(nèi)溫度梯度一致性。

我們通過實(shí)際試驗(yàn)，實(shí)測(cè)對(duì)比不同伴熱方式下延紡程紡絲甬道壁溫度與紡絲甬道內(nèi)部空氣溫度梯度的變化對(duì)比[5]。從對(duì)比圖表（如圖2所示）可看出電伴熱方式與甬道內(nèi)部空氣溫度梯度一致性優(yōu)于現(xiàn)有蒸汽或?qū)嵊凸馨闊岱绞?，而且現(xiàn)有伴熱方式的確存在伴管與甬道內(nèi)空氣加熱與反加熱現(xiàn)象。因此，通過采用電伴熱伴熱，可確保伴管溫度梯度與甬道內(nèi)部空氣溫度梯度一致，可有效降低纖維內(nèi)有害溶劑殘存量。

同時(shí)，采用電伴熱可獨(dú)立控制紡絲甬道每段紡程，根據(jù)不同產(chǎn)品規(guī)格、可設(shè)置不同控制生產(chǎn)工況條件、確保工況與產(chǎn)品匹配；當(dāng)然，在運(yùn)行成本上，電伴熱遠(yuǎn)低于蒸汽或?qū)嵊桶闊?，主要體現(xiàn)在電伴熱可完全省去紡絲甬道伴熱外界供熱系統(tǒng)的熱損失；以年產(chǎn)6萬噸氨綸纖維為例計(jì)算不同紡絲甬道伴熱形式的經(jīng)濟(jì)效益：紡絲甬道導(dǎo)熱油或蒸汽伴熱伴管外供熱系統(tǒng)單位長(zhǎng)度散熱損失計(jì)算：

Q=2*3.14*（T-T1）/（1/λ*ln（D0/DI）+2/a*D0）

得：甬道伴熱外部總管熱損失（kw）：圖3所示。

從上述伴管外系統(tǒng)管路熱損失數(shù)據(jù)看：伴管外系統(tǒng)熱損失大。根據(jù)2.1元/萬kcal導(dǎo)熱油生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行成本計(jì)算，伴管外供熱系統(tǒng)年熱損失279萬元，也相當(dāng)于年消耗標(biāo)煤1640t、而采用電伴熱伴熱將消除現(xiàn)有伴管外系統(tǒng)熱損失，即相應(yīng)年可節(jié)省標(biāo)煤1640t。因此，紡絲甬道外壁通過采用電伴熱分段伴熱控制，可確保伴管溫度梯度與甬道內(nèi)部空氣溫度梯度一致，可減少對(duì)甬道內(nèi)空氣溫度的影響，最大化確保溶劑的揮發(fā)量；采用電伴熱伴熱也省去大量外圍供熱系統(tǒng)、降低運(yùn)行成本；同時(shí)，也適應(yīng)不同品種下不同工況的需要，為差異化、功能化纖維制取創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)語

我們通過對(duì)紡絲甬道的理論研究及實(shí)驗(yàn)表明：優(yōu)化紡絲甬道孔板開孔率、改善吹風(fēng)均一性，可提升氨綸纖維品質(zhì)的均一性；通過研究氨綸纖維在紡絲甬道中的傳熱機(jī)理，為紡絲甬道有效長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)提供新思路及理論支持，優(yōu)化紡絲甬道有效長(zhǎng)度，可降低纖維內(nèi)有害溶劑殘存率；通過實(shí)測(cè)對(duì)比不同伴熱形式甬道外壁溫度與內(nèi)部空氣溫度梯度的變化、以及不同的運(yùn)行成本分析，得出采用電伴熱方式可使甬道外壁溫度與內(nèi)部空氣溫度梯度的一致性、確保傳熱機(jī)理發(fā)揮最大化、也為差異化功能化纖維制取創(chuàng)造條件，同時(shí)，減少外界熱損失、降低運(yùn)行成本、實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí)、提高了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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