ФИЛЬЕРНЫЙ КОМПЛЕКТ, СПОСОБ НАГРЕВА ФИЛЬЕРНОГО КОМПЛЕКТА И ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЛИОЦЕЛЛА
SPINNERET PACK, METHOD FOR HEATING OF SPINNERET PACK AND PROCESS OF PRODUCTION OF LYOCELL

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к фильерному комплекту и способу нагрева фильерного комплекта, используемого для прядения целлюлозных элементарных нитей из раствора целлюлозы в растворителе. Настоящее изобретение также относится к процессу получения лиоцелла, в котором используется такой фильерный комплект.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0002] Фильерные комплекты используются для получения волокон и элементарных нитей различной химической природы, включая полученные из целлюлозы волокна и элементарные нити. Одним из примеров такого фильерного комплекта является фильерный комплект, который используется в процессе получения лиоцелла, например, фильерный комплект, содержащая несколько фильерных пластин, каждая из которых содержит несколько отверстий для прядения элементарных нитей, и фильерные пластины расположены в четырехстороннем корпусе, окружающем их со всех сторон. Такой фильерный комплект, например, известен из документа ЕР-А-0756025 или из документа ЕР-А-0700456.
[0003] Другим примером является фильерный комплект, раскрытый в документе WO 03/014429. В этом документе раскрывается фильерный комплект с несколькими плоскими перфорированными металлическими пластинами, каждая из которых содержит несколько отверстий для прядения элементарных нитей. Перфорированные пластины в этом случае установлены на всех сторонах в секции корпуса из нержавеющей стали. Эти фильерные комплекты могут, например, использоваться для получения волокон и элементарных нитей лиоцелла.
[0004] Как известно, перед прядением целлюлозное сырье для процесса получения лиоцелла растворяется в надлежащем растворителе при повышенной температуре, обычно от приблизительно 70 до 130°С, с получением прядильной массы. Этот раствор после необязательных дополнительных стадий процесса, например, для удаления примесей и обеспечения высокой степени однородности, затем направляется в фильерный комплект для получения волокон и элементарных нитей. На этой стадии процесса получения необходимо обеспечить контроль распределения температуры в прядильной массе, поскольку колебания температуры в прядильной массе могут привести к нежелательным отклонениям в получаемых волокнах и элементарных нитях. Хотя такое отклонение может не быть критичным при получении штапельных волокон, отклонения в получаемых элементарных нитях приводят к неоднородностям в полученной пряже из элементарных нитей, которые неблагоприятно влияют на дальнейшее использование пряжи из элементарных нитей.
[0005] Таким образом, для получения элементарных нитей важно обеспечить надлежащий контроль температуры, чтобы любые изменения температуры прядильной массы находились в пределах как можно меньшего диапазона. В этом контексте форма фильерного комплекта является важным фактором, который следует учитывать.
[0006] В целом можно обеспечить пренебрежимо малые колебания температуры в прядильной массе в круглых фильерных комплектах (с отношением сторон, равным 1) или фильерных комплектах, характеризующихся отношением сторон, близким к 1 (квадратные фильерные комплекты). Один пример круглого фильерного комплекта раскрыт в документе CN 205241867 U. Другой пример предоставлен в документе US 3130448. В этих случаях достаточно нагреть фильерный комплект горячей водой или посредством электрических нагревательных элементов. Однако при использовании фильерных комплектов с отношением сторон более 2, таких как фильерный комплект, раскрытый в описанном выше документе WO 03/14429, возникли проблемы.
[0007] Однако эти типы фильерных комплектов доказали свою коммерческую значимость, в частности, для высокоскоростного производства элементарных нитей, поскольку они позволяют производить большое количество элементарных нитей (за счет использования нескольких фильерных пластин в корпусе фильерного комплекта) при оптимальном использовании емкости корпуса (в частности, для прямоугольных корпусов). Однако стимул к использованию таких фильерных комплектов связан с тем недостатком, что для получения элементарных нитей, при котором разброс свойств элементарных нитей должен быть как можно меньше для обеспечения высокого качества продукции, необходимые контроль и регулировка температуры в фильерном комплекте уже невозможны при использовании горячей воды или электрических нагревательных средств. Требования к однородности элементарных нитей таковы, что отклонения линейной плотности в рамках данной партии элементарных нитей должны находиться в пределах +/-5%, предпочтительно в пределах +/- 2,5%.
Цель изобретения
[0008] Соответственно, целью настоящего изобретения является предоставление способа обеспечения необходимой линейной плотности в фильерном комплекте для прядения целлюлозных элементарных нитей из раствора целлюлозы в растворителе, причем указанный фильерный комплект, особенно при высокой пропускной способности и высокой скорости, обеспечивает надлежащую однородность элементарных нитей и по меньшей мере уменьшает проблемы, связанные с фильерными комплектами предшествующего уровня техники.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0009] Неожиданно, эта задача решается посредством фильерного комплекта согласно пункту 1, способа обеспечения контроля температуры прядильной массы в фильерном комплекте согласно пункту 4 и способа получения элементарных нитей лиоцелла согласно пункту 5. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах, а также в следующем описании.
Описание фигур
[0010] Настоящее изобретение далее описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых на фиг.1 схематически показан фильерный блок, предусматривающий вариант осуществления фильерного комплекта согласно настоящему изобретению в разрезе, а на фиг.2 схематически показан вариант осуществления фильерного комплекта согласно настоящему изобретению на виде сверху.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[0011] В соответствии с настоящим изобретением термин «фильерный комплект» используется для обозначения части устройства для получения лиоцелла, которая обеспечивает формирование прядильной массы или прядильного раствора с получением элементарных нитей, и которая, в частности, содержит корпус фильерного комплекта, причем необязательно отдельные фильерные пластины расположены в корпусе, и крышку, закрывающую корпус фильерного комплекта с образованием пространства, в которое вводится прядильная масса/раствор перед формированием элементарных нитей. В контексте настоящего изобретения термины «фильерный комплект», «фильерный блок» и т.д. могут использоваться взаимозаменяемым образом. Отношение сторон, являющееся неотъемлемой частью определения фильерного комплекта согласно настоящему изобретению, однако относится к отношению сторон части фильерного комплекта, образующей фильерную секцию фильерного комплекта (т.е. части, которая определяет площадь, через которую экструдируются элементарные нити).
[0012] В рамках настоящего изобретения получение элементарных нитей лиоцелла начинается с подготовки прядильного раствора или прядильной массы путем растворения целлюлозы в растворителе. Предпочтительным растворителем, используемым при получении элементарных нитей лиоцелла, является N-оксид третичного амина и, необязательно, вода, смешанная с ним. Раствор целлюлозы в N-оксиде третичного амина и, необязательно, воде затем экструдируется в горячем состоянии с помощью фильерного комплекта и формируется (формуется) в процессе экструзии. Для получения элементарных нитей, в частности, высокоскоростного производства элементарных нитей, требуется надлежащий контроль температуры прядильной массы. Такой контроль температуры должен обеспечивать, чтобы прядильная масса демонстрировала только небольшое колебание температуры, чтобы в получаемых таким образом элементарных нитях не было неблагоприятного отклонения свойств элементарных нитей, в частности, линейной плотности элементарных нитей, которое могло бы оказать отрицательное влияние на свойства конечного продукта (такого как пряжа из элементарных нитей).
Как указано выше, эта проблема особенно актуальна при использовании фильерных комплектов, которые могут содержать несколько фильерных пластин для экструзии элементарных нитей и характеризуются в целом прямоугольной формой с отношением сторон больше 2. Настоящее изобретение, как указано в формуле изобретения и как далее описано в настоящем документе, решает эти проблемы за счет использования пара для нагрева фильерного комплекта, вследствие чего обеспечивается необходимая равномерность температурного профиля прядильной массы перед выходом из прядильных отверстий.
[0013] В соответствии с принципами настоящего изобретения фильерный комплект для получения нескольких элементарных нитей, предпочтительно фильерный комплект, содержащий несколько фильерных пластин, расположенных в корпусе прямоугольной форме, характеризуется отношением сторон больше 2. Путем проведения серии испытаний с фильерными комплектами с разными отношениями сторон было доказано, что фильерный комплект может характеризоваться отношениями сторон вплоть до 10 или больше, например 12 или больше и даже 15 или больше. Если фильерный комплект подходит для обеспечения нагрева прядильной массы в фильерном комплекте посредством пара, предпочтительно за счет обеспечения каналов, которые предпочтительно представляют собой микроканалы в крышке фильерного комплекта и/или корпусе фильерного комплекта, для равномерного нагрева фильерного комплекта посредством подачи пара в эти каналы может быть обеспечена необходимая однородность при получении элементарных нитей.
Примерами обеспечения парового нагрева являются предоставление каналов и микроканалов (диаметром 1 мм или больше) в корпусе фильерного комплекта, фильерных пластинах или даже ближе к отдельным отверстиям, например, путем обеспечения каналов в непосредственной близости от отдельных отверстий. Если эти каналы могут быть выполнены в соответствующей части фильерного комплекта без ущерба для механической целостности, то такие каналы могут быть предусмотрены. Как правило, крышка нагревается не посредством подачи пара в каналы, а посредством оснащения крышки подходящими средствами, обеспечивающими паровой нагрев основных частей ее внутренней поверхности, например, посредством двустенных частей и нагревательных рубашек.
[0014] Далее делается ссылка на фиг.1 и 2, изображающие настоящее изобретение. На фиг.1 показан фильерный комплект с впускным отверстием 1 для прядильного раствора. Прядильный раствор подается в центр нагреваемой верхней части 2 (крышки) прядильного блока. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения по меньшей мере в этой крышке предусмотрены средства, позволяющие осуществлять паровой нагрев корпуса для обеспечения контроля температуры прядильной массы. С крышкой 2 соединена проволочная сетка 3, которая расположена на распределительной решетке 4.
Четырехсторонние фильерные пластины 5 расположены в корпусе 7 фильерного комплекта, который, опять-таки, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предпочтительно может нагреваться посредством пара. Фильерные пластины отделены друг от друга участками 6. Эти участки 6 в то же время служат в качестве армирования распределительной решетки 4. В соответствии с настоящим изобретением также предпочтительно, если эти участки соединены с корпусом фильерного комплекта и, кроме того, предпочтительно, если эти участки также подходят для нагрева паром.
[0015] На фиг.2 показан вид сверху корпуса 7 фильерного комплекта и фильерных пластин 5. Кроме того, показаны ряды 8 отверстий для прядения элементарных нитей и столбцы 9 этих отверстий фильерного комплекта. Линии 7а и 7b определяют площадь, доступную для фактического прядения элементарных нитей и, соответственно, определяют отношение сторон.
[0016] Как указано выше, было признано эффективным, если фильерный комплект позволяет осуществлять паровой нагрев крышки фильерного комплекта или корпуса фильерного комплекта, но и паровой нагрев рядом с отдельными фильерными пластинами, а также с крышкой, например, за счет обеспечения каналов для парового нагрева, также внутри корпуса, в котором расположены отдельные фильерные пластины (корпус фильерного комплекта), или, при наличии, также в любых частях корпуса фильерного комплекта, образующих отдельные корпусы фильерных пластин в большем корпусе фильерного комплекта (вследствие чего каждая фильерная пластина окружена отдельным корпусом, что может быть преимущественным с точки зрения устойчивости к давлению всей конструкции фильерного комплекта, т.е. участков (6)).
[0017] Неожиданно было обнаружено, что за счет использования пара в качестве нагревательной среды может быть обеспечена очень равномерная температура внутри прядильной массы, вследствие чего получаются однородные элементарные нити.
[0018] Термин «пар» в контексте настоящего документа относится к воде в газообразной фазе, и предпочтительно обозначает сухой пар (т.е. пар, не содержащий капель воды) и сверхкритический пар. Температура пара предпочтительно находится в диапазоне от 105 до 138°С, предпочтительно от 110 до 130°С, при давлении от 1,0 до 4 бар, предпочтительно от 1,2 до 3,8 бар, более предпочтительно от 1,5 до 3,4 бар (т.е. не пар низкого давления, а пар избыточного давления предпочтительно от 0,2 до 2,8, в частности от 0,5 до 2,4 бар). Предпочтительно пар представляет собой насыщенный пар. Как, в частности, показано в примерах, при использовании избыточного давления неожиданно может быть достигнуто повышение однородности получаемых элементарных нитей.
[0019] Настоящее изобретение, конечно, также предусматривает комбинацию типов нагрева, например, паровой нагрев крышки и электрический нагрев корпуса фильерного комплекта и т.д. Если фильерный комплект, используемый в соответствии с настоящим изобретением, предусматривает возможность парового нагрева по меньшей мере крышки, можно использовать любые комбинации способов обеспечения нагрева.
[0020] Отдельные части фильерного комплекта могут быть изготовлены из обычных материалов, используемых в данной области техники, таких как (нержавеющая) сталь. Поскольку целью настоящего изобретения является предоставление надлежащего контроля температуры (включающего, в частности, удовлетворительную теплопередачу), для изготовления соответствующих частей фильерного комплекта предпочтительны материалы, обеспечивающие удовлетворительную теплопередачу.
[0021] Тип и форма отдельных фильерных пластин не являются критическими, например, могут использоваться те, которые раскрыты в документе WO 03/014429. Аналогично, количество фильерных пластин, расположенных в корпусе фильерного комплекта с несколькими фильерными пластинами, обычно не ограничено. Однако для фильерных комплектов согласно настоящему изобретению предпочтительно, когда в корпусе расположено вплоть до 100, предпочтительно от 30 до 60 фильерных пластин. Количество отверстий в фильерных пластинах также не ограничено. Однако, как правило, предпочтительно, когда отдельные фильерные пластины в случае заявленных фильерных комплектов содержат от 3 до 1000, предпочтительно от 20 до 300, более предпочтительно от 30 до 120, отверстий для прядения элементарных нитей.
[0022] Настоящее изобретение в предпочтительном варианте осуществления предоставляет фильерный блок, который содержит нагреваемую паром крышку, сетчатую насадку, распределительную решетку и фильерный комплект (корпус фильерного комплекта и необязательные отдельные фильерные пластины, расположенные в корпусе, если корпус еще не является отверстием для прядения комплексной нити) согласно настоящему изобретению, с определенным отношением сторон. Преимущественно подачу материала в фильерный блок осуществляет только один прядильный насос, т.е. подача раствора целлюлозы в фильерный блок осуществляется одним насосом. Каждая фильерная пластина в фильерном комплекте в этом случае соответствует одной нити или комплексной нити, состоящей из нескольких элементарных нитей, полученных из нескольких отверстий для прядения в этой фильерной пластине.
[0023] Как правило, прядильная масса (прядильный раствор) фильтруется перед перемещением в прядильный блок. В процессе фильтрации хорошо зарекомендовали себя свечные фильтры, например, фильтры из металлической ваты с тонкостью фильтрации от 5 до 50 пм. Можно использовать и другие средства, такие как текстильные или тканевые фильтры (полотна, сетки и т.д.), при условии, что тонкость фильтрации соответствует требуемой для процесса получения лиоцелла. Предпочтительными являются свечные фильтры. Приготовление целлюлозных прядильных растворов в соответствующих растворителях, например, в N-оксиде третичного амина и, необязательно, воде, известно специалистам в данной области техники и описано, например, в документе WO 98/06754 и процитированной в нем литературе, поэтому оно не будет дополнительно описано в настоящем документе.
[0024] Перед тем как прядильный раствор достигнет фильерного комплекта, он преимущественно проходит через сетчатую насадку, которая может, например, быть выполнена из металлической плетеной ткани с тонкостью фильтрации от 15 до 50 пм. Эта сетчатая насадка расположена непосредственно на распределительной решетке, за которой следует собственно фильерный комплект, который состоит из вышеописанного корпуса и фильерных пластин. Фильерные пластины предпочтительно приварены к корпусу. Фильерный блок, например, выполнен из высококачественной нержавеющей стали.
[0025] Нагреваемая паром крышка фильерного блока предназначена для обеспечения равномерного распределения прядильного раствора по всей длине и ширине фильерного комплекта. В этом процессе прядильный раствор может подаваться в центр крышки, например, посредством гибкой металлической трубки или металлического канала. Предпочтительно они могут нагреваться, например, путем обеспечения нагревательных рубашек или двустенных структур, которые позволяют подавать нагревательную среду. Подходящими примерами являются гибкие двустенные трубки, которые позволяют, например, осуществлять нагрев посредством воды или пара. Объем крышки предпочтительно поддерживается небольшим, поскольку прядильный раствор при повышенных температурах и длительном времени выдержки имеет тенденцию к реакциям разложения. С другой стороны, время выдержки должно быть достаточно большим, чтобы поддерживать прядильный раствор при постоянной температуре по всей длине и ширине. Таким образом, обеспечивается высокая равномерность потока прядильного раствора. Таким образом, в каждое отверстие в фильерной пластине поступает одинаковое количество раствора целлюлозы, и получаемые в результате элементарные нити или нити обладают очень высокой однородностью. В связи с этим, как уже отмечалось, предпочтительно, если не только крышка может нагреваться паром, но также и корпус фильерного комплекта, в том числе участки, предусмотренные для крепления отдельных фильерных пластин.
[0026] Специалист в данной области техники в состоянии определить размеры крышки путем простых экспериментов и соответствующих реологических вычислений. Под крышкой обычно находится распределительная решетка, на которой расположена проволочная сетка. Проволочная сетка или сетчатая насадка предназначена для конечной фильтрации перед фильерным комплектом и защищает относительно тонкие прядильные отверстия в фильерных пластинах от загрязнения. Отверстия для прядения элементарных нитей предпочтительно характеризуются диаметром от 30 до 200 пм, более предпочтительно от 60 до 130 пм. Кроме того, падение давления потока, обусловленное проволочной сеткой, служит для повышения равномерности прядильного раствора в отношении давления, температуры и однородности по длине и ширине всего фильерного комплекта. Распределительная решетка также служит для обеспечения равномерности прядильного раствора в отношении давления, температуры и однородности по длине и ширине всего фильерного комплекта, а также для поддержки проволочной сетки.
[0027] Согласно предпочтительному варианту осуществления распределительная решетка выполнена из материала с высокой теплопроводностью. В отличие от обычно используемых распределительных решеток или опорных пластин, при использовании материалов с высокой теплопроводностью температуру прядильного раствора можно сделать равномерной даже под прямым углом (поперечным) к направлению потока и, таким образом, во всех положениях прядения. В этом случае предпочтительно использовать материалы для распределительной решетки, удельная теплопроводность которых превышает приблизительно 50 Вт/(м*K), предпочтительно приблизительно 80 Вт/(м*K). Примерами таких материалов являются карбиды кремния (приблизительно 100 Вт/(м*K)).
[0028] Как упомянуто выше, фильерные пластины обычно по отдельности приварены к корпусу. Фильерные пластины фильерного комплекта согласно настоящему изобретению предпочтительно являются плоскими и характеризуются толщиной в этом случае от 1 до 3 мм, предпочтительно от приблизительно 1,5 до 2 мм, и рассчитаны на давление приблизительно выше 60 бар.
[0029] Благодаря равномерному распределению тепла в фильерном комплекте согласно настоящему изобретению, а также в фильерном блоке, который содержит этот фильерный комплект, можно очень экономично производить большое количество целлюлозных комплексных нитей с одновременно хорошим качеством и стабильностью процесса. Это особенно актуально при скорости прядения элементарных нитей более 500 м/мин, предпочтительно более 800 м/мин. В принципе, нет никаких ограничений на достижимые скорости прядения. Даже при скорости 1500-2000 м/мин получаются элементарные нити очень хорошего качества.
[0030] Хотя настоящее изобретение было описано выше в основном в контексте нагреваемого паром фильерного комплекта/фильерного блока, специалисту в данной области техники будет понятно, что это описание также применимо к заявленному способу нагрева фильерного комплекта, а также к заявленному способу получения элементарных волокон лиоцелла. В частности, в связи с производством элементарных нитей лиоцелла специалисту в данной области техники будет понятно, что с помощью парового нагрева, как описано в настоящем документе, можно достичь улучшения, в частности, в отношении однородности полученных элементарных нитей лиоцелла, улучшение, которое не раскрыто и не предложено в предшествующем уровне техники. Способ получения элементарных нитей лиоцелла согласно настоящему изобретению обычно включает стадии, описанные в абзацах [0023] и [0024], а также обычные стадии подготовки для получения прядильной массы/раствора в соответствии с процессом получения лиоцелла. Прядение осуществляется типичным способом, часто с использованием воздушного зазора между фильерным комплектом и коагуляционной ванной. Типичные последующие стадии включают промывку и обработку после прядения (нанесение средств для обработки поверхности элементарных нитей и т.д.), а также стадии сушки и намотки.
Примеры
[0031] Элементарные нити лиоцелла были получены с использованием идентичных прядильных растворов при стандартных условиях, с применением фильерных комплектов с различным отношением сторон, а также различных средств нагрева фильерного комплекта (нагрев водой (118°С) или паром (118°С, 1,9 бар), нагреваемыми областями фильерного комплекта/фильерного блока были крышка и корпус фильерного комплекта). Полученные в результате элементарные нити оценивали по линейной плотности элементарных нитей (средняя, а также минимальная и максимальная линейная плотность), и вычисляли стандартные отклонения. В контексте настоящего изобретения стандартное отклонение (STD) 0,15 или менее считается приемлемым, причем значения STD менее 0,15, в частности 0,1 или менее, являются предпочтительными.
[0032] Было обнаружено, что для фильерных комплектов круглой формы (диаметр 50 см или более), а также фильерных комплектов, имеющих отношение сторон менее 2, могут быть получены удовлетворительные элементарные нити, со значениями STD приблизительно 0,15, даже при использовании воды в качестве нагревательного средства.
[0033] При использовании прямоугольных фильерных комплектов с отношением сторон 12 и 15 соответственно, водяной нагрев позволил получить элементарные нити со значениями STD более 0,15, а в некоторых вариантах осуществления - 0,2 или более. В противоположность этому, при идентичных условиях, паровой нагрев фильерного комплекта позволил получить элементарные нити со значениями STD менее 0,15, в некоторых вариантах осуществления даже менее 0,1.
[0034] Дополнительные эксперименты проводились в соответствии с приведенной ниже таблицей. Значения в столбцах °С и бар определяют температуру используемой нагревательной среды, а также, в случае пара, давление, которое при данной температуре необходимо для получения этой температуры в насыщенном паре.
Результаты снова подтверждают концепцию настоящего изобретения, а именно, что при использовании парового нагрева однородность получаемых элементарных нитей значительно увеличивается для прямоугольных фильерных комплектов с определенным отношением сторон. Даже когда и крышка, и корпус фильерного комплекта нагреваются водой, однородность не достигает уровня, достигаемого при паровом нагреве. Эти результаты также подтверждают, что в соответствии с настоящим изобретением могут быть достигнуты значения STD, равные 0,14 или менее, в то время как водяной нагрев обеспечивает однородность элементарных нитей, соответствующую значениям STD 0,15 или выше.
[0035] Соответственно, настоящее изобретение предоставляет средство для обеспечения однородности линейной плотности посредством контроля температуры в фильерном комплекте с помощью парового нагрева.