腈纶纤维装置简介和重点部位及设备
一、装置简介
(一)装置发展及其类型
1．装置发展
聚丙烯腈(PAN)纤维是指由聚丙烯腈或丙烯腈含量在85％以上和其他第二、第三单体的共聚物纺制而成的纤维。我国聚丙烯腈纤维的商品名称为“腈纶”，又常称为腈纶纤维。早在20世纪30年代初期，美国Dupaut公司和德国Hoechet化学公司就已着手聚丙烯纤维的生产试验，随后又花了十余年时间，直至1950年，聚丙烯腈纤维才正式生产。最早的聚丙烯腈纤维由纯PAN制成，因染色困难，且弹性较差，故仅作为工业用纤维。后来开发出丙烯腈与烯基化合物组成的二元或三元共聚物，改善了聚合体的可纺性和纤维的染色性，其后又研制成功丙烯氨氧化法制丙烯腈的新方法，才使聚丙烯纤维得以迅速发展。聚丙烯腈纤维具有羊毛的特征，即蓬松性和保暖性好，手感柔软，防霉、防蛀，并有非常优越的耐光性和耐辐射性。因此，目前其产量在合成纤维中仅次于聚酯纤维(涤纶纤维)和聚酰胺纤维(如尼龙6纤维)。1990年世界主要国家和地区的聚丙烯腈纤维产量为2305x104t，占合成纤维总产量的15．6％。我国1990年腈纶产量为11X104t，占合成纤维总产量的8．12％。20世纪90年代，我国的腈纶产量已有成倍的增长。
2．装置的主要类型
由于聚丙烯腈在加热下既不软化又不熔融，在280—300℃特点，故一般不能进行熔融纺丝，而是采用溶液纺丝法(有干法和湿法两种)予以加工成形纺丝。其凝固溶液通邯为制备原液时所用溶剂的水溶剂，也有采用制备原液时所用有机溶剂的煤油溶剂为凝固浙液的。
工业上聚丙烯腈常用湿法成形，湿法成形中又有四种类型的溶液纺丝法，即(1)二甲基：甲酰胺(DMF)溶剂法；(2)二甲基亚砜(DMSO)溶剂法；(3)硫氰酸钠溶剂路线；(4)硝酸溶剂路线。由于硫氰酸钠溶剂路线的主要优点是工艺过程简单，聚合速度较快，聚合时间较短，NaSCN不易挥发，NaSCN溶剂消耗定额较低，可降低工业成本，因此实际工业生产时，一般都以NaSCN为溶剂，采用丙烯腈在NaSCN溶剂中聚合，并直接用聚合液进行纺丝，再经过一系列的后加工(又称后处理)成为聚丙烯腈纤维成品的一步法生产(即“一条龙”生产流水线)。本节就以一步法湿法成形为例，对聚合原液(聚合部分产品)开始到聚丙烯腈产品生产的安全技术加以阐述。
(二)单元组成与工艺流程
1．单元组成
主要有以下三个主要单元所组成：
(1)纺丝原液制备单元。经过丙烯腈聚合装置一步法制得的纺丝原液，因含有未反应的单体、气泡和少量的机械杂质，必须加以去除，故设置了纺丝原液制备单元。该单元由脱单体(高转化率聚合工艺由于可在脱泡时把少数未聚合的单体脱除，故可不需单独设立脱单体工序)、混合、脱泡、调温和过滤等工序所组成。单体残留量应小于0.3％。
(2)湿成形单元。该单元由纺丝、凝固等工序所组成。在此单元中得到的是经过喷丝头、凝固浴成形后的含有多量溶剂的湿丝条(即“冻胶”)。
(3)后加工单元。又称后处理单元，包括有拉伸、水洗、致密化、卷曲、热定型、上油、干燥、切断(或牵切加工)、打包等工序。腈纶纤维成品经打包后出厂，完成了后加工单元的生产工序。
2．工艺流程
(1)原液准备流程图
该图见图6—6。
(2)纺丝工艺(含后加工)流程框图。
流程框图见图6—7。
(3)流程叙述
①原液准备流程叙述
由聚合工段来的原液经管道混合器1而进入原液混合槽2，使原液充分混合后用齿轮泵送经真空脱泡塔3，脱除原液中混入的气泡。脱泡后的浆液经由密封槽4送人多级混合器5，在此中加入消光剂和荧光增白剂(已预先配制好)。然后经过热交换器6进行调温，并进入高速混合器7中混合，再经过板框过滤机8过滤除杂，以稳定的压力送经纺丝机，即下一步湿成形单元里再加工。
消光剂和荧光增白剂的配制工艺为：一定量的荧光增白剂在硫氰酸钠溶液的存在下，在振荡研磨机9中充分振荡研磨之后，由泵送至荧光浆液计量槽10，与荧光增白剂——二氧化钛和硫氰酸钠溶液以一定比例量加入球磨机11内进行充分的球磨；球磨后的荧光增白剂和消光剂硫氰酸钠溶液一起送人球磨机接受槽12，再由泵送人带有搅拌器的消光浆储槽13不断搅拌并储存，完成了整个消光剂和荧光增白剂的配制工艺流程。
②纺丝工艺(含后加工)流程叙述纺丝按工艺流程可依次分为纺丝工段和纺丝后处理工段，现分别予以叙述。纺丝工段：
从原液制备工段来，经过板框式原液过滤机输送至纺丝机的聚丙烯腈(PAC)原液，其压力为0。59MPa±0．03MPa，温度在35-45℃之间，进入纺丝工段的第一道工序，即齿轮纺丝计量泵和烛形滤器后至喷丝头。在喷丝头接口之前装有一只空气瓶，用以减小由于齿轮泵齿轮运转时所造成的原液流量的波动。
从喷丝头喷出的原液细流，在浓度为8％-10％，温度为7-125℃的凝固浴槽中凝固成初生纤维，纤维的运行方向与凝固浴的流动方向相同，浸浴长度为0.8m。
未完全凝固的丝束，由凝固浴槽卷取罗拉牵引出凝固浴，然后进人预热浴槽，在NaSCN(硫氰酸钠)浓度为4％二5％，温度为60℃土5℃的预热浴中进行预热拉伸，并进一步凝固。
丝束在预热浴槽内被拉伸1．49倍后再进入蒸汽拉伸盒进行湿热拉伸，使总拉伸倍数达9．26-10．9倍，并经导丝架并人集束架，将各喷丝头出来的小股丝束依次集合成四股大丝束。接着，由牵引机引入水洗机，在水洗槽中进行逆向水洗，洗去丝束上的NaSCN。
对生产白纤维(即原色纤维或原色丝)，则不经过染色槽、透风、淋洗等三道工序，其丝束经过三道水洗，然后经轧辊轧干水分，进入前上油机进行浸渍式上油处理，再经过一道轧辊，轧到含水率为150％左右后输入圆网烘干机内作松弛于燥处理。这样便完成了原色丝的纺丝工段生产工艺过程。
若生产有色纤维，则丝束经两道水洗，然后经轧辊轧干水分、扩幅曲辊扩展，再在花篮滚筒带动下进人染色槽，与染液接触，进行浸渍染色，浸染2—6秒后，丝束到达花篮滚筒，向后卷绕至第一晾干辊筒，接着运行至第二晾干滚筒进行透风处理。再经挤压辊挤压后，进入淋洗槽作淋洗(喷淋)，用轧辊轧干后进人前上油槽，最后输入园网烘干机进行松弛干燥处理。因此，有色纤维的纺丝生产较原色纤维生产工艺相对复杂一些。
纺丝后处理工段：
经过松弛干燥处理烘干之后的丝束(原色或有色丝)，通过活动调节架和压辊进入第一卷曲预热槽，在90—95℃的水浴中预热，再通过轧辊和张力架固定丝束位置，并调节一定张力后，转入第二卷曲预热槽，温度控制在85-90℃。然后使丝束通过调幅杆，进入卷曲轮后到卷曲机卷曲。卷曲后的丝束，通过输送带自由落人铺丝箱内。若采用干卷曲工艺，则丝束不经过二道卷曲预热浴槽，而直接进入卷曲机的汽蒸箱，经蒸汽加热后再由卷曲机进行卷曲。
卷曲后的丝束沿滑槽滑下，通过摆丝机构，并依靠丝束自重按秩序分格铺人丝束箱内；装满后，用电瓶车将丝束箱送人定型锅内，在温度为120℃，压力为0．18MPa左右的工艺条件下进行汽蒸热定型。经汽蒸定型后的丝束，若为湿卷曲纤维，须再经定型引丝装置进入后上油机，采用浸渍式进行第二次上油；若为干卷曲纤维，可直接送人下道工序进行切断、打包或加工成毛条。
湿卷曲纤维经第二次上油后，用压辊将丝束上多余的油剂轧干，然后通过铺丝摆斗将丝束均匀地铺于帘板烘干机的帘板上，进入机内进行烘干作业。
出帘板烘干机后，如生产短纤维，其丝束通过调幅架、捕结器、牵引机、张力架等一系列操作，调节至一定的张力，进入切断机，将丝束切断成所需长度规格的短纤维；而短纤维则经过打包、电子秤自动称量，送人打包机，经复核、质检后出厂、完成了短纤维的生产后处理过程。如需将长丝束直接制条，则通过摆丝机引出，折叠装箱，然后送人中转库，供制毛条生产时使用。至此，结束了后处理生产。纺丝后处理工段中，原色丝和有色丝的生产工艺相同。
(三)工艺技术特点
(1)由于细小固体颗粒状的聚丙烯腈树脂，在加热下既不软化又不熔融，且在280—300℃下会分解的独特性能，与聚酯、聚酰胺纤维的熔融纺丝生产不同，而是采用了新的纺丝生产工艺——溶液纺丝法，纺丝后的湿丝束要经过凝固、冷却和拉伸等工序。
(2)采用以NaSCN为溶剂的溶液纺丝法，形成连续聚合，直接纺丝和后处理的一步法湿纺工艺路线，虽然工艺流程长、加工工序多，但是具有工序衔接紧凑，连续化程度高，便于自动化控制的特点。
(3)聚丙烯腈纤维生产加工处理工序多，“一条龙”作业线长，厂房平面占地面积比聚酯、聚酰胺纤维生产大。
(4)纺丝原液的制备质量好坏和原液与溶剂混合后溶液的黏度对纺丝湿法成形有很大影响。如果未将经一步法制得的纺丝原液中含有未反应的单体、气泡和少量机械杂质加以去除，就保证不了纺丝溶液的质量均一性；如果所选择的溶剂对纺丝原液溶化度，不能使混合后的溶液黏度达到最低的要求，则纺丝成形就会比较困难。为此，腈纶纤维生产单独设立了原液制备工段，以控制其质量；工业上若以NaSCN为溶剂，则当硫氰酸钠水溶剂浓度达到50％左右时，纺丝原液混合后的浓度为10％-15％，这时聚丙烯腈中CN—与溶剂系统构成的溶剂化层最适宜，溶液的黏度也最低，最有利于湿式纺丝成形，于是形成了腈纶纤维生产的—个特点。
(四)溶剂及荧光增白剂
聚丙烯腈纤维生产装置的主要危险化学物质为溶剂硫氰酸钠及荧光增白剂二氧化钛。其主要特性及储运和应急处理方法列于下：
1．硫氰酸钠(溶剂)
硫氰酸钠，分子式为NaSCN，有固态和液态两种，其性状为无色透明固体或为颜色透明黏稠液体。聚丙烯腈纤维生产装置使用液态硫氰酸钠作溶剂，有毒，溶于水和乙醇，pH值6—8。当温度低于10~C时有结晶体折出。
硫氰酸钠的储运要求是：(1)应储存于阴凉、通风仓库内。(2)保持容器密封，注意防潮和雨水的浸入。(3)应与易燃物、可燃物、还原剂、碱类、金属粉末等分开。(4)搬运时要轻装轻卸，防止包装及容器损坏。(5)严禁与酸类、氧化剂混储混运，并注意防潮。
硫氰酸钠的应急处理方法为：
(1)发生泄漏后，受污染区迅速禁止无关人员进入；切断物料源(如容器泄漏时要停止进料)，把泄漏处转向上；加强室内排风，同时清扫泄漏物，避免粉尘飞扬，然后再用大量水冲洗干净，冲洗水应放人废水系统。
(2)发生人员灼伤后，迅速将患者脱离事故现场至新鲜空气处；呼吸困难时给输氧，呼吸停止时立即进行人工呼吸；皮肤污染后，可用大量流动水彻底冲洗；眼睛污染，可用大量流动水或生理盐水冲洗；口误服者给予饮温水，催吐，洗胃；就医。
(3)发生火灾后，灭火措施为用二氧化碳、干粉等施救。
2．二氧化钛(荧光增白剂)
二氧化钛，又名钛白粉，分子式为Ti02，性状为白色粉末，聚丙烯腈纤维生产装置中作荧光增白剂使用。属低毒类。不溶于水、稀碱、稀酸，溶于热浓硫酸、盐酸、硝酸。稳定、不燃，是火场周围可用的灭火介质。
关于毒性与健康的危害：接触限值为中国MACl0mg／m3、前苏联MAClomg／m3、美国TLV—TWAl0mg／m3；侵入途径为吸人、食人；健康危害方面虽属低毒类物质，但长期吸人氧化钛粉尘的工人，肺部无任何变化，亦未产生接触性皮炎、过敏反应。
二氧化钛的储运要求是：(1)储存于阴凉、干燥、通风良好的库房；(2)防止受潮和雨淋；(3)搬运时轻装轻卸，防止包装破损。
二氧化钛的防护措施和应急处理方法：
(1)防护措施
①密闭操作，局部排风；
②作业时佩戴防尘口罩、安全防护眼镜和穿防静电工作服及戴防护手套；
③工作现场禁止吸烟；
④工作后淋浴更衣，注意个人清洁卫生。
(2)应急处理方法
①发生泄漏时，隔离泄漏污染区，周围设警告标志，切断火源；应急处理人员戴好防毒面具和手套，用洁净的铲子收集于干燥洁净有盖的容器中，运至废物处理场所，或在专用废弃场所深层掩埋；如大量泄漏，收集回收或无害处理后废弃。
②发生人员污染后，若皮肤接触的，应脱去受污染的衣着，用肥皂水及清水彻底冲洗；若眼睛接触的，要立即翻开上下眼睑，用流动清水冲洗，就医；若有吸人现象，应迅速脱离现场至空气新鲜处，必要时就医；若为食人者，误服人需立即漱口，饮足量温水，催吐，就医。
(五)原料及产品性质
1．原料
聚丙烯腈纤维装置使用的原料为上游生产装置即聚合装置生产的聚丙烯腈聚合原液，即聚丙烯腈树脂。化学结构式为：
聚丙烯腈聚合原液简称为聚丙烯腈原液，是丙烯腈单体进行三种聚合方法(即本体聚合、乳液聚合和溶液聚合)中的溶液聚合而制得的。实际生产大多采用溶液聚合。
用本体聚合制得的纯聚丙烯腈为白色粉末状物质，其密度为1．14-1．15g／cm3，加热至220～230℃时软化并同时发生分解。
聚丙烯腈的耐光性非常优良。这是因为聚丙烯腈大分子上含有氰基(一CN)；在氰基中碳和氮原子间以三价键连接(一个口键，两个丌键)，此结构可吸收能量较多的(紫外光)光子，并能转化热能，从而保护了主链，使其不易发生降解。
聚丙烯腈化学稳定性较聚氯化烯低得多，在酸或碱的作用下，能发生一系列化学反应。聚丙烯腈可溶解于浓硫酸中；在很宽的温度范围内，对各种醇类、有机酸(甲酸除外)、碳氢化合物、油、酮、酯及其他有机物质的作用都较稳定。
聚丙烯腈在空气或氧的存在下长时间受热时，会使聚合物颜色变暗；先是转为黄色，最后变成褐色，与此同时，聚合物就失去其溶解性能。如将聚丙烯加热至250—300℃，就发生热裂解，主要是分解出氰化氢及氨。
聚丙烯腈的性质及其加工性能在很大程度上取决于聚合物的相对分子质量和分布性，而这又与所选用的引发剂的性质有关系。当相对分子质量低于10000时，往往就不可能形成纤维；相对分子质量的多分散性越大，或低分子组分含量越多，则制成的纤维性能越差。
2．产品以湿法成形为例，聚丙烯腈纤维产品有以下几个性质：
一般湿纺腈纶产品的密度为1．16—1．18g／cm3，而具有中等取向度，并经良好热处理的湿纺腈纶密度为1．2—1．24g／cm3。
腈纶的吸湿性在合成纤维中属于中等，在标准状态下回潮率为1．0％—2．5％。均聚的聚丙烯腈纤维很难染色。为改善其染色性，常用一定数量带有亲染料基团的第三单体与丙烯腈共聚，以提高聚合物对染料的结合力，使纤维较易染色。
关于腈纶纤维的耐热性，当腈纶在150℃左右进行热处理时，纤维的机械性质变化不大，随着第二、第三单体量的增加，纤维的耐热性能有所下降。当采用硫氰酸钠一步法生产工艺时，硫氰酸钠的纯度对纤维的耐热性将有较大的影响。
聚丙烯腈及纤维产品的火灾危险性属乙类。
二、重点部位及设备
(一)重点部位
用硫氰酸钠一步法湿式成形的聚丙烯腈纤维的重点部位主要有3个，即原液制备和硫氰酸溶剂回收及化纤仓库。现分述于下：
1．原液制备
在用硫氰酸钠一步法湿式成形的聚丙烯腈纤维生产中，聚合物原液的制备是一个很重要的工艺过程和重点部位。主要有以下表现：
(1)原液制备中要充分地脱除单体，防止单体继续缓慢地聚合，并防止原液在纺丝机喷丝孔流出时单体气化逸出，恶化工作环境和劳动条件，严重影响纤维的品质。
(2)原液制备时，为了使水相沉淀聚合后所得的细小固体颗粒聚丙烯腈树脂溶化，必须将其溶解在诸如硫氰酸钠等大量有机或无机溶剂中，并要有混合、脱泡、过滤等一系列工序。
(3)为了增加聚丙烯腈纤维产品的耐光性、耐热性和色泽性，原液制备时还需加入消光剂、荧光增白剂等添加剂，存在有劳动保护和职业卫生问题。
据此，原液的制备既涉及到聚丙烯腈纤维生产的质量，又牵涉到劳动安全卫生的预防措施，故这是一个生产上的重点部位。
2．硫氰酸钠溶剂回收
由于聚丙烯腈纺丝的需要，原液的黏度是靠诸如硫氰酸钠等有机或无机溶剂的溶化聚丙烯腈固体颗粒后的溶解度来调节的，其溶剂量较大，从节约生产成本和环境保护角度考虑，设立了硫氰酸钠溶剂回收系统。虽然它不是聚丙烯腈纤维生产的主要工艺流程，而仅仅是一个辅助生产系统，但由于硫氰酸钠等溶剂有一定的毒性及腐蚀性，加上硫氰酸钠回收的萃取单元属于甲类火灾危险性单元，因此硫氰酸钠溶剂回收同样应被列为重点部位。
通常的硫氰酸钠溶剂回收系统包括有前处理、蒸发(如五效蒸发装置)、后处理及净化等工序。其简易流程为从纺丝凝固浴循环槽来的稀硫氰酸钠，经过活性炭进行前处理，去除低分子物和铁离子等杂质后进入五效蒸发装置浓缩至50％左右。再经叶片式过滤器清除硫酸：钠等杂质，然后调节浓度和pH值，送人浓硫氰酸钠储槽，重新用于原液制备。
3．化纤仓库
由于聚丙烯腈及纤维产品比聚酯和聚酰胺6及其纤维产品的火灾危险性要高，属乙类，化纤仓库也是一个重点部位。因此，其仓库储存的安全防火性有严格，的要求，仓库内的垛距、堆距、间距、通道、通风、采光等都要按照建筑设计防火规范予以布置和设计。
(二)重点设备
1．纺丝机
纺丝机是聚丙烯腈纤维成形的主要纺丝机械。聚丙烯腈原液经过计量和过滤后进入纺丝机中的喷丝头纺丝成形，所纺出的丝束被称为原液细流。在处理喷丝头故障时要注意人员的
防毒和防腐。
2．凝固浴槽
凝固浴槽是重要的湿法纺丝成形设备。在凝固浴槽中，从纺丝机喷丝头源源不断喷出的原液细流(即丝束)后，在硫氰酸钠水溶液浓度为8％-10％、温度为7-125℃的工艺条件下，不断通过移动冷却，凝固成初生纤维，其纤维的运行方向与凝固浴液的流动方向相同。因凝固浴液为硫氰酸钠水溶液，生产中有防毒抗腐的劳动安全卫生保护措施的要求。
3．卷曲机
卷曲机是接受凝固浴槽来的初生纤维经过预热、蒸汽拉伸、水洗、上油、烘干几道工序来的丝束，再经过第一、第二卷曲预热浴(水浴)，进入卷曲轮后到卷曲机卷曲的，这里是腈纶纤维装置的一个事故多发点。卷曲机上游预热和蒸汽拉伸有防高温烫伤的事故；卷曲机本身是旋转机械，要防止人的手、头发、袖口被旋转件卷入的危险；在人工处理卷曲后的丝束进铺丝机人铺丝箱内时，操作人员要注意自身的防伤害事故；从铺丝箱定期送至定型锅中蒸汽定型时，又有一个防止高温蒸汽烫伤的人身安全问题。
4．切断机
切断机是对经丝束在定型锅蒸汽定型后，将其送人切断机内进行切断作业的工艺设备。在切断机开机升头，将丝头送入切断钩轮时，如果操作不当，易产生人身伤害事故。因此，切断机也是事故多发点之一的机械传动设备。
5．打包机
打包机是将聚丙烯腈纤维产品打包成型的专门机器。传动部分有液压和气压两种。液压传动速度慢，打包压力大，产量低，操作上相对较安全；气压传速快，打包压力稍小，产量高、安全风险较大。如果安全限位锁定装置失灵，或在操作、检修时违反安全操作、检修规程，极易发生挤压性的工伤事故。