CN1271253C - 安全输送和处理可纺纤维素溶液的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了安全输送和处理纤维素溶液的设备和方法。所述的纤维素溶液适于制造溶纺纤维素模制品，特别是适于制造纤维、薄膜和膜。在该安全输送和处理可纺纤维素溶液的设备中配置调节装置，一旦纤维素溶液中的温度至少超过第一限制温度，就降低调温系统中的温度，从而使纺丝溶液的温度降低，并防止该反应混合物发生爆炸。本发明也揭示了具有两个切换步骤的方法和装置。

Description

安全输送和处理可纺纤维素溶液的设备和方法

技术领域

本发明涉及安全输送和处理适用于制造溶纺纤维素模制品，特别是适用于制造纤维、薄膜和膜的纤维素溶液的设备和方法。

背景技术

本领域中纺制纤维素溶液的方法是已知的。在这种情况下，制备除必需的纺丝助剂以外含预处理的纤维素、纤维素的非溶剂(如水)、纤维素的溶剂(如氧化叔胺，特别是N-氧化-N-甲基吗啉)的纤维素溶液，以得到可纺溶液(下文中称为纺丝溶液)。该混合物仅在70-120℃的温度时保持其可纺性。本申请中，可纺性是指在干-湿挤出法中将上述溶液纺制成模制品的性能。例如，EP-A0574870描述了一种由这种溶液制造纤维素模制品的方法。

相对于纤维、薄膜和膜的其它制造方法，上述的方法具有明显的优点。例如，这些方法能制造在许多方面都优于常规模制品的模制品，如粘胶纤维。这种方法也可连续制造模制品。另外，还必须强调其生态方面的优点，因为在这种制造溶纺纤维素模制品的方法中基本上不使用或不沉淀出对健康或环境有害的化学物质。

这些制造溶纺纤维素模制品的已知方法和设备也有缺点。由纤维素、氧化叔胺和水组成的上述混合物会在高温下进行剧烈的分解反应，即所谓的失控反应。另外，该分解反应一般在不同的诱导期后发生，因此实际上难于预测该失控反应的时间和温度。

一般来说，混合物的温度升高，绝热诱导期缩短。正确选择温度和时间参数对于一个安全生产方法来说是关键的。

在生产规模上，如果由纤维素、氧化叔胺和水组成的混合物在115℃左右的温度下保持16小时左右后，预计就会在该混合物中发生爆炸性的失控反应。

为了把输送和处理设备(如纺丝器、混合容器、供料容器、管道)和其它设备中纺丝溶液保持在纺丝所需的温度，需在各个设备部件中配备加热器。在这种情况下，细分为包括单个或几个上述部件的区域是通常的做法。

本领域中已知不同类型的加热器。这些加热器主要但不是只连接在上述部件的外表面上。例如，电加热器是已知的，而且热水加热器也是已知的。在热水加热器中，从这些部件中的管道或双壁中流过的热水把所需的热量传递给纺丝溶液。

虽然不想局限于单一理论，但已提出了一个分解反应的自催化机理。少量Fe(III)离子使得热稳定性明显降低，但出于经济上的考虑，必须舍弃从生产混合物中除去铁离子的想法。

有关混合物自发和爆炸性分解的问题要求采取特别的保护措施来防止严重的事故以及保护输送和处理可纺纤维素溶液的装置(下文中称为输送装置)和人员或者保护其免受严重的损坏和伤害。

现有技术中，输送装置或其组件配备有常规的贵重安全装置。这些安全装置包括装在选定部位的防爆装置。膨胀室或膨胀容器也用来装膨胀的纺丝溶液。这些常规安全装置不仅代价高，而且这些安全装置的作用仅局限于减少可纺纤维素溶液爆炸(pass through)时的影响，从而避免损坏这些输送设备。同时，也保护了操作人员的安全。

US-A-5401304揭示了一种制造溶纺纤维素纤维的方法。该方法包括通过管道输送纤维素溶液，它依靠管道直径调节输送溶液的温度，来基本上控制纤维素溶液的放热失控反应。

纤维素溶液的温度通过在管道上配置装有循环传热流体的空心夹套进行控制。当输送溶液的温度超过限定温度时，提高传热流体的流速或降低传热流体的温度。传热流体的温度由热交换器调节。

因此，这些现有安全装置的缺点是它们的作用局限于减少可纺纤维素溶液爆炸时的影响，而不是限制纺丝溶液本身的爆炸。

发明内容

本发明的目的是克服这些现有技术的缺点，并提供能防止生产混合物通过的安全装置和方法。

本发明的另一个目的是提供一种制造溶纺纤维素模制品的安全设备和方法。这种安全设备和方法能防止可纺纤维素溶液发生爆炸，但对输送、处理和生产过程没有任何破坏性的影响，如不必中断生产过程。

本发明的第三个目的是提供能避免使用昂贵防爆设备和/或膨胀设备的安全设备和方法。

本发明的这些目的通过如下方法和设备加以实现：

在装备调温系统的设备中和在70-100℃的温度范围内安全输送和处理可纺纤维素溶液的方法，所述的可纺纤维素溶液由纤维素、纤维素的溶剂、纤维素的非溶剂和如果需要的纺丝助剂组成，其特征在于所述的调温系统用于当可纺纤维素溶液的温度达到或超过预定温度值的切换点时有控制地从所述设备至少一个区域中的可纺纤维素溶液中散热；在所述方法中设立两个切换点，第二切换点设定在超过第一切换点的第一温度的第二预定温度；当可纺纤维素溶液的温度达到或超过第一切换点时，降低所述调温系统中热水的温度；当所述可纺纤维素溶液的温度达到或超过第二切换点时，将紧急冷却系统结合到所述的调温系统中，所述调温系统中的热水量基本上完全被冷水取代。优选在整个过程中监控温度，通过热交换器最大程度地冷却所述调温系统中的热水。

一种在装备调温系统的设备中和在70-100℃的温度范围内安全输送和处理可纺纤维素溶液的设备，所述的可纺纤维素溶液由纤维素、纤维素的溶剂、纤维素的非溶剂和如果需要的纺丝助剂组成，其特征在于在体积足以让纺丝溶液发生爆炸的各设备区域中配置至少一个温度传感器，所述的安全装置还包括具有至少两个由限制温度确定的切换点的安全电路，其特征还在于提供用于降低热水温度的装置，所述的安全电路按如下方式与温度传感器和降温装置相连接，即当所述可纺纤维素溶液的温度达到或超过第一切换点时，至少在纺丝溶液温度超过第一限制温度的区域内降低所述调温系统中热水的温度，进一步在超过第一限制温度的第二限制温度处启动第二切换点，并在达到第二切换点时启动紧急冷却系统，并把冷却水供入所述的调温系统中。所述的安全电路优选按下述方式连接，即当在区域中达到或超过第一限制温度时，降低整个设备中热水的温度。上述的温度传感器优选是按下述方式连接的双温度传感器，即如果所述的温度传感器之一失误，则把缺陷信号传递给所述的安全电路。收到所述的缺陷信号时，启动所述的安全电路，使得至少受影响区域中加热装置停止工作。

具体实施方式

本发明不仅基于有限量纺丝溶液的局部过热不会立即导致整个系统爆炸的认识，而且还基于整个系统或至少足够大体积内的均匀高温必然会导致这些物质或混合物爆炸的认识。

基于将热水加热设备用作调温系统(tempering system)的制造溶纺纤维素模制品的已知生产设备，本发明通过连续监控设备中的各个区域或组件中的纺丝溶液温度，并根据预定的参数降低加热设备的热水温度和/或将冷水通入加热设备来防止纺丝溶液发生爆炸。

本发明的决窍是将纺丝溶液的温度降低到它不发生爆炸的温度值。在优选的实施方式中，纺丝溶液的温度保持在没有降低到低于纺丝法所需最低温度，从而较好地既防止了纺丝溶液爆炸的危险，又没有中断生产过程。

在另一个实施方式中，分步降低加热装置中热水的温度并向加热装置分配系统中加入冷却水。

在第一步骤中，当超过纺丝溶液的第一预定限制温度时，连续降低加热装置中热水的温度，使热水的温度降低到纺丝溶液的温度之下，从而对纺丝溶液进行冷却，即降低其温度，并伴有从纺丝溶液传热到热水中。热水的温度可用基本上已知的方法进行降低，如使用热交换器。也可在加热系统的热水中加入部分冷却水。然而，后一种方法不能回收过程热量。

如果第一步骤中采用的措施是成功的，且纺丝溶液的温度返回到纺丝工艺所需的预定温度范围内，则结束本发明的安全方法，并且配置加热系统按其正常技术要求进行操作。

如果第一步骤中采用的措施不能将纺丝溶液的温度降低到所需的特定温度范围内，且纺丝溶液的温度超过了第一预定限制温度之上的第二预定限制温度，则启动本发明安全方法的第二步骤措施。

如果在启动第一步骤措施或其产生作用之前，纺丝溶液的温度上升太快，超过到第二预定限制温度，则也启动本发明安全方法的第二步骤措施。

在本发明方法的第二步骤中，基本上停止向加热系统中通入热水，并向该加热系统中的分配系统供入冷却水。即使在用第一步骤中措施调节过热水的温度的情况下，冷却水的温度会明显低于热水的温度。

虽然对冷却水温度的选择没有特别的限制，但必须记住，冷却水的温度应低到足以尽可能多地从纺丝溶液中散热，从而防止纺丝溶液发生爆炸，另外，冷却水的温度又必须高到足以防止生产设备和/或分配系统的热应力上升到损坏分配系统或其它生产设备部件的值。这种损坏例如包括由温度变化引起的应力开裂。

根据现有的专业知识或通过简单的常规适当技术操作，本领域中的普通技术人员可以确定冷却水的温度。在这个温度下，加入冷却水不会损坏生产设备，同时又能保证从纺丝溶液中散去足够的热量。一个合适的冷却水温度为20℃。

可以这样采用上述的措施，使本发明的方法作用于整个生产装置，或者仅作用于单个部件，如纺丝器、混合容器、储罐、供料管道和其它部件。

以下将根据实施例对本发明作更详细的描述。

在装备有热水加热系统的由含预处理的纤维素、纤维素的非溶剂和纤维素的溶剂的纤维素溶液制造溶纺纤维素模制品的常规生产系统中配备用于测量纺丝溶液温度的温度传感器。在这种情况下，将该系统分成各个区域，如管道区、混合器、挤出机和其它部件。这些区域都容纳足以让纺丝溶液爆炸的溶液量。在这样设立的每个区域中配备至少一个温度传感器。

为了提高安全性，可以在各个区域配备几个温度传感器。上述的温度传感器优选是所谓的双温度传感器。这种双温度传感器包括两个测量几乎相同部位的纺丝溶液温度并把温度信号传递给系统控制器的温度传感器。这种双温度传感器中的温度传感器还比较测量结果，并发出由单独信号产生的测量结果偏差。单独信号(也称为缺陷信号)向系统控制器发出温度传感器失误的警报信号。在本实施方式中，系统控制器由安全电路连接到各个配置加热系统。这样，这些配置加热系统可以由系统控制器响应缺陷信号自动停止工作。使用双温度传感器的本发明实施方式还提高了安全性。合适的温度传感器是市售的，商品名为PT-100。

测量传感器在至少一个区域探测纺丝溶液的局部过热，并把温度值传递给安全电路。预设的第一限制温度和第二限制温度参数作为安全电路中的切换点。所述的参数是可变的，并设定为所用纺丝溶液的函数。

在本实施例中，98℃的第一限制温度设定为第一切换点。当纺丝溶液的温度超过第一切换点时，通过把通过热交换器中冷却水的流速转变到最大值，来提高热交换器的能力。

结果，降低了配置加热器中热水的温度，同时配置加热器中冷却量的水启动了局部过热纺丝溶液和已冷却的热水间的传热。在建立了预定和所需的纺丝溶液温度分布后，就可自动或手动地确定这种安全设定，并把配置加热器调节到正常技术状态。

将100℃的第二限制温度作为第二切换点。当达到第一切换点后不能控制时，达到这个切换点。

一旦达到或超过第二切换点时，停止向调温系统中供应热水，同时排出热水和加入冷却水。

在本实施例中，第二切换点启动自动转换两个三通球阀，一个独立的紧急冷却水系统通过转换的球阀设定结合到受影响的加热系统中。紧急冷却水系统包括储水槽、膜控输送泵和转换配件。在正常状态下，紧急冷却水系统处于规定的系统压力之下。输送泵由压力膜切换，以保持设定系统压力恒定。

转换上述的转换配件(如三通球阀)开始在冷却水系统中产生内压降，从而启动冷却水系统中的输送泵。通过输送泵通入的冷却水使温水进入热水系统，通入冷水(20℃)降低了受影响区域中纺丝溶液的温度。

达到技术标准值后，再启动三通球阀和热水加热系统的安全设定。这种启动既可以自动进行，也可以手动进行。

在操作安全装置或实施安全方法的任何时候，纺丝溶液的温度都不会降低到生产过程必须停止的数值。

Claims (9)

1.在装备调温系统的设备中和在70-100℃的温度范围内安全输送和处理可纺纤维素溶液的方法，所述的可纺纤维素溶液由纤维素、纤维素的溶剂、纤维素的非溶剂和如果需要的纺丝助剂组成，其特征在于所述的调温系统用于当可纺纤维素溶液的温度达到或超过预定温度值的切换点时有控制地从所述设备至少一个区域中的可纺纤维素溶液中散热；在所述方法中设立两个切换点，第二切换点设定在超过第一切换点的第一温度的第二预定温度；当可纺纤维素溶液的温度达到或超过第一切换点时，降低所述调温系统中热水的温度；当所述可纺纤维素溶液的温度达到或超过第二切换点时，将紧急冷却系统结合到所述的调温系统中，所述调温系统中的热水量基本上完全被冷水取代。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个过程中监控温度。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过热交换器最大限度地冷却所述调温系统中的热水。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的紧急冷却水系统包括储水槽、膜控输送泵、转换配件，所述的输送泵按如下方式启动，即用转换所述的配件在冷却水系统中产生的内压降来启动所述的输送泵。

5.在装备调温系统的设备中和在70-100℃的温度范围内安全输送和处理可纺纤维素溶液的设备，所述的可纺纤维素溶液由纤维素、纤维素的溶剂、纤维素的非溶剂和如果需要的纺丝助剂组成，其特征在于在体积足以让纺丝溶液发生爆炸的各设备区域中配置至少一个温度传感器，所述的安全装置还包括具有至少两个由限制温度确定的切换点的安全电路，其特征还在于提供用于降低热水温度的装置，所述的安全电路按如下方式与温度传感器和降温装置相连接，即当所述可纺纤维素溶液的温度达到或超过第一切换点时，至少在纺丝溶液温度超过第一限制温度的区域内降低所述调温系统中热水的温度，进一步在超过第一限制温度的第二限制温度处启动第二切换点，并在达到第二切换点时启动紧急冷却系统，并把冷却水供入所述的调温系统中。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述的安全电路按下述方式连接，即当在区域中达到或超过第一限制温度时，降低整个设备中热水的温度。

7.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述的紧急冷却水系统包括储水槽、膜控输送泵、转换配件，所述的输送泵按如下方式启动，即用转换所述的配件在冷却水系统中产生的内压降来启动所述的输送泵。

8.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述的温度传感器是按下述方式连接的双温度传感器，即如果所述的温度传感器之一失误，则把缺陷信号传递给所述的安全电路。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，收到所述的缺陷信号时，启动所述的安全电路，使得至少受影响区域中加热装置停止工作。