薄膜處理設備的製作方法

2023-05-07 21:17:16

專利名稱：：薄膜處理設備的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種薄膜處理設備，其適於製造水性有機溶劑中的纖維素溶液。所述設備特別適於但不僅限於製造用於生產再生纖維素纖維(lyocellfibre)的纖維素溶液。
背景技術：
：再生纖維素的生產是公知技術。主要地，料漿形式的纖維素與水、用於纖維素的有機溶劑和穩定劑混合。在加熱和減壓的作用下，一部分水蒸發離開，從而產生有機溶劑中的纖維素溶液，該纖維素溶液中還包含剩餘部分的水。這種溶液然後進行紡織處理，由此所述溶液被形成為成形件，通常為絲線，然後處理所述絲線以溶去水性有機溶劑，從而沉積出纖維素並因而形成纖維素成形件。量產纖維是大規模使用的產品，而且纖維生產過程必須使纖維的生產成本相對於作為競爭產品的纖維素纖維(例如，棉或黏膠絲纖維或甚至諸如聚酯纖維之類的人造纖維)具有經濟可行性。這意味著，所述生產過程在經濟上使得對於再生纖維素纖維、特別是量產再生纖維素纖維的製造而言，用於生產溶液的設備需要具有可年產數萬噸溶液量的規模。對大規模生產纖維的需求已經導致採用特定的纖維素溶液製造工藝。在可替代的工藝中，纖維素和水和/或有機溶劑按量混合在一起，以實現直接溶解。然而，這很難大規模進行。在現已商業化的與本發明相關的另一工藝中，所述工藝涉及製造纖維素、穩定劑、過量水和有機溶劑的預混合物，然後加熱和蒸發所述過量水以濃縮允許纖維素溶解的有機溶劑。通過這種商業化工藝生產溶液的已有設備的最成功形式是豎直取向的薄膜處理設備，例如，由BussAG製造並以商標Filmtruder銷售的設備。在EP0356419B1中公開了這種類型的薄膜處理設備，本發明也可用於這種設備。在這種公開設備中，預混合物通過入口被泵送至薄膜處理設備中並向下傳送通過薄膜處理設備，上述操作部分地在重力作用下進行，但主要通過中心轉子上的輸送葉片向下推動進行。薄膜處理設備的內表面被加熱，並施加真空以使過量水蒸發離開。這產生了水性溶劑中的纖維素溶液，此纖維素溶液通過排出口被泵送出薄膜處理設備之外。有機溶劑的優選形式為N-甲基嗎啉N氧化物(N-methylmorpholineNoxide)，通常縮寫為匪0。通過薄膜處理設備生產的纖維素溶液可用於製備多種類型的產品。通過這種纖維素溶液製造的主要產品為纖維素纖維。不過，也可生產許多其它纖維素材料，例如，膜或海綿或管。EP0660743公開了一種使用薄膜處理設備生產纖維素溶液的改進過程。尤其是，此文獻涉及根據溶液產量和能耗而對EP0356419的過程進行優化。對這種已知過程的進一步的修改在WO97/11973中公開。必須注意的是，雖然生產能力的增加對於工程人員而言是不言自明的任務，不過，對於所述工藝(尤其是再生纖維素工藝)的規模化存在一些苛刻限制。這是因為在薄膜處理設備中形成的纖維素溶液具有放熱的性質。因此，難以在面對由於系統溫度升高所致的放熱反應風險的同時增加再生纖維素工藝的生產能力。
發明內容本發明的目的在於，對用於製造纖維素溶液、特別是以商業化規模製造纖維素溶液的薄膜處理設備的使用進行更進一步的改進。因此，本發明進一步的目的在於，提供一種可用於製造纖維素溶液的改進的薄膜處理設備。在第一方案中，上述目的通過根據權利要求1所述的薄膜處理設備得以實現。根據本發明的薄膜設備的優選實施例在從屬權利要求中公開。根據本發明的薄膜處理設備包括具有至少一個柱形部分的轉子，至少一個刮擦葉片被布置在所述柱形部分上，所述刮擦葉片包括至少兩個齒，其特徵是，所述刮擦葉片或所述齒的厚度T分別大於5mm。已令人驚訝地發現，通過使用相應最小厚度T大於5mm的葉片或齒，薄膜處理設備的生產能力可顯著增加，而同時從工藝安全的方面來看不會超出過程極限。對於厚度T，其應被理解為葉片或齒的前面的相應厚度。所述前面是葉片的與將被處理的材料接觸的面，其在薄膜處理設備的內表面之上分配和輸送材料。厚度T可大於llmm，優選地為17mm至55mm，最優選地為22mm。在根據本發明的薄膜處理設備的進一步的實施例中，所述齒相互間隔分開，由此形成間隙，一個齒的長度L與位於所述齒的鄰近處的間隙的長度G之間的平均比率V相應地大於2:1。已令人驚訝地發現，如果在位於薄膜處理設備上的葉片上的齒的長度L與鄰近於所述齒的間隙的長度G之間的平均比率V增加，則薄膜處理設備的生產能力可顯著增加。特別是已發現，通過使用根據本發明的薄膜處理設備，可增加生產能力，而同時使諸如系統溫度之類的系統參數從工藝安全方面來看保持在可接受的水平。EP0660743B1公開了位於葉片(其可採取具有集成齒的條的形式)上的齒可包括所述條的豎直長度的10%至40%。這意味著比率V顯著小於2:1。應理解的是，對於相應布置在根據本發明的設備上的所有的齒和相鄰間隙而言，齒的長度L與相應相鄰間隙的長度G之間的比率V不必相同。在一個實施例中，對於布置在所述設備上的所有的齒而言，比率V可高於2:1。在其它實施例中，在所述設備的某些區域中，比率V可低於2:l，而在其它區域中，比率可顯著更高。不過重要的是，根據位於所述設備上的所有齒計算出的比率V的平均值高於2:i。根據本發明的優選實施例，所述平均比率V大於3:1，優選地為3.3:1。同樣，對於布置在所述設備上的所有的齒而言，比率v可大於2:1，優選地為3.3:i。所述齒的長度L可相應地在40至200mm的範圍內，且優選地為90至110mm。在根據本發明的薄膜處理設備的更優選的實施例中，至少一部分所述齒形成大於0°的朝向豎直方向的角度a，其中，所有所述齒的平均角度a,j、於14°。已知的是，特別是為了製備纖維素溶液，被布置在薄膜處理設備上的至少一部分所述齒可以是傾斜的，從而形成大於O。的朝向豎直方向的角度a，從而迫使材料被向下輸送通過所述設備。現在已令人驚訝地發現，如果所有齒的平均角度cim小於14。，則薄膜處理設備的生產能力可顯著增加，而同時從工藝安全的方面來看不會超出過程極限。對於詞語"平均角度"而言，其為由所有齒朝向豎直方向形成的所有角度a的平均值。在一個實施例中，薄膜處理設備的所有齒可以是傾斜的，因而所有角度a將大於(T。在進一步的優選實施例中，僅有一部分齒傾斜。這意味著，一部分齒形成O。的朝向豎直方向的角度，而其餘齒形成大於O。的朝向豎直方向的角度。於是，平均角度aj乃為所有角度a的平均值。例如，如果50%的齒朝向豎直方向傾斜26°角度，則平均角度am將為平均值，即，13。。優選地，平均角度Qm小於11°，優選地為IO。。根據本發明的薄膜處理設備尤其適於通過水性叔胺氧化物(tertiaryamineoxide)的纖維素懸浮液而製造在所述水性叔胺氧化物的可模塑的纖維素溶液。在下文中，將通過示例和附圖更詳細地描述本發明。圖1是根據本發明的系統的示意性剖視圖。圖2是圖1中所示系統的轉子的頂部的端視圖。圖3是葉片與轉子的連接的更詳細視圖。圖4是圖3的結構的立體圖。圖5是根據本發明優選實施例的薄膜處理設備的轉子的一部分的視圖。圖6是例示出根據本發明優選實施例的薄膜處理設備的轉子葉片的示例性形狀的示意性俯視圖。圖7是顯示出薄膜處理設備的葉片齒比率V對於比產量的影響的圖線。圖8是顯示出薄膜處理設備的平均角度am對於比產量的影響的圖線。圖9是顯示出薄膜處理設備的葉片厚度T對於比產量的影響的圖線。具體實施例方式參見圖l，其示意性顯示出的系統用於執行形成叔胺N氧化物中的纖維素溶液的過程。叔胺N氧化物，例如N-甲基嗎啉N氧化物，沿線路2被供應到容器1中。而且還提供了纖維素供應線路3和水供應線路4。通常，通過將這些組分混合而形成的預混合物通常包括重量百分比為12%的纖維素，重量百分比為20%的水，和重量百分比為68%的N-甲基嗎啉N氧化物。利用由電動馬達6旋轉的螺旋葉片5，這三種組分在容器1中被混合。螺旋葉片攪動混合物，並將混合後的組分沿管線7送到整體上由8表示的薄膜處理設備。所述管線優選地具有使其總是被充滿的直徑，或者可在所述管線通入薄膜處理設備的出口中提供限制結構，使得管線7中的材料不會暴露於處理設備8中的真空。薄膜處理設備8包括處於柱形構件9內的轉子，柱形構件9在外側利用加熱元件IO被加熱。加熱元件可為電加熱元件、或充油元件、或完全的充蒸汽或充熱水的加熱套。在柱形部分9的下端存在引向排放線路12的漸縮部分11。在柱形部分9的上端存在設置有排出導管14的供應腔13，可通過排出導管14去除蒸發的水汽。預混合後的材料通過管線7被送入腔13中，並當整體上由16表示的轉子旋轉時通過分配板15而圍繞薄膜處理設備分配。利用外部電動馬達17使轉子16的中心軸旋轉。轉子16設置有一系列葉片18，這些葉片18將在下文中進行更詳細的描述。在操作中，將較低壓力施加於導管14中，由此，當利用加熱元件IO加熱預混合物時，水在薄膜處理設備的操作過程中被蒸發，從而在預混合物被加熱時減少其水含量。這種連續加熱和蒸發導致預混合物中的水(即，非溶劑)的組分降低到一定程度，使得纖維素形成真正的在叔胺N氧化物中的溶液。因此，在薄膜處理設備8的下部分中形成有粘性溶液，粘性溶液通過錐形構件20上的傾斜葉片19被向下推入薄膜處理設備的漸縮部分11的底部處的頸部中。通過螺旋構件21的旋轉，溶劑中的纖維素溶液被送到由電動馬達23驅動的泵22。由此，溶液通過適合管道結構被送到紡織噴嘴25。螺旋構件21利用電動馬達26'進行旋轉，對電動馬達26'的控制與對電動馬達6和17的控制相結合以控制通過系統的溶液流動。圖2至4更詳細顯示出圖1中整體上以16例示的轉子的結構。從圖2和3中可見，轉子包括柱形中心部分26，柱形中心部分26在其下端具有漸縮錐形部分。柱形部分在其上端具有終端板28，馬達15的旋轉軸連接到終端板28。轉子中心部分26基本上為中空柱體，中空柱體具有整體上從其突出的一系列(例如為六個)平行的葉片根部(例如29、30)。這些葉片根部延伸轉子中心部分26的長度。葉片根部被焊接到轉子中心區域並形成轉子中心區域的集成部分。形成薄膜處理設備實際葉片的一系列板31、32、33、34、35和36被栓接到所述根部，例如根部30。如圖3中更清楚所示，葉片板38利用傳統螺栓40栓接到葉片根部39。如圖4中可見，葉片板41具有延伸到葉片板41的遠邊緣的一系列齒構件42、43、44和45，葉片板41利用螺栓47、48和49被緊固到葉片根部46。葉片齒42至45可以是傾斜的以將粘性預混合物和粘性溶液向下推動通過薄膜處理設備。由於薄膜處理設備8的轉子16以豎直配置布置，因此，傾斜葉片作用與重力作用相結合以促進預混合物和溶液向下移動通過處理設備。圖5示意性例示出本發明的優選實施例，參見兩個相鄰葉片41、35(未示出)，其上分別布置有齒42、43、44和齒42'、43'、44'。根據圖5中所示的實施例，一部分齒沿豎直取向(S卩，齒42、43、44)，而另一部分齒(即，齒42'、43'、44')朝向豎直方向傾斜，由此形成大於O。的角度ci。每個齒具有長度L(如圖5中分別對於齒42和42'所示)。為實現本發明的目的，對傾斜的齒而言，長度L是指齒在鉛垂線上的投影的長度(如圖5中對於齒42'所示)。相鄰的齒，例如齒42和43，相互間隔分開，由此形成間隙G。齒長度L與間隙長度G的比率為比率V。根據本發明的優選實施例，對於位於轉子柱形部分上的所有的齒和相鄰間隙而言，平均比率V應相應地大於2:1。而且，根據本發明的優選實施例，作為所有齒(包括不傾斜的齒)的角度a的平均值，平均角度Qm應小於11°。圖6示意性例示出齒42的實施例的形狀。齒42具有前面42a，前面42a與將被處理的材料接觸並在柱形部分9的內表面之上分配和輸送材料。前面42a大致平行於柱形部分9的內表面延展。根據本發明的優選實施例，齒的前面42a呈現出厚度T，厚度T應大於5mm。示例薄膜處理設備的生產能力尤其受限於兩個因子l)葉片的最大周向速度；2)設備內的最大溫度(在套處測量)。在示例性的薄膜處理設備中，因子1)(S卩，最大周向速度)可具有約7m/s的值。最大溫度(因子2))應不超過160°C，以避免發生放熱反應的風險。這兩個值的乘積(其將在下文中被稱為最大"F因子")限定了生產能力增加的範圍。即，在未達到技術極限或不發生危險的放熱反應的情況下，不可能使生產能力增加至高於該乘積值。關於本示例，因子1)和2)的乘積，即，最大"F因子"，為1120°Cm/s。示例1:本示例採用具有八葉片(厚度T=llmm)轉子的薄膜處理設備。所述設備用於將水性NMM0的纖維素懸浮液處理為具有13%纖維素的纖維素溶液。在對照示例中，葉片上布置的齒的長度相應地為62mm。鄰近於所述齒的間隙的長度相應地為31mm。S卩，平均比率V為2:1。在根據本發明的示例中，齒的長度為102mm，而間隙的長度保持為31mm不變。艮卩，平均比率V為3.3。為了實現本示例的目的，詞語"長度"是指齒的實際面長度。對於設備中所用的傾斜的齒而言，其在鉛垂線上的投影長度僅稍稍不同於實際面長度，並因而不會改變平均比率V。通過調節周向速度和/或薄膜處理設備加熱套的溫度，設定不同的操作點。這些操作點與特定的比產量(每m2設備表面積所生產的以kg/d為單位的纖維，其中基於llX的含水量；這是指可通過由所述設備所生產的纖維素溶液而紡出的纖維的量)相關。測量F因子，F因子基於為實現特定產量所必需的處理條件(周向速度和溫度)。實驗結果總結在下表中7tableseeoriginaldocumentpage8由上表並由圖7中可見，與比率V僅為2:1(F因子983.8)的設備相比，使用具有較高比率V(V二3.3:1)的薄膜處理設備能夠實現在低得多的F因子(891.9)下以1750kg/d.m2的比產量進行生產。對於圖7，進一步可見的是，如果對通過F因子相對於比產量的繪圖所獲得的基本線性的圖線進行外推，則與V僅為2:l的薄膜處理設備的1940kg/d.n^相比，使用比率V為3.3:l的薄膜處理設備可獲得2390kg/d.m1勺最大產量，其中未超過最大F因子112(TCm/So示例2:其實驗設置與示例1中相同，其不同之處在於在對照示例中，葉片上布置的齒的長度相應地為62mm。鄰近於所述齒的間隙的長度相應地為31mm。所有齒的平均角度am(朝向豎直方向)為14°。齒具有llmm的厚度T。在根據本發明的示例中採用相同設備，不過所有齒的平均角度cim為10°。仍然測量F因子，F因子基於為實現特定產量所必需的處理條件(周向速度和溫度)。實驗結果總結在下表中tableseeoriginaldocumentpage9由上表並由圖8中可見，與平均角度、為14°(F因子747.5)的設備相比，使用朝向豎直方向的平均角度a^為10°的薄膜處理設備能夠實現在低得多的F因子(702.1)下以1250kg/d.m2的比產量進行生產。對於圖8，進一步可見的是，如果對通過F因子相對於比產量的繪圖所獲得的基本線性的圖線進行外推，則與a^為14。的薄膜處理設備的2110kg/d.n^相比，使用平均角度Qm為lO。的薄膜處理設備可獲得2550kg/d.n^的最大產量，其中未超過最大F因子1120°Cm/s。示例3:其實驗設置與示例1和示例2中基本相同，不過，在此示例中採用的薄膜處理設備具有的轉子僅有四個葉片。在對照示例中，葉片上布置的齒的長度相應地為62mm。鄰近於所述齒的間隙的長度相應地為31mm。齒具有llmm的厚度T。在根據本發明的示例中採用相同設備，不過，齒具有22mm的厚度T。實驗結果總結在下表中tableseeoriginaldocumentpage10由上表並由圖9中可見，與厚度T為llmm(F因子924.5/1063.8)的設備相比，使用齒厚度T為22mm的薄膜處理設備能夠實現在低得多的F因子(905.4/921.6)下以1250kg/d.m2的比產量進行生產。對於圖9，進一步可見的是，如果對通過F因子相對於比產量的繪圖所獲得的圖線進行外推，則與T為llmm的薄膜處理設備的1300kg/d.m2相比，使用齒厚度T為22mm的薄膜處理設備可獲得1510kg/d.m2的最大產量，其中未超過最大F因子1120°Cm/s。權利要求一種薄膜處理設備(8)，包括具有至少一個柱形部分(26)的轉子(16)，至少一個刮擦葉片(32，33，34，35，36，41)被布置在所述柱形部分上，所述刮擦葉片包括至少兩個齒(42，43，44，42′，43′，44′)，其特徵在於，所述刮擦葉片或所述齒(42，43，44，42′，43′，44′)的厚度(T)相應地大於5mm。2.如權利要求1所述的薄膜處理設備(8)，其特徵在於，所述厚度(T)大於llmm，優選地為17mm至55mm，最優選地為22mm。3.如權利要求1或2所述的薄膜處理設備(8)，其特徵在於，所述齒相互間隔分開，由此形成間隙，一個齒(41)的長度(L)與位於所述齒的鄰近處的間隙的長度(G)之間的平均比率V相應地大於2:1。4.如權利要求3所述的薄膜處理設備(8)，其特徵在於，所述平均比率V大於3:l，優選地為3.3:1。5.如權利要求3或4所述的薄膜處理設備(8)，其特徵在於，所述齒(42，43，44，42'，43'，44')的長度(L)相應地為40mm至200mm，且優選地為90mm至110mm。6.如前述權利要求中任一項所述的薄膜處理設備(8)，其特徵在於，至少一部分所述齒(42，43，44，42'，43'，44')形成大於0。的朝向豎直方向的角度a，所有所述齒的平均角度a,j、於14°。7.如權利要求4所述的薄膜處理設備(8)，其特徵在於，所述平均角度cim小於ir，優選地為10°。8.—種如前述權利要求中任一項所述的薄膜處理設備的使用，用於通過水性叔胺氧化物的纖維素懸浮液而製造在所述水性叔胺氧化物的可模塑的纖維素溶液。全文摘要本發明涉及一種薄膜處理設備(8)，包括具有至少一個柱形部分(26)的轉子(16)，至少一個刮擦葉片(32，33，34，35，36，41)布置在所述柱形部分上，所述刮擦葉片包括至少兩個齒(42，43，44，42′，43′，44′)，其特徵在於，所述刮擦葉片或所述齒(42，43，44，42′，43′，44′)的厚度(T)分別大於5mm。文檔編號B01J19/18GK101754806SQ200880021236公開日2010年6月23日申請日期2008年6月13日優先權日2007年6月21日發明者C·施雷姆普夫,F·蘇喬梅爾,W·費爾梅爾申請人:連津格股份公司