制丝过程蒸汽性质变化分析及对过程控制精度的影响

王正伟

（河南中烟工业有限责任公司许昌卷烟厂 河南 许昌 461000）

在烟丝加工过程中，根据工艺要求，烟丝的很多加工工序需要利用饱和蒸汽直接或间接的对烟片和烟丝进行加热、除湿、加湿等。之所以利用饱和蒸汽，因为饱和蒸汽含有大量的潜热，在利用饱和蒸汽控制烟丝水分及温度过程中，蒸汽压力只要稳定，换热设备不会形成温度梯度，并且饱和蒸汽压力和温度存在直接对应关系，通过调节蒸汽压力，热设备温度容易得到精确控制。

饱和蒸汽利用前，往往需要经过减压阀、调节阀、喷嘴等不同的调节设备。例如：烘丝机检测来料烟丝的流量及水分波动的前馈信号和出口烟丝水分的反馈信号来控制调节阀开度，保证进入滚筒内的蒸汽压力与给定的蒸汽压力相等[1]。而这种通过控制蒸汽压力控制滚筒温度即控制烟丝出口水分的方式，是建立在蒸汽为饱和蒸汽的基础之上的。对换热设备和烟丝来说，饱和蒸汽的干度越高越好。实际上，对工艺要求更严格的生产过程，调节阀前饱和蒸汽适当含有水分，更有利于进入设备的蒸汽接近饱和蒸汽，即烟丝加热、去湿过程更精确。

当蒸汽经调节阀、喷嘴等节流降压后，蒸汽的压力、温度、体积等物理参数发生变化，随调节阀前蒸汽中含水率的不同，节流后的蒸汽含水率会降低，出现三种可能：湿蒸汽、干饱和蒸汽、过热蒸汽。

例：10bar（表压）的饱和蒸汽，干度分别为95%、98%、99.5%、100%时，经减压阀或调节阀后压力降低到6bar（表压），分别确定降压后的干度。

表1 干饱和蒸汽焓值如下表[2]：

10bar压力下干度95%蒸汽总焓值h1：

6bar压力下干饱和蒸汽总焓值h2：

忽略阀门热损失，由于降压前蒸汽总焓值h1小于6bar压力下干饱和蒸汽总焓值h2，因此降压后蒸汽含有一定的水分，不会产生过热蒸汽。设降压后蒸汽焓值h3，干度为x，根据降压前后蒸汽焓值相等，即

按照以上方法，同样可得出10bar（表压）饱和蒸汽的干度分别为98%、99.5%、100%时，经调节阀压力降低到6bar（表压）后的状态，现将结果列于表2。

表2 饱和蒸汽降压后状态表：

由以上分析及计算可知，降压后蒸汽的干度提高了。从干饱和蒸汽焓值表1可看出，干饱和蒸汽压力小于约30bar时，干饱和蒸汽的总焓值随压力升高而升高，当压力大于30bar时，总焓值开始降低。因此，压力在30bar以下的饱和蒸汽在经过节流降压后可能形成干饱和蒸汽或过热蒸汽，过热度随节流前饱和蒸汽压力、干度的升高而升高。

在制丝工艺中，会去除蒸汽中水分，如安装汽水分离器，防止水分偏高对工艺设备的影响。而对于可能产生的过热蒸汽的影响却忽视了。过热蒸汽主要有以下弊端：

1.过热蒸汽较饱和蒸汽传热系数下降。同压力的过热蒸汽虽然温度较饱和蒸汽温度高，但由于饱和蒸汽传热系数可能是过热蒸汽的数倍（随过热度及换热方式等变化），因此换热效率不如饱和蒸汽，例如：大气压下的饱和蒸汽导热系数约是过热蒸汽的一百多倍[2]；

2.过热蒸汽换热过程中产生较大的温度梯度。在过热蒸汽温度降到饱和蒸汽温度之前，过热蒸汽比热较低，会在换热面上形成从高到低的温度梯度。饱和蒸汽含有大量的潜热，饱和蒸汽直接从饱和状态放热，因此温度较稳定。

3.过热蒸汽冷却到饱和温度前放出热量少。由于过热蒸汽从过热状态开始放热，过热蒸汽比热小，具有热焓少，而且，同样压力下的过热蒸汽密度较饱和蒸汽密度低。

4.需要更多的换热面积。在同样的压力下，换热器交换同样的热量，饱和蒸汽降压后形成的过热蒸汽需要更大的换热面积。

5.工艺可能出现烟丝水分损失或先损失后增加的状况。如果直接用蒸汽加湿烟丝，在起初阶段未达到饱和温度之前，由于是过热蒸汽只放热不冷凝，烟丝水分会被吸收。如果蒸汽与烟丝接触过程较长，当过热蒸汽放热变成饱和蒸汽后才开始冷凝，又出现加湿。这两种状况都对制丝过程质量控制造成不利影响。

6.过热蒸汽温度和压力不是直接对应关系。过热蒸汽温度、压力是独立的物理参数，对于烟丝的温湿度控制，特别是工艺过程精确控制存在困难。

值得思考的是：根据蒸汽的物理性质，控制阀后蒸汽为干饱和蒸汽是理想的控制标准，即烟丝温湿度过程控制最精确、稳定。虽然出口烟丝温湿度合格，但产生的过热蒸汽对制丝工艺过程产生的影响是否会影响烟草的口感、品质。如果有影响，由于过热蒸汽温度高于对应压力下的饱和蒸汽，是否可以检测温度和压力对应参数的偏差，调节汽水分离器的分离精度或蒸汽流量，如效率100%的汽水分离器设旁通调节阀等技术手段；或者根据烘丝机等制丝设备给定的蒸汽压力和调节阀前蒸汽的波动情况，直接检测、控制调节阀前蒸汽含水率至合理，使节流减压后的蒸汽最接近干饱和蒸汽，甚至为干饱和蒸汽，避免出现过热蒸汽，是提升制丝工艺在线加工控制能力值得探讨的问题。