Производство полиамидных волокон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Промышленность химических волокон возникла на рубеже 20 века в связи с необходимостью в значительном расширении ассортимента текстильных материалов.

Натуральных волокон недостаточно для удовлетворения всё возрастающих потребностей населения в текстильных товарах, а для технических изделий натуральные волокна во многих случаях непригодны, так как не обладают необходимым комплексом особых свойств (высокая термостойкость, прочность, хемостойкость и так далее). Кроме того, производство натуральных волокон является очень трудоёмким и дорогостоящим. Поэтому возникла необходимость в разработке промышленных способов получения волокон искусственным путём.

Промышленность химических волокон относится к одной из прогрессивных и развивающихся высокими темпами отраслей промышленности нашей страны. Выпуск химических волокон увеличивается из года в год. Производство химических волокон ввиду их высокой рентабельности и огромной сырьевой базы растёт очень интенсивно. Быстрому росту производства химических волокон в большей степени способствовали их высокие характеристики.

В настоящее время все технические ткани изготавливаются из химических волокон, что даёт большой экономический эффект. Достаточно сказать, что ходимость автомобильных шин при замене хлопчатобумажного каркаса химическими волокнами повысилась более чем вдвое.

Развитие промышленности химических волокон находится в прямой зависимости от наличия доступности основных видов сырья. Древесина, нефть, уголь, природный газ и газы нефтепереработки, являющиеся исходным сырьём для получения химических волокон, имеются в нашей стране в достаточных количествах.

Химические волокна уже давно перестали быть только заменителями шёлка и других натуральных волокон (хлопка, шерсти). В данное время они образуют современно новый класс волокон, имеющих самостоятельное значение. За более чем столетнюю историю химических волокон их роль в создании и применении материалов и изделий, необходимых для обеспечения жизни людей, развития техники стала неоспоримой.

Промышленное производство химических волокон началось с выпуска искусственных волокон, в частности с производства вискозного волокна, которое сохраняет свою актуальность до настоящего времени.

В 20-х годах появились ацетатные, а в 30-х 50-х годах - синтетические волокна (полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, галогенсодержащие, полиолефиновые). С середины 60-х годов промышленностью начали выпускаться малотоннажные волокна со специфическими свойствами (терможаростойкие, высокопрочные, высокомодульные и другие).

В мировом балансе волокнистых материалов на долю синтетических волокон приходится 56%, целлюлозных-5% и натуральных-39%.

Мировая текстильная промышленность в 2010 г. испытывала наибольший подъем производства исходных сырьевых материалов в виде натуральных и химических волокон, обеспечив, по сравнению с 2009 г., его прирост на 8,6% и достигнув небывалого уровня - 80,8 млн. тонн, что корреспондируется со среднемировым потреблением всех видов волокон на душу населения, равным 11,8 кг в год.

Таким образом, средний ежегодный прирост волокон в последнем десятилетии составляет 3,4%, а рост населения в тот же период времени -1,2% в год, т. е. народы земного шара сегодня живут в условиях сбалансированного обеспечения сырьем.

В странах СНГ безусловный лидер - Республика Беларусь, которая в 2011 г. произвела около 250 тыс. тонн химических волокон и нитей, что более чем на 100 тыс. тонн превышает их выпуск в России. В целом, прирост этой продукции по сравнению с 2009 г. довольно высок - 18,9% , что в первую очередь связано с достижениями по росту производства (ПЭФ) полиэфирной технической нити (+58,3%), штапельного волокна (+24,4%) и спанбонда (+34,1%) в ОАО «Могилевхимволокно», полиэфирной текстильной нити (+8,7%) в ОАО «СветлогорскХимволокно», (ПАН) полиакрилнитрильного штапельного волокна (+6,2%) на заводе «Полимир» ОАО «Нафтан» (г. Новополоцк). Очевидны также успехи белорусских предприятий по выпуску продукции из (ПП) полипропилена - спанбонда (+76,1%), пленочной нити (+35,1%), (ПА) полиамидной технической и кордной нити (+11,2%), коврового жгутика (+46,1%) и кордной ткани (+12,8%) в ОАО «Гродно Химволокно».

Производство полиамидных волокон составляет в настоящее время около 50% общего выпуска синтетических волокон. Быстрый рост производства полиамидных волокон обусловлен наличием широкой и доступной сырьевой базы, хорошими эксплуатационными свойствами волокон и их высокой экономической эффективностью.

После последовательного в течение 3-х предыдущих лет падения выпуска ПА нитей в мире ныне с удовлетворением можно говорить, что в 2010 г. началось их возрождение: по сравнению с 2009 г. прирост составил 15,6% (до 3,8 млн т). Частично рост мощностей был ограничен наличием запасов капролактама, что помешало более существенному развитию областей применения ПА текстильных и технических (преимущественно для шинного корда) нитей. Производство первых в 2010 г. выросло на 19,4% (до 2 млн т), вторых -- на 15,4% (до 1 млн т). Мировое производство ПА коврового жгутика пока не достигло докризисного уровня, хотя в 2010 г. имел место некоторый подъем -- на 7,7% (до 0,8 млн т). Несмотря на то, что жилищное и офисное строительство в США и Западной Европе постепенно сокращается, в Северной Америке, например, производство ПА ковровой нити увеличилось на 11,4% (до 580 тыс. т), но все равно осталось ниже докризисной планки. Из всего объема выпуска ПА текстильной нити в Китае изготовлено 1,1 млн т, что в 3 раза больше по сравнению с 2005 г. Доля Азии в мировом балансе ПА технической нити, основываясь на положительных тенденциях в этой области в других регионах, в будущем будет равномерно сокращаться и окажется ниже 66%.

Выдающееся значение, которое приобрели полиамиды в современной промышленности, видно из того, что производство их в мире исчисляется сотнями тысяч тонн и непрерывно увеличивается.

Полиамиды представляют огромный по числу представителей и очень важный по своему научному и практическому значению класс высокомолекулярных соединений. Полиамиды широко представлены в природе. Это разнообразные белки и многочисленные другие биологически важные вещества, входящие в состав организмов животных и растений. Первый синтетический полиамид был получен в 1862г Харбордтом, который, подвергая м-аминобензойную кислоту действию хлористого водорода при 200єС, выделил порошок серого цвета, не растворимый в щелочах и кислотах за исключением концентрированной серной кислоты. В последней этот продукт хорошо растворялся и высаживался при добавлении воды. Таким образом был получен поли-м-бензамид - первый представитель синтетических полиамидов.

Особенно бурное развитие исследований по синтезу и применению полиамидов началось после работы Карозерса по синтезу полиамидов из различных диаминов и дикарбоновых кислот. Карозерс показал, что из синтезированных им полиамидов, путем вытяжки из расплавленной смолы могут быть получены прочные волокна. В 1938 г. в США приступили к производству синтетического волокна из полигексаметиленадипинамида, которое приобрело мировую известность под названием найлон-6,6. В настоящее время найлон-6,6 занимает ведущее место среди всех синтетических волокон и масштаб производства этого волокна исчисляется сотнями тысяч тонн.

Среди синтетических полимеров по масштабу производства полиамиды занимают одно из первых мест. Полиамиды представляют собой высокомолекулярные соединения линейной структуры с молекулярным весом до 30 тысяч. Макромолекулы состоят из гибких метиленовых цепочек и регулярно расположенных вдоль цепи полярных амидных групп. Полиамиды относятся к основному классу синтетических волокон - гетероцепных полимеров. Наличие амидных групп, способных образовывать водородные связи, определяет физико-химические свойства, общие для всех полиамидов.

На примере полиамидов впервые было установлено, что линейные полимеры определенного молекулярного веса способны образовывать волокна. Первые синтетические волокна практического значения были получены из полиамидов.

Волокно из поли-е-капроамида [-NH(CH₂ )₅ CO-]_n - капрон (СНГ), найлон 6, капролан (США), перлон (Германия), силон (Чехия, Словакия), амилан (Япония), акулон (Голландия), грилон (Швейцария).

Полиамидные волокна по прочности уступают лишь льняным и стеклянным. Их разрывная длина колеблется от 40-50 ркм (обычные комплексные нити) до 65-75 ркм (упрочненные комплексные нити). В мокром состоянии прочность снижается незначительно: в среднем на 12% у капрона и на 2% у энанта. Полиамидные волокна характеризуются высоким разрывным удлинением (18-32% у комплексных нитей и 45-64% у штапельных волокон). В мокром состоянии удлинение несколько повышается.

Устойчивость к многократным изгибам у полиамидных волокон выше примерно в 100 раз, чем у вискозного волокна, в 10 раз, чем у хлопка и шерсти. По показателю устойчивости к истиранию полиамидные волокна превосходят все остальные. Если устойчивость к истиранию полиамидного волокна принять за 100, то у хлопка она составит 10%, у шерсти - 5, у вискозного штапельного волокна - 2%. Полиамидные волокна стойки к гниению, действию щелочей, менее стойки к действию кислот и окислителей.

К недостаткам этих волокон следует отнести невысокую термоустойчивость, низкую светостойкость, пониженную сцепляемость, плохой гриф, повышенную жесткость и плохую окрашиваемость.

Чтобы устранить эти недостатки, в частности, чтобы повысить термо- и светостойкость, в состав полиамидных волокон вводят стабилизаторы (соли меди, марганца и хрома). Чтобы снизить блеск и чрезмерную гладкость волокон и повысить тем самым сцепляемость в пряже и ткани, вырабатывают профилированные и полые полиамидные волокна. Легкость, упругость, исключительно высокие прочность и износостойкость полиамидных волокон способствуют их широкому применению.

Полиамидные волокна широко применяют для производства товаров народного потребления, в основном чулочно-носочных изделий, трикотажа, тканей для верхней одежды. В технике полиамидные волокна используют для изготовления шинного корда, РТИ (резино-технических изделий), электроизоляционных материалов, рыболовных сетей, тралов, канатов, веревок, пленки, фильтровальных материалов для пищевой промышленности, щетины (например для моечных и хлопкоуборочных машин), а также других изделий. Окрашенные в массе текстурированные нити (линейная плотность 60-330 текс) используют для изготовления ковровых изделий.

1. Характеристика сырья, материалов и полупродуктов

Для получения поликапроамида применяются следующие вещества:

Капролактам является основным мономером для получения поликапроамида по ГОСТу 7850-63 марка А:

Внешний вид - белый кристаллический порошок;

Температура плавления - 68,5±0,5°С;

Температура кипения - 262,5°С;

Температура затвердевания- 68,5 ^oС;

Перманганантное число не менее - 2000;

Содержание механических примесей не более - 0, 0001 %;

Прозрачность 25% - ного водного раствора не менее - 100см;

Содержание летучих оснований не более - 0,9 мл;

Стабильность цвета раствора в уксусной кислоте не менее - 24 гр;

Влажность не более - 0,1%.

В качестве активатора применяется вода со следующими параметрами по ГОСТу 6709 - 72:

Цветность, градусы - 0

Остаток после выпарки, мл/л - 6

Остаток после прокаливания, мл/л - 1

Содержание Fe, мг/л - 0,05

Содержание марганца, мг/л - 0,03

рН Н₂О - 5,4-6,6

Прозрачность по кресту не более - 200

Окисляемость, мг/г О₂ - 2

Жесткость, постоянная Н - 0,1

временная Н, не более - 12

Для получения полимера, т.е. для регулирования процесса, с заданной молекулярной массой применяют регулятор - уксусную кислоту по ГОСТу 19814-74:

Температура плавления, °С - 16,6

Температура кипения, °С / мм рт. ст. - 118,1

Плотность при 20 °С, г/см³ -1,0492

Константа диссоциации в водных растворах при 25°С - 1,76·10-5

Растворимость в Н₂О - полная, раствор прозрачный;

Содержание уксусной кислоты, % не менее - 98,5

Содержание уксусного альдегида, % не более - 0,008

Содержание муравьиной кислоты, % не более - 0,1

Содержание сульфатов, % не более - 0,001

Содержание хлоридов, % не более - 0,001

Содержание тяжёлых металлов, % не более - 0,0005

Содержание летучего остатка, % не более - 0,0005

Содержание железа, % не более - 0,0005

Устойчивость в растворе марганцевокислого, не более, мин. - 30

Содержание веществ окисляемых двухграммовым калием или 0,1 N раствором Na₂SO₄, не более - 7,0

Содержание толуола - не нормируется

Для предупреждения окисления поликапроамида кислородом воздуха применяют азот по ГОСТу 9293-74:

инертный газ, без цвета и запаха,

с=1,25046 г/м³ при t=0С и Р=760мм рт. ст.

Удельный объем V=860,4 дм³/кг (для газообразного)

Для нагрева и поддерживания заданной температуры полиамидирования используется высококипящий органический теплоноситель - динил по ГОСТу 4254-48:

Дифенил оксида - 73,5%

Температура кипения - 250-260С^о

Температура плавления - 12,3^оС

с при Т = 20С^о - 1062 кг/м³

Молекулярный вес - 166

Массовая доля при t = 20єС - 0,024

Температура вспышки - 115^оС

Электрическое сопротивление 1,35*10^-3м/см²

В качестве матирующего средства используется двуокись титана, (ТiO₂) по ГОСТу 9808-61:

Внешний вид - сыпучий порошок белого цвета

Концентрация (ТiO₂), % не более - 98

Вещества растворимые в воде, % не более - 0,5

Растворимые в воде фосфаты (Р) в частях на миллион - 300-750

Диспертруемость, не менее - 100

Содержание железа (17) мл/л, не более - 100

Содержание влаги, не более - 0,5%

2. Выбор и обоснование метода производства и оборудования

Существуют три способа производства нитей и волокон из поликапроамида:

1. Периодический способ - периодический синтез полимера, при котором осуществляются периодические процессы экстракции и сушки крошки и непосредственно формование из гранулята;

2. Непрерывный способ с получением крошки, при котором проходит непрерывный синтез капролактама, экстракция, сушка гранулята и непосредственно само формование волокна из гранулята;

3. Непрерывный способ - с формованием комплексных нитей непосредственно из расплава, синтезированного капролактама

При периодическом процессе полимеризации капролактам предварительно расплавляют при температуре 85-90єС в специальном аппарате - расплавителе. В этом аппарате, снабженном рубашкой и мешалкой, проводят перемешивание капролактама с активатором и стабилизатором. Затем реакционная смесь отфильтровывается под давлением азота через ткань на обогреваемом керамическом или стеклянном фильтре и подается в автоклав.

Для равномерного распределения двуокиси титана в полимере при получении матированного волокна требуемое количество двуокиси титана добавляют в виде водной суспензии одновременно с капролактамом в автоклав через 2-3 минуты после начала полимеризации. По окончании полимеризации расплавленная масса под давлением выдавливается в течение 1,5 часа из аппарата, а иногда пропускается через песочный фильтр для очистки от механических примесей и вытекает через широкую щель в виде ленты или жилки. Ленту пропускают обычно через ванну с водой. Полимер, полученный в виде ленты или жилки, как правило, непосредственно не используется для формования. Для проведения последующих операций, в частности экстракции лактама из полиамида и сушки, необходимо значительно увеличить поверхность полимера. Для этого жилка или лента, выходящая из ванны с водой, подается на рубильный станок и измельчается, а полученная крошка пневматическим транспортом направляется на экстракцию и сушку.

Мономер и низкомолекулярные водорастворимые фракции удаляют из крошки экстракцией горячей водой. Экстракция проводится путем ряда последовательных обработок крошки при температуре 90-100єС. Для экстракции применяется метод противоточной промывки. Водный раствор, полученный после экстракции, направляется на вакуум-выпарку. Это необходимо для регенерации лактама. В результате регенерации лактама удельный расход мономера уменьшается на 6-8%. Метод регенерации лактама из промывочной воды путем выпаривания недостаточно экономичен, однако более рациональные методы пока не разработаны. Сушка полиамида производится в барабанных вакуумных сушилках 18-24 часа при температуре 125єС и остаточном давлении 5-6 мм рт. ст.

Общая продолжительность технологического процесса получения поликапроамида периодическим методом достигает 50-60 часов. На процесс удаления низкомолекулярных соединений из ПКА крошки при синтезе поликапроамида периодическим способом приходится 53,1% капитальных вложений и 51,8% трудовых затрат в химическом цехе завода капронового волокна.

Периодический способ является первым реализованным в промышленности. Этот способ утратил свое значение и начинает вытесняться более усовершенствованным непрерывным.

Непрерывный способ - с формованием комплексных нитей непосредственно из расплава, синтезированного (ПКА) поликапроамида. Он является наиболее перспективным и технологически верным с точки зрения постоянства и равномерности свойств получения полимера, а также этот метод более выгоден по той причине, что можно улучшать как механизацию, так и автоматизацию производства. Метод подходит более для производства ПКА для кордной нити. Расчеты показывают, что при производстве кордной нити из поликапроамида по непрерывной схеме (без промежуточного получения крошки) капитальные затраты снижаются на 13%, эксплуатационные расходы на 10% и трудовые затраты на 17%. Этот метод получения поликапроамида сделал возможным соединение в едином технологическом потоке процессов синтеза и формования нитей непосредственно из раствора полимера (прямое формование). При непрерывном способе получения поликапроамида и формования нити, исключается часть операций, связанных с получением крошки, удалением из крошки низкомолекулярных соединений и сушки её. Кроме того, значительно упрощается конструкция машин для формования нити, так как используются прядильные головки, не имеющие плавильных устройств - формовочные головки. Такой способ полиамидирования можно назвать универсальным, так как он позволяет синтезировать полимер, из которого можно получать как техническую, так и текстильную нить.

Однако при получении полиамидной текстильной нити в большинстве случаев пока используется так называемый полунепрерывный метод (непрерывный процесс полимеризации мономера, дробления полимера, экстракции и сушки крошки и последующее плавление её в экструдере). Так как время пребывания крошки в экструдере не превышает 5 минут, то и без демономеризации в фильеру поступает расплав поликапроамида, содержащий только 1,5 - 2% низкомолекулярных фракций. В этом случае промывка полученной текстильной нити также является излишней. Это свидетельствует о перспективности и целесообразности более широкого применения непрерывного метода получения капроновой нити.

Для непрерывного процесса полиамидирования применяют два типа аппаратов непрерывной полимеризации (АНП): прямоточные и U- образные.

Прямоточные АНП наиболее простой конструкции, состоят из одной трубы, в которой реакционная масса самотеком медленно и равномерно перемещается сверху вниз. Используются для получения полимера в виде крошки. Прямоточные аппараты, несмотря на простоту конструкции, не находили широкого применения в промышленности из-за того, что увеличение производительности аппарата связано с изменением высоты аппарата. Кроме того, в прямоточных аппаратах затруднен выход из реакционной массы паров воды и газов, выделяющихся в процессе полимеризации.

Этого недостатка лишен U-образный аппарат непрерывной полимеризации. Используется для производства штапельного волокна и текстильных нитей. Он представляет собой аппарат непрерывной полимеризации, состоящий из трех вертикальных труб. Вследствие разности уровней в трубах реакционная масса в этом аппарате совершает сложный путь. В начале масса движется сверху вниз, затем снизу вверх и вновь сверху вниз, то есть совершая путь в виде буквы U. Работа аппарата обеспечивается автоматическим регулированием дозировки капролактама с добавками и разности уровней в трубах в зависимости от расхода готового полимера. Несмотря на сложность конструкции по сравнению с прямоточными аппаратами U- образные аппараты имеют меньшие габариты при большей производительности, готовый полимер надежно защищен от проникновения (проскока) в него капролактама и низкомолекулярных продуктов, прогрев реакционной массы в тонком слое (колосниках) и кольцевом сечении обуславливает получение равномерного по свойствам полимера, обеспечивается выход паров и газов из продукта.

Вследствие увеличения длины пути реакционной массы в аппарате и характерного U-образного движения последней опасность перемешивания слоев уменьшается, и в таком, аппарате полимер может быть получен с большей молекулярной массой, чем в аппарате прямоточного типа.

На основании выше изложенного в своем курсовом проекте я выбираю непрерывный способ с получением крошки, при котором проходит непрерывный синтез капролактама, экстракция, сушка гранулята и непосредственно само формование волокна из гранулята; синтез провожу в аппарате непрерывной полимеризации U- образного типа.

3. Описание оборудования

Установка непрерывного плавления капролактама УЦП - 14,5. Производительность - 14,5 т. в сутки. Она состоит из бункера, теплового питателя, расплавителя, лактомосборника, насоса, фильеры, фильтрловушки, системы трубопроводов.

Бункер - цилиндрический сосуд, с коническим днищем изготовленный из нержавеющей стали. Внутри установлен лопастной рыхлитель и ворошитель, с вертикальным приводом. На крышке установлено двухволновая дробилка. К разгрузочному патрубку бункера присоединен шнековый питатель. Корпус снабжен рубашкой для охлаждения водой. В торце питателя есть виток шнека, имеющий обратное направление. Выходной патрубок питателя соединён с загрузочным люком расплавителя. Производительность питателя регулируется в зависимости от уровня лактама в растворителе и лактамосборнике.

Расплавитель - вертикальный цилиндрический аппарат. Состоит из корпуса с приваренной рубашкой для обогрева горячей водой и конической с фланцем крышкой. В аппарате установлена мешалка якорного типа. Привод смонтирован на крышке аппарата и состоит из редуктора и электродвигателя. На крышке есть смотровые стёкла, штуцера для входа азота, загрузочный люк. Отвод лактама производится через штуцер, в нижней части имеется люк для чистки дна расплавителя.

Лактамосборник - аппарат аналогичен расплавителю, но без загрузочного люка и с мешалкой пропеллерного типа, помещённой в диффузоре. Имеется уровнемер, связанный с приводом шнекового питателя. Для подачи расплава через фильтр в отделение полимеризации применяются консольные центробежные насосы с устройством для обогрева. Перед насосами есть фильтрловушка. Фильтр свечевой состоит из цилиндрического корпуса, рубашки для обогрева и крышки, прикрепленной к корпусу. Внутри есть свеча из двух перфорированных трубок с фильтрматериалом. На крышке есть патрубок для установки датчика. В качестве рубашки для обогрева трубопроводов применяются трубы большого диаметра.

Смеситель - вертикальный бак с пропеллерной мешалкой внутри и рубашкой для обогрева. Для контроля уровня установлены сигнализаторы уровня.

Через счетчик-дозатор смеситель заполняют продуктом. Предусмотрена система подачи азота. Из смесителя через фильтр смесь поступает в промежуточную ёмкость. Из неё к дозаторам смесь подаётся посредством пагружного насоса. Он состоит из диска с четырьмя отдельно просверленными отверстиями. Диск насажен на вал и вращается внутри улитки и закрыт сверху и снизу крышками. В нижней крышке есть патрубок для забора перекачиваемой жидкости. А к верхней присоединена труба, через которую под действием центробежной силы передается перекачиваемая жидкость.

Черпачковый дозатор представляет собой плоский, горизонтальный барабан с вращающимися внутри его дисками, на котором укреплены шесть ножей. В корпусе есть переливная трубка, обеспечивающая постоянный уровень капролактама, и сливная воронка. Корпус дозатора имеет охлаждающую рубашку. Передняя стенка состоит из стекла. Устанавливается два дозатора (один резервный) в аппарат для непрерывной полимеризациии - АНП - 5,5.

Демономеризатор представляет собой аппарат цилиндрической формы, в нижней части которого имеется штуцер для отвода поликапроамида, а в верхней он соединен с конденсатором смешения, в который под действием вакуума отсасываются НМС и вода. Для передачи поликапроамида в аппарат выравнивания есть шнековый насос.

Аппарат выравнивания аналогичен с демономеризатором. Обогревается теплоносителем. Зубчатым насосом поликапроамид подаётся на формование.

Аппарат непрерывного полиамидирования АНП-5,5 включает U-образный аппарат непрерывной полимеризации емкостью 5,5м³ и производительностью до 4,5 т/сут., литьевую ванну, тянущие вальцы, машину для резки жилки, двухсекционный бункер для приема крошки, массо-насосы, коммуникации для гидротранспорта крошки.

Расплавленный капролактам (после предварительной фильтрации) из установки централизованного плавления УЦП-14,5 по магистральному трубопроводу подается в установку непрерывного полиамидирования. Все трубопроводы для расплавленного капролактам и аппараты, входящие в комплект установки (кроме аппарата полиамидирования), обогреваются горячей водой с температурой 92,5±2,5єС. Количество капролактама, отбираемого из трубопровода и подаваемого на установку, регистрируется счетчиком-дозатором отсечного типа. Счетчик-дозатор дает возможность автоматически прекращать подачу капролактама в установку после того, как заданное количество капролактама пройдет через него. Отмеренный счетчиком дозатором капролактам поступает в вертикальный бак-мешалку для равномерного перемешивания с добавками - активатором и регулятором. Он представляет собой вертикальную емкость с эллиптическими крышкой и днищем и обогревательной рубашкой. На крышке расположены люк для загрузки активатора и стабилизатора, а также стойка с приводом пропеллерной мешалки, состоящим из редуктора и электродвигателя. На корпусе аппарата расположены каплеулавливатель , кран для взятия проб и указатель уровня. Для контроля уровня установлены сигнализаторы уровня. Чтобы расплавленный капролактам не окислялся, предусмотрена система подачи азота. Обогрев аппарата осуществляется горячей водой с температурой 92,5±2,5єС. Мешалка расположена на расстоянии, равном половине радиуса аппарата от центральной оси, с целью предотвращения образования воронки. Все детали соприкасающиеся с расплавленным капролактамом, выполнены из стали Х18Н10Т. Рабочий объем бака-мешалки выбирают таким образом, чтобы загрузка производилась не более 3,5±0,5 раза в сутки. Коэффициент заполнения аппарата составляет 0,75+5. Поскольку бак-мешалка работает периодически, для обеспечения непрерывной работы полимеризационного аппарата устанавливают промежуточную емкость с насосом для подачи смеси в дозатор. Обычно используют горизонтальные цилиндрические аппараты с погружными насосами, объем которых на 15±5% больше объема бака-мешалки, обогреваемые горячей водой.

Из смесителя через фильтр смесь поступает в промежуточную ёмкость. Фильтрация смеси с добавками стабилизатора аналогична фильтру установки централизованного плавления капролактама. Фильтр свечевой состоит из цилиндрического корпуса, рубашки для обогрева и крышки, прикрепленной к корпусу. Внутри есть свеча из двух перфорированных трубок с фильтрматериалом. На крышке есть патрубок для установки датчика. В качестве рубашки для обогрева трубопроводов применяются трубы большого диаметра. Основным отличием является лишь то, что фильтровальная ткань укладывается на опорную решетку, сваренную из нескольких усеченных конусов из перфорированной стали, таким образом, что основание меньшего по диаметру конуса соединяется с вершиной большего. В качестве фильтрующего материала применяют два слоя типа шифон и свансбой. Из промежуточной емкости к дозаторам смесь подаётся посредством пагружного насоса. Он состоит из диска с четырьмя отдельно просверленными отверстиями. Диск насажен на вал и вращается внутри улитки и закрыт сверху и снизу крышками. В нижней крышке есть патрубок для забора перекачиваемой жидкости. А к верхней присоединена труба, через которую под действием центробежной силы передается перекачиваемая жидкость.

Для равномерного и непрерывного дозирования компонентов реакционной смеси-расплавленного капролактама (с добавками) и водной суспензии двуокиси титана - над первой секцией АНП-5,5 установлены спаренные дозаторы, черпачкового типа. Они позволяют одновременно с дозировкой реакционной смеси производить дозировку матирующего агента -- суспензии двуокиси титана. При этом двуокись титана сливается в трубку, соединенную с трубкой, по которой капролактам подается в аппарат полимеризации. Это способствует перемешиванию капролактама и матирующего агента еще до поступления в аппарат полимеризации. Излишки капролактама из дозатора по обратной линии сливаются в горизонтальный бак. Избыток водной суспензии двуокиси титана через перелив возвращается в бак с погружным насосом. На установке суспензию двуокиси титана готовят предварительно на специальной установке. Чтобы предотвратить попадание воздуха в аппарате АНП-5,5, в верхний барабан подается азот.

Спаренный черпачковый дозатор состоит из двух неподвижно укрепленных один над одним горизонтальных барабанов. Оба барабана укреплены на вертикальной стойке. Внутри каждого барабана находится вращающееся кольцо с черпаками. В корпусе есть переливная трубка, обеспечивающая постоянный уровень капролактама, и сливная воронка. При вращении из черпаков выливается капролактам и суспензия двуокиси титана в воронку, связанную трубопроводом с АНП-5,5. В верхний барабан, который не имеет обогревательной рубашки, осуществляется дозирование матирующего агента (двуокиси титана), а в нижний, имеющий рубашку для обогрева горячей водой - капролактам с добавками. Расплав капролактама поступает по переливной трубке, заполняя внутреннюю полость корпуса. При вращении диска черпаки заполняются расплавом, который сливается в воронку при нахождении черпаков в верхнем положении. Внутренняя полость корпуса затвора закрывается стеклом, что позволяет наблюдать за дозированием расплава.

U-образный аппарат непрерывной полимеризации состоит из нескольких секций, количество которых обуславливается технологией изготовления и монтажа, а так же возможностью обеспечить равномерный нагрев по высоте секции и представляет собой U-образную трубу, состоящую из восьми основных и двух соединительных секций. В левой трубе верхняя секция выполняется полой. Четыре нагревательных секции предназначены для интенсификации обогрева реакционной среды за счет увеличения поверхности теплообмена. Последующие пять секций трубы представляют собой, как и первая секция, полые сосуды с рубашками для обогрева. В двух секциях на штангах устанавливаются перфорированные диски для выравнивания скорости движения реакционной массы по сечению аппарата.

Правая труба состоит из четырех секций. Внутри нее расположена переливная труба. Реакционная масса поднимается вверх по кольцевому пространству, образованному внутренними поверхностями обечаек секций и наружной поверхностью переливной трубы, а затем переливается через край переливной трубы и по стенке последней стекает вниз. Из реакционной массы выделяются пары воды, т. е. происходит дегазация. Все секции имеют обогревающие рубашки, что позволяет поддерживать необходимую температуру реакционной среды. В крышках предусмотрены смотровые окна, штуцера для ввода компонентов полимеризации и азота, создающего подушку над уровнем среды в левой трубе (для предотвращения возможного проникновения воздуха в аппарат и окисления расплава). Кроме того, на крышке левой трубы имеется штуцер для удаления паров воды, выделяющихся при дегазации расплава.

Первая секция аппарата обогревается жидким динилом, вторая динильным паром от отдельно стоящих динильных котлов. Эти секции оборудованы обогревательными колосниковыми решетками, назначение-которых обеспечить равномерный прогрев реакционной массы до высокой температуры и исключить попадание капролактама в нижние секции трубы. Остальные секции аппарата обогревается динильным паром, образующимся в результате местного нагрева динила электропакетами. Температура динила в первой секции 260±1єС, в остальных 265±1єС. Вывод паров воды и капролактама из первой секции аппарата в гидрозатвор осуществляется через конденсатор, где поддерживается температура 103,5±1,5єС, при которой конденсируются только пары капролактама. Жидкий капролактам снова возвращается в первую секцию АНП-5,5.

Полимеризующаяся масса движется самотеком через первые четыре секции аппарата, имеющие внутри перфорированные тарелки, поднимается и, переливаясь через края внутренней тарелки, поступает в нижнюю часть аппарата. При перетекании расплава поликапроамида через края внутренней трубы аппарата частично удаляется влага из расплава и происходит дегазация.

Выгрузка продуктов производится через штуцер, расположенный в нижней части правой трубы, при помощи специального устройства. Продолжительность полимеризации в таком аппарате составляет 33±3 ч (в зависимости от требуемого качества полимера). Все детали, соприкасающиеся с реакционной средой, выполнены из стали марки Х18Н10Т или биметалла. Диаметры труб выбирают обычно в пределах 0,35±0,025 м.

Разгрузку аппаратов полимеризации производят при помощи шестеренных насосов типа НШ. Насосы обычно устанавливаются на литьевой головке, соединенной с аппаратом полимеризации. Назначение литьевых головок - обеспечить отбор заданного количества полимера в единицу времени. Головка состоит из насосного блока с насосом, фильеры, обогревательной рубашки и привода насоса, который обеспечивает возможность плавкого регулирования частоты вращения последнего.

Отверстия в фильере литьевой головки (число их может составлять 9) имеют диаметр от 1,5±0,2 мм. Скорость выхода расплава из отверстий фильеры обычно равна 0,3±0,02 м/с. Расплав шестеренчатыми насосами подается через литьевые фильеры в ванну для охлаждения жилки. Охлаждение получаемой жилки поликапроамида осуществляется в ванне. Ванна состоит из короба и тележки, обеспечивающей возможность передвижения ванны при помощи гидроцилиндра. Ванна имеет штуцера для отвода воды, переливную трубу и смотровое стекло. Для заправки жилки на ванне смонтированы механизм заправки и каретка, позволяющие удлинять путь жилки в ванне.

Герметизация фильеры осуществляется при помощи телескопического патрубка, в который подают азот. Верхняя часть патрубка при помощи механизма опускания и подъема плотно прижимается к нижней части корпуса литьевого устройства. Все детали, соприкасающиеся с поликапроамидом, а также с охлаждающей водой, изготавливают из нержавеющей стали. Протягивание жилки поликапроамида через ванну осуществляется при помощи тянущих вальцов, которые служат для обеспечения заданной скорости формования жилки и подачи последней на рубильную машину. Скорость вращения вальцов должна строго согласовывается со скоростью вращения насоса литьевого блока и приемным механизмом рубильного станка. Для этого приводы насоса, тянущих вальцов и рубильного станка выполнены регулируемыми, с дистанционным управление.

Жилки тянущими вальцами направляются к машине для резки. Рубильный станок предназначен для гранулирования жилки в гранулы размером 1,5Ч2,5 мм. Состоит из резательной головки, каркаса, разгрузочного устройства и привода. Резательная головка имеет приемный механизм, состоящий из гребенки и планки с конусными отверстиями для заправки жилки. Возле выходных отверстий вращается рифленый вал, который вместе с прижимными роликами подает жилку па рубку, осуществляемую между вращающейся фрезой и неподвижным ножом. Полученная крошка собирается в двух секционном бункере. Для того чтобы гранулят не застревал в разгрузочном устройстве бункера, предусмотрен смыв его водой. Детали рубильной машины, соприкасающиеся с гранулятом, выполняются из хромоникелевой стали , а фреза и неподвижный нож - из хромистой стали.

Управление машиной осуществляется с пульта управления, расположенного на машине. Гранулят из рубильной машины поступает в бак-накопитель, где происходит накопление партий гранулированного полимера и откуда производится отбор партий. Поскольку экстракция и сушка осуществляются по периодическому способу, размер партий должен соответствовать загрузке экстрактора. Для обеспечения непрерывной работы полимеризационного аппарата бак делают двухсекционным. На крышке бака устанавливают специальное устройство, которое позволяет переключать поток гранулята либо в одну, либо в другую секцию. Импульс на переключение поступает от суммирующего устройства по достижении заданной частоты вращения шестеренных насосов литьевого устройства. Из бака в экстрактор гранулят подается массо-насосом.

При получении волокон, идущих на изготовление текстильных изделий, последние матируют двуокисью титана (размер частиц - не более 0,2-0,5 мкм).

Техническая характеристика основных аппаратов установки АНП-5,5

1. Аппарат непрерывного полиамидирования АНП-5,5

Емкость, л

полная - 5500

рабочая - 5000

продолжительность полиамидирования, ч - 30-32

давление, 10⁵Па

в рубашках - до 1,5Ч10⁵Па

в корпусе аппарата - до 1,5Ч10⁵Па

Привод насосов НШ-75К литьевых блоков через вариатор и червячный редуктор от электродвигателей

мощность, кВт - 1

частота вращения, об/мин - 1410

Габариты, мм

высота - 12700

ширина - 870

длина - 2690

масса аппарата, т - 12,7

2. Литьевая ванна (передвижная)

число - 2

емкость, м³

общая - 0,42

рабочая - 0,40

число выпускаемых жилок диаметром 1,5мм до 18

масса, т - 0,4

3. Тянущие вальцы

Высота подъема прижимных вальцов (зазор между вальцами), мм - 30

Электродвигатель - АО 31-4

Длина вальцов, мм

нижних - 390

верхних - 370

Диаметр вальцов, мм

нижних - 250

верхних - 235

число вальцов - 2

скорость жилки, м/мин - 20-80

привод через вариатор и редуктор от электродвигателя

мощность, кВт - 0,6

частота вращения, об/мин - 1410

4. Машина для резки жилки РМ-5,5

максимальное число жилок для одновременной резки - 38

скорость подачи жилок, м/мин - 12,4-120

частота вращения фрезы для резки жилок, об/мин - 338-2015

диаметр фрезы, мм - 150

размеры крошки, мм

диаметр - 1,5

длина - 2,5

Габариты

длина - 1260

высота - 1200

ширина - 1185

масса, кг - 850

Бункер двухсекционный для крошки

емкость, м3

общая - 19

одной секции - 9,5

количество крошки загружаемой в одну секцию (при насыпной плотности 0,7г/см³)

Установки для получения матирующей суспензии

В аппарат для приготовления суспензии загружают сухую двуокись титана и дистиллированную воду из мерника, которые затем перемешивают вибромешалкой в течение 2 ч. Смесь отстаивают в течение 12 ч, фильтруют на нутч-фильтре и фильтрат подают в отстойники. Туда же добавляют дистиллированную воду и кристаллический капролактам. Полученная смесь после перемешивания отстаивается в течение 48 ч и затем центробежным насосом передается в аппарат с мешалкой для хранения и передачи в дозирующее устройство аппарата полимеризации. Обычно готовят 8%-ную суспензию двуокиси титана. Грубодисперсная часть, получаемая после отстаивания, перерабатывается на коллоидной мельнице и снова направляется в аппарат для приготовления суспензии. Все детали аппаратов, соприкасающиеся с суспензией, выполнены из хромоникелевой стали, а рабочие органы насоса и коллоидной мельницы -- из специального износоустойчивого материала.

Для удаления из полимера НМС используют экстрактор без перемешивающего устройства, в котором интенсивная циркуляция воды обеспечивает хорошее перемешивание гранулята и эффективное удаление

низкомолекулярных соединений. Такой экстрактор состоит из корпуса и внутреннего цилиндра для обогрева. Крошка гидротранспортом загружается в экстрактор через штуцер, расположенный в верхней части аппарата. Штуцер для выгрузки крошки из экстрактора находится на нижней части аппарата. В процессе экстракции вода непрерывно подается насосом снизу аппарата и отводится сверху. Штуцеры для ввода и вывода промывочной воды присоединены к замкнутому контуру коммуникаций, по которому циркулирует вода. Для предотвращения возможности окисления крошки при высокой температуре (около 100єС) в аппарат подается азот. Вода для промывки экстрактора (смывная вода) поступает через штуцер. Внутренняя часть аппарата сообщается с атмосферой через воздушник. Избыток воды отводится через штуцер. Такие экстракторы применяются в современных установках для водной экстракции низкомолекулярных соединений из крошки. Экстрактор снабжен насосом, фильтром, выносным подогревателем и водоотделителем. Загрузка крошки гидротранспортом: массо-насос перекачивает в экстрактор смесь воды и крошки из бункера, в котором находится крошка после резательной машины.

Количество загружаемой крошки составляет около 3,5 тонн.

Вода, используемая для транспортировки крошки в экстрактор, спускается через нижний штуцер, а аппарат заполняется оборотной водой, хранящейся в баке. Оборотная вода подается направленным потоком насосом через фильтр и подогреватель в нижнюю часть экстрактора. Крошка в процессе промывки находится во взвешенном состоянии. Фильтр служит для отделения мельчайших кусочков полимера и, следовательно, для уменьшения образования пыли при последующей сушки. Вода нагревается в подогревателе. Продолжительность экстрагирования отсчитывают с момента достижения рабочей температуры. По истечении установленного времени циркуляцию прекращают, воду из экстрактора спускают в приемный бак и снова заполняют экстрактор таким же количеством воды, после чего процесс

повторяют. Таким образом промывают крошку несколько раз. По окончании последней промывки воду из экстрактора спускают в приемный бак, а крошку выгружают в бункер-водоотделитель, из которого её направляют на сушку. Корпус экстрактора и все поверхности, соприкасающиеся с водой и крошкой, выполнены из нержавеющей стали.

Техническая характеристика установки

Экстрактор

емкость, м³ - 10

давление в экстракторе, 10⁵Па:

избыточное - 1

остаточное - 0,08

Внутренний обогреватель (цилиндр):

поверхность нагрева, м² - 9

давление пара - 3Ч10⁵ Па

температура воды, єС - 97±2

Размеры, мм:

длина - 2400

ширина - 2400

высота - 7200

масса, т - 2,65

Выносной подогреватель:

поверхность нагрева, м² - 10

давление пара, 10⁵ Па - 3

Фильтр:

поверхность фильтрации, м² - 2

Насос:

производительность, м³/ч, не менее - 100

Вакуум-барабанная сушилка (типа «пьяной бочки») для сушки ПКА. Барабан сушилки отличается простотой устройства. Он не имеет внутри

никаких приспособлений для механического перемешивания крошки, у нее ось барабана пересекается с осью его вращения под некоторым углом. Партия крошки подается гидротранспортом в бункер, а затем в барабан вакуумной сушилки, представляющий собой цилиндр, который вращается вокруг горизонтальной линии, не совпадающей с осью цилиндра. Благодаря этому при вращении барабана обеспечивается хорошее перемешивание гранулята. Сушильный барабан имеет лаз, загрузочный патрубок, а также нагревательную паровую рубашку. Подвод пара в рубашку и отвод конденсата осуществляют через штуцера. Отсос паров воды из сушилки производят через цапфу, а отбор проб на анализ через пробоотборник. Сушилка обогревается горячей водой, циркуляция которой производится насосом через подогреватель.

Отсос паров и создание вакуума в сушилке осуществляется вакуумными насосами через пылеотделитель, конденсаторы. Детали сушилки, соприкасающиеся с гранулятом, выполняются из нержавеющей стали.

Сушилка разгружается при остановленном барабане через тот же штуцер, который служит и для загрузки. После окончания сушки сушилку охлаждают в течение 6 часов. Когда температура крошки снизится до 50єС, её выгружают.

Техническая характеристика установки с барабанной вакуумной сушилкой (типа пьяная бочка)

Ёмкость барабана, м³ - 10

Внутренний диаметр барабана, м - 2,4

Общая поверхность нагрева, м² - 30

Рабочая температура, єС - до 130

Скорость вращения барабана, об/мин - 1

Количество загружаемого гранулята при влажности 12%, кг - 3350

Продолжительность сушки, час - 48

5. Описание технологического процесса

Полимеризация капролактама является основным промышленным способом получения поликапроамида. Наибольшее промышленное распространение получила гидролитическая полимеризация.

Капролактам из мешков через дробилку загружается в бункер, откуда после рыхления забирается питателем и непрерывно подаётся в расплавитель. На этой установке плавление происходит при температуре 95єС в среде азота подаваемого постоянно под давлением 0,5 кг/см². Все аппараты и трубопроводы обогреваются горячей водой. Расплавленный лактам собирается в лактамосборнике, откуда центробежным насосом, через фильтр, подаётся в цех полиамидирования.

Все трубопроводы для расплавленного капролактама и аппараты, входящие в комплект установки непрерывного полиамидирования (кроме аппарата полиамидирования), обогреваются горячей водой с температурой 90єС. Количество капролактама, отбираемого из трубопровода и подаваемого на установку, регистрируется счетчиком-дозатором. Отмеренный счетчиком дозатором капролактам поступает в вертикальный бак-мешалку, где происходит добавление дистиллированной воды - активатора, уксусной кислоты - регулятора. Чтобы расплавленный капролактам не окислялся, в бак-мешалку подается азот. После пятиминутного перемешивания гомогенный расплав капролактама с регулятором вторично фильтруют и направляют в горизонтальный бак с погружным насосом для подачи к спаренным дозаторам, установленным непосредственно у аппарата непрерывной полимеризации.

Для поликапроамидных нитей характерен блеск, при производстве текстильных предпочтительно использовать нити с уменьшенным блеском, что улучшает внешний вид изделия. Уменьшение блеска достигается введением в полимер небольшого количества вещества, обладающего другим показателем преломления света, чем полимер, из которого получены нити. Для капроновых нитей в качестве матирующего агента применяется двуокись титана. Матирование производится в процессе полиамидирования. Для непрерывного и более равномерного дозирования компонентов реакционной смеси-расплавленного капролактама (с добавками) и водной суспензии двуокиси титана, процесс осуществляется с помощью спаренных дозаторов, черпачкового типа.

Они позволяют одновременно с дозировкой реакционной смеси производить дозировку матирующего агента -- суспензии двуокиси титана. При этом двуокись титана сливается в трубку, соединенную с трубкой, по которой капролактам подается в аппарат полимеризации. Это способствует перемешиванию капролактама и матирующего агента еще до поступления в аппарат полимеризации. Излишки капролактама из дозатора по обратной линии сливаются в горизонтальный бак. Избыток водной суспензии двуокиси титана через перелив возвращается в бак с погружным насосом. Суспензию двуокиси титана готовят предварительно на специальной установке.

Чтобы предотвратить попадание воздуха в аппарате АНП-5,5 подается азот.

Расплав капролактама с добавками поступает в U-образный аппарат непрерывной полимеризации.

Особенностью гидролитической полимеризации капролактама является наличие индукционного периода реакции, обусловленного временем, необходимым для накопления в системе продуктов гидролиза, которые резко ускоряют процесс полимеризации. Веществом, ускоряющими процесс полимеризации, является вода, способствующая раскрытию циклической молекулы капролактама. Это обусловлено тем, что применяемый активатор (вода) дешев, хорошо растворяется в капролактаме, не изменяется с повышением температуры.

Реакционная масса поступает сверху вниз и стекает в первую секцию, где происходит первая стадия процесса полиамидирования:

1. Гидролиз капролактама, с образованием линейного мономера: аминокапроновой кислоты (АКК):

HN(CH₂)CO + H₂O - H₂N(CH₂)₅COOH.

Начало процесса полиамидирования характеризуется интенсивным образованием аминокапроновой кислоты, доля остальных реакций при этом незначительна. После этого наблюдается интенсивное образование олигомеров, которые как и аминокапроновая кислота, обладают способностью ускорять последующий процесс. Поэтому на первых этапах процесса стремятся к достижению максимальной концентрации аминокапроновой кислоты и концевых функциональных групп линейных полимеров.

2. Образование амидных групп - NHCO - путем конденсации линейных цепочек различной длины:

H₂N + - COOН - - - NHCO - + Н₂О

Дальнейший рост цепи идет за счет присоединения капролактама к концевым группам цепи (дополимеризация).

Аминокапроновая кислота соединяется с другой молекулой капролактама и образуется димер:

H₂N(CH₂)₅COOH + HN(CH₂)₅CO H₂N(CH₂)₅CO-HN(CH₂)₅COOH.

Далее димер взаимодействует ещё с одной молекулой капролактама, образуя тример:

H₂N(CH₂)₅CO-HN(CH₂)₅COOH+HN(CH₂)₅CО

> Н₂N(CH₂)₅CO-HN(CH₂)₅CO-NH(CH₂)₅COOH и так далее до образования поликапроамида:

…HN(CH₂)₅CO - HN(CH₂)₅CO - HN(CH₂)₅CO…

Параллельно с полимеризацией происходит взаимодействие функциональных групп, образовавшихся макромолекул, путем реакции поликонденсации. На последней стадии процесса рост макромолекул поликапроамида осуществляется в основном за счет реакции поликонденсации.

...-NН(CH₂)₆COOH+H₂N(CH₂)₅CO…- -Н₂О +…NН(CH₂)₆CO- HN(CH₂)₅CO…

Удаление воды при поликонденсации сдвигает амидное равновесие в сторону образования дополнительных амидных связей и способствует повышению молекулярной массы поликапроамида и соответственно вязкости расплава. Во избежание этого одну из концевых групп полимера - карбоксильную или аминогруппу - блокируют. Для этого применяют реагенты, ограничивающие (регулирующие) степень полимеризации, которые называются регуляторами. Обычно блокируют частично аминогруппы, добавляя на начальной стадии полимеризации небольшое количество уксусной кислоты.

...