一种亚麻粗纱超临界CO2无水煮练装置及其煮练方法与流程

本发明涉及一种超临界CO₂流体无水煮练技术，尤其涉及一种亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练装置及其煮练方法。

背景技术：

亚麻纤维是人类最早使用的优质植物纤维，占天然纤维总量的1.5％。其化学组成主要包括纤维素、半纤维素、果胶、木质素、蜡质和含氮物质等，其中半纤维素、木质素、果胶难以去除，且亚麻纤维分子的结晶度和取向度较高，易于对纤维的延伸度、弹性、集束性、柔软性和卷曲性产生影响，给亚麻纤维纺纱织造过程带来了诸多不便。因此，亚麻粗纱煮练一直是麻纺行业关注的难题。多年以来，许多研究工作都立足解决此问题，直到20世纪50年代后期，人们才开始研究粗纱煮练工艺，将粗纱煮练后进行湿纺，使伴生物充分溶胀，从而除去部分杂质，增加纤维可纺性。50年代末，我国成功研发了亚麻粗纱煮练技术；70年代末亚麻粗纱煮练设备基本完善。

传统亚麻粗纱煮练加工过程中主要以水为介质，依次经过碱煮、亚氯酸钠漂白、水洗、双氧水漂白、水冼、酸冼、水冼工序，去除纤维中的半纤维素、木质素和果胶，最终满足纺纱工序中对亚麻粗纱纤维强度和白度的要求。亚麻粗纱经煮练处理后，去除了部分粘结纤维之间的物质，减弱了纤维之间的联系，提高了亚麻纤维的分裂度，增加了亚麻纤维的可纺性。然而，传统亚麻粗纱煮练工序具有耗水耗能多、工艺流程长、经济成本高等缺点。同时，煮练生产后，排放的污水中含有大量的亚氯酸钠、纯碱、双氧水等助剂，给环境带来了严重的污染。

当常态下物质的温度和压力高于其临界温度和临界压力时，该物质即转化成为超临界流体。在超临界状态下，压力和温度的微小改变，均会导致流体密度的显著差异，并表现为流体溶解度的变化，从而使得超临界流体极具有应用价值。自1978年西德Essen举行第一届“超临界流体萃取”国际会议起，30多年来，超临界流体萃取技术已广泛应用于医药、化工、食品及环保等领域。超临界流体萃取技术是在不改变化学组成的条件下，利用超临界流体的溶解能力与其密度的关系，将超临界流体与分离物质接触，使其有选择性地把极性大小、沸点高低和分子量大小的成分依次萃取出来，然后利用温度和压力对超临界流体溶解能力的影响而实现萃取分离目的。在常用的物质中，CO₂以其无毒、无害、不燃、具有化学惰性和独特的四极矩结构，临界温度(31.1℃)和临界压力(7.37MPa)较低等特点，成为应用最为广泛的超临界流体。

为了解决亚麻粗纱煮练工序的高污染、高能耗难题，发明了一种亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练方法，利用CO₂代替水介质实现了亚麻粗纱的清洁化煮练生产，对于麻纺行业的技术转型升级具有重大意义。

技术实现要素：

为了解决亚麻粗纱煮练工序的高污染、高能耗难题，本发明提供一种亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练装置及其煮练方法，利用CO₂代替水介质实现了亚麻粗纱的清洁化煮练生产，对于麻纺行业的技术转型升级具有重大意义。

一种亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练装置，包括结构单元CO₂储罐、过滤器、增压泵、预热器、加热器、煮练釜、分离釜和磁力循环泵，其中，所述的CO₂储罐、过滤器、增压泵、预热器、煮练釜、分离釜通过管路顺次连接，所述加热器通过管路与煮练釜上下游连通，用于使煮练釜内的物料进行加热；所述磁力循环泵通过管路与煮练釜上下游连通，用于使煮练釜内的物料进行循环；其特征在于，

所述的分离釜结构单元：

包括筒体和顶盖，所述筒体和顶盖通过螺栓连接，所述筒体上开设有气液混合物入口，液体出口和气体出口Ⅰ，所述气液混合物入口位于筒体侧壁上，所述液体出口设置在筒体下方，所述气体出口Ⅰ设置在筒体上方；所述筒体内固定连接有螺旋式分离器，所述螺旋式分离器由上而下包括螺旋管、螺旋管入口端和螺旋管出口端，所述螺旋管入口端与气液混合物入口相连接，所述螺旋管出口端与液体出口相连接，所述螺旋管出口端的端口内壁上密封设置有过滤筛板，所述螺旋管出口端上开设有气体出口Ⅱ，所述气体出口Ⅱ位于所述过滤筛板和螺旋管之间。

具体的，对于上文所述的煮练装置，其中，所述螺旋管内装有填料，所述填料为硅胶或聚苯乙烯，所述填料的粒径为1-10μm。

具体的，对于上文所述的煮练装置，其中，所述螺旋管内的填料粒径从气液混合物入口到气体出口Ⅱ的顺序逐渐减小。

具体的，对于上文所述的煮练装置，其中，所述螺旋式分离器可拆卸地安装于分离釜的筒体内。

具体的，对于上文所述的煮练装置，其中，所述分离釜至少一个，各分离釜通过管道串联的方式连接。

本发明还公开一种亚麻粗纱的煮练方法，采用上文所述的亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练装置进行煮练。

具体的，所述方法采用的煮练方法为，将亚麻粗纱置入到煮练釜内，开启制冷系统，当CO₂储罐压力降至4.0MPa，储罐液位升至储罐总液位2/3处时，开始向煮练釜中通入CO₂；CO₂流体通过过滤器过滤后，在增压泵的作用下注入到煮练釜内部，并在预热器的作用下达到超临界CO₂状态时，开启增压泵，使煮练釜内部维持一定的压力，打开加热器进行加热，使其煮练釜内部温度维持在一定范围内，在此条件下利用磁力循环泵进行亚麻粗纱煮练一定时间，CO₂流体流速为10-50g/min；煮练结束后，释压、降温并使分离器内保持3MPa、20℃条件下进行CO₂流体回收，得到煮练后亚麻粗纱；

上文所述的煮练条件为：超临界CO₂流体流速为10-50g/min；煮练釜内部压力为8-20MPa，温度为30-120℃。优选的情况下，采用三段式煮练工艺：首先在30-80℃、8-16MPa的条件下在静态下溶胀亚麻纤维5-20min；进行亚麻粗纱的超临界流体溶胀工序。然后，提高温度至30-120℃、压力至8-20MPa，在磁力循环泵的带动下，动态的循环煮练亚麻纤维10-30min；最后，保持30-120℃、压力8-20MPa的条件下，开启增压泵进行煮练-分离联合工艺5-10min，完成亚麻粗纱煮练加工。

本发明所述超临界二氧化碳流体无水煮练设备中具有相同功能的设备单元均可包含多个，如可包括若干分离器、若干煮练釜、若干增压泵和加热器等。本领域技术人员可根据处理量的需要进行设置。

具体的，对于上文所述的煮练装置，由两个所述的分离釜通过管路串联组成多级分离釜；各分离釜内具有可拆卸螺旋管式分离器以增加分离面积，并按照萃取物的分子大小进行依次精细分离。

具体的，对于上文所述的煮练装置，由两个煮练釜通过管路并联组成。

所述的一种亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练方法，工艺流程为：将亚麻粗纱置入上文所述的超临界CO₂煮练釜中；开启制冷系统，当CO₂储罐压力降至4.0MPa，CO₂储罐液位升至400mm，开始向煮练釜中通入CO₂，使CO₂流体流速为10-50g/min；

具体的，CO₂储罐输出的CO₂流体，通过过滤器过滤，通过增压泵进入预热器内初次升温，以增加混合效果；随后进入加热器进行二次升温，以满足煮练条件需要。超临界CO₂流体进入并联设置的两个或多个煮练釜，进行亚麻粗纱煮练。并在磁力循环泵的作用下，带动超临界CO₂流体在煮练釜间循环流动，完成煮练生产。煮练加工完成后，关闭增压泵和磁力循环泵。煮练釜体内的超临界CO₂流体进入多级分离釜内的盘管式分离器，

煮练完成后，煮练釜体内的超临界CO₂流体进入依次串联设置的两个或多个分离釜内进行多级分离，在内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得煮练产物与CO₂气体完全分离；并按照分子大小，使得萃取出的煮练产物依次经由盘管式分离器和其过滤筛板析出。在分离釜内部超临界CO₂气化为CO₂气体。CO₂气体经过净化器过滤后，再次回收进入CO₂储罐，以进行下次煮练生产。蒸发器连接有CO₂储罐和冷凝器，以平衡CO₂储罐内压力。

本发明的有益效果为：

1.与传统化学煮练方法相比，本发明所述的分离釜内可拆卸地固定有螺旋式分离器以增加分离面积，且按照不同粒经大小填充填料，进一步实现了按照萃取物的分子大小进行依次精细分离的目的。

2.与传统化学煮练方法相比，采用本发明煮练方法生产一公斤麻通常需要CO₂量0.1-1kg，煮练时间需要30-60min，粗纱的重量损失率5-10％，残胶率8-12％，单纤维断裂强度6-12cN/dtex，断裂伸长率4-7％；本发明利用CO₂代替水介质实现了亚麻粗纱的清洁化煮练生产，煮练全过程无污染、零排放，体现了时尚麻纺、绿色麻纺的现代生活理念。

附图说明

图1.亚麻粗纱超临界CO₂流体煮练工艺示意图；

1.CO₂储罐、2.过滤器、3.煮练釜、4.分离釜、5.增压泵、6.预热器、7.加热器、8.磁力循环泵；

图2.螺旋式分离器示意图；

41、筒体，42、顶盖，411、气液混合物入口，412、液体出口，413、气体出口Ⅰ，43、螺旋式分离器，431、螺旋管入口端，432、螺旋管，433、螺旋管出口端，434、过滤筛板，435、气体出口Ⅱ。

图3.两个分离釜通过管路串联组成多级分离釜；

图4.两个煮练釜通过管路并联。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

本发明残胶率按照GB 5889-86《苎麻化学成分定量分析方法》进行测试；单纤维断裂强度、断裂伸长率按照GB/T5886-86《苎麻单纤维断裂强度实验方法》进行测试。

实施例1

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。下述实施例中所用煮练釜的结构为公布号为CN102787459A的中国专利中的超临界二氧化碳筒子纱染色釜，如其公开文本中实施例1所记载的染色釜结构。

本发明所述的一种亚麻粗纱超临界CO₂煮练装置：

一种亚麻粗纱超临界CO₂无水煮练装置，包括结构单元CO₂储罐1、过滤器2、增压泵5、预热器6、加热器7、煮练釜3、分离釜4和磁力循环泵8，其中，所述的CO₂储罐1、过滤器2、增压泵5、预热器6、煮练釜3、分离釜4通过管路顺次连接，所述加热器7通过管路与煮练釜3上下游连通，用于使煮练釜3内的物料进行加热；所述磁力循环泵8通过管路与煮练釜3上下游连通，用于使煮练釜3内的物料进行循环；其中，

所述的分离釜4结构单元：

包括筒体41和顶盖42，所述筒体41和顶盖42通过螺栓连接，所述筒体41上开设有气液混合物入口411，液体出口412和气体出口Ⅰ413，所述气液混合物入口411位于筒体41侧壁上，所述液体出口412设置在筒体41下方，所述气体出口Ⅰ413设置在筒体41上方；所述筒体41内固定连接有螺旋式分离器43，所述螺旋式分离器43由上而下包括螺旋管432、螺旋管入口端431和螺旋管出口端433，所述螺旋管入口端431与气液混合物入口411相连接，所述螺旋管出口端433与液体出口412相连接，所述螺旋管出口端433的端口内壁上密封设置有过滤筛板434，所述螺旋管出口端433上开设有气体出口Ⅱ435，所述气体出口Ⅱ435位于所述过滤筛板434和螺旋管432之间。

所述螺旋管432内装有填料，所述填料为硅胶或聚苯乙烯，所述填料的粒径为1-10μm。填料粒径从气液混合物入口411到气体出口Ⅱ435的顺序逐渐减小。所述螺旋式分离器43可拆卸地安装于分离釜的筒体41内。

利用上述装置的亚麻粗纱超临界CO₂煮练方法，其煮练工作过程如下：

(1)内循环煮练：

首先，将亚麻粗纱筒子依次相连接套置在煮练釜3内。开启制冷系统，当CO₂储罐1压力降至4.0MPa，储罐液位升至储罐总液位2/3处时，开始向煮练釜3中通入CO₂；CO₂流体通过过滤器7过滤以去除可能含有的杂质后，在增压泵5的作用下，CO₂流体进入煮练釜3，并在预热器6的作用下达到超临界CO₂状态时，使煮练釜3内部维持一定的压力，打开加热器7进行加热，使其煮练釜3内部温度维持在一定范围内，超临界CO₂流体流速为10-50g/min；超临界CO₂流体流入煮练釜3内，由下而上的向亚麻筒子纱渗透扩散后流出；采用三段式煮练工艺：首先在30-80℃、8-16MPa的条件下在静态下溶胀亚麻纤维5-20min；进行亚麻粗纱的超临界流体溶胀工序。然后，提高温度至30-120℃、压力至8-20MPa，在磁力循环泵的带动下，动态的循环煮练亚麻纤维10-30min；最后，保持30-120℃、压力8-20MPa的条件下，开启增压泵进行煮练-分离联合工艺5-10min，煮练过程的热量损失由加热器10进行补偿。

煮练结束后，释压、降温并使分离器内保持3MPa、20℃条件下进行CO₂流体回收，完成亚麻粗纱煮练加工。

(2)外循环煮练：

将亚麻粗纱筒子依次连接套置在煮练釜3内，亚麻粗纱经超临界CO₂流体煮练20-40min后，改变流体运行方向，此时CO₂流体经由煮练釜3的顶部气体通道进入；由上而下的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散后流出；在磁力循环泵8的作用下，CO₂流体再次进入煮练釜3，实现外循环煮练。

煮练过程的热量损失由加热器7进行补偿。煮练加工完成后，关闭增压泵5和磁力循环泵8。煮练釜3釜体内的超临界CO₂流体进入多级分离釜4，经分离釜气液混合物入口411和螺旋式分离器43入口进入分离釜内的螺旋式分离器43，在分离器内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得煮练产物与CO₂气体完全分离；煮练产物经过不同粒径大小的填料时可按照分子量大小依次流出螺旋式分离器43，螺旋式分离器43内设置的过滤筛板434可过滤一些纤维等固体产物，提高分离效果。经过螺旋式分离器43分离的液态煮练产物可通过分离釜筒体41底部的液体出口412放出，经进一步纯化后再利用；经过螺旋式分离器43后液态CO₂转化为气态CO₂，气态CO₂通过螺旋式分离器43的气体出口Ⅱ435流出，并通过分离釜筒体41和螺旋式分离器43之间的空隙，再由设置在分离釜筒体41上方的的气体出口Ⅰ413流出分离釜，经由过滤器再次过滤后，经过冷凝器制冷后回收进入CO₂储罐，以备下次使用。

1.CO₂储罐、2.过滤器、3.煮练釜、4.分离釜、5.增压泵、6.预热器、7.加热器、8.磁力循环泵；

实施例2

将5kg亚麻粗纱筒子依次连接套置到煮练釜8内。

煮练过程中，首先开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐1内流出，通过过滤器2过滤去除可能含有的杂质后，在增压泵5的作用下注入到煮练设备内部；而后在预热器的作用下进入超临界状态。由下而上的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散后流出；关闭增压泵5，在35℃、10MPa的条件下在静态下溶胀亚麻纤维5min，进行亚麻粗纱的超临界流体溶胀工序。然后CO₂流体流出煮练釜；在磁力循环泵8的作用下，CO₂流体再次进入煮练釜3，提高温度至80℃、压力至15MPa，在动态下循环煮练亚麻纤维20min，实现煮练循环；再次开启增压泵5，保持80℃、压力15MPa的条件下，进行煮练-分离联合工艺10min，以完成亚麻粗纱煮练加工。

煮练加工完成后，关闭增压泵5和磁力循环泵8。煮练釜体内的超临界CO₂流体进入多级分离釜4内的螺旋管式分离器43，在内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得煮练产物与CO₂气体完全分离；并按照分子大小，使得萃取出的煮练产物依次经由螺旋管式分离器43和其过滤筛板434析出。萃取物可通过分离釜底部液体出口412放出，气态CO₂则通过分离釜上端的气体出口Ⅰ413流出。在此过程中，螺旋管式分离器43的底部过滤筛板434位于分离釜4底部，由此形成了底部到顶部的CO₂气体气化通道，保证了气体的充分气化。气体CO₂流出螺旋管式分离器43，经由过滤器再次过滤后，经过冷凝器制冷后回收进入CO₂储罐1，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体煮练后，亚麻粗纱的重量损失率8.3％，残胶率12.3％，单纤维断裂强度10.5cN/dtex，断裂伸长率6.7％。

实施例3

将10kg亚麻粗纱筒子依次连接套置到煮练釜8内。

煮练过程中，首先开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐1内流出，通过过滤器2过滤去除可能含有的杂质后，在增压泵的作用下注入到煮练设备内部；而后在预热器的作用下进入超临界状态。由下而上的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散后流出；关闭增压泵5，在70℃、12MPa的条件下在静态下溶胀亚麻纤维10min，进行亚麻粗纱的超临界流体溶胀工序。然后CO₂流体流出煮练釜；在磁力循环泵的作用下，CO₂流体再次进入煮练釜，提高温度至100℃、压力至20MPa，在动态下循环煮练亚麻纤维15min，实现煮练循环；再次开启增压泵，保持100℃、压力20MPa的条件下，进行煮练-分离联合工艺5min，以完成亚麻粗纱煮练加工。

煮练加工完成后，关闭增压泵和磁力循环泵。煮练釜体内的超临界CO₂流体进入多级分离釜4内的螺旋管式分离器43，在内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得煮练产物与CO₂气体完全分离；并按照分子大小，使得萃取出的煮练产物依次经由螺旋管式分离器43和其过滤筛板434析出。萃取物可通过分离釜底部液体出口412放出，气态CO₂则通过分离釜上端的气体出口Ⅰ413流出。在此过程中，螺旋管式分离器43的底部过滤筛板434位于分离釜4底部，由此形成了底部到顶部的CO₂气体气化通道，保证了气体的充分气化。气体CO₂流出螺旋管式分离器43，经由过滤器再次过滤后，经过冷凝器制冷后回收进入CO₂储罐1，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体煮练后，亚麻粗纱的重量损失率9.5％，残胶率10.8％，单纤维断裂强度11.8cN/dtex，断裂伸长率5.3％。

实施例4

将15kg亚麻粗纱筒子依次连接套置到煮练釜8内。

煮练过程中，首先开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐1内流出，通过过滤器2过滤去除可能含有的杂质后，在增压泵的作用下注入到煮练设备内部；而后在预热器的作用下进入超临界状态。由下而上的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散后流出；关闭增压泵，在35℃、10MPa的条件下在静态下溶胀亚麻纤维20min，进行亚麻粗纱的超临界流体溶胀工序。然后CO₂流体流出煮练釜；在磁力循环泵的作用下，CO₂流体再次进入煮练釜，提高温度至110℃、压力至18MPa，在动态下循环煮练亚麻纤维20min，实现煮练循环；再次开启增压泵，保持110℃、压力18MPa的条件下，进行煮练-分离联合工艺8min，以完成亚麻粗纱煮练加工。

煮练加工完成后，关闭增压泵和磁力循环泵。煮练釜体内的超临界CO₂流体进入多级分离釜4内的螺旋管式分离器43，在内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得煮练产物与CO₂气体完全分离；并按照分子大小，使得萃取出的煮练产物依次经由螺旋管式分离器43和其过滤筛板434析出。萃取物可通过分离釜底部液体出口412放出，气态CO₂则通过分离釜上端的气体出口Ⅰ413流出。在此过程中，螺旋管式分离器43的底部过滤筛板434位于分离釜4底部，由此形成了底部到顶部的CO₂气体气化通道，保证了气体的充分气化。气体CO₂流出螺旋管式分离器43，经由过滤器再次过滤后，经过冷凝器制冷后回收进入CO₂储罐1，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体煮练后，亚麻粗纱的重量损失率8.6％，残胶率12.8％，单纤维断裂强度12.2cN/dtex，断裂伸长率6.3％。

实施例5

将12kg亚麻粗纱筒子依次连接套置到煮练釜8内。

煮练过程中，首先开启制冷系统，液态CO₂在CO₂储罐1内流出，通过过滤器2过滤去除可能含有的杂质后，在增压泵的作用下注入到煮练设备内部；而后在预热器的作用下进入超临界状态。由下而上的向位于其上的亚麻筒子纱渗透扩散后流出；关闭增压泵，在80℃、16MPa的条件下在静态下溶胀亚麻纤维20min，进行亚麻粗纱的超临界流体溶胀工序。然后CO₂流体流出煮练釜；在磁力循环泵的作用下，CO₂流体再次进入煮练釜，提高温度至120℃、压力至20MPa，在动态下循环煮练亚麻纤维20min，实现煮练循环；再次开启增压泵，保持120℃、压力20MPa的条件下，进行煮练-分离联合工艺10min，以完成亚麻粗纱煮练加工。

煮练加工完成后，关闭增压泵和磁力循环泵。煮练釜体内的超临界CO₂流体进入多级分离釜4内的螺旋管式分离器43，在内部渐变式填料的作用下，保持3MPa、20℃条件下，使得煮练产物与CO₂气体完全分离；并按照分子大小，使得萃取出的煮练产物依次经由螺旋管式分离器43和其过滤筛板434析出。萃取物可通过分离釜底部液体出口412放出，气态CO₂则通过分离釜上端的气体出口Ⅰ413流出。在此过程中，螺旋管式分离器43的底部过滤筛板434位于分离釜4底部，由此形成了底部到顶部的CO₂气体气化通道，保证了气体的充分气化。气体CO₂流出螺旋管式分离器43，经由过滤器再次过滤后，经过冷凝器制冷后回收进入CO₂储罐1，以备下次使用。

经过超临界CO₂流体煮练后，亚麻粗纱的重量损失率9.2％，残胶率9.5％，单纤维断裂强度9.1cN/dtex，断裂伸长率5.7％。