Способ увеличения заполняющей способности табака и устройство для его осуществления

 

Использование: в способах и устройствах для увеличения заполняющей способности табака. Сущность изобретения: табачный материал нарезанный и увлажненный транспортируется в потоке сушильного газа, сушится внутри трубопровода и после этого отделяется от сушильного газа. Сушильный газ имеет при вводе в линию сушки температуру не менее 200^oС и скорость течения не менее 30 м/с. Скорость течения сушильного газа в линии сушки уменьшается. При этом скорость течения сушильного газа при подаче в линию сушки не более 100 м/с. Внутри линии сушки для уменьшения локального коэффициента теплопередачи и локального коэффициента массопередачи между поверхностью табачного материала и окружающим сушильным газом с уменьшением скорости течения сушильного газа также уменьшают скорость течения табачного материала. В конце линии сушки сушильный газ имеет скорость течения не менее 15 м/с и температуру не более 130^oС. Устройство для увеличения заполняющей способности табака включает трубопровод, при этом площадь поперечного сечения выходного конца трубопровода в 3-5 раз превышает площадь поперечного сечения его входного конца. 2 с. и 12 з. п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к способу сушки для увеличения способности к заполнению табачного материала, а также к устройству для осуществления способа.

При технологически трудной сушке нарезанного табака в потоке, при которой подлежащий сушке табачный материал высушивается в потоке горячего сушильного газа, речь идет о том, чтобы обеспечить выполнение сочетания частично противоречивых, поставленных задач. Различные целевые задачи могут сводиться к трем группам, относящимся к свойствам продукта и к технологическим свойствам. Группа физических свойств продукта включает, в основном, целевые задачи, относящиеся к хорошей способности заполнения табаком, при относительно низком сопротивлении тяги у сигарет и малой деградации (этого свойства), что приводит к стабильности сигареты до конца курения. Химико-сенсорные свойства продукта образуют вторую группу, оптимум которой характеризуется высокой ароматичностью, малым влиянием ингредиентов и удовлетворительным вкусом дыма. Далее для оптимального осуществления процесса нужно представить в качестве третьей группы требования минимальной затраты энергии, а также с учетом защиты окружающей среды требование минимально возможной эмиссии газообразных отходов.

Отдельные поставленные задачи трех различных групп задач определяются, в основном, технологическими параметрами, представленными в нижеследующей таблице, а именно влагосодержание табака перед и после сушки, местные коэффициенты тепло- и массообмена между поверхностью табака и окружающим газом по время обработки и удельное тепло (содержание) сушильного газа.

Оптимальные физические свойства продукта достигаются благодаря относительной высокой влажности табака перед сушкой, причем в качестве отправной величины может служить действующий в практике верхний предел, приблизительно, 40% для резаных листов, относительно к влажному табаку, далее благодаря относительно небольшой влажности табака после сушки, благодаря максимально высоким локальным коэффициентам тепло- и массообмена во время обработки и максимально большому удельному теплосодержанию сушильного газа, что, например, может быть достигнуто благодаря высокому содержанию в нем водяного пара. Против этого требуют оптимальные химико-сенсорные свойства продукта, чтобы влажность табака перед сушкой составляла, как и для обычной влажности табака после резки, приблизительно 18-20% в отношении к исходному влажному (продукту), а влажность табака после сушки была не ниже, чем обычная влажность сигареты, т.е. приблизительно 12% снова в отношении к исходной влажности продукта. Теперь локальный тепло- и массообмен во время сушки должен быть минимальным; то же относится для того, чтобы избежать дистилляции с водяным паром к содержанию водяного пара в сушильном газе. Желательные технологические характеристики при, в особенности, минимальном загрязнении окружающей среды обеспечиваются благодаря минимально возможной температуре отходящего воздуха с минимальной разностью влажности табачного материала перед и после сушки, а также благодаря малому содержанию водяного пара в сушильном газе.

Известен способ уменьшения влагосодержания "раскрытого" табака, по которому "раскрытый" табак сушится горячим газом при температуре в диапазоне от приблизительно 340^оС приблизительно 510^оС в сушильной установке. Причем продолжительность пребывания внутри одной сушильной установки или нескольких установленных друг за другом установок назначается такой, что табачное изделие получается с влагосодержанием от приблизительно 3% до приблизительно 16% в отношении к весу на выходе из сушильной установки. В особенности температура сушильного газа внутри сушилки сохраняется постоянной приблизительно 510^оС.

Известен способ улучшения способности к заполнению табачного материала путем "раскрытия" табачного материала благодаря снижению давления и следующей за этим сушке до влажности, обеспечивающей пригодность к обработке. При этом табачный материал с влажностью табака 15-80% сушится до влагосодержания 2-16% относительно соответственно к влажному табачному материалу. Температура сушильного газа лежит между 50 и 1000^оС и составляет предпочтительно свыше 100^оС. Устройство для "раскрытия" табака при этом расположено до участка сушки и/или отдельно от участка сушки или соединено с ним в единый блок. Из-за чрезвычайно малой продолжительности пребывания подлежащего сушке табачного материала в устройстве для "раскрытия" сушкой внутри устройства для "раскрытия" можно пренебречь.

Известен следующий способ увеличения объема измельченных жилок табачных листьев путем пропитки пропиточным средством, содержащим по меньшей мере воду с последующим нагревом пропитанных частичек жилок табачных листьев газообразным, содержащим водяной пар сушильным агентом. Сушильный газ имеет температуру от приблизительно 105^оС до приблизительно 250^оС. Частички ребер табачных листьев транспортируются с помощью пневматической транспортной системы через зону раскрытия и зону сушки и по меньшей мере содержатся около 10 с в зоне раскрытия и сушки, а также высушиваются до конечной влажности по меньшей мере, 12,5 мас. Скорость транспортировки частичек ребер табачных листьев снижается, преимущественно, в вертикальном направлении в расширении поперечного сечения сушильной зоны до такой величины, что продолжают движение только те частицы, которые высушены до определенной степени сушки.

Известен способ для сушки и высушивания резаного табака, по которому табак вводится в трубопровод, через который направляется газовый поток с паром и воздухом со скоростью, большей, чем приблизительно, 30 м/с при температуре в диапазоне от приблизительно 260 до 370^оС. Трубопровод имеет продольную трубу с первым и вторым отрезком в тандемном исполнении, причем первый отрезок имеет меньшее поперечное сечение, чем второй, так что при протекании газа давление в этой зоне падает. Табак внутри этой трубы постоянно ускоряется без того однако, чтобы достигнуть скорости газового потока.

Относящиеся к современному техническому уровню способы для улучшения способности к заполнению табачного материала частично осуществляются таким образом, что табак пропитывается испаряемой жидкостью или сжиженным газом, например, водой, СО₂, органическим растворителем, фреоном и тому подобными веществами и это пропиточное средство после этого быстро испаряется или сублимируется. Эти способы обнаруживают однако тот недостаток, что хотя они создают раскрытый продукт с повышенной способностью к заполнению, однако полученная при этом структура табака не особенно стабильна. Напротив, например, для сигарет с этими продуктами наблюдается так называемый "Ноt Collaрse", благодаря чему описывается разрушение табачной структуры при выдувании дыма (при курении).

Известен способ увеличения способности к заполнению табачного материала путем так называемой "шоковой" обработки, по которому соответственно кондиционированный табачный материал сушится в потоке горячего и быстротекущего газа за очень короткое время, а именно меньше чем за 1 с. Путем этой шоковой обработки поверхность табака сушится за очень короткое время и образует таким образом защитную оболочку для еще влажной внутренней полости табака. С помощью этого способа могут быть достигнуты удовлетворительные физические свойства продукта, однако химико-сенсорные и экономическо-экологические требования большей частью остаются без внимания.

Поэтому задачей изобретения является создание способа и устройства однородного вида, в которых устраняются недостатки современного технического уровня; при этом в особенности должны улучшаться физические и химико-сенсорные свойства табачного материала для заполнения сигарет, а по особо предпочтительной форме осуществления изобретения обеспечивается минимальное загрязнение окружающей среды, связываемое с этим способом.

Достигнутые благодаря изобретенному способу преимущества базируются на том, что местный коэффициент теплопередачи и местный коэффициент массопередачи обрабатываемого, т. е. разрезанного и увлаженного табачного материала внутри (технологической) линии сушки, по которой направлен табачный материал для сушки в потоке горячего газа, постоянно падает во время ее прохода от очень больших значений в начале линии сушки и в на выходном (лежащем внизу по течению) конце лини сушки имеет только сравнительно малое значение. Благодаря этому, как и при уже упомянутой шоковой обработке, поверхность отрезанных единичных частичек табака очень быстро фиксируется, так что для еще влажного табачного материала создается оболочка, служащая как бы "корсетом". Затем однако при дальнейшем прохождении процесса сушки уменьшается конвенкция между поверхностью табака и окружающим его горячим газом благодаря замедлению скорости протекания этого горячего газа и в связи с этим уменьшается локальный коэффициент тепло- и массопередачи между табачным материалом и горячим газом. Это осуществление способа гарантирует, во-первых, то, что высушенная и зафиксированная вначале поверхность увеличенного при процессе увлажнения объема табачных волокон в процессе дальнейшей сушки остается сухой, хотя постоянно к этой фиксированной поверхности диффундирует влага из внутренней части волокна, а, с другой стороны, сушка проходит не так интенсивно, чтобы мог бы быть перегрет табачный материал и нежелательным образом могли бы быть изменены его вкусовые качества.

По изобретению для осуществления способа решающим является определение (назначение) максимальной скорости и максимальной температуры сушильного газа в конце линии сушки. При этом изобретенное задание такого технологического параметра на выходе должно рассматриваться в тесной связи со значениями тех же параметров при подводе в линию сушки. Пары значений определяющих способ параметров при подводе и в конце линии сушки являются результатом оптимизации процесса при проведении сушки табака при выполнении целевых задач в части физических и химико-сенсорных свойств продукта и в части экономии энергии, что, со своей стороны, способствует уменьшению вредного воздействия на окружающую среду. Предлагаемый способ отличается заданием пар значений в виде минеральных и максимальных значений в начале и в конце процесса сушки, в то время как известные из современного технического уровня способы в этом отношении остаются лишь довольно неопределенными и, в особенности, не задают такой существенный параметр способа (технологический параметр) для определенных мест внутри сушильной установки.

Далее может достигаться из-за относительно небольшого соотношения массы сушильного газа к массе табачного материала и из-за благодаря этому больших поверхностей для тепло- и массообмена быстрое падение температуры этого сушильного газа. Тем самым создается противодействие перегреву табака. Расход энергии при сушке может сохраняться небольшим, потому что количество подлежащего нагреву сушильного газа сравнительно мало и, как еще мы покажем дальше, c этим связываемая низкая температура сушильного газа в конце процесса сушки сокращает до минимума расход энергии. Целесообразным образом это соотношение масс сушильного газа к табаку устанавливается на значении между 1 и 3.

При изобретенном управлении способом составляет локальный коэффициент теплопередачи в начале сушки между 800 и 1000 Дж/см².КS, а в конце сушки между 120 и 180 Дж/см².SК. Локальный коэффициент массопередачи в качестве следующего существенного технологического параметра предпочтительно составляет от 1 до 2 м/с в начале и от 0,15 до 0,25 м/с в конце сушки.

В качестве величины, влияющей на локальные коэффициенты тепло- и массопередачи, является скорость течения горячего газа при проходе линии сушки от значения между 30 и 100 м/с, преимущественно, между 40 и 100 м/с до, максимально, еще 15 м/с, предпочтительно, до значения между 8 и 15 м/с.

Наряду со сравнительно высокой долей табака в потоке смеси из сушильного газа и табачного материала низкая температура сушильного газа способствует, как показывает короткое рассмотрение баланса энергии, поддерживанию на небольшой величине потери энергии. При пренебрежении потерями энергии на выделение в окружающую среду и на теплоту испарения ингредиентов табака энергия требуется, главным образом, для испарения содержащейся в табачном материале воды. Термический КПД, служащий для характеристики эффективности сушки, может быть представлен формулой Термический КПД Из баланса энергий получается подведенная энергия: m'C_p'Т_aus+ m_w h_w, где m количество отходящего газа; С_р средняя удельная теплоемкость отходящего газа; Т_аus температура сушильного газа в конце сушки; m_w испарившееся количество воды; h_w теплота испарения воды при 0^оС, так что для термического КПД получается: n_th= Видно, что термический КПД тем лучше, чем меньше количество и температура отходящего воздуха. В соответствии с изобретением температура отходящего воздуха должна быть установлена ниже 130^оС, преимущественно, от 100 до 130^оС. По предлагаемому способу, таким образом, могут быть достигнуты величины КПД до более 85% однако по меньшей мере 80%
Большая часть сушильного газа, отделенная в разделяющем устройстве, например, тангенциальном сепараторе или циклоне, от высушенного табака для уменьшения количества отходящего газа и/или расхода энергии рациональным образом нагревается с помощью генератора горячего газа с прямым или косвенным нагревом и снова подводится в контур для новой сушки. Чтобы сделать минимально возможным загрязнение окружающей среды за счет эмиссии отходящих газов, оставшаяся небольшая часть сушильного газа с распределенными в ней испарившимися ингредиентами табака в соответствии с изобретением обрабатывается в устройстве биологической очистки отходящих газов до совместимости с окружающей средой, причем инвестиционные затраты на них и эксплуатационные расходы приблизительно просто увеличиваются пропорционально количеству отходящего газа, подлежащего очистке.

На чертеже показано схематически изображение сушильного устройства, пригодного для осуществления изобретенного способа.

Через подвод 2 поступает нарезанный табачный материал в устройство 4 для увлажнения, к которому по подводящей магистрали 6 подается вода.

Устройство 4 для увлажнения, например, может быть образовано увлажняющим барабаном или увлажняющим туннелем. В устройстве 4 для увлажнения табачный материал доводится до влагосодержания от 18 до 40% относительно к (Feuchtbasis исходному влажному продукту). Благодаря следующему после этого процессу вспучивания увеличивается объем табачного материала. Результат этой влажной обработки может быть увеличен с помощью подачи водяного пара по магистрали 5.

После этого увлажненный табачный материал через герметичный шлюз 8 подается в пневматическую линию 12 сушки, которая состоит, в основном, из двух стоящих вертикально, соединяемых друг с другом участков 10, 14. В точке 9 загрузки линии 12 сушки табачный материал вводится в поток сушильного газа, который протекает через в представленном устройстве расположенную вертикально линию 12 сушки сверху вниз.

В точке 9 подвода температура сушильного газа, до этого нагретого в генераторе 20 горячего газа, составляет 200-600^оС, а его скорость течения 40-100 м/с. При этом имеет сушильный газ в точке 9 подвода содержание водяного пара 20-90 мас. а соотношение масс сушильного газа к табачному материалу здесь лежит между 1 и 3, причем эти значения рассчитываются по формуле
100 100 масспроценты
На основании высокой относительной скорости сушильного газа к табачному материалу в сочетании с высокой температурой сушильного газа, а также из-за содержания в нем водяного пара кратковременно в этом месте получается крайне высокий локальный тепло- и массообмен между сушильным газом и увлажненным табачным материалом. При этом устанавливается коэффициент теплопередачи до приблизительно от 800-1200 Дж/см² К, а коэффициент передачи массы до приблизительно от 1 до 2 м/с. Высокий тепло- и массообмен ведет к поверхностному высушиванию и фиксации разбухающего в процессе увлажнения объема табачных волокон. В ходе дальнейшего процесса сушки он так управляется, что, с одной стороны, поверхность табака остается сухой, чтобы избежать размягчения фиксированной поверхности благодаря дополнительно диффундирующей воды из внутренней части волокон, с другой стороны, сушка не должна быть слишком интенсивной, чтобы предупредить возможный перегрев и связанное с ним негативное влияние на вкусовые качества табака. Чтобы этого избежать, табачный материал в коротком первом участке 10 линии 12 сушки, который может быть выполнен в виде простого отрезка трубы, ускоряется до, приблизительно, скорости сушильного газа, лишь опережая или догоняя скорость осаждения табачных частиц. Благодаря уменьшающейся относительной скорости между сушильным газом и табачным материалом постоянно уменьшается тепло- и масообмен во время процесса ускорения, В присоединяющемся втором участке 14 линии 12 сушки замедлятся сушильный газ и вместе с ним табачный материал и благодаря этому дальше уменьшается конвекция на поверхности табака. Во время процесса замедления относительная скорость и, тем самым, тепло- и массообмен между горячим газом и табачным материалом непрерывно уменьшается с продолжающейся сушкой. С этой целью участок 14 линии 12 сушки имеет на своем выходном по потоку конце площадь поперечного сечения, которая в три-пять раз больше, чем площадь поперечного сечения участка 10. На этом выходном по направлению потока конце участка 14 устанавливается локальный коэффициент теплопередачи = 120 до 180 Дж/см² К и локальный коэффициент массопередачи 0,15 до 0,25 м/с, а также влажность табака от 12 до 15% относительно исходного влажного продукта (Feuchtbasis), температура сушильного газа от 100^оС до 130^оС и скорость сушильного газа 8-15 м/с.

Далее становится желательным уменьшение локальных коэффициентов тепло- и массопередачи внутри линии 12 сушки благодаря низкому отношению масс от 1 до 3 сушильного газа к табачному материалу и благодаря как следствие этого большей поверхности для тепло- и массообмена.

Для увеличения содержания водяного пара в сушильном газе водяной пар 27 может запитываться через запорный канал 31 дополнительно вв контур сушильного газа. Однако этого мероприятия можно избежать при тщательном уплотнении контура от подсасываемого через неплотности воздуха.

Теперь высушенный табачный материал с помощью разделительного устройства 16, например, циклона или тангенциального сепаратора отделяется от сушильного газа и выносится с помощью другого герметичного шлюза 18 из сушильного устройства 1.

Отделенный от табачного материала в разделительном устройстве 16 сушильный газ вентилятором 22 по магистрали 38, 42, 44 подводится к сепаратору 20 горячего газа и нагревается до первоначальной температуры сушильного газа 200-600^оС. Этот генератор 20 горячего газа может осуществлять по выбору нагрев непосредственно или косвенно, так что возвращенный по магистрали 44 поток сушильного газа может как смешиваться непосредственно с дополнительным горячим сушильным газом, так и нагреваться путем прямого теплообмена с пригодной нагревательной средой, причем горячий сушильной газ также может быть использован в качестве такой нагревательной среды.

Меньшая часть сушильного газа, а именно количество отходящего газа, подводится от места 36 вентилятором 24 через магистраль 26 и регулируемый клапан 30 к газоочистителю 28 и после этого к устройству 29 биологической очистки отходящего газа.

Формула изобретения

1. Способ увеличения заполняющей способности табака, включающий его сушку путем транспортирования нарезанного и увлажненного табака в потоке сушильного газа, который на входе в трубопровод подают с температурой не менее 200^oС и со скоростью не менее 30 м/с, затем внутри трубопровода скорость перемещения сушильного агента снижают, отличающийся тем, что на входе в трубопровод сушильный газ подают со скоростью не более 100 м/с, скорость перемещения сушильного газа снижают так, что в конце трубопровода она составляет не более 15 м/с, а температура сушильного газа не превышает 130^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальный коэффициент теплопередачи между поверхностью табачного материала и окружающим его сушильным газом в начале сушки составляет 800 - 1000 Вт/(м² К), а в конце - 120 - 180 Вт/(м² К).

3. Способ по пп. 1 или 2, отличающийся тем, что локальный коэффициент массопередачи в начале сушки равен 1 - 2 м/с, а в конце сушки - 0,15 - 0,25 м/с.

4. Способ по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что отношение массы сушильного газа к массе табачного материала во время сушки составляет 1 - 3.

5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что сушильный газ в конце трубопровода имеет скорость перемещения не менее 8 м/с.

6. Способ по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что снижают скорость перемещения табачного газа путем увеличения поперечного сечения трубопровода и/или уменьшения температуры.

7. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что сушильный газ в начале сушки содержит водяной пар в количестве 20 - 90 мас.%.

8. Способ по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что к сушильному газу подводят водяной пар.

9. Способ по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что температура сушильного газа на входе в трубопровод не превышает 600^oС, а в конце трубопровода - не менее 100^oС.

10. Способ по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что содержание влаги в табаке в начале процесса сушки составляет 18 - 40%, а высушенный табак содержит 12 - 15% влаги по отношению к влажному табачному материалу.

11. Способ по одному из пп.1 - 10, отличающийся тем, что термический КПД сушки составляет не менее 80%.

12. Способ по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что при отделении табачного материала от сушильного газа большую часть последнего повторно используют в процессе сушки, а меньшую подвергают биологической очистке.

13. Способ по одному из пп.1 - 12, отличающийся тем, что подлежащий подводу для процесса сушки сушильный газ предварительно нагревают до рабочей температуры в генераторе путем косвенного или непосредственного нагрева.

14. Устройство для увеличения заполняющей способности табака, включающее трубопровод для сушки и перемещения смеси сушильного газа и табака, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения выходного конца трубопровода в 3 - 5 раз превышает площадь поперечного сечения его входного конца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2