Устройство для окисления полиакрилонитрильных волокон при производстве углеродных волокон
DEVICE FOR OXIDATING POLYACRYLONITRILE FIBRES BY PRODUCING CARBON FIBRES

Изобретение относится к оборудованию для производства химических волокон, в частности к печи для непрерывной низкотемпературной обработки полиакрилонитрильных волокон при производстве углеродных волокон.
Из уровня техники известна камера для непрерывной температурной обработки длинномерного материала (ПАН-волокон), включающая корпус проходного типа с отверстиями на торцах для входа и выхода материала, направляющие валы, расположенные за пределами корпуса, перфорированные средства подачи обрабатывающей среды, размещенные в корпусе между осями отверстий для подачи материала, в которой средства подачи обрабатывающей среды выполнены в виде конусообразных коробов, установленных навстречу друг другу в направлении уменьшения сечения, а оси отверстий для подачи материала, между которыми размещен патрубок, за пределами корпуса выполнены пересекающимися. Камера снабжена герметизирующими перегородками, размещенными в корпусе между отверстиями для подачи материала (патент RU 2017867, МПК D01F 9/12, В29В 13/02, 15.08.1994).
Наличие герметизирующих перегородок в конструкции камеры позволяет, как заявлено в данном патенте, на разных участках камеры использовать различную обрабатывающую среду, которая повышает качество выходного материала. Однако в системе отсоса различные среды будут смешиваться, поскольку конусообразный короб отсоса забирает газ с двух сторон перегородки, при этом вторичное применение этих сред исключается, они будут утилизироваться. Следовательно, исключается возможность применения энергоэкономичной системы рециркуляции газов.
В известной конструкции камеры заявлена возможность на выбранном участке волокна осуществлять эффективную фильтрацию газа для подавления экзотермического эффекта. Однако и эта функция возможна только без применения системы рециркуляции газов, поскольку каждый нагнетающий конусообразный короб должен иметь индивидуальную регулировку расхода и температуры газовой среды. Такое конструктивное решение камеры для непрерывной температурной обработки исключает возможность создания равнозначных температур и скоростей газовых потоков на разных участках камеры. Рассмотренная камера энергетически неэффективна и приведет к удорожанию готового материала.
Известно устройство для окисления полиакрилонитрильных волокон, содержащее предкамеры с транспортирующими роликами, патрубками для отсоса газообразных продуктов пиролиза и штуцерами для подсоса свежего воздуха, камеру окисления, связанную посредством трубопроводов с вентилятором и электрокалорифером. Камера окисления снабжена щелевыми каналами для перемещения нитей и локализации газовых выделений. Каждый щелевой канал образован двумя плоскими пластинами, которые могут быть сопряжены с одной или с обоих торцов (патент RU 2042753, МПК D01F 9/14, 27.08.1995) - прототип.
В известном устройстве в процессе окисления в щелевых каналах транспортируются нити, изолированные от прямого воздействия циркулирующей окислительной среды. При этом как нагрев нитей для обеспечения протекания окислительной реакции, так и унос экзотермического тепла от нитей осуществляется по цепочке: вентилятор → электрокалорифер → поток нагретой окислительной среды → стенки щелевых каналов → окислительная среда в щелевых каналах → обрабатываемые нити. Эта система по передаче тепла, ввиду длинной цепочки теплопередачи, обладает высокой инерционностью. При отборе экзотермического тепла такая температурная цепочка неэффективна. Так, при поступлении в систему управления сигнала о перегреве нитей, электрокалорифер получит команду на понижение температуры, затем начнет понижаться температура окислительной среды, затем начнет понижаться температура стенок щелевых каналов, затем начнет понижаться температура окислительной среды в щелевых каналах и, наконец, пониженная температура достигнет обрабатываемых нитей. На практике на печах окисления, имеющих высокую инерционность системы по передаче тепла, имеют место случаи, когда нити вовремя не охлаждаются и самовозгораются, случаются пожары в рабочих камерах. В конструкции устройства не предусмотрены средства организованной подачи окислительной среды - воздуха - в щелевые каналы. В предкамеры поступает воздух с нормальной температурой +20°С и в щелевые каналы этот воздух увлекается движущимися нитями. Но нити по мере окисления изменяют свои геометрические размеры, следовательно, и количество холодного воздуха, поступающего в щелевые каналы, с каждым проходом изменятся, нет стабильной окислительной среды. Процесс окисления будет неустойчив. Рассмотренное устройство для применения способа окисления полиакрилонитрильных нитей технически небезопасно и не обеспечит стабильное и эффективное протекание реакции окисления.
Техническим результатом при использовании заявленного изобретения является повышение эффективности термообработки полиакрилонирильных волокон (ПАН-волокон) за счет обеспечения стабильной окислительной среды, а именно равнозначности температур и скоростей газовых потоков, обтекающих нити в каналах каждой температурной зоны камеры окисления.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для окисления полиакрилонитрильных волокон при производстве углеродных волокон содержит корпус со съемными торцевыми стенками, имеющими проходные окна для входа и выхода обрабатываемых волокон, направляющие валы, расположенные за пределами корпуса, внутри которого размещена камера окисления с каналами для перемещения волокон, объединенными в несколько температурных зон, каждая из которых связана с, по меньшей мере, одним калорифером и вентилятором, а также средства для удаления отработанных газов из камеры окисления и средства для обогащения окисляющей среды, при этом температурные зоны выполнены изолированными друг от друга, каждая из которых снабжена ресиверной полостью и аспирационной полостью, причем каждая ресиверная полость соединена с нагнетающим каналом вентилятора посредством перфорированной стенки и с каналами для перемещения волокон с одной стороны камеры, а каждая аспирационная полость соединена с каналами для перемещения волокон с другой, противоположной стороны камеры, и с всасывающим каналом калорифера, при этом средства для удаления отработанных газов из камеры окисления соединены с нагнетающим каналом вентилятора, а средства для обогащения окисляющей среды соединены с всасывающим каналом калорифера.
Кроме того, указанный выше технический результат достигается тем, что средства для удаления отработанных газов и средства для обогащения окисляющей среды выполнены в виде патрубков с дросселями.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен продольный разрез четырехзонного устройства окисления ПАН-волокон при производстве углеродных волокон, общий вид;
на фиг. 2 изображено то же, разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 изображено то же, разрез А-А с двухсторонним нагнетанием окисляющей среды.
Устройство для окисления ПАН-волокон (фиг. 1-3) содержит корпус 1. Внутри корпуса 1 размещена камера окисления 2 с каналами 3 для перемещения обрабатываемых волокон 4. Корпус 1 имеет торцевые съемные стенки 5, в которых выполнены щелевые проходные окна 6 для входа и выхода обрабатываемых волокон 4. Щелевые проходные окна 6 оснащены затворами 7, препятствующими проходу отработанных газов в пространство цеха и наоборот, цеховой атмосферы в камеру окисления 2. Каналы 3 для перемещения волокон 4 выполнены изолированными друг от друга с образованием температурных зон 8. Каждая температурная зона 8 снабжена с одной стороны камеры ресиверной полостью 9, а с другой стороны камеры - аспирационной полостью 10.
Каждая ресиверная полость 9 соединена с нагнетающим каналом 11 вентилятора 12 через перфорированную стенку аэродинамического сопротивления 13 и с каналами 3 для перемещения волокон 4 соответствующей температурной зоны 8 с одной стороны камеры 2.
Каждая аспирационная полость 10 соединена с каналами 3 соответствующей температурной зоны 8 с другой, противоположной стороны камеры 2, и с всасывающим каналом 14 калорифера 15.
Каждый нагнетающий канал 11 вентилятора 12 соединен с газоотводным патрубком 16, оснащенным дросселем концентрации газов 17. Каждый всасывающий канал 14 соединен с приточным патрубком разряжения 18, оснащенным вакуумирующим дросселем 19. За пределами корпуса 1 расположены направляющие валы 20 для транспортирования обрабатываемых волокон 4 в камеру окисления 2.
Устройство для окисления ПАН-волокон при производстве углеродных волокон работает следующим образом.
ПАН-волокна 4 протягивают по каналам 3 камеры окисления 2, входя и выходя из корпуса 1 через щелевидные проходные окна 6. За пределами корпуса 1 волокна меняют направление движения, огибая направляющие валы 20. При движении через каналы 3 ПАН-волокна 4 обдувают окисляющей средой, поступающей из ресиверной полости 9. При этом температура и скорость газовых потоков во всех каналах 3 температурной зоны 8 будет равнозначной. Это обусловлено тем, что в ресиверной полости 9 создается однородная по температуре и плотности окислительная среда повышенного давления относительно пространства в каналах 3. Создание такой среды достигается равноплотным потоком газов, проходящих через перфорированную стенку аэродинамического сопротивления 13 от нагнетающего канала 11 вентилятора 12. Давление газов в ресиверной полости 9 будет выше, чем давление в каналах 3, за счет повышенной скорости газовых потоков в каналах 3 относительно скорости движения газов в ресиверной полости 9. При увеличении скорости потока в трубопроводе давление в нем уменьшается. Это явление аэродинамики используется в заявленном изобретении для создания равнозначных по скорости газовых потоков в каналах 3 камеры окисления 2.
Для удаления отработанных газов из камеры окисления 2 к нагнетающему каналу 11 вентилятора 12 присоединен газоотводный патрубок 16, оснащенный дросселем концентрации газов 17. Для обогащения окисляющей среды кислородом всасывающий канал 14 калорифера 15 соединен с приточным патрубком разряжения 18. Патрубок разряжения 18 оснащен вакуумирующим дросселем 19. Уменьшение подачи свежего воздуха обеспечивает уменьшение давления в системе газоснабжения камеры окисления 2. При этом возрастает эффективность работы затворов 7.
Заявленное устройство может иметь два конструктивных исполнения в зависимости от требуемой производительности. Одно исполнение выполнено с односторонним нагнетанием окисляющей среды в температурные зоны и второе с двухсторонним нагнетанием окисляющей среды.
Предложенная конструкция устройства обеспечивает эффективный устойчивый процесс обработки полиакрилонитрильных нитей. Это достигается посредством создания равнозначных условий по составу, скорости и температуре газовых потоков в каналах каждой температурной зоны для протекания реакции окисления.