干燥機在聚乙烯醇生產(chǎn)中的作用分析

崔成波

（中國石化重慶川維化工有限公司，重慶401254）

聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol，PVA）是一種兼具可生物降解、可水溶的綠色合成高分子，也是一種具有廣泛用途的獨特塑料，其外觀為白色或淺黃色片狀、顆粒狀、粉末狀或絮狀固體，無臭無味，主要以水溶液形式使用，其水溶液呈透明狀。PVA生產(chǎn)過程主要由聚合、回收、醇解和包裝等工序組成。以醋酸乙烯為原料、甲醇作溶劑、偶氮二異丁腈為引發(fā)劑進行游離基型部分聚合反應(yīng)，在聚合工序經(jīng)過聚合反應(yīng)制得聚醋酸乙烯酯，然后在醇解工序經(jīng)醇解、粉碎壓榨和干燥等過程處理后得PVA成品，PVA成品經(jīng)風送裝置送入包裝工序。在包裝工序根據(jù)市場需要完成包裝作為產(chǎn)品入庫。干燥是聚乙烯醇生產(chǎn)過程中的一個重要工序，主要除去PVA中甲醇、醋酸甲酯等揮發(fā)性有機物，保證制備出符合產(chǎn)品質(zhì)量指標要求的PVA[1]。

目前PVA質(zhì)量指標中揮發(fā)份一般＜5%，部分PVA生產(chǎn)企業(yè)揮發(fā)份控制在3%以下。揮發(fā)份的控制主要取決于干燥階段，干燥過程在控制PVA揮發(fā)份的同時，還影響著PVA的色度、缺點數(shù)、溶解性等顯性和隱性的質(zhì)量指標。揮發(fā)份含量過高，會對PVA用戶的工作環(huán)境造成影響，嚴重時還會對操作人員的身心健康產(chǎn)生負面影響；PVA的色度差及缺點數(shù)過多，會造成下游產(chǎn)品等級品率降低，嚴重時會限制PVA的使用領(lǐng)域。干燥過程中工藝控制不好會影響PVA的溶解性，使其溶解性變差，溶解時間延長，進而降低用戶的生產(chǎn)效率，增加用戶生產(chǎn)成本。綜上，干燥機是PVA生產(chǎn)過程中重要設(shè)備之一，影響著PVA的多個質(zhì)量指標和用戶的使用成本。

本文對PVA生產(chǎn)過程中所使用干燥機的工作原理、控制要素等進行詳細的分析，并結(jié)合干燥機的結(jié)構(gòu)特點和PVA理化性質(zhì)討論了干燥機內(nèi)溫、內(nèi)在量、真空度、干燥時間等因素對PVA質(zhì)量的影響，以期為PVA生產(chǎn)過程中干燥機選型及質(zhì)量控制提供參考。

1 PVA干燥機的工作原理

目前國內(nèi)PVA企業(yè)使用的干燥機主要有兩種類型：一類是槳葉兩級干燥機，一類是臥式圓筒干燥機（翼式攪拌）。在PVA進入干燥機前，提前將一定壓力、一定溫度的飽和水蒸氣通入干燥機殼體夾套以及攪拌軸內(nèi)等部位，間接給PVA加熱，使PVA中的揮發(fā)份揮發(fā)，再通過干燥機內(nèi)部抽負壓快速將揮發(fā)份抽出。PVA濕物料從干燥機進料口進入，在中心軸的帶動下通過內(nèi)部轉(zhuǎn)動軸上槳葉的攪拌作用，不斷把PVA往干燥機出口端推進。在干燥機內(nèi)壁對PVA物料進行間接加熱過程中，隨著PVA揮發(fā)份的逐步減少，干燥機內(nèi)溫逐步提高，以保證PVA的揮發(fā)份達到控制要求。通過PIC調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制干燥機內(nèi)PVA溫度進而實現(xiàn)把PVA的揮發(fā)份控制在規(guī)定值內(nèi)。

1.1 PVA槳葉兩級干燥機

該型干燥機有效傳熱面積大、熱效率高，對PVA實際有效干燥時間可調(diào)。使用該型干燥機的PVA生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)前端工藝情況設(shè)計的干燥機換熱面積不同，生產(chǎn)不同產(chǎn)品的主要干燥工藝條件也稍有不同。在生產(chǎn)過程中把部分合格產(chǎn)品通過專門的返料系統(tǒng)再返回一段至干燥系統(tǒng)主要是防止開始進入干燥機的高揮發(fā)份PVA快速粘在干燥機內(nèi)壁。該類干燥機優(yōu)點在于設(shè)備體積小，占地面積小，傳熱效率高；缺點是開蓋內(nèi)部人工清掃不方便，一般只能通過加入熱水在槳葉不斷攪拌的情況下加熱煮洗，耗水量較大，給企業(yè)污水處理系統(tǒng)帶來較大壓力，故目前只有少部分企業(yè)使用。

圖1 為槳葉干燥機結(jié)構(gòu)簡圖[2]。其是一種熱傳導(dǎo)型干燥設(shè)備，由熱軸、機身、端板、上蓋及傳動系統(tǒng)等組成。干燥機的換熱面主要由兩根熱軸、楔形葉片和加工有蜂窩夾套的殼體組成，其中熱軸上的楔形葉片為主要換熱面，其換熱面積占總換熱面積的70%以上[2]。

圖1 槳葉干燥機結(jié)構(gòu)簡圖[2]Fig.1 Schematic diagram of paddle dryer

聚乙烯醇槳葉兩級干燥基本生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。來自壓榨機的濕PVA顆粒與外返料系統(tǒng)輸送來的干燥PVA粒混合進入一級槳葉干燥機。干燥機內(nèi)轉(zhuǎn)動軸和槳葉片中空，內(nèi)部通有蒸汽，PVA隨轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動逐漸向出料端移動，同時接受轉(zhuǎn)動軸和槳葉傳遞的熱量，PVA溫度升高，濕分汽化排出干燥機。一級干燥機是PVA干燥的主要干燥單元，其干燥量占干燥總量的70%。一級干燥完后，物料進入二級干燥，通過熱軸與槳葉的間接傳熱，物料中的濕分繼續(xù)蒸發(fā)，最終直至干燥合格后通過干燥機溢流堰離開干燥系統(tǒng)進入振動篩篩選，不符合產(chǎn)品要求的大顆粒和團聚的PVA等從廢品口排出，符合要求的PVA干燥顆粒送包裝工序進行包裝。二級干燥蒸發(fā)的揮發(fā)份通過一級干燥機下料口進入一級干燥機，與一級干燥的揮發(fā)份混合，再依靠減壓和抽吸系統(tǒng)產(chǎn)生的負壓從一級干燥機抽出進入冷凝回收系統(tǒng)[2]。

圖2 聚乙烯醇漿葉干燥機干燥工藝過程[2]Fig.2 Process of paddle dryer in the production of PVA

1.2 PVA臥式圓筒干燥機（翼式攪拌）

目前國內(nèi)大部分PVA企業(yè)均使用臥式圓筒干燥機（翼式攪拌），翼式攪拌葉固定在干燥機內(nèi)的中心軸上。該型干燥機從工藝控制上可以分段控制干燥溫度，每段溫度不同：一段70℃左右，三段120℃左右。干燥機夾套中設(shè)有加熱蒸汽的導(dǎo)流道，通過向夾套通入水蒸氣間接加熱PVA。在電機驅(qū)動下，干燥機中心軸帶動攪拌葉對PVA進行攪動，推動PVA向前移動，防止PVA長期接觸干燥機內(nèi)壁而被過度干燥。當PVA物料到達干燥機第三段的出口端時，通過位于干燥機出口端的最低位置的出口輸送機把PVA送出干燥機。PVA物料在干燥機內(nèi)的停留時間是通過調(diào)整出口輸送機的轉(zhuǎn)速來控制的。臥式圓筒干燥機示意圖如圖3所示，該型干燥機具體參數(shù)如下：中心軸額定轉(zhuǎn)速為8 r/min；攪拌葉與干燥機內(nèi)壁間隙為10 mm左右；干燥機總長度為30 m，直徑為2.3 m；中心軸每圈攪拌葉數(shù)為3個；干燥機安裝斜度為2%。

圖3 臥式圓筒干燥機示意Fig.3 Schematic diagram of horizontal cylinder dryer

臥式圓筒干燥機也存在相應(yīng)的缺點：（1）體積大，占地面積大，內(nèi)部攪拌葉多，熱效率低（雖然夾套換熱面積大，但是在干燥過程中能給PVA進行加熱的有效面積只有總面積的三分之一）；（2）干燥機內(nèi)轉(zhuǎn)動軸通過聯(lián)軸節(jié)連在一起，存在聯(lián)軸節(jié)內(nèi)潤滑脂漏出污染物料的風險；（3）PVA在干燥機內(nèi)停留時間較長，對PVA的破損較大，影響PVA收率；（4）干燥機一段內(nèi)壁容易粘料，須人工進入內(nèi)部清掃和檢修，且清掃一次干燥機內(nèi)部耗時較長，安全風險較大[3]。

2 干燥機操作條件對PVA質(zhì)量的影響

干燥機是PVA產(chǎn)品質(zhì)量控制的主要設(shè)備，主要控制PVA揮發(fā)份、色度、缺點數(shù)和溶解性（結(jié)晶度）等指標。在PVA干燥工藝操作中，重點是控制PVA的揮發(fā)份，根據(jù)GB/T 7351-2013要求，PVA揮發(fā)份一般應(yīng)在5%以內(nèi)，特殊行業(yè)或有特殊要求的用戶甚至要求揮發(fā)份＜1%。影響PVA揮發(fā)份的因素較多，在不考慮進入干燥機的物料參數(shù)變化主要包括干燥機內(nèi)溫、內(nèi)在量、真空度等。每一個操作條件都影響PVA的內(nèi)在及表觀質(zhì)量，但在運行過程中，每一種操作條件都有其局限性，不能無限地使用，否則就會顧此失彼。故必須同時優(yōu)化幾個操作條件才能保證PVA的質(zhì)量和干燥機的合理運行周期[1]。

2.1 干燥機內(nèi)溫對PVA質(zhì)量的影響

一般而言干燥機內(nèi)溫就是指PVA物料的溫度，較高的干燥機內(nèi)溫有利于揮發(fā)份的揮發(fā)。干燥機夾套的水蒸汽通過熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式對PVA進行加熱，促使PVA中揮發(fā)份揮發(fā)，逐步達到質(zhì)量控制指標的要求。干燥機每段溫度并不一致，均配有溫度監(jiān)測。考慮到干燥機前段PVA中含有大量液態(tài)揮發(fā)份，因此一般一、二段溫度只是監(jiān)測并不直接控制；當PVA到達干燥機三段時，PVA中絕大部分揮發(fā)份已排出，此時溫度能夠有效提高。故生產(chǎn)過程中干燥機的內(nèi)溫控制，通常是通過調(diào)節(jié)干燥機內(nèi)PVA最高溫度來控制揮發(fā)份。

在干燥PVA時，干燥機內(nèi)溫從前段到后段是逐漸升高的。一段的PVA中含有大量的甲醇、醋酸甲酯等揮發(fā)性物質(zhì)，因此干燥機一段內(nèi)溫度一般為50~80℃；二段溫度一般在60~100℃；到后段時，PVA中大量的揮發(fā)性物質(zhì)已經(jīng)逐步排出，內(nèi)溫可有效提高，一般可以達到100℃以上。但當PVA加熱到130~140℃時產(chǎn)品色澤變黃，在160℃長期受熱時產(chǎn)品顏色變深，200℃以上發(fā)生分子內(nèi)脫水[3]。PVA產(chǎn)品變黃、色度變差后，在溶解使用時會影響產(chǎn)品質(zhì)量。隨著PVA用途的廣泛增加，不同行業(yè)對PVA色度要求提出不同的控制指標。PVA中的缺點數(shù)指在一定數(shù)量的PVA中非白色PVA的數(shù)量，干燥機內(nèi)溫高容易導(dǎo)致缺點數(shù)的增加。同時，干燥機內(nèi)溫高會使得PVA結(jié)晶度增高，延長PVA使用時的溶解時間。綜上，干燥機內(nèi)溫不宜高于150℃[4]。

2.2 干燥機內(nèi)在量對PVA質(zhì)量的影響

一般而言干燥機的攪拌轉(zhuǎn)速為定值，控制干燥機內(nèi)在量實質(zhì)上就是控制PVA在干燥機后段的干燥時間，內(nèi)在量的大小通常由干燥機攪拌電機電流來表征：內(nèi)在量越大，其攪拌電機電流值越高。因干燥機的攪拌轉(zhuǎn)速是一定的，所以靠控制干燥機出口輸送機的轉(zhuǎn)速控制送出PVA的量，來達到控制干燥機的內(nèi)在量的目的。通常，干燥機正常內(nèi)在量運行時電流不高于額定電流的60%~90%。干燥時間越長，PVA產(chǎn)品中揮發(fā)份越低，但PVA干燥時間過長時，其色度會變差、缺點數(shù)可能增加；同時，干燥時間對不同品種PVA的揮發(fā)份、色度、缺點數(shù)等質(zhì)量指標的影響程度不一樣。因此生產(chǎn)不同品種的PVA，干燥機內(nèi)在量的控制需要分別優(yōu)化。

2.3 干燥機真空度對PVA質(zhì)量的影響

干燥機的真空度是指干燥機內(nèi)壓（表壓）?？刂聘稍餀C的真空度有利于及時把PVA中的揮發(fā)性物質(zhì)從干燥機內(nèi)抽出，提升干燥效率。提高真空度可以縮短干燥時間，提高生產(chǎn)效率。但PVA在干燥機干燥過程中，攪拌葉片不斷把PVA攪動起來并向前推進，對顆粒PVA有一定的破損作用，產(chǎn)生一定量的PVA細粉或小顆粒。當真空度較高時，PVA細粉或顆粒也可能被抽出干燥機，進入揮發(fā)份氣體冷凝系統(tǒng)。揮發(fā)份氣體冷凝系統(tǒng)主要是用冷媒通過換熱器對它進行多級冷凝，當PVA細粉或小顆粒進入冷凝系統(tǒng)后，會降低冷凝系統(tǒng)的熱交換效果，甚至影響正常生產(chǎn)。因此，真空度的控制既要保證能及時地把干燥機內(nèi)大量的甲醇、醋酸甲酯抽走，同時盡可能保留PVA細粉或小顆粒，避免影響揮發(fā)份氣體冷凝系統(tǒng)的正常工作。針對不同品種的PVA產(chǎn)品，在實際生產(chǎn)過程中通過不斷的摸索和實驗，目前干燥機內(nèi)壓一般控制在-100~-20 kPa[5,6]。

2.4 干燥條件對PVA缺點數(shù)的影響

PVA在進入干燥機時含有微量的水，部分溶解的PVA容易粘連在設(shè)備上，當干燥機內(nèi)壁溫度較高時，這種現(xiàn)象尤為明顯。隨著干燥機運行周期的延長，干燥機內(nèi)壁與物料接觸的前段、中段部分附著的PVA就越多。粘著的PVA在內(nèi)壁上不斷受熱，這部分PVA會逐漸變黃甚至脫水變黑，形成顏色深淺不一的“鍋巴料”。這不僅嚴重影響產(chǎn)品品質(zhì)，還嚴重降低了傳熱效率，影響干燥機前段、中段PVA的干燥效果。因為干燥機攪拌葉片與內(nèi)壁的間隙是一定的，當內(nèi)壁上附著的“PVA鍋巴”累積到填滿干燥機攪拌葉片與內(nèi)壁間隙的厚度時，葉片轉(zhuǎn)動就會把深淺不一的黃黑色“PVA鍋巴”從干燥機內(nèi)壁上刮下來。此時干燥機的攪拌電機負荷增加、電流升高，嚴重時甚至會導(dǎo)致干燥機電機自動斷電停止運行。同時，刮下來的“PVA鍋巴”混入PVA產(chǎn)品中，導(dǎo)致產(chǎn)品PVA中缺點數(shù)增加變?yōu)閺U次品。因此必須對干燥機內(nèi)壁上附著的PVA進行定期清除。

根據(jù)干燥機運行經(jīng)驗，減少干燥機內(nèi)壁PVA的粘著量一般需考慮以下因素：（1）降低干燥機入口處PVA濕料的含水量；（2）適當控制干燥機前段、中段夾套通入的水蒸汽溫度，干燥機前段、中段蒸汽溫度太高對干燥速率提升并不明顯，但會加速干燥機內(nèi)壁上PVA變黃和碳化，增加內(nèi)壁PVA粘著量。

3 結(jié)論

干燥機在PVA生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用，通過控制干燥機操作參數(shù)調(diào)節(jié)PVA產(chǎn)品中揮發(fā)份含量的同時也影響PVA質(zhì)量。因此，干燥機是控制PVA質(zhì)量指標、提高PVA品質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。不論是槳葉干燥機還是臥式圓筒（翼式攪拌）干燥機都是PVA行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)備，有著各自的獨特優(yōu)勢和不足。設(shè)備的不足需要不斷地通過技術(shù)進步來揚長避短，在實際生產(chǎn)過程中需不斷促使技術(shù)進步和過程優(yōu)化，針對不同的PVA品種摸索出較為合適的工藝操作條件。同時，為使現(xiàn)有干燥機更好地運行，更有利于PVA內(nèi)在和外在質(zhì)量的控制和提高，結(jié)合國內(nèi)PVA行業(yè)趕超一流水平、提高企業(yè)生存能力的需要，建議采取以下措施：（1）利用并優(yōu)化好PVA揮發(fā)份調(diào)節(jié)方式，一類產(chǎn)品一套方案，既保證揮發(fā)份達到要求，又能較好地滿足用戶對PVA溶解性、色度和缺點數(shù)的要求；（2）進一步改變現(xiàn)有干燥機的工藝條件，如干燥熱源、分段提供不同熱源以及采取更多的控制手段，實現(xiàn)滿足PVA質(zhì)量指標要求的同時，不影響PVA的隱性內(nèi)在品質(zhì)，滿足PVA中高端用戶的需求；（3）研究新的干燥設(shè)備和工藝，以降低干燥機內(nèi)壁PVA附著的機會，如延長PVA物料在干燥機內(nèi)低溫區(qū)的停留時間、減少高溫區(qū)的停留時間、降低高溫區(qū)的干燥溫度等。