Способ регулирования влагосодержания органических материалов - RU2120217C1

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к способам кондиционирования, то есть сушки и увеличения влажности табака или других гигроскопичных органических материалов, таких как фармацевтические и сельскохозяйственные продукты, включая фрукты, овощи, крупы, кофе, чай и проч. В частности данное изобретение относится к использованию воздуха контролируемой влажности для увлажнения или сушки таких материалов.

Необходимость контроля влажности различных органических материалов, включая табак, давно признана. Например, влажность табака, перерабатываемого в полезный продукт, изменяется несколько раз. Каждая операция обработки, например, удаление стеблей, резка, смещение компонентов, добавление ароматизаторов, вспучивание и изготовление сигарет требует определенного оптимального уровня влажности, который должен тщательно контролироваться с целью обеспечения высшего качества табака и других гигроскопичных продуктов из органических материалов. Более того, способ, которым изменяют влажность табака, может в дальнейшем сказываться на физических, химических и субъективных характеристиках конечного продукта. В соответствии с этим, значительный интерес представляют способы, в которых предусмотрено изменение влажности табака или других органических материалов.

Важность процесса кондиционирования вспученного табака трубно переоценить. Обычно табак, полученный посредством вспучивания, будет иметь влажность ниже 6%, а чаще и менее 3%. При таких низких уровнях влагосодержания табак весьма склонен к крошению. Кроме того, структура вспученного табака подвергается сжатию под воздействием кондиционирования, то есть частичному или полному возвращению табака в невспученное состояние. Это сжатие приводит к потере набивной способности табака, снижая таким образом преимущество, полученное в результате в вспучивания.

Используются различные способы кондиционирования вспученного табака. Наиболее общим способом можно считать обработку табака водой из форсунки, как правило с одновременным перемешиванием его во вращающемся цилиндре. Другой способ заключается в использовании насыщенного пара как средства кондиционирования. Кроме того, используется способ, заключающийся в продувании воздуха с высокой влажностью через движущийся по конвейеру слой табака (см. патент США N 4,178, 964).

Ни один из этих способов не является полностью удовлетворительным в случае использования вспученного табака. Обработка его в струйном цилиндре приводит к крошению хрупкого вспученного табака. Прямой контакт с капельной влагой вызывает смятие структуры вспученного табака. Такое же действие оказывает и кондиционирование паром. В то время, как подобное явление может быть частично приписано высокой температуре в случае паровой обработки, выдержка вспученного табака в любой газовой среде, в которой происходит конденсация воды, например, в паровой среде или в воздухе с высокой влажностью, приводит к смятию.

Единственный способ, который используют с целью избежания подобных трудностей, заключается в размещении сухого вспученного табака в камере, содержащей воздух с требуемым уровнем влагосодержания, и выдержке в ней в течение 24 - 48 часов до достижения табаком равновесного состояния. Скорость пропускания воздуха через камеру поддерживают на очень низком уровне, обычно не более 25 фунтов в минуту. В результате этой операции значительно снижается или устраняется полностью нарушение структуры вспученного табака. Однако, длительное время обработки (24 - 48 часов) ограничивает применение данного метода лабораторными задачами.

Предпринимались попытки снизить требуемое время пребывания в процессах уравновешивания посредством увеличения скорости пропускания воздуха. Такие подходы не увенчались успехом в силу невозможности обеспечить сохранение набивной способности, наблюдаемой при медленном лабораторном уравновешивании, размеров конвейеров, требующихся для транспортировки табака, удовлетворяющих длительному времени пребывания, а также в связи с неоднородностью по влагосодержанию табака, сходящего с таких конвейеров, и опасностью возгорания в установках такого типа (см. патент США N 4, 202, 357).

Использование сушки как средства регулирования влагосодержания при обработке табака является не менее важным, чем кондиционирование. Когда табак сушится, происходят как физические, так и химические изменения, что сказывается на физическом и субъективном качестве продукта. Поэтому способ сушки табака чрезвычайно важен.

Существуют два типа оборудования для сушки, наиболее часто используемого в табачной промышленности: ротационные и ленточные или пластинчатые сушилки. Иногда используются также пневмосушилки. Для требуемой операции сушки подбирают соответствующий тип сушилки. Ленточные (пластинчатые) сушилки, например, применяют обычно для листового табака, в то время, как ротационные - для нарезанного. Для сушки стеблей применяют как ротационные, так и ленточные установки.

В ленточной сушилке табак расстилают на перфорированной ленте, а воздух направляют снизу или сверху через ленту и слой табака. В этом случае часто имеет место неравномерность сушки в силу того, что в слое табака образуются каналы, через которые осушающий воздух минует табак.

Большая часть ротационных сушилок, используемых в табачной промышленности, совмещена с паровыми змеевиками и может функционировать в качестве контактных или бесконтактных тепловых сушильных установок, в зависимости от того, подводится ли тепло внутрь или снаружи сушилки, в которую помещен табак. Кроме того, сушилки могут работать в прямоточном режиме, если табак и поток воздуха движутся в одном направлении, или в противоточном, если табак и поток воздуха движутся навстречу друг другу. Ротационные сушилки подлежат тщательному контролю во избежание пересушивания табака, вызывающего как химические изменения, так и излишние разрушения в процессе вращательного движения. Более того, при слишком быстрой сушке возможно образование на поверхности табака непроницаемого слоя, затрудняющего вывод влаги к поверхности посредством диффузии. Образование такого слоя снижает скорость сушки и приводит к неравномерности высушивания. Использование ротационной или ленточной сушилок для высушивания табака может привести к термической обработке, вызывающей химические и физические изменения табака. Эти изменения обусловлены удалением воды из табака и не всегда являются нежелательными. В случае обычного употребления табака результат обработки на стадии сушки определяется необходимость высушить табак за ограниченный период времени, что препятствует оптимизации термической обработки без учета ограничений, налагаемых на процесс сушкой.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ кондиционирования табака (см. патент США 4241515, F 26 B 3/08, 1980), согласно которому табак приводят в соприкосновение с потоками воздуха, имеющими требуемую для кондиционирования относительную влажность и температуру. Известный способ включает транспортирование табака на конвейере вдоль траектории, в разных зонах которой табак соприкасается с потоками воздуха, имеющими различную влажность и температуру. Недостатками известного способа является использование ленточных сушилок, при этом воздух направляют снизу через ленту и слой табака. В этом случае имеет место неравномерность сушки вследствие того, что в слое табака образуются каналы, через которые кондиционирующий воздух минует табак.

Задачей настоящего изобретения является создание такого способа кондиционирования органического материала, который позволил бы осуществить равномерное кондиционирование органического материала практически без нарушений его структуры, а также при атмосферном давлении и в течение сравнительно короткого периода времени.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе увеличения влагосодержания органического материала путем приведения органического материала в соприкосновение с влажным потоком воздуха формируют слой органического материала путем размещения органического материала на конвейерном стеке, имеющем множество ярусов, осуществляют контакт органического материала в слое с потоком воздуха, имеющим относительную влажность, близкую к условиям равновесия для данного материала, при прохождении потока воздуха от яруса к ярусу в направлении, по существу противоположном направлению движения слоя органического материала, и повышают относительную влажность потока воздуха, контактирующего с органическим материалом, для увеличения влагосодержания органического материала таким образом, что относительная влажность воздушного потока удерживается на близком к условиям равновесия для органического материала уровне до достижения желаемого влагосодержания обрабатываемого материала, в результате чего поток воздуха постепенно обезвоживается, а органический материал постепенно увлажняется при прохождении потока воздуха в направлении, по существу противоположном направлению движения слоя органического материала.

В изобретении предложен также способ снижения влагосодержания органического материала путем приведения органического материала в соприкосновение с влажным потоком воздуха, в котором формируют слой органического материала путем размещения органического материала на конвейерном стеке, имеющем множество ярусов, осуществляют контакт органического материала в слое с потоком воздуха, имеющим относительную влажность, близкую к условиям равновесия для данного органического материала или более низкую, при прохождении потока воздуха от яруса к ярусу в направлении, по существу противоположном направлению движения слоя органического материала, и понижают относительную влажность потока воздуха, контактирующего с органическим материалом, по мере понижения влагосодержания органического материала таким образом, что относительная влажность воздушного потока удерживается на близком к условиям равновесия для органического материала уровне или более низком, до достижения желаемого влагосодержания обрабатываемого материала, в результате чего поток воздуха постепенно увлажняется, а органический материал постепенно обезвоживается, при прохождении потока воздуха в направлении, по существу противоположном направлению движения слоя органического материала.

Технический эффект данного изобретения заключается в том, что табак или любые другие гигроскопичные сельскохозяйственные продукты, такие как фрукты, овощи, крупы, кофе, чай и другие, могут быть кондиционированы или высушены без разрушений или с минимальными разрушениями, что касается даже хрупкого табака, подвергшегося процессу вспучивания. Это также дает преимущество при кондиционировании вспученного табака практически без нарушения его структуры и делает возможным высушивание табака или любого пригодного гигроскопичного органического материала при атмосферном давлении, например, без использования вакуума, и при выбранной температуре, причем применяемую термическую обработку можно регулировать по ходу процесса в степени, недосягаемой в традиционных процессах сушки табака.

В предпочтительном варианте изобретения, влагосодержание табака или других пригодных органических материалов изменяют путем контактирования табака с воздухом, который имеет относительную влажность, тщательно контролируемую на уровне выше или ниже равновесной относительной влажности органического материала, с которым от соприкасается. Относительную влажность воздуха, соответственно, постоянно повышают или понижают по ходу процесса с целью поддержания контролируемой разницы между относительной влажности воздуха и равновесной относительной влажностью органического материала, с которым он контактирует. Таким образом, постоянный контроль относительной влажности позволяет регулировать скорость массопереноса влаги между органическим материалом и окружающей его средой, так что изменения структуры табака сведены к минимуму. Использование относительной влажности в качестве основной движущей силы массопереноса влаги позволяет независимо контролировать термическую обработку. Этот процесс можно проводить как непрерывно, так и периодически. Более того, процесс можно вести без использования ротационных цилиндров и сопутствующих их применению разрушений.

Примеры способов, представленных в изобретении, и некоторых предпочтительных вариантов будут описаны далее со ссылками на соответствующие фигуры, среди которых:
на фиг. 1 приведен график зависимости влагосодержания табака (OV) от относительной влажности воздуха (RH) в процентах;
на фиг. 2 представлена схема лабораторной установки, предназначенной для кондиционирования гигроскопичного органического материала путем повышения относительной влажности воздуха (RH) во времени в соответствии с данным изобретением;
на фиг. 3 показан вид в разрезе примерной установки для осуществления способа данного изобретения в непрерывном режиме;
На фиг. 3a приведен вид в поперечном разрезе фрагмента спирального конвейерного стека, изображенного на фиг. 3, на котором показано направление движения потока воздуха по отношению к движению гигроскопичного органического материала;
На фиг. 4 представлена схема другого варианта установки, предназначенной для проведения непрерывного процесса по способу, предложенному в данном изобретении;
На фиг. 5 приведена блок-диаграмма, иллюстрирующая применение предлагаемого изобретения для кондиционирования;
На фиг. 6 изображен типичный профиль зависимости относительной влажности воздуха, соприкасающегося с табаком, от времени, полученный в процессе кондиционирования на установке, показанной на фиг. 3.

Предлагаемое изобретение относится к процессам регулирования влагосодержания табака или других пригодных гигроскопичных органических материалов, таких как фармацевтические и сельскохозяйственные продукты, включая фрукты, овощи, крупы, кофе, чай и проч. с минимальными разрушениями, изменениями в физической структуре, а также с минимальными изменениями химического состава обрабатываемого табака, вызванным тепловым воздействием. В частности, представленное изобретение относится к использованию воздуха регулируемой влажности в целях кондиционирования или сушки табака либо другого пригодного гигроскопичного органического материала. Влагосодержание табака или другого гигроскопичного органического материала повышают или понижают, соответственно, постепенным и непрерывным повышением или понижением относительной влажности воздуха, вступающего в контакт с этими материалами. Таким образом, регулируют изменение влажности, что дает возможность отдельно оптимизировать другие переменные этого процесса, например, температуру, скорость воздуха и давление воздуха.

Существуют два общепринятых способа для характеризации физической структуры табака: удельный насыпной объем (CV) и удельный (истинный) объем (SV). Эти критерии являются особенно значимыми в определении преимуществ данного способа кондиционирования табака.

Удельный насыпной объем (CV)
Навеску табака массой 20 г (если табак невспученный) или 10 г (вспученный) помещают в цилиндр прибора для измерения удельного насыпного объема диаметром 6 см (Модель N DO-60, разработанная Heinr. Borgwaldt Company, Heinr. Borgwaldt GmbH, Schnackenburgallee N 15, Postfack 54 07 02, 2000 Hamburg 54 West Germany). Поршень весом 2 кг и диаметром 5,6 см помещают на табак в цилиндр на 30 секунд. Замеряют полученный в результате объем сжатого табака и делят на навеску табака, определяя объем цилиндра в см/г. В этом тесте определяют кажущийся объем данной навески табака, т.е. величину, обратную насыпной плотности. Полученный в результате объем наполнителя и считают объемом цилиндра, характеризующим удельный насыпной объем табака. Этот тест проводят в стандартных условиях окружающей среды при 75^oF и 60% относительной влажности; обычно, если не оговорено особо, образец выдерживают при этих условиях предварительно 24-48 часов.

Удельный (истинный) объем (SV)
Величина "удельного объема" является единицей измерения для определения объема, занимаемого твердыми телами, например табаком, с использованием принципа Архимеда (вытеснение жидкости). Удельный объем тела определяют величиной, обратной его истинной плотности. Удельный объем выражают в см/г. Как ртутная порометрия, так и He-пикнометрия являются методами, пригодными для таких измерений, и полученные результаты хорошо коррелируются. В случае применения He-пикнометрии взвешенный образец табака либо "как есть", высушенный при 100^oC в течение 3 часов, либо уравновешенный, помещают в ячейку квантохромного пента-пикнометра модель 2042-1 (разработан Quantachrome Corporation, 5 Aerial Way, Syosset, New York). Затем ячейку продувают и нагнетают в нее гелий. Объем гелия, вытесненный табаком, сравнивают с объемом гелия, требующегося для заполнения свободной ячейки. Объем табака определяют на основании фундаментальных принципов закона для идеальных газов. Как обычно в подобных случаях, если не оговорено обратное, удельный объем определяют с использованием того же самого образца табака, что и для определения CV, то есть табак высушивают выдержкой в течение 3 часов в печи с циркуляцией воздуха при температуре 100^oC.

Влагосодержание может быть принято эквивалентным количеству летучих веществ, отходящих из печи (OV), поскольку в табаке содержится помимо воды не более 0.9 вес.% летучих веществ. Определение OV состоит в простом измерении потери массы табака, выдержанного в течение 3 часов в печи с циркуляцией воздуха при температуре 100^oC. Процентное отношение потери массы к массе исходной и является количеством отходящих из печи веществ.

"Ситовый тест" относится к методам установления распределения по величине частиц образца резанного табака-наполнителя. Этот тест часто используется для индикации уменьшения частиц при обработке. Табак-наполнитель весом 150е20 г (невспученный) или 100е20 г (вспученный) помещают в виброустановку. В виброустановке используют набор круглых сетчатых подносов диаметром 12 дюймов (разработанных W.S. Tyler, Inc., совместно с Combustion Engineering Inc. Screening Division, Mentor, Ohio, 44060), что соответствует стандартам Американского общества по проверке материалов (ASTM). Обычные размеры сетки для сит-подносов - 6, 12, 20 и 35 меш. Установка имеет ход встряхивания около 1-0,5 дюймов и скорость встряхивания 350е5 об/мин. В шейкере табак встряхивают в течение 5 минут для разделения образца на фракции с различным интервалом размера частиц. Каждую фракцию взвешивают, что и дает картину распределения частиц образца по размерам.

Лабораторные эксперименты показали, что попытки быстро кондиционировать табак выдержкой его в воздухе с высокой влажностью приводят к потерям объема цилиндра. Замечено также, что потери объема цилиндра имеют место при конденсации или переувлажнении в кипе вспученного табака. Конденсация происходит в том случае, когда влажный воздух соприкасается с табаком, имеющим температуру ниже точки росы влажного воздуха. Переувлажнение может произойти в случае, когда в кипе табака возникают колебания влагосодержания, обусловленные неоднородной выдержкой во влажном воздухе. Следовательно, для успешного функционирования системы, предназначенной для кондиционирования влажным воздухом, необходима относительно низкая скорость и тщательный контроль относительной влажности воздуха, температуры воздуха, воздушного потока и давления при прохождении слоя табака. Это может быть выполнено наилучшим образом при постепенном увеличении влагосодержания влажного воздуха, пропускаемого через табак, так, чтобы табак выдерживался в потоке воздуха, находящегося почти в равновесии с табаком.

На фиг. 1 линия ABC является изотермой при 75^oF для типичного светлого вспученного табака. Эта изотерма представляет собой зависимость OV табака от относительной влажности (RH) окружающего его воздуха и в равновесных при данной температуре условиях. Таким образом, точка B показывает, что при 75^oF и 60% RH образец вспученного табака будет имеет в равновесных условиях OV около 11,7%. Линия DEF на фиг. 1 представляет типичный профиль для табака, прошедшего кондиционирование в соответствии с данным изобретением. Линия GEF на фиг. 1 представляет другой RH профиль, также найденный удовлетворительным. Линия HF на фиг. 1 иллюстрирует путь, типичный для известного способа (такого как лабораторное кондиционирование в равновесной камере при очень низкой скорости воздуха). Линия IJ на фиг. 1 является иллюстрацией применения данного изобретения для сушки табака.

Фиг. 1 показывает, что кондиционирование табака от OV, примерно равного 6,5%, где точка равновесия с воздухом соответствует примерно 30% относительной влажности, до OV 11,7%, где точка равновесия соответствует примерно 60% RH, могло бы быть выполнено выдержкой его в воздухе, влажность которого увеличивают от 40% RH до 60% RH постепенно, быстрее, чем в случае выдержки непосредственно в воздухе с 60% RH. В случае проведения процесса в условиях постепенных незначительных изменений массоперенос между потоком воздуха и табаком является относительно медленным, поскольку движущая сила мала, и структура вспученного табака сохраняется. Кондиционирование вспученного табака без потерь в CV также может быть выполнено посредством выдержки табака в воздухе, влагосодержание которого повышается примерно от 40% RH до 62% RH небольшими порциями в течение 40-60 минут. Это сокращает общее время, требующееся для завершения процесса кондиционирования без каких-либо существенных изменений в структуре вспученного табака. Так, каждая из линий GEF и DEF на фиг. 1 представляет собой эффективное воплощение применение предлагаемого изобретения для кондиционирования табака.

На фиг. 1 условия, близкие к равновесным между потоком воздуха и табаком, проиллюстрированы сегментами линий EF и ABC. Существенно, что OV табака, которое примерно на 7% ниже разницы между относительной влажностью воздуха в равновесии с табаком и относительной влажностью потока влажного воздуха, используемого для кондиционирования, может быть существенно больше без неблагоприятного воздействия на наполнительную способность табака. Ценно также то, что при OV табака от примерно 7,5% до 11,5% относительная влажность потока влажного воздуха, используемого для кондиционирования, может быть примерно на 2-8% выше относительной влажности воздуха, находящегося в равновесии с табаком, с большим отклонением от равновесия, соответствующим более низкому OV табака, без неблагоприятного воздействия на наполнительную способность табака.

В случаях, когда представленное изобретение использовалось для сушки табака, потерь в CV табака не наблюдалось. То же самое было и в тех случаях, когда относительная влажность высушивающего потока воздуха была существенно ниже относительной влажности воздуха, находящегося в равновесии с табаком, то есть относительная влажность высушивающего воздуха была ниже условий равновесия для табака. Таким образом, должно быть отмечено, что линия IJ на фиг. 1 иллюстрирует только один из многих возможных путей, которые могут быть использованы для сушки табака в соответствии с предлагаемым изобретением.

Представленный в данном изобретении метод может быть осуществлен как периодическим, так и непрерывным способом. В случае периодического проведения процесса относительная влажность потока воздуха, вступающего в контакт с табаком, повышается с течением времени с целью обеспечить постоянное повышение влагосодержания табака. Это может быть осуществлено в такой камере, как показана на фиг. 2. Табак, предназначенный для кондиционирования, размещают слоем толщиной примерно 2 дюйма в подносах, имеющих дно в виде сетки, внутри камеры таким образом, чтобы поток воздуха регулируемой влажности мог проходить через табак в нисходящем направлении. Камеры, размеры которых варьируются примерно от 20 до 80 кубических футов (разработаны Parameter Generation and Control, Inc. , 1104 01d US 70, West, Black Mountain, N.C. 28711), использовались в ряде работ. Эти камеры были снабжены микропроцессорами, которые позволяли регулировать изменение условий по влажности воздуха внутри камеры. Были проведены тесты, в которых сухой вспученный табак был кондиционирован от исходного уровня OV примерно 2% до конечного - примерно 11,5% изменением по возрастающей RH от начальных уровней, как низких (примерно 30%), так и высоких (примерно 52%) в течение примерно 30-90 минут до конечного уровня RH, который составил около 59-65%. Скорость воздуха поддерживалась в пределах примерно от 50 до 200 футов в минуту. Измерения температуры и RH проводились при помощи Thunder-прибора модель 4А-1 (разработан Thunder Scientific Corp., 623 Wyoming, S.E., Albuquerque, New Mexico 87123). Скорость воздуха измеряли при помощи Alnor-термоанемометра модель 8525 (разработанного Alnor Instrument Co., 7555 N.Linder Ave, Skokie, Illinois 60066). Тесты, в которых относительная влажность изменялась от начальной величины примерно 52% до конечной RH около 62% примерно за 40 минут, дали те же результаты по кондиционированию табака с полным сохранением CV, что и аналогичная обработка такого же табака в помещении с контролируемой средой при помощи воздуха с постоянной RH 60% и 75^oF, пропускаемого через табак с низкой скоростью в течение 24-48 часов. Изменения, проводимые по этому способу, были успешны при скорости влажного воздуха около 200 футов в минуту и температуре около 75-90^oF. Вспученный табак, кондиционированный этим способом, имел минимальные потери CV (если вообще имел) по сравнению с табаком, кондиционированным в помещении с контролируемой окружающей средой.

Предлагаемый в данном изобретении процесс может проводится непрерывным образом наиболее эффективно в Frigoscandia спиральной машине с автоматическим стеком, которая показана на фиг. 3. Эта установка представляет собой специально модифицированную модель GCP 42 спирального морозильника, снабженную Frigoscandia Food Process System AB of Helsingborg, Sweden. Сухой табак, предназначенный для кондиционирования, поступает в поз. 10 на конвейере 13, затем продвигается от поз. 10 по спиральной траектории снизу в верхнюю часть спирального стека 14, как показано, и выходит после кондиционирования через выпуск табака 11. Увлажненный воздух продувает табак от ввода влажного воздуха 15 до дна спирального стека 14, где выходит через поз. 16 (выход влажного воздуха), перемещаясь противотоком к направлению движения табака, то есть большая часть потока влажного воздуха перемещается от верхней части стека вниз через ярусы слоев табака, в то время, как табак движется вверх по спирали конвейера. Незначительная часть влажного воздуха следует по спирали стека конвейера от верха до дна в истинном противотоке. Указанные типы воздушных потоков показаны на фиг. 3а. Такое устройство позволяет эффективно повысить изменения RH, получаемые в установке, изображенной на фиг. 2.

На фиг. 3а, представляющей собой вид в поперечном разрезе части спирального конвейерного стека 14, показанного на фиг. 3, проиллюстрированы пути движения потока воздуха 20 и 22 по отношению к направлению движения слоя табака 21. Как показано на фиг. 3а, поток воздуха 20 и 22 движется от верха стека вниз. Табак движется от дна установки наверх, что иллюстрируется как движение справа налево на фиг. 3а, как и при движении спирального конвейерного стека 14. Большая часть воздушного потока 20, движущаяся в основном противотоком к пути следования табака, направлена через ярус табачного слоя 21 и соприкасается с табаком на уровне, который находится непосредственно ниже, в то время как небольшая часть воздушного потока 22 проходит над слоем табака 21 в направлении, противоположном направлению его движения. Эта часть потока воздуха 22 может позже пройти сквозь табачный слой 21.

Ключ к успешному выполнению данного изобретения в случае кондиционирования заключается в том, что устойчивое повышение относительной влажности воздуха, соприкасающегося с табаком, повышает OV табака. Frigoscandia спиральный конвейер с автоматическим стеком за счет его конструктивных особенностей дает возможность направлять основную часть воздушного потока вниз через множественные ярусы конвейера (стек конвейера), по которым движется табак. Посредством подачи табака в нижнюю часть стека, а увлажненного воздуха - в верхнюю, достигается противоточное движение суммарного воздушного потока и табака. Существование этого противотока доказывает наличие постоянного градиента RH в воздухе, соприкасающемся с табаком, что объясняется прогрессивной дегидратацией воздуха при его движении вниз сквозь ярусы табака в процессе кондиционирования. За счет разумного выбора скорости движения конвейерной ленты, скорости потоков табака и воздуха, контроля температуры и RH подаваемого воздуха условия в установке напоминают используемые в лабораторных разовых экспериментах по постепенному кондиционированию, но приближенные к непрерывному способу. Для кондиционирования 150 фунтов в час вспученного табака с OV 3%, скорость ленты, обеспечивающая время пребывания около 40-80 минут, условия для воздуха примерно 75-95^oF с относительной влажностью на входе около 61-64% и расходом воздуха примерно 1000-2500 кубических футов в минуту обеспечивают полное кондиционирование без сколько-нибудь заметной потери CV или разрушения табака, что достигается использованием модифицированной Frigoscandia GCP 42 спиральной установки.

Средством для записи относительной влажности в зависимости от времени может служить Модель 29-03 RH/Temperatura rekoder (разработан Rustrak Instrument Co. of E. Greenwich, RI), отслеживающий работу Frigoscandia установки во время кондиционирования табака. Эти устройства показали постоянное повышение относительной влажности воздуха по мере подъема по спиральному стеку с исходной RH-записью на уровне около 35% до 45% внизу стека, где находится наиболее сухой табак, до примерно 62% вверху стека, где табак уже практически полностью кондиционирован.

На фиг. 6 изображена в виде кривой типичная зависимость RH от времени, полученная на Rustrak установке. Зависимость RH воздуха, соприкасающегося с табаком, в процентах от времени также показана на фиг. 6. Табак с исходным OV около 3% подается в спиральную установку для кондиционирования и контактирует с воздухом, имеющим RH около 43% (точка А на фиг. 6). Фиг. 6 показывает, что по мере продвижения табака через спиральную установку для кондиционирования RH воздуха, соприкасающегося с табаком, возрастает примерно от 43 до 62% на выходе из установки (точка B на фиг. 6). Табак на выходе из спиральной установки имеет OV около 11%. RH воздуха, поступающего в спиральную установку, регулируется таким образом, чтобы избежать заметных потерь в CV кондиционированного табака.

Для осуществления в непрерывном режиме метода, предложенного в данном изобретении, могут быть использованы также и другие конструктивные решения, установка для одного из которых показана на фиг. 4. В этом случае табак поступает в установку через поз. 40 на конвейер 43 и выходит на поз. 41 (выход табака). Воздух с постоянно повышающейся относительной влажностью проходит как восходящими так и нисходящими потоками через слой табака 42 в множестве зон 44, воспроизводя эффект изменений в установке, показанной на фиг. 2. Такой эффект мог бы быть получен при змеевидном движении воздуха от одиночного источника справа налево на фиг. 4, сообщая противоточное движение потока воздуха по отношению к направлению движения табака. Таким образом, выход воздуха становится зоной подачи его в соседнюю зону слева.

Используя способ, предложенный в данном изобретении, можно обрабатывать целые засушенные листья табака, табак в нарезанном или нарубленном виде, вспученный или невспученный табак или отобранную часть табака (например, стебли или повторно обрабатываемый табак). Данный процесс может быть применен в любом или во всех вышеуказанных случаях с добавлением или без добавления ароматизаторов. Для случая сушки табака было установлено, что невспученный резаный табак-наполнитель может быть высушен непрерывным способом при температуре окружающей среды посредством противоточного движения потока через модифицированный Frigoscandia спиральный конвейер с автоматическим стеком от исходного влагосодержания табака около 21% OV до 15% OV примерно в течение одного часа. В этом случае воздух поступает в верхнюю часть установки, имея следующие параметры: температуру около 85^oF и RH примерно 58%, а выходит из нее с температурой 77^oF и RH 68%. Сушка выполняется с незначительной или без какой-либо тепловой обработки табака.

Кроме того, способ, предложенный в данном изобретении, может быть использован для высушивания табака, имеющего температуру значительно более высокую, чем температура окружающей среды, например, около 200-250^oF. Когда табак, имеющий подобную температуру, сушится, RH и температура окружающего воздуха устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить соответствующие условия для осуществления способа, изложенного в предлагаемом изобретении.

Было обнаружено, что при кондиционировании табака, сушка также может быть выполнена наилучшим образом в минимально короткий срок посредством корректировки конечного влагосодержания воздуха на уровне более низком, чем это требовалось бы для приведения табака к желаемому уровню влажности, повышая таким образом градиент влажности между табаком и воздухом, а соответственно, и движущую силу процесса сушки. В отличие от процесса кондиционирования, конечное влагосодержание потока воздуха может поддерживаться на уровне гораздо более низком, чем это необходимо для установления равновесия с табаком при уровне OV, требующемся для сушки.

Опыт N 1.

Для демонстрации преимущества кондиционирующей сушки вспученный табак с известным содержанием влаги в количестве 20 г был помещен в герметичный эксикатор. Этот образец был пропитан жидким диоксидом углерода и вспучен в колонне при 550^oF. OV данного вспученного табака соответствовало 3,4%. Было рассчитано, что для повышения содержания OV образца до 11,5% потребуется приблизительно 1.89 грамм воды. Это количество воды было помещено в стеклянный сосуд, снабженный резиновой пробкой со стеклянной трубкой, диаметром 1/8 дюйма, проходящей через нее внутрь сосуда. Сосуд также был помещен в эксикатор. Спустя девять дней вода полностью адсорбировалась табаком. Анализ табака позволил установить, что его OV "как есть" составило примерно 11,5%. Очевидно, что данная ситуация аналогична случаю, в котором исходный табак уравновешивается в камере с заданной средой, где воздух с RH 60% и температурой 75^oF проходит через табак с низкой скоростью в течение 24-48 часов. Этот процесс уравновешивания используется в основном как средство для создания стандартных условий при подготовке табака к измерениях CV, SV и ситовому тесту. После такого стандартного уравновешивания кондиционированный в сушилке табак имел CV около 9.5 сс/г и SV около 2.9 сс/г при OV примерно 11.6%. Для сравнения, когда второй образец того же самого табака помещали непосредственно внутрь равновесной камеры и кондиционировали посредством уравновешивания при стандартных условиях, равновесное OV составило примерно 11.3%, а CV и SV, соответственно, 9.4 и 2.7 сс/г. Третий образец вспученного табака-наполнителя был кондиционирован в цилиндре, снабженном форсункой, до OV "как есть" - около 11.5%. После уравновешивания этот образец имел CV около 8.5 сс/г, SV - около 1.9 сс/г при равновесном OV примерно равном 11.6%.

Как свидетельствуют данные, приведенные в табл. 1, образец табака, кондиционированный в эксикаторе медленным насыщением водой, показывает заметное улучшение в равновесных CV и SV по сравнению с образцом, полученным при кондиционировании с применением форсунки. Этот образец имеет также незначительное преимущество перед образцом, уравновешенным в камере с заданными условиями окружающей среды.

Следующая серия экспериментов проводилась с использованием для кондиционирования табака-наполнителя камеры с заданной средой. Для этой цели была использована камера PGC (Parameter Generation and Control). Камера была оснащена Micro-Pro 2000 микропроцессором, предоставленным Parameter Generation and Control Inc. , позволяющим контролировать изменение условий внутри камеры.

Опыт N 2.

Приблизительно 3 фунта светлого табака, пропитанного жидким диоксидом углерода и вспученного в тех же условиях, что были описаны в опыте N 1, были размещены слоем толщиной около 2 дюймов на подносе. Поднос, имеющий твердые стенки и дно в виде ячеистой сетки, помещался в камеру с заданными условиями окружающей среды. Затем образец кондиционировали в течение примерно одного часа с использованием воздуха, имеющего температуру 75^oF и RH, изменявшуюся от начальной 36% до конечной 60%. Скорость движения воздуха в нисходящем направлении через слой табака составляла примерно 45 футов в минуту. Этот эксперимент был повторен с изменениями интервала времени до 3, 6 и 12 часов. Результаты, представленные в табл. 2, показывают, что увеличение времени пребывания до 6 часов сказывается на уровне кондиционирования табака (конкретнее, на CV и SV) при данных условиях эксперимента. При более низкой степени кондиционирования наблюдались более высокие CV и SV. Однако, кондиционирование в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет получить СV по крайней мере примерно на 1 сс/г, а SV по крайней мере примерно на 0.2 сс/г выше, чем наблюдалось для табака, кондиционированного в цилиндре, снабженном форсункой. Тем не менее, было обнаружено, что основная часть данного преимущества достигается уже при таком сравнительно небольшом времени, как один час.

Опыт N 3.

Лабораторные исследования проводились с целью выяснения влияния как скорости кондиционирования, так и температуры на CV и SV табака. Было проведено семь серий с использованием табака, пропитанного жидким диоксидом углерода и вспученного в колонне при температуре 550^o F. Кондиционирование вспученного табака проводилось следующими методами:
(1) Уравновешиванием в течение 24 часов в камере с заданными условиями окружающей среды при RH 60% и температуре 75^oF со скоростью движения воздуха через слой табака около 25 футов в минуту;
(2) Опрыскиванием водой до повышения OV примерно до 7.5% с последующим уравновешиванием при RH 60% и температурой 75^oF в течение 24 часов, как и в случае (1);
(3) Опрыскиванием водой до повышения OV примерно до 7.5% с окончательным кондиционированием в цилиндре, снабженном форсункой;
(4) Опрыскиванием водой до OV примерно 7.5% с последующей обработкой влажным воздухом, продуваемым при изменении RH от начального уровня *, составляющего примерно 46%, до конечного - примерно 60%; и
(5) Продувкой влажным воздухом при RH примерно от 46 до 60%.

Кондиционирование влажным воздухом проводилось в PGC камере с заданными условиями окружающей среды, снабженной микропроцессором для контроля соблюдения выбранных интервалов времени. Были выбраны следующие условия:
(1) Время продувки: 30, 60 и 90 минут;
(2) Температура воздуха: 75 и 95^oF;
(3) Скорость воздуха: при восходящем движении через слой табака - 45 футов в минуту, при нисходящем - 125 футов в минуту; и
(4) Толщина слоя табака: 2 дюйма.

Весь табак, предназначенный для кондиционирования (за исключением табака, который предполагалось обрабатывать в снабженном форсункой цилиндре), был собран на выходе из колонны сразу же после вспучивания и запечатан в двойные пластиковые пакеты. В результате до начала кондиционирования табак охладился от 200^oF (температуры его на выходе из колонны) до температуры окружающей среды. При кондиционировании продувкой при 95^oF, табак, все еще находящийся в запечатанных пакетах, был предварительно подогрет таким образом, чтобы избежать конденсации при контакте с влажным воздухом в условиях выдержки. Полученные в ходе экспериментов данные представлены в табл. 3a-3e.

Данные, представленные в табл. 3a-3e, показывают, что по сравнению с характеристиками табака, обработанного в снабженном форсункой цилиндре сразу же после вспучивания, CV охлажденного табака, кондиционированного постепенным изменением, выше примерно на 0.5-1 сс/г, а SV - примерно на 0.3-0.4 сс/г. Обнаружено, что для постепенного кондиционирования табака, взятого на выходе после вспучивания, желательно предварительное опрыскивание водой с целью повышения его OV-содержания до примерно 7% с последующим кондиционированием. Не обнаружено существенных различий в CV и SV табака, кондиционированного изменением с использованием влажного воздуха с исходной RH около 46%, по сравнению с опытом, где исходная RH составляла 30%, как и для табака, кондиционированного со временем выдержки 60 или 90 минут. Замечено также, что был ли табак кондиционирован воздействием воздуха, движущегося в нисходящем направлении со скоростью 175-235 футов в минуту, или под воздействием воздуха, движущегося в восходящем направлении со скоростью 45 футов в минуту, на CV и SV это не оказало существенного влияния. Кроме того, очевидно, что постепенное кондиционирование приводит к аналогичным или лучшим значениям CV и SV, по сравнению со случаем, в котором табак был кондиционирован непосредственным помещением его сразу же после вспучивания в камеру с заданными условиями окружающей среды, имеющую RH 60% и температуру 75^oF. Наконец, обнаружено, что опрыскивание водой с целью повышения OV до 7.5% с последующей обработкой влажным воздухом приводит к лучшим результатам по CV и SV, чем нежели в случае с окончательным кондиционированием в снабженном форсункой цилиндре.

Опыт N 4.

Тесты проводились с целью определения влияния потока и скорости воздуха на унос, разрыхление и сжатие табака. Эти тесты проводили с использованием двух PGC камер с заданными условиями окружающей среды. В обеих камерах фактический расход воздуха составлял приблизительно 500 кубических футов в минуту. Причем в первой PGC-камере движение воздуха через слой табака было восходящим, а в другой - нисходящим. Образцы табака толщиной 2 дюйма располагали на открытых подносах размером 5 х 5.75 дюйма и дном в виде ячеистой сетки и твердыми стенками высотой 4 дюйма. Подносы помещали на полках внутри PGC-камер. Движение воздуха сквозь образцы было организовано за счет того, что свободная площадь полок была закрыта листами картона, а щели между листами заклеены лентой. Скорость воздуха изменяли за счет ряда контейнеров с образцами, через которые воздух проходил. Табак, использовавшийся в этих тестах, был предварительно пропитан жидким диоксидом углерода и вспучен при температуре около 550^oF. Первая стадия кондиционирования табака была произведена непосредственно после вспучивания при помощи опрыскивания водой до OV примерно 8%. По ходу процесса условия в камерах поддерживались на уровне 75^oF и 60% RH. Для измерения скорости воздуха использовали крыльчатый анемометр (Airflow Instrumentation, Model LCA 6000, Frederick, Maryland) и проволочный термоанемометр (Alnor Instrument Company, Skokie, Illinois, Thermometer Model 8525). Эти приборы располагали непосредственно выше или ниже образца, в зависимости от того, было движение воздуха, соответственно, восходящим или нисходящим.

При движении воздуха в восходящем направлении наблюдался некоторый незначительный лифтинг табака, который начинался немедленно при достижение воздухом даже такой низкой скорости как 26 футов в минуту. Затем образовывались небольшие каналы, и табак оседал. Наличие таких каналов приводило к весьма неоднородному прохождению потока воздуха через слой табака (от 22 до 45 футов в минуту при среднем около 26 футов в минуту). С повышением среднего расхода воздуха наличие каналов становится еще более заметным, а при расходе воздуха более 45 футов в минуту наблюдался "взрыв" табака, сопровождаемый образованием весьма значительных каналов в его слое.

Практически во всех исследованиях скорости при движении воздуха через слои табака в нисходящем направлении наблюдалось некоторое уплотнение табака с последующим снижением скорости воздуха. Это показано в табл. 4. Если начальная скорость воздуха составляла 192 фута в минуту, то уплотнение табака на 28% приводило к снижению ее до 141 фута в минуту. При начальной скорости воздуха 141 фут в минуту и менее, уплотнение слоя табака снижалось более чем наполовину, по сравнению с предыдущим случаем, а потери в скорости при прохождении воздуха через слой табака становились значительно меньше.

На основании проведенных опытов установлено, что вспученный табак может быть кондиционирован постепенным изменением при следующих условиях:
(a) Время: примерно 60-90 минут;
(b) RH: от исходной 30-45% до конечной 60-64%;
(c) Температура: от 75 до 95^oF;
(d) Поток воздуха: восходящий - скорость до 45 футов в минуту, нисходящий - до 235 футов в минуту;
Опыт N 5.

Смесь светлого и бурого табака в количестве приблизительно 150 фунтов в час, пропитанного диоксидом углерода в соответствии с повсеместно применяемой методикой Cho et al., 07/717, 067, и вспученного как описано в приведенных выше примерах, пропускали через охлаждающий конвейер с целью понижения температуры данной смеси от 200 до 85^oF перед загрузкой ее в модифицированную спиральную установку с автоматическим стеком Frigoscandia модель GCP 42. Табак проходил через спиральную установку от низа до верхней части. Поток воздуха шел сверху вниз, организуя таким образом противоточное движение воздуха и табака. Такое устройство позволяло проводит постепенное кондиционирование табака за счет дегидратации воздуха табаком. Табак поступал на обработку с OV около 3%, а выходил с OV около 11%. Равновесный CV исходного материала составлял примерно 10.46 сс/г, в то время как равновесный CV кондиционированного материала - 10.46 сс/г, что свидетельствует о весьма незначительных потерях набивной способности табака, то есть отсутствует статистически значимая потеря этой способности, как определено с помощью стандартного дисперсионного анализа. Кроме того, по ходу процесса кондиционирования не наблюдается заметного уменьшения размеров частиц табака, что подтверждают результаты ситового теста.

Опыт N 6.

Были проведены серии опытов, в которых использовали табак, вспученный в колонне при различных температурах. В этих опытах кондиционирование табака производили в соответствии со способом, описанным в предлагаемом изобретении. Так, приблизительно 150 фунтов/час табака (масса принимается по кондиционированному табаку) было кондиционировано в модифицированной спиральной установке с автоматическим стеком Frigoscandia, описанной в опыте N 5. Воздух, подаваемый в установку для кондиционирования, имел температуру 85^oF и относительную влажность около 62%. Температура выходящего воздуха находилась в пределах от 90 до 95^oF, а его относительная влажность - от 40 до 45%. Как показано в табл. 5, существенные потери порошкообразного наполнителя у табака, кондиционированного в соответствии со способом, предложенном в данном изобретении, замечены не были.

Опыт N 7.

Приблизительно 200 фунтов/час светлого табака с OV 21.6% подавали в модифицированную установку с автоматическим стеком Frigoscandia, описанную в опыте N 5, действующую в качестве сушильной установки. Поток табака проходил спиральную сушильную установку от дна до ее верхней части. Поток воздуха перемещался сверху вниз, создавая противоточное движение между табаком и воздухом. Успешное высушивание табака до уровня OV примерно 12.2% при времени пребывания около 60 минут достигалось при использовании воздуха, имевшего на входе температуру около 95^oF и RH примерно 35%. Воздух выходил из сушильной установки с температурой около 83^oF и RH примерно 62%. Табак, подаваемый в установку и выходящий из нее при прикосновении был холодным, точнее, имел температуру около 75^oF, что указывает на отсутствие таких-либо признаков термического воздействия. Не было также замечено никаких изменений в CV уравновешенного табака в результате процесса сушки. Этот отдельный эксперимент по высушиванию был проведен с целью минимизировать термическую обработку.

Настоящее изобретение продемонстрировало и описало, в частности на примерах предпочтительных вариантов его осуществления, очевидно, что различные изменения в форме и деталях могут быть сделаны без отклонений от области данного изобретения.

Реферат

Способ может быть использован при сушке или увеличении влажности табака или других гигроскопичных органических материалов. Табак концентрируют потоком воздуха, имеющим относительную влажность, близкую к условиям равновесия для табака. Так как содержание летучих веществ в табаке возрастает, возрастает и относительная влажность потока воздуха, соприкасающегося с табаком. Табак высушивают путем обработки его потоком воздуха, имеющим относительную влажность соответствующую или более низкую, нежели условия равновесия для табака. Так как содержание летучих в табаке снижается, понижается и относительная влажность потока воздуха, соприкасающегося с табаком. 23 з.п. ф-лы, 6 ил., 5 табл.

Формула