熔體直紡滌綸長絲裝置熔體輸送系統的工藝設計

周 長 江

(江蘇省紡織工業設計研究院有限公司，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技術，得到了化纖企業的廣泛應用。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、生產效率高等優點。 聚酯熔體輸送是實現直接紡絲的重要環節，熔體輸送的質量不僅關系到后序紡絲的正常生產，而且對纖維質量有較大的影響。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℃時即發生凝固，因此其輸送系統的設計非常關鍵。作者以24頭/位熔體直紡滌綸長絲裝置為例，詳細介紹了直紡裝置中熔體輸送系統設計的技術要點和設計方法。

1 熔體輸送系統簡述

24頭/位直紡滌綸長絲裝置包括8條紡絲生產線，即24頭/位，48位/線，共384位。來自聚酯車間的聚酯熔體進入紡絲車間，首先通過第一個熔體三通閥(1)進行分配，分成兩路，然后送往Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區、Ⅳ區，每個紡絲區的工藝流程相同。以Ⅰ區的熔體輸送系統為例，從管道輸送過來的熔體經熔體三通閥(3)進行分配，分成兩路，分別送往Ⅰ區和Ⅱ區；進入Ⅰ區的熔體經增壓泵(5)增壓至20 MPa左右，然后經過熔體冷卻器(6)將熔體溫度降至280～292 ℃，再經熔體三通閥(7)，分別送往A區和B區，A區和B區流程相同，在紡絲車間呈對稱布置；送往A區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，進入紡絲箱體(10)。熔體輸送系統工藝流程見圖1。熔體在輸送過程中通過液相熱媒不斷降溫和保溫平衡，熔體輸送系統中各分支管之前均設有高效靜態混合器，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

2 熔體輸送系統的設計

聚酯熔體輸送工藝條件直接影響紡絲產品的質量，甚至決定能否進行正常紡絲，所以對熔體輸送系統中熔體的流速(υ)、平均停留時間(tav)、壓力降(?P)、溫升(?T)等需合理設計，才能保證紡絲產品的質量[1]。

2.1 熔體管道布置

在紡絲裝置中，熔體管道的布置一般要求盡量對稱布置，使輸送到每條生產線的熔體?P，?T及tav相同，從而使進入紡絲箱體的聚酯熔體質量相同。如24頭/位滌綸長絲裝置中包括8條紡絲生產線，分為4個區，1個區分2條線，每個區又分為A,B區，在熔體管道布置的設計上，熔體管道對稱布置，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量，所以在進行熔體管道布置時，在滿足管道柔性的前提下，L應盡量選擇較小。但是對于新設計的熔體輸送系統來說，配管長度由于設備布置確定，無法更改，設計時所能改變的只能是配管的管徑。以熔體輸送系統A區為例，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的要求，考慮按不同管段設計管道的管徑。

2.2 熔體的υ及管徑

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，也會引起熔體降解，色相變差，使聚酯熔體質量變差。熔體在管道內流速按式(1)計算：

υ=353.7q/d2ρ

(1)

式中：q為熔體質量流量；d為管道內徑；ρ為熔體密度。

以熔體輸送系統A區為例，由式(1)可知，υ主要與q，d以及ρ有關，ρ為熔體的物性參數，查相關資料可得；q可由裝置的設計生產能力計算確定；而根據各參數的實際調節經驗，υ一般控制在0.1～0.2 m/s，所以根據式(1)可以計算出實際管道d，然后再根據熔體管道等級規格，選擇d接近實際計算值的管道，再將選擇的d代入式(1)，則可重新計算出所選管道中熔體的υ。不同管段管道管徑的計算結果見表1，并通過計算得到各個管段中熔體的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

2.3 熔體的tav

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，熔體質量就越差，從而導致熔體的可紡性變差，最終影響纖維質量。通常，熔體溫度為280 ℃時，允許tav為60 min；在285 ℃時允許的tav為30 min[2]。

熔體在管道中的tav可通過式(2)計算：

tav=4.71×10-5Ld2ρ/q

(2)

以熔體輸送系統A區為例，由于L，d，q，ρ均為已知條件，所以，采用式(2)即可直接計算出各個管段的tav，熔體在輸送系統A區的tav為22.17 min，溫度基本控制在280～292 ℃，聚酯熔體tav的設計符合紡絲生產要求。

2.4 熔體的?P及?T

聚酯熔體輸送管道中的?P是計算熔體輸送機械功率和配管機械強度的依據[3]。熔體的壓力由3 部分組成：一是熔體流經輸送管道時由于克服流體內部剪切應力而產生的壓力降；二是熔體過濾阻力；三是為保持紡絲計量泵效率穩定所需的計量泵入口壓力。

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，因此，熔體在管道中流動的?P可采用式(3)進行計算：

?P=1.131×104μLq/d4ρ

(3)

式中：μ為熔體動力黏度。

以熔體輸送系統A區為例，由于μ為熔體的物性參數，查相關資料可得，L,d,ρ,q都為已知條件，因此可用式(3)計算出各個管段?P。通過計算可得，熔體在增壓泵前的 ?P為5.07 MPa，增壓泵后的?P為7.9 MPa，不能滿足計量泵前熔體壓力在6 MPa以上的指標要求(增壓泵出口的壓力至少應在15.9 MPa)，因此，實際設計時，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度，提高計量泵前熔體的壓力。另外，考慮到熔體管道上有閥門、彎頭、三通、靜態混合器等管件和小型設備，會產生局部壓力降，所以增壓泵出口實際壓力一般控制在20 MPa以上。

聚酯熔體在輸送過程中，?P會轉化為熱能，導致熔體溫度上升，一般?P為10 MPa時，?T為4.0～4.5 ℃，溫度升高會使高分子熔體降解程度增大，且熔體的允許tav也會受到限制，因為在一定溫度下有一定的tav[4]。

?P轉化為發熱量(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量泵也會引起?T變化，?T的大小與泵轉速(R)有關。

以熔體輸送系統A區為例，?P，ρ，CP均為已知條件，采取式(5)即可計算出各個管段的?T。通過計算可得，熔體在輸送系統A區由于流體?P引起的?T為5.86 ℃，加上熔體通過增壓泵和計量泵引起的?T(各約4 ℃)，總?T為13.86 ℃，?T較大，易導致熔體降解，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A區增壓泵后加裝熔體冷卻器后，?T下降了6.86 ℃。

通過上述計算分析，熔體輸送系統的工藝參數計算結果見表2。

表2 聚酯熔體輸送系統的工藝參數計算結果Tab.2 Process parameters calculation results of polyester melt conveying system

3 結論

a. 24頭/位直紡滌綸長絲裝置的熔體輸送系統的設計中，管道L、管徑以及熔體υ、tav，?P和?T等因素非常關鍵，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，可使聚酯熔體進入計量泵前的熔體壓力在6 MPa以上，以保證紡絲產品的質量。

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量泵也會引起?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

[1] 張德姜, 王懷義, 劉紹葉. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[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, 滌綸工廠設計規范[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計[J].聚酯工業，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, 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.