6 Фильтрация прядильных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров

Фильтрация – процесс течения загрязненной жидкости через пористую среду, при котором отделяются различные диспергированные частицы, находящиеся в ином агрегатном состоянии нежели сама жидкость. Освобождение от них прядильных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров является необходимой предпосылкой обеспечения стабильности ните- и пленкообразования. Фильтрация прядильных растворов и расплавов пленко- и волокнообразующих полимеров протекает в ламинарной области течения.

В каждый момент скорость фильтрации обратно пропорциональна вязкости прядильной жидкости и суммарному гидростатическому сопротивлению фильтрующей перегородки и слоя осадка. В основе количественного описания фильтрации лежит уравнение Д`Арси:

. (15)

Здесь _ф - средняя скорость движения жидкости через фильтр (пористую перегородку и фильтрующий слой);

- объем профильтрованного раствора;

t – продолжительность фильтрации;

F – площадь фильтрующего слоя;

- перепад давления жидкости до и после фильтрующего слоя;

η – динамическая вязкость фильтруемой жидкости;

- сопротивление фильтрующей перегородки и слоя осадка соответственно; т. е. .

Изменение общего сопротивления фильтра в процессе фильтрации описывается уравнением

, (16)

где q – объем профильтрованной прядильной жидкости, приходящейся на единицу фильтрующей поверхности; м³/м²;

b- показатель степени , зависящий от механизма фильтрации.

Отделение диспергированных частиц от среды при фильтрации в общем случае может реализоваться в четырех вариантах механизмов фильтрации.

Если начальная скорость фильтрации, а

текущая скорость фильтрации, то:

6 Фильтрация прядильных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров

Фильтрация – процесс течения загрязненной жидкости через пористую среду, при котором отделяются различные диспергированные частицы, находящиеся в ином агрегатном состоянии нежели сама жидкость. Освобождение от них прядильных растворов и расплавов волокнообразующих полимеров является необходимой предпосылкой обеспечения стабильности ните- и пленкообразования. Фильтрация прядильных растворов и расплавов пленко- и волокнообразующих полимеров протекает в ламинарной области течения.

В каждый момент скорость фильтрации обратно пропорциональна вязкости прядильной жидкости и суммарному гидростатическому сопротивлению фильтрующей перегородки и слоя осадка. В основе количественного описания фильтрации лежит уравнение Д`Арси:

. (15)

Здесь _ф - средняя скорость движения жидкости через фильтр (пористую перегородку и фильтрующий слой);

- объем профильтрованного раствора;

t – продолжительность фильтрации;

F – площадь фильтрующего слоя;

- перепад давления жидкости до и после фильтрующего слоя;

η – динамическая вязкость фильтруемой жидкости;

- сопротивление фильтрующей перегородки и слоя осадка соответственно; т. е. .

Изменение общего сопротивления фильтра в процессе фильтрации описывается уравнением

, (16)

где q – объем профильтрованной прядильной жидкости, приходящейся на единицу фильтрующей поверхности; м³/м²;

b- показатель степени , зависящий от механизма фильтрации.

Отделение диспергированных частиц от среды при фильтрации в общем случае может реализоваться в четырех вариантах механизмов фильтрации.

Если начальная скорость фильтрации, а

текущая скорость фильтрации, то:

1.«Закупорочная» фильтрация:

. (17)

Здесь К₁ – константа «закупорочной» фильтрации, а

b ≈ 2.

2. «Стандартная» фильтрация:

. (18)

Здесь К₂ – константа «стандартной» фильтрации:

b ≈ 3/2

3. «Промежуточный» закон фильтрации:

. (19)

Здесь К₃ = константа «промежуточной» фильтрации;

b ≈ 1

4. «Шламовая» фильтрация:

. (20)

Здесь К₄ – константа «шламовой» фильтрации;

b ≈ 0

Применительно к фильтрации прядильных растворов и расплавов пленко- и волокнообразующих полимеров можно отметить три предельных случая: с образованием осадка («шламовая» фильтрация); постепенным закупориванием пор мелкими частицами загрязнений и полная блокировка пор крупными частицами («закупорочная» фильтрация). При фильтрации эти механизмы отделения дисперсной фазы проявляются в различных соотношениях.

Скорость фильтрации вязких ньютоновских жидкостей, т.е. при η₀, в соответствии с законом Гагена-Пуазейля, может быть описана уравнением

. (21)

Здесь F²_к – среднестатистическая величина площади поперечного сечения капилляра фильтрующей перегородки;

l_к – среднестатистическая длина капилляра в фильтрующем слое;

N_ф - количество капиллярных отверстий в единице поверхности фильтрующей перегородки;

С_ф - константа.

Скорость фильтрации может быть описана соотношением:

. (22)

Здесь К_р и n реологические константы уравнения

.

При постоянной скорости фильтрации наблюдается постепенное увеличение сопротивления фильтра, φ, обусловливающее возрастание ΔР^/ (см. рис. 12)

Перезарядка

фильтра

продолжительность, час

ΔР^/₀ – перепад давления на чистой фильтр-перегородке;

ΔР^/_к – предельно допустимый перепад давления;

ΔР^/_t – «текущий» перепад давления.

Рисунок 12 - Изменение перепада давления при фильтрации

прядильных растворов и расплавов пленко- и

волокнообразующих полимеров

Когда перепад давления достигает предельно-допустимого значения, ΔР^/_к , фильтр должен быть отключен на перезарядку.

Рост давления на фильтре, ΔР^/_t ,при постоянной скорости фильтрации, = const, обусловлен изменением во времени количества «рабочих» пор на единицу поверхности фильтр-перегородки, N, толщины перегородки, δ, среднего радиуса капилляра, «поры», r.

Если V_r, V_δ и n_N – параметры «загрязненности»: объем и количество твердых частиц загрязнений, закупоривающих лишь частично поры, оседающих в виде шлама, а также полностью блокирующих отдельные поры одной частицей, а К_δ, К_r и К_N – отношение соответствующих параметров загрязненности прядильной жидкости к параметрам, характеризующим исходное состояние фильтрующей перегородки, то общее уравнение фильтрования может быть записано в следующем виде:

. (23)

Для фильтрования прядильных растворов и расплавов пленко- и волокнообразующих полимеров применяются различные фильтрующие перегородки:

- гибкие (металлические и неметаллические сетки, ткани и нетканые материалы);

- жесткие (керамические и металлокерамические, фильтр-картон;

- несвязанные (вспомогательные порошкообразные или волокнистые материалы, свободно уложенные на сетку или другую проницаемую подложку).

Выбор фильтрующих перегородок обусловлен вязкостью прядильной жидкости (концентрированного раствора или расплава полимера), ее химической агрессивностью, термостабильностью, степенью загрязненности, а также масштабами производства.

Таблица 2 - Значения параметров фильтрации прядильных

растворов через различные фильтр-перегородки

№ пп	Тип фильтр-перегородки	Коэффициенты уравнения (23)			ΔР/0, МПа
		Кδ	КN	Кr
1	Намывной слой «кнопа» из вискозного волокна	0,9·10-3	1,32·10-4	1,73·10-4	0,035
2	Намывной слой «кнопа» из поливинилхлоридного волокна	1,4·10-4	0,96 ·10-3	2,45·10-4	0,031
3	Намывной слой поливинилхлоридного порошка	1,1·10-4	0,67 ·10-3	7,93·10-5	0,092
4	Металлокерамика	1,377	3,62 ·10-3	1,64·10-3	0,815
5	Фильтрующий картон	0,263	4,89 ·10-4	8,4·10-4	0,202
6	Свансбой, вата, 2 слоя шифона	3,14·10-3	5,27 ·10-4	5,8·10-4	0,094
7	Ворсистая бумага, вата, бязь	2,73·10-3	0,169 ·10-3	4,2·10-4	0,074
8	Поливинилхлоридная ткань, нетканый материал на основе полиэфирного и вискозного волокна	4,26·10-3	8,81 ·10-4	5,7·10-4	0,062

При фильтрации расплавов пленко- и волокнообразующих полимеров эффективными фильтрующими материалами являются металлические сетки различной плотности, песок, металлические гранулы, металлокерамика, металлический войлок.Способность таких перегородок улавливать загрязнения иллюстрируется рис. 14.

1 – войлок (фетр) из волокнистых материалов

2 – пористая бронза

3 – стальная сетка (пакет)

Рисунок 14 - Способность различных перегородок улавливать загрязнения

Используются свечевые, дисковые и рамные фильтры различного конструктивного оформления. Для предварительной фильтрации прядильных растворов в промышленных масштабах рекомендуются аппараты с периодически регенерируюмыми несвязанными перегородками, а для финишной фильтрации – фильтр – прессы. Эффективная финишная фильтрация расплавов реализуется при использовании металлокерамики, металлического войлока, монодисперсных металлических порошков.

В табл. 3 приведены среднестатистические данные о производительности различных фильтров для фильтрации расплавов волокнообразующих полимеров.

Таблица 3 - Производительность различных фильтрующих

перегородок при фильтрации расплавов

Фильтрующий материал и прядильная жидкость	Фильтр		Скорость фильтрации, кг/м2·час	Максимальная пропускная способность фильтр- перегородки, кг/м2	Предельная продолжительность работы, сутки
	Материал	Средний диаметр пор, мкм
Пакет фильтрующих сеток	D + S	20	1200	1200000	62
РЕТ – POY	D + S	20	1500	~106	52
PET – шинный корд	Fн	20	3000	1500000	21
PET – волокно	D + S	10 + 20	1600	600000	31
PA-66 – POY	D + S	20	1500	(5÷8) ·105	20÷30
PA-66 - Шинный корд	D	20	1500	1100000	31
PA-6 - ковровая пряжа	D	70	20	106	30
PP – ковровая пряжа	D	70	2000	2·106	30
PP – ковровое волокно	D	70	1300	106	60
PP – ковровый спанбонд
Большие объемы прядильных жидкостей при предварительной фильтрации
PET	D	20	600÷1000	(1÷2)·105	5÷7
PAN – DMF	D	30	2000÷3000	105	2÷6

Примечание: D – металлические (стальные) сетки, S – кварцевый песок, F_н – фильтр грубой очистки.

Пример. Рассчитать количество фильтр-прессов для первой фильтрации вискозы на заводе вискозной текстильной нити производительностью 4 т в сутки. Текстильная нить имеет влажность 11,5% (масс), а содержание замасливателя на ней 1,3% (масс). Поверхность фильтрации одного фильтрпресса 50 м². Средняя скорость фильтрации 20 дм³/м² · час. Коэффициент полезного времени использования прессов 95%. Концентрация α-cell в вискозе 8,1% (масс). Суммарные потери α-cell по всем переходам технологического процесса 3,7% (масс).

Решение: Рассчитаем объем вискозы, необходимой для производства 4 т в сутки вискозной текстильной нити. Принимаемая плотность вискозы ρ = 1120 кг/м³ (см. табл. А1 приложения).

Общая фильтрующая поверхность всех фильтров первой фильтрации должна быть

.

Следовательно необходимо иметь одновременно в работе

фильтр-пресса.

Дополнительно предусматриваем установку 10% фильтр-прессов.

Ответ: Необходимо установить на первой фильтрации 3 фильтр-пресса с рабочей поверхностью фильтрации каждого 50 м².

Пример. Рассчитать производительность завода полиакрилонитрильного волокна марки нитрон С (РАN) (в т/сутки), если заключительная фильтрация осуществляется на 5 рамных фильтр-прессах с площадью фильтрации каждого – 50 м². Скорость фильтрации равна 40 дм³/(м² · час). Концентрация прядильного раствора 12% (масс). Плотность прядильного раствора 1285 кг/м³. Готовое волокно выпускается с влажностью 1,5% (масс), и содержит 0,8% (масс), авиважных препаратов. Суммарные потери по волокнообразующему терсополимеру 4,5% (масс). Принять коэффициент полезного действия фильтр-прессов 97% (масс). Из установленных 1 фильтр-пресс должен работать как резервный.

Решение: Общая рабочая площадь фильтрации на производстве:

5 · 50 =250 м².

Количество фильтруемого прядильного раствора в сутки:

или .

В этом количестве прядильного раствора содержится 308,4 · 0,12 = 37,008 т/сутки волокнообразующего терсополимера.

Учитывая потери в количестве 4,5%, в волокно должно быть переработано 37,008 · 0,955 · 1,015 ·1,008 = 36,13 т/сутки сополимера.

Ответ: Производительность завода равна 36 т/сутки.

Пример 3. Вычислить скорость фильтрации расплава PEТ на фильтре «грубой» очистки, если диаметр рабочей поверхности его равен 300 мм.

Производительность прядильной машины 10 т/сутки. Свежесформованная нить содержит 1,2% (масс) замасливателя; влажность - 0,9% (масс). Потери полимера при формовании 2,5% (масс).

Решение: Количество расплава РЕТ, проходящего через фильтр «грубой очистки» в час:

Плотность расплава РЕТ при 285 ⁰С ρ_t = 1270 кг/м³ (см. табл. А1 приложения).

Следовательно, объем расплава, проходящего через фильтр «грубой очистки» в час, составляет:

.

Рабочая площадь фильтрации фильтра:

.

Скорость фильтрации расплава РЕТ:

.

Ответ: Скорость фильтрации расплава РЕТ через фильтр «грубой очистки» равна .

Пример. Вычислить перепад давления ΔР_t^/ на рамном фильтр-прессе через 8 час работы при фильтрации 15% (масс) прядильного раствора волокнообразующего сополимера акрилонитрила в диметилформамиде (РАN в DMF), если в качестве фильтр-материала используется фильтрующий картон (см. табл. 2). Средняя скорость фильтрации, = 50 дм³/(м² ·час). Перепад давления на чистой фильтр-перегородке, ΔР_t^/ = 0,202 МПа. Индекс течения расплава РЕТ при 290 ⁰Сn = 1,02.

Решение: Согласно данным, приведенным в табл. 2, значения К_δ =0,263, К_N = 4,89 · 10^-4 и К_r = 8,4 ·10^-4. Поэтому в соответствии с уравнением 23 имеем:

Ответ: Перепад давления на рамном фильтре через 8 часов работы составит ΔР_t^/ = 0,225 МПа.