文：昂一工程技術 ( 上海 ) 有限公司吳崢

　　在傳統的熔融紡絲工藝中，如尼龍、聚乙烯、聚丙烯或滌綸的工藝中，聚合物顆粒被熔融并通過紡絲頭不斷被擠出。纖維從紡絲頭擠出時，冷空氣將同時冷卻纖維。在拉伸和上紡絲油劑后，即可生產出纖維，無需提前制備任何溶液。一般來說，加工1噸聚合物熔體將會產生1噸合成纖維產品。

　　Lyocell工藝是溶劑紡絲工藝，使用干噴濕法紡絲。這意味著基礎的產品纖維素在溶劑（NMMO）中溶解。制備的溶液以熔融紡絲工藝中同樣的方法被擠出。冷卻氣體(空氣)將紡絲溶液冷卻至可以在空氣隙中形成絲束的程度。與傳統熔融紡絲工藝對比，產生的絲束在經過空氣隙后必須進入紡絲浴，以濾去溶劑并接收(沉淀)纖維素以成纖維形狀。一般來說，在Lyocell工藝中生產1噸Lyocell纖維需要6～10噸的紡絲溶液。

　　假設在工藝溫度下粘性范圍與熔融紡絲工藝相同，Lyocell紡絲設備例如過濾器、泵或換熱器，在相同尺寸下，與熔融紡絲工藝的產品產出相比，Lyocell纖維產出僅為10%～15%。這導致了Lyocell工藝需要相對更重和更大型的設備。同樣，這也導致了與聚乙烯或聚丙烯工廠相比，Lyocell工廠需要更高的特定資本支出。

　　以經濟合理的規模化生產Lyocell纖維時如何處理較高產量的紡絲溶液是Lyocell工藝的重大挑戰之一。設備尺寸和重量，確保恒定不變的質量，避免流動不穩定性和老化紡絲溶液的降解都是需要解決的問題。ONE-A公司有克服這些障礙的經驗和專有技術，針對“紡絲溶液連續供應”這個主題，ONE-A已有兩項發表的專利：換熱器管道系統（專利號 ：WO 2013/030402）和清潔流體的措施與過濾裝置（專利號 ：WO 2014/085836 ）。

　　為輸送和過濾紡絲溶液和熔體提供改進方法和裝置

　　為輸送粘性流體，需提供一個熱交換管道系統，其中包括多個設計為管道部件的獨立熱交換器，且管道系統里和管道橫截面上有預先設定的控制溫度和（或）壓力分布。這些以管道部件形式存在的熱交換器，在管道系統中以固定的間距進行排布。根據保持管道系統里的預先設定的溫度和（或）壓力分配，來確定固定的間距。

　　在此提供一種清潔流體的裝置和方法。裝置包括一個至少有一個入口和一個出口的機座本體，和一個在機座本體里可以移動的滑動機構，及至少有一個包含兩個對稱相反布置的過濾器；從機座本體入口開始，流體對稱地流入通道中的過濾器并且過濾器下游直接與機座本體出口對接；一部分未通過通道流入的流體在滑動機構和機座本體之間的空氣隙中形成流體緩沖區；通道打開了至少兩個對稱相反布置的出口支路，而且在通道中至少兩個進口和兩個出口之間的間隙中至少產生四股沖洗液。

　　但這種方法有三個待解決的問題：

　　一是粘性流體的輸送——壓力損失與摩擦熱產生。高粘度纖維素溶液通過管道的輸送會因管道中的流動阻力和被導入的聚合物化合物產生摩擦熱。因大規模生產的聚合物溶液經常會產生雜質，這些雜質，例如膨脹體，必須在聚合物溶液加工前通過過濾去除。因過濾介質會產生壓力損失，這是由聚合物化合物中的額外摩擦熱而產生的。為了將聚合物溶液導入獨立的加工位置，聚合物溶液常通過彎曲管、三通管、Y型管和多個分配器被分配，這會導致更多的壓力損失和熱量產生。

　　由于高粘度聚合物溶液的置換和輸送需要通過泵，這會產生更多的摩擦熱并影響纖維素溶液的粘度和熱敏性。

　　二是在管道橫截面的均勻分布。由于層流，粘性流體在管道的橫截面會形成速度梯度——在管道中心觀測到最大速度，在管壁處速度接近于0。此橫截面的不均勻流動導致原液在橫截面的停留時間不一致，同時也會導致管道橫截面溫度分布不均勻。在高粘度流體的輸送系統中，幾乎不可能在管道的整個橫截面獲得有均勻速度和溫度分布的理想活塞流，但可以采取措施以找到最佳實踐解決方案。

　　三是以換網器清潔粘性流體。為在聚合物工業中實現可靠的生產工藝，在擠出前從紡絲溶液或熔體中去除雜質是至關重要的。

　　傳統過濾裝置(換網器)主要包含一個機座本體，帶有雜質流體的進口和被過濾流體的出口，一個在機座內可置換的過濾器載體，一個在過濾器載體內的過濾器。如果過濾網被堵塞則必須被清潔或置換。因此機座中的過濾器載體必須以此方式被置換，譬如，關閉過濾器載體的進口，含過濾器的過濾器載體送到能接受清洗的位置。之后，過濾器載體被再次置換到初始位置。

　　在過濾器載體和過濾器機座之間需要有間隙，使過濾器載體移動不損傷載體和機座的滑動表面。間隙被相當于潤滑劑的紡絲溶液或聚合物熔體沖洗。沖洗間隙會導致紡絲溶液的損失。此損失需盡量控制在最小程度，但必須保證載體和機座間的所有滑動表面都能被潤滑。為避免老化的紡絲溶液凝聚，對間隙的沖洗必須是均勻的。

　　由于過濾器進口和出口的壓力差，普通的過濾裝置不可能達到均勻的沖洗。過濾器載體沿著機座出口壁被壓出，屬摩擦。

　　ONE-A的發明旨在為輸送和過濾紡絲溶液和熔體提供改進的方法和裝置，以避免或使上述問題和弊端最小化。

　　四大關鍵點保證紡絲溶液連續供應

　　這兩項專利技術有四大關鍵點：

　　一是熱交換器以管道部件形式設計。該系統允許一個沿管道系統的預先設定控制的橫截面溫度和（或）壓力分布，如通過流體的再分層的方式。

　　熱交換器以管道部件形式提供，沿管道系統有固定間距。根據保持管道系統里的預先設定的溫度和（或）壓力分布，來確定固定的間距。

　　在熱交換器內可以進行調節以使粘性流體在預先設定的溫度下在熱交換器內進行輸送，并且視需要，提供混合組件以保持在管道橫截面上預先設定的溫度和（或）壓力分布。

　　二是混合元件。在特別優選的實施方案中，根據ONE-A的系統，熱交換器管道系統包含內部的混合組件，至少一段管道或熱交換器。

　　一種可行的方法為安裝內部混合組件，與在雙層夾套聚合物管道殼體內的外部冷卻（或調節）相結合。混合組件被用來旋動流體以此使層流轉變為湍流并（或）從熱交換器中心到截面的外部區域形成一個流體交換。熱交換僅發生在(冷卻的)管壁和與(冷卻的)管壁臨時直接接觸的打旋的聚合物之間。

　　混合組件也可以部分或獨立的熱交換器形式提供，帶有內部混合和內部溫度控制。

　　根據實例，與熱交換器管道系統相關的發明，是一個混合組件與溫度控制方式的結合，譬如，以在熱交換器內部的傳熱介質管道的形式。這可以通過對一個傳熱介質管道進行相應形狀的纏繞實現。為了防止壓力損失產生的摩擦熱，傾向于選擇較低的填料密度。

　　三是濾網滑動機構的“潤滑”。根據上述描述，將濾網移動至“反向沖洗”或“換網”位置的滑動機構是換網器的關鍵部件。為在整個滑動表面上提供潤滑膜，ONE-A的過濾系統在機座與移動式過濾器載體之間提供均勻的壓力。ONE-A過濾系統的獨特布置提供了流體緩沖，形成一個“浮動軸承布置”以防止過濾器載體和過濾器機座之間的金屬摩擦。

　　為達到“流體緩沖”，至少兩個過濾層須反向布置。至少兩個進口和至少兩個出口對稱地沿載體的外周對稱布置。這種布置會導致機座和載體之間的對稱受力。

　　四是沖洗滑動表面，防止“結塊”。老化的紡絲溶液會導致聚合物系統的多項問題(質量、工藝穩定性、過濾網壽命)，因此必須盡可能防止紡絲溶液的陳化。

　　在整個滑動表面設置一層均勻的膜能使機座和過濾器載體之間的環狀間隙得到均勻的沖洗。在周向(從進口到出口的流動方向)和縱向(到過濾器外部的流動方向導致泄漏）都需要建立均勻的沖洗。

　　均勻沖洗防止老化的紡絲溶液或熔體結塊和形成。根據環狀間隙的尺寸泄漏量控制方式滿足既達到充分沖洗，又能將泄漏降到最小。

　　五大優點為客戶提供高附加值服務

　　與裝備普通聚合物管道和普通聚合物過濾系統的聚合物系統相比，使用上述兩個專利技術，ONE-A的熱交換器管道系統和ONE-A帶有流體緩沖效果的受均勻沖洗的網式過濾器，具有很多的優點。

　　一是熱安全性。熱交換器系統橫截面上均勻分布的流動速度和聚合物溫度窄分布使得生產工藝操作變得十分安全。這避免了會導致放熱反應的溫度峰值。

　　一個聚合物系統的總體安全性是由最大當前溫度和起始溫度(能產生放熱反應的聚合物臨界溫度)之間的溫差定義的。在普通系統中，此溫度差相對較低（大約10～30 C），在ONE-A的系統中，溫度差能超過40 C，相較傳統系統更為安全。

　　二是無死區。ONE-A熱交換器管道系統的高效混合與ONE-A網式過濾器系統的均勻沖洗能幫助避免死區，及(老化)聚合物的降解和結塊。這些措施相結合能延長聚合物過濾器使用周期，減少噴絲板更換間隔的次數(噴絲板使用周期更長)。

　　三是老化的紡絲溶液受控排放。過濾機座和過濾器載體（流體緩沖）之間量身定制的間隙設計使紡絲溶液排放到過濾器機座外部的過程變得可控。除了避免聚合物老化，聚合物泄漏也可以被輕易收集以分析溶液的質量和熱穩定性。

　　四是換網器的簡單設計。為了防止過濾器載體和機座之間的金屬摩擦，有一種陳舊的方式，即為安裝滑動條(金屬或塑料材質)以確保沿過濾器載體外周有恒定的間隙。ONE-A換網器系統無需使用這種昂貴且復雜的安裝方式，流體緩沖能自動可靠建立一個恒定的間隙。

　　五是能使每一個過濾單元有更大的過濾表面，以減少過濾單元的數量。可以說，這兩項專利技術能為客戶提供穩定且安全的生產工藝、恒定的纖維質量、產品產量最大化、減少昂貴過濾器組件的磨損等高附加值服務。

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