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(dú)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(jìn)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(fēng)送裝置送入包裝工序。在包裝工序根據(jù)市場(chǎng)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(gè)重要工序，主要除去PVA中甲醇、醋酸甲酯等揮發(fā)性有機(jī)物，保證制備出符合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)要求的PVA[1]。

目前PVA質(zhì)量指標(biāo)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(shí)，還影響著PVA的色度、缺點(diǎn)數(shù)、溶解性等顯性和隱性的質(zhì)量指標(biāo)。揮發(fā)份含量過高，會(huì)對(duì)PVA用戶的工作環(huán)境造成影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)操作人員的身心健康產(chǎn)生負(fù)面影響；PVA的色度差及缺點(diǎn)數(shù)過多，會(huì)造成下游產(chǎn)品等級(jí)品率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)限制PVA的使用領(lǐng)域。干燥過程中工藝控制不好會(huì)影響PVA的溶解性，使其溶解性變差，溶解時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)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(jī)是PVA生產(chǎn)過程中重要設(shè)備之一，影響著PVA的多個(gè)質(zhì)量指標(biāo)和用戶的使用成本。

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

1 PVA干燥機(jī)的工作原理

目前國內(nèi)PVA企業(yè)使用的干燥機(jī)主要有兩種類型：一類是槳葉兩級(jí)干燥機(jī)，一類是臥式圓筒干燥機(jī)（翼式攪拌）。在PVA進(jìn)入干燥機(jī)前，提前將一定壓力、一定溫度的飽和水蒸氣通入干燥機(jī)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(jī)內(nèi)部抽負(fù)壓快速將揮發(fā)份抽出。PVA濕物料從干燥機(jī)進(jìn)料口進(jìn)入，在中心軸的帶動(dòng)下通過內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)軸上槳葉的攪拌作用，不斷把PVA往干燥機(jī)出口端推進(jìn)。在干燥機(jī)內(nèi)壁對(duì)PVA物料進(jìn)行間接加熱過程中，隨著PVA揮發(fā)份的逐步減少，干燥機(jī)內(nèi)溫逐步提高，以保證PVA的揮發(fā)份達(dá)到控制要求。通過PIC調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制干燥機(jī)內(nèi)PVA溫度進(jìn)而實(shí)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(jí)干燥機(jī)

該型干燥機(jī)有效傳熱面積大、熱效率高，對(duì)PVA實(shí)際有效干燥時(shí)間可調(diào)。使用該型干燥機(jī)的PVA生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)前端工藝情況設(shè)計(jì)的干燥機(jī)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(jìn)入干燥機(jī)的高揮發(fā)份PVA快速粘在干燥機(jī)內(nèi)壁。該類干燥機(jī)優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備體積小，占地面積小，傳熱效率高；缺點(diǎn)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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[2]。其是一種熱傳導(dǎo)型干燥設(shè)備，由熱軸、機(jī)身、端板、上蓋及傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。干燥機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖[2]Fig.1 Schematic diagram of paddle dryer

聚乙烯醇槳葉兩級(jí)干燥基本生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。來自壓榨機(jī)的濕PVA顆粒與外返料系統(tǒng)輸送來的干燥PVA粒混合進(jìn)入一級(jí)槳葉干燥機(jī)。干燥機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和槳葉片中空，內(nèi)部通有蒸汽，PVA隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸向出料端移動(dòng)，同時(shí)接受轉(zhuǎn)動(dòng)軸和槳葉傳遞的熱量，PVA溫度升高，濕分汽化排出干燥機(jī)。一級(jí)干燥機(jī)是PVA干燥的主要干燥單元，其干燥量占干燥總量的70%。一級(jí)干燥完后，物料進(jìn)入二級(jí)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(jī)溢流堰離開干燥系統(tǒng)進(jìn)入振動(dòng)篩篩選，不符合產(chǎn)品要求的大顆粒和團(tuán)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(jìn)行包裝。二級(jí)干燥蒸發(fā)的揮發(fā)份通過一級(jí)干燥機(jī)下料口進(jìn)入一級(jí)干燥機(jī)，與一級(jí)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(fù)壓從一級(jí)干燥機(jī)抽出進(jìn)入冷凝回收系統(tǒng)[2]。

圖2 聚乙烯醇漿葉干燥機(jī)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(jī)（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(jī)（翼式攪拌），翼式攪拌葉固定在干燥機(jī)內(nèi)的中心軸上。該型干燥機(jī)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(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)下，干燥機(jī)中心軸帶動(dòng)攪拌葉對(duì)PVA進(jìn)行攪動(dòng)，推動(dòng)PVA向前移動(dòng)，防止PVA長(zhǎng)期接觸干燥機(jī)內(nèi)壁而被過度干燥。當(dāng)PVA物料到達(dá)干燥機(jī)第三段的出口端時(shí)，通過位于干燥機(jī)出口端的最低位置的出口輸送機(jī)把PVA送出干燥機(jī)。PVA物料在干燥機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間是通過調(diào)整出口輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制的。臥式圓筒干燥機(jī)示意圖如圖3所示，該型干燥機(jī)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(jī)內(nèi)壁間隙為10 mm左右；干燥機(jī)總長(zhǎng)度為30 m，直徑為2.3 m；中心軸每圈攪拌葉數(shù)為3個(gè)；干燥機(jī)安裝斜度為2%。

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

臥式圓筒干燥機(jī)也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)：（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(jìn)行加熱的有效面積只有總面積的三分之一）；（2）干燥機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)軸通過聯(lián)軸節(jié)連在一起，存在聯(lián)軸節(jié)內(nèi)潤(rùn)滑脂漏出污染物料的風(fēng)險(xiǎn)；（3）PVA在干燥機(jī)內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)PVA的破損較大，影響PVA收率；（4）干燥機(jī)一段內(nèi)壁容易粘料，須人工進(jìn)入內(nèi)部清掃和檢修，且清掃一次干燥機(jī)內(nèi)部耗時(shí)較長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大[3]。

2 干燥機(jī)操作條件對(duì)PVA質(zhì)量的影響

干燥機(jī)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(diǎn)數(shù)和溶解性（結(jié)晶度）等指標(biāo)。在PVA干燥工藝操作中，重點(diǎn)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(jìn)入干燥機(jī)的物料參數(shù)變化主要包括干燥機(jī)內(nèi)溫、內(nèi)在量、真空度等。每一個(gè)操作條件都影響PVA的內(nèi)在及表觀質(zhì)量，但在運(yùn)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(huì)顧此失彼。故必須同時(shí)優(yōu)化幾個(gè)操作條件才能保證PVA的質(zhì)量和干燥機(jī)的合理運(yùn)行周期[1]。

2.1 干燥機(jī)內(nèi)溫對(duì)PVA質(zhì)量的影響

一般而言干燥機(jī)內(nèi)溫就是指PVA物料的溫度，較高的干燥機(jī)內(nèi)溫有利于揮發(fā)份的揮發(fā)。干燥機(jī)夾套的水蒸汽通過熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式對(duì)PVA進(jìn)行加熱，促使PVA中揮發(fā)份揮發(fā)，逐步達(dá)到質(zhì)量控制指標(biāo)的要求。干燥機(jī)每段溫度并不一致，均配有溫度監(jiān)測(cè)?？紤]到干燥機(jī)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(cè)并不直接控制；當(dāng)PVA到達(dá)干燥機(jī)三段時(shí)，PVA中絕大部分揮發(fā)份已排出，此時(shí)溫度能夠有效提高。故生產(chǎn)過程中干燥機(jī)的內(nèi)溫控制，通常是通過調(diào)節(jié)干燥機(jī)內(nèi)PVA最高溫度來控制揮發(fā)份。

在干燥PVA時(shí)，干燥機(jī)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(jī)一段內(nèi)溫度一般為50~80℃；二段溫度一般在60~100℃；到后段時(shí)，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(dá)到100℃以上。但當(dāng)PVA加熱到130~140℃時(shí)產(chǎn)品色澤變黃，在160℃長(zhǎng)期受熱時(shí)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(shí)會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。隨著PVA用途的廣泛增加，不同行業(yè)對(duì)PVA色度要求提出不同的控制指標(biāo)。PVA中的缺點(diǎn)數(shù)指在一定數(shù)量的PVA中非白色PVA的數(shù)量，干燥機(jī)內(nèi)溫高容易導(dǎo)致缺點(diǎn)數(shù)的增加。同時(shí)，干燥機(jī)內(nèi)溫高會(huì)使得PVA結(jié)晶度增高，延長(zhǎng)PVA使用時(shí)的溶解時(shí)間。綜上，干燥機(jī)內(nèi)溫不宜高于150℃[4]。

2.2 干燥機(jī)內(nèi)在量對(duì)PVA質(zhì)量的影響

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

2.3 干燥機(jī)真空度對(duì)PVA質(zhì)量的影響

干燥機(jī)的真空度是指干燥機(jī)內(nèi)壓（表壓）?？刂聘稍餀C(jī)的真空度有利于及時(shí)把PVA中的揮發(fā)性物質(zhì)從干燥機(jī)內(nèi)抽出，提升干燥效率。提高真空度可以縮短干燥時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。但PVA在干燥機(jī)干燥過程中，攪拌葉片不斷把PVA攪動(dòng)起來并向前推進(jìn)，對(duì)顆粒PVA有一定的破損作用，產(chǎn)生一定量的PVA細(xì)粉或小顆粒。當(dāng)真空度較高時(shí)，PVA細(xì)粉或顆粒也可能被抽出干燥機(jī)，進(jìn)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(duì)它進(jìn)行多級(jí)冷凝，當(dāng)PVA細(xì)粉或小顆粒進(jìn)入冷凝系統(tǒng)后，會(huì)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(shí)地把干燥機(jī)內(nèi)大量的甲醇、醋酸甲酯抽走，同時(shí)盡可能保留PVA細(xì)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(duì)不同品種的PVA產(chǎn)品，在實(shí)際生產(chǎn)過程中通過不斷的摸索和實(shí)驗(yàn)，目前干燥機(jī)內(nèi)壓一般控制在-100~-20 kPa[5,6]。

2.4 干燥條件對(duì)PVA缺點(diǎn)數(shù)的影響

PVA在進(jìn)入干燥機(jī)時(shí)含有微量的水，部分溶解的PVA容易粘連在設(shè)備上，當(dāng)干燥機(jī)內(nèi)壁溫度較高時(shí)，這種現(xiàn)象尤為明顯。隨著干燥機(jī)運(yùn)行周期的延長(zhǎng)，干燥機(jī)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(huì)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(yán)重影響產(chǎn)品品質(zhì)，還嚴(yán)重降低了傳熱效率，影響干燥機(jī)前段、中段PVA的干燥效果。因?yàn)楦稍餀C(jī)攪拌葉片與內(nèi)壁的間隙是一定的，當(dāng)內(nèi)壁上附著的“PVA鍋巴”累積到填滿干燥機(jī)攪拌葉片與內(nèi)壁間隙的厚度時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)把深淺不一的黃黑色“PVA鍋巴”從干燥機(jī)內(nèi)壁上刮下來。此時(shí)干燥機(jī)的攪拌電機(jī)負(fù)荷增加、電流升高，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致干燥機(jī)電機(jī)自動(dòng)斷電停止運(yùn)行。同時(shí)，刮下來的“PVA鍋巴”混入PVA產(chǎn)品中，導(dǎo)致產(chǎn)品PVA中缺點(diǎn)數(shù)增加變?yōu)閺U次品。因此必須對(duì)干燥機(jī)內(nèi)壁上附著的PVA進(jìn)行定期清除。

根據(jù)干燥機(jī)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，減少干燥機(jī)內(nèi)壁PVA的粘著量一般需考慮以下因素：（1）降低干燥機(jī)入口處PVA濕料的含水量；（2）適當(dāng)控制干燥機(jī)前段、中段夾套通入的水蒸汽溫度，干燥機(jī)前段、中段蒸汽溫度太高對(duì)干燥速率提升并不明顯，但會(huì)加速干燥機(jī)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(jī)在PVA生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用，通過控制干燥機(jī)操作參數(shù)調(diào)節(jié)PVA產(chǎn)品中揮發(fā)份含量的同時(shí)也影響PVA質(zhì)量。因此，干燥機(jī)是控制PVA質(zhì)量指標(biāo)、提高PVA品質(zhì)的關(guān)鍵設(shè)備。不論是槳葉干燥機(jī)還是臥式圓筒（翼式攪拌）干燥機(jī)都是PVA行業(yè)的傳統(tǒng)設(shè)備，有著各自的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和不足。設(shè)備的不足需要不斷地通過技術(shù)進(jìn)步來揚(yáng)長(zhǎng)避短，在實(shí)際生產(chǎn)過程中需不斷促使技術(shù)進(jìn)步和過程優(yōu)化，針對(duì)不同的PVA品種摸索出較為合適的工藝操作條件。同時(shí)，為使現(xiàn)有干燥機(jī)更好地運(yùn)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(dá)到要求，又能較好地滿足用戶對(duì)PVA溶解性、色度和缺點(diǎn)數(shù)的要求；（2）進(jìn)一步改變現(xiàn)有干燥機(jī)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(shí)現(xiàn)滿足PVA質(zhì)量指標(biāo)要求的同時(shí)，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(jī)內(nèi)壁PVA附著的機(jī)會(huì)，如延長(zhǎng)PVA物料在干燥機(jī)內(nèi)低溫區(qū)的停留時(shí)間、減少高溫區(qū)的停留時(shí)間、降低高溫區(qū)的干燥溫度等。