不同工艺路线的比较分析

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：对于湿法工艺，生产线唯一脱水的地方在薄膜蒸发器，要减少脱水量唯一的途径是使用更高浓度的NMMO溶液，但湿法工艺已经使用了浓度很高的NMMO溶液，因此，要进一步提高NMMO水溶液的浓度会带来输送和安全性等诸多问题。而且，进一步提高NMMO浓度不利于浸渍工艺。

Lyocell纤维浆粕预处理的方法可以分为湿法和干法，湿法工艺沿用了黏胶纤维的预处理方法，首先将一定规格的浆粕在甲酸水溶液中进行浸渍，为加快浸渍速度，通常还加入一定量的生物酶，以破坏纤维素晶区结构，并对纤维素进行一定程度的水解，使聚合度均一性更好，同时去除β-纤维素、γ-纤维素等小分子，这一工序的目的是使纤维素能够充分溶胀，以更有利于溶解。当纤维素的活化进行到一定程度后，必须终止纤维素酶的活性，因此，浸渍液必须用碱予以中和。终止反应后，由压榨机去除多余的液体，为了使纤维素与溶剂有优良的混合效果，榨干后的纤维素还需在粉碎机中进行粉碎。粉碎后的浆粕便可以和一定浓度的NMMO水溶液进行充分混合，制成浆粥。

干法工艺则是将定量的干浆粕直接与较低浓度的NMMO混合，此时，NMMO溶液中水的含量通常大于20%，也就是说，该溶液不具备溶解纤维素的能力，但它可以破坏部分纤维素分子间的氢键，而使纤维素溶胀。混合物需在特殊设计的设备中完成溶胀的过程。为了加强溶胀效果，这一阶段通常会施加一定的真空，使NMMO溶液从完全不具溶解纤维素的能力，逐渐通过水分的抽出而使其溶胀和溶解能力不断提高，制成的浆粥送入薄膜蒸发器进行进一步脱水后制成纺丝溶液。

这两种工艺具有各自的特点，湿法工艺是一种非常成熟的预处理工艺，在黏胶纤维预处理中广泛使用。因此，不仅它的工艺成熟，而且可以直接采用与黏胶纤维相同的浸压粉设备，无需开发全新的设备。与湿法工艺相比，干法工艺在以下几个方面具有明显的优势。

（1）干法工艺完全省略了浆粕的浸渍、压榨和粉碎工序，大大简化了工艺，节约了浸压粉设备的投资和所需的设备占地面积。

（2）湿法工艺中，压榨液通常要重复使用，但由于压榨液中含有大量从纤维素中溶解下来的小分子物，这些物质随着使用次数的增加，会不断积累。因此，实际生产过程中，每使用一次都必须排放一定量的压榨液，排放比例一般为总用量的1/3，对于1.5万吨/年的纤维生产线而言，每天要排放近300吨的废水，同时还要补充相同量的新鲜水。压榨液是含有碱、酸和多种有机物的污水，COD含量高达2000以上。因此，除了增加了新鲜水的用量，还需要处理排放的污水，它不仅需要相应的设备，而且要消耗能源。而干法工艺由于没有该工序，也就不需要相应的设备和能源消耗。

（3）在浆粥制备过程中，纤维素：NMMO：水三组分的初始比例大概是12:65:23。选定这一比例是基于大量的实验结果，在这一比例下，纤维素能够得到充分溶胀，但并不产生大量的溶解，因此可以保证溶胀过程顺利进行。浸压粉工艺处理后，压榨过程不可能将纤维素中的水全部压出，通常其压榨极限是压榨后的纤维素中仍然含有纤维同等重量的水，即压榨后的湿纤维含有50%的水。因此，如果按照上述三组分的初始比例，对于干法工艺，使用74%的NMMO便可，而湿法工艺要达到同样的初始原料比则需要用浓度在85%以上的NMMO水溶液。溶剂回收的能耗取决于待回收液的浓度和工艺所需溶剂浓度的浓度差，差值越大，消耗的能量越大。这也意味着湿法工艺在溶剂回收上需要消耗更多的能源，进而增加了回收成本。

（4）目前，Lyocell纤维的生产线单线生产能力都不是很大，国内的单线产能为3万吨/年，国外只有兰精公司将单线产量能做到6.7万吨/年。生产线产能的瓶颈是薄膜蒸发器，薄膜蒸发器的产能放大在机械制造方面有一定的难度。相反，生产线其他配套设备在机械制造方面较容易完成产能的提升。薄膜蒸发器的能力实质上是设备蒸发水的能力，或者说是取决于设备的蒸发面积，当设备的蒸发面积确定后，单位时间内的脱水量就确定了。这就意味着如果每吨产品需要脱水的量小，设备的产量就高，相反亦然。对于湿法工艺，生产线唯一脱水的地方在薄膜蒸发器，要减少脱水量唯一的途径是使用更高浓度的NMMO溶液，但湿法工艺已经使用了浓度很高的NMMO溶液，因此，要进一步提高NMMO水溶液的浓度会带来输送和安全性等诸多问题。而且，进一步提高NMMO浓度不利于浸渍工艺。干法工艺由于在浆粥制备过程中就施加了真空，由此，有可能通过工艺的调节，将薄膜蒸发器的部分任务转移到浆粥制备中来完成，于是，同样蒸发面积的薄膜蒸发器，当采用干法溶胀工艺时，就有可能因为脱水量的减少而使潜在的产能提升。换言之，由于进入薄膜蒸发器的物料需要脱除的水分减少，当脱除与湿法工艺同样量的水分时，纺丝液的量就增加。

干法工艺有诸多优点，但由于没有现成的设备可以利用，因此，必须重新开发适用的设备，同时这一工艺的敏感性更强，调节难度较大，必须通过一系列的有效控制和检测手段才能确保产品质量。

除了上述两种工艺路线，直接溶解法曾经有过一些报道，就工艺路线而言，这是最为简单的一种工艺。它是将浆粕与具有最佳溶解能力的NMMO/水溶液（87%）直接混合制成纺丝溶液，由于没有脱水工序，工艺更易控制；同时，也省略了湿法和干法溶胀工艺中所必需的真空脱水系统。第一个问题是浆粕在溶解前不能得到均一、充分的溶胀。浓度为87%的NMMO/水溶液具有极高的纤维素溶解能力，这个浓度也是其他溶解工艺中的NMMO浓度的控制终点，所不同的是，其他工艺中这一浓度是由低浓度逐步提升到这个控制点，进而保证了浆粕的充分溶胀。高溶解能力的溶剂与纤维素微颗粒相遇后有可能迅速形成溶液膜，这层溶液膜将阻碍溶剂进一步进入颗粒的内部，进而易造成不溶的纤维碎片而影响纺丝性能，虽然，超细粉碎可以解决部分问题，但机械粉碎的颗粒粒度仍然是非常有限的。另外，对于大规模生产来说，超细粉碎后的物料输送、混合都有一系列的工程问题。双螺杆溶解器的另一个问题是其容量，对于Lyo-cell纤维溶液制备这一特殊的体系，要获得均一的纺丝溶液，就必须保证一定的停留时间，进而限制它的单机生产能力，也就是说，双螺杆溶解机的单机最大生产能力会远远小于薄膜蒸发器。但就它的工艺简便性，对于小批量及粗旦纤维不乏是一种选择，在生产添加型差别化纤维时更具独特的优势。

不同工艺路线的比较分析

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