文：昂一工程技术 ( 上海 ) 有限公司吴峥

　　在传统的熔融纺丝工艺中，如尼龙、聚乙烯、聚丙烯或涤纶的工艺中，聚合物颗粒被熔融并通过纺丝头不断被挤出。纤维从纺丝头挤出时，冷空气将同时冷却纤维。在拉伸和上纺丝油剂后，即可生产出纤维，无需提前制备任何溶液。一般来说，加工1吨聚合物熔体将会产生1吨合成纤维产品。

　　Lyocell工艺是溶剂纺丝工艺，使用干喷湿法纺丝。这意味着基础的产品纤维素在溶剂（NMMO）中溶解。制备的溶液以熔融纺丝工艺中同样的方法被挤出。冷却气体(空气)将纺丝溶液冷却至可以在空气隙中形成丝束的程度。与传统熔融纺丝工艺对比，产生的丝束在经过空气隙后必须进入纺丝浴，以滤去溶剂并接收(沉淀)纤维素以成纤维形状。一般来说，在Lyocell工艺中生产1吨Lyocell纤维需要6～10吨的纺丝溶液。

　　假设在工艺温度下粘性范围与熔融纺丝工艺相同，Lyocell纺丝设备例如过滤器、泵或换热器，在相同尺寸下，与熔融纺丝工艺的产品产出相比，Lyocell纤维产出仅为10%～15%。这导致了Lyocell工艺需要相对更重和更大型的设备。同样，这也导致了与聚乙烯或聚丙烯工厂相比，Lyocell工厂需要更高的特定资本支出。

　　以经济合理的规模化生产Lyocell纤维时如何处理较高产量的纺丝溶液是Lyocell工艺的重大挑战之一。设备尺寸和重量，确保恒定不变的质量，避免流动不稳定性和老化纺丝溶液的降解都是需要解决的问题。ONE-A公司有克服这些障碍的经验和专有技术，针对“纺丝溶液连续供应”这个主题，ONE-A已有两项发表的专利：换热器管道系统（专利号 ：WO 2013/030402）和清洁流体的措施与过滤装置（专利号 ：WO 2014/085836 ）。

　　为输送和过滤纺丝溶液和熔体提供改进方法和装置

　　为输送粘性流体，需提供一个热交换管道系统，其中包括多个设计为管道部件的独立热交换器，且管道系统里和管道横截面上有预先设定的控制温度和（或）压力分布。这些以管道部件形式存在的热交换器，在管道系统中以固定的间距进行排布。根据保持管道系统里的预先设定的温度和（或）压力分配，来确定固定的间距。

　　在此提供一种清洁流体的装置和方法。装置包括一个至少有一个入口和一个出口的机座本体，和一个在机座本体里可以移动的滑动机构，及至少有一个包含两个对称相反布置的过滤器；从机座本体入口开始，流体对称地流入通道中的过滤器并且过滤器下游直接与机座本体出口对接；一部分未通过通道流入的流体在滑动机构和机座本体之间的空气隙中形成流体缓冲区；通道打开了至少两个对称相反布置的出口支路，而且在通道中至少两个进口和两个出口之间的间隙中至少产生四股冲洗液。

　　但这种方法有三个待解决的问题：

　　一是粘性流体的输送——压力损失与摩擦热产生。高粘度纤维素溶液通过管道的输送会因管道中的流动阻力和被导入的聚合物化合物产生摩擦热。因大规模生产的聚合物溶液经常会产生杂质，这些杂质，例如膨胀体，必须在聚合物溶液加工前通过过滤去除。因过滤介质会产生压力损失，这是由聚合物化合物中的额外摩擦热而产生的。为了将聚合物溶液导入独立的加工位置，聚合物溶液常通过弯曲管、三通管、Y型管和多个分配器被分配，这会导致更多的压力损失和热量产生。

　　由于高粘度聚合物溶液的置换和输送需要通过泵，这会产生更多的摩擦热并影响纤维素溶液的粘度和热敏性。

　　二是在管道横截面的均匀分布。由于层流，粘性流体在管道的横截面会形成速度梯度——在管道中心观测到最大速度，在管壁处速度接近于0。此横截面的不均匀流动导致原液在横截面的停留时间不一致，同时也会导致管道横截面温度分布不均匀。在高粘度流体的输送系统中，几乎不可能在管道的整个横截面获得有均匀速度和温度分布的理想活塞流，但可以采取措施以找到最佳实践解决方案。

　　三是以换网器清洁粘性流体。为在聚合物工业中实现可靠的生产工艺，在挤出前从纺丝溶液或熔体中去除杂质是至关重要的。

　　传统过滤装置(换网器)主要包含一个机座本体，带有杂质流体的进口和被过滤流体的出口，一个在机座内可置换的过滤器载体，一个在过滤器载体内的过滤器。如果过滤网被堵塞则必须被清洁或置换。因此机座中的过滤器载体必须以此方式被置换，譬如，关闭过滤器载体的进口，含过滤器的过滤器载体送到能接受清洗的位置。之后，过滤器载体被再次置换到初始位置。

　　在过滤器载体和过滤器机座之间需要有间隙，使过滤器载体移动不损伤载体和机座的滑动表面。间隙被相当于润滑剂的纺丝溶液或聚合物熔体冲洗。冲洗间隙会导致纺丝溶液的损失。此损失需尽量控制在最小程度，但必须保证载体和机座间的所有滑动表面都能被润滑。为避免老化的纺丝溶液凝聚，对间隙的冲洗必须是均匀的。

　　由于过滤器进口和出口的压力差，普通的过滤装置不可能达到均匀的冲洗。过滤器载体沿着机座出口壁被压出，属摩擦。

　　ONE-A的发明旨在为输送和过滤纺丝溶液和熔体提供改进的方法和装置，以避免或使上述问题和弊端最小化。

　　四大关键点保证纺丝溶液连续供应

　　这两项专利技术有四大关键点：

　　一是热交换器以管道部件形式设计。该系统允许一个沿管道系统的预先设定控制的横截面温度和（或）压力分布，如通过流体的再分层的方式。

　　热交换器以管道部件形式提供，沿管道系统有固定间距。根据保持管道系统里的预先设定的温度和（或）压力分布，来确定固定的间距。

　　在热交换器内可以进行调节以使粘性流体在预先设定的温度下在热交换器内进行输送，并且视需要，提供混合组件以保持在管道横截面上预先设定的温度和（或）压力分布。

　　二是混合元件。在特别优选的实施方案中，根据ONE-A的系统，热交换器管道系统包含内部的混合组件，至少一段管道或热交换器。

　　一种可行的方法为安装内部混合组件，与在双层夹套聚合物管道壳体内的外部冷却（或调节）相结合。混合组件被用来旋动流体以此使层流转变为湍流并（或）从热交换器中心到截面的外部区域形成一个流体交换。热交换仅发生在(冷却的)管壁和与(冷却的)管壁临时直接接触的打旋的聚合物之间。

　　混合组件也可以部分或独立的热交换器形式提供，带有内部混合和内部温度控制。

　　根据实例，与热交换器管道系统相关的发明，是一个混合组件与温度控制方式的结合，譬如，以在热交换器内部的传热介质管道的形式。这可以通过对一个传热介质管道进行相应形状的缠绕实现。为了防止压力损失产生的摩擦热，倾向于选择较低的填料密度。

　　三是滤网滑动机构的“润滑”。根据上述描述，将滤网移动至“反向冲洗”或“换网”位置的滑动机构是换网器的关键部件。为在整个滑动表面上提供润滑膜，ONE-A的过滤系统在机座与移动式过滤器载体之间提供均匀的压力。ONE-A过滤系统的独特布置提供了流体缓冲，形成一个“浮动轴承布置”以防止过滤器载体和过滤器机座之间的金属摩擦。

　　为达到“流体缓冲”，至少两个过滤层须反向布置。至少两个进口和至少两个出口对称地沿载体的外周对称布置。这种布置会导致机座和载体之间的对称受力。

　　四是冲洗滑动表面，防止“结块”。老化的纺丝溶液会导致聚合物系统的多项问题(质量、工艺稳定性、过滤网寿命)，因此必须尽可能防止纺丝溶液的陈化。

　　在整个滑动表面设置一层均匀的膜能使机座和过滤器载体之间的环状间隙得到均匀的冲洗。在周向(从进口到出口的流动方向)和纵向(到过滤器外部的流动方向导致泄漏）都需要建立均匀的冲洗。

　　均匀冲洗防止老化的纺丝溶液或熔体结块和形成。根据环状间隙的尺寸泄漏量控制方式满足既达到充分冲洗，又能将泄漏降到最小。

　　五大优点为客户提供高附加值服务

　　与装备普通聚合物管道和普通聚合物过滤系统的聚合物系统相比，使用上述两个专利技术，ONE-A的热交换器管道系统和ONE-A带有流体缓冲效果的受均匀冲洗的网式过滤器，具有很多的优点。

　　一是热安全性。热交换器系统横截面上均匀分布的流动速度和聚合物温度窄分布使得生产工艺操作变得十分安全。这避免了会导致放热反应的温度峰值。

　　一个聚合物系统的总体安全性是由最大当前温度和起始温度(能产生放热反应的聚合物临界温度)之间的温差定义的。在普通系统中，此温度差相对较低（大约10～30 C），在ONE-A的系统中，温度差能超过40 C，相较传统系统更为安全。

　　二是无死区。ONE-A热交换器管道系统的高效混合与ONE-A网式过滤器系统的均匀冲洗能帮助避免死区，及(老化)聚合物的降解和结块。这些措施相结合能延长聚合物过滤器使用周期，减少喷丝板更换间隔的次数(喷丝板使用周期更长)。

　　三是老化的纺丝溶液受控排放。过滤机座和过滤器载体（流体缓冲）之间量身定制的间隙设计使纺丝溶液排放到过滤器机座外部的过程变得可控。除了避免聚合物老化，聚合物泄漏也可以被轻易收集以分析溶液的质量和热稳定性。

　　四是换网器的简单设计。为了防止过滤器载体和机座之间的金属摩擦，有一种陈旧的方式，即为安装滑动条(金属或塑料材质)以确保沿过滤器载体外周有恒定的间隙。ONE-A换网器系统无需使用这种昂贵且复杂的安装方式，流体缓冲能自动可靠建立一个恒定的间隙。

　　五是能使每一个过滤单元有更大的过滤表面，以减少过滤单元的数量。可以说，这两项专利技术能为客户提供稳定且安全的生产工艺、恒定的纤维质量、产品产量最大化、减少昂贵过滤器组件的磨损等高附加值服务。

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