Оборудование и основы проектирования производства химических волокон

Оборудование
и основы проектирования
производства 
химических волокон

Утверждено
Министерством образования Республики Беларусь
в качестве учебника для студентов учреждений
высшего образования по специальности
«Химическая технология органических
веществ, материалов и изделий»

Минск
«Вышэйшая школа»
2019

УДК 677.4:658.512(075.8)
ББК 35.73я73
О-22

А в т о р ы: И.Н. Жмыхов, В.Э. Геллер, А.В. Акулич, Л.А. Щербина, Ф.А. Сорокин

Р е ц е н з е н т ы: кафедра полимерных композиционных материалов Белорусского 
государственного технологического университета (член-корреспондент НАН Беларуси, 
доктор химических наук, профессор Н.Р. Прокопчук); доцент кафедры высокомолекулярных соединений Белорусского государственного университета кандидат химических наук, 
доцент М.В. Шишонок

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не 
может быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3029-2 
© Оформление. УП «Издательство 
 
 
“Вышэйшая школа”», 2019

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АГ – гексаметиленадипамид
АП – антипирен
АСУП – автоматизированная система управления производством
АСУТП – автоматизированная система управления технологическим 
процессом
АУ – аэродинамическое устройство
БКВ – бикомпонентные волокна
ВОТ – высокотемпературный органический теплоноситель
ВСФ – высокоскоростное формование
ДГТ – дигликольтерефталат
ДМТ – диметиловый эфир терефталевой кислоты
ДЭГ – диэтиленгликоль
ИФК – изофталевая кислота
КВЦ – кристаллизация на вытянутых цепях
КПД – коэффициент полезного действия
КСЦ – кристаллизация на складчатых цепях
МКН – микрофиламентные нити, нити с линейной плотностью одной 
элементарной нити (филамента) менее 0,1 текс
НМС – низкомолекулярные соединения
НПА – нормативные правовые акты
ОУ – охлаждающее устройство
ПА – полиамиды
ПА 6 – поликапроамид
ПА 6,6 – полигексаметиленадипамид
ПАВ – поверхностно-активные вещества
ПАН – полиакрилонитрил
ПБТ – полибутилентерефталат
ПВХ – поливинилхлорид
ПК – полимерный концентрат
ПКК – полимерный концентрат красителя
ПП – полипропилен
ПС – полистирол
ПСУ – пневмосоединяющее устройство
ПТР – показатель текучести расплава, г/10 мин
ПТТ – политриметилентерефталат
ПТУ – пневмотранспортирующая установка
ПЭ – полиэтилен
ПЭВП – полиэтилен высокой плотности (или низкого давления ПЭНД)
ПЭН – полиэтиленнафталат
ПЭНП – полиэтилен низкой плотности (или высокого давления ПЭВД)
ПЭТ – полиэтилентерефталат
ПЭФ-нити – полиэтилентерефталатные нити
ПЭУ – пароэжекторная установка

СН/текс, сН/дтекс – единицы измерения удельной разрывной нагрузки 
нитей
СПДС – система проектной документации для строительства
Текс (дтекс) – единицы измерения линейной плотности нитей (масса 
1000 м нити в граммах)
ТГФ – тетрагидрофуран
ТН – трубчатый нагреватель
ТНПА – технические нормативные правовые акты
ТКП – технический кодекс установившейся практики
ТФК – терефталевая кислота
УФ – ультрафиолетовый
ФК – фильерный комплект
ФУ – формовочное устройство
ЭГ – этиленгликоль
ЯМР – ядерно-магнитный резонанс
ACW – (Automatic Coil Winder) автоматизированная намоточная машина
ATY – (Аir Textured Yarn) пневмотекстурированная нить
Вig-bag – («биг-бэг») мягкий контейнер для сыпучих продуктов
BCF – (Bulk Сontinuous Filament) жгутовая ковровая нить
DTY – (Drawn Textured Yarn) вытянутая, текстурированная фрикционным способом нить
FDY – (Fully Drawn Yarn) полностью вытянутая нить
FOY – (Fully Oriented Yarn) полностью ориентированная нить
НСS-процесс – (Heat Channel Spinning) процесс формования c обогревом нити встречным потоком воздуха
HM-нить – (High Моdulus) высокомодульная нить
HMLS – (High Моdulus Low Shrinkage) высокомодульная низкоусадочная 
нить
HOY – (High Oriented Yarn) высокоориентированная нить
HT-нить – (High Тensity) высокопрочная нить
HTI – (High Temperature Inductor) высокотемпературный электронагреватель
HVSR – (High Viscosity State Reaction) жидкофазная дополиконденсация
LOY – (Low Oriented Yarn) низкоориентированная нить
LS-нить – (Low Shrinkage) низкоусадочная нить
LTM – (Low Temperature Mixing) смесительная насадка шнека
MOY – (Middle Oriented Yarn) среднеориентированная нить
MTR – (Melt-To-Resin) процесс синтеза высоковязкого полиэтилентерефталата по схеме «расплав в смолу»
POY – (Partially Oriented Yarn) предориентированная (частично ориентированная) нить
SLS – (Super Low Shrinkage) сверхнизкая усадка
SSP – (Solid State Polycondensation) твердофазная дополиконденсация
ТСS-процесс – (Thermal Channel Spinning) процесс формования с трубчатыми нагревателями
3LA – (Long Life Large Area) – долговечный с большой площадью фильтрации фильерный комплект

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство химических волокон и нитей – одна из важнейших 
сфер современной мировой экономики, динамично развивающаяся, 
несмотря на изменчивость рынка.
В последние десятилетия мировое производство химических волокон 
и нитей характеризовалось существенными темпами роста объемов выпуска. Химические волокна и нити занимают около 70% мирового текстильного рынка, в том числе 64% – синтетические и 6% – целлюлозные. 
Их выпуск в 2016 г. составил 70,5 млн т, в том числе 65,2 млн т – синтетических волокон и нитей, из них полипропиленовых – порядка 2,6 млн т. 
При этом основной прирост пришелся на страны азиатско-тихоокеанского региона, где выпуск химических волокон и нитей составил около 
88% мирового производства. 
Производство волокон, к которым относятся волокна растительного, 
животного, целлюлозного и синтетического происхождения, достигло 
в 2016 г. 55 млн т, в том числе выпуск натуральных волокон составил приблизительно 30 млн т, синтетических – 19 млн т, а целлюлозных – 6 млн т. 
Выпуск полиэфирного волокна и жгута составил 16 млн т, полиэфирных 
комплексных нитей – 38 млн т, полиамидных – 5 млн т. 
К 2020 г. мировое производство полиэфирного волокна прогнозируется на уровне 24 млн т, полиэфирных нитей – около 46 млн т. Рост объемов производства полиэфирных комплексных нитей (преимущественно технического назначения) предполагается вплоть до 2025 г., благодаря решающему вкладу Китая.
Объем производства вискозных волокон и нитей достиг 3,8 млн т/год. 
Их производство в азиатском регионе (в основном в Китае, Индии) составило 2,7 и 0,26 млн т соответственно. Незначительны объемы мирового выпуска ацетатных, хлориновых, поливинилспиртовых волокон. 
Объем производства ацетатного волокна, в основном для сигаретных 
фильтров, – 0,759 млн т. Выпуск других волокон составил: эластомерных 
типа «спандекс» – 0,45 млн т, арамидных – 0,064 млн т, углеродных – 
0,04 млн т.
Наряду с наращиванием объемов выпуска традиционных волокон и 
нитей расширяется ассортимент выпускаемой продукции с приданием 
улучшенных потребительских свойств. Неотъемлемой частью волоконных технологий стали методы получения композитных волокон, нановолокон, нетканых материалов фильерным способом и др.
Ситуация с производствами химических волокон на постсоветском 
пространстве в последние десятилетия, к сожалению, складывалась не в 
ключе мировых тенденций. Не следуя принципам своевременного обновления производственных фондов, утратив конкурентоспособность, 
многие предприятия резко сократили объемы выпуска либо прекратили 
существование.
За прошедшие десятилетия производства химических волокон претерпели существенные изменения, в том числе в аппаратурном оформ

лении. На смену периодическим, малопроизводительным, а соответственно, затратным процессам, пришли и получили широкое распространение высокопроизводительные, высокоскоростные, сокращенные, 
ресурсосберегающие технологии и оборудование.
Авторы данного учебника ставили перед собой задачу предложить 
студентам и специалистам сведения об аппаратурном оформлении современных производств волокнистых материалов из расплавов полимеров; показать предложения прогрессивных фирм – производителей 
оборудования исходя из тенденций дальнейшего развития технологий 
синтеза и переработки полимеров.
Учебник состоит из 11 глав, размещенных по принципу последовательного рассмотрения технологических переходов. Авторы также исходили из того, что изучение оборудования производств химических 
волокон будет эффективным только тогда, когда непосредственно будет 
сопровождаться общими характеристиками технологических процессов.
Авторский коллектив благодарен доктору технических наук Владимиру Эмануиловичу Геллеру, который подготовил п. 3.1, 7.1 и 7.6 данного учебника на основе собственных научных трудов и литературных публикаций.
Учебник предназначен для студентов, аспирантов, преподавателей 
учреждений высшего образования, специалистов в области химических 
волокон, также будет полезен специалистам смежных отраслей, перерабатывающих и применяющих химические волокна и нити.
Авторы посвящают данную книгу ученому в области химии, физической химии и технологии переработки полимеров со специализацией в 
области химических волокон, создателю профильной кафедры в 1986 г. 
в Могилевском технологическом институте доктору технических наук, 
профессору Борису Эмануиловичу Геллеру.
Авторы выражают признательность за доброжелательное и критическое отношение к рукописи учебника рецензентам: профессору кафедры 
полимерных композиционных материалов Белорусского государственного технологического университета доктору химических наук, профессору, члену-корреспонденту НАН Беларуси Н.Р. Прокопчуку; доценту 
кафедры высокомолекулярных соединений Белорусского государственного университета, кандидату химических наук М.В. Шишонок.

ГЛАВА 1. ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ
МАШИНОСТРОЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ПОЛИМЕРОВ, ВОЛОКОН И НИТЕЙ 

Развитие производства различных видов многотоннажных химических волокон и нитей в настоящее время характеризуется следующими 
особенностями:
 
сохраняется устойчивая динамика увеличения объемов их производства;
 
наиболее интенсивно растут объемы выпуска волокон и нитей, 
формуемых из расплавов полимеров, прежде всего полиэфирных;
 
при разработке процессов получения новых видов химических волокон и волокнистых материалов на их основе широко используются 
методы модифицирования.
При анализе развития производства химических волокон необходимо 
учитывать ряд факторов, влияющих на этот процесс: 
 
возможности совершенствования имеющихся технологий, создание технологий, основанных на новых принципах; 
 
появление нового ассортимента и новых видов волокон, возможность замены или дополнения одних волокон другими.
Основными направлениями в конструировании оборудования для 
производства полимеров и полимерной продукции являются:
1) создание непрерывных технологических линий синтеза полимеров с сокращением количества аппаратов, с оригинальной конструкцией реакторов, учитывающей кинетику реакций, особенности процессов 
тепло- и массообмена;
2) повышение производительности единичных аппаратов путем 
увеличения их размеров; максимального увеличения поверхности контакта реагирующих веществ или рабочей поверхности аппаратов; применения эффективных мешалок особой конструкции; приближения 
условий работы оборудования к оптимальным за счет применения методов математического моделирования при расчете и конструировании 
установок, интенсификации технологических процессов;
3) снижение энергопотребления оборудования (до 30–40%) за счет 
совершенствования конструкции аппаратов с целью обеспечения эффективного удаления выделяющихся продуктов без перемешивания расплава; использования систем циркуляции инертного газа; применения многокорпусных вакуум-выпарных аппаратов и др.;
4) повышение надежности оборудования за счет применения новых 
узлов и механизмов, антикоррозионных покрытий новых конструкционных материалов, сохраняющих работоспособность и свойства при 
эксплуатации в условиях высоких температур и давлений; обеспечение 
гарантированной межремонтной продолжительности эксплуатации до 
10 лет;

5) определение вида оборудования в соответствии с требуемой производительностью. Так, при производительности до 100 т/сут наиболее 
экономично современное оборудование периодического способа производства полимера, при большей производительности – непрерывного;
6) переход от многостадийной технологии получения волокон и нитей к совмещенным процессам (формование – вытягивание – термофиксация; вытягивание – трощение – текстурирование; формование – 
вытягивание – текстурирование и т.п.);
7) сопряженность оборудования разных видов и разных стадий процесса;
8) повышение производительности всех видов формовочного и текстильного оборудования за счет повышения скоростей;
9) при производстве стандартных массовых ассортиментов полимерной продукции использование прямого формования из расплава 
для повышения экономичности процесса и качества продукции, при 
выпуске небольших партий разной по свойствам продукции с целью 
мобильного удовлетворения требований рынка – использование в качестве сырья гранулированного полимера. Современные способы ввода 
добавок позволяют после конечного реактора непрерывных линий синтеза полимеров модифицировать расплав, чтобы обеспечить получение 
всех известных типов полимерной продукции с одной линии синтеза;
10) создание практически универсального оборудования для производства волокон и нитей из разных видов расплавных полимеров без 
значительной переналадки и переоснастки;
11) локализация тепловыделений и выделений вредных веществ, 
минимизация теплопотерь;
12) механизация и автоматизация оборудования с применением 
микропроцессорной техники и микроэлектроники;
13) оснащение оборудования современными системами контроля 
технологического процесса, включающими надежные системы противоаварийной защиты и блокировок;
14) создание модульных конструкций машин и агрегатов с возможностью одновременного выпуска различной продукции для повышения 
технологической гибкости оборудования;
15) широкое использование устройств контроля качества продукции on line для мобильного реагирования на нарушения в технологических процессах;
16) учет требований эргономики при конструировании оборудования для улучшения условий и повышения производительности труда.

ГЛАВА 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СИНТЕЗА
ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ВОЛОКНООБРАЗУЮЩИХ 
ПОЛИМЕРОВ

2.1. Классификация технологического оборудования

Оборудование можно классифицировать по структуре рабочего цикла, агрегатному состоянию веществ, степени автоматизации процесса, 
функциональному назначению, по принципу сочетания в производственном потоке.
По структуре рабочего цикла оборудование делят на две группы: 
периодического и непрерывного действия. В аппаратах периодического действия загрузку, обработку и выгрузку продукта осуществляют 
поочередно. После разгрузки аппарата производственный цикл повторяется заново. В аппаратах непрерывного действия эти процессы в 
установившемся режиме совпадают по времени, т.е. продукт непрерывно продвигается от загрузочного устройства к выходному. Подача 
исходных веществ и выгрузка готовых продуктов происходят непрерывно.
В технологических аппаратах возможны различные сочетания агрегатных состояний веществ: газ + газ (печи, аппараты газоочистки); газ + 
жидкость (абсорберы, ректификационные колонны); газ + твердое вещество (циклоны, кристаллизаторы, сушилки, аппараты дополиконденсации); жидкость + твердое вещество (смесители, фильтры, центрифуги, 
аппараты синтеза); жидкость + жидкость (реакторы, экстракторы, сепараторы); твердое вещество + твердое вещество (пластификаторы 
и т.п.). Часто в аппаратах одновременно присутствуют компоненты, 
находящиеся в трех различных агрегатных состояниях, или агрегатное 
состояние реагентов изменяется во времени.
По степени автоматизации технологическое оборудование подразделяется на аппараты и машины неавтоматического, полуавтоматического и автоматического действия. В технологии синтеза полимеров 
неавтоматизированное оборудование уже практически не применяется, 
за исключением устаревшего, но еще используемого, или на отдельных 
вспомогательных стадиях. В машинах полуавтоматического действия 
ручной труд может применяться на отдельных технологических операциях, например при замене фильтрующих сеток в автоматических 
фильтрах расплава или при съеме паковок с машины. В автоматизированных аппаратах все операции выполняются машинами и устройствами.
По функциональному назначению оборудование можно подразделить 
на типовое, применяемое в различных процессах и производствах, например фильтры, циклоны, теплообменники, емкости хранения, пневмотранспорт, насосы, скрубберы, и специальное, характерное только для 
конкретного технологического процесса.

В технологических процессах различные аппараты и машины могут 
применяться автономно или в составе поточных технологических линий, что характерно для процессов синтеза и переработки полимеров.
Основным видом оборудования для синтеза полимеров в расплаве 
является реактор, который комплектуется дополнительным оборудованием для проведения вспомогательных операций в зависимости от конкретного вида готовой продукции и применяемого сырья.
Подбор реактора, его расчет, оптимизация конструкции и условий 
проведения процесса – задача, требующая глубоких знаний в различных 
областях физики и химии. Особые трудности возникают при проведении 
реакций в вязких полимерных средах, где значительно ухудшаются условия массо- и теплообмена.
В реакторах осуществляются процессы этерификации и переэтерификации, полимеризации и поликонденсации при получении различных 
видов эполимеров, в том числе и модифицированных. Используются как 
типовые аппараты, так и реакторы, сконструированные для конкретного технологического процесса и конкретных условий проведения реакции.
Реакторы – вертикальные или горизонтальные, в основном цилиндрические, аппараты с обогревом или без него. Обогрев может быть выполнен в виде «рубашки» или внутреннего змеевика. «Рубашка» обогрева реактора подвергается гидравлическим испытаниям.
Большая часть оборудования работает при высокой температуре, под 
высоким давлением или в глубоком вакууме.
Реакторы, работающие в коррозионной среде, изготавливаются из 
низкоуглеродистой нержавеющей стали, титановых сплавов и других 
подобных материалов. Во многих реакторах, работающих в коррозионной среде под высоким давлением и имеющих тонкие стенки, широко 
используются армирующие пластины, а также прием плакирования 
стенок аппаратов легированными сплавами. Внутренняя поверхность 
реакторов при изготовлении часто подвергается полировке.
Реакторы снабжаются системами автоматического управления параметрами процесса, системами блокировок, срабатывающих при отклонениях параметров от заданных норм.
Перемешивание продуктов осуществляется посредством мешалок 
различных типов.
Реакторы комплектуются широко применяемыми в промышленности 
видами вспомогательного оборудования стандартного исполнения: насосами, сушилками, дозаторами, смесителями, скрубберами, ректификационными колоннами, фильтрами, центрифугами и т.п. 
Стандартным оборудованием комплектуются склады приема, хранения и передачи сырьевых материалов. Широко применяются типовые 
транспортирующие системы.