專(zhuān)利名稱(chēng)：Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)纖維制造領(lǐng)域，尤其涉及一種Lyocell纖維溶劑循環(huán)回收的方 法。
背景技術(shù)：
1905年以植物纖維中提取的纖維素為原料生產(chǎn)化學(xué)纖維工業(yè)化首次問(wèn)世以來(lái)，都 是以無(wú)機(jī)鹽水溶液作為溶劑，有硝酸法、銅氨法、CS2法。其中用CS2法再生纖維素纖維稱(chēng)之 為粘膠纖維，從上世紀(jì)1904年工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，已有105年歷史。2008年全球粘膠纖維總 產(chǎn)量約310萬(wàn)噸，中國(guó)粘膠纖維產(chǎn)量為131. 88萬(wàn)噸但由于制造過(guò)程中使用CS2而造成對(duì)環(huán)境廢氣、廢水嚴(yán)重污染環(huán)境，對(duì)人體神經(jīng)、 大腦、內(nèi)臟、皮膚等都有危害，因此，這種纖維的生產(chǎn)在上一世紀(jì)中期就受到了嚴(yán)格的環(huán)保 政策制約，促使世界各國(guó)致力于研究、開(kāi)發(fā)新溶劑來(lái)再生纖維以減少環(huán)境污染。NMMO (N-甲基嗎琳氧化物)是一種有機(jī)溶劑，生化毒性是良性，不會(huì)導(dǎo)致生物變 異，以NMMO(N-甲基嗎琳氧化物)作溶劑生產(chǎn)出來(lái)的纖維素纖維過(guò)程為物理過(guò)程，沒(méi)有任何 化學(xué)反應(yīng)，溶劑循環(huán)使用無(wú)污染，被稱(chēng)為綠色環(huán)保纖維，因此，一面市，就受到人們重視。最早1980年由德國(guó)Akzo-Nobel公司首先取得工藝和產(chǎn)品專(zhuān)利，1989由國(guó)際人造 絲及合成纖維標(biāo)準(zhǔn)局(BISFA)正式命名用再生纖維素作原料，以NMMO (N-甲基碼啉-N-氧 化物)作溶劑，紡絲制成的纖維，命名為L(zhǎng)yocell。Lyocell的含義前綴Ly0-為希臘文表示 溶解的意思，后綴-cell表示纖維素的意思，整個(gè)Lyocell的含義表示該纖維能進(jìn)行生物降 解的綠色纖維。Lyocell纖維有許多特性強(qiáng)度如錦綸，精細(xì)如蠶絲，又具有滌綸的耐洗性、棉纖 維的透氣性。它還具有原纖化效應(yīng)，可生產(chǎn)常規(guī)纖維不能得到的類(lèi)似桃皮絨的表面效果。 Lyocell纖維以高干強(qiáng)與濕強(qiáng)而著稱(chēng)。在濕態(tài)下Lyocell的斷裂強(qiáng)度損傷僅6%，伸長(zhǎng)幾乎 沒(méi)有變化；它的耐高溫性好，在190°C、30s內(nèi)短纖維的強(qiáng)力損傷為7% ο好于濕法紡再生纖 維素纖維；干、濕態(tài)強(qiáng)度都很好，達(dá)到合纖的水平，且很少有收縮。被業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)為“21世紀(jì) 最有發(fā)展前景的綠色纖維”或稱(chēng)之為“環(huán)境友好纖維”。近年來(lái)我國(guó)雖然也有了一些與新溶劑法生產(chǎn)再生纖維素纖維工藝有關(guān)的專(zhuān)利。但 是，目前99. 9%以上的工廠仍然沿用傳統(tǒng)粘膠法來(lái)生產(chǎn)再生纖維素纖維，其中溶劑的回收 成本居高不下是主要原因。上世紀(jì)末，世界上Lyocell技術(shù)中紡絲大多采用干噴濕法。雖然傳熱方式變化，使 得紡絲速度有所提高，但是傳質(zhì)方法仍然與傳統(tǒng)的粘膠法基本相同，凝固浴的浴液濃度和 溫度的控制也采用大浴比循環(huán)方式來(lái)維持其穩(wěn)定。一般送至回收工段的凝固浴液NMMO的 濃度較低，凈化后還必須經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮后才能達(dá)到50%供原液制備工段使用。由于NMMO極易和水結(jié)合，在IOOPa壓力下，沸點(diǎn)為115°C。因此，利用傳統(tǒng)的多效 蒸發(fā)濃縮或膜蒸發(fā)工藝，蒸汽消耗都非常高；膜蒸發(fā)設(shè)備投資和電能消耗也很高。如圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)中紡絲原液(含纖維素的NMMO溶液)通過(guò)計(jì)量、過(guò)濾、擠壓噴絲成原液細(xì)流進(jìn)入凝固浴槽進(jìn)行凝固浴，原液細(xì)流在凝固浴中，表面濃相溶劑和水不斷 擴(kuò)散到凝固浴液中，原液細(xì)流表面逐漸固化形成初生纖維。為了保證纖維成型品質(zhì)的均勻 性，工藝流程的設(shè)計(jì)必須保證以下二點(diǎn)1)及時(shí)更新絲條周?chē)臐舛纫炎兓脑∫?，原液?xì)流表面的濃相溶劑才能連續(xù)不 斷地?cái)U(kuò)散到表面粘附浴膜中，纖維表面結(jié)構(gòu)才能均勻緊密。因此，浴液必須是以恒定流速流 動(dòng)而不是靜止的。2)凝固浴的濃度和量也隨著原液細(xì)流連續(xù)進(jìn)入槽內(nèi)同步增加，為了保證纖維成 型的均勻性，浴液溫度和濃度的變化必須控制在保證連續(xù)進(jìn)入浴液的絲條品質(zhì)要求的范圍 內(nèi)，一般為誤差不超過(guò)士0.2%左右溶劑濃度。同時(shí)需及時(shí)排出已經(jīng)被增濃的凝固浴液，并 適當(dāng)增加稀釋水補(bǔ)正變化的濃度，以保證凝固浴液的濃度相對(duì)恒定。排出部分的凝固浴液 將送到溶劑回收工段凈化處理濃縮后，去原液制備工段制備紡絲原液。為了節(jié)能，一般廠家 都將循環(huán)槽設(shè)置在半地下室；由于采用大浴比，其溫度的恒定只能靠自然散熱，盡量增大貯 槽液面自然蒸發(fā)面積。浴液循環(huán)量的設(shè)計(jì)可以根據(jù)以下公式計(jì)算而得出
WQ--
e式中Q 凝固浴浴液的循環(huán)量t/hW 紡絲原液帶入凝固浴的溶劑(含水)量t/he 凝固浴濃度變化允許的落差Wt %從上式分析可得出凝固浴液的濃度落差取值e越小，凝固浴的循環(huán)量Q越大，所 匹配的循環(huán)槽、循環(huán)泵能力也越大，設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用(電耗、蒸汽消耗)都將增大。從 纖維成型機(jī)理來(lái)看，凝固浴濃度落差e越小，纖維成型質(zhì)量越相對(duì)穩(wěn)定，一般控制在1_2%。假設(shè)纖維素纖維每小時(shí)產(chǎn)量為1000公斤(年產(chǎn)8000噸)，紡絲原液中溶劑的濃度 為88%，帶入凝固浴的溶劑(含水)W為8. 33噸/時(shí)，凝固浴初始濃度為12%，凝固浴濃度 落差e為士2%。根據(jù)上述公式計(jì)算所選用的浴液循環(huán)泵能力至少為416. 5噸/時(shí)；以每小時(shí)循環(huán)5次計(jì)，所配置的循 環(huán)液貯槽容量至少為83. 3噸。假設(shè)浴液的比重為接近于水，那末該循環(huán)泵能力為400m3/h， 循環(huán)液貯槽有效容積為80m3。與此同時(shí)，每小時(shí)需將有8. 33噸的濃度為14%的凝固浴液去回收工段凈化后濃 縮為原液制備工段所需的50%濃度的溶劑(其中50%水)。經(jīng)計(jì)算需要蒸發(fā)掉的水分=8. 33(1-14% 50% ) = 6(噸/時(shí))每生產(chǎn)1噸纖維素纖維，溶劑濃縮工段能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤1. 15噸。僅煤一項(xiàng)溶劑直 接濃縮成本約為1000元人民幣/噸纖維。考慮電耗、人工、設(shè)備折舊費(fèi)等，每噸纖維的溶劑 回收濃縮生產(chǎn)成本高達(dá)1200元/噸左右。所以采用“綠色的溶劑”-氧化甲基嗎啉制備纖維素纖維的Lyocell纖維至今在全 世界推廣和普及都非常困難，2008年Lyocell纖維全世界總產(chǎn)量約10萬(wàn)噸/年，占再生纖 維素纖維總量5%以下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，該方法采用立式凝固室噴霧冷卻，使收集到的浴液不需要濃縮可以直接用于制備紡 絲原液，大大降低了 NMMO溶劑的循環(huán)回收成本。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，紡絲原 液計(jì)量、過(guò)濾后進(jìn)入紡絲組件噴絲板，由紡絲組件噴絲板擠壓噴出絲條進(jìn)入立霧式凝固室， 立霧式凝固室內(nèi)的霧化噴嘴將浴液噴至絲條兩側(cè)面，浴液沿絲條表面一起落入集束浴槽， 絲條經(jīng)過(guò)集束浴集束后送入后處理階段結(jié)束紡絲流程，集束浴槽將多余浴液送入集束浴輔 槽內(nèi)，集束浴輔槽中的浴液過(guò)濾后分別送回霧化噴嘴、集束浴槽和回收液貯槽，回收液貯槽 內(nèi)的浴液再經(jīng)過(guò)濾凈化后作為制備紡絲原液的原料。所述的集束浴槽收集到的立霧式凝固室下落的浴液溶劑濃度為45 50%。所述的集束浴輔槽送入回收液貯槽的浴液經(jīng)過(guò)沉淀——過(guò)濾——陰離子交 換——陽(yáng)離子交換的凈化工序后，直接送至紡絲原液制備工段使用。所述的后處理階段包括在牽伸浴槽牽伸后送入水洗機(jī)洗絲。所述的牽伸浴槽中多余的浴液先送入牽伸浴輔槽中，然后送回霧化噴嘴作為浴 液。所述的集束浴輔槽和牽伸浴輔槽送回霧化噴嘴的浴液先要進(jìn)入高位槽在線調(diào)配 濃度和溫度。所述的制備紡絲原液的溶劑和霧化噴嘴噴出的凝固浴液都為有機(jī)溶劑NMMO的水 溶液，制備紡絲原液的原料的NMMO溶劑濃度為50% 80%，凝固浴液中NMMO溶劑濃度為 10% 18%。所述的洗絲產(chǎn)生的洗絲水為2 10%的NMMO溶劑。所述的10% 18% NMMO溶劑濃度的凝固浴液采用來(lái)自集束浴的45% 50% NMMO溶劑濃度的浴液和來(lái)自牽伸浴的濃度在2 10% NMMO溶劑濃度的洗絲水，兩者按照 比例計(jì)量混合制備而成。本發(fā)明采用立霧式凝固室使纖維成型，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中一旦工藝確定，凝固浴 液中NMMO的濃度和溫度始終保持恒定，在線按比例流量調(diào)節(jié)器和浴液冷熱交換器+溫度控 制系統(tǒng)，充分保證了纖維成型的品質(zhì)，同時(shí)通過(guò)調(diào)整絲條的凝固工藝，可將集束浴液的濃度 提高到50%，凈化后的50%濃度的浴液就可以直接送至原液制備使用，取消了原生產(chǎn)流程 中的溶劑濃縮工序，省去了凝固浴大浴比的循環(huán)泵和大容量的循環(huán)槽等設(shè)備投資、建筑投 資和運(yùn)行的電耗；省去了對(duì)濃縮設(shè)備的投資和蒸汽、動(dòng)力消耗；總共大約可節(jié)約占總投資 約10 15%的設(shè)備投資和30%的蒸汽消耗，極大地降低了溶劑法生產(chǎn)纖維素纖維的投資 和生產(chǎn)成本，每生產(chǎn)1噸纖維生產(chǎn)成本可以下降近1000元人民幣，為大力推廣綠色工藝的 溶劑法生產(chǎn)纖維素纖維創(chuàng)造了條件。


圖1為經(jīng)典浴液循環(huán)原理框圖；圖2為立霧式凝固浴液循環(huán)制備原理框圖。
圖中1紡絲組件噴絲板、2立霧式凝固室、3霧化噴嘴、4集束浴槽、5集束浴輔槽、 6高位槽、7回收液貯槽、8牽伸浴槽、9牽伸浴輔槽。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明表述的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定 的范圍。如圖2所示，一種Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，紡織原液過(guò)濾后 進(jìn)入紡絲組件噴絲板1，由紡絲組件噴絲板1噴成絲條進(jìn)入立霧式凝固室2，立霧式凝固室 2上的霧化噴嘴3噴出浴液對(duì)絲條進(jìn)行冷卻，然后噴出的浴液與絲條一起進(jìn)入集束浴槽4， 絲條集束浴完成后進(jìn)行牽伸、切斷、洗絲漂白、上油、干燥和打包，結(jié)束紡絲流程；集束浴槽 4收集到的多余浴液送入集束浴輔槽5內(nèi)，集束浴輔槽5中的浴液過(guò)濾后分成三部分，一部 分通過(guò)高位槽6在線調(diào)配濃度和溫度后送回霧化噴嘴3，一部分送回集束浴槽4做為浴液使 用，另一部分送往回收液貯槽7，再經(jīng)過(guò)過(guò)濾凈化后作為制備紡絲原液的原料；水洗機(jī)洗絲 產(chǎn)生的洗絲水送入牽伸浴槽8循環(huán)利用；所述的牽伸浴槽8中多余的浴液送入牽伸浴輔槽 9中，然后通過(guò)高位槽6調(diào)配送回霧化噴嘴3作為浴液。本發(fā)明的循環(huán)制備過(guò)程中，使用的紡絲原液中溶劑NMMO濃度為80 % 90 %，在 生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)霧化噴嘴浴液的噴出量和濃度，原液中NMMO與溶解的纖維素發(fā)生相 分離，進(jìn)入到粘在原液細(xì)流表面的浴液膜中，落入集束浴槽中的浴液NMMO最高濃度可達(dá)到 45% 50% ；—部分的集束浴循環(huán)送至霧化噴嘴再與原液細(xì)流進(jìn)行接觸。集束浴中濃度 50%左右的NMMO溶液可以直接作為制備紡絲原液的溶劑；后處理洗絲階段產(chǎn)生的含有2 10% NMMO的洗絲水溶液全部被作為制備新鮮霧化噴嘴所用浴液的來(lái)源，新鮮的洗絲水全 部來(lái)自于原液制備工段漿粕溶解過(guò)程中減壓濃縮產(chǎn)生的水。在整個(gè)循環(huán)制備階段中，所有含有NMMO的凝固浴液、洗絲水全部采用閉式循環(huán)， 零排放，因此，溶劑NMMO理論回收率可達(dá)到100%，不需要配置蒸發(fā)濃縮裝置。所述的集束浴輔槽送入回收液貯槽的浴液經(jīng)過(guò)沉淀——過(guò)濾——陰離子交 換——陽(yáng)離子交換的凈化工序后，直接送至紡絲原液制備工段使用，不需要經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮 工序，該溶劑就能滿足原液制備工藝的要求。所述的制備紡絲原液的溶劑和霧化噴嘴噴出的凝固浴液都為有機(jī)溶劑NMMO的水 溶液，制備紡絲原液的原料的NMMO溶劑濃度為50% 80%，凝固浴液中NMMO溶劑濃度為 10% 18%。所述的洗絲產(chǎn)生的洗絲水為2 10%的NMMO溶劑。10% 18% NMMO溶劑濃度的凝固浴液采用來(lái)自集束浴的50% NMMO溶劑濃度的 浴液和來(lái)自牽伸浴的濃度大約在2 10% NMMO溶劑濃度的洗絲水，兩者按照比例計(jì)量混合 制備而成。含有一定濃度的有機(jī)溶劑NMMO的凝固液經(jīng)計(jì)量、霧化噴出后粘附在絲條表面形 成液膜，進(jìn)入集束浴時(shí)的濃度大約可控制在50%，其主要手段是通過(guò)調(diào)控霧化噴嘴噴出量、 霧化液的初始濃度和溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
通過(guò)本方法在循環(huán)利用NMMO溶劑的過(guò)程中，一方面通過(guò)控制新鮮霧化凝固浴液 的噴出量和初始濃度來(lái)調(diào)控浴液和絲條間傳熱傳質(zhì)的速度；另一方面將一部分集束浴液采 用循環(huán)泵再次送去霧化后再次噴射到絲條表面。整個(gè)過(guò)程中，沿紡程霧化液的濃度和溫度 分布呈現(xiàn)梯度分布，與絲條徑向與浴液膜間傳熱傳質(zhì)的梯度相匹配，因此，絲條內(nèi)部結(jié)構(gòu)更 均勻，機(jī)械性能更優(yōu)。這一點(diǎn)無(wú)論在經(jīng)典濕法紡還是在近幾年新推出的干噴濕法紡中都無(wú) 法做到。
權(quán)利要求
一種Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是紡絲原液計(jì)量、過(guò)濾后進(jìn)入紡絲組件噴絲板，由紡絲組件噴絲板擠壓噴出絲條進(jìn)入立霧式凝固室，立霧式凝固室內(nèi)的霧化噴嘴將浴液噴至絲條兩側(cè)面，浴液沿絲條表面一起落入集束浴槽，絲條經(jīng)過(guò)集束浴集束后送入后處理階段結(jié)束紡絲流程，集束浴槽將多余浴液送入集束浴輔槽內(nèi)，集束浴輔槽中的浴液過(guò)濾后分別送回霧化噴嘴、集束浴槽和回收液貯槽，回收液貯槽內(nèi)的浴液再經(jīng)過(guò)濾凈化后作為制備紡絲原液的原料。
2.如權(quán)利要求1所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的集束浴槽收集到的立霧式凝固室下落的浴液溶劑濃度為45 50%。
3.如權(quán)利要求1所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的集束浴輔槽送入回收液貯槽的浴液經(jīng)過(guò)沉淀——過(guò)濾——陰離子交換——陽(yáng)離子交換 的凈化工序后，直接送至紡絲原液制備工段使用。
4.如權(quán)利要求1 3中任意一權(quán)利要求所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備 方法，其特征是所述的后處理階段包括在牽伸浴槽牽伸后送入水洗機(jī)洗絲。
5.如權(quán)利要求4所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的牽伸浴槽中多余的浴液先送入牽伸浴輔槽中，然后送回霧化噴嘴作為浴液。
6.如權(quán)利要求5所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的集束浴輔槽和牽伸浴輔槽送回霧化噴嘴的浴液先要進(jìn)入高位槽在線調(diào)配濃度和溫度。
7.如權(quán)利要求6所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的制備紡絲原液的溶劑和霧化噴嘴噴出的凝固浴液都為有機(jī)溶劑NMMO的水溶液，制備紡 絲原液的原料的NMMO溶劑濃度為50% 80%，凝固浴液中NMMO溶劑濃度為10% 18%。
8.如權(quán)利要求7所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的洗絲產(chǎn)生的洗絲水為2 10%的NMMO溶劑。
9.如權(quán)利要求8所述的Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，其特征是所述 的10% 18% NMMO溶劑濃度的凝固浴液采用來(lái)自集束浴的45 50% NMMO溶劑濃度的浴 液和來(lái)自牽伸浴的濃度在2 10 % NMMO溶劑濃度的洗絲水，兩者按照比例計(jì)量混合制備而 成。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)纖維制造領(lǐng)域，尤其涉及一種Lyocell纖維溶劑循環(huán)回收的新方法。一種Lyocell纖維制備工藝中溶劑循環(huán)制備方法，立霧式凝固室內(nèi)的霧化噴嘴將浴液噴至絲條兩側(cè)面，浴液沿絲條表面一起落入集束浴槽，絲條經(jīng)過(guò)集束浴集束后送入后處理階段結(jié)束紡絲流程，集束浴槽將多余浴液送入集束浴輔槽內(nèi)，集束浴輔槽中的浴液過(guò)濾后分別送回霧化噴嘴、集束浴槽和回收液貯槽，回收液貯槽內(nèi)的浴液再經(jīng)過(guò)濾凈化后作為制備紡絲原液的原料。本發(fā)明浴液就可以直接送至原液制備使用，省去了對(duì)濃縮設(shè)備的投資和蒸汽、動(dòng)力消耗，極大地降低了溶劑法生產(chǎn)纖維素纖維的投資和生產(chǎn)成本，為大力推廣綠色工藝的溶劑法生產(chǎn)纖維素纖維創(chuàng)造了條件。
文檔編號(hào)D01D7/00GK101988216SQ20091005589
公開(kāi)日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2009年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者劉必前, 來(lái)可華 申請(qǐng)人:上海太平洋紡織機(jī)械成套設(shè)備有限公司