烘缸上的纸页受热后,纸页中的水分由液相变为气相。在传统的干燥条件下,这种相的改变,所需热量为2290KJ/kg。大多数蒸发作用是在烘缸间的开放引纸区进行的。蒸发过程可用普通传质方程式表示。
下图显示在高速纸机旋转接头内烘缸间引纸的剖视图。纸页蒸发作用按基本传质方程式列示如下:
Evpa=K*A*(Ps-Pa)
K——传质系数(纸页表面空气膜的阻力大小)
A——蒸发面积(视引纸的长度而定),m²
Ps——纸页中水的水汽压力。Ps
Pa——纸页周围空气中的水汽分压,Pa
由于传统干燥部的布置形式,很难减少伴随着纸页的界面层空气的阻力(K)。现在还没有办法可以“冲洗”掉界面层而又不干扰纸页或不造成烘缸袋区内的阻塞。
纸页中水分的水汽压力,直接与纸页温度有关。纸页温度是传热过程与蒸发过程之间的联系点。有效的传热提高了纸页温度,并提高了纸页中水分的水汽压力(Ps),在从纸页中蒸发水分时,纸页温度下降。
纸页周围空气中的水汽分压直接与空气的绝对湿度有关。烘缸袋区的高湿度提高水汽分压和降低蒸发作用。与透气性良好的干毯相关的袋通风系统,其功用就是向袋区引入干热的空气,并“冲洗”袋区内的湿空气。袋区湿度要经常测定。推荐的袋区湿度如下表所示。
一般袋区湿度若高于表列的数据,将严重影响蒸发作用。袋通风效率降低或干毯透气度降低,时造成袋区高湿度的主要原因。造纸工作者还必须经常解决好干毯透气度与纸页稳定性之间的矛盾。高透气度干毯将大量空气吸入袋区,在高抄速下对纸页造成干扰。低透气度干毯可阻滞进入袋区的气流,但使袋区湿度增加,蒸发效率降低。
一、干燥变数的影响
影响干燥部效率的基本变数很多。这些变数都假设烘缸几何形状固定和蒸汽温度不变。
各种干燥变数对烘缸总效率影响的估计数字见下图。该图只给出了各种变数总影响的一般性指数值。由于变数跟许多不同的机器几何形状及条件之间的相互关系,要准确判定其影响是很困难的。
二、干燥区
干燥部中个点的干燥速率不同。下图表示纸张典型的干燥曲线。
纸页开始进入干燥部时的温度低于蒸发所需的温度。烘缸必须将纸页中的纤维和水分加热到蒸发温度。此段称为“纸页加热区”。纸页加热区的位置通常在第一至第四个烘缸,视纸页初温、烘缸蒸汽压力、纸页水分含量和纸页定量而定。
纸页蒸发作用一直持续最高速率,然后进入“恒速干燥区”。恒速区的蒸发速率很高。在该区内很容易蒸发掉游离水。
下一个干燥区为“降速干燥区”。在该区中纸页表面不在存在游离水。纸页中大量的孔隙的失水而持续降低。要确定纸页在哪一点进入降速区是很难的。在该区前期蒸发速率很高,接近恒速区水平。在该区域的恒速与降速段的区别很小。
最后一小部分残存水很难去除,蒸发速率极低。许多纸机都将纸张干燥到低于规定的水分含量。如果纸页横幅水分不均,抄纸工就采取这个办法。以纸幅过度干燥来“拉平”横幅水分分布。但这样做将浪费干燥能力和增加能耗。纸页过度干燥很难除去纸页中水分,而却可能损失掉直至10%的纸机总干燥能力。较好的解决办法是找出横幅水分波动的原因。
三、不同纸种的干燥速率
能够预测一定纸机和纸种的干燥速率是很有用的。干燥速率随纸和配比条件而变化。TAPPI收集了北美许多纸厂的干燥数据。这些数据按不同纸种进行分类并绘制成曲线。典型的TAPPI干燥速率曲线示于下图。
干燥速率以kg蒸发水h-1.m-2总干燥面积表示。蒸汽温度是烘缸内加权平均饱和蒸汽温度。
好坏纸机之间的干燥速率差别很大。这主要是由于纸机的结构和装备不同所致。
四、干燥能耗
干燥部蒸汽使用在纸页加热、蒸发、空气加热、不凝气排出和排汽上。上面表标出这些部分每个单向的耗热值。
蒸发所需的热量基本是固定的,在传统干燥部要想改进很不容易,视纸机使用的白水温度而定。如果在进干燥部前使用喷气器,则纸页入口温度可以很高。
空气加热方面往往可以大量节约干燥能耗。应该将加热的空气送入干燥部以携走被蒸发的水分。也可利用烘缸散失的辐射热来加热空气。烘缸罩和空气系统的状况对空气加热用的能耗影响很大。设计不良时,其能耗可高达700KJ/kg蒸发水。
不凝气(如空气)可在干燥部积聚,并使传热效率受到损失。必须从系统中排出少量蒸汽以防止不凝气的积聚。设计不好时,其能耗可高到465KJ/kg蒸发水。
虽然良好的烘缸排水系统绝不应用排放蒸汽来维持烘缸内的压差,但很多纸机习惯将蒸汽排放到冷凝器或大气中。这是非常糟糕的做法。因为排放损失的能耗可高达1160KJ/kg蒸发水,必须使用专用的高速纸机旋转接头和CSS虹吸器来解决,也是造纸行业比较环保科学的办法之一。