公开/公告号CN103046167A
专利类型发明专利
公开/公告日2013-04-17
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申请/专利权人 上海聚友化工有限公司;
申请/专利号CN201210495508.4
申请日2012-11-28
分类号D01F13/02;
代理机构上海精晟知识产权代理有限公司;
代理人肖爱华
地址 200540 上海市金山区杭州湾大道88号602室
入库时间 2024-02-19 17:57:55
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2014-12-24
授权
授权
2013-05-15
实质审查的生效 IPC(主分类):D01F13/02 申请日:20121128
实质审查的生效
2013-04-17
公开
公开
技术领域
本发明属于化纤工艺技术领域,涉及一种溶剂法纤维素纤维生产中N-甲基吗啉 -N-氧化物(NMMO)溶剂蒸发脱水的方法。
背景技术
自然界中纤维素的存量约为7000亿吨,而且还在以每年400亿吨的速度再生, 它是地球上蕴藏量最丰富的天然可再生资源。棉、麻等纤维素纤维由于受土地、气 候、水资源等限制不可能大量增加,合成纤维主要原料石油属一次性资源,终有枯 竭之日,而人造纤维素纤维的原料几乎可以从所有植物桔杆中获得,可谓取之不尽、 用之不竭,因此,发展人造纤维素纤维是提供纺织品原料的长远大计。
传统的人造纤维素纤维中最重要的品种——粘胶纤维,已有百年发展历史,虽 然也是以天然纤维素为原料,但粘胶纤维生产的每一生产过程,几乎都有有毒废气、 废水、废渣产生。从上世纪70年代开始,荷兰Akzo Nobel公司开始了对N-甲基吗 啉-N-氧化物(NMMO)新溶剂法纤维素纤维的研究并申请了相应的专利。此后, 由Akzo Nobel公司授权的英国Courtaulds公司和奥地利Lenzing公司开始了 NMMO新溶剂法纤维素纤维产业化工程技术的研究开发,分别建立了Lyocell纤维 工业化生产厂(根据国际人造丝及合成纤维标准局的定义,以天然纤维素为原料, 用有机溶剂纺丝工艺制备的纤维素纤维属名Lyocell纤维)。
Lyocell纤维是在含水的纺丝凝固浴中沉淀出来,并经过水洗过程脱除NMMO 溶剂,水洗液再被送往凝固浴槽中。在这种情况下,纺丝凝固浴含有5~30%的NMMO 溶剂,其余除少量杂质外绝大部分是水分。在凝固浴经过过滤、絮凝、离子交换等 常用方法纯化之后,通常将其增浓至70~87%的浓度进行再溶解纺丝,实现溶剂的循 环利用。
由上述可以看出,Lyocell纤维生产过程存在着一个NMMO溶剂由高浓度溶解纤 维素然后稀释至低浓度释放纤维素,然后经过纯化再浓缩至高浓度这一无限循环过 程,其间水被添加进去又被蒸发出来,而在这个过程中需要消耗大量的能量,可以 说Lyocell纤维生产80%以上的能源消耗均发生在这个环节。经测算,在没有显著节 能措施的条件下,每生产一吨Lyocell纤维在蒸发水分这个环节都需要消耗40吨水 蒸汽。
在CN02150217.0中申请了一种低浓度溶剂通过吸附然后解析的方法来增浓溶 剂,这种方法适用于浓度较低的NMMO溶剂提浓至20~50%,不能进一步提高浓度, 是一种处理极稀溶剂的方法,一般采用NMMO溶解纤维素所用浓度均在70%以上,因 此该方法不能适用于NMMO日常生产中的浓缩。
上海里奥纤维发展控股有限公司申请的CN200610027723.6中是通过二效的蒸 发方法,溶剂经过两级蒸发达到所需要的浓度,由于没有明显的节能措施,蒸发过 程仅是通过真空状态下蒸发来减轻能量消耗。
而在宜宾丝丽雅集团有限公司申请的CN200810301754.5中提及的蒸发方法为 三效蒸发,权利要求均是在真空状态下进行,同样没有明显的节能措施。
综上所述,在N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)蒸发方法的现有技术中,均是 在真空状态下进行,没有其它节能措施,能源消耗较大,理论测算蒸发水效率会在 1.05吨蒸汽/吨水以上,通常每生产一吨Lyocell纤维需要蒸发30吨以上的水,因此 导致在实际生产过程中能耗巨大。
发明内容
本发明的目的是提供了一种溶剂法纤维素纤维生产中N-甲基吗啉-N-氧化物 (NMMO)溶剂蒸发脱水的方法,亦即NMMO由低浓度蒸发至高浓度的方法,以实 现对蒸汽的二次利用,显著降低NMMO溶液蒸发过程中的能源消耗,达到节能目 的。
为实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种溶剂法纤维素纤维生产中N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)溶剂蒸发脱水的 方法,按如下步骤进行:
(一)将含有N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)的溶液进行预处理,调节溶液 pH值至5~9,按比例添加稳定剂;
所述的调节NMMO溶液pH值的添加剂可采用盐酸、硫酸、磷酸、醋酸等常用 酸性物;
所述稳定剂包括双氧水、没食子酸丙酯、抗氧剂1010、草酸、磷酸和亚磷酸酯 类等一种或两种以上的混合物,添加浓度控制在20~1000ppm;
所述调节pH值和添加稳定剂无先后顺序,可以先调节pH值再加入稳定剂,也 可以先加入稳定剂再调节pH值。
所述调节pH值和添加稳定剂所用设备可以采用静态混合等,也可以采用机械 搅拌式混合,更优选于静态混合器等无动力设备。
(二)在上述预处理完成之后,在NMMO溶液进入蒸发之前首先进行预热, 预热的热源来源于蒸发自身使用蒸汽的冷凝热水,也可以是其它再利用型热源。
(三)预热完成后,NMMO溶液进入三级以上蒸发系统,进行三级以上的蒸发, 最后提浓至工艺所需要的浓度;其中一级和最后一级采用一次蒸汽作为热源,中间 各级采用浓度5~30%的溶剂增浓(即蒸发脱水)过程中产生的二次蒸汽作为热源。
上述三级以上蒸发系统中,以浓度34%作为分界线,溶剂由低浓度(5~30%) 蒸发至浓度34%可以由一级一次完成,也可以由二级以上的蒸发次数完成,本方法 优先选用二级二次完成;溶剂浓度由34%蒸发至工艺要求的浓度(通常70~87%) 至少采用两级,均是在真空状态下完成蒸发;最后一级采用一次蒸汽作为热源,起 到对NMMO溶剂最后浓度的控制和把关作用。
所述加热用一次蒸汽温度控制在101~130℃,优选110~120℃。
所述三级以上的蒸发系统所采用设备可以是降膜蒸发器、升膜蒸发器、自然循 环或强制循环式蒸发器、列文式蒸发器、悬框式蒸发器等常用蒸发器形式的一种或 两种以上组合。
本发明的有益效果:
本发明通过增加溶剂的稳定性,提高了NMMO溶剂的蒸发温度,实现了对蒸 汽的二次利用,显著降低了NMMO溶液蒸发过程能源消耗,达到了节能目的。
本发明的技术方案与现有技术相比的优点:
1、本发明所提供的蒸发方法中,NMMO溶液在经过调节pH值和添加稳定剂 后,溶剂性质更稳定,蒸发所得的产品分解产物少,更适合纤维素的溶解纺丝。
2、本发明所提供的蒸发方法中,低浓度NMMO溶液蒸发出的水分所携带的热 量被用于高浓度溶剂的蒸发,显著降低了能源消耗,蒸汽消耗几乎是现有蒸发技术 的一半。
3、本发明所提供的蒸发方法中,最少采用三级以上蒸发,各级之间浓度差减少, 相对现有技术更适合连续化的工业流程,同时更适合降膜蒸发器、升膜蒸发器、刮 板式蒸发器等高效蒸发设备在流程上应用。
附图说明
图1为实施例1的NMMO溶液三级二效蒸发示意图;
图2为实施例2的NMMO溶液四级三效蒸发示意图;
图3为实施例3的NMMO溶液五级级二效蒸发示意图。
具体实施方式
下面对本发明的蒸发方法进行详细描述,但本发明不限于这里所给的具体实施 方式。
实施例1
取含有NMMO质量百分比为10%的Lyocell纤维纺丝凝固浴溶液,经纯化后 加入20%的磷酸将pH值调节到7,加入100ppm的没食子酸丙酯,经过充分混合之 后进入预热器,使溶剂与副产的热水充分换热并预热至70℃。然后进入三级二效蒸 发系统,流程如图1所示,蒸发器选用自然循环式蒸发器。一级采用一次蒸汽加热, 一次蒸汽温度为120℃,一级加热室温度115℃,一级物料温度107℃,一级操作压 力120kpa,一级生成二次蒸汽温度103℃,一级出料浓度26%。二级采用一级产生 的二次蒸汽加热,二级加热室温度101℃,二级物料温度65℃,二级操作压力12kpa, 二级出料浓度65%。三级(最后一级)采用一次蒸汽加热,加热室温度控制110℃, 三级物料温度控制76℃,三级操作压力控制8kpa,三级出料浓度74%。二级加热 室冷凝水和二级、三级气相冷凝水合并收集,用作纺丝的洗涤水和作为凝固浴的补 充水。
通过上述三级蒸发,溶剂浓度达到工艺要求。产品经测试无N-甲基吗啉、吗啉 等副产物。所得溶剂溶解纺丝性能良好。蒸发能源热效率为0.66吨蒸汽/吨水。
测试方法:分别以异丙醇作溶剂,采用电位滴定仪无水滴定NMMO浓度;采 用离子色谱法测试N-甲基吗啉、吗啉、亚硝基吗啉等副产物;采用原子吸收分光光 度计测量溶剂中的铁、铜、铬、镍、钒等金属离子含量。
实施例2
取含有NMMO质量百分比为15%的Lyocell纤维纺丝凝固浴溶液,经纯化后 加入20%的磷酸将pH值调节到8,加入200ppm的双氧水,经过充分混合之后进入 预热器,使溶剂与副产的热水充分换热并预热至66℃。然后进入四级三效蒸发系统, 流程如图2所示,蒸发器选用强制循环式蒸发器。一级采用一次蒸汽加热,一次蒸 汽温度为117℃,一级加热室温度115℃,一级物料温度108℃,一级操作压力130kpa, 一级生成二次蒸汽温度105℃,一级出料浓度23%。二级采用一级产生的二次蒸汽 加热,二级加热室温度101℃,二级物料温度80℃,二级操作压力70kpa,二级出 料浓度34%。三级采用一次蒸汽连结蒸汽喷射泵加热,蒸汽在喷射泵内喷射产生一 定负压,吸收二级生成气相,即吸收二级蒸发器产生的三次蒸汽,使二级在负压状 态下工作,同时二级产生的三次蒸汽能够和喷射泵的一次蒸汽共同加热三级,三级 加热室温度控制102℃,三级物料温度控制65℃,三级操作压力控制10kpa,三级 出料浓度60%。四级(最后一级)采用一次蒸汽加热,加热室温度控制110℃,四 级物料温度控制88℃,四级操作压力控制8kpa,四级出料浓度84%。二级、三级 加热室冷凝水和三级、四级气相冷凝水合并收集,用作纺丝的洗涤水和作为凝固浴 的补充水。
通过上述四级蒸发,溶剂浓度达到工艺要求。产品经测试无N-甲基吗啉、吗啉 等副产物。所得溶剂溶解纺丝性能良好。蒸发能源热效率为0.46吨蒸汽/吨水。
实施例3
取含有NMMO质量百分比为20%的Lyocell纤维纺丝凝固浴溶液,经纯化后 加入20%的磷酸将pH值调节到6.5,加入200ppm的草酸,经过充分混合之后进入 预热器,使溶剂与副产的热水充分换热并预热至70℃。然后进入五级二效蒸发系统, 流程如图3所示,蒸发器一、二级选用升膜式蒸发器,三、四、五选用降膜式蒸发 器。一级采用一次蒸汽加热,一次蒸汽温度为118℃,一级加热室温度115℃,一 级物料温度108℃,一级操作压力130kpa,一级生成二次蒸汽温度105℃,一级出 料浓度23%。二级采用一次蒸汽加热,二级加热室温度115℃,二级物料温度108 ℃,二级操作压力110kpa,二级生成二次蒸汽温度103℃,二级出料浓度28%。三 级采用二级产生的二次蒸汽加热,三级加热室温度控制101℃,三级物料温度控制 55℃,三级操作压力控制20kpa,三级出料浓度40%。四级采用一级产生的二次蒸 汽加热,加热室温度控制103℃,四级物料温度控制65℃,四级操作压力控制10kpa, 四级出料浓度68%。五级(最后一级)采用一次蒸汽加热,加热室温度控制108℃, 五级物料温度控制78℃,操作压力控制8kpa,五级出料浓度80%。三级、四级加 热室冷凝水和三级、四级、五级气相冷凝水合并收集,用作纺丝的洗涤水和作为凝 固浴的补充水。
通过上述五级蒸发,溶剂浓度达到工艺要求。产品经测试无N-甲基吗啉、吗啉 等副产物。所得溶剂溶解纺丝性能良好。蒸发能源热效率为0.58吨蒸汽/吨水。
实施例4
取含有NMMO质量百分比为22%的Lyocell纤维纺丝凝固浴溶液,经纯化后 加入100ppm的没食子酸丙酯,加入20%的磷酸将pH值调节到6,经过充分混合之 后进入预热器,使溶剂与副产的热水充分换热并预热至70℃。然后进入三级二效蒸 发系统,流程如图1所示,蒸发器选用强制循环式蒸发器。一级采用一次蒸汽加热, 一次蒸汽温度为110℃,一级加热室温度109℃,一级物料温度108℃,一级操作压 力110kpa,一级生成二次蒸汽温度103℃,一级出料浓度28%。二级采用一级产生 的二次蒸汽加热,二级加热室温度101℃,二级物料温度65℃,二级操作压力12kp, 二级出料浓度65%。三级(最后一级)采用一次蒸汽加热,加热室温度控制108℃, 三级物料温度控制86℃,三级操作压力控制8kpa,三级出料浓度83%。二级加热 室冷凝水和二级、三级气相冷凝水合并收集,用作纺丝的洗涤水和作为凝固浴的补 充水。
通过上述三级蒸发,溶剂浓度达到工艺要求。产品经测试无N-甲基吗啉、吗啉 等副产物。所得溶剂溶解纺丝性能良好。蒸发能源热效率为0.68吨蒸汽/吨水。
机译: 纤维素溶液的生产涉及使纤维素粉末和液态N-甲基吗啉N-氧化物溶剂在捏合机或挤出机中与聚乙烯醇粉末混合。
机译: 从纤维素的N-甲基吗啉-N-氧化物溶液中获得纤维素纤维的过程中保护纤维素纤维生产厂免受爆炸的方法
机译: 在n-甲基吗啉-n-氧化物一水合物中生产纤维素纺丝溶液的方法,由此获得的溶液和通过纺丝而获得的再生纤维素纤维