锦纶6聚合切片生产工艺设计.docx

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锦纶6聚合切片生产工艺设计

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毕业设计说明书

题目:

锦纶6聚合切片生产工艺设计

所属系、部:

材料与环保学院

年级、专业:

高分子材料加工技术

姓名:

学号:

指导教师:

完成时间:

[摘要]锦纶-6是合成纤维的第二大化纤，所以不管是在民用还是在工业用上都占着具足轻重的地位。

生产锦纶-6的工厂有很多家，所以锦纶-6切片生产工艺是我们作为一个学习化纤工艺的学生必须要研究的课题，本设计使用己内酰胺为原料，采用瑞士伊文达的连续聚合技术（加压预聚合+常压聚合）。

利用瑞士进口的聚合VK管，前聚主要是开环和加成反应，后聚主要是部分加成和缩聚反应，前聚吸热反应采用气相联苯加热，后聚放热反应采用液相联苯带走热量。

前聚合器可以使单体在过量水分和加热下生成足够多的带氨基和羧基的活性分子，增加在后聚合器的聚合速度，尽量提高单体在前聚合器的转化率，转化率越高，则切片中单体含量越少。

采用热水连续萃取工艺，即切片从萃取塔上部进人，由上至下运动，热水由萃取塔底部进入，由下至上与切片逆向运动，萃取掉PA6切片中的单体和低聚物，使切片中可萃取物含量的百分比低于0．5（高速纺）。

切片使用热氮气循环干燥，干燥设备基本分为干燥塔和切片冷却器，干燥介质为纯热氮气。

本设计的重点在于切片工艺流程说明、工艺原理及参数确定和工艺设备说明，附带介绍原材料的来源和规格和成品质量指标。

Summary

Polyamidefibre-6isthirdbigchemicalfiberofdiamars,thereforedisregardingthepositionbeingdegreeofseriousnessincivilitismoreenoughtobetakingupanutensilontheindustrial.6'sfactoriesproducingpolyamidefibreatpresent-havemanyfamilies,thereforepolyamidefibre-6sectionproductivetechnologiesareproblemwemustneedtostudyasbeingastudentwhostudiesthechemicalfiberhandicraft's.Selfown'slactamdesigningusageoriginallyisrawmaterial,thecontinuouspolymerizationtechnology（compressionadopttheGermanyZimmercompanygetstogether+inadvanceordinarypressuregetstogether）.UsetwopolymerizationVKtubesthatGermanyentrance,gettingtogetherinthefrontisaringopeningandadditionreactionmainly,thatthequeengetstogetherispartadditionandcondensationpolymerizationreactionmainly,gatherendothermicreactioninthefrontadoptthegasappearancebiphenyltoheat,thequeengathersexothermicreactionadoptliquidtolookatandappraiseabiphenyltakingawayquantityofheat.Formerpolymerizationimplementcanmakeamonomergeneratetheactivitymoleculebeingenoughtobringamidocyanogenandthecarboxylalongmuchlyunderbellyfulmoisturecontentandwarm-up,increaseretropolymerizationimplementpolymerizationspeed,conversionrate,conversionratetryingone'sbesttoraiseamonomerbeforepolymerizationimplementaregettingfewerashigh,castingthentotakesectiontobehitbymonomercontentsmore.Adopthotwatertocontinueextractingahandicraft,namelysectionenterspersonfromextractiontowerupperpart,hotwaterentersfromgoingaheadtoissuingsport,fromtheextractiontowerbottom,extractingawaymonomerinPA6sectionandgatheringathinglowfromtimeofthehighestandreversemotionofsection,makestheweightpercentagemayextractthingcontentsinsectionbelowerthan0.5（highspeedspins）.Hotsectionusagenitrogengascirculationisdry,dryingequipmentdividesthedryingtowerandthesectionchillerbasically,dryingmediumishotnitrogengasofhigh-purity.Theprioritydesigningthatoriginallydependsonthesectionprocessflowexplainsthat,handicraftprincipleandtheparameterascertainthatpreparinghandicraftequipmentexplanation,qualityindexintroducingthattherawmaterialsourcepreparesspecificationandthefinishedproductinpassing.

第一章:

总论

1.1设计任务和内容

1.2产品的介绍及生产方法

1.3PA6生产特征

第二章:

工艺流程

2.1概述

2.2原材料消耗及规格

2.3原料储存及运输

2.4工艺流程及控制

2.5设备一览表

2.6原料半成品、成品的化验、检验

第三章:

纯化系统

3.1前言

3.2反应原理

3.3操作步骤

3.4化验数据测试

3.5回收（三效蒸发）

3.6超比例回收

附录:

主要参考文献.............................

第一章总论

一：

设计内容和任务

针对一座新建的390吨/天锦纶-6切片聚合项目，要求根据对生产能力、生产方案和工艺流程对此项目彻底的了解和学习，把以前在学校学习的高分子材料生产技术基本知识运用在实际生产上面，再熟悉锦纶-6切片聚合主要工艺参数时进一步学习锦纶-6切片聚合工艺，最终完成初步设计说明书和设计工艺流程图。

己内酰胺聚合及回收工艺流程:

聚合工艺流程：

熔融→助剂调配→聚合→切粒→萃取→干燥→切片冷凝→打包

回收工艺流程：

纯化→三效蒸发→低元体分离→解聚→预除水→连续精馏→薄膜蒸发器→排渣

二：

产品介绍及生产方法

（一）产品介绍

长乐恒申合纤科技有限公司日产390吨锦纶切片聚合工程聚合生产切片如下：

1、2线-----140t3、4线-----110t5、6线-----140t

（二）生产方法概述

随着新技术的发展，PA6生产装置（包括切片萃取、干燥和废料回收）已进入大型化、连续化，自动化的高科技之列。

PA6聚合技术有代表性的公司有德国Zimmer公司，Kart Fischer公司，Didier公司，Aqufil公司，瑞士 Inventa公司，意大利Noy公司，以及日本东丽、龙尼吉卡公司等。

1．原料配制

原料己内酰胺经熔融后进入液态原料中间罐。

添加剂（主要成分醋酸）加入到已有除盐水和己内酰胺混合液的混合罐中，经搅拌至完全溶解，经化验合格后送入添加剂储罐。

消光剂二氧化钛加入装有己内酰胺水溶液的制备罐中，搅拌混合均匀成浆料，送到分离器中分离，粗颗粒经研磨后回用，细颗粒送到稀释罐中加入脱盐水调配得到二氧化钛悬浮液，送储罐备用。

2．连续聚合反应

由泵控制液态单体到预聚釜，必要的添加剂通过计量泵根据生产配方按比例与新鲜单体混合。

在进入预聚釜前，利用来自聚合单元的联苯蒸汽预热己内酰胺混合物。

预聚釜顶部为一带有不锈钢环的填料塔，将多余的水分蒸发，带走的己内酰胺在填料塔被洗出，剩余的水蒸汽被冷凝，产生冷凝水，送入萃取水蒸发系统回收己内酰胺。

从预聚釜出来的聚合物通过齿轮泵送入VK管。

VK管反应器中、下部是带有冷却夹套，提供缓和的熔体冷却，以达到较高的转化率。

处于平衡的熔体由齿轮泵连续输出。

为保证较高的熔体质量，原熔体经由连续过滤器过滤后才送到切粒段，反应器和熔体管道加热由联苯蒸汽提供。

本厂采用Inventa路线。

表25种聚合方法的工艺比较见表

公司 

Didier 

Inventa 

Zimmer 

Karl Fischer 

NOY 

聚合方法 

常压连续法 

二段法 

间歇式高压釜法 

固相后缩聚法 

多段连续聚合 

工艺特点 

1个聚合管，常压操作DCS控制，生产高粘度2.7，聚合时间：

20-22h，回收系统采用三效蒸发提浓，适应生产民用丝。

2个聚合管，加压与减压操作，DCS控制，生产最高粘度3.5，聚合时间：

13-14h，回收系统采用二效蒸发，聚合分子量均匀，适应生产工业用丝。

工艺灵活，便于更换产品，可生产PA6和PA66，缺点：

已内酰胺损耗比连续生产法高1.5%左右，自动化程度低，适应生产小批量、多品种工程塑料级切片。

必须用高纯N2，粘度可从2.5增到4以上，工艺要求，设备造价高。

适应生产薄膜、塑料级高粘度切片。

聚合时间短，聚合物粘度高，工艺独特，缺点：

设备复杂，建设费用高，生产成本高，检修期长，影响推广应用。

3．切片生产

从VK管排出的聚合物熔体从铸带的孔压出，经切粒机切粒，切片和水的混合物送入超长分离器，这里液体被分离并送回到接收罐，切片直接送萃取单元。

冷却水过滤调节温度后送回切粒单元。

该工序用水全部循环使用，一部分冷却水用新鲜除盐水补充。

圆柱型切片就在切粒机后形成。

本系统通过冷冻水对脱盐水降温后实施冷却。

4．连续萃取

未反应的己内酰胺和低聚物等副产品通过热水萃取去除，并送到回收单元蒸发，蒸馏。

在萃取塔的内部，切片由重力向下，同时热的除盐水和切片流向相反向上，经过三级萃取后的萃取液通过预萃取的上部送入回收系统。

经过三级萃取过的切片从萃取塔的底部由旋转阀计量向上经离心机离心甩干，之后送到干燥塔顶部。

切片清洗水由离心机分离后，由泵进行过滤循环。

分为两路：

一部分加热到要求的萃取温度输送到旋转阀的切片水力输送系统，另一部分泵到萃取塔的底部。

5．连续干燥

在此约12％的水分需由切片表面去除。

切片由干燥塔的顶部重力向下，而经加热的纯氮气自下而上，大部分水分在最先的处理区去除。

蒸发出来的含水蒸汽的氮气通过冷凝除去水分，氮气通过蒸汽加热器加热后循环使用。

切片在第二部分被干燥到几乎平衡的回潮率，这里循环的纯氮事先被处理到较低的露点。

对于200t/d的高产能，需要外加一套氮气循环以加热切片。

所有的氮气由顶部的出口排出，一小部分氮气经由气涤塔用冷却水清洗，清洗水大部分循环使用，多余部分送回切粒单元循环使用。

氮气中水汽是使用冷冻水的进一步冷却至低露点后去除。

循环使用的氮气，其氧含量通过氢气的接触处理也可降低，加热后的气体被送回下部的干燥区域。

洗涤前后的循环氮气，经过节能装置实行能源的回收利用。

6．萃取液的三级蒸发

己内酰胺的稀释液及其低聚物经过过滤器进入连续蒸发器。

大部分水分在一套三级再循环蒸发器蒸馏掉，每一级经蒸发去除大量的水分，第三级蒸发由中等压力的蒸汽加热，出来的的蒸发物用来加热第二级蒸发器，依次有二级出来的蒸发物用来加热第一级，从三级出来的物料在分离器中分离出己内酰胺和低聚物的混合物，经解聚釜解聚后送至脱水及精馏系统，将己内酰胺蒸馏出来，按比例送入预聚合釜。

浓缩萃取液以泵送到预聚合,预聚合后之预聚熔体和新鲜已内酰胺按在21R50依比例混合.低聚物的含量在预聚合中很平稳地降低到所要的比例,必要的高性能添加剂用计量泵按比例加入21R50.所有的流量由20R20聚合上部的液位计控制．

已内酰胺的水解开环和聚合在特殊设计的预聚系统中进行,预聚合在压力下工作,喂入的过量水在5线预聚中蒸发,出来的蒸汽被冷凝下来,聚合中配有特殊设计的预聚合单元以降低萃取水中的低聚物和环状二聚体含量,以满足POY3pdf纺丝的要求,预聚熔体用熔体泵（A5-21P40）经过滤送到单段的聚合釜（A5-20R20）

已内酰胺的水解开环和聚合在特殊设计的预聚系统中进行,预聚合在压力下工作,喂入的过量水在5线预聚中蒸发,出来的蒸汽被冷凝下来,聚合中配有特殊设计的预聚合单元以降低萃取水中的低聚物和环状二聚体含量,以满足POY3pdf纺丝的要求,预聚熔体用熔体泵（A5-21P40）经过滤送到单段的聚合釜（A5-20R20）

7．切片的输送与冷却

热且干的切片通过氮气进行气流输送到冷却塔，在冷却塔中冷却。

该工序的氮气也是循环使用的，无氮气排放。

经冷却后的切片，经输送系统送至切片料仓。

用于输送的氮气经过过滤的循环使用，在过滤网更换时，有少量氮气排放，经过过滤的粉末收集起来后外卖处置。

三：

PA6生产特征

已内酰胺其主要来源是轻油裂解后中的芳香族经分离，精炼后出来的苯，甲苯为基料，再经几次的化学反应分离精制而成为己内酰胺。

己内酰胺除固体包装外，还可以直接于熔融状态下用槽车运输，但运输时必须注意保温，因为LCL容易凝结。

锦纶6有一特点就是在反应平衡时一定还有8~13%的LCL和低分子聚合物，其含量的变化受温度压力加入水量及滞留时间（是否已达到反应平衡）等因素影响。

一般而言，温度和水量越高，其含量增加，滞留时越短，含量会偏高。

聚合完成平衡后聚合物中一般含有约10%的单体和低分子聚合物，这些低分子聚合物对后续工程的纺丝和假捻工程有很大影响。

因此通常采用热水萃取到不影响后工程的程度。

本公司采用的是连续萃取，连续萃取方式是切片由上而下，而热水由下而上对流方式萃取。

萃取温度一般以100度到120度为宜。

一般干燥温度都保持在120度以下，以免被氧化及固相聚合的产生，影响切片品质的不均。

纯LCL的PH应该是中性的，但目前使用的LCL都属于弱碱性，是因为在精制阶段会用上烧碱。

通常回收的LCL不管是来自固体还是液体回收，其使用比列不超过10%为宜。

氧气是对聚合和纺丝过程中影响非常大的外在杂质。

它不仅促使聚合物的劣化外，在高温时易使聚合物生成凝胶，此对纺丝有很大的妨碍，能使纺丝不顺，毛丝断头增加，故在氮气供应系统中的氧气含量越少越好。

一般控制在3ppm以下。

安定剂除安定聚合物之外，最主要的任务是控制氨基群和羧基群，其目的是控制聚合物的染色性和热安定性。

氨基群和羧基群的比列不同时，对热安定性也不同。

安定剂一般为有机单元酸和二元酸。

结果一般保持聚合物中的氨基数为0.040~0.046mmol/g，而羧基数为0.060~0.075mmol/g之间。

为使羧基和氨基比列小于等于1时，另外需要加入适当不易和有机酸反应的有机胺类。

一般加入苯甲胺，其含量在0.1~0,3mol%左右，或约是和加入的安定剂有机酸等量，就可得羧基和氨基，含量比为1的聚合物。

第二章工艺设计

一：

概述

本设计以己内酰胺为原料辅助配以安定剂，消光剂。

采用INVENTA公司的生产设备，生产能力为390t/天，该聚合及回收工艺由以下几部分组成：

1、聚合前准备：

包括原料熔融、添加剂、消光剂的调配及熔体输送。

2、聚合：

包括前聚合和终聚合、铸带、切粒。

3、切片处理：

包括萃取、干燥、冷却。

4、回收：

回收未反应的己内酰胺。

5、检验、检验切片的各种指标。

6、分级包装：

包括外观、称量、包装。

二：

原材料消耗及规格

（一）己内酰胺

LCL，为一石化产品。

其来源是轻油裂解后中的芳香族经分离，精炼后出来之苯，甲苯为基本原料，再经几次化学反应，分离精制而成为己内酰胺。

物理性质：

己内酰胺为一种白色片状物，具有轻微香臭的气体，在空气中放久了就会变成硬块，易溶于水，溶于一般有机溶剂。

熔融时为无色液体，分子式为C6H11NO，分子量为113.11。

熔点在无水份下69.3℃，密度（g/cm3at77℃）为1.0275，沸点（101.3kpa）为266.9℃，折射率在40℃为1.4935，在31℃时为1.4965。

黏度在70℃时为12.3mpa.s，78℃时为9mPa.s，80℃时为8.5，90℃时为6.1，100℃时为4.7。

比热（固体）在25℃为1340J/Kg.k，35℃为1420J/Kg.K；（液体）在70℃为2117，在110℃为2412，140℃为2504；（气体）在100℃时为1640。

传导系数为0.169w/mk，溶解热为108.86J/g。

化学性质：

在酸性或碱性溶液下水解成氨基酸，在酸性熔点以上的温度以及含微量离子下易氧化。

在醋酸下己内酰胺和二氧化氮气体反应成氮——亚硝基衍生物，此物在高温时分解爆炸。

己内酰胺和硫酸二甲酯作用成己内酰胺临二甲醚。

聚合：

（a）水解聚合作用：

其过程包括开环、聚缩合、聚加成三个步骤，这个方式也是目前工业上使用生产尼龙-6纤维的方法。

（b）阴离子聚合：

在低温时只有酰基酰胺不会反应，必定有强碱时才会反应，通常在100～200℃间反应，远低于210℃熔点，同时其单体含量也低，适合于塑料成型。

工业用己内酰胺规格熔点为69℃，溶液颜色APHA=MAX0.05（50%水溶液，在390NM波长）,含水率最大值0.05%，过氧化锰数3WT%（PZ）=MIN10000秒，过氧化锰消耗量

（PM）MAN=4ML/KG，挥发性酸物MAN为5ppm，紫外线透光度（UV290NM波长）MIN95%，酸度或碱度MAN0.05Meq/KG，灰分MAN10MG/KG，含铁量MAN0.5ppm，环己酮肟MAN1ppm，不溶于水的物质MAN5MG/KG。

一般干的己内酰胺的纯度都超过99.99%，其余经证实含有50种以上的杂质，但其含量都是以ppm计量，虽然含量不高，但是有些对聚合反应有相当大的影响，以下是比较具有影响的杂质：

环己醇、环己酮、环己酮肟、苯胺、硝基苯、酚、磷甲苯胺、对甲苯胺、醋酸铵。

近年来由于纺速的增加，对聚合物品的要求也相对提高，除了聚合反应过程中，萃取干燥等条件控制外，对原材料品质的要求也相对提高。

己内酰胺原料品质在生产工厂中虽然有规格的管制，但下游使用者也未必了解杂质对生产切片的影响程度，在使用前把守最后一道关卡，才能确保生产出来的切片品质。

（二）安定剂

一般工业上常用者为单基酸和双基酸，例如醋酸为最常用，其他还有丙基酸，苯甲酸，己二酸，对苯二甲酸，为提高氨基群量，工业上还用胺类，如十二甲基胺，间二甲苯二胺苯甲胺，其作用目的是和聚合物末端结合而阻止聚合继续进行以达控制适当的聚合度和氨基群，其规格原则上用食品级为最佳。

本设计使用的就是对苯二甲酸（PTA）。

（三）消光剂

工业上用的消光剂主要是TiO2,其目的是减少纱或布的透光性或光

降而增加其白度。

由于TiO2为颗粒状，故要求粒径在0.5um以下，且研磨时易凝结应加入分散剂，经反复研磨达到粒径为0.1-0.2um。

一般用二氧化钛（TiO2）属正方系完全面像晶族，比重3.83～3.93，呈金刚石光泽。

而非金红石二氧化钛，的目的是减低其透光性而增加其白度。

这样的二氧化钛较耐光性、较白、较软不易伤机械，如果机械耐磨，添加剂的粒径在0.5um一下最适合，为了抗紫外线，制造商都另外加有适量的锰或者是锌化合物。

金红石形的二氧化钛主要供白色油漆使用。

三：

原料储存和运输

己内酰胺除了固化后装成固体包装外，也可以直接在熔融状态下用槽车运输到客户桶槽后使用，这样可以减少固化和包装材料费用，同时减少了受外界的污染。

但是要使用保温（80-90℃）装置的不锈钢或铝制的槽车，同时还要用含氧量低于10ppm的氮气气封，以免被氧化，一般固体己内酰胺尽量储存在干凉通风的干净地方，存放时间若超过半年，因为吸入大气中的水汽及堆积压力下易成为硬块，以至于加料上的困扰，所以堆放时要尽量减少挤压。

液体己内酰胺的储存或运输除用含氧量小于10ppm的氮气气封以外，保温的适当与否影响品质很大，通常用80-85℃热水保温为宜。

若用减压后的蒸汽保温，因低压设备不容易有效的控制，常用产生局部过热现象发生。

在工厂现场使用保温时（在桶槽或运输管线上）最好也是使用热水保温，尽量不要用蒸汽保温。

己内酰胺储存初期为碱性，储存久后会变酸性，而挥发性碱性越高，己内酰胺越易变成酸性，品质不高。

本次设计的原料部分采用的是液体原料，用的是热水保温。

四：

工艺流程及控制

聚合工艺流程：

熔融→助剂调配→聚合→切粒→萃取→干燥→切片冷凝→打包

回收工艺流程：

三效蒸发→低元体分离→解聚→预除水→连续精馏

（一）输送区

液态己内酰胺由热水系统加热，由氮系统封存

在69℃以下己内酰胺成凝固状，所以为了运输和储存需要用热水加热并保持在80℃以上。

液态己内酰胺由槽车运送至厂内的储存罐12S20A/B，再由泵A0-12-P15A/B/C输送到储存槽

（二）调配区

ADX两种液体添加剂ADG和ADH加入到已有除盐水的混合罐中，经搅拌至完全溶解，以完成添加剂的批量制备。

添加剂经过滤输送到下面的储存罐中，经化验取样确定结果，最后经计量泵按照与己内酰胺的比例被连续输送到聚合釜。

ADY以己内酰胺为溶剂的溶液分批的加入到添加剂的制备罐，两种不同的粉剂添加剂ADE和ADF被依次加入到混合罐中，搅拌器确保了固体添加剂的完全溶解，然后溶液按批次经过滤输送到储存罐中，最后经计量泵按照与己内酰胺的比例输送到聚合釜。

消光剂一定浓度的二氧化钛悬浮液在已混合好多己内酰胺水溶液的制备罐中分批制备。

500公斤或25公斤袋装粉末二氧化钛在一定时间内通过加湿机加入。

二氧化钛悬浮液在制备罐搅拌循环并通过一个冷却器。

通过混合液的循环达到微粒的均