卷煙原料干燥動力學(xué)分析

摘要：利用煙草熱濕處理特性在線分析裝置，考察了上部（B2F）、中部（C3F）和下部（X2F）3種部位卷煙原料在不同溫度下含水率隨時間的變化規(guī)律。利用Matlab軟件對方程進行非線性擬合，建立了卷煙原料干燥動力學(xué)方程，通過方程計算得到表征卷煙原料干燥特性的參數(shù)，同時對比分析了不同卷煙原料干燥特性的差異。結(jié)果表明，Midilli and Kucuk方程MR=aexp（-ktn）+bt動力學(xué)模型可較好地描述卷煙原料的干燥過程，試驗值與計算值相關(guān)性較好。

關(guān)鍵詞：卷煙原料；對流干燥；動力學(xué)特性

中圖分類號：TS452 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）23-5788-03

干燥動力學(xué)是指在干燥過程中物料含水率隨時間在各種條件下的變化規(guī)律，其影響因素主要包括兩個方面：一方面是干燥介質(zhì)的性質(zhì)，如熱空氣的溫度、濕度、氣速等；另一方面是物料本身的性質(zhì)，如化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形狀和大小等。通過干燥動力學(xué)的研究，可以確定物料中水分與處理時間的關(guān)系，得到干燥介質(zhì)和物料特性對干燥過程的影響規(guī)律，通過控制干燥過程的工藝參數(shù)達到控制干燥過程以實現(xiàn)對質(zhì)量控制的目的。卷煙原料屬于膠體毛細多孔介質(zhì)[1-6]，關(guān)于多孔介質(zhì)的傳熱傳質(zhì)理論研究發(fā)展非常迅速[7-10]。國內(nèi)外學(xué)者在多孔介質(zhì)干燥領(lǐng)域做了很多的研究工作，對干燥過程的質(zhì)傳遞機理提出了重力、濃度梯度、溫度梯度及壓力梯度這4種質(zhì)傳遞推動力及包括力學(xué)流動和毛細流動在內(nèi)的8種質(zhì)遷移機理[10]。隨著中式卷煙特色工藝研究的深入，加強卷煙原料加工特性研究，提升卷煙原料使用價值、實現(xiàn)精細化加工和分組加工，以及計算機模擬卷煙加工過程等，更加需要這方面的研究成果來提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，優(yōu)化加工工藝，指導(dǎo)卷煙生產(chǎn)。

研究利用煙草熱濕處理特性在線分析裝置[11]，進行卷煙原料對流干燥的動力學(xué)分析。通過此項工作的開展，可以建立研究卷煙原料干燥動力學(xué)的基本方法和試驗裝置，深入認(rèn)識卷煙原料干燥過程的傳熱傳質(zhì)特性，對比分析不同卷煙原料干燥特性的差異，為特色工藝精細化加工和分組加工及計算機模擬提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，并有助于優(yōu)化卷煙加工工藝參數(shù)。

1 材料及方法

1.1 樣品與試驗裝置

試驗選用上部煙（B2F）、中部煙（C3F）和下部煙（X2F）等3種部位煙葉作為研究對象，利用自制煙草熱濕處理特性在線分析裝置（鄭州煙草研究院提供）對卷煙原料干燥特性進行分析。

1.2 試驗條件

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品前處理 將原煙抽梗后切絲（切絲前水分含量為12%，切絲寬度1 mm）；對制得的煙絲樣品噴灑一定量去離子水（噴灑后煙絲水分含量為40%），然后放入恒溫恒濕室（溫度25 ℃、相對濕度60%）內(nèi)平衡水分；將平衡水分后的樣品密封儲存，備用。

把Midilli and Kucuk 方程代入65 ℃不同部位煙葉的相對含水率，圖2是關(guān)于同一溫度下不同部位煙葉的干燥速率，由圖2中曲線可以直觀地看出卷煙原料整體的干燥特性。降速階段：此階段是卷煙原料干燥的主要階段。具體表現(xiàn)為卷煙原料平均含水率變化由較快逐步過渡到非常緩慢，干燥速率逐漸減小。滯速階段：此階段具體表現(xiàn)為卷煙原料平均含水率變化非常緩慢，平均含水率趨近于平衡含水率，干燥速率趨近于零。上部煙（B2F）含水率變化是最慢的，而中部煙（C3F）和下部煙（X2F）的含水率變化在不同的時間段變化不同，下部煙（X2F）在干燥開始階段干燥速率高于中部煙（C3F），但是當(dāng)經(jīng)過一段時間的干燥，下部煙（X2F）的干燥速率又小于中部煙（C3F）。

2.2 同一部位煙葉不同溫度下方程的擬合情況

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)Midilli and Kucuk方程在不同溫度下比其他幾個方程擬合得好，但是方程比較復(fù)雜，參數(shù)最多有3個，不容易找出參數(shù)與試驗條件（溫度T）的規(guī)律性。

把Midilli and Kucuk 方程代入上部煙的相對含水率，圖4是關(guān)于不同溫度下同一部位煙葉的干燥速率。從圖4可以證明試驗數(shù)據(jù)是符合函數(shù)的，也反過來證明函數(shù)可以有效地說明干燥動力學(xué)的特性，在干燥過程中的確是分為兩個階段。還可以從圖4中直觀地看出各個溫度下相對含水率的變化率大小為：65 ℃<75 ℃<85 ℃<95 ℃。

3 小結(jié)與討論

Yoshihido等[12]采用小型煙葉干燥試驗機進行煙葉復(fù)烤試驗時發(fā)現(xiàn)，煙片的干燥速率與熱風(fēng)溫度、風(fēng)速呈正相關(guān)，與鋪葉厚度、氣流濕度呈負相關(guān)，煙片本身的特性對其干燥速率也有一定的影響。劉峘[13]在對復(fù)烤過程中煙片干燥特性進行研究時也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。堵勁松等[14]在研究溫濕度對白肋煙烘焙質(zhì)量的影響時指出，干燥區(qū)氣流濕度對白肋煙處理質(zhì)量有重要的影響，對不同質(zhì)量特點的白肋煙應(yīng)采用不同的溫濕度進行加工處理。李善蓮[5]對煙葉熱風(fēng)對流干燥研究時進一步指出，隨著熱風(fēng)溫度的增大，煙葉干燥速率加快，煙葉表面溫度上升加快；隨著熱風(fēng)濕度的提高，煙葉干燥速率減慢，煙葉表面溫度上升加快。

動力學(xué)分析結(jié)果表明，卷煙原料干燥特性曲線（干基含水率隨時間的變化曲線）可以直觀反映其干燥特性，卷煙原料對流干燥過程分為降速段、滯速段，可由干燥速率變化情況驗證此點。卷煙原料在不同的溫度條件下具有不同的干燥特性，但是都可以用Midilli and Kucuk方程來整體描述其干燥特性。用干燥速率表征不同樣品干燥特性的差異，上部煙（B2F）含水率變化最慢，干燥速率最小。而中部煙（C3F）和下部煙（X2F）的含水率變化在不同的時間段變化不同，下部煙（X2F）在干燥開始階段干燥速率高于中部煙（C3F），但是當(dāng)經(jīng)過一段時間的干燥后，下部煙（X2F）的干燥速率又小于中部煙（C3F）。

總之，不同部位的卷煙原料干燥特性存在一定差異，用干燥速率表征不同部位卷煙原料干燥特性的差異，干燥速率隨著溫度的升高呈線性增大。另外，通過對干燥特性曲線的觀察得知，卷煙原料對流干燥過程分為降速段、滯速段，不存在恒速干燥階段或者恒速干燥時間很短。建立了卷煙原料對流干燥過程質(zhì)傳遞的動力學(xué)分析方法，都可以用Midilli and Kucuk方程來整體描述其干燥特性。

參考文獻：

[1] 潘永康.現(xiàn)代干燥技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[2] 姚玉英.化工原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999.

[3] 國家煙草專賣局.卷煙工藝規(guī)范[M].北京：中央文獻出版社，2003.

[4] 《卷煙工藝》編寫組.卷煙工藝[M].北京： 北京出版社，1993.

[5] 李善蓮.煙葉對流干燥特性的實驗研究[D].鄭州：鄭州煙草研究院，2004.

[6] 閆克玉.煙草化學(xué)[M].鄭州：鄭州大學(xué)出版社，2002.

[7] 劉相東，楊彬彬.多孔介質(zhì)干燥理論的回顧和展望[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，10（4）：81-92.

[8] 解 俊.多孔介質(zhì)（煙絲）干燥過程熱濕遷移特性研究與計算機模擬[D].南京：東南大學(xué)，2001.

[9] 蔡 亮.作物類生物材料對流干燥過程的理論與實驗研究[D].南京：東南大學(xué)，2002.

[10] 陶斌斌.多孔介質(zhì)對流干燥傳熱傳質(zhì)機理的研究及其數(shù)值模擬[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2004.

[11] 中國煙草總公司鄭州煙草研究院. 煙草熱濕處理特性在線分析裝置[P]. 中國專利：200510107366.X，2006-06-28.

[12] YOSHIHIDO S， CHIBA S， ASHIHAPA T， et al. Study on the redrying I： the drying characteristics of bright yellow and burley strips by the through-circulation model[J]. Japanese Monopoly Corporation Central Research Institute Scientific Paper，1966（108）：51-59.

[13] 劉 峘.煙葉葉片復(fù)烤機技術(shù)報告[J].煙草科技，1987（4）：2-6.

[14] 堵勁松，王宏生，王 兵，等.溫濕度對白肋煙處理質(zhì)量的影響[J].中國煙草學(xué)報，2001（3）：1-5.