维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
聚乙烯醇纤维是合成纤维的主要品种之一，其常规产品是聚乙烯醇缩甲醛纤维，在我引简称为“维纶纤维”，商品名称为“维纶”。产品大多是切段纤维，即短纤维，其性状颇与棉花相似。
德国Hermann和Hachnll早在1924年时就将聚醋酸乙烯醇解制得聚乙烯醇，随后又以其水溶液用干法纺丝制得纤维。30年代，德国的Wacker公司生产了这种聚乙烯醇纤维。
1939年日本樱田等人通过热处理和缩醛化方法将聚乙烯醇制成耐热水性良好的纤维。这一发明加速了聚乙烯醇纤维的工业化，1950年终于在日本投入了工业化生产。随着生产技术的不断发展，聚乙烯醇纤维的质量得以不断提高，产量也逐步增长。但是20世纪90年代，由于使用性能更加优良的涤纶、锦纶和腈纶的崛起，且后来居上，世界的维纶总产量有所下降。
我国第一个聚乙烯醇纤维厂于1969年建成投产，接着又兴建了一批年产万吨级的聚乙；烯醇纤维厂，我国的维纶年生产能力和产量目前位居世界首位。
2．装置的主要类型
对于生产成纤用的聚乙烯醇的大工业生产，目前都是将聚醋酸乙烯在甲醇和氢氧化钠的作用下进行醇解反应以获得聚乙烯醇的，而一般供制聚乙烯醇纤维用的聚醋酸乙烯原料一醋酸乙烯中的乙醛含量应在0．02％以下，丁烯醛含量应在0．05％以下。
由于聚乙烯醇的熔融温度(一般在230—240℃之间)高于分解温度，所以通常采用溶液纺丝法来生产纤维。这有点类似于腈纶纤维的生产方法。
聚乙烯醇纤维既可以采用湿法纺丝，也可以采用干法纺丝。通常湿法用于生产短纤维，干法用于生产某些专门用途的长丝。
在湿法成形中，聚乙烯醇要制备成纺丝原液，并在不同的凝固浴中凝固成形。湿法成形的溶液纺丝法按不同类型的凝固溶液有三种类型，即(1)无机盐水溶液法；(2)氢氧化钠水溶液法；(3)有机液体法。工业上常常采用以无机盐水溶液为凝固浴中进行的湿法成形法，其中用Na2S04水溶液(芒硝溶液)为凝固剂居多。这是因为Na2S04价廉且易得，又可直接取自于黏胶纤维厂的副产物。所以，目前聚乙烯醇纤维的湿法生产中，绝大多数都用接近于饱和浓度的硫酸钠水溶液作为凝固溶液。
本节以Na2S04水溶液为凝固浴液的湿法纺丝及纺丝加工的一步法生产为例对其安全技术加以阐述。
(二)单元组成与工艺流程
1．单元组成与聚丙烯腈纤维的湿法纺丝生产相类似，聚乙烯醇纤维也主要有下面三个单元所组成：
(1)纺丝原液制备单元。由于由前道聚合工段制得的聚乙烯醇原料中夹带有一定量的醋酸钠(醋酸钠的过量存在，将在纺丝后处理过程中，会使丝条呈现碱性而易着色)和一部分相对分子质量过低的聚乙烯醇(低相对分子质量的PVA树脂的存在会增加其分散性，从而影响纺丝的质量)，加上为使聚乙烯醇进一步得以膨润，以便于溶解进行得更为充分、均匀，因此必须加以水洗去除杂质和增加膨润性，故设置了纺丝原液制备单元。该单元由水洗、溶解、过滤及脱泡等生产工序所组成。制备后的纺丝原液其醋酸钠量不超过0。05％—0．2％，水洗温度不超过30—40℃。
(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、凝固浴成形后的初生纤维，随后再进一步后加工处理而制得成品纤维。
(3)后加工单元。聚乙烯醇纤维后加工又称之为后处理，其常规内容包括有拉伸、热定型、缩醛化、水洗、上油、干燥等工序。如果生产短纤维产品，则将包括丝束的切断或牵切，然后把成品打包出厂。如果生产长丝产品，则还将包括加捻和络筒等工序。本节的后加工单元以生产聚乙烯醇短纤维成品，对工艺流程加以叙述。
2．工艺流程
(1)原液制备流程
其流程如图6—8所示。
(2)纺丝工艺流程(含后加工)
工艺流程框图如图6—9所示。
(3)流程叙述
①原液制备流程叙述
由前工序PVA生产装置供给的片状聚乙烯醇树脂原料风送至料仓水洗。洗去原料中的醋酸钠、甲醇游离碱、醛类化合物等杂质和使PVA进一步膨润后，再用罗茨风机送至自动称计量。然后用抽真空的方式将称量后的PVA吸人预先加入定量热水的溶解机内，将可溶性的PVA在热水中边搅拌、边溶解，同时进行黏度调节，以制得一定浓度的PVA原液(回收废丝可经加压溶解再溶人正常原液中使用)。溶解后的PVA原液，用齿轮泵泵至第一过滤器滤去固体杂质，进入带夹套保温的脱泡桶进行常压静止脱泡。脱泡温度为(98±2)℃，脱泡时间为≥5小时。脱泡完毕的PVA原液用压缩空气通过第二过滤器送至纺丝阀压槽由压缩空气调至一定压力后送往纺丝工段。于是完成了PVA水洗—溶解—过滤和脱泡的原液制备过程。
②纺丝工艺流程(含后加工)叙述
纺丝工艺流程(含后加工)包括纺丝、热处理和凝固浴循环系统以及整理二大生产工序现分述如下：
①纺丝、热处理和凝固浴循环系统工序
纺丝原液制备单元来的PVA原液，利用压缩空气将其压送到纺丝机后，由纺丝计量泵定量经烛形滤器，从喷丝头小孔中喷出，进入凝固浴槽，在浴槽中脱水凝固成纤维。所列出的初生纤维经过制液导杆，相继绕过纺丝第一、第二导品辊拉伸后引向牵引机集束，完成了第一道纺丝工序，然后转入第二道热处理工序。
在热处理工序中，主要包括有干燥拉伸、预热、干热延伸、冷却、卷绕、切断等步骤即：从牵引机引出的丝束，经过(90±1)℃的芒硝溶液槽(二浴)，引至干燥拉伸机，进行均匀的干燥、拉伸和热处理(此过程称为“湿热拉伸”)。二浴槽用间接蒸汽加热管加热，以保证二浴的温度。在二浴槽高温加热后送人于燥拉伸机，使湿热丝束在带有芒硝和张力情况下，采用电加热方式，在丝束表面温度达(125±5)℃时，进行干燥和热拉伸处理。干燥后的丝束进预热机继续加热，使丝束表面温度在短时间内提高到225～230℃，再在干燥延伸机中干燥拉伸(短纤维的干热拉伸率一般在45％左右)和松弛情况下对丝束作收缩热处理。之后经过冷却机的急速冷却，使丝束表面温度在45~C左右，再到卷绕机，卷绕在丝轴车上，再喂人切断机，切成一定长度，然后由送棉风机送至整理生产工序后处理。凝固浴循环系统的凝固浴和二浴都是循环使用的。该循环系统过程现简略。
②整理工序
整理工序实际上是聚乙烯醇纤维的后加工(后处理)工序。自纺丝、热处理工序来的短纤维，强度虽符合要求，但耐热水性较差，故需要进行整理、温水洗、上油等作业。即：送棉风机来的短纤维用87℃±1℃、比重1．050的芒硝液进行热水卷曲，使之具有抱合能力；然后用40—50℃的水作前水洗，洗去纤维上的芒硝；再在松弛状态下进行短纤维缩醛化，其缩醛化过程主要由醛化液与纤维进行液固相醛化反应来完成(醛化液的组成为甲醛和硫酸，其中甲醛是反应剂，硫酸是催化剂)。
为防纤维着色，需将短纤维上附着的缩醛化液洗掉，故设温水洗。温水洗由无碱温水洗和有碱温水洗(将存在的微量酸与碱中和)两个部分组成。短纤维经过温水洗后人上油机上油，以增加柔软性，减少纤维的电阻，防止静电产生。水洗、上油、压榨脱水后的纤维，榨液率仍高达65％左右，为便于直接用于纺织加工，需在短纤维干燥机中干燥处理，将回潮率控制在一定范围内。短纤维干燥机采用强制通风帘板式干燥机，纤维以松弛状态分布在多孔帘板输送带上进行干燥。干燥后的短纤维送至打包机，打成200lz一包的成品入库出厂。于是完成了整个纺丝和后加工的生产工艺全过程。
(三)工艺技术特点
1．由于呈片状的聚乙烯醇树脂，其熔融温度一般在230-240℃之间，高于它的分解温度，所以不能采用像聚酯、聚酰胺树脂直接熔融纺丝方法加工，而采用了类似于聚丙烯腈树脂的溶液纺丝法间接加工。因此，工艺技术相对比较复杂，加工步骤烦琐，后加工过程较长。
2．聚乙烯醇的溶液纺丝法，采用Na2S04水溶液为溶剂，Na2S04(干芒硝)价廉易得，不燃不爆，无特殊的燃烧爆炸特性，本身无毒性，但受高热分解会产生有毒的硫化物烟气，因此基本属于安全卫生型的加工方法。
3．由于聚乙烯醇纤维生产和加工处理工序多，“一条龙”作业线流程长，旋转型纺丝机械设备种类杂，故厂房长而大，占地面积与聚丙烯腈纤维生产相仿，也不小。
4．聚乙烯醇纤维后加工采用了缩醛化一个工艺过程。这是由醛化液和纤维进行液固相醛化反应来完成的，而醛化剂组成中的甲醛和硫酸分别是有刺激性、一定毒性以及有腐蚀性的危险化学物品。故聚乙烯醇纤维后加工中的缩醛化工序存在着劳动安全和职业卫生上的问题。
5．设立一个凝固浴循环系统，使从纺丝机出来的被稀释的Na2S04水溶液(凝固溶液)可以回到循环槽内，补加适当酸度至配制好的芒硝溶液中，再经加热到一定温度至蒸发器浓缩至一定浓度后再利用，节省了大量的辅助用料，可降低生产成本。
(四)溶剂及醛化剂
聚乙烯醇纤维生产装置涉及到的主要危险化学物质为溶剂Na2S04溶液(芒硝)及甲醛和硫酸，其主要特性及储运和应急处理方法列于下：
1．Na2S04(硫酸钠)
硫酸钠，分子式为Na2S04，又名无水芒硝，为白色、无臭、有苦味的结晶或粉末体，有吸湿性。不溶于乙醇，溶于水、甘油。不燃，无特殊的燃烧爆炸特性，但受高热分解会产生有毒的硫化物烟气。禁忌强酸、铝、镁。与水混合成Na2S04水溶液(芒硝溶液)，可作为聚乙烯醇纤维加工的优良溶剂。
硫酸钠的储运要求是：储存于阴凉、干燥、通风良好的库房。包装必须密封完整。防止受潮。应与酸类、金属粉末等分开存放。搬运时轻装轻卸，防止包装破损。
硫酸钠的应急处理方法为：
(1)发生火灾时，切断火源，防止Na2S04因高温烘烤发生分解，放出有毒烟气，并立即采取措施将火势扑灭。
(2)发生泄漏，又遇火警时，隔离泄漏污染区，周围设警告标志，并切断火源和救火。阳时，应急处理人员要戴好防毒面具，穿化学防护服，用水、潮湿的沙或泥土覆盖，然后收入金属容器并保存于水或矿物质中。如果大量泄漏，需在技术人员指导下清除。
<3)发生人体污染时，应脱去污染的衣着，用肥皂水及清水彻底冲洗；立即翻开上下眼睑，用流动清水冲洗，并就医；误服者立即漱口，饮足量温水，催吐，就医。
(4)Na2S04水溶剂配制过程中，要密闭操作，加强通风；作业人员应戴口罩和安全防护 眼镜，穿工作服，戴防化学品手套。
2．甲醛
甲醛，分子式为CH20，又叫福尔马林，为无色、具有刺激性和窒息性的气体。易溶于水，溶于乙醇等多数有机溶剂。甲醛商品为其水溶液。甲醛有易燃性，火灾危险性属甲类，闪点50℃(37％)，自燃点430℃，爆炸极限为7％-73．0％(体积)，其蒸气与空气能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸，若遇高热，储存容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。禁忌物为强氧化剂、强酸、强碱。有一定毒性，尤其对人的黏膜、上呼喇道、眼睛和皮肤有强烈刺激性和致敏作用，浓溶液可引起皮肤凝固性坏死，口服会灼伤口腔和消化道，可致死；长期低浓度接触甲醛蒸气，可出现头痛、头晕、乏力、两侧不对称感觉障碍和视力障碍。
甲醛的储运要求是：(1)储存于阴凉、通风库房内，远离火种、热源；(2)应与氧化剂』遇水燃烧物资隔离堆放，防止阳光暴晒引起膨桶，冷天宜储于较温暖处以防止聚合；(3)刨装要完整，搬运时要轻拿轻放，防止破漏。
甲醛的防护措施和应急处理方法：
(1)防护措施。①严加密闭，提供充分的局部排风；②提供安全淋浴和洗眼设备；③可能接触其蒸气时，应佩戴防毒面具，紧急事态抢救或撤离时，建议佩戴自给式呼吸器④作业时戴安全防护眼罩，穿防静电工作服，戴防化学品手套；⑤工作现场禁止吸烟、进食和饮水。
(2)应急处理方法。
①发生泄漏时，疏散泄漏污染区人员至安全区，禁止无关人员进入污染区，并切断丸源，应急处理人员戴自给式呼吸器，穿化学防护服，不要直接接触泄漏物，要在确保安全情况下堵漏；喷水雾可减少甲醛蒸发；用砂土或其他不燃性吸附剂混合吸收，然后收集运至废物处理场所；如大量泄漏，利用围堰收容，然后收集、转移、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，立即翻开上下眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗至少15min，就医；若吸入甲醛蒸气，要迅速脱离现场至新鲜空气处，保持呼吸道畅通，保暖并休息，呼吸困难时给输氧，呼吸停止时立即进行人工呼吸，就医；若食人甲醛溶液，误服者应立即漱口，饮足量温水，催吐，就医。
3．硫酸
硫酸，分子式为H2S04，纯品为无色透明油状液体，无臭。能与水混溶，有助燃性；与易燃物(如苯)和有机物(如糖、纤维素等)接触会发生剧烈反应，甚至引起燃烧；能与一些活性金属粉末发生反应，放出氢气；遇水大量放热，可发生沸溅，具有强腐蚀性。禁忌物有碱类、碱金属、水、强还原剂、易燃或可燃物。硫酸属中等毒类物质，对人体皮肤、黏膜等组织有强烈的刺激和腐蚀作用；对眼睛可引起结膜炎、水肿、角膜混浊，以致失明；会引起呼吸道刺激症状，重者发生呼吸困难和肺水肿，高浓度会引起喉痉挛或声门水肿而死亡；口服后引起消化道烧伤以致形成溃疡，严重者可能发生胃穿孔、腹膜炎、喉痉挛和声门水肿、肾损害、休克等；慢性影响有牙齿酸蚀症、慢性支气管炎、肺水肿和肝硬化。
硫酸的储运要求是：储存于阴凉、干燥、通风良好的库房；应与碱类、金属粉末、卤素(氟、氯、溴)、易燃物、可燃物分开存放，不可混储混运；搬运时要轻装轻卸，防止包装损坏；分装和搬运作业时要注意个人防护；运输应按规定路线行驶。
硫酸的防护措施和应急处理方法：
(1)防护措施。①密闭操作，注意通风，尽可能机械化、自动化；②提供安全淋浴和洗眼设备；③可能接触其蒸气时，必须佩戴防毒面具或供气式头盔，紧急事态抢救或撤离时，建议佩戴自给式呼吸器；④作业时戴安全防护眼镜，穿防腐工作服，戴橡胶手套。
(2)应急处理方法：
①发生泄漏时，疏散泄漏污染区人员至安全区，禁止无关人员进入污染区，切断火源；应急处理人员戴自给式呼吸器，穿一般消防防护服，在确保安全情况下堵漏；喷水雾可减少蒸发；用活性炭或其他惰性材料吸收，然后使用无火花工具收集运至废物处理场所，也可用不燃性分散剂制成的乳液刷洗，经稀释的洗液放人废水系统；如大量泄漏，利用围堤收容，然后收集、转移、回收或无害处理后废弃。
②发生人员污染后，若皮肤接触的，脱去受污染的衣着，用肥皂水及清水彻底冲洗，如有灼伤，就医；若眼睛接触的，须立即翻开上下眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗至少15min，就医；若吸人，要迅速脱离现场至新鲜空气处，保持呼吸道通畅，保暖并休息，呼吸困难时给输氧，呼吸停止时立即进行人工呼吸，就医；若食人，误服者应立即漱口，饮牛奶或蛋清，就医。
(五)原料及产品性质
1．原料
聚乙烯醇纤维装置使用的原料为前道生产装置即聚合装置生产的储存于料仓内的片状聚乙烯醇树脂。化学结构式为：
对于生产成纤用聚乙烯醇的大工业生产，目前都是将聚醋酸乙烯在甲醇和氢氧化钠的作用下，进行醇解反应而制得的。
聚乙烯醇为白色片状固体，抗拉强度和成膜性良好。耐冲击、耐磨和绝缘性能好。聚乙烯醇为水溶性高分子化合物，不溶于一般有机溶剂。聚乙烯醇的熔点很难直接测定，因为它在熔点附近就已开始分解。用间接方法测定其熔点一般在228—240℃。
聚乙烯醇受热后，在140℃以下不发生明显变化；加热至180℃以上时，大分子发生脱水变化，如此时色泽逐渐变深、水溶性消失、弹性模量显著增大并逐步变得硬而脆等；在210℃—215℃时会软化，但在一般情况下，它在熔融前便会分解。
2．产品
聚乙烯醇纤维(即维纶纤维)，其短纤的性状接近棉花，但强度和耐磨性优于棉花。主要优点是吸湿性好，在标准条件下(20℃，RH65％)的回潮率为45％—5％，在各类合成纤维品种中名列第一。维纶还具有较好的耐腐蚀性和耐日光性，但主要缺点为染色性差，其次是耐热性稍差，弹性不如大多数合成纤维。聚乙烯醇及其产品的火灾危险性属丙类。
二、重点部位及设备
(一)重点部位
用湿法成形的聚乙烯醇纤维装置的重点部位主要为原液制备、后加工中的缩醛化及化纤仓库。现分述如下：
1．原液制备
聚乙烯醇纤维生产中，片状PVC树脂的原液制备是直接影响纺丝丝束成形质量的一道重要生产工序。除要采用水洗除去醋酸钠等杂质外，还要调节黏度，制得一定浓度的PVA原液。因此，工艺控制上，这是一个重点生产部位。但由于聚乙烯醇易溶于水，且又以大量水作溶液，在水溶液中进行水洗和溶解作业的，故劳动安全卫生上的问题不多。
2．缩醛化
在聚乙烯醇纤维生产的后加工处理中，有一个缩醛化过程，其目的是对纤维进行缩醛化，以赋予纤维以较好的亲水性，进一步提高其耐热水性和玻璃化温度。故这是一个改进纤维产品的重要生产过程。同时，因缩醛化过程实质上是用醛化液与纤维进行液固相醛化反应来完成的，而醛化液涉及到甲醛和硫酸两个危险化学物品，存在劳动安全和职业卫生方面的问题。鉴于此，缩醛化亦是一个重点生产部位。
3．化纤仓库
聚乙烯醇及纤维产品与聚酯和聚酰胺6及纤维产品一样，其火灾危险性等级同属丙类故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着严格的要求，仓库内的垛距、堆距、间距、通道、通风、采光等要按建筑设计防火规范要求予以布置和设计。
(二)重点设备
1．纺丝机
纺丝机是聚乙烯醇纤维成形的主要纺丝机械。聚乙烯醇原液经过计量和过滤后，进入纺丝机中的喷丝头，在此纺丝成形为丝束。因此，纺丝机是纺丝成形加工的“龙头”设备。
2．凝固浴槽
凝固浴槽是重要的湿法纺丝成形固化设备。在凝固浴槽中，从纺丝机喷丝头来的源源不断的丝束，在芒硝溶液(即Na2S04凝固液)中，在硫酸钠含量约400-420g／L和凝固液温度为45℃左右的工艺条件下，不断通过移动、凝固成初生纤维。
3．各类旋转型纺丝机械
这主要包括在聚乙烯醇纤维后加工中一系列旋转型纺丝机械，诸如牵引机、干燥拉伸机、预热机、干燥延伸机、冷却机、卷绕机、切断机等，其一个共性特点是在马达高速旋转带动下，通过变速齿轮、滚辊、传动轴和传动带的快速转动，将初生纤维按工艺过程进行牵伸、预热、干燥、冷却、卷绕、切断等加工步骤，制得所需的短纤维产品。这类机械主要应防止人员在生产操作过程的机械伤害事故的发生，也要防止烫伤、割伤、切断等其他人身伤害事故的发生。这是劳动保护工作的重点之处。
4．打包机
打包机是聚乙烯醇纤维产品打包成型的专门机器。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，极易发生挤压性工伤事故。打包机俗称“老虎机”，存在着重要的事故预防上的问题。