CN218115679U - 用于通过管道输送可流动的纤维素溶液的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于通过管道输送可流动的纤维素溶液的系统，所述系统包括：a.管道，所述管道确定用于输送可流动的纤维素溶液，所述管道具有内直径D和在50mm与300mm之间的名义外直径，b.一个或者多个泵，所述泵能够提供通过所述管道的纤维素溶液的在12至30m/min的范围中的流速，c.控制系统，所述控制系统包括：i.用于所述管道的恒温夹套，ii.一个或者多个入口，所述入口用于冷却介质进入所述恒温夹套，iii.控制装置，所述控制装置控制所述一个或者多个泵的流速和/或所述冷却介质的温度。

Description

用于通过管道输送可流动的纤维素溶液的系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于在工业规模的装备中通过管道输送纤维素在N-氧化叔胺、尤其是N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）中的溶液的系统。

背景技术

众所周知，纤维素纤维能够通过将纤维素在合适溶剂中的溶液挤压进入凝结浴来制造。这样的方法的一个例子在美国专利US4,416,698（McCorsley III）中描述，该专利的内容通过引用纳入本文中。纤维素溶解在一种包含N-氧化叔胺（也能够简称为氧化胺）、例如N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）的溶剂中。该溶剂还能够包含一定量的对于纤维素来说的非溶剂，例如水。所得的纤维素溶液被挤压通过合适的喷嘴以产生长丝，该长丝经凝结、水洗以除去溶剂，然后干燥。这种挤压和凝结的方法称为“溶液纺丝法”，由此所产生的纤维素纤维称为“溶纺”纤维素纤维。众所周知，纤维素纤维能够通过将纤维素衍生物的溶液挤压进入再生和凝结浴来制造。这样的方法的一个例子是粘胶法，在该粘胶法中，所述纤维素衍生物是黄原酸纤维素。溶液纺丝法与其他已知的用于制造纤维素纤维的方法（例如粘胶法）相比具有很多优点，例如环境排放较少。

众所周知，纤维素在N-氧化叔胺中的溶液表现出高粘度，尤其是那些包含超过10重量%（例如10至25重量%）的纤维素的溶液。令人期望地，在纤维和薄膜的商业生产中使用包含这样的相对较高的纤维素浓度的溶液，以降低生产成本，并且尤其由于挤压这样的溶液导致制造具有改进的物理特性（例如抗伸强度）的纤维和薄膜。还众所周知，这种溶液的粘度随其温度升高而降低。因此，令人期望的是，在较高温度下输送这种溶液，以减少与输送高粘度溶液相关的泵送成本。

众所周知，纤维素在N-氧化叔胺（例如NMMO）中的溶液在贮存于较高温度时易于发生降解。当贮存温度超过约130℃时，这种溶液可能褪色。众所周知，若这种溶液的贮存温度超过约170℃，可能发生不受控制的放热反应。另外已观察到，即使这种溶液在显著低于170℃的温度下长期储存，也可能发生这种不受控制的放热反应。这一事实阻碍了溶液纺丝法的商业开发和应用，因为在工业规模的装备中，不受控制的放热反应的危险是不可接受的。以前，在实验室或中试规模上将该危险最小化，其方式是：在溶液制备好以后立即对其进行挤压，因而使溶液贮存的时间最小化。但是，该解决方案在工业规模的生产上就不甚满意，不仅因为在制备与挤压之间需要对溶液进行过滤等中间处理过程，还因为对工业规模的装置，不可能以像实验室或中试规模的设备的元件一样紧密的空间关系来装配工业规模的装备的元件。另外，在工业规模的装备中，通过管道的纤维素溶液的流速需要比在实验室或中试规模的设备中高得多，在实验室或中试规模的设备中，这种流速只在0.1至10m/min的范围中、例如在1至5m/min的范围中。

发明内容

这些问题已经通过在此公开的发明得到解决。

在第一方面，本实用新型提供一种用于通过管道输送可流动的纤维素溶液的系统，该系统包括：

●管道，该管道确定用于输送可流动的纤维素溶液，该管道具有内直径D和在50mm与300mm之间的、优选在100mm与200mm之间的名义外直径，

●一个或者多个泵，所述泵能够提供通过所述管道的纤维素溶液的在12至30m/min的范围中的、优选在14至26m/min的范围中的流速，

●控制系统，该控制系统包括：

○用于所述管道的恒温夹套，

○一个或者多个入口，所述入口用于冷却介质进入所述恒温夹套，

○控制装置，该控制装置控制所述一个或者多个泵的流速和/或所述冷却介质的温度。

优选地，纤维素溶液是纤维素在含水的N-甲基吗啉-N-氧化物中的溶液。所述溶液能够包括10至25重量百分数的纤维素和7至13重量百分数的水。在下文中，纤维素在N-甲基吗啉-N-氧化物中的溶液能够替代地称为“纺丝液（dope）”。

纺丝液例如能够包括10至25重量%、优选13至17重量%的纤维素和7至13重量%的水，其余主要为NM O。优选地，如美国专利US4,426,228所述，纺丝液包含抑制聚合物在较高温度分解的添加剂、例如没食子酸丙酯。纺丝液优选包含0.01至0.5重量%的、更优选地0.05至0.2重量%的没食子酸丙酯。已发现，这种添加剂的存在将如下温度提高几摄氏度、例如提高了5至10℃：在该温度下，纺丝液能够被贮存和输送，而不发生放热分解。

已发现，在这种挑战性的工业规模条件下运行纤维装备的复杂任务能够通过实施具有一定能力的控制系统来解决，如下所述。优选地，该控制系统能够将所述管道中央的溶液的温度（以摄氏度为单位）控制在1000 / (X + 0.19 x √D)，其中，D代表所述管道的内直径（以毫米为单位），X代表数值。X的值能够等于或者大于5.0，在本实用新型的优选的实施方案中，X的值是5.25或者5.75，在一种尤其优选的实施方案中，X的值是5.5。如果该管道的内直径以英寸为单位来测量，则上述表达式中的值0.19应该替换为0.98。

优选地，该控制系统能够将在所述管道的内壁处的溶液的温度（以摄氏度为单位）控制在1000 / (Y + 0.23 x √D)，其中，D代表所述管道的内直径（以毫米为单位），Y代表等于或者大于5.4的值。值X能够等于或者大于5.25，优选地等于或者大于5.5。甚至更优选地，值Y能够等于或者大于5.65，优选地等于或者大于5.9。

当纺丝液包含如前所述的添加剂时，将值5.5用于X或者将值5.9用于值Y被认为是在管道中央的溶液的温度与如下温度之间提供至少约10℃的安全裕度：在该温度下能够在运行期间发生自发的放热分解。

优选地，该控制系统能够将在管道中央的溶液的温度控制为至少100℃、优选至少105℃。此外，附加地或者替代地，该控制系统能够将在所述管道中央的溶液的温度控制为比在所述管道的内壁处的溶液的温度高10至15℃。

该管道的外直径通常至少为0.5或者1英寸（12.5或者25mm），优选至少为2、3或者4英寸（50、75或者100mm）。该管道的外直径最大为12英寸（300mm），但是通常不超过10或者8英寸（250或者200mm）。也能够使用具有6英寸（150mm）的外直径的管道。优选具有4至8英寸（100至200mm）的外直径的管道。应注意，在本实用新型的方法中定义的等式将纺丝液的温度与管道的内直径相关联，而其前的数字指的是管道的名义外直径。商业上配管通常是按其名义外直径标明和出售的。例如，纺丝液通过所述管道的流速能够在12至30m/min的范围中、优选在14至26m/min的范围中。

管道中的纺丝液在管道的壁处的和在管道中央的温度都能够通过为管道配备恒温夹套来控制，该恒温夹套例如是空心夹套，该空心夹套包含循环传热流体、例如水。恒温夹套的温度通常保持低于在管道中央的纺丝液的温度，以便提供一些外部冷却并且由此移除由可能在纺丝液中发生的任何放热反应产生的任何热量。恒温夹套的温度基本上与在管道的壁处的纺丝液的温度相同。已发现，当纺丝液在显著低于170℃的情况下贮存时，在该纺丝液中可能发生缓慢的放热反应，已知在该170℃的温度下发生自发的分解。因此，优选使用这种外部冷却器具。从上文中可以理解，Y的值通常大于X的值。尤其是，能够优选的是，（Y-X）的值大约是0.4。在管道中央的纺丝液的温度通常比在管道的壁处的纺丝液的温度高约10至约15℃、优选约11至约14℃，当然可以理解的是该优选的温度差在某种程度上取决于管道的内直径。能够通过以合适的方式改变用作冷却介质的传热流体的流速或者温度来控制纺丝液的温度。

控制系统应该能够将在管道中央的纺丝液的最低温度控制为优选至少100℃、更优选地至少105℃。已发现，当纺丝液至少具有这样的最低温度时，该纺丝液的粘度就足够低以在商业规模的工厂中通过管道泵送该纺丝液。包含约15重量%的纤维素的纺丝液，在100℃、剪切速率为1秒^-1（1 sec"1）时表现出约2000Pa·s（20,000泊）的粘度，而在110℃和120℃分别表现出约1500Pa·s（15,000泊）和1000Pa·s（10,000泊）的粘度。本实用新型提供一种控制系统，该控制系统能够控制管道的传感器中的纺丝液温度，该纺丝液温度对于所有管道尺寸而言能够是105℃或者更高，所述管道尺寸高达至少约12英寸（300mm）的内直径。在管道中央的纺丝液的优选的温度在先前提到的最低温度与最高温度之间。

在本实用新型的一种优选的实施方案中，在所述控制系统内的控制装置通过调节一个或者多个传热流体阀来控制传热流体的温度。

对纤维素和用于溶解该纤维素的溶剂的处理能够在比本实用新型的系统所要求的温度更高的温度下提供纺丝液，并且在这种情况下，本实用新型的系统能够包含合适的热交换器，该热交换器直接位于溶解装置之后。该热交换器必须能够将热纺丝液冷却至期望的温度。能够期望在比本实用新型的方法所要求的温度更高的温度下挤压纺丝液以形成纤维或者薄膜，例如以获得优化的拉伸性能，并且在这种情况下，根据本实用新型的系统能够包含热交换器，该热交换器直接位于挤压装置之前。该热交换器必须能够将纺丝液加热至期望的温度。

合适的类型的热交换器的一个例子是管壳式热交换器，在该管壳式热交换器中，纺丝液通过管子，所述管子配备有静态混合器，所述静态混合器用于混合纺丝液并且因此提高热交换器的效率，并且传热介质通过壳，该热交换器例如能够从Kenics公司购得。合适的类型的热交换器的另一个例子由包含波形的管子的腔室构成，传热介质通过该波形的管子，并且纺丝液通过管子上方的腔室，该热交换器例如能够从Gebrueder Sulzer Ag（苏尔寿兄弟股份公司）购得，其商标为“Sulzer SMR（苏尔寿SMR）”。

使用本实用新型的系统能够实现在工业规模上安全地进行纤维素的溶液纺丝。本实用新型的系统具有如下优点：在溶解设备与挤压设备之间能够插入附加的工艺元件，例如过滤器、混合器和缓冲罐。该系统具有另外的优点，即如果纺丝液输送由于某种原因停止，例如为了允许进行装备维护（例如过滤器更换），包含纺丝液的管道不需要被清空。有利地，在该停机期间，借助冷的传热流体通过恒温夹套的循环将管道中的纺丝液冷却至更低的温度，例如大约80℃。在停机之后，通过提高传热流体的温度能够将如此冷却的纺丝液加热至用于输送的所要求的温度。然而，这样的附加的工艺元件在这样的停机期间优选被清空，并且在之后重新填充。

实际经验和实验证实本实用新型的系统的价值，尤其是在将不受控制的放热反应的发生减少至可接受的很低的值方面。这一点的突出之处尤其在于，该系统所应用的等式不具有明显的理论基础。尤其是，令人惊讶的是，所述等式竟然涉及线性维度（即管道的内直径）的平方根，而不是该维度本身或者该维度的平方或者立方，该维度的平方或者立方分别与表面积和体积成比例。

附图说明

根据本实用新型的系统还通过附图进一步解释。

图1示意性地显示了根据本实用新型的系统的优选实施例，其用于通过管道输送可流动的纤维素溶液。

具体实施方式

在唯一的附图中，显示了根据本实用新型的用于通过管道输送可流动的纤维素溶液的系统1，其包括具有内直径D的管道4、泵7，所述泵能够提供通过所述管道的纤维素溶液的在12至30m/min的范围中的流速，以及控制系统2，其能够控制在所述管道4的中央的上述溶液的以摄氏度为单位的温度。

所述控制系统2包括用于所述管道4的恒温夹套5、用于冷却介质进入所述恒温夹套的入口以及控制装置3，所述控制装置3控制所述泵7的流速和/或所述冷却介质的温度。

所述恒温夹套5是空心夹套，冷却介质、例如水能够通过所述空心夹套循环。在所述控制系统2内的控制装置3通过调节一个或者多个传热流体阀6来控制所述传热流体的温度。

Claims (14)

1.用于通过管道输送可流动的纤维素溶液的系统，所述系统包括：

a. 管道，所述管道确定用于输送可流动的纤维素溶液，所述管道具有内直径D和在50mm与300mm之间的名义外直径，

b. 一个或者多个泵，所述泵能够提供通过所述管道的纤维素溶液的在12至30m/min的范围中的流速，

其特征在于：

c. 控制系统，所述控制系统包括：

i. 用于所述管道的恒温夹套，

ii. 一个或者多个入口，所述入口用于冷却介质进入所述恒温夹套，

iii. 控制装置，所述控制装置控制所述一个或者多个泵的流速和/或所述冷却介质的温度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述管道具有在100mm与200mm之间的名义外直径。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述泵能够提供通过所述管道的纤维素溶液的在14至26m/min的范围中的流速。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统能够将在所述管道中央的溶液的以摄氏度为单位的温度控制在1000 / (X + 0.19 x √D)，其中，D代表所述管道的以毫米为单位的内直径，X代表等于或者大于5.0的值。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统能够将在所述管道的内壁处的溶液的以摄氏度为单位的温度控制在1000 / (Y + 0.23 x √D)，其中，D代表所述管道的以毫米为单位的内直径，并且Y代表等于或者大于5.4的值。

6.根据权利要求4所述的系统，其中，X代表等于或者大于5.25的值。

7.根据权利要求4所述的系统，其中，X代表等于或者大于5.5的值。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，Y代表等于或者大于5.65。

9.根据权利要求5所述的系统，其中，Y代表等于或者大于5.9的值。

10.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制系统能够将在所述管道中央的溶液的温度控制为至少100℃。

11.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制系统能够将在所述管道中央的溶液的温度控制为至少105℃。

12.根据权利要求5所述的系统，其中，所述控制系统能够将在所述管道中央的溶液的温度控制为比在所述管道的内壁处的溶液的温度高10至15℃。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述恒温夹套是空心夹套，水能够通过所述空心夹套循环。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述控制系统内的控制装置通过调节一个或者多个冷却介质阀来控制所述冷却介质的温度。

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