专利名称：Lyocell纤维制备工艺中溶剂循环制备方法1905年以植物纤维中提取的纤维素为原料生产化学纤维工业化首次问世以来，都 是以无机盐水溶液作为溶剂，有硝酸法、铜氨法、CS2法。其中用CS2法再生纤维素纤维称之 为粘胶纤维，从上世纪1904年工业化生产以来，已有105年历史。2008年全球粘胶纤维总 产量约310万吨，中国粘胶纤维产量为131. 88万吨但由于制造过程中使用CS2而造成对环境废气、废水严重污染环境，对人体神经、 大脑、内脏、皮肤等都有危害，因此，这种纤维的生产在上一世纪中期就受到了严格的环保 政策制约，促使世界各国致力于研究、开发新溶剂来再生纤维以减少环境污染。NMMO (N-甲基吗琳氧化物)是一种有机溶剂，生化毒性是良性，不会导致生物变 异，以NMMO(N-甲基吗琳氧化物)作溶剂生产出来的纤维素纤维过程为物理过程，没有任何 化学反应，溶剂循环使用无污染，被称为绿色环保纤维，因此，一面市，就受到人们重视。最早1980年由德国Akzo-Nobel公司首先取得工艺和产品专利，1989由国际人造 丝及合成纤维标准局(BISFA)正式命名用再生纤维素作原料，以NMMO (N-甲基码啉-N-氧 化物)作溶剂，纺丝制成的纤维，命名为Lyocell。Lyocell的含义前缀Ly0-为希腊文表示 溶解的意思，后缀-cell表示纤维素的意思，整个Lyocell的含义表示该纤维能进行生物降 解的绿色纤维。Lyocell纤维有许多特性强度如锦纶，精细如蚕丝，又具有涤纶的耐洗性、棉纤 维的透气性。它还具有原纤化效应，可生产常规纤维不能得到的类似桃皮绒的表面效果。 Lyocell纤维以高干强与湿强而著称。在湿态下Lyocell的断裂强度损伤仅6%，伸长几乎 没有变化；它的耐高温性好，在190°C、30s内短纤维的强力损伤为7% ο好于湿法纺再生纤 维素纤维；干、湿态强度都很好，达到合纤的水平，且很少有收缩。被业内人士称为“21世纪 最有发展前景的绿色纤维”或称之为“环境友好纤维”。近年来我国虽然也有了一些与新溶剂法生产再生纤维素纤维工艺有关的专利。但 是，目前99. 9%以上的工厂仍然沿用传统粘胶法来生产再生纤维素纤维，其中溶剂的回收 成本居高不下是主要原因。上世纪末，世界上Lyocell技术中纺丝大多采用干喷湿法。虽然传热方式变化，使 得纺丝速度有所提高，但是传质方法仍然与传统的粘胶法基本相同，凝固浴的浴液浓度和 温度的控制也采用大浴比循环方式来维持其稳定。一般送至回收工段的凝固浴液NMMO的 浓度较低，净化后还必须经过蒸发浓缩后才能达到50%供原液制备工段使用。由于NMMO极易和水结合，在IOOPa压力下，沸点为115°C。因此，利用传统的多效 蒸发浓缩或膜蒸发工艺，蒸汽消耗都非常高；膜蒸发设备投资和电能消耗也很高。如图1所示，现有技术中纺丝原液(含纤维素的NMMO溶液)通过计量、过滤、挤压喷丝成原液细流进入凝固浴槽进行凝固浴，原液细流在凝固浴中，表面浓相溶剂和水不断 扩散到凝固浴液中，原液细流表面逐渐固化形成初生纤维。为了保证纤维成型品质的均勻 性，工艺流程的设计必须保证以下二点1)及时更新丝条周围的浓度已变化的浴液，原液细流表面的浓相溶剂才能连续不 断地扩散到表面粘附浴膜中，纤维表面结构才能均勻紧密。因此，浴液必须是以恒定流速流 动而不是静止的。2)凝固浴的浓度和量也随着原液细流连续进入槽内同步增加，为了保证纤维成 型的均勻性，浴液温度和浓度的变化必须控制在保证连续进入浴液的丝条品质要求的范围 内，一般为误差不超过士0.2%左右溶剂浓度。同时需及时排出已经被增浓的凝固浴液，并 适当增加稀释水补正变化的浓度，以保证凝固浴液的浓度相对恒定。排出部分的凝固浴液 将送到溶剂回收工段净化处理浓缩后，去原液制备工段制备纺丝原液。为了节能，一般厂家 都将循环槽设置在半地下室；由于采用大浴比，其温度的恒定只能靠自然散热，尽量增大贮 槽液面自然蒸发面积。浴液循环量的设计可以根据以下公式计算而得出WQ--e式中Q 凝固浴浴液的循环量t/hW 纺丝原液带入凝固浴的溶剂(含水)量t/he 凝固浴浓度变化允许的落差Wt %从上式分析可得出凝固浴液的浓度落差取值e越小，凝固浴的循环量Q越大，所 匹配的循环槽、循环泵能力也越大，设备投资和运行费用(电耗、蒸汽消耗)都将增大。从 纤维成型机理来看，凝固浴浓度落差e越小，纤维成型质量越相对稳定，一般控制在1_2%。假设纤维素纤维每小时产量为1000公斤(年产8000吨)，纺丝原液中溶剂的浓度 为88%，带入凝固浴的溶剂(含水)W为8. 33吨/时，凝固浴初始浓度为12%，凝固浴浓度 落差e为士2%。根据上述公式计算所选用的浴液循环泵能力至少为416. 5吨/时；以每小时循环5次计，所配置的循 环液贮槽容量至少为83. 3吨。假设浴液的比重为接近于水，那末该循环泵能力为400m3/h， 循环液贮槽有效容积为80m3。与此同时，每小时需将有8. 33吨的浓度为14%的凝固浴液去回收工段净化后浓 缩为原液制备工段所需的50%浓度的溶剂(其中50%水)。经计算需要蒸发掉的水分=8. 33(1-14% 50% ) = 6(吨/时)每生产1吨纤维素纤维，溶剂浓缩工段能耗折合标准煤1. 15吨。仅煤一项溶剂直 接浓缩成本约为1000元人民币/吨纤维。考虑电耗、人工、设备折旧费等，每吨纤维的溶剂 回收浓缩生产成本高达1200元/吨左右。所以采用“绿色的溶剂”-氧化甲基吗啉制备纤维素纤维的Lyocell纤维至今在全 世界推广和普及都非常困难，2008年Lyocell纤维全世界总产量约10万吨/年，占再生纤 维素纤维总量5%以下。
本发明所要解决的技术问题是提供一种Lyocell纤维制备工艺中溶剂循环制备方法，该方法采用立式凝固室喷雾冷却，使收集到的浴液不需要浓缩可以直接用于制备纺 丝原液，大大降低了 NMMO溶剂的循环回收成本。本发明是这样实现的一种Lyocell纤维制备工艺中溶剂循环制备方法，纺丝原 液计量、过滤后进入纺丝组件喷丝板，由纺丝组件喷丝板挤压喷出丝条进入立雾式凝固室， 立雾式凝固室内的雾化喷嘴将浴液喷至丝条两侧面，浴液沿丝条表面一起落入集束浴槽， 丝条经过集束浴集束后送入后处理阶段结束纺丝流程，集束浴槽将多余浴液送入集束浴辅 槽内，集束浴辅槽中的浴液过滤后分别送回雾化喷嘴、集束浴槽和回收液贮槽，回收液贮槽 内的浴液再经过滤净化后作为制备纺丝原液的原料。所述的集束浴槽收集到的立雾式凝固室下落的浴液溶剂浓度为45 50%。所述的集束浴辅槽送入回收液贮槽的浴液经过沉淀——过滤——阴离子交 换——阳离子交换的净化工序后，直接送至纺丝原液制备工段使用。所述的后处理阶段包括在牵伸浴槽牵伸后送入水洗机洗丝。所述的牵伸浴槽中多余的浴液先送入牵伸浴辅槽中，然后送回雾化喷嘴作为浴 液。所述的集束浴辅槽和牵伸浴辅槽送回雾化喷嘴的浴液先要进入高位槽在线调配 浓度和温度。所述的制备纺丝原液的溶剂和雾化喷嘴喷出的凝固浴液都为有机溶剂NMMO的水 溶液，制备纺丝原液的原料的NMMO溶剂浓度为50% 80%，凝固浴液中NMMO溶剂浓度为 10% 18%。所述的洗丝产生的洗丝水为2 10%的NMMO溶剂。所述的10% 18% NMMO溶剂浓度的凝固浴液采用来自集束浴的45% 50% NMMO溶剂浓度的浴液和来自牵伸浴的浓度在2 10% NMMO溶剂浓度的洗丝水，两者按照 比例计量混合制备而成。本发明采用立雾式凝固室使纤维成型，在整个生产过程中一旦工艺确定，凝固浴 液中NMMO的浓度和温度始终保持恒定，在线按比例流量调节器和浴液冷热交换器+温度控 制系统，充分保证了纤维成型的品质，同时通过调整丝条的凝固工艺，可将集束浴液的浓度 提高到50%，净化后的50%浓度的浴液就可以直接送至原液制备使用，取消了原生产流程 中的溶剂浓缩工序，省去了凝固浴大浴比的循环泵和大容量的循环槽等设备投资、建筑投 资和运行的电耗；省去了对浓缩设备的投资和蒸汽、动力消耗；总共大约可节约占总投资 约10 15%的设备投资和30%的蒸汽消耗，极大地降低了溶剂法生产纤维素纤维的投资 和生产成本，每生产1吨纤维生产成本可以下降近1000元人民币，为大力推广绿色工艺的 溶剂法生产纤维素纤维创造了条件。图1为经典浴液循环原理框图；图2为立雾式凝固浴液循环制备原理框图。
图中1纺丝组件喷丝板、2立雾式凝固室、3雾化喷嘴、4集束浴槽、5集束浴辅槽、 6高位槽、7回收液贮槽、8牵伸浴槽、9牵伸浴辅槽。

通过本方法在循环利用NMMO溶剂的过程中，一方面通过控制新鲜雾化凝固浴液 的喷出量和初始浓度来调控浴液和丝条间传热传质的速度；另一方面将一部分集束浴液采 用循环泵再次送去雾化后再次喷射到丝条表面。整个过程中，沿纺程雾化液的浓度和温度 分布呈现梯度分布，与丝条径向与浴液膜间传热传质的梯度相匹配，因此，丝条内部结构更 均勻，机械性能更优。这一点无论在经典湿法纺还是在近几年新推出的干喷湿法纺中都无 法做到。


本发明属于化学纤维制造领域，尤其涉及一种Lyocell纤维溶剂循环回收的新方法。一种Lyocell纤维制备工艺中溶剂循环制备方法，立雾式凝固室内的雾化喷嘴将浴液喷至丝条两侧面，浴液沿丝条表面一起落入集束浴槽，丝条经过集束浴集束后送入后处理阶段结束纺丝流程，集束浴槽将多余浴液送入集束浴辅槽内，集束浴辅槽中的浴液过滤后分别送回雾化喷嘴、集束浴槽和回收液贮槽，回收液贮槽内的浴液再经过滤净化后作为制备纺丝原液的原料。本发明浴液就可以直接送至原液制备使用，省去了对浓缩设备的投资和蒸汽、动力消耗，极大地降低了溶剂法生产纤维素纤维的投资和生产成本，为大力推广绿色工艺的溶剂法生产纤维素纤维创造了条件。