专利名称：提高烟草材料填充力的干燥方法和实施该方法的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高烟草材料填充力的干燥方法和实施这一方法的装置。
在技术上复杂的烟丝流动干燥过程中，欲干燥的烟草材料在热干燥气流中干燥，其目的是将几个在某种程度上相互矛盾的工艺目标结合起来。从工艺技术的观点来看，最好的解决办法是使所要求的有关功能达到最佳值。这些不同的目标功能可以组合成与产品和工艺特点有关的三组。产品物理性能组主要包括的目标功能是良好的烟草填充力，同时香烟的抽吸阻力较小，破坏少，产生稳定的烟头。产品的化学感觉性质构成第二组，其最佳状态的特点在于芳香保持力高、对组分的影响小和烟的香味令人满意。最佳工艺要求的第三组是最低的能耗和从环境保护观点来看废气排放物最少。
三组不同目标的各个目标功能主要受下表所列的工艺参数支配，即干燥前后的烟草水分，处理期间烟草表面和周围干燥气体之间的局部传热及传质系数，以及干燥气体的比热。
要实现产品的最佳物理性能，求烟草在干燥前水分含量较高，原则上占湿重的40%应认为是实用的上限;还要求干燥后的烟草水分含量较低，在处理期间有最大可能的局部热交换和质量交换系数，以及干燥气体的比热尽可能高，这可以利用高水蒸汽含量来达到。相反，产物的最佳化学感觉性质要求干燥前的烟草水分基本上与通常的烟丝水分相当，约为湿重的18%至20%，而干燥后的烟草水分不少于通常的香烟水分，即12%左右(同样按湿重计)。在干燥期间，局部热交换和质量交换应保持尽可能地低;同样，为了防止蒸汽蒸馏，干燥气中的水蒸汽含量也应该保持尽可能地低。为减小环境污染，所要求的工艺特点是出口空气温度尽量低，烟草材料干燥前后的水分含量差尽量小，以及干燥气中水蒸汽含量低。
DE 34，41，649 A1叙述了一种减少膨胀的烟草水分含量的方法，在该方法中将膨胀的烟草在干燥机中用热气体在约340℃至约510℃的温度范围内干燥。选定烟草在一个或多个串联的干燥机内的停留时间，使所得烟草产品的水分含量约为干燥机输出产品重量的3%至6%。具体地说，干燥气体在干燥机内保持约510℃的恒定温度。
DE 31 47 846 A1公开了一种改进烟草材料填充力的方法，它是利用减压使湿润的烟草材料膨胀，接着干燥以处理水分。将水分含量为15%至80%的烟草材料干燥到水分含量为2%至16%，上述含量均相对于湿烟草材料而言。干燥气体的温度在50℃到1000℃之间，最好是100℃以上。一台膨胀装置安装在干燥区段的上游，它或是与该干燥区段分开，或是与其相连构成一个整体。由于所干燥的烟草材料在膨胀装置内的停留时间极短，所以它在膨胀装置本身内的干燥可以忽略。
另一种增加切碎的烟草叶脉体积的方法是用至少含有水的浸泡剂将其浸泡，随后用含水蒸汽的干燥气体将浸泡过的烟草叶脉加热，此方法见于DE 30 37 885 A1。干燥气的温度约为105℃至250℃。烟草叶脉部分用气动输送系统输送通过膨胀区和干燥区，在膨胀区和干燥区内至少停留约10秒，干燥成最终水分含量至少为12.5%重量。最好是使烟草叶脉部分在干燥区的横截面展宽区域内沿垂直方向的输送速度降低，于是仅仅那些已干燥到预定干燥度的部分才被进一步输送出来。
DE 32 46 513 A1叙述的一种干燥和疏松烟丝的方法中，将烟草引入一根导管，使带有蒸汽和空气的气流在约260℃至370℃的温度下以大于约30米/秒的流速流过导管。该导管包括一个由第一段和第二段串联而成的长管，第一段的横截面比第二段小，于是当气体流过时该区域内压力减小。烟草在该管内连续加速，但是达不到气流的速度。
在一些情形里，先有技术中改进烟草填充力的方法是这样进行的用可汽化的液体或液化气，例如水、CO2、有机溶剂、氟利昂等，将烟草浸泡，随后将浸泡剂迅速汽化或升华。但是这一方法的缺点是，虽然它提供了填充力增加的膨胀产物，但是所生成的烟草的结构不特别稳定。相反，用这些产物制成的香烟会有所谓的热崩解现象，这是指吸烟时烟草结构崩溃。
DE-PS-3 130 778公开了一种用所谓的冲击处理提高烟草材料填充力的方法，在该方法中将调理适当的烟草材料在快速流动的热气流中干燥很短时间，即，少于1秒钟。由于这种冲击式的处理，烟草表面在很短的时间内干燥，对仍然潮湿的烟草内部构成了某种保护层。虽然用此方法可以得到令人满意的产物物理性能，但是在化学感觉和经济/生态方面被大大忽略了。
因此，本发明的目的之一是提供在前序中谈到的那类方法和装置，其中排除了先有技术的缺点;具体地说，作为香烟填料使用的烟草材料的物理和化学感觉性质得到改进，在本发明的一项特别优选的实施方案中，由这一方法造成的环境污染被保持得尽量低。
本发明对提高烟草材料填充力的方法提出改进，在该方法中，潮湿的烟丝在干燥气体流中被输送，在管式干燥区段的干燥气体的温度至少为200℃，流速至少为30米/秒，干燥气体的流速在干燥区段内下降，本发明的改进是，干燥气体在进料装置处的流速至多为100米/秒，为了降低烟草材料表面与周围干燥气体之间的局部传热及传质系数，在降低干燥气体流速的同时，也降低了烟草材料在干燥区段内的流速，干燥气体在干燥区段末端处的流速至多为15米/秒，而干燥气体在干燥区段末端处的温度至多为130℃。
本发明还对进行该方法的装置提出改进，该装置包括用来传输干燥气体和烟草材料的混合物的管状干燥区段，本发明的改进是，干燥区段的下游端的横截面积为干燥区段上游端横截面积的3至5倍。
本发明的其它优越的实施方案公开于文后所附权利要求的特征之中。
本发明方法的优点在于，预处理的(即切断和潮湿的)烟草材料在干燥区段内于热气流中输运以进行干燥，当流经干燥区段时，烟草材料的局部传热和传质系数从干燥区段开始处的很高数值连续地减少到干燥区段下游端的较低数值。结果是，与上述的冲击式处理一样，各个烟丝的表面都被迅速固定，形成了一个壳层，对于仍然潮湿的烟草材料起着某种“胸衣”的作用。然后在进一步干燥的过程中，通过减慢热气体和烟草材料的流动速度使烟草表面与其周围的热气体之间的对流减小，结果减小了烟草材料和热气体之间的局部传热及传质系数。这一步骤首先保证了在浸湿过程中体积增大了的烟草纤维的最初干燥与固定的表面在进一步干燥时保持干燥，虽然水分从纤维内部连续地扩散到被固定的表面上;其次，它保证了干燥过程不会强烈到使烟草材料过热和对香味有不良影响。
根据本发明，这一步骤还取决于对干燥气在干燥区段末端处的最大速度和最高温度的规定。根据本发明，可以看出对于在干燥过程输出端处这些工艺参数的规定与在干燥区段开始处相同参数值密切相关。烟草要干燥成其性能满足以下目标保持产物的物理和化学感觉性质，并且符合节省能量的要求，从而减小对环境的污染。作为烟草性能最优化的结果，可以确定在干燥区段入口和出口端处支配此工艺的这些参数的数值对。本发明的这一方法的特色在于对干燥操作开始与结束处以最小值和最大值形式规定这些数值对，而已知的先有技术方法在这方面很不明确，特别是没有对干燥装置内的特定位置规定这些基本的工艺参数。
另外，由于干燥气与烟草材料的质量之比较低和由此引起的高的热交换及质量交换面积，所以能实现干燥气温度的快速下降。这进一步抵消了烟草的过热。因为要加热的干燥气的数量较小，所以干燥中的能耗可以保持很小，而且正如将要进一步解释的，干燥气在干燥过程末端处的低温将能耗降低到最小值。最好是，干燥气与烟草的质量比设定在1和3之间。
在本发明方法的一项对照中，在干燥开始处的局部传热系数处在800和1000焦耳/秒·米2·开之间，而在干燥的末端处在120和180焦耳/秒·米2·开之间。作为另一个基本工艺参数局部传质系数，最好是在干燥起始处为1到2米/秒，在末端处为0.15至0.25米/秒。
作为影响局部传热和传质系数的另一个量，热气体在流过干燥区段时的流速从30至100米/秒之间、最好是从40至100米/秒之间的某一数值，减慢到至多15米/秒，最好是在8至15米/秒之间。
除了干燥气和烟草材料的混合流动中的较高的烟草含量以外，对能量平等的简短讨论将会表明，干燥气在干燥之后的低温也有助于保持能耗较低。忽略散失到环境中的能量和汽化烟草成分的汽化热不计，所需的能量主要用于将烟草材料中含有的水汽化。用来表征干燥效率的热效率可以用以下公式表示汽化的水量×汽化热供给的能量根据能量平衡，供给的能量等于mcpTo+△mwhw其中，m出口的气体量cp出口气体从0℃到Tout的平均比热容Tout干燥末端处的干燥气温度△mw汽化的水量hw在0℃下的汽化热。
于是，对于热效率采用下式nth= (△mωhω)/(mcpTout+ △mωhω)从这一简单的估算中显然可见，出口气的量和温度越低，热效率越好。根据本发明，出口空气的温度设定成低于130℃，最好是从100℃至130℃。根据本发明，热效率可以达到85%，肯定不低于80%。
为了有利地减少出口气量和/或能耗，可以将用切向分离器或旋风分离器从干燥过的烟草中分离出的大部分干燥气在热气体发生器中直接或间接地加热，并且再循环供干燥用。为了减少出口气体排放物造成的环境污染，将其中分散着汽化的烟草组分的小部分干燥气以环境上适合的方式在废气生物净化装置中进行处理，其投资和操作费用基本上正比于欲净化的出口气量而增加。
本发明的其它特点和用本方法可以得到的好处将从对本发明一项优选实施例和附图的说明中变得显而易见，其中，
图1表示了适合实施本发明方法的干燥装置的示意说明。
烟丝通过供料管2进入湿化装置4，水通过供水管6加入湿化装置4。
例如可以利用湿鼓或湿通道构成湿化装置4。在湿化装置4中，烟草材料的水分含量按湿重计达到18%至40%。由于随后的溶胀过程，烟草材料体积增加。这种湿化处理的结果可以借助于蒸汽5进一步得到改进。
然后将湿化的烟草材料通过一个气密闸8送入气动干燥区段12中。干燥区段12主要由两个垂直的相互连接的部分10和14组成。在干燥区段12的入口9处，将烟草材料引入到干燥气流中，该气流从所画装置中垂直的干燥区段12的顶部流到底部。除了这里所说明的烟草材料和干燥气于其中向下流动的方法之外，这一干燥区段原则上可以采取想要的任何取向。
在装料点9，预先在热气发生器20中加热的干燥气的温度为200℃至600℃，流速为40至100米/秒。在装料点9，干燥气的水蒸汽含量为20%至90%(质量)，干燥气与烟草材料的质量比在1和3之间，这些数值按下式计算(烟草材料的质量流量)/(热气体的质量流量) ×100＝质量%由于干燥气的速度比烟草材料高，以及干燥气的高温和水蒸汽含量，所以此时在短时间内造成了干燥气和湿烟草材料之间的极高的局部热交换和质量交换。所造成的传热系数α约为800至1200焦耳/米2·开，传质系数β约为1至2米/秒。高的传热与传质系数导致在湿化工艺中形成的体积溶胀的烟草纤维表面干燥和固定。在进一步的加工过程中以这样一种方式控制干燥，首先，烟草表面保持干燥从避免由于随后的纤维内部水的扩散造成已固定表面的软化，其次，干燥得不太强烈，以防止任何过热和对烟草香味产生不利影响。为此，在干燥区段12的较短的第一部分10中(可以做成简单的管状物件)，烟草材料被加速到与干燥气体的速度相近，仅仅由于烟草粒子的下沉而超前或拖后。由于干燥气和烟草材料之间的相对速度减小，在加速操作期间热交换和质量交换连续减小。在相连结的干燥区域12的第二部分14中，干燥气和烟草材料一起都减慢速度，从而使烟草表面处的对流进一步降低。在减慢操作期间，烟草材料和热气体之间的相对速度以及传热和传质都随干燥的进行而连续减小。为此，干燥区段12的部件14在其下游端的横截面积为部件10横截面积的3至5倍。结果是，在部件14的下游端，局部传热系数α＝120至180焦耳/秒·米2·开，局部传质系数β＝0.15至0.25米/秒，烟草水分含量为湿重的12%至15%，干燥气的温度100至130℃，速度为8至15米/秒。
另外，干燥气与烟草的从1至3的低质量比和因此造成的高的传热及传质面积，促进了在干燥区段12内的局部传热及传质系数的减小。
为了增加干燥气中的蒸汽含量，可以通过关闭阀31向干燥气循环管路中补充加入水蒸汽27。但是，通过仔细密封循环管道以防止空气渗入可以免去这一步骤。
此时利用分离装置16，例如旋风分离器或切向分离器，将干燥的烟草材料从干燥气体中分离出去，经过另一个气密闸18排放出干燥装置1。
在分离装置16中的与烟草材料相分离的干燥气经过鼓风机22和导管38、42、44通入到热气体发生器20中，加热到最初的干燥气温度200℃至600℃。这一热气体发生器20可以任选地直接加热或间接加热，以便使经过导管44流回来的干燥气可以直接与补充的热干燥气相混合并且通过与合适的加热介质的直接热交换而被加热，而且热干燥气也可以作这种加热介质使用。
一小部分干燥气，即，出口气，在位置36处用鼓风机24经由排气导管29和控制阀30通入到气体净化器28中，然后输往废气生物清洗装置29。
权利要求
1.一种提高烟草材料填充力的干燥方法，其中a)切断和潮湿的烟草材料在干燥气流中输送，在管状干燥区段内干燥，然后与干燥气分离，b)干燥气在进入干燥区段的进料装置内的温度至少为200℃，流速至少为30米/秒，和c)干燥气的流速在干燥区段内降低，其中d)干燥气在进料装置处的流速至多为100米/秒，e)为减小烟草材料的表面和周围干燥气之间的局部传热系数和局部传质系数，在降低干燥气流速的同时，烟草材料在干燥区段内的流速也降低；f)干燥气在干燥区段末端处的流速至多为15米/秒；和g)干燥气在干燥区段末端处的温度至多为130℃。
2.根据权利要求1的方法，其中在干燥开始处的局部传热系数为800至100焦耳/秒·米2·开，在干燥末端处为120至180焦耳/秒·米2·开。
3.根据权利要求1的方法，其中在干燥开始处的局部传质系数为1至2米/秒，在干燥末端处为0.15至0.25米/秒。
4.根据权利要求1的方法，其中在干燥期间干燥气与烟草材料的质量比为1到3。
5.根据权利要求1的方法，其中干燥气在干燥区段末端处的流速至少为8米/秒。
6.根据权利要求1的方法，其中利用横截面展宽和/或降低温度使干燥气与烟草材料混合物的流速减慢。
7.根据权利要求1的方法，其中局部传热系数和局部传质系数的减小在不到1秒钟内发生。
8.根据权利要求1的方法，其中干燥气在干燥开始处的水蒸汽含量为20%至90%(质量)。
9.根据权利要求1的方法，其中最好是向干燥气中加入水蒸汽。
10.根据权利要求1的方法，其中干燥气在干燥区段开始处的温度至多为600℃，在干燥区段末端处的温度至少为100℃。
11.根据权利要求1的方法，其中烟草在干燥开始时的水分含量为18%至40%，干燥过的烟草的水分含量为12%至15%，两种情形的百分数均相对于湿的烟草材料。
12.根据权利要求1的方法，其中干燥的热效率至少为80%。
13.根据权利要求1的方法，其中在干燥后将干燥气与烟草材料的混合物分离开，大部分干燥气送回到干燥操作，而且最好是将少部分干燥气在废气生物净化装置中净化。
14.根据权利要求1的方法，其中将输送干燥操作中的干燥气在热气体发生器中加热到它的工作温度，热气体发生器可以任选地直接加热或间接加热。
15.一种实施权利要求1的方法的装置，其中包括用来输运干燥气和烟草材料混合物的管状干燥区段，干燥区段下游端的横截面积是其上游端模截面积的3至5倍。
全文摘要
提高烟草材料填充力的干燥方法，是将潮湿的烟丝在干燥气流中输送，在管形干燥区段内干燥，然后与干燥气体分离。干燥气在进入干燥区段的进料口处的温度至少为200℃，流速至少为30米/秒；干燥气在干燥区段进料口处的流速至多为100米/秒。在干燥区段内降低烟草材料和周围干燥气体间的局部传热和局部传质系数，在降低干燥气的流速的同时，降低烟草材料的流速。在干燥区段的末端处，干燥气的流速至多为15米/秒，温度至多130℃。
文档编号A24B3/18GK1070320SQ9210408
公开日1993年3月31日 申请日期1992年5月27日 优先权日1991年5月27日
发明者W·西尔什, A·微斯, E·里特邵斯, G·朱尼蔓, C·H·科尼, I·跑特科, F·舒乐赫恩, H·山姆尔, W·J·斯东 申请人:英-美烟草有限公司