9000吨年粗旦涤纶工业丝车间设计.docx
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9000吨年粗旦涤纶工业丝车间设计
XX大学
毕业论文
题目:
9000吨/年粗旦涤纶工业丝车间设计
姓名:
指导教师:
学科专业:
高分子材料与工程
XX大学化学化工学院
2010年5月
摘要
涤纶工业丝是指高强、粗旦的涤纶工业用长丝,其纤度不小于550dtex。
根据其性能可分为高强低伸型(普通标准型)、高模低收缩型等。
其中高模低收缩型涤纶工业丝由于具有断裂强度大、弹性模量高、延伸率低、耐冲击性好等优良性能,在轮胎和机械橡胶制品中有逐步取代普通标准型涤纶工业丝的趋势。
本设计采用国产高粘聚酯切片为原料,以FDY一步法进行纺丝。
设计出一条合理的生产工艺流程,设定各个工艺参数和设备,通过固相缩聚,转鼓增粘,纺丝,卷绕,生产出1100dtex/210F,1667dtex/192F,880dtex/210F三种规格的涤纶工业丝,以满足市场需求。
关键词:
涤纶工业丝,固相缩聚,转鼓增粘,工艺流程
ABSTRACT
Polyesterindustrialyarnreferstohigh-strength,coarsedenierforindustrialuseofpolyesterfilament,anditsdenierislargethan550dtex.Thebasisoftheirperformancecanbedividedintohigh-strengthlow-stretchtype(generalstandard),highmoduluslowshrinkagetypeandsoon.Thehighmoduluslowshrinkage-typepolyesterindustrialyarnwithabreakingstrengthasaresultoflarge,highelasticmodulus,lowelongation,goodimpactresistanceandotherexcellentperformance,inthetireandmechanicalrubberproductsaregraduallyreplacingtheordinarystandardpolyesterindustrialyarntrend.
ThePETindustrialyarnswerespunwiththematerialofhighviscosityPETchipsinFDYspinningprocess.Areasonableoperationtechnologywasdesignedinthearticle.Aftersolidphasepolycondensation,spinningandconvolutionproducesthreedifferentcategoriesofPETindustrialyarnsof1100dtex/210F,1667dtex/192Fand880dtex/210Fwereproductedtosatisfythemarket’sdemand.
Keywords:
polyesterindustrialyarns,operationpath,solidphasepolycondensation,process
第一章绪论
1.1项目要求
此次项目是9000吨/年涤纶工业丝项目设计,采用一步法设计一个生产车间。
其中1100dtex/210F4500t,1667ex/192F2250t,880dtex/210F2250t。
1.2涤纶工业丝的定义
涤纶工业丝是指高强、粗旦的涤纶工业用长丝,其纤度不小于550dtex。
1.3涤纶工业丝的用途
由于涤纶工业丝具有强度高,模量小,伸长小,耐热,耐冲击,抗疲劳性能好等优点,因而是橡胶骨架和许多工业用纺织品的良好材料。
涤纶工业丝的分类
1.4涤纶工业丝的发展概况
1.4.1国外涤纶工业丝的发展
世界涤纶工业丝的生产自20世纪60年代初,美国成功研制涤纶(聚酯)帘线以来,经过四十多年的不断研制和完善,涤纶工业丝从生产工艺、装备及应用日趋成熟[1]。
由于涤纶工业丝具有断裂强度高和高模量、低延伸、耐冲击、耐疲劳、耐热性好等优良的物理机械性能,同时生产成本较低,生产环境较好,因而获得了迅速发展。
涤纶工业丝[2]已成为橡胶制品的骨架材料之一,在乘用车轮胎、传动带、运输带、安全带、水龙带等方面有着广阔的应用前景。
近几年来应用于涂层织物、过滤布、土工布等领域,获得了良好效果。
2009年美国涤纶工业丝产量为1170k吨/年,日本156k吨/年,西欧130k吨/年[3]。
1.4.2我国涤纶工业丝的发展
我国涤纶工业长丝的发展起步较晚。
20世纪80年代中后期,上海化纤14厂、上海化纤l1厂、无锡合成纤维总厂、汪清化纤厂、银川化纤厂、四平化纤厂、抚顺化纤厂、枣庄化纤厂、湖北化纤厂等企业自筹资金相继引进了美国、德国的小规模生产装置,生产线年产能600吨、1200吨、2000吨不等,合计普通型涤纶工业长丝年产能力为13000吨。
但在试生产中出现很多问题,产量质量极不稳定[4]。
原化工部和纺织部组织当时生产锦纶帘子布的上海化纤14厂、蚌埠帘子布厂、无锡三力帘帆布厂等中小企业捻线、织布、浸胶涤纶帘子布和帆布,希望运输带、三角带等橡胶厂试产使用。
这就是涤纶工业长丝国内生产的初始阶段[5]。
20世纪90年代初期。
上海石化涤纶厂引进了日本东丽公司涤纶工业长丝年产6000吨成套生产线,成为当时涤纶工业长丝最大的引进项目。
因为是软件、硬件成套引进,所以开车投产顺利,产品质量优良,从此拉开了涤纶工业长丝的发展序幕[6]。
随后,开平联新公司5000吨/年、无锡太极二期工程7000吨/年等生产线相继建成投产,并均有从国外引进的帘子布、帆布后加工工序相配套。
上海金泰帘子布厂引进的捻线、织布、浸胶设备(二浴法),年生产能力达4000~6000吨,山东安丘帘子布厂引进美国、德国的捻线、织布、浸胶设备(二浴法),年生产能力40006000吨。
这些生产线的建设都有利于涤纶帘子布上下游产品市场的均衡发展。
2002年,黑龙江龙涤公司10000吨/年涤纶工业长丝项目、浙江海利得公司15000吨/年和韩国晓星(嘉兴)公司9000吨/年项目相继投产,使我国涤纶工业长丝进人快速发展阶段。
2005年,上海石化三期12000吨/年、浙江海利得二期15000吨/年、上海温龙8000吨/年、台湾新光(杭州)华春15000吨/年、浙江古纤道18000吨/年、黑龙江龙涤二期25000吨/年、韩国晓星(嘉兴)二期6000吨/年、无锡太极13000吨/年等生产能力相继投产,涤纶工业长丝的产能几年时间就迅速增加了约14万吨/年。
我国涤纶工业长丝经过近5年的高速扩容,总产能已占世界总产能的34.9%,产量已达领先地位[7]。
近几年涤纶工业长丝的高速发展,为国内外后加工应用客户提供了充足的货源和选择余地,同时国内涤纶工业长丝的价格走势也影响着周边地区和国家,乃至世界的价格走势。
据中国橡胶工业协会骨架材料专业委员会16家会员企业统计资料显示,2006年生产涤纶普通型工业长丝11.46万吨,涤纶高模低缩工业长丝6.61万吨。
2007年,企业计划生产涤纶普通型工业长丝14.15万吨,涤纶高模低缩工业长丝8.95万吨[8]。
因此,涤纶工业丝的开发在我国还是具有一定的发展前景的。
1.5生产涤纶工业丝的要求
一、原料聚酯切片的要求
1.粘度
聚酯的分子质量在很大程度上决定着纤维的性能。
分子质量太高,则大分子链太长,难以展开和伸直,而使分子取向所需的力也大,并有可能导致不完全取向;但分子质量太低,则大分子链短,在喷丝孔挤出和拉伸取向时,在张力下易产生断裂,故其平均分子质量应适中。
在纺丝生产中,熔体粘度特指熔体特性粘数。
它表征熔体高聚物分子质量的大小和分子质量分布,以η来表示。
高聚物的分子质量分布对熔体纺丝性能也有较大的影响,分子质量分布宽的切片含有较多的低分子尾端,使熔体细流强度降低,影响纺丝速度[9]。
2.端羧基含量
端羧基含量是表征PET产品质量的一个重要指标,端羧基来源主要有两种,其一,从预聚物中带来的端羧基;其二,聚酯生产过程中物料降解生成的端羧基,它为热降解和热氧化降解引起的副反应产物[10]。
端羧基含量的高低直接影响聚酯产品的热稳定性,并影响纺丝后加工。
在熔体直接纺丝生产中,聚酯熔体的端羧基含量波动将引起纺丝部分无油丝中端羧基含量的波动。
在直纺生产中发现,将无油丝端羧基含量控制在27~30mol/t,生产状况较稳定,并可以由此来确定聚酯熔体中端羧基含量[11]。
3.二甘醇(DEG)含量
聚酯中二甘醇的含量实质上是指它的醚键含量[12]。
聚酯中二甘醇的来源一是聚合过程中二元醇的副反应,由于过量的乙二醇存在而生成二甘醇乃至三甘醇;另一来源是聚合时在缩聚釜中人为地加入二甘醇。
直纺生产对二甘醇含量要求高一些,一般要控制在1.0%~1.2%。
二、纺丝温度
聚酯高分子在熔融纺丝中处于粘流态,在正常纺丝时必须处于适宜的温度环境下,要求熔体有良好的流动性能和均匀性[13]。
温度过低,熔体流变性能和均匀性差,易造成毛丝和断头,且纤维有较高的强度和较低的伸长。
而温度过高时,聚合物会发生较大的热降解,可纺性变坏,甚至不能正常纺丝和卷绕[14]。
1.熔体输送温度
熔体输送部分在直纺生产装置中一般由液相热媒保温加热,也有采用气相热媒加热的。
这一段熔体管道长,流量大,热媒温度的选择主要基于3方面:
一是无油丝粘度降;二是熔体停留时间[15]。
无油丝粘度降是指从聚酯出口取样的熔体粘度与从喷丝板刚挤出的未上油纤维粘度的差值。
无油丝粘度降的大小表示熔体在纺丝部分热降解的程度。
在涤纶长丝生产中,无油丝粘度降一般控制在0.02左右,它与熔体输送液相热媒温度和纺丝气相热媒温度有直接的关系[16]。
为防止在前端出现大的降解,一般设定液相热媒温度稍低,后面纺丝气相热媒温度稍高。
熔体停留时间长,在相同的温度下,降解要大一些,因此在直纺熔体管道设计中最小产量时熔体停留时间不超过30min[17]。
2.纺丝温度
由于高速纺丝需要有较好的熔体流动性,因此纺丝温度较高。
纺丝温度除了与无油丝粘度降有关外,还与产品规格有关。
一般情况下,总线密度越大,纺丝温度越低;单丝线密度越大,纺丝温度越低;但在总线密度较大而单丝线密度较小时,需根据实际生产情况进行微调。
纺丝温度一般控制在286~295℃之问,FDY产品的纺丝温度一般略高于POY产品[18]。
第二章工艺及设备参数
2.1涤纶工业长丝生产主要工艺
涤纶工业长丝生产通常有一步法和二步法之分。
目前国内进口设备生产涤纶工业长丝基本上都采用纺丝牵伸卷绕一步法生产,其主要生产工艺流程如下。
图2-1工艺流程图
2.1.1生产工艺对原料的要求
涤纶工业长丝所用原料为高粘度切片,要求其分子量高且分布特性粘度要求达到η≥1.00,热稳定性好,端羧基含量少,杂质水分含量低的大有光高粘度切片。
高粘度切片通过采用间歇法固相聚合和连续法固相聚合方法制造得到。
一般规模在6000吨/年以上的装置适宜采用连续固相聚合生产方法;生产规模小一些的适合采用间歇固相聚合方法[19]。
2.1.2物料衡算
图2-2物料平衡图
此项目的设计是9000吨/年的涤纶工业丝,其中1100dtex/210F,4500t;1667dtex/192F,2250t;880dtex/210F,2250t。
设9000t涤纶工业丝的总量为W,在卷绕过程中损失的涤纶工业丝即废丝为3%,则卷绕前的丝的总量Q1=W÷(1-0.03)=9000÷0.97=9278t,则产生的废丝W1=Q1×0.03=278t
上油率为1%,上油前的丝的总量为Q2=Q1÷(1+0.01)=9278÷1.01=9186t,上油所需的量为W2=Q2-Q1=9278-9186=92t。
在纺丝拉伸过程中没有丝的损失,固相缩聚的过程中,水分的损失为0.1%,固相缩聚前熔体的总量为Q3=Q2÷(1-0.001)=9186÷0.999=9195t,水的蒸发量为W3=Q3×0.001=9t;
切片熔融过程中废料为0.2%,熔融前原料量为Q4=Q3÷(1-0.002)=9195÷0.998=9213t,设废料的量为W4=Q4×0.002=3071×0.002=18t;
原料进入料斗前要经过振动筛的筛选,剩余的原料作为缩聚的原料,产生的废料为0.1%,设废料的量为W5=Q4÷0.999×0.001=9213÷0.999×0.001=9t,原料所需总量为W0,则W0=W+W1-W2+W3+W4+W5=9000+278-92+9+18+9=9222t
此项目共需PET原料9222吨。
2.1.3产能计算:
9000吨/年涤纶工业丝,其中1100dtex/210F4500t,1667dtex/192F2250t,880dtex/210F2250t
卷绕速度为2600m/min。
(1)1100dtex/210F4500t:
涤纶工业丝的线密度为1100dtex,即10000m涤纶工业丝的重量为1100g,则一个纺丝组件一天的产量为:
Q1=1100x2600x60x24/10000x1000x1000=0.41184吨/天
一年按330天来计算,则一年的产量为:
Q2=Q1x330=0.41184x330=135.9072吨/年
设计为4500吨每年,则共需的纺丝组件为:
N=4500/135.9072=32个
需要纺丝组件32个,设每个纺丝位有4个纺丝组件,则共需8个纺丝位。
(2)1667dtex/192F2250t:
涤纶工业丝的线密度为1667dtex,即10000m涤纶工业丝的重量为1667g,则一个纺丝组件一天的产量为:
Q1=1667x2600x60x24/10000x1000x1000=0.624125吨/天
一年按330天来计算,则一年的产量为:
Q2=Q1x330=0.624125x330=205.96118吨/年
设计为2250吨每年,则共需的纺丝组件为:
N=2250/205.96118=11
需要纺丝组件11个,设每个纺丝位有4个纺丝组件,则共需4个纺丝位
(3)880dtex/210F2250t:
涤纶工业丝的线密度为880dtex,即10000m涤纶工业丝的重量为880g,则一个纺丝组件一天的产量为:
Q1=880x2600x60x24/10000x1000x1000=0.329472吨/天
一年按330天来计算,则一年的产量为:
Q2=Q1x330=0.329472x330=108.72576吨/年
设计为2250吨每年,则共需的纺丝组件为:
N=2250/108.72576=21
需要纺丝组件21个设每个纺丝位有4个纺丝组件,则共需6个纺丝位
2.2设备选型
2.2.1对设备的要求
(1)挤压熔融
螺杆挤压机在整个工作过程中对切片熔融均匀,热降解低,熔体粘度损失小,使纺丝制备得到良好的熔体。
(2)预过滤器
被过滤的油品由进口管进入过滤器壳体的下部,然后从外向内流过滤芯,这是较粗的颗粒便会沉淀下来较小的颗粒被滤芯拦截。
最后干净的油品经滤芯托盘汇集后,由出口管流出过滤器[20]。
随着被过滤的油量增加,沉积在滤芯上的污染物会引起过滤器的差压上升。
(3)熔体输送系统(含熔体管路、纺丝箱体、计量泵传动)
计量泵前压差≥30MPa。
纺丝箱体内熔体管路中管壁光滑,无死角,易于熔体流动。
(4)联苯加热系统
加热温度均匀,控温精度±0.5℃,各点纺丝温度差异≤1℃。
(5)侧吹风装置
吹风均匀,横向吹风速度极差≤±10%。
(6)热牵伸辊
表面温度控制精度≤±1.5℃
(7)纺丝牵伸卷绕机四对热辊牵伸,最后卷绕,速度为2600m/min。
2.2.2主要设备特征
固相缩聚合装置
选用间歇式固相缩聚,投资省,占地小,存在批与批间的质量差异,反应后的切片直接和挤压机相联结,不与外界接触,对提高质量有利,适用于原料来源稳定和生产规模在15t/d以上的较大企业,国外一般在30t/d以上。
纺丝机
(1)螺杆挤压机
为避免聚酯切片在螺杆挤出机中的降解,并且保证熔体良好的流动性,螺杆采用特殊设计,除适当设置混炼头外,对压缩比、进料段,压缩段,计量段的分配进行合理选择。
为了减少聚合物的降解和粘度降,螺杆挤压机的转速不宜太高,选择最佳转速为15~40r/min。
拖动采用交流异步电动机变频调速。
针对工业长丝粘度大、反压大,故选配加强型齿轮箱。
设有压力上下限报警、上下限停车、螺杆转速超速停车(超设定15%)以及超温度上限停止加热功能。
(2)纺丝箱体
纺丝熔体通过熔体分配管路进入纺丝箱体。
在纺丝箱体内熔化的聚合物通过一个特殊的管道分配网络,保证熔体以相等的滞留时间输送到每一个纺丝部分,无死角。
由于工业长丝熔体粘度大、压力降大,故管道的管壁应较厚,以承受较大的压力。
纺丝计量泵的作用是将聚酯熔体增压,连续、准确地供给纺丝组件以用于纺丝。
为保证计量准确,其传动由永磁同步变频电动机带动,变频器调整频率控制。
纺丝箱由联苯蒸汽加热,控温精度±1℃。
(3)纺丝组件
工业丝组件因单丝纤度大,孔数较多,采用高压自封式圆形组件,喷丝板直径为160mm,喷丝孔约为0.4~0.6mm,L/D为1.1~2.0。
(4)缓冷装置
工业用长丝由于强度要求高,初生纤维的结构要求严格,纤维内外均匀一致,在喷丝板下,设置延迟冷却区,使熔体出喷丝板后300mm范围内在280~320℃的热空气保留一段时间不致于迅速冷却。
一方面可使熔体不易产生破裂现象,另一方面可使熔体大分子缓慢冷却,消除内应力,使纺丝预拉伸在初生纤维凝固成形前的熔体细流阶段完成,各部位间取向度均一化,获得取向度低、无结晶结构和拉伸性能良好的初生纤维。
(5)冷却吹风装置
采用侧吹风,由于单丝纤度和总纤度大,要求侧吹风风窗冷却高度长,有效吹风面积需求大,风量大,侧吹式操作方便。
(6)牵伸卷绕机
四对热辊对丝进行牵伸,卷绕机采用BWA840型。
(7)上油装置
为减少静电增加丝束抱合,丝束在进入牵伸区前进行上油,油剂从狭缝流出。
油剂通过油剂泵定量输送。
油剂不但可以选择原液,还可以选择乳化液,以降低油剂使用成本。
(8)导丝系统
丝束经上油后,再经过各种导丝棒稳定通过喂入辊后进入各牵伸辊。
(9)热牵伸辊
设有四对不同速度、不同温度的热牵伸辊(见图2-3)对初生纤维进行牵伸和热定型。
热牵伸辊均为汽相电感应加热。
热牵伸辊直径为190mm,长度为350mm。
在保证辊体高效传热的同时确保热辊上长向各点温度均匀[(80±1.0)~(250±1.0)℃)]。
通过调整热牵伸辊的速度可以调整纤维的牵伸比,调整各辊的温度可以得到不同的强度、伸长和热收缩率的丝束。
第一对热牵伸辊
508m/min
100℃
第二对热牵伸辊
1800m/min
150℃
第三对热牵伸辊
2600m/min
235℃
第四对热牵伸辊
2585m/min
200℃
进入卷绕机
丝束中心
上油
图2-3热牵伸辊排布示意图
(10)卷绕成型
牵伸定型后,丝束根据下游产品的需要经过网络器网络,然后在全自动换筒卷绕头卷绕成型(卷绕速度≤4000m/min),卷绕机采用BWA840型。
动导为250mm,卷重可达10Kg。
满筒后经自动换筒放至原丝筒车上送去分级检验或包装出厂,进行后续加工。
纺丝工艺及产品物理性能
1100dtex/210F选用Φ160螺杆挤压机;1667dtex/192F和880dtex/210F均选用Φ120螺杆挤压机。
虽然各螺杆直径不同,但主要工艺参数基本相同。
各部件参数(见表2-1——表2-2)
表2-1干燥工艺参数
工艺
参数
结晶温度
干燥温度
空气露点
压缩空气量
时间
料位
180℃
170℃
≤-80℃
4-5m3/min
4-6h
75%
表2-2纺丝工艺参数
工艺
参数
螺杆各区温度
一区280℃二区290℃三区292℃四区295℃五区295℃六区295℃
挤出头温度
290℃
滤后压力
10MPa
纺丝箱温度
290℃
缓冷器
300℃
联苯锅炉
290℃/290℃
冷凝罐
290℃
组件压力
155Kg/cm3
计量泵转速
20r/min
各辊的速度
喂入辊500m/min第一对热牵伸辊508m/min第二对热牵伸辊1800m/min
第三对热牵伸辊2600m/min第四对热牵伸辊2585m/min
各辊的温度
第一对热牵伸辊100℃第二对热牵伸辊150℃
第三对热牵伸辊235℃第四对热牵伸辊200℃
2.设备配置
整个纺丝工艺共有18个纺丝位,其中1100dtex8个纺丝位,1670dtex4个纺丝位,880dtex6个纺丝位,设定一条生产线。
干燥增粘设备
(1)真空加料器——数量1只,将高聚物原料从料仓吸到料斗。
(2)干燥器800KG——数量1只,400KG——数量2只,用于干燥PET。
(3)预结晶器,800KG/HR——数量1只,400KG/HR——数量2只,处理PET,用于后期干燥。
(4)中间料仓800KG——数量1只,400KG——数量2只,用于放干净的原料,用真空加料器自动加料。
(5)增粘转鼓8000KG——数量1只,4000KG——数量2只,用于对切片进行增粘,时间为4-6小时。
(6)输送管——数量3根,连接干燥器和中间料仓到螺杆。
纺丝设备
螺杆挤压机——数量3台,分别为Ф160mm一台,L/D为25:
1,螺杆转速为30~70r/min,电动机功率为132KW,Ф120mm两台,L/D为25:
1,螺杆转速为15~40r/min,电动机功率为115KW。
测量头
(7)测量头装在螺杆的出料端,用于测量熔体的温度和压力。
温度及压力检测点均与熔体直接接触,保证了测量数据的真实可靠。
(8)熔体管道
由于涤纶工业丝的熔体初始黏度高,温度也高,故通过管道时的压力、热降解相应更大,故该管道越短越对纺丝有利。
因此,设计的管道(从测量头至纺丝箱入口)只有1.2m。
(9)熔体过滤器
(10)熔体输送管
熔体分配管—数量18根,把熔体分配管输送过来的熔体分配到各个纺丝位,到每个位的熔体滞留时间相等。
每根分配管由独立控制加热的联苯蒸汽加热夹套式隔热材料隔热。
纺丝箱体——数量1只,18部位,每部位4只组件,72束丝。
组件下装垂直式计量泵传动,带联苯,设计工作温度350℃。
主要焊接的设计和结构符合ASME压力容器VIII,提供许可证HILIS提供安装在箱体上的所有检测器。
每股熔体在泵座,纺丝组件,熔体计量泵和最后的熔体输送管,在熔体分配管和泵座之间的管道上装有冷冻阀,已全部装配好,保温层外为不锈钢板。
(11)熔体计量泵—数量18只,行形式泵,一进四出,15CC/RAD——数量1只,20CC——数量1只,10CC——数量1只。
(12)熔体计量泵传动装置——数量18只,垂直式传动,每只泵有自己的传动轴,齿轮箱和直流同步电机驱动。
(13)纺丝组件——数量72套矩形组件,每个组件一束丝。
(14)组件辅助装置——数量1套,组件安装工具
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