腈纶纺丝物料衡算及浴液系统改进探讨

陈旭辉 周新露

(中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶部，上海 200540)



腈纶纺丝物料衡算及浴液系统改进探讨

陈旭辉 周新露

(中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶部，上海 200540)

通过现场实测数据和数学方法对一步法腈纶纺丝工段进行了物料衡算，推算出纺丝工段各部位的浴液和丝束中的组成，并根据衡算结果对工艺参数和浴液系统进行优化和改进，提出了对浴液系统进行改进的措施，对优化生产、提高工艺具有指导意义。

凝固浴 流量 浓度 组成

一步法腈纶纺丝属于NaSCN湿法纺丝，浆液通过纺丝计量泵压入喷丝头，通过一定长度的喷丝孔道，浆液从喷丝孔挤出。在浆液挤出过程中，按照细流沿纺程所具有的运动学特点，可以划分为四个区间：入口区(α区)、孔流区(β区)、胀大区(τ区)、细化区(δ区)。原液细流在引张力作用下被拉细，在凝固点处至第一导辊处，丝束经历等速行进区，此区域亦可成为等速区。浆液属于高分子聚合物，相对分子质量较大，具有黏弹性的特点，对作用力的影响有一定的滞后性，因此有一个松弛时间。

丝束在纺丝段由喷丝头开始，经历“凝固浴-二浴-预欠伸-水洗-热欠伸”等多道工序。浆液被挤出喷丝头后在凝固浴槽中进行双扩散，凝固浴浓度、温度与流量显著影响丝束成型状态，后面四道工序对丝束状态亦有一定影响。由于生产工段的连续性和测试条件的限制，不能掌握部分工序中丝束和凝固浴液的组成，通过物料衡算确定各种组成，对优化纺丝工艺参数和进行浴液系统改进具有重要指导意义。

1 物料衡算

腈纶纺丝浆液自喷丝头挤出后，以一段聚丙烯腈(PAN)固体质量恒定作为考察对象。浆液是三组分，凝固浴是二组分，且浆液和凝固浴的温度差别较大，温差为30～40 K，浆液和凝固浴液进行双扩散的过程是热、质同时传递的过程。湿丝在二浴、三浴中受四辊箱和三辊箱的挤压，NaSCN的质量和水的质量均减少，但是水的质量减少幅度大于NaSCN的质量减少幅度。丝束在水洗中未受到牵伸且经历较长时间的喷淋，可使NaSCN的质量进一步减少，而水的质量增加，且总质量增加。文章拟以某公司腈纶生产线生产的3旦纤维作为分析对象，确定各段丝束的组成以及各段浴液的组成。表1为已知的现场读取、测定以及质检中心检测的数据。

表1 已知数据

续表1

1.1 衡算方程的建立

凝固浴出口丝束因未受到欠伸挤压表面附着较多浴液，以一小段丝束进行含量分析，假设凝固浴出口丝束中PAN质量分数为a1。凝固浴出口丝束富含较多水分，且丝束在二浴中受到四辊箱的挤压，二浴中挤出浴液量0.693 m3/h，丝束在三浴中亦有水分被挤出，但是无法测量，假设挤出量为a2。建立衡算方程。

方程(1)：凝固浴出口丝束中含NaSCN量=二浴中挤出NaSCN量+三浴中挤出NaSCN量+水洗中洗出NaSCN量。

方程(1)左项可用含a1的式子表示，右侧第一项通过计算求得，右侧第二项可通过含a2的式子表示，右侧第三项可计算求得。

方程(2)：凝固浴出口丝束质量-预欠伸出口丝束质量=二浴中挤出浴液质量+三浴中挤出浴液质量。

方程(2)左侧第一项可用含a1的式子表示，左侧第二项可通过计算求得，右侧第一项可通过计算求得，右侧第二项可用含a2的多项式表示。

联立方程(1)和(2)解得：a1=0.219 4 m3/h，a2=0.180 2 m3/h。

1.2 各未知参数推导

(1)凝固浴表层和底层流量计算

设凝固浴回到T-516槽的流量为a3，凝固浴表层回到T-516槽流量为a4，底层回到T-516槽流量为a5。

方程(3)：凝固浴表层回到T-516槽浴液中NaSCN量+底层回到T-516槽浴液中NaSCN量=进入凝固浴槽浴液中的NaSCN量+供纺浆液中NaSCN量-凝固浴出口丝束中含有的NaSCN量。

方程(3)左侧第一项为a4×b5×b6，左侧第二项为a5×b7×b8。

方程(4)：a3=a4+a5。

联立方程(3)和(4)解得：a4=138 m3/h，a5=43 m3/h。

(2)二浴出口丝束组成计算

假设二浴出口丝束PAN、NaSCN、水的质量分数分别为a6、a7、a8，二浴中挤出NaSCN量为d3。二浴中挤出浴液质量为d10。

方程(5)：二浴中挤出NaSCN量=凝固浴出口丝束中NaSCN量-二浴出口丝束中NaSCN量。

方程(6)：二浴中挤出浴液质量=二浴中挤出NaSCN量+凝固浴出口丝束中水量-二浴出口丝束中水量。

方程(7)：a6+a7+a8=1

联立方程(5)、(6)、(7)求解得：

a6=26.00%，a7=16.47%，a8=57.53%。

(3)水洗出口流量计算

水洗出口的丝束中含水量远大于三浴出口丝束中的含水量，则水洗出口浴液的流量小于水洗水进口流量。

假设丝束在水洗过程中洗出的NaSCN对水洗出口流量的影响可以忽略不计。

水洗水损失量=水洗出口丝束中含水量-三浴出口丝束中含水量

水洗水损失量计算约为1.6 m3/h，已知水洗H-505处流量为11 m3/h，水洗T-525处流量为8 m3/h，则水洗水回到T-508G流量为17.4 m3/h。

(4)T-525槽至水洗水中NaSCN含量计算

水洗出口的丝束中的NaSCN在热牵伸槽中析出，热牵伸槽、T-525槽中的NaSCN含量维持不变，则析出的NaSCN将通过P-523泵至水洗水中。

析出NaSCN量：4 953.20 kg/h×0.27%=13.374 kg/h

T-525槽至水洗水流量：8 m3/h，则此水洗水浓度为13.374÷8 000=0.167 2%。

根据以上衡算结果，纺丝工段各部位的浴液和丝束中组分的质量分数列于表2和表3。

表2 丝束组分的质量分数

表3 浴液组分的质量分数

2 浴液系统的改进

根据物料衡算，对现有的生产流程进行辩证分析，提出了4条改进建议，改进图见图1，其中加粗线为新增管线和储槽。

图1 浴液系统改进前后对比

2.1 T-516槽改进

通过以上物料衡算，得知凝固浴底层回到T-516槽浓区的流量约为40 m3/h，NaSCN质量分数为13.94%，而毛型纤维送化工车间淡料的流量为23.4 m3/h，NaSCN质量分数为13.74%。因为T-516槽浓区和缓冲区相连，降低了送化工车间淡料的浓度。在T-516槽旁新建一个储槽T-517，接受凝固浴底层的浴液，部分浴液送化工车间，部分送T-516槽。

2.2 凝固浴流量和进口管线改进

凝固浴的密度低控时，纤维成型将极大改善，毛型纤维的凝固浴密度为1.073～1.078 kg/L，凝固浴密度最低和密度最高时，NaSCN质量分数相差竟可达1个百分点，当凝固浴的密度较高时，纤维的双扩散速度明显下降，纤维粉末和疵点上升。在凝固浴浴槽底部接近出口处增加一根浴液排放管道，使底部浓NaSCN排出速度得到了加快，凝固浴浴槽底部增加管道为提高凝固浴总流量提供了空间。

2.3 优化一浴溢流至二浴管线

将二浴冷热供料浴液管路停用，二浴浴液改为直接从纺丝6#车凝固浴槽东侧面淡区近出口处开一口子接一管道至二浴，管道上安装一球阀用以调节流量。进二浴浴液不需要冷却或加热，减少冷却凝固浴液时-5 ℃冷冻水和加热预热浴的蒸汽的消耗。二浴浴液进口流量比改进前明显减少，浓度明显提高。

2.4 改变T-516槽浴液补加方式

浴调T-516槽分为浓区、缓冲区、稀区，三个区之间用挡板不完全隔开，在目前工艺中，调节凝固浴浓度用稀释水直接加入凝固浴循环槽T-516，这使得送回收部分稀溶剂质量分数由13.94%降低至13.70%,由此增加了稀溶剂浓缩用蒸汽量。因此，将凝固浴淡料稀释点由加入T-516槽内改为补加至T-516槽出口至凝固浴P-517泵前。

3 结语

以凝固浴出口丝束中PAN含量、丝束在三浴槽中挤出水量为未知量进行纺丝工段物料衡算，然后以此为突破口，推导衡算出纺丝工段各部位的浴液和丝束中的组成。同时，根据衡算结果可以发现纺丝过程中存在的一些问题，进而提出对浴液系统等进行相应的改进的措施，衡算结果对于优化纺丝工艺具有指导意义。

[1]李青山，沈新元.腈纶生产工学.北京：中国纺织出版社,2000.

[2]董纪震，罗鸿烈.合成纤维生产工艺学(上册).2版.北京：纺织工业出版社,1994:93-110.

[3]钱枚，徐炳坤，虞基平.腈纶生产基本知识.北京：纺织工业出版社,1979:82-101.

[4]陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理.北京：化学工业出版社,2006:300-303.

大唐国际合成气完全甲烷化技术实现催化剂及关键设备全部国产化

2016年7月26日，由大唐国际化工研究院和中国石化洛阳工程有限公司共同编制的《合成气完全甲烷化成套工艺技术开发4×106m3/d SNG的合成气甲烷化装置技术工艺包》，通过中国石油和化学工业联合会组织的专家评审。此举意味着，合成气完全甲烷化技术实现了催化剂及关键设备的全部国产化，打破了国外在该领域的长期垄断。

评审专家组一致认为，该工艺包的核心——合成气高温循环(HTREM)完全甲烷化工艺技术，工艺流程和控制方案合理，设备选型可靠，具有安全、节能、节水、环保等特点，可满足大型甲烷化装置建设需要，建议进一步加大推广应用力度。

大唐国际化工研究院院长李春启表示：“该技术工艺包的编制，基于我院自主开发DTC-M1甲烷化催化剂和HTREM完全甲烷化工艺技术。目前，国内煤制天然气已建项目均采用英国戴维和丹麦托普索公司的甲烷化技术，尚无国产甲烷化技术的工业化应用。而HTREM完全甲烷化工艺技术，则可实现甲烷化催化剂及反应器、废锅、压缩机等关键设备的国产化。”

据悉，为验证工艺及催化剂的工业适用性，大唐国际化工研究院历时8年在山西潞安煤基合成油公司现场，按照工业化装置标准建成3 000 m3/d SNG合成气完全甲烷化装置。装置累计运行6 000 h，其中满负荷连续稳定运行4 000 h，产品气甲烷体积分数97.63%、氢气体积分数1.39%、二氧化碳体积分数0.66%、氮气体积分数0.32%。试验结果表明，该预还原态甲烷化催化剂具有活性高、水热稳定性好、机械强度高、活性温度区间宽等特点，可有效缩短开车时间，降低开车风险。

据称，与国内同类技术相比，HTREM甲烷化技术采用四段全串并联甲烷化工艺装置及大唐国际化工研究院自主研发的DTC-M1甲烷化催化剂，开工时催化剂无需还原直接投用，可节省装置投资500万元以上，节省初次装置开车时间20余天。HTREM甲烷化技术工艺操作灵活、循环气温度高、抗析碳能力强、装置运行安全稳定可靠，根据实际情况可生产甲烷体积分数为90%～98%的合成天然气。

(中国石化有机原料科技情报中心站供稿)

Discussion on Material Balance Calculation of Acrylic Spinning Process and Improvement of Liquid Bath System

Chen Xuhui,Zhou Xinlu

(AcrylicFiberDivision,SINOPECShanghaiPetrochemicalCo.,Ltd.Shanghai200540)

Material balance calculation was made for one-step acrylic spinning section with the on-site measured data and mathematical method,the composition of liquid bath and filament tow of various parts in spinning process was figured out.The material balance calculation results had a guiding significance for the optimization of process parameters and improvement of the liquid bath system,and came up with four improvement measures to liquid bath system.

coagulating bath,flow,concentration,composition

2016-06-02。

陈旭辉， 1983年出生，硕士研究生，2008年毕业于华东理工大学化学工程专业，工程师，现从事工艺管理工作，已发表论文两篇，两篇专利。

1674-1099 (2016)05-0009-04

TQ34064

A