CN103320882B - 一种纤维萃取装置和纤维多级萃取装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维萃取装置和纤维多级萃取装置，包括电机、萃取室(1)，萃取室内入丝口和出丝口处分别设有小导丝辊，在萃取室的出丝侧侧壁上设萃取剂注入口，在入丝侧侧壁上设一溢流口，其特征在于：萃取室内设有至少一对导丝对辊，导丝对辊由萃取室的安装端(11)到萃取室的末端(12)旋转面外缘的间距逐渐减小。该装置能够在减少导丝辊用量的同时仍能达到同样萃取效果，不但减小了萃取室容积，降低了成本，且容易控制。

Description

一种纤维萃取装置和纤维多级萃取装置

技术领域

本发明属于化学纤维制造技术领域，特别是涉及到在生产过程中需要使用萃取方法去除纤维中所含溶剂的纤维萃取装置和纤维多级萃取装置。

背景技术

在化学纤维制造行业，有部分纤维只能通过溶液法纺丝制取，比如粘胶纤维、聚丙烯腈纤维、高强聚乙烯纤维、海藻纤维等。在这些纤维制取过程中，有部分纤维需要通过萃取方法去除初生纤维中所含溶剂，比如上述高强聚乙烯纤维以及医用海藻纤维。

一般来说，萃取需要综合考虑萃取效果和萃取成本，具体为被萃取物在萃取剂中停留时间(即萃取时间)要尽量长，以及被萃取物与萃取剂的比例(即萃取浴比)要尽可能高。基于上述目的按照传统的设计出来的萃取装置的容积太大，成本高。比如以医用海藻纤维制造为例：在海藻纤维生产中，一般纺丝速度在10m/min以上，如果综合考虑萃取效果和成本，假设分为三级萃取，每级停留时间仅为1min，则所需萃取槽总长度将会达到30m以上；而一束10m长的纤维重量不过在20g左右，其横截面积不到0.5cm²，因此萃取槽截面积设计为5cm²就已绰绰有余。显而易见，按照这样参数设计的设备又细又长，非常不适用实际生产。

中国专利CN201098564A，公开日期2008年8月13日，公开了一种高强高模聚乙烯纤维多级连续萃取机，在该萃取机中每个萃取室内，纤维通过导丝辊由萃取室上端向下进入萃取室底部，再通过导丝辊向上从萃取室开口导出，然后再进入下一个萃取室。该装置通过改变每个萃取室内纤维走向增加纤维在每个萃取室内的行走路程，但由于各导丝辊都是轴向平行设置的，因此一束纤维丝束在导丝辊上只能形成一个丝道，行走路程仍然有限，所以为了达到预期的萃取效果，只能增加萃取室个数，但这样就增加了成本，而且要让各导丝辊之间的丝产生张力，必须使后一辊的转速稍微快于前一辊，但需要每两个辊之间的速度差是固定的，若导丝辊数量多，很难实现速度差相等的控制，也相对增加了装置的成本，且要达到预期萃取效果，按照上述分析就要增加萃取室数量，也就是增加导丝辊数量，也会增加萃取剂用量，这些也都会导致成本升高。

另外，中国专利CN201190199A，公开日期2009年2月4日，公开了一张用于生产聚乙烯纤维的萃取装置和多级萃取装置，在该装置中一个萃取槽内设计两列间隔排列的导丝辊，纤维依次交替通过这些导丝辊，使纤维在每一级萃取槽中来回走“之”字形。该专利与上述专利有相似问题，即每两个导丝辊之间只能形成一个丝道，只能靠增加导丝辊数量来增加丝的行走路程，导致导丝辊数量非常之多，萃取室容积大，不易控制，成本很高。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种在满足萃取效果的前提下减小萃取装置容积、减少导丝辊的数量从而降低萃取成本的结构简单的萃取装置。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种纤维萃取装置，包括电机、萃取室，萃取室内入丝口和出丝口处分别设有小导丝辊，在萃取室的出丝侧侧壁上设萃取剂注入口，在入丝侧侧壁上略低位置再设一溢流口，其特征在于：萃取室内设有至少一对导丝对辊，导丝对辊由萃取室的安装端到萃取室的末端旋转面外缘的间距逐渐减小。

一种方案是：所述一对导丝对辊为第二辊和第一辊，第二辊和第一辊均为等径辊，第二辊和第一辊的轴线之间的夹角为锐角。

优选的，所述的夹角在1°～45°之间，较优在3°～25°之间，最优在5°～15°之间。

优选的，第二辊的直径小于第一辊的直径，第一辊为主动辊，第二辊为被动辊。

优选的，第二辊的直径为第一辊直径的1/30～1/1.5倍，较优为1/20～1/2倍，最优为1/10～1/3倍。

另一种方案是：所述一对导丝对辊为第二辊和第一辊，第二辊为等径辊，第一辊为圆锥台形辊，第二辊和第一辊的轴线相互平行；或者，第一辊为等径辊，第二辊为圆锥台形辊，第二辊和第一辊的轴线相互平行。

优选的，萃取室出丝口处设置有第二小导丝辊，当第二小导丝辊有纤维通过时，纤维到第二辊与萃取室的安装端相邻的一端之间的距离为第二辊长度的0.7～0.9倍。

本发明还公开了一种纤维多级萃取装置，包括多个权利要求1-5以及7中任何一项所述的纤维萃取装置，每前一萃取室的出丝口与后一萃取室的入丝口对应设置，使前一萃取室出丝口同时作为后一萃取室入丝口，每后一萃取室的溢流口与前一萃取室的萃取剂注入口对应设置。

优选的，包括1～10个纤维萃取装置；进一步优选包括2～7个纤维萃取装置；更进一步优选包括3～5个纤维萃取装置。

本发明还公开了一种纤维多级萃取装置，包括多个权利要求6所述的纤维萃取装置，每前一萃取室的出丝口与后一萃取室的入丝口对应设置，每后一萃取室的溢流口与前一萃取室的萃取剂注入口对应设置。

优选的，包括1～10个纤维萃取装置；进一步优选包括2～7个纤维萃取装置；更进一步优选包括3～5个纤维萃取装置。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明利用两导丝辊之间由安装端到末端旋转面外缘的间距逐渐减小使进入萃取室的丝通过张力自动分开多个丝道，从而增加了在萃取室内的行走路程，而在减少导丝辊用量的同时仍能达到同样萃取效果，减小了萃取室容积，降低了成本，且容易控制。

附图说明

下面结合附图对本发明的萃取装置作进一步详细的描述。

图1是本发明第一种萃取室的俯视图；

图2是本发明另一种萃取室的俯视图；

图3是本发明纤维多级萃取装置3级萃取装置的俯视图；

图4是图3的主视图；

图5是本发明纤维多级萃取装置4级萃取装置的俯视图；

图6是图5的主视图。

其中1.萃取室，2.第一小导丝辊，3.第二小导丝辊，4.第二辊，5.第一辊，6.纤维，11.萃取室的安装端，12.萃取室的末端。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种纤维萃取装置，包括电机、一个方形萃取室1，或也可以为其他形状，萃取室1向上开口，底部设有放液口。在萃取室1开口左侧面靠内位置设置入丝口，开口右侧面靠外位置设置出丝口。萃取室1中设置至少一对导丝对辊及2个小导丝辊，在萃取室1的出丝侧侧壁上设萃取剂注入口，在入丝侧侧壁上略低位置再设一溢流口，起初时，纯萃取剂由萃取室1的萃取剂注入口进入萃取装置，从溢流口流出，使萃取剂与纤维行进方向呈逆向流动。

上述小导丝辊，一个位于萃取室1入丝口位置，为第一小导丝辊2，其作用是将由萃取室1外部进入的纤维由入丝口向下导向导丝对辊；另一个位于出丝口位置，为第二小导丝辊3，其作用是将纤维由导丝对辊导出。萃取室内设有至少一对导丝对辊，导丝对辊由萃取室的安装端11到萃取室的末端12旋转面外缘的间距逐渐减小。

下面根据导丝对辊的不同形状分别说明本发明。

实施例1

如图1，上述导丝对辊各自为圆筒状或圆柱状的等径辊，萃取室内设有一对导丝对辊，所述一对导丝对辊为第一辊5和第二辊4，两辊的轴线之间存在夹角，该夹角为锐角，这样进入的丝会自动分成多个丝道，使导丝辊的利用率提高，在能实现同样萃取效果的同时减少导丝辊用量，减少萃取装置的容积，从而降低了成本，简化了结构，提高了萃取浴比，而且由于辊数量少，且两者之间靠倾斜角度就可以自动产生张力，容易控制。

使用时，往萃取室1中注满所需萃取剂；然后将纤维由萃取室1入丝口导入萃取装置，在其内部经导丝对辊缠绕数圈分丝后，从出丝口小导丝辊导出萃取装置，进入其他环节，或进入多级萃取装置的下一个萃取室。起初，纯萃取剂按照计算流量由萃取剂注入口进入萃取装置，从萃取室1溢流口流出。

两辊夹角优选在1°～45°之间，较优在3°～25°之间，最优在5°～15°之间，角度不同，形成的丝道数就不同，在该角度范围内形成的丝道最多，角度太大，丝会全部集中到导丝对辊的根部，角度太小，丝分不开。

第二辊4的直径小于第一辊5的直径，第一辊5为主动辊，第二辊4为被动辊。为了使连接电机的主动辊的带动力大，被动辊与丝束的摩擦小，第二辊4的直径小于连接电机的第一辊5的直径，根据需要可以使第二辊4的直径为第一辊5的直径的1/30～1/1.5倍，较优为1/20～1/2倍，最优为1/10～1/3倍。

所述第二辊4和第一辊5等长最佳，这样可以充分利用辊长，若一辊长，一辊短，则浪费了长辊的部分长度。

根据需要，导丝对辊即第二辊4和第一辊5的辊长可在100mm～500mm之间，直径可在100mm～300mm之间，具体视纤维纤度而定，纤维纤度越大，辊直径和长度越大。

优选第二辊4和第一辊5等长，萃取室出丝口处设置有第二小导丝辊3，当第二小导丝辊3有纤维6通过时，纤维6到第二辊5与萃取室的安装端11相邻的一端之间的距离为A，见图1，该距离A的长度为第二辊5长度的0.7～0.9倍。这样可以充分利用辊长，防止浪费辊长。

根据需要，使萃取室1长0.7～1.5米，宽0.3～0.8米，深0.3～0.8米均可，其他尺寸易适用。

为了进一步保证萃取效果，可以考虑在第一辊5上部加装一个长度与之一致压辊，在纤维进入下一个萃取室1或出萃取装置之前，通过挤压去除一部分其中所含溶剂(或溶剂与萃取剂混合液)。

导丝对辊即第二辊4和第一辊5最好水平设置，防止丝会下滑。

实施例2

上述实施例1中第二辊4可以拆卸下来再调整倾斜角度，或为了便于调整两辊的夹角，可为第二辊4配置一个角度调节装置，使不用拆下第二辊4就可调节夹角。

实施例3

与实施例1不同的是，可以如图2所示让第一辊5为等径辊，第二辊4为圆锥台形辊，这样两辊辊面间的间距也会由安装端到末端逐渐减小。本实施例中两辊之间不需要再设置夹角，即第一辊5和第二辊4的轴线相互平行，安装工艺更加简单。

或者，第二辊4为等径辊，第一辊5为圆锥台形辊，第一辊5和第二辊4的轴线相互平行。

本发明主要是利用两个导丝辊之间由萃取室的安装端11到萃取室的末端12旋转面外缘的间距逐渐减小使纤维丝自动分成多个丝道的原理，因此除了上述实施例，符合该理念的其他变形结构也属于本发明的保护范围。

另外，本发明还提供了一种纤维多级萃取装置，包括多个上述的纤维萃取装置，每前一萃取室1的出丝口与后一萃取室1的入丝口对应设置，使前一萃取室1的出丝口同时作为后一萃取室1入丝口，每后一萃取室1的溢流口与前一萃取室1的萃取剂注入口对应设置，使萃取剂可以逐级流通。

使用时，纯萃取剂由最后一萃取室1的萃取剂注入口进入萃取装置，从后一个萃取室1的溢流口流出到前一个萃取室1，使萃取剂在各个萃取室1之间与纤维行进方向呈逆向流动，最终混合液从该溢流口流出萃取装置。

上述萃取室的各种实施方式都可以做成这样的多级萃取装置，下面的各萃取室1完全一样进一步说明本发明。如图3-图6，此时所说的完全一样包括，萃取室1大小、形状一致、每个萃取室1内的导丝对辊等长，设置位置一致，每个萃取室1的入丝口、出丝口设置位置分别一致，但是前一萃取室1的萃取剂注入口应该与后一萃取室1的溢流口同高，形成从后到前溢流口高度逐渐降低的阶梯状趋势。

该实施例可使多个萃取室1前后错开设置，使得前一个萃取室1出丝口同时为后一个萃取室1入丝口，只有错开才能保证前一萃取室1的出丝口与后一萃取室1的入丝口对应，后一萃取室1的溢流口与前一萃取室1的萃取剂注入口对应设置。

为了证明本发明的优点，特举例说明。

实施例4

本实施例主要适用于医用海藻纤维萃取脱水。

海藻纤维是利用水将海藻酸钠制成纺丝溶液后，经过纺丝装置制成细流并在氯化钙水溶液中凝固成为纤维，其主要成分为海藻酸钙和海藻酸钠。因其具有良好生物相容性和抗菌性，且容易为身体所吸收，因此是一种非常理想的医用材料。

海藻纤维纺丝速度为10m/min，纤度为18000d，萃取后要求纤维中含水量≤5％。

在设计之前，经过实验表明，丙酮充分萃取海藻纤维中水分最短时间为1min，因此根据其生产特点及要求，本实施例如后附图一、二所示，设有密封盖，具体设计参数如下：

萃取室1数量为3个；每个萃取室1长、宽、深尺寸分别为800×500×600mm；相邻萃取室1之间前后错开240mm(相当于0.8倍导丝对辊长度)；溢流口高度从第一个至最后一个依次为400mm、410mm、420mm。

萃取室1入丝口位于距其内侧面80mm位置，出丝口位于距其外侧面180mm位置。

萃取装置所用导丝对辊长300mm，其中大辊5为主动辊，直径300mm；小辊4为被动辊，直径50mm；大辊5与小辊4的安装位置的中心距离为450mm，其圆周边缘距萃取室1两侧距离均为87.5mm，其中大辊5中心高度为250mm，小辊4中心高度也为250mm。为进一步增强脱水效果，在每个大辊5上部均装有长300mm压辊。

由以上参数，可以计算得到该萃取装置各项参数如下：

1、总长度仅为：800×3＝2400mm(即2.4米)；

2、总宽度仅为：500×3+240×2＝1980mm(即1.98米)；

3、总面积仅为：2.4×1.98≈4.75m²；

4、有效容积仅为：0.8×0.5×(0.40+0.41+0.42)＝0.492m³(该计算结果未扣除导丝对辊等所占体积)；

5、纤维在导丝对辊上缠绕1圈长度为：2×(450²-125²)^0.5+150×2[π-arccos^-1(125/450)]+25×2arccos^-1(125/450)≈1484mm；

在使用中，可以至少缠绕10圈，则纤维在每个萃取室1内行进总路程最少为：10×1484＝14.84m；

则纤维在每个萃取室1中最短萃取时间为：14.84/10＝1.48min＞1min。

在纤维进入萃取装置前，可利用压辊控制其含水量在55％左右，以70g/min流量从萃取装置注入口注入纯的丙酮，经过一段时间平衡后，取第三个萃取室1丙酮分析其含水量为2.61％，纤维丛萃取装置导出后所含丙酮与水混合物含量为55％，则丙酮挥发后纤维中含水量为：

0.0261×55％/(1-0.55+0.0261×55％)×100％＝3.09％＜5％

可见，该萃取装置满足海藻纤维萃取脱水要求。

而获得1吨纤维，人工萃取所耗用丙酮量为4.65吨，而采用本萃取装置后，获得1吨纤维所耗用丙酮为：

70/(10×18000/9000)＝3.5吨

可见，使用本发明后，每吨海藻纤维可节省丙酮1.15吨。

实施例5

本实例主要应用于高强聚乙烯纤维冻胶丝中溶剂萃取脱除。

目前，高强聚乙烯纤维制备均是采用冻胶纺丝原理，分为湿法和干法纺丝工艺路线。其中，湿法纺丝需要使用萃取剂将冻胶丝中溶剂萃取出来。

由于高强聚乙烯纤维冻胶丝纺丝速度一般不超过6m/min，纤度在萃取前后变化较大，萃取前约为180000d，萃取后约为36000d，要求萃取后纤维中溶剂含量≤1.0％。

由于经萃取后要求纤维中溶剂含量极低，因此目前在生产中一般使用多台萃取装置，比如在专利200710133408.6中要求使用1～3台萃取装置，萃取槽(或萃取室1)数量最高达到24个。

在设计之前，经过研究表明，萃取剂充分萃取冻胶丝中溶剂最短时间为55s，根据其生产特点及要求，本实施例如后附图三、四所示，设有密封盖，具体设计参数如下：

萃取室1数量为4个；每个萃取室1长、宽、深尺寸分别为600×500×600mm；相邻萃取室1之间前后错开240mm(相当于0.8倍导丝对辊长度)；溢流口高度从第一个至最后一个依次为380mm、390mm、400mm、410mm。

萃取室1入丝口位于距其内侧面80mm位置，出丝口位于距其外侧面180mm位置。

萃取装置所用导丝对辊长300mm，其中大辊5为主动辊，直径300mm；小辊4为被动辊，直径50mm；大辊5与小辊4中心距离为250mm，其圆周边缘距萃取室1两侧距离均为87.5mm，其中大辊5中心高度为250mm，小辊4中心高度也为250mm。考虑到冻胶丝特性，不设计压辊。

由以上参数，可以计算得到该萃取装置各项参数如下：

1、总长度仅为：600×4＝2400mm(即2.4米)；

2、总宽度仅为：500×5+240×3＝3220mm(即3.22米)；

3、总面积仅为：2.4×3.22＝7.73m²；

4、有效容积仅为：0.8×0.5×(0.38+0.39+0.40+0.41)＝0.632m³(该计算结果未扣除导丝对辊等所占体积)；

5、纤维在导丝对辊上缠绕1圈长度为：2×(250²-125²)^0.5+150×2[π-arccos^-1(125/250)]+25×2arccos^-1(125/250)≈1113mm；

在使用中，可以至少缠绕6圈，则纤维在每个萃取室1内行进总路程最少为：6×1113＝6.678m；

则纤维在每个萃取室1中最短萃取时间为：6.678/6＝1.11min＝66s＞55s。

在冻胶丝进入萃取装置前，其溶剂含量在80％左右，以432g/min流量从萃取装置注入口注入纯的萃取剂，经过一段时间平衡后，取第四个萃取室1萃取剂分析其溶剂含量为0.19％，纤维丛萃取装置导出后所含萃取剂与溶剂混合物含量为80％，则萃取剂挥发后纤维中溶剂含量为：

0.0019×0.8/(1-0.8+0.0019×0.8)×100％＝0.75％＜1％

可见，该萃取装置满足冻胶丝萃取溶剂要求。

同时，据相关文献报道，获得1吨纤维所耗用萃取剂为40吨，而采用本萃取装置后，1吨纤维所耗用萃取剂为：

432/(6×36000/9000)＝18吨

可见，使用本发明后，每吨纤维可节省萃取剂32吨。

实施例6

本发明还可作为聚丙烯腈纤维、粘胶纤维等纤维水洗机使用。

湿法纺丝方法所制的纤维中，比如聚丙烯腈纤维、粘胶纤维等，经过凝固浴固化成型后，需要使用大量水洗除纤维所含溶剂及凝固剂。本实例仅以聚丙烯腈纤维为代表进行说明。

本实施例采用实施例1所用萃取装置，由凝固浴而来的聚丙烯腈纤维从入丝口进入萃取装置，水由溶剂注入口进入萃取装置，纤维走向与水流向仍保持逆向。调整压辊压力及水注入量，控制第三个萃取室1内凝固剂含量在1％以内，即达到洗涤要求。

上述仅是以一种具体实施例说明本发明，事实上只要每前一萃取室1内的出丝口与后一萃取室1内的入丝口位于同一水平位置，每个萃取室1内的出丝口处的导丝小辊4设置在与其接近的导丝辊的末端，

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种纤维萃取装置，包括电机、萃取室(1)，萃取室内入丝口和出丝口处分别设有小导丝辊，在萃取室的出丝侧侧壁上设萃取剂注入口，在入丝侧侧壁上设一溢流口，其特征在于：萃取室内设有至少一对导丝对辊，导丝对辊由萃取室的安装端(11)到萃取室的末端(12)旋转面外缘的间距逐渐减小；所述一对导丝对辊为第二辊(4)和第一辊(5)，第一辊(5)为主动辊，第二辊(4)为被动辊，第二辊(4)和第一辊(5)均为等径辊，第二辊(4)和第一辊(5)的轴线之间的夹角为锐角；所述的夹角在5°～15°；第一辊(5)和第二辊(4)的一端安装于萃取室的安装端(11),另一端悬空设于萃取室的末端(12)。

2.根据权利要求1所述的纤维萃取装置，其特征在于：第二辊(4)的直径小于第一辊(5)的直径。

3.根据权利要求2所述的纤维萃取装置，其特征在于：第二辊(4)的直径为第一辊(5)直径的1/30～1/1.5倍。

4.根据权利要求3所述的纤维萃取装置，其特征在于：第二辊(4)的直径为第一辊(5)直径的1/20～1/2倍。

5.根据权利要求4所述的纤维萃取装置，其特征在于：第二辊(4)的直径为第一辊(5)直径的1/10～1/3倍。

6.根据权利要求1～5中任何一项所述的纤维萃取装置，其特征在于：萃取室出丝口处设置有第二小导丝辊(3)，当第二小导丝辊(3)有纤维(6)通过时，纤维(6)到第二辊(4)与萃取室的安装端(11)相邻的一端之间的距离为第二辊(4)长度的0.7～0.9倍。

7.一种纤维萃取装置，包括电机、萃取室(1)，萃取室内入丝口和出丝口处分别设有小导丝辊，在萃取室的出丝侧侧壁上设萃取剂注入口，在入丝侧侧壁上设一溢流口，其特征在于：萃取室内设有至少一对导丝对辊，导丝对辊由萃取室的安装端(11)到萃取室的末端(12)旋转面外缘的间距逐渐减小；所述一对导丝对辊为第二辊(4)和第一辊(5)，第一辊(5)为主动辊，第二辊(4)为被动辊，；第一辊(5)和第二辊(4)的一端安装于萃取室的安装端(11),另一端悬空设于萃取室的末端(12)；第一辊(5)为等径辊，第二辊(4)为圆锥台形辊，第一辊(5)和第二辊(4)的轴线相互平行；

或者，第二辊(4)为等径辊，第一辊(5)为圆锥台形辊，第二辊(4)和第一辊(5)的轴线相互平行。

8.根据权利要求7项所述的纤维萃取装置，其特征在于：萃取室出丝口处设置有第二小导丝辊(3)，当第二小导丝辊(3)有纤维(6)通过时，纤维(6)到第二辊(4)与萃取室的安装端(11)相邻的一端之间的距离为第二辊(4)长度的0.7～0.9倍。

9.一种纤维多级萃取装置，其特征在于，包括多个权利要求1～8中任何一项所述的纤维萃取装置，每前一萃取室的出丝口与后一萃取室的入丝口对应设置，每后一萃取室的溢流口与前一萃取室的萃取剂注入口对应设置。