3.1.1 Перенос тепла в процессе нитеобразования

Тепловой баланс в процессе нитеобразования по «сухому» способу следующий:

Q₁ + Q₂ = Q₃ + Q₄ + Q₅ . (27)

Здесь: Q₁ - количество тепла, вносимое в шахту прядильным раствором;

Q₂ - количество тепла, вносимое в шахту нагретой ПГС;

Q₃ - количество тепла, необходимое для компенсации скрытой теплоты парообразования (теплоты испарения) растворителя;

Q₄ - количество тепла, уносимое из прядильной шахты ПГС;

Q₅ - количество тепла, уносимое нитью из прядильной шахты.

Отверждение струи прядильного раствора в шахте определяется динамикой тепло- и массообмена ее с ПГС в условиях развития продольного градиента скорости (растяжения), _//. Однако соотношение скоростей массо- и теплообмена отверждающейся струи прядильного раствора и ПГС определяется физико-химическими свойствами смеси «растворитель-газ».

На участке ОА (рис. 4.) происходит основное растяжение струи в условиях интенсивного испарения растворителя (см. рис. 5). Остаточное содержание растворителя в филаменте лишь слегка зависит от интенсивности потока ПГС, но в основном определяется длиной пути нити в шахте.

На участке АВ (рис. 4) содержание остаточного растворителя в формующемся филаменте еще достаточно для реализации ориентационных эффектов. Тем не менее при «сухом» способе нитеобразования достичь значительной ориентации структурных элементов формуемого филамента вдоль оси не удается, так как скорость нитеобразования лишь немного превышает скорость релаксационных процессов. Поэтому физико-механические свойства нитей, полученных по «сухому» способу и не подвергавшихся дополнительной ориентационной вытяжке, невелики: относительная прочность их составляет лишь 12-16 сН/текс.

Путь нити в шахте, L,

I – зона интенсивного испарения растворителя, ОА.

II – зона постоянной скорости испарения растворителя, АВ.

III – зона уменьшающейся скорости испарения растворителя, ВС.

1 – эффективная вязкость, η_эф;

2 – средняя скорость филамента;

3 – температура филамента;

4 – среднее содержание растворителя в филаменте;

5 – диаметр филамента.

Рисунок 5 – Динамика нитеобразования по «сухому» способу

3.1.2 Массообмен в процессе нитеобразования

Массообмен (испарение растворителя из филамента) включает вначале быстрое испарение и диффузию из поверхностных слоев филамента, приближающихся к чистой диффузии растворителя из нити (участки АВ и ВС рис. 4). Очевидно, что этот механизм отверждения филаментов определяет скорость всего процесса нитеобразования.

Изменение содержания растворителя в филаменте вдоль пути нити в шахте иллюстрируется следующим балансовым соотношением:

С_f/ z + 2^1/2  S^1/2m₀ [Q_м  а_Т ∙ (1-Q_f) ⁿ] ^-1 = 0 (28)

n  2 (1,7 до 2,4).

Здесь: m₀ - молекулярная масса растворителя;

а_Т - мольный поток, определяющий скорость перехода растворителя с поверхности филамента в окружающую среду;

C_f – содержание остаточного растворителя в филаменте;

Q_м – подача прядильного раствора;

S – площадь поперечного сечения филамента на расстоянии Z от плоскости фильеры.

а_Т = К_х  х_s,w / 1-х_s,d,

где К_х- коэффициент массопередачи;

х_s,d - мольная доля паров растворителя на поверхности раздела «филамент-среда»;

х_s,w - мольная доля паров растворителя в ПГС.

Коэффициент массопередачи может быть вычислен для параллельного потока ПГС из соотношения (29):

К_х = 0,26_f D^-1/3 (_а/Рr)^1/2r_f^-2/3V_а ^1/3 (29)

Теплообменный критерий Прандтля равен, Рr = /а_тп, где  - кинематическая вязкость, а_тп - коэффициент температуропроводности, D-коэффициент диффузии растворителя из филамента.

Нить, выходящая из прядильной шахты, содержит некоторое количество остаточного растворителя. Поэтому путь нити в шахте (минимальная высота шахты), необходимый для максимального удаления растворителя из филамента, определяется в основном средним коэффициентом диффузии растворителя и его температурной зависимостью, а также линейной плотностью филамента и V_п. Вместе с тем содержание растворителя в филаменте очень мало зависит от скорости потока ПГС, V_а, которая обычно реализуется в пределах 0,8-2,2 мс^-1.

По мере удаления растворителя из отвердевающего филамента возрастает доля содержания в ней полимера, в результате чего происходит резкое увеличение вязкости струи (как _эф, так и _Т). Если вязкость прядильного раствора волокнообразующего полимера составляет 50  150 Па ∙ с, то на участке ОА (см. рис. 5) значения _эф возрастают до 10⁶ ÷ 10⁷ Па · с, а в т. В полимер отвердевает причем: _Т10^1112 Па · с.

Вместе с тем температура филамента вдоль пути нити в шахте существенно изменяется.

Изменение температуры филамента вдоль его пути в прядильной шахте может быть описано следующей формулой (см. рис. 5):

Т/ z = С_р^-1{[(1 – С_f) Q^-1] 2h_z+^1/2_f^1/2(Т-Т_f,_z) + L_s [m₀ (1- С_f) С_f /z] (30)

I II

Здесь: С_р - теплоемкость филамента при содержании в нем остаточного растворителя С = (1-С_f);

_f - плотность филамента;

Q-подача прядильного раствора;

Т и Т_f,_z - температура ПГС и филамента соответственно на расстоянии z от плоскости фильеры;

m₀- молекулярная масса растворителя;

L_s - скрытая теплота парообразования;

С_f - концентрация полимера.

h_z - коэффициент теплопередачи от среды к филаменту,

где h_z = 0,26_f  _а^-1/3r_f^-2/3V_а ^1/3 и

_а - теплопроводность ПГС (газа);

_а - кинематическая вязкость ПГС (газа);

r_f - радиус филамента

V_а - скорость ПГС.

При противоточной подаче ПГС в прядильную шахту имеем:

h_z,о= 2 h_z.

Первое слагаемое уравнения (30), I, описывает скорость повышения температуры филамента за счет теплоотдачи от нагретого сушильного агента, а второе слагаемое, II, характеризует снижение температуры филамента за счет скрытой теплоты парообразования.

На участке ОА (рис. 4, 5) вследствие интенсивного испарения, сопровождающегося как конвекцией с поверхности филамента, так и диффузией растворителя из поверхностных слоев филамента, происходит охлаждение волокна. Для компенсации этого эффекта требуется дополнительный подвод тепла к высыхающему филаменту, что достигается подачей горячего воздуха. Повышение температуры филамента на участках АВ и ВС (рис. 4, 5) способствует ускорению диффузии растворителя из центральных частей филамента.

В процессе нитеобразования по «сухому» способу в результате высыхания струи прядильного раствора, обусловливающего резкое увеличение его вязкости, происходит подавление сегментарной подвижности макромолекул волокнообразующего полимера и реализуется стеклование полимерного субстрата. Если первичная структура волокнообразующего полимера регулярна, то свежесформованная по «сухому» способу нить частично кристаллизуется. В остальных случаях структура нитей преимущественно аморфна. Возможно также возникновение мезофазы, армирующей аморфные области полимерного субстрата. Важнейшим технологическим фактором, определяющим стабильность нитеобразования по «сухому» способу, является подача воздуха в шахту с постоянной скоростью, обеспечивающей равномерность тепло- и массообмена со всеми струями прядильного раствора (филаментами).

Количество подаваемого инертного газа должно обеспечивать проведение нитеобразования вне концентрационных пределов области взрывоопасности паров растворителя (см. табл. 8).

Пример. Вычислить подачу, Q_ПГС, нм³/час, инертного газа в шахту прядильной машины ПА-240-И при получении ацетатной нити линейной плотности Т_t 16,6 текс f 40 текс. Скорость приема нити, V_п = 500 ммин^-1.

Концентрация прядильного раствора 23% (масс). Плотность прядильного раствора  = 887 кгм^-3. Состав растворителя: ацетон-95%(масс)+вода-5% (масс). Концентрация паров ацетона в ПГС, отбираемой из прядильной шахты, 35 г · м^-3. Содержание замасливателя на нити 1,3% (масс); влажность нити 6,5% (масс). Содержание ацетона в свежесформованной нити 3,5% (масс).

Решение. Вычислим подачу прядильного раствора на одно рабочее место:

Q = 16,6  500 (1 - 0,013)(1- 0,065)(1- 0,035) 100 / 1000  23  8871000 =

= 0,3263  10^-4 м³мин^-1 32,1 г ∙ мин ¹.

- Вычислим количество ацетона, поступающего в прядильную шахту:

Q_а = 32,1  [100 – 23 / 100  0,95] = 23,48 гмин^-1.

- Вычислим количество ацетона, уносимого из прядильной шахты нитью:

Q_у = 16,6 ∙ 500  0,035  (1-0,013)  (1-0,065) / 1000 = 0,26 гмин^-1

- Вычислим количество ацетона, испаряющегося в прядильной шахте:

Q_a - Q_у = 23,48 - 0,26 = 23,22 г мин^-1

- Вычислим подачу воздуха в прядильную шахту:

Q_пгс = 23,22  60  1/35 = 39,8 нм³  час^-1.

Ответ. Подача инертного газа в шахту прядильной машины при получении ацетатной нити линейной плотности 16,6 текс должна быть 40 нм³  час^-1.