CN101636416B - 溶液的制备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过处理包含纤维素、水和适于纤维素的有机溶剂的预混合物而在液态有机溶剂中制备纤维素溶液的方法。利用泵将预混合物通过供应线泵送到垂直取向的薄膜蒸发器中，薄膜蒸发器具有中央定位的转子，该转子适于将预混合物涂抹在薄膜蒸发器的内部上，并且通过蒸发器将预混合物向下输送。其特征在于通过泵将预混合物以可控的方式泵入到薄膜蒸发器内，并且基本不会通过适于预混合物的供应线和薄膜蒸发器内部之间的压力差以非可控方式吸引入薄膜蒸发器内。

Description

溶液的制备
本发明涉及在液态有机溶剂中制备纤维素溶液。具体的，但不排他性地涉及适用于制备Lyocell纤维的纤维素溶液的制备。 
Lyocell纤维的制备是一种众所周知的概念。基本为纸浆形式的纤维素与水和适于纤维素的有机溶剂以及稳定剂混合。在热量和减小的压力作用下，一部分水蒸发掉以便在有机溶剂中形成纤维素溶液，此外其还包括剩余部分的水。然后使得该溶液经过仿丝工艺，由此溶液形成有形制品，具体为细丝，然后对细丝进行处理，以便将液态的有机溶剂溶解掉，从而沉淀析出纤维素，从而形成纤维素的有形制品。 
短纤维是大量使用的制品，并且纤维制备工艺是如此的，以至于与相竞争的纤维素纤维(诸如棉纤维或粘胶纤维，或甚至诸如聚酯纤维的人造纤维)相比可以经济可行的成本制备上述纤维。 
这意味着工艺的经济性是如此的以致对于Lyocell纤维尤其为Lyocell短纤维的制备而言，用于制备溶液的设备需要具有一定的规模，这样可在一年内生产为成千上万公吨量的溶液。 
大规模生产纤维的需求导致采用制备纤维素溶液的特定工艺。在可选的工艺中，将纤维素与水和/或有机溶剂按量混合在一起，这样获得直接的溶解。但是，其非常难于大规模地进行。在本发明涉及的另一工艺(现已商业化)中，该工艺包括制备纤维素、稳定剂、过量水和有机溶剂的预混合料，之后加热和蒸发过量的水，以便浓缩有机溶剂从而允许纤维素溶解。 
已经发现由该商业化的工艺制备溶液的最成功形式的设备是垂直取向的薄膜蒸发器，诸如由Buss AG制备以及以商标Filmtruder购得的设备。在EP0356419A中公开了可应用于本发明的该种类型的薄膜蒸发器。在其公开文本中，预混合物经由入口泵入到薄膜蒸发器中，并且在重力作用但是主要还是通过处于中心转子上的输送桨叶的向下力的作用下部分向下通过薄膜蒸发器。加热薄膜蒸发器的内表面，并且施加真空以便蒸发掉过量的水。这样在液态溶剂中形成纤维素溶液，其经由出口从薄膜蒸发器泵送出。优选形式的有机溶剂为通常缩写为 NMMO的N-甲基吗啉-N-氧化物。 
由薄膜蒸发器生产的纤维素溶液可用于制备各种类型的制品。由该纤维素溶液制备的主要制品为纤维素纤维。但是，还可生产一些其它的纤维素材料，诸如薄膜或海绵或管子。 
当用于生产纤维素溶液时，薄膜蒸发器的一个特征是加热夹套和预混合物装置的非透明性质的结合，因此在使用过程中不可能看到薄膜蒸发器的内部。 
对于大多数目的而言，由薄膜蒸发器制备的纤维素溶液需要为透明的琥珀色溶液，其中来自于预混合物的所有纤维素纤维溶解在液态的NMMO中。但是，在生产出较差质量的纤维素溶液的情况下，诸如包含未溶解纤维素的溶液，那么则非常难于确定是何因素导致生产出没有完全溶解的纤维素。 
根据本发明，现在已经发现诸如在EP0356419A中公开的薄膜蒸发器可以如此的方式操作以至于可以增加薄膜蒸发器的可靠性来生产几乎所有的纤维素都溶解在液态NMMO中的溶液。 
通过本发明提供在液态有机溶剂中制备纤维素溶液的方法，其包括下述步骤： 
(vii)形成包含纤维素、水和适于纤维素的有机溶剂的预混合物； 
(viii)用水和/或溶剂容胀预混合物中的纤维素； 
(ix)利用泵将预混合物通过供应线泵送到垂直取向的薄膜蒸发器中，薄膜蒸发器具有中央定位的转子，该转子适于将预混合物涂抹在薄膜蒸发器的内部上，并且通过蒸发器将预混合物向下输送； 
(x)将热量施加到薄膜蒸发器的壁上，并且将薄膜蒸发器内的内部压力减小到大气压之下；以便 
(xi)蒸发掉一些水以便允许纤维素进入液态有机溶剂中的溶液内；以及 
(xii)从薄膜蒸发器的底部将溶剂中的纤维素溶液抽出； 
其特征在于通过泵将预混合物以可控的方式泵入到薄膜蒸发器内，并且基本不会通过适于预混合物的供应线和薄膜蒸发器内部之间的压力差以非可控方式吸引入薄膜蒸发器内。 
控制将预混合物泵入到薄膜蒸发器中以致基本不通过低压吸引 入薄膜蒸发器内的方法是在靠近通到薄膜蒸发器入口的预混合物喂入管线中具有颈缩(constriction)。该颈缩可以是永久性设置的颈缩-诸如使得预混合物喂入管道变窄。可选的，其可以为可变的颈缩，诸如阀，具体的该阀可在薄膜蒸发器的开始相位中进行节流，然后一旦达到稳定的常规运行状态就被打开。 
可选的，泵本身可放置到非常接近入口之处，这样没有可被吸入到薄膜蒸发器内的预混合物的体积。如果泵具有从入口到薄膜蒸发器的长通道-例如，两米或更长，一定体积的预混合物可存在于管子内，这样其可被吸入，尤其是在开始相位中。 
薄膜蒸发器可具有处于5-45平方米的内部加热表面积。 
通过实例的方式，现在将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中： 
图1是根据EP0356419A公开文本中所概括的薄膜蒸发器的横截面的示意图； 
图2是具有一种形式颈缩的入口管的横截面的示意图； 
图3是具有第二种形式颈缩的入口管的横截面的示意图；以及 
图4是具有第三种形式颈缩的入口管的横截面的示意图。 
从EP0356419A获取的图1和图2-4示出控制预混合物流动进入通到薄膜蒸发器的入口内的可选方法。 
用于从液态NMMO制备纤维素溶液的商业化工艺是公知的，并且在此由背景技术进行概述。主要制备水、纤维素和NMMO以及诸如酸丙酯的稳定剂的预混合物，并且允许静置。这样在液态NMMO的作用下使得纤维素能够容胀。具体的，这种溶液将包括60％NMMO和40％水的混合物，其中混合有纤维和少量的酸丙酯，这样在蒸发掉过量水后的纤维素的最终浓度大约为13重量％。通常如图1中所示，通过入口11将这种悬浮液泵入到薄膜蒸发器的内部。通过电机6转动的中心轴7在其上载有轴向相对于入口11定位的压延盘10。这种压延盘10使得预混合物向下移动。预混合物在重力作用下以及还通过安装在轴7上的输送桨叶8的推动作用下向下移动。这些桨叶相对于轴7的纵向轴线倾斜一角度α，并且电机6在这样的方向上转动以至于当桨叶8与预混合物接合时将预混合物向下推动。在桨叶和重力作用下，预混合物从相对于入口端11的位置向下通过薄膜蒸发器。 
加热夹套2环绕着圆柱形的薄膜蒸发器，并且加热流体经由通道3从入口4到达出口5而通过薄膜蒸发器。这导致薄膜蒸发器的内壁由通过加热夹套的液体介质加热。具体的，将130℃下的蒸汽用作加热介质。 
通过利用合适的真空泵将薄膜蒸发器内的气体从出口孔14泵出而将薄膜蒸发器的内部保持在具体为100毫巴的内部低压下。 
经由夹套2的加热以及低压的结合导致NMMO混合物中的水蒸发掉。该蒸发导致NMMO的浓度渐变，并且当NMMO变得更浓时，其达到能够溶解纤维素的那一界点。该过程沿着薄膜蒸发器的长度继续，以便形成透明的琥珀色的纤维素溶液，其通过出口12从薄膜蒸发器的底部泵送出。整个组件沿着远离入口和诸如11，14，4和5的出口管的中心线9是对称的。支撑转子底部的支撑锥体14还可定位在薄膜蒸发器底部中。桨叶8由13所指示的小缝隙与薄膜蒸发器的内壁分隔开。 
已经发现通过放置限制(restriction)以便使得预混合物靠近入口位置11喂入可提高由薄膜蒸发器形成的溶液量。在图2-4中示出这种限制的实例。 
如在这些附图中所看出的，用于形成纤维素溶液的薄膜蒸发器可为任意形式的薄膜蒸发器，并且薄膜蒸发器可由本发明操作员任意处理。 
在实践中，包括薄膜蒸发器的装置通常具有大型的复杂结构，其中具有相当大量的连接诸如入口11的各种入口和出口的管线。预混合物将相对靠近薄膜蒸发器制备，但是由于设备尺寸以及由于需要若干组件，通常在预混合物喂入***和通到薄膜蒸发器的入口之间存在若干米长的管线。泵和入口位置之间的距离可为几米长。由于其不流动，被泵送的预混合物的纤维素混合浆料在水和氧化胺的混合物中具有连续性。用于泵送预混合物的合适泵为活塞泵或Netzch Nemo Mono泵。这些泵不仅将预混合物泵入，而且还将预混合物泵入到薄膜蒸发器内，以便正确控制溶解过程或以可控方式泵送预混合物。 
诸如图2中泵20的泵经由合适的管线21连接到入口位置11。在图2中示出节流阀22。在制备本发明之前，不设置节流阀22，并且将泵20经由管线21直接连接到入口11，该管线21可为无限的长度，并 且通常为几米长。 
偶然地，在薄膜蒸发器的操作过程中，已经发现一些纤维素以未溶解状态被载运，这样从薄膜蒸发器的出口12排出的溶液具有高水平的未溶解纤维素。总是存在一些少量的未溶解的纤维素是必然的，但是其可通过过滤而容易去除。在溶液中存在的纤维素量越大，则越需要过滤，并且不得不更频繁地更换过滤器。因此，显然由薄膜蒸发器生产的溶液越纯越好。 
现已发现通过将颈缩22放入管线21中可由薄膜蒸发器制备质量改善的溶液。据信其原因是颈缩22防止薄膜蒸发器中的压力将类似鼻涕虫的预混合物吸入到薄膜蒸发器中，使得分配环和顶部输送桨叶超载，并且导致将类似鼻涕虫的预混合物输送通过***使得在溶液12中出现部分未溶解量的纤维素。具体的，已经发现在该工艺开始的过程中可能有类似鼻涕虫的预混合物被吸入到薄膜蒸发器的中部，因此发现可变限制阀是限制管线21的优选方式。还已经发现，当薄膜蒸发器已经进入到稳定状态之后，有时会打开限制阀22以便降低泵20上的载荷，并因此降低泵送成本。 
虽然可变限制阀22是执行本发明过程的优选形式的设备，但是已经发现通过在泵20和入口11之间提供诸如32的颈缩可获得有益效果。该颈缩可为具有合适尺寸孔口的开孔板。孔口可为圆形或椭圆形的或矩形的。孔口可与阀结合，这样在开始过程中可增加限制作用。 
获得本发明所需结果的可选方式是在非常靠近通到薄膜蒸发器的入口11之处来提供泵20。但是上述存在的问题是其在薄膜蒸发器和预混合物泵送组件的可能设计上存在严重的限制，并且由于薄膜蒸发器是大型的加热组件，难于非常靠近其提供设备。因此只有在工厂设计允许下才可采用本发明的该形式。 
上述颈缩还有助于防止预混合物在进入薄膜蒸发器时脱水。脱水可导致形成阻塞喂入管线的阻塞材料。此外，上述颈缩还有助于防止由于在薄膜蒸发器内部和喂入管线中预混合物之间的压力差而使得空气进入。 

Claims (4)

1.在液态有机溶剂中制备纤维素溶液的方法，其包括下述步骤：
(i)形成包含纤维素、水和适于纤维素的有机溶剂的预混合物；
(ii)用水和/或溶剂溶胀预混合物中的纤维素；
(iii)利用泵将预混合物通过供应线泵送到垂直取向的薄膜蒸发器中，该薄膜蒸发器具有中央定位的转子，该转子适于将预混合物涂抹在薄膜蒸发器的内部上，并且通过蒸发器将预混合物向下输送；
(iv)将热量施加到薄膜蒸发器的壁上，并且将薄膜蒸发器内的内部压力减小到大气压之下；以便
(v)蒸发掉一些水以允许纤维素进入液态有机溶剂中的溶液内；以及
(vi)从薄膜蒸发器的底部将溶剂中的纤维素溶液抽出；
其特征在于通过泵将预混合物以可控的方式泵入到薄膜蒸发器内，并且基本不会通过适于预混合物的供应线和薄膜蒸发器内部之间的压力差以非可控方式吸引入薄膜蒸发器内；
其中通过靠近通到薄膜蒸发器入口的预混合物喂入管线中的可变颈缩进行上述控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中喂入泵紧密靠近薄膜蒸发器定位。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中薄膜蒸发器具有处于5至45平方米范围内的内部加热表面积。
4.根据权利要求1所述的方法，其中可变颈缩仅仅用于在过程开始时对流动进行限制。 
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