腈纶微波干燥和热风循环干燥方法的比较

陈伟明

腈纶微波干燥和热风循环干燥方法的比较

陈伟明

(中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶事业部,200540)

简单介绍了腈纶干燥工艺应用现状、微波干燥技术原理及其应用。采用腈纶微波干燥和热风循环干燥两种方法进行了对比实验,结果表明:与热风循环干燥相比,微波干燥的干燥速度快,对工艺控制要求高,干燥致密化效果好。

微波 热风循环 腈纶 干燥 致密化

腈纶生产中,纤维的干燥是一个重要的工序,干燥工艺先进与否关系到产品的质量和能耗。目前常用的干燥方法是热风循环干燥 (亦称为对流干燥),即用蒸汽将空气加热成热空气,热空气在干燥室内与湿纤维进行换热和换质,纤维中的水分被热空气带走,从而完成干燥过程。热风循环干燥设备主要有链板式、链网式、热辊式等。这种干燥方法的能量利用效率低 (约在 40%以下),干燥不均匀,甚至会出现纤维内部结构差异扩大、产生空洞的现象,影响了产品质量[1]。

微波干燥是一种新型干燥技术。微波是指波长范围为 0.001～1 m、频率范围为 300～3×105MHz的具有穿透性的电磁波。不同种类的物料对微波的反射、透射和吸收能力不同,而水具有较强的微波吸收能力,电磁场释放的能量绝大部分被物料中的水分吸收,因此,微波加热常用于干燥过程。由于干燥效率高、产品质量好,微波干燥的发展非常迅速,已在轻工、食品和化学工业等领域得到应用[2-5]。近年来,微波干燥技术在纺织工业领域的应用也得到了快速发展,已用于绞纱、纱线、纱筒、织物、毛条及玻璃纤维的干燥[6-9]。

微波干燥因其独特的加热方式,为实现腈纶快速、高效的干燥提供了可能。为了考察微波干燥在腈纶生产中应用的可行性及其对纤维质量的影响,对未经干燥致密化的纤维进行了微波干燥和热风循环干燥对比实验。

1 实验部分

1.1 实验原料

3.33 dtex腈纶纤维,含水率 50%,中国石化上海石油化工股份有限公司腈纶事业部生产。

1.2 设备和仪器

微波干燥机,上海奥博微波能设备有限公司生产;

链板式热风循环干燥机,美国干燥设备公司生产;

XQ-1型纤维强伸度仪,上海利浦应用科学技术研究所生产;

CGYG 743型八篮烘箱,常州纺织仪器厂生产。

1.3 实验方法

取若干长约 1 m的腈纶纤维试样,均匀地铺在微波干燥机的输送带上送入微波干燥机,铺丝厚度在 0.01～0.04 m左右。实验过程中,微波功率恒定在 700 kW,通过调节物料输送带速度来改变干燥时间和铺丝厚度,测定纤维的强度、伸长率和沸水收缩率等质量指标。

热风循环干燥实验在腈纶事业部金阳装置第一干燥机上进行,采用链板式热风循环干燥机。实验中,干球温度为 100～120℃,湿球温度为 60～70℃。纤维的铺丝厚度通过降低链板速度来改变。

2 结果与讨论

经纺丝、凝固和拉伸等一系列过程,纤维的超分子结构已基本形成。但由于成型时间非常短,而大分子的松弛时间相对较长,纤维的聚集态结构中存在内应力和缺陷,必须加以干燥,使其致密化,以消除内应力和纤维内部缺陷,提高纤维的尺寸稳定性和纤维的纺织加工性能。此外,致密化还可以消除在纺丝凝固过程中由于溶剂及凝固剂相互扩散所引起的结构不均匀,以及由此而产生的为数众多、大小不等的空洞及裂隙结构,进一步提高纤维的染色性能。干燥致密化过程是不可逆的过程,干燥致密化后纤维的结构和性能发生了很大的变化。表 1为不同干燥方法对纤维质量的影响。

表 1 不同干燥方法对纤维质量的影响

2.1 干燥方法对干燥时间的影响

在热风循环干燥中,腈纶纤维表面的水分首先被汽化,纤维内部和表面的含水率产生差异,因此纤维内部的水分以液态或气态的形式向表面扩散并汽化。显然,干燥顺利进行的必要条件是气流中水分的分压低于湿物料表面水分的分压,二者的压差越大,干燥进行得越快,所以干空气应及时地将汽化的水分带走,以便保持一定的传质推动力。由于纤维表面的水分汽化后,纤维表面的孔隙缩小,形成了皮芯结构,阻碍了纤维内部水分向纤维表面扩散,干燥速度下降。从表 1可以看出,采用热风循环干燥方法,试样经过 25 min的干燥,回潮率仅为 0.6%。

而微波干燥则不同。微波干燥是物料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热,在干燥过程中,湿物料内部的含水率往往比表面高,致使物料内部水分大量吸收微波能并转化为热能,因此物料内部的温度比表面高。同时,由于物料内部产生热量而迅速产生水蒸气,形成了压力梯度。湿物料的温度梯度和压力梯度与水的扩散方向是一致的,大大改善了干燥过程中水分的迁移条件,从而提高了水分的扩散速率,加快了干燥速度。同时,由于压力梯度的存在,使微波干燥具有由内向外的干燥特点,即对物料整体而言,物料内层首先干燥,因而克服了在热风循环干燥中因物料外层首先干燥形成皮芯结构,阻碍物料内部水分继续外移的缺点,大大改善了干燥过程中水分的迁移条件,从而提高了水分的扩散速率,加快了干燥速度。从表 1中可以看出,微波干燥 8 min就能使纤维的回潮率达到 0.38%。

2.2 干燥方法对纤维收缩率的影响

从表 1中可以看出,长 1 m、未经干燥的纤维经过 25 min的热风循环干燥,长度缩短到 0.9 m,收缩率为 10%,纤维的沸水收缩率也降到了2.3%,纤维的尺寸稳定性有了一定程度的提高。

与热风循环干燥相比,微波干燥对纤维的收缩率影响更大。由表 1可见,微波干燥 7 min时,纤维的收缩率基本稳定在 20%左右,比热风循环干燥大一倍。收缩率的提高在微观上表现为纤维中空洞、裂隙的消除和不均匀性的减少,纤维纤度的明显提高。同时,纤维的收缩率越高,纤维的伸长和耐磨性就越好,沸水收缩率就越低。从表 1中可以看出,采用微波干燥方法,纤维的收缩率从15%提高到 20%时,纤维的伸长从 30%提高到37%,而沸水收缩率则下降到 0,大大提高了纤维的致密化程度和尺寸稳定性。

2.3 干燥方法和铺丝厚度对纤维干燥效果的影响

在实际操作过程中,铺在链板上的纤维厚度及其均匀性对纤维的干燥效果有很大的影响。表2为不同干燥方法及铺丝厚度对干燥效果的影响。

表 2 干燥方法和铺丝厚度对干燥效果的影响

在热风循环干燥过程中,纤维铺在链板上的厚度以及均匀性,对干燥质量有很大的影响。一般腈纶丝束在链板上的堆积密度控制在 6 kg/m2,此时具有一定分压的干热空气能穿透纤维,到达链板的下方,从而把纤维表面的水分带走,达到干燥的目的。而当纤维堆积厚度较厚时,干热空气不能穿透纤维,那么紧贴链板部分的纤维不易干燥,导致纤维含水率不均匀。若铺丝不均匀或链板上有空隙,干热空气则会从阻力小的空隙处穿过,导致纤维表面的水分不能及时被带走而产生严重的干、湿不匀现象。

微波干燥对纤维的铺丝厚度要求更高。微波干燥过程中,物料将吸收的微波能转变为热能,因而微波的场强和功率不断衰减。不同物料由于介电常数不同,对微波能的吸收能力也不同。研究表明:微波能够完全穿透厚度为 0.01～0.03 m的物料,但不能完全穿透厚度为 0.04～0.07 m的物料。由表 2可见,当堆积密度提当至 8 kg/m2时,也就是铺丝厚度增加到 0.04 m时,纤维出现干、湿不均匀现象。

在微波干燥实验过程中,随着丝束堆积密度的增加,开始出现纤维束干、湿不均匀现象,甚至发生熔融和烧焦。这是由于从纤维内部的水分无法及时移走而在纤维内部聚集,水分在微波的长时间作用下,将微波能转化为热能,因纤维内部能量积聚,出现了局部高温和烧焦的现象。从实验结果来看,堆积密度为 6～8 kg/m2较合理。因此如何使堆积密度保持高度均匀,即如何处理丝束的结头,对微波干燥的在腈纶生产中的应用来说至关重要。

3 结论

(1)微波干燥改变了常规干燥过程中水分和温度的迁移势和迁移势梯度方向,明显缩短了干燥时间,产品含水率的能够得到有效控制。

(2)微波干燥与热风循环干燥相比,纤维的干燥致密化效果更明显。微波可促进腈纶高分子聚集态结构的调整,使纤维中的空洞得到较好消除,从而使纤维的沸水收缩率和尺寸稳定性得到较大提高。

(3)微波干燥对工艺的控制要求较高,特别是铺丝厚度不能太大,一般应控制在 0.03 m以下。铺丝厚度太大,易发生纤维熔融或烧焦现象,这将严重影响纤维的质量和安全生产。

(4)微波干燥克服了热风循环干燥时间长、效率低的缺点,干燥质量好、效率高,是一项非常有发展潜力的新型干燥新技术,该技术在腈纶生产中的应用值得深入研究和探讨。

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Comparison between M icrowave Drying and Heated A ir C irculation DryingM ethods for Acrylic Fibers

ChenWeiming
(Acrylic FiberD ivision,SINOPEC Shanghai Petrochem ical Co.,Ltd.200540)

The application situation of acrylic fiber drying process,principle and application of microwave drying technologywere introduced briefly.Comparative experiment was conducted on microwave drying method and heated air circulation drying method for acrylic fibers.Result showed that microwave drying method was superior to heated air circulation dryingmethod with its high drying speed,high demand on process control and good drying densification result.

microwave,heated air circulation,acrylic fiber,drying,densification

1674-1099 (2011)02-0034-03

TQ340.65

A

2011-03-24。

陈伟明,男,1973年 4月出生,2005年毕业于华东理工大学高分子材料专业,工程师,现从事腈纶生产管理工作。