卷煙原料干燥動(dòng)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(shí)間的變化規(guī)律。利用Matlab軟件對(duì)方程進(jìn)行非線性擬合，建立了卷煙原料干燥動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)方程計(jì)算得到表征卷煙原料干燥特性的參數(shù)，同時(shí)對(duì)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(dòng)力學(xué)模型可較好地描述卷煙原料的干燥過(guò)程，試驗(yàn)值與計(jì)算值相關(guān)性較好。

關(guān)鍵詞：卷煙原料；對(duì)流干燥；動(dòng)力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：TS452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）23-5788-03

干燥動(dòng)力學(xué)是指在干燥過(guò)程中物料含水率隨時(shí)間在各種條件下的變化規(guī)律，其影響因素主要包括兩個(gè)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(guò)干燥動(dòng)力學(xué)的研究，可以確定物料中水分與處理時(shí)間的關(guān)系，得到干燥介質(zhì)和物料特性對(duì)干燥過(guò)程的影響規(guī)律，通過(guò)控制干燥過(guò)程的工藝參數(shù)達(dá)到控制干燥過(guò)程以實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量控制的目的。卷煙原料屬于膠體毛細(xì)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(guó)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(duì)干燥過(guò)程的質(zhì)傳遞機(jī)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(dòng)力及包括力學(xué)流動(dòng)和毛細(xì)流動(dòng)在內(nèi)的8種質(zhì)遷移機(jī)理[10]。隨著中式卷煙特色工藝研究的深入，加強(qiáng)卷煙原料加工特性研究，提升卷煙原料使用價(jià)值、實(shí)現(xiàn)精細(xì)化加工和分組加工，以及計(jì)算機(jī)模擬卷煙加工過(guò)程等，更加需要這方面的研究成果來(lái)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(jìn)行卷煙原料對(duì)流干燥的動(dòng)力學(xué)分析。通過(guò)此項(xiàng)工作的開(kāi)展，可以建立研究卷煙原料干燥動(dòng)力學(xué)的基本方法和試驗(yàn)裝置，深入認(rèn)識(shí)卷煙原料干燥過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性，對(duì)比分析不同卷煙原料干燥特性的差異，為特色工藝精細(xì)化加工和分組加工及計(jì)算機(jī)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(yàn)裝置

試驗(yàn)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(duì)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(duì)卷煙原料干燥特性進(jìn)行分析。

1.2 試驗(yàn)條件

1.3 試驗(yàn)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(duì)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(duì)濕度60%）內(nèi)平衡水分；將平衡水分后的樣品密封儲(chǔ)存，備用。

把Midilli and Kucuk 方程代入65 ℃不同部位煙葉的相對(duì)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(guò)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(shí)間段變化不同，下部煙（X2F）在干燥開(kāi)始階段干燥速率高于中部煙（C3F），但是當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn)Midilli and Kucuk方程在不同溫度下比其他幾個(gè)方程擬合得好，但是方程比較復(fù)雜，參數(shù)最多有3個(gè)，不容易找出參數(shù)與試驗(yàn)條件（溫度T）的規(guī)律性。

把Midilli and Kucuk 方程代入上部煙的相對(duì)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(yàn)數(shù)據(jù)是符合函數(shù)的，也反過(guò)來(lái)證明函數(shù)可以有效地說(shuō)明干燥動(dòng)力學(xué)的特性，在干燥過(guò)程中的確是分為兩個(gè)階段。還可以從圖4中直觀地看出各個(gè)溫度下相對(duì)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(yàn)機(jī)進(jìn)行煙葉復(fù)烤試驗(yàn)時(shí)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(fù)相關(guān)，煙片本身的特性對(duì)其干燥速率也有一定的影響。劉峘[13]在對(duì)復(fù)烤過(guò)程中煙片干燥特性進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。堵勁松等[14]在研究溫濕度對(duì)白肋煙烘焙質(zhì)量的影響時(shí)指出，干燥區(qū)氣流濕度對(duì)白肋煙處理質(zhì)量有重要的影響，對(duì)不同質(zhì)量特點(diǎn)的白肋煙應(yīng)采用不同的溫濕度進(jìn)行加工處理。李善蓮[5]對(duì)煙葉熱風(fēng)對(duì)流干燥研究時(shí)進(jìn)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(dòng)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(shí)間的變化曲線）可以直觀反映其干燥特性，卷煙原料對(duì)流干燥過(guò)程分為降速段、滯速段，可由干燥速率變化情況驗(yàn)證此點(diǎn)。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(lái)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(shí)間段變化不同，下部煙（X2F）在干燥開(kāi)始階段干燥速率高于中部煙（C3F），但是當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)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(guò)對(duì)干燥特性曲線的觀察得知，卷煙原料對(duì)流干燥過(guò)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(shí)間很短。建立了卷煙原料對(duì)流干燥過(guò)程質(zhì)傳遞的動(dòng)力學(xué)分析方法，都可以用Midilli and Kucuk方程來(lái)整體描述其干燥特性。

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