維綸纖維裝置簡介和重點部位及設備
一、裝置簡介
(一)裝置發展及其類型
1．裝置發展
聚乙烯醇纖維是合成纖維的主要品種之一，其常規產品是聚乙烯醇縮甲醛纖維，在我引簡稱為“維綸纖維”，商品名稱為“維綸”。產品大多是切段纖維，即短纖維，其性狀頗與棉花相似。
德國Hermann和Hachnll早在1924年時就將聚醋酸乙烯醇解制得聚乙烯醇，隨后又以其水溶液用干法紡絲制得纖維。30年代，德國的Wacker公司生產了這種聚乙烯醇纖維。
1939年日本櫻田等人通過熱處理和縮醛化方法將聚乙烯醇制成耐熱水性良好的纖維。這一發明加速了聚乙烯醇纖維的工業化，1950年終于在日本投入了工業化生產。隨著生產技術的不斷發展，聚乙烯醇纖維的質量得以不斷提高，產量也逐步增長。但是20世紀90年代，由于使用性能更加優良的滌綸、錦綸和腈綸的崛起，且后來居上，世界的維綸總產量有所下降。
我國第一個聚乙烯醇纖維廠于1969年建成投產，接著又興建了一批年產萬噸級的聚乙；烯醇纖維廠，我國的維綸年生產能力和產量目前位居世界首位。
2．裝置的主要類型
對于生產成纖用的聚乙烯醇的大工業生產，目前都是將聚醋酸乙烯在甲醇和氫氧化鈉的作用下進行醇解反應以獲得聚乙烯醇的，而一般供制聚乙烯醇纖維用的聚醋酸乙烯原料一醋酸乙烯中的乙醛含量應在0．02％以下，丁烯醛含量應在0．05％以下。
由于聚乙烯醇的熔融溫度(一般在230—240℃之間)高于分解溫度，所以通常采用溶液紡絲法來生產纖維。這有點類似于腈綸纖維的生產方法。
聚乙烯醇纖維既可以采用濕法紡絲，也可以采用干法紡絲。通常濕法用于生產短纖維，干法用于生產某些專門用途的長絲。
在濕法成形中，聚乙烯醇要制備成紡絲原液，并在不同的凝固浴中凝固成形。濕法成形的溶液紡絲法按不同類型的凝固溶液有三種類型，即(1)無機鹽水溶液法；(2)氫氧化鈉水溶液法；(3)有機液體法。工業上常常采用以無機鹽水溶液為凝固浴中進行的濕法成形法，其中用Na2S04水溶液(芒硝溶液)為凝固劑居多。這是因為Na2S04價廉且易得，又可直接取自于黏膠纖維廠的副產物。所以，目前聚乙烯醇纖維的濕法生產中，絕大多數都用接近于飽和濃度的硫酸鈉水溶液作為凝固溶液。
本節以Na2S04水溶液為凝固浴液的濕法紡絲及紡絲加工的一步法生產為例對其安全技術加以闡述。
(二)單元組成與工藝流程
1．單元組成與聚丙烯腈纖維的濕法紡絲生產相類似，聚乙烯醇纖維也主要有下面三個單元所組成：
(1)紡絲原液制備單元。由于由前道聚合工段制得的聚乙烯醇原料中夾帶有一定量的醋酸鈉(醋酸鈉的過量存在，將在紡絲后處理過程中，會使絲條呈現堿性而易著色)和一部分相對分子質量過低的聚乙烯醇(低相對分子質量的PVA樹脂的存在會增加其分散性，從而影響紡絲的質量)，加上為使聚乙烯醇進一步得以膨潤，以便于溶解進行得更為充分、均勻，因此必須加以水洗去除雜質和增加膨潤性，故設置了紡絲原液制備單元。該單元由水洗、溶解、過濾及脫泡等生產工序所組成。制備后的紡絲原液其醋酸鈉量不超過0。05％—0．2％，水洗溫度不超過30—40℃。
(2)濕成形單元。該單元由紡絲、凝固等工序所組成。在此單元中得到的是經過噴絲頭、凝固浴成形后的初生纖維，隨后再進一步后加工處理而制得成品纖維。
(3)后加工單元。聚乙烯醇纖維后加工又稱之為后處理，其常規內容包括有拉伸、熱定型、縮醛化、水洗、上油、干燥等工序。如果生產短纖維產品，則將包括絲束的切斷或牽切，然后把成品打包出廠。如果生產長絲產品，則還將包括加捻和絡筒等工序。本節的后加工單元以生產聚乙烯醇短纖維成品，對工藝流程加以敘述。
2．工藝流程
(1)原液制備流程
其流程如圖6—8所示。
(2)紡絲工藝流程(含后加工)
工藝流程框圖如圖6—9所示。
(3)流程敘述
①原液制備流程敘述
由前工序PVA生產裝置供給的片狀聚乙烯醇樹脂原料風送至料倉水洗。洗去原料中的醋酸鈉、甲醇游離堿、醛類化合物等雜質和使PVA進一步膨潤后，再用羅茨風機送至自動稱計量。然后用抽真空的方式將稱量后的PVA吸人預先加入定量熱水的溶解機內，將可溶性的PVA在熱水中邊攪拌、邊溶解，同時進行黏度調節，以制得一定濃度的PVA原液(回收廢絲可經加壓溶解再溶人正常原液中使用)。溶解后的PVA原液，用齒輪泵泵至第一過濾器濾去固體雜質，進入帶夾套保溫的脫泡桶進行常壓靜止脫泡。脫泡溫度為(98±2)℃，脫泡時間為≥5小時。脫泡完畢的PVA原液用壓縮空氣通過第二過濾器送至紡絲閥壓槽由壓縮空氣調至一定壓力后送往紡絲工段。于是完成了PVA水洗—溶解—過濾和脫泡的原液制備過程。
②紡絲工藝流程(含后加工)敘述
紡絲工藝流程(含后加工)包括紡絲、熱處理和凝固浴循環系統以及整理二大生產工序現分述如下：
①紡絲、熱處理和凝固浴循環系統工序
紡絲原液制備單元來的PVA原液，利用壓縮空氣將其壓送到紡絲機后，由紡絲計量泵定量經燭形濾器，從噴絲頭小孔中噴出，進入凝固浴槽，在浴槽中脫水凝固成纖維。所列出的初生纖維經過制液導桿，相繼繞過紡絲第一、第二導品輥拉伸后引向牽引機集束，完成了第一道紡絲工序，然后轉入第二道熱處理工序。
在熱處理工序中，主要包括有干燥拉伸、預熱、干熱延伸、冷卻、卷繞、切斷等步驟即：從牽引機引出的絲束，經過(90±1)℃的芒硝溶液槽(二浴)，引至干燥拉伸機，進行均勻的干燥、拉伸和熱處理(此過程稱為“濕熱拉伸”)。二浴槽用間接蒸汽加熱管加熱，以保證二浴的溫度。在二浴槽高溫加熱后送人于燥拉伸機，使濕熱絲束在帶有芒硝和張力情況下，采用電加熱方式，在絲束表面溫度達(125±5)℃時，進行干燥和熱拉伸處理。干燥后的絲束進預熱機繼續加熱，使絲束表面溫度在短時間內提高到225～230℃，再在干燥延伸機中干燥拉伸(短纖維的干熱拉伸率一般在45％左右)和松弛情況下對絲束作收縮熱處理。之后經過冷卻機的急速冷卻，使絲束表面溫度在45~C左右，再到卷繞機，卷繞在絲軸車上，再喂人切斷機，切成一定長度，然后由送棉風機送至整理生產工序后處理。凝固浴循環系統的凝固浴和二浴都是循環使用的。該循環系統過程現簡略。
②整理工序
整理工序實際上是聚乙烯醇纖維的后加工(后處理)工序。自紡絲、熱處理工序來的短纖維，強度雖符合要求，但耐熱水性較差，故需要進行整理、溫水洗、上油等作業。即：送棉風機來的短纖維用87℃±1℃、比重1．050的芒硝液進行熱水卷曲，使之具有抱合能力；然后用40—50℃的水作前水洗，洗去纖維上的芒硝；再在松弛狀態下進行短纖維縮醛化，其縮醛化過程主要由醛化液與纖維進行液固相醛化反應來完成(醛化液的組成為甲醛和硫酸，其中甲醛是反應劑，硫酸是催化劑)。
為防纖維著色，需將短纖維上附著的縮醛化液洗掉，故設溫水洗。溫水洗由無堿溫水洗和有堿溫水洗(將存在的微量酸與堿中和)兩個部分組成。短纖維經過溫水洗后人上油機上油，以增加柔軟性，減少纖維的電阻，防止靜電產生。水洗、上油、壓榨脫水后的纖維，榨液率仍高達65％左右，為便于直接用于紡織加工，需在短纖維干燥機中干燥處理，將回潮率控制在一定范圍內。短纖維干燥機采用強制通風簾板式干燥機，纖維以松弛狀態分布在多孔簾板輸送帶上進行干燥。干燥后的短纖維送至打包機，打成200lz一包的成品入庫出廠。于是完成了整個紡絲和后加工的生產工藝全過程。
(三)工藝技術特點
1．由于呈片狀的聚乙烯醇樹脂，其熔融溫度一般在230-240℃之間，高于它的分解溫度，所以不能采用像聚酯、聚酰胺樹脂直接熔融紡絲方法加工，而采用了類似于聚丙烯腈樹脂的溶液紡絲法間接加工。因此，工藝技術相對比較復雜，加工步驟煩瑣，后加工過程較長。
2．聚乙烯醇的溶液紡絲法，采用Na2S04水溶液為溶劑，Na2S04(干芒硝)價廉易得，不燃不爆，無特殊的燃燒爆炸特性，本身無毒性，但受高熱分解會產生有毒的硫化物煙氣，因此基本屬于安全衛生型的加工方法。
3．由于聚乙烯醇纖維生產和加工處理工序多，“一條龍”作業線流程長，旋轉型紡絲機械設備種類雜，故廠房長而大，占地面積與聚丙烯腈纖維生產相仿，也不小。
4．聚乙烯醇纖維后加工采用了縮醛化一個工藝過程。這是由醛化液和纖維進行液固相醛化反應來完成的，而醛化劑組成中的甲醛和硫酸分別是有刺激性、一定毒性以及有腐蝕性的危險化學物品。故聚乙烯醇纖維后加工中的縮醛化工序存在著勞動安全和職業衛生上的問題。
5．設立一個凝固浴循環系統，使從紡絲機出來的被稀釋的Na2S04水溶液(凝固溶液)可以回到循環槽內，補加適當酸度至配制好的芒硝溶液中，再經加熱到一定溫度至蒸發器濃縮至一定濃度后再利用，節省了大量的輔助用料，可降低生產成本。
(四)溶劑及醛化劑
聚乙烯醇纖維生產裝置涉及到的主要危險化學物質為溶劑Na2S04溶液(芒硝)及甲醛和硫酸，其主要特性及儲運和應急處理方法列于下：
1．Na2S04(硫酸鈉)
硫酸鈉，分子式為Na2S04，又名無水芒硝，為白色、無臭、有苦味的結晶或粉末體，有吸濕性。不溶于乙醇，溶于水、甘油。不燃，無特殊的燃燒爆炸特性，但受高熱分解會產生有毒的硫化物煙氣。禁忌強酸、鋁、鎂。與水混合成Na2S04水溶液(芒硝溶液)，可作為聚乙烯醇纖維加工的優良溶劑。
硫酸鈉的儲運要求是：儲存于陰涼、干燥、通風良好的庫房。包裝必須密封完整。防止受潮。應與酸類、金屬粉末等分開存放。搬運時輕裝輕卸，防止包裝破損。
硫酸鈉的應急處理方法為：
(1)發生火災時，切斷火源，防止Na2S04因高溫烘烤發生分解，放出有毒煙氣，并立即采取措施將火勢撲滅。
(2)發生泄漏，又遇火警時，隔離泄漏污染區，周圍設警告標志，并切斷火源和救火。陽時，應急處理人員要戴好防毒面具，穿化學防護服，用水、潮濕的沙或泥土覆蓋，然后收入金屬容器并保存于水或礦物質中。如果大量泄漏，需在技術人員指導下清除。
<3)發生人體污染時，應脫去污染的衣著，用肥皂水及清水徹底沖洗；立即翻開上下眼瞼，用流動清水沖洗，并就醫；誤服者立即漱口，飲足量溫水，催吐，就醫。
(4)Na2S04水溶劑配制過程中，要密閉操作，加強通風；作業人員應戴口罩和安全防護 眼鏡，穿工作服，戴防化學品手套。
2．甲醛
甲醛，分子式為CH20，又叫福爾馬林，為無色、具有刺激性和窒息性的氣體。易溶于水，溶于乙醇等多數有機溶劑。甲醛商品為其水溶液。甲醛有易燃性，火災危險性屬甲類，閃點50℃(37％)，自燃點430℃，爆炸極限為7％-73．0％(體積)，其蒸氣與空氣能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸，若遇高熱，儲存容器內壓增大，有開裂和爆炸的危險。禁忌物為強氧化劑、強酸、強堿。有一定毒性，尤其對人的黏膜、上呼喇道、眼睛和皮膚有強烈刺激性和致敏作用，濃溶液可引起皮膚凝固性壞死，口服會灼傷口腔和消化道，可致死；長期低濃度接觸甲醛蒸氣，可出現頭痛、頭暈、乏力、兩側不對稱感覺障礙和視力障礙。
甲醛的儲運要求是：(1)儲存于陰涼、通風庫房內，遠離火種、熱源；(2)應與氧化劑』遇水燃燒物資隔離堆放，防止陽光暴曬引起膨桶，冷天宜儲于較溫暖處以防止聚合；(3)刨裝要完整，搬運時要輕拿輕放，防止破漏。
甲醛的防護措施和應急處理方法：
(1)防護措施。①嚴加密閉，提供充分的局部排風；②提供安全淋浴和洗眼設備；③可能接觸其蒸氣時，應佩戴防毒面具，緊急事態搶救或撤離時，建議佩戴自給式呼吸器④作業時戴安全防護眼罩，穿防靜電工作服，戴防化學品手套；⑤工作現場禁止吸煙、進食和飲水。
(2)應急處理方法。
①發生泄漏時，疏散泄漏污染區人員至安全區，禁止無關人員進入污染區，并切斷丸源，應急處理人員戴自給式呼吸器，穿化學防護服，不要直接接觸泄漏物，要在確保安全情況下堵漏；噴水霧可減少甲醛蒸發；用砂土或其他不燃性吸附劑混合吸收，然后收集運至廢物處理場所；如大量泄漏，利用圍堰收容，然后收集、轉移、回收或無害處理后廢棄。
②發生人員污染后，若皮膚接觸的，應脫去受污染的衣著，用肥皂水及清水徹底沖洗若眼睛接觸的，立即翻開上下眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗至少15min，就醫；若吸入甲醛蒸氣，要迅速脫離現場至新鮮空氣處，保持呼吸道暢通，保暖并休息，呼吸困難時給輸氧，呼吸停止時立即進行人工呼吸，就醫；若食人甲醛溶液，誤服者應立即漱口，飲足量溫水，催吐，就醫。
3．硫酸
硫酸，分子式為H2S04，純品為無色透明油狀液體，無臭。能與水混溶，有助燃性；與易燃物(如苯)和有機物(如糖、纖維素等)接觸會發生劇烈反應，甚至引起燃燒；能與一些活性金屬粉末發生反應，放出氫氣；遇水大量放熱，可發生沸濺，具有強腐蝕性。禁忌物有堿類、堿金屬、水、強還原劑、易燃或可燃物。硫酸屬中等毒類物質，對人體皮膚、黏膜等組織有強烈的刺激和腐蝕作用；對眼睛可引起結膜炎、水腫、角膜混濁，以致失明；會引起呼吸道刺激癥狀，重者發生呼吸困難和肺水腫，高濃度會引起喉痙攣或聲門水腫而死亡；口服后引起消化道燒傷以致形成潰瘍，嚴重者可能發生胃穿孔、腹膜炎、喉痙攣和聲門水腫、腎損害、休克等；慢性影響有牙齒酸蝕癥、慢性支氣管炎、肺水腫和肝硬化。
硫酸的儲運要求是：儲存于陰涼、干燥、通風良好的庫房；應與堿類、金屬粉末、鹵素(氟、氯、溴)、易燃物、可燃物分開存放，不可混儲混運；搬運時要輕裝輕卸，防止包裝損壞；分裝和搬運作業時要注意個人防護；運輸應按規定路線行駛。
硫酸的防護措施和應急處理方法：
(1)防護措施。①密閉操作，注意通風，盡可能機械化、自動化；②提供安全淋浴和洗眼設備；③可能接觸其蒸氣時，必須佩戴防毒面具或供氣式頭盔，緊急事態搶救或撤離時，建議佩戴自給式呼吸器；④作業時戴安全防護眼鏡，穿防腐工作服，戴橡膠手套。
(2)應急處理方法：
①發生泄漏時，疏散泄漏污染區人員至安全區，禁止無關人員進入污染區，切斷火源；應急處理人員戴自給式呼吸器，穿一般消防防護服，在確保安全情況下堵漏；噴水霧可減少蒸發；用活性炭或其他惰性材料吸收，然后使用無火花工具收集運至廢物處理場所，也可用不燃性分散劑制成的乳液刷洗，經稀釋的洗液放人廢水系統；如大量泄漏，利用圍堤收容，然后收集、轉移、回收或無害處理后廢棄。
②發生人員污染后，若皮膚接觸的，脫去受污染的衣著，用肥皂水及清水徹底沖洗，如有灼傷，就醫；若眼睛接觸的，須立即翻開上下眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗至少15min，就醫；若吸人，要迅速脫離現場至新鮮空氣處，保持呼吸道通暢，保暖并休息，呼吸困難時給輸氧，呼吸停止時立即進行人工呼吸，就醫；若食人，誤服者應立即漱口，飲牛奶或蛋清，就醫。
(五)原料及產品性質
1．原料
聚乙烯醇纖維裝置使用的原料為前道生產裝置即聚合裝置生產的儲存于料倉內的片狀聚乙烯醇樹脂。化學結構式為：
對于生產成纖用聚乙烯醇的大工業生產，目前都是將聚醋酸乙烯在甲醇和氫氧化鈉的作用下，進行醇解反應而制得的。
聚乙烯醇為白色片狀固體，抗拉強度和成膜性良好。耐沖擊、耐磨和絕緣性能好。聚乙烯醇為水溶性高分子化合物，不溶于一般有機溶劑。聚乙烯醇的熔點很難直接測定，因為它在熔點附近就已開始分解。用間接方法測定其熔點一般在228—240℃。
聚乙烯醇受熱后，在140℃以下不發生明顯變化；加熱至180℃以上時，大分子發生脫水變化，如此時色澤逐漸變深、水溶性消失、彈性模量顯著增大并逐步變得硬而脆等；在210℃—215℃時會軟化，但在一般情況下，它在熔融前便會分解。
2．產品
聚乙烯醇纖維(即維綸纖維)，其短纖的性狀接近棉花，但強度和耐磨性優于棉花。主要優點是吸濕性好，在標準條件下(20℃，RH65％)的回潮率為45％—5％，在各類合成纖維品種中名列第一。維綸還具有較好的耐腐蝕性和耐日光性，但主要缺點為染色性差，其次是耐熱性稍差，彈性不如大多數合成纖維。聚乙烯醇及其產品的火災危險性屬丙類。
二、重點部位及設備
(一)重點部位
用濕法成形的聚乙烯醇纖維裝置的重點部位主要為原液制備、后加工中的縮醛化及化纖倉庫。現分述如下：
1．原液制備
聚乙烯醇纖維生產中，片狀PVC樹脂的原液制備是直接影響紡絲絲束成形質量的一道重要生產工序。除要采用水洗除去醋酸鈉等雜質外，還要調節黏度，制得一定濃度的PVA原液。因此，工藝控制上，這是一個重點生產部位。但由于聚乙烯醇易溶于水，且又以大量水作溶液，在水溶液中進行水洗和溶解作業的，故勞動安全衛生上的問題不多。
2．縮醛化
在聚乙烯醇纖維生產的后加工處理中，有一個縮醛化過程，其目的是對纖維進行縮醛化，以賦予纖維以較好的親水性，進一步提高其耐熱水性和玻璃化溫度。故這是一個改進纖維產品的重要生產過程。同時，因縮醛化過程實質上是用醛化液與纖維進行液固相醛化反應來完成的，而醛化液涉及到甲醛和硫酸兩個危險化學物品，存在勞動安全和職業衛生方面的問題。鑒于此，縮醛化亦是一個重點生產部位。
3．化纖倉庫
聚乙烯醇及纖維產品與聚酯和聚酰胺6及纖維產品一樣，其火災危險性等級同屬丙類故化纖倉庫也是一個重點部位。因此，其倉庫儲存的安全防火性有著嚴格的要求，倉庫內的垛距、堆距、間距、通道、通風、采光等要按建筑設計防火規范要求予以布置和設計。
(二)重點設備
1．紡絲機
紡絲機是聚乙烯醇纖維成形的主要紡絲機械。聚乙烯醇原液經過計量和過濾后，進入紡絲機中的噴絲頭，在此紡絲成形為絲束。因此，紡絲機是紡絲成形加工的“龍頭”設備。
2．凝固浴槽
凝固浴槽是重要的濕法紡絲成形固化設備。在凝固浴槽中，從紡絲機噴絲頭來的源源不斷的絲束，在芒硝溶液(即Na2S04凝固液)中，在硫酸鈉含量約400-420g／L和凝固液溫度為45℃左右的工藝條件下，不斷通過移動、凝固成初生纖維。
3．各類旋轉型紡絲機械
這主要包括在聚乙烯醇纖維后加工中一系列旋轉型紡絲機械，諸如牽引機、干燥拉伸機、預熱機、干燥延伸機、冷卻機、卷繞機、切斷機等，其一個共性特點是在馬達高速旋轉帶動下，通過變速齒輪、滾輥、傳動軸和傳動帶的快速轉動，將初生纖維按工藝過程進行牽伸、預熱、干燥、冷卻、卷繞、切斷等加工步驟，制得所需的短纖維產品。這類機械主要應防止人員在生產操作過程的機械傷害事故的發生，也要防止燙傷、割傷、切斷等其他人身傷害事故的發生。這是勞動保護工作的重點之處。
4．打包機
打包機是聚乙烯醇纖維產品打包成型的專門機器。如果安全限位鎖定裝置失靈，或在操作、檢修時違反安全操作、檢修規程，極易發生擠壓性工傷事故。打包機俗稱“老虎機”，存在著重要的事故預防上的問題。