制絲過程蒸汽性質變化分析及對過程控制精度的影響

王正偉

（河南中煙工業有限責任公司許昌卷煙廠 河南 許昌 461000）

在煙絲加工過程中，根據工藝要求，煙絲的很多加工工序需要利用飽和蒸汽直接或間接的對煙片和煙絲進行加熱、除濕、加濕等。之所以利用飽和蒸汽，因為飽和蒸汽含有大量的潛熱，在利用飽和蒸汽控制煙絲水分及溫度過程中，蒸汽壓力只要穩定，換熱設備不會形成溫度梯度，并且飽和蒸汽壓力和溫度存在直接對應關系，通過調節蒸汽壓力，熱設備溫度容易得到精確控制。

飽和蒸汽利用前，往往需要經過減壓閥、調節閥、噴嘴等不同的調節設備。例如：烘絲機檢測來料煙絲的流量及水分波動的前饋信號和出口煙絲水分的反饋信號來控制調節閥開度，保證進入滾筒內的蒸汽壓力與給定的蒸汽壓力相等[1]。而這種通過控制蒸汽壓力控制滾筒溫度即控制煙絲出口水分的方式，是建立在蒸汽為飽和蒸汽的基礎之上的。對換熱設備和煙絲來說，飽和蒸汽的干度越高越好。實際上，對工藝要求更嚴格的生產過程，調節閥前飽和蒸汽適當含有水分，更有利于進入設備的蒸汽接近飽和蒸汽，即煙絲加熱、去濕過程更精確。

當蒸汽經調節閥、噴嘴等節流降壓后，蒸汽的壓力、溫度、體積等物理參數發生變化，隨調節閥前蒸汽中含水率的不同，節流后的蒸汽含水率會降低，出現三種可能：濕蒸汽、干飽和蒸汽、過熱蒸汽。

例：10bar（表壓）的飽和蒸汽，干度分別為95%、98%、99.5%、100%時，經減壓閥或調節閥后壓力降低到6bar（表壓），分別確定降壓后的干度。

表1 干飽和蒸汽焓值如下表[2]：

10bar壓力下干度95%蒸汽總焓值h1：

6bar壓力下干飽和蒸汽總焓值h2：

忽略閥門熱損失，由于降壓前蒸汽總焓值h1小于6bar壓力下干飽和蒸汽總焓值h2，因此降壓后蒸汽含有一定的水分，不會產生過熱蒸汽。設降壓后蒸汽焓值h3，干度為x，根據降壓前后蒸汽焓值相等，即

按照以上方法，同樣可得出10bar（表壓）飽和蒸汽的干度分別為98%、99.5%、100%時，經調節閥壓力降低到6bar（表壓）后的狀態，現將結果列于表2。

表2 飽和蒸汽降壓后狀態表：

由以上分析及計算可知，降壓后蒸汽的干度提高了。從干飽和蒸汽焓值表1可看出，干飽和蒸汽壓力小于約30bar時，干飽和蒸汽的總焓值隨壓力升高而升高，當壓力大于30bar時，總焓值開始降低。因此，壓力在30bar以下的飽和蒸汽在經過節流降壓后可能形成干飽和蒸汽或過熱蒸汽，過熱度隨節流前飽和蒸汽壓力、干度的升高而升高。

在制絲工藝中，會去除蒸汽中水分，如安裝汽水分離器，防止水分偏高對工藝設備的影響。而對于可能產生的過熱蒸汽的影響卻忽視了。過熱蒸汽主要有以下弊端：

1.過熱蒸汽較飽和蒸汽傳熱系數下降。同壓力的過熱蒸汽雖然溫度較飽和蒸汽溫度高，但由于飽和蒸汽傳熱系數可能是過熱蒸汽的數倍（隨過熱度及換熱方式等變化），因此換熱效率不如飽和蒸汽，例如：大氣壓下的飽和蒸汽導熱系數約是過熱蒸汽的一百多倍[2]；

2.過熱蒸汽換熱過程中產生較大的溫度梯度。在過熱蒸汽溫度降到飽和蒸汽溫度之前，過熱蒸汽比熱較低，會在換熱面上形成從高到低的溫度梯度。飽和蒸汽含有大量的潛熱，飽和蒸汽直接從飽和狀態放熱，因此溫度較穩定。

3.過熱蒸汽冷卻到飽和溫度前放出熱量少。由于過熱蒸汽從過熱狀態開始放熱，過熱蒸汽比熱小，具有熱焓少，而且，同樣壓力下的過熱蒸汽密度較飽和蒸汽密度低。

4.需要更多的換熱面積。在同樣的壓力下，換熱器交換同樣的熱量，飽和蒸汽降壓后形成的過熱蒸汽需要更大的換熱面積。

5.工藝可能出現煙絲水分損失或先損失后增加的狀況。如果直接用蒸汽加濕煙絲，在起初階段未達到飽和溫度之前，由于是過熱蒸汽只放熱不冷凝，煙絲水分會被吸收。如果蒸汽與煙絲接觸過程較長，當過熱蒸汽放熱變成飽和蒸汽后才開始冷凝，又出現加濕。這兩種狀況都對制絲過程質量控制造成不利影響。

6.過熱蒸汽溫度和壓力不是直接對應關系。過熱蒸汽溫度、壓力是獨立的物理參數，對于煙絲的溫濕度控制，特別是工藝過程精確控制存在困難。

值得思考的是：根據蒸汽的物理性質，控制閥后蒸汽為干飽和蒸汽是理想的控制標準，即煙絲溫濕度過程控制最精確、穩定。雖然出口煙絲溫濕度合格，但產生的過熱蒸汽對制絲工藝過程產生的影響是否會影響煙草的口感、品質。如果有影響，由于過熱蒸汽溫度高于對應壓力下的飽和蒸汽，是否可以檢測溫度和壓力對應參數的偏差，調節汽水分離器的分離精度或蒸汽流量，如效率100%的汽水分離器設旁通調節閥等技術手段；或者根據烘絲機等制絲設備給定的蒸汽壓力和調節閥前蒸汽的波動情況，直接檢測、控制調節閥前蒸汽含水率至合理，使節流減壓后的蒸汽最接近干飽和蒸汽，甚至為干飽和蒸汽，避免出現過熱蒸汽，是提升制絲工藝在線加工控制能力值得探討的問題。