CN112831849B - 一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，步骤为：S1：将无锑聚酯直纺熔体从终聚釜流出至从纺丝组件喷丝板挤出的输送过程分为如下单元：传输管道、增压泵、热交换器、熔体过滤器、静态混合器、计量泵以及纺丝组件；S2：对各单元建立熔体输送和分配数学模型，并根据模型分别计算和模拟各单元输送过程中的压力降、温升、粘度降以及停留时间；S3：根据模拟结果得出熔体的粘度降、温升及停留时间的权重关系式；S4：根据确定的权重关系式优化熔体输送与分配工艺参数。本发明结合工艺设计和模型建立，即能够保证无锑聚酯熔体及时散热和混合均匀，又能通过模型提前预测产品的性能好坏，确定优化的工艺参数，保证熔体品质的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及熔体输送技术领域，尤其是涉及一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法。
背景技术
聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是乙二醇和对苯二甲酸的缩聚反应产物，是高结晶度、高熔点(260℃左右)的线性大分子。作为一种热塑性聚酯，PET具有良好的力学性能、电绝缘性、耐化学药品性等特性。聚酯纤维的生产主要是通过熔体直纺的方式进行，而熔体输送是其中一个关键环节，熔体输送的质量对纺丝成形质量有极大影响，熔体温度过高，会导致聚酯产生降解，形成气泡，温度过低，会导致熔体粘度过高，产生纺丝断头等一系列问题。
传统的PET制备过程中一般使用锑系催化剂，然而采用锑系催化剂制备的聚酯在生产及后续整理过程中存在重金属锑的污染问题，在环保意识越来越强的今天，用无毒环保的钛系催化剂代替传统的锑系催化剂是聚酯产品开发的趋势。然而，钛系聚酯有别于常规锑系聚酯的最大一个特点就是其催化活性高，导致无锑聚酯耐热降解性能较差，易变黄，高温下粘度降大，造成低聚物较多影响粘度和熔体强度，导致纺丝的时候断头和断纱较多。为提高无锑聚酯的熔体品质，研究熔体输送过程的各参数与聚酯熔体的品质即性能参数的关系进而解决熔体在输送过程中所产生的问题是至关重要的。
目前行业内并未针对无锑聚酯熔体输送过程的各参数与聚酯熔体的品质的关系展开系统研究，一般都是利用传感器实时采集熔体的部分性能参数或者建立机理模型以研究熔体输送过程的各参数与含锑聚酯熔体的性能参数的关系，如专利CN101481827利用传感器收集信息开发无锑聚酯熔体输送压力的控制系统、专利CN109709926将整个熔体输送工艺过程根据元器件的分布划分为各个子段，针对不同子段选用不同模型。
但现有技术中对于熔体输送过程的各参数与熔体的性能参数的关系的研究均针对的是含锑聚酯，单纯的进行传感器收集和建立机理模型并不能解决钛系催化剂带来的耐热性差的问题，因此需要针对无锑聚酯熔体建立新的输送方法。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中还没有针对无锑聚酯熔体输送过程的各参数与聚酯熔体的品质的关系展开系统研究，因此无法通过优化输送工艺来提高无锑聚酯的熔体品质的问题，提供一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，将无锑聚酯熔体直纺熔体输送过程分为各单元，对熔体经流的各单元建立熔体输送和分配数学模型，确定熔体输送过程中的压力降、温升、粘度降以及停留时间的变化的权重关系式，从而优化熔体输送与分配工艺，稳定熔体质量，获得高稳定高均匀的熔体。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，包括如下步骤：
S1：将无锑聚酯直纺熔体从终聚釜流出至从纺丝组件喷丝板挤出的输送过程分为如下单元：传输管道、增压泵、热交换器、熔体过滤器、静态混合器、计量泵以及纺丝组件；
S2：对各单元建立熔体输送和分配数学模型，并根据模型分别计算和模拟各单元输送过程中的压力降ΔP、温升ΔT、粘度降ΔIV以及停留时间τ；
S3：根据模拟结果得出熔体的粘度降、温升及停留时间的权重关系式；
S4：根据确定的权重关系式优化熔体输送与分配工艺参数。
本发明中的无锑聚酯直纺熔体输送时，工艺路线为终聚釜输出熔体后依次通过传输管道、增压泵、热交换器、熔体过滤器、静态混合器、计量泵，经计量泵进入纺丝组件。本发明将无锑聚酯直纺熔体输送过程按熔体流经的元件分为各单元，并对各单元建立熔体输送和分配数学模型，确定熔体输送过程中的压力降、温升、粘度降以及停留时间的变化的权重关系式，从而优化熔体输送与分配工艺，稳定熔体质量，获得高稳定高均匀的熔体，解决无锑聚酯中钛系催化剂容易导致熔体降解以及变黄的技术问题。
本发明对整个熔体输送过程各单元建立数据和分配模型，既能进行各单元的熔体性能指标的预测，又能实现整个纤维生产熔体输送过程熔体性能指标的预测；可以对产品的性能好坏进行提前预测，及时防止生产过程中产品性能的恶化，确定优化的工艺参数，保证熔体品质的稳定性。
作为优选，S2中各单元的熔体输送和分配数学模型为：
(1)传输管道模型：
τ＝L1/V，
ΔT＝978.96ΔP/(ρCp)，
其中，L1为管道长度，单位为m；V为熔体流速，单位为m/min；μ为熔体流动粘度，单位为Pa·s；d1为管道直径，单位为mm；ρ为熔体密度，单位为kg/m3；Cp为熔体比热，单位为kJ/(kg·℃)；IV0为初始聚酯特性粘度，单位为dL/g；k为钛系聚酯的热降解速率常数；
(2)增压泵模型：
τ＝ρ×Vvz×24×60/(G×103),，
ΔP＝0.473×Rev，
ΔT＝-3.973+0.296×Rev,，
ΔIV≈0；
其中，Vvz为增压泵容积，单位为cc/r；G为熔体流量，单位为t/d；Rev为增压泵的转速，单位为rpm；
(3)熔体过滤器模型：
滤芯腔体：τ＝ρ×Vvq×24×60/(G×103)，ΔP、ΔIV同传输管道模型；
其中，Vvq为滤芯过滤的容积，单位为m3；
滤芯内部毛细管：τ≈0，ΔIV≈0，ΔT、ΔP同传输管道模型；
(4)热交换器和静态混合器模型：
(5)计量泵模型：
ΔP＝0.5MPa，τ≈0，ΔIV≈0，ΔT同传输管道模型；
(6)纺丝组件模型：
分配板：ΔP＝128μ·l＊q/(πd2 4)；τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，l*为孔入口修正长度，单位为m；q为分配板单孔熔体流量，单位为m3/s；d2为过滤网网丝直径，单位为m；
过滤网：ΔP＝64(ω+d2)2·d2·μ·Q/(Fω4)；τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，ω为过滤网孔间距，单位为m；d2为过滤网网丝直径，单位为m；Q为流过过滤网总体积的流量，单位为m3/s；F为过滤网总通孔面积，单位为m2；
过滤砂：
τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，lp为滤砂构成的毛细孔的长度，单位为m；L2为滤砂的厚度，单位为m；ε为滤砂孔隙率；Va为熔体的平均流动速度，单位为m/s；X为熔体粒子的平均直径，单位为m。
作为优选，所述各模型中，
熔体流速：V＝8.842×105G/(ρd1 2)；
密度：ρ＝1760-2T；
流动粘度：μ＝9.76×10-3(IV)5.2893exp(6923.7/(T+273))；
比热：Cp＝1.3578+2.3655×10-3T；
钛系聚酯的热降解速率常数：k＝1.5412×1012exp(-21998.3/(T+273))；
其中，T为熔体温度，单位为℃。
作为优选，S3中所述粘度降ΔIV的权重表达式为：
其中：T0为初始熔体温度，单位为℃；P0为初始熔体压力，单位为MPa；Tsb为汽相联苯温度，单位为℃；Tss为最终熔体温度，单位为℃。
作为优选，S3中所述温升ΔT的权重表达式为：
其中：T0为初始熔体温度，单位为℃；P0为初始熔体压力，单位为MPa；Tsb为汽相联苯温度，单位为℃；Tss为最终熔体温度，单位为℃。
作为优选，S3中停留时间τ的权重表达式为：τ＝49.64+2.96exp((500-G)/52.6)。
作为优选，S1中所述的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备。
作为优选，S1中所述的静态混合器为旋片角度为90°～180°的Kenics型静态混合器或叉角为30°～90°的LPD型静态混合器。
作为优选，所述Kenics型静态混合器的旋片角度为90°、120°或180°中的一种；所述LPD型静态混合器的叉角为30°、60°或90°。
本发明中对静态混合器中的旋片角度或叉角进行改进和优化，使静态混合器具有更好的散热和混合效果，在提高温度均匀性的同时，可以降低管道内的温度降，同时也改善了局部温升的现象，从而解决了无锑聚酯熔体直纺过程中熔体长距离输送耐热性差的问题。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)对整个纤维生产熔体输送过程各单元建立数据和分配模型，既能进行各单元的熔体性能指标的预测，又能实现整个纤维生产熔体输送过程熔体性能指标的预测；
(2)针对无锑聚酯耐热性差的问题，对熔体输送单元静态混合器进行改进，在提高温度均匀性的同时，可以降低管道内的温度降，同时也改善了局部温升的现象；
(3)结合工艺设计和模型建立，即能够保证无锑聚酯熔体及时散热和混合均匀，又能通过模型得出特性粘度降、温升及停留时间的权重关系，提前预测产品的性能好坏，及时防止生产过程中产品性能的恶化，确定优化的工艺参数，保证熔体品质的稳定性。
附图说明
图1是本发明的无锑聚酯熔体输送流程图；
图2是利用本发明建立的熔体输送模型建立的熔体温度变化的模拟曲线；
图3是利用本发明建立的熔体输送模型建立的熔体压强变化的模拟曲线；
图4是利用本发明建立的熔体输送模型建立的熔体粘度变化的模拟曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
本发明中所用原料、设备，若无特别说明，均为本领域的常用原料、设备；本发明中所用方法，若无特别说明，均为本领域的常规方法。
总实施例：
S1：将如图1所示的无锑聚酯直纺熔体从终聚釜流出至从纺丝组件喷丝板挤出的输送过程分为如下单元：传输管道、增压泵、热交换器、熔体过滤器、静态混合器、计量泵以及纺丝组件。
S2：对各单元建立熔体输送和分配数学模型：
(1)传输管道模型：
τ＝L1/V，
ΔT＝978.96ΔP/(ρCp)，
其中，L1为管道长度，单位为m；V为熔体流速，单位为m/min；μ为熔体流动粘度，单位为Pa·s；d1为管道直径，单位为mm；ρ为熔体密度，单位为kg/m3；Cp为熔体比热，单位为kJ/(kg·℃)；IV0为初始聚酯特性粘度，单位为dL/g；k为钛系聚酯的热降解速率常数；
(2)增压泵模型：
τ＝ρ×Vvz×24×60/(G×103)，
ΔP＝0.473×Rev，
ΔT＝-3.973+0.296×Rev，
ΔIV≈0；
其中，Vvz为增压泵容积，单位为cc/r；G为熔体流量，单位为t/d；Rev为增压泵的转速，单位为rpm；
(3)熔体过滤器模型：
滤芯腔体：τ＝ρ×Vvq×24×60/(G×103)，ΔP、ΔIV同传输管道模型；
其中，Vvq为滤芯过滤的容积，单位为m3；
滤芯内部毛细管：τ≈0，ΔIV≈0，ΔT、ΔP同传输管道模型；
(4)热交换器和静态混合器模型：
(5)计量泵模型：
ΔP＝0.5MPa，τ≈0，ΔIV≈0，ΔT同传输管道模型；
(6)纺丝组件模型：
分配板：ΔP＝128μ·l＊q/(πd2 4)；τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，l*为孔入口修正长度，单位为m；q为分配板单孔熔体流量，单位为m3/s；d2为过滤网网丝直径，单位为m；
过滤网：ΔP＝64(ω+d2)2·d2·μ·Q/(Fω4)；τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，ω为过滤网孔间距，单位为m；d2为过滤网网丝直径，单位为m；Q为流过过滤网总体积的流量，单位为m3/s；F为过滤网总通孔面积，单位为m2；
过滤砂：
τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，lp为滤砂构成的毛细孔的长度，单位为m；L2为滤砂的厚度，单位为m；ε为滤砂孔隙率；Va为熔体的平均流动速度，单位为m/s；X为熔体粒子的平均直径，单位为m。
在上述各模型中，
熔体流速：V＝8.842×105G/(ρd1 2)；
密度：ρ＝1760-2T；
流动粘度：μ＝9.76×10-3(IV)5.2893exp(6923.7/(T+273))；
比热：Cp＝1.3578+2.3655×10-3T；
钛系聚酯的热降解速率常数：k＝1.5412×1012exp(-21998.3/(T+273))；
其中，T为熔体温度，单位为℃。
根据所建立的模型，对各单元分别计算输送过程中的压力降ΔP、温升ΔT、粘度降ΔIV以及停留时间τ，并模拟熔体经过输送管道及其各组件后温度、压强及粘度变化曲线，如图2～图4中所示。
S3：由图2～图4中的模拟结果看出，温度升高主要集中在增压泵、熔体过滤器及纺丝箱体内的计量泵、纺丝组件、喷丝孔处，这些地方流动阻力大，温升明显。在静态混合器附近等几个管段由于液相联苯循环的保温作用，熔体的温度有下降的趋势，整个熔体输送流程温升1.25℃左右。熔体压强增加主要由增压泵和计量泵提供，而压强降主要集中在纺丝箱体内。特性粘度降主要集中在管道及熔体过滤器、纺丝组件过滤层等停留时间长、温度高处。熔体特性粘度随熔体停留时间增长呈近似线性下降趋势。
综上述分析，得出特性粘度降、温升及停留时间的权重表达式分别如下：
τ＝49.64+2.96exp((500-G)/52.6)；
其中：T0为初始熔体温度，单位为℃；P0为初始熔体压力，单位为MPa；Tsb为汽相联苯温度，单位为℃；Tss为最终熔体温度，单位为℃。
S4：根据确定的权重关系式优化熔体输送与分配工艺参数：根据本发明中熔体输送时在各单元内的停留时间，确定优化的熔体输送工艺参数为：熔体特性粘度为0.6～0.8dL/g，熔体温度采用280℃，压力采用22MPa，以获得质量均匀、稳定的熔体。
实施例1：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.65dL/g；
静态混合器采用旋片角度为120°的Kenics型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
实施例2：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.75dL/g；静态混合器采用旋片角度为90°的Kenics型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
实施例3：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.65dL/g；静态混合器采用叉角为60°的LPD型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
实施例4：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.75dL/g；静态混合器采用叉角为90°的LPD型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
实施例5：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.6dL/g；静态混合器采用叉角为90°的LPD型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
实施例6：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.8dL/g；静态混合器采用叉角为90°的LPD型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
对比例1：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.65dL/g；静态混合器采用旋片角度为180°的Kenics型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
对比例2：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.65dL/g；静态混合器采用叉角为30°的LPD型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
对比例3：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.65dL/g；
静态混合器采用旋片角度为90°的Kenics型静态混合器；
输送时熔体温度采用290℃，压力采用22MPa。
对比例4：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.65dL/g；
静态混合器采用旋片角度为90°的Kenics型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用25MPa。
对比例5：
S1中的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备，其特性粘度为0.85dL/g；
静态混合器采用旋片角度为90°的Kenics型静态混合器；
输送时熔体温度采用280℃，压力采用22MPa。
对上述实施例中无锑聚酯直纺熔体输送过程中的粘度降进行测试，结果如表1中所示。
表1：无锑聚酯直纺熔体通过静态混合器后的粘度降测试结果。
从表1中可以看出，实施例1～6中采用本发明中的Kenics型静态混合器或LPD型静态混合器和优化的熔体输送工艺，总的特性粘度降都接小于0.02dL/g，熔体品质符合控制要求。而对比例1中使用旋片角度落在本发明外的Kenics型静态混合器，对比例2中使用叉角落在本发明外的LPD型静态混合器，总的特性粘度降都接近0.04dL/g，对熔体的品质有较大的影响；对比例3输送时熔体温度高于本发明中优化后的温度，对比例4输送时的压力高于本发明中优化后的压力，对比例5中输送时熔体的特性粘度高于本发明优化后的粘度，输送过程中总的特性粘度降都超过0.06dL/g，说明熔体在输送过程中存在较多的热降解。
Claims (5)
1.一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，其特征是，包括如下步骤：
S1：将无锑聚酯直纺熔体从终聚釜流出至从纺丝组件喷丝板挤出的输送过程分为如下单元：传输管道、增压泵、热交换器、熔体过滤器、静态混合器、计量泵以及纺丝组件；
S2：对各单元建立熔体输送和分配数学模型，并根据模型分别计算和模拟各单元输送过程中的压力降ΔP、温升ΔT、粘度降ΔIV以及停留时间τ；
各单元的熔体输送和分配数学模型为：
(1)传输管道模型：
τ＝L1/V，
ΔT＝978.96ΔP/(ρCp)，
其中，L1为管道长度，单位为m；V为熔体流速，单位为m/min；μ为熔体流动粘度，单位为Pa·s；d1为管道直径，单位为mm；ρ为熔体密度，单位为kg/m3；Cp为熔体比热，单位为kJ/(kg·℃)；IV0为初始聚酯特性粘度，单位为dL/g；k为钛系聚酯的热降解速率常数；(2)增压泵模型：
τ＝ρ×Vvz×24×60/(G×103)，
ΔP＝0.473×Rev，
ΔT＝-3.973+0.296×Rev，
ΔIV≈0；
其中，Vvz为增压泵容积，单位为cc/r；G为熔体流量，单位为t/d；Rev为增压泵的转速，单位为rpm；
(3)熔体过滤器模型：
滤芯腔体：τ＝ρ×Vvq×24×60/(G×103)，ΔP、ΔIV同传输管道模型；
其中，Vvq为滤芯过滤的容积，单位为m3；
滤芯内部毛细管：τ≈0，ΔIV≈0，ΔT、ΔP同传输管道模型；
(4)热交换器和静态混合器模型：
(5)计量泵模型：
ΔP＝0.5MPa，τ≈0，ΔIV≈0，ΔT同传输管道模型；
(6)纺丝组件模型：
分配板：ΔP＝128μ·l＊q/(πd2 4)；τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，l*为孔入口修正长度，单位为m；q为分配板单孔熔体流量，单位为m3/s；d2为过滤网网丝直径，单位为m；
过滤网：ΔP＝64(ω+d2)2·d2·μ·Q/(Fω4)；τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，ω为过滤网孔间距，单位为m；d2为过滤网网丝直径，单位为m；Q为流过过滤网总体积的流量，单位为m3/s；F为过滤网总通孔面积，单位为m2；
过滤砂：
τ，ΔIV及ΔT同传输管道模型；
其中，lp为滤砂构成的毛细孔的长度，单位为m；L2为滤砂的厚度，单位为m；ε为滤砂孔隙率；Va为熔体的平均流动速度，单位为m/s；X为熔体粒子的平均直径，单位为m；
S3：根据模拟结果得出熔体的粘度降、温升及停留时间的权重关系式：
τ＝49.64+2.96exp((500-G)/52.6)；
其中：T0为初始熔体温度，单位为℃；P0为初始熔体压力，单位为MPa；Tsb为汽相联苯温度，单位为℃；Tss为最终熔体温度，单位为℃；
S4：根据确定的权重关系式优化熔体输送与分配工艺参数。
2.根据权利要求1所述的一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，其特征是，所述各模型中，
熔体流速：V＝8.842×105G/(ρd1 2)；
密度：ρ＝1760-2T；
流动粘度：μ＝9.76×10-3(IV)5.2893exp(6923.7/(T+273))；
比热：Cp＝1.3578+2.3655×10-3T；
钛系聚酯的热降解速率常数：k＝1.5412×1012exp(-21998.3/(T+273))；
其中，T为熔体温度，单位为℃。
3.根据权利要求1所述的一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，其特征是，S1中所述的无锑聚酯直纺熔体通过钛系催化剂催化制备。
4.根据权利要求1所述的一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，其特征是，S1中所述的静态混合器为旋片角度为90°～180°的Kenics型静态混合器或叉角为30°～90°的LPD型静态混合器。
5.根据权利要求4所述的一种无锑聚酯熔体输送工艺优化方法，其特征是，所述Kenics型静态混合器的旋片角度为90°、120°或180°中的一种；所述LPD型静态混合器的叉角为30°、60°或90°。
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