基于收缩特性分析的叶丝快速对流干燥动力学模型

为准确表征叶丝脱水过程中的干燥动力学特性,分析了烤烟和白肋烟两种叶丝在下行床快速对流干燥中的孔隙结构变化特征,对叶丝干燥收缩过程进行了数学模型拟合,建立了考虑收缩形变的叶丝干燥过程水分扩散模型,并对模型进行了验证。结果表明:①随着干燥过程中两种叶丝内孔容积的减小,叶丝中孔径大于0.5μm的孔容比例呈降低趋势,而孔径小于0.05μm的孔容比例呈升高趋势;在不同干燥阶段两种叶丝孔径分布的分形维数介于2.45~2.71之间,表明其孔隙结构具有分形特征;②线性叠加式收缩模型能够较好地描述叶丝干燥过程中的收缩现象,烤烟叶丝和白肋烟叶丝体积比V/V₀和含水率比X/X₀的线性相关系数均大于0.99,采用该收缩模型对基于Fick第二定律的水分扩散模型进行修正,实验数据的拟合精度从修正前的0.9069提升到修正后的0.9580;③采用修正的水分扩散模型描述叶丝快速干燥动力学发现,考虑了干燥过程中的叶丝收缩现象后,得到的叶丝水分有效扩散系数降低,表明叶丝干燥过程中的体积收缩不利于传质过程。      

滚筒干燥过程中叶丝表面温度变化特征

为了研究滚筒干燥过程中叶丝含水率和温度的变化规律,建立了描述叶丝滚筒干燥过程中表面温度变化的动力学模型,在此基础上进一步考察了不同壁温对叶丝表面温度变化的影响,并对比分析了烤烟和白肋烟两种叶丝干燥过程中表面温度变化特征差异.结果表明:①基于热量和质量传递平衡方程得到的叶丝表面温度动力学模型,可较好反映叶丝干燥过程表面温度动态变化特征.②随着筒壁温度升高,烤烟B2F和白肋烟C3F的升温速率增大,两种叶丝所能达到的表面温度增加;相同干燥条件下,烤烟的表面温度变化较白肋烟的表面温度变化快.③表面温度随含水率的变化经历3个阶段:第1阶段,随含水率下降,表面温度升高很快;第2阶段,随含水率的降低,表面温度缓慢升高;第3阶段,表面温度随含水率的下降而迅速升高.     

叶丝滚筒干燥过程中化学成分的动态变化特征研究

利用批处理式滚筒干燥试验装置,以两种烤烟、一种白肋烟为原料,研究了叶丝滚筒干燥过程中含水率、总植物碱、还原糖、总糖、石油醚提取物等含量随干燥处理时间的动态变化特征,同时对比分析了滚筒壁温对上述指标变化特征的影响。结果表明:①叶丝干燥过程含水率的变化规律符合菲克第二定律,实验所用烤烟的传质有效扩散系数(De)均小于白肋烟。滚筒壁温升高,3种叶丝De值均增大,但上部叶De值的变化较中部叶小;②随干燥时间延长,总植物碱和还原糖含量均呈近似线性下降,随滚筒壁温升高,其下降速率增大;③总糖含量除在160℃干燥结束阶段急剧下降外,整体变化规律不明显;④石油醚提取物含量在不同条件下均有相似的变化规律,其含量随干燥过程的进行呈先升高后降低的趋势,峰值区间均在含水率为8%~2.5%时。     

烤烟叶丝微波干燥特性研究

分析了烤烟叶丝含水率和温度随微波作用时间的变化规律并绘制出叶丝微波干燥曲线,研究了不同工艺条件(微波功率、叶丝初始含水率、真空压力)对叶丝微波干燥曲线的影响,在此基础上,建立了烤烟叶丝微波干燥的数学模型。结果表明,烤烟叶丝的微波干燥大致分为3个阶段:第1阶段,干燥速率和温度上升迅速,含水率降低缓慢;第2阶段,干燥速率基本保持不变,温度上升缓慢,含水率下降迅速;第3阶段,干燥速率下降,温度上升缓慢,含水率下降缓慢。微波功率和叶丝初始含水率对叶丝微波干燥曲线的影响显著,而真空压力影响不显著。烤烟叶丝微波干燥的动力学过程可以用薄层干燥的数学模型Page方程描述。     

本期导读

1．烤烟叶丝微波干燥特性研究分析了烤烟叶丝含水率和温度随微波作用时间的变化规律并绘制出叶丝微波干燥曲线,研究了不同工艺条件(微波功率、叶丝初始含水率、真空压力)对叶丝微波干燥曲线的影响,在此基础上,建立了烤烟叶丝微波干燥的数学模型。结果表明,烤烟叶丝的微波干燥大致分为3个阶段：第1阶段,干燥速率和温度上升迅速,含水率降低缓慢；第2阶段,干燥速率基本保持不变,温度上升缓慢,含水率下降迅速；第3阶段,干燥速率下降,温度上升缓慢,含水率下降缓慢。微波功率和叶丝初始含水率对叶丝微波干燥曲线的影响显著,而真空压力影响不显著。烤烟叶丝微波干燥的动力学过程可以用薄层干燥的数学模型Page方程描述。2．气水加湿喷嘴的特性及应用介绍了三维激光多普勒测速计和自适性相位多普勒速度计系统(三维LDV/APV系统)的性能,分析了气水雾化加湿喷嘴的结构和工作原理。采用三维LDV/APV系统对气水雾化加湿喷嘴的雾化特性进行了试验。该喷嘴可应用于卷烟生产中的各种功能性贮存房和卷接包车间,湿度控制效果良好。     

膨胀叶丝微观结构的SEM表征

利用扫描电子显微镜(SEM)观察了叶丝膨胀前后的表面和断面显微结构变化,对不同膨胀强度下叶丝断面的SEM照片进行图像处理与数据分析,结果表明:未膨胀的叶丝组织结构紧密,表皮细胞向内凹陷,呈褶皱状;膨胀后的叶丝组织结构疏松,表皮细胞向外凸出,表面光滑、褶皱减少;随着膨胀强度的增加,孔隙直径<4 μm的孔隙数量减少,孔隙直径>4μm的孔隙数量增加.孔隙直径<6μm的孔隙总面积减小,孔隙直径>6μm的孔隙总面积增加.对于CO2膨胀叶丝,孔隙直径<2 μm时孔隙数量和孔隙总面积与叶丝的膨胀率线性关系极显著.对于科创膨胀叶丝,孔隙直径为2～4 μm时孔隙数量和孔隙总面积与叶丝的膨胀率线性关系极显著.     

滚筒-气流式烘丝机的设计应用

由于气流式和滚筒式烘丝机存在烘后叶丝含水率波动大、叶丝结团和"干头干尾"等问题,结合两种烘丝机的技术优势,设计了滚筒-气流式烘丝机。该设备主要由进出料气锁、干燥滚筒、燃烧炉、主工艺风机等组成,采用气流烘丝原理,即利用含一定量蒸汽的热风在滚筒内与叶丝均匀接触,进行热量对流交换,完成叶丝脱水干燥。通过调节烘丝温度、烘丝时间、水流量和排潮量,实现对烘后叶丝含水率的精确控制。应用效果表明:①烘后叶丝含水率均匀、稳定,含水率偏差±0.5%,填充值≥4.3 cm3/g,烟丝颜色、形态好,保持了烟草本香。②设备工艺参数调节范围宽,满足了中式卷烟分组加工和精细化加工需求。③设备结构简单,滚筒筒体不会出现泄漏问题,减少了设备维护工作量,降低了工人劳动强度和设备维修成本。     

HXD在线膨胀工艺参数和膨胀率与卷烟质量的关系

为进一步提高叶丝的在线膨胀效果,对不同等级的烤烟型卷烟叶丝在HXD上的膨胀效果进行了试验。结果表明:①提高HXD进料含水率和工艺气流的干燥温度,可提高叶丝的膨胀率;②当叶丝的进料含水率为22%时,经HXD膨胀后叶丝的膨胀率以及卷烟的物理指标、烟气指标等与滚筒式烘丝机处理后的结果基本一致;③在试验范围内,提高喷射蒸气的流量,可提高叶丝的膨胀率;④提高进料含水率和工艺气流的热风温度,可使卷烟在吸阻和硬度不变的情况下降低单支重量;⑤随着进料含水率和工艺气流干燥温度的提高,卷烟烟气焦油呈下降趋势,而烟碱和CO下降趋势不明显;⑥高档卷烟配方不宜采用HXD进行膨胀干燥;采用HXD进行膨胀干燥时,中档卷烟和低档卷烟的进料含水率宜分别控制在24%和28%左右。     

滚筒分段变温干燥方式下烤烟叶丝质量的变化特征

为分析滚筒分段变温干燥方式下叶丝含水率变化、物理特性及叶丝香味成分变化规律,考察了100、120、130、140、150℃滚筒恒温干燥后,150/100、140/100、130/100、120/100℃滚筒分段变温干燥后,以及140/100℃分段变温干燥条件下分别在叶丝含水率为19%、17%、15%时改变筒壁温度进行干燥后叶丝填充值、弹性的变化情况,并对比了两种干燥方式下叶丝石油醚提取物及香味成分的变化规律。结果表明:①采用第一阶段高温第二阶段低温的变温干燥方式,通过提高脱水前期的筒壁温度,能够明显提升叶丝干燥效率;②与高温恒温干燥过程相比,采用第一阶段高温第二阶段低温的变温干燥方式有利于提高叶丝弹性、填充值,叶丝中棕色化反应产物、类胡萝卜素降解产物等香味成分含量也明显升高;③变温干燥方式下,变温点处烟丝含水率从19%降低至15%时,叶丝填充值呈降低趋势,弹性呈增大趋势,叶丝中香味成分总量也呈降低的趋势。      

实验室用叶丝滚筒干燥机的研制

为解决实验室与制丝生产线不同干燥设备干燥叶丝的感官质量存在较大差异等问题,基于叶丝薄板滚筒干燥机工作原理,研制了一种实验室用叶丝滚筒干燥机。该设备由机架、烘丝筒、变频驱动系统、加热控温系统和排潮系统等部分组成。通过加热器、保温层和自动控温系统对烘丝筒壁温度进行调控;利用变频电机调节滚筒转速;通过排潮系统对干燥机进行排潮;将出料口与进料口合二为一,自行设计的机架结构便于烘丝筒翻转倾斜,实现快速出料。利用"黄金叶(大金圆)"配方叶丝,考察了实验室用干燥机、电烘箱和生产线薄板滚筒干燥机(对照样)3种干燥方式对叶丝物理性能和卷烟感官质量的影响。结果表明:1采用实验室用干燥机,叶丝填充值为4.54 cm3/g,对照样为4.62 cm3/g。与对照样相比,叶丝弹性、卷曲度和松散性接近,卷烟感官同质化率达68%,达到了卷烟感官同质化要求。2采用烘箱法,叶丝填充值最低,为4.02 cm3/g,且卷烟样品感官质量稍差。3实验室用干燥机与薄板滚筒干燥机的干燥效果接近,均优于电烘箱,可以满足实验室与制丝生产线干燥叶丝感官质量无差异的需求。     

基于叶丝干燥速率特性的分组干燥研究

为提升干燥后叶丝综合质量,对"黄金叶(Y)"叶组配方中不同等级烟片进行干燥速率测试和感官质量评价,依据叶丝干燥速率对配方叶组进行了分组设计,并对分组模块进行分段干燥加工试验。结果表明:1不同等级烟片的叶丝干燥速度差异较明显,上部和下部烟片干燥速率高于中部烟片,造纸法再造烟叶干燥速率与烟片差异明显;2"黄金叶(Y)"配方A,B模块分别在筒壁温度135/110℃、滚筒转速11 r/min和筒壁温度135/100℃、滚筒转速10 r/min条件下进行分组干燥后,与不分组干燥相比,叶丝填充值平均提高了0.19 cm3/g,干燥后叶丝含水率标准偏差由0.15%降低到0.11%;产品感官质量提升了0.9分,焦油和CO量分别降低0.4和0.3mg/支。     

叶丝在线膨胀工艺参数与填充能力的关系研究

从提高叶丝在线膨胀效果出发，研究了影响叶丝填充能力的有关工艺参数。实验结果表明：①改变切丝宽度影响叶丝填充值。在试验条件下，宽度为０．９５ｍｍ的叶丝填充能力最高。②在试验范围内，叶丝填充值随叶丝膨胀温度和含水率增加而增加。③当烘前叶丝温度和含水率一定的情况下，增加烘丝机筒壁温度，适当降低热风温度及采取低滚筒转速和低热风风速均有利于叶丝填充值的提高。     

不同混丝模式对烟丝掺配效果的影响

在分组加工生产中,为了解不同混丝模式对烟丝掺配混合均匀性及物理特性变化的影响,采用4种烟丝混丝模式,将烤烟和白肋烟叶丝按照7:3的比例进行掺配,应用近红外光谱仪,以白肋烟掺配比例作为近红外预测指标进行建模,对不同混合样品中的白肋烟含量进行分析,对比评价了不同混丝模式下两种叶丝的混合均匀程度,烟丝结构及填充值的变化.结果表明:①在试验范围内,无论采用何种混丝模式,其烟支中的各组份均基本均匀;②丝柜预混方式的作用优于其它混合方式;③在不考虑加香后各工序混丝作用的前提下,传统的掺配加香混丝模式均匀性最差,丝柜预混与风力柔性掺配相结合模式的混丝均匀性最好.     

干燥模式对混合型卷烟感官质量的影响

为了解不同干燥模式对混合型卷烟感官质量的影响,考察了SH6薄板烘丝、HXD气流烘丝和KLD薄板烘丝3种干燥模式对"都宝A"牌号卷烟中白肋烟、香料烟、烤烟3个模块叶丝感官质量的影响,并利用灰色关联度分析方法对混合型卷烟干燥模式的组合进行了优化。结果表明:①"都宝A"牌号卷烟中的白肋烟模块叶丝,用SH6薄板干燥后,烟丝的香气特性最优,浓度、劲头大;用HXD气流干燥后,烟丝的口感特性最优。香料烟模块叶丝,用SH6薄板干燥后,烟丝的香气特性最优;用HXD薄板干燥后,烟丝的口感特性最优。烤烟模块叶丝,用KLD薄板干燥后,烟丝感官综合质量最优。②适合"都宝A"牌号卷烟的最优干燥模式组合为:白肋烟用SH6烘丝,香料烟用SH6烘丝,烤烟用KLD烘丝。     

基于孔径分布图的高密织物防水透湿性能

为研究高密织物孔径分布对防水透湿性的影响,采用沸水收缩率分别为21.7%和10.2%、线密度比为1∶1.1的异收缩PET复合丝,通过丝的异收缩使织物蓬松,缩小织物中丝间孔径,增加丝内孔隙。测试分析了4种温度处理的织物孔径分布图与防水透湿的关系。结果表明,高密防水透湿织物的孔径分布图呈左偏不对称形态,分布图从右向左可分为平台区、缓增区、顶峰区和缓减区。随着复合丝收缩增大,各区域有合并的趋势,最大孔径减小,主体孔径向左偏移。收缩最大的孔径分布图中,表征丝内孔隙的顶峰区,孔径范围为4~6μm,小孔百分比达76.8%;表征丝间孔径的平台区,10~31.1μm的大孔所占比例只有8.9%。孔径分布图中缓增区和顶峰区也就是小孔的量对透湿性起主导作用,平台区也就是大孔对织物的防水影响显著。     

570 kg/h CO2叶丝膨胀线工艺技术系统研究

通过对引进的美国AIRCO公司生产的570 kg/h CO2叶丝膨胀线的设备进行了一系列创新性的改造,对膨胀前叶丝含水率、热端工艺气体流速、热端工艺气体温度和饱和蒸汽加入量、膨胀叶丝回潮滚筒转速、回潮后膨胀叶丝含水率等工艺参数进行最优组合并确定了最佳工艺技术条件,将叶丝膨胀率调整到70%左右,叶丝填充值降低到5.5cm3/g左右,使膨胀叶丝整丝率升高到85%以上,碎丝率降到4.0%以下,叶丝转化率提高到95%以上.随着膨胀叶丝在卷烟配方中掺兑比例的增加,卷烟的平均焦油量由20 mg/支左右降低到16 mg/支左右,烟气烟碱由1.45mg/支降低到1.10 mg/支,单箱耗叶由39.5 kg/箱降到了38kg/箱以下,同时改善了卷烟内在品质.     

滚筒烘丝机控制方法的改进与对比分析

为了解决目前滚筒烘丝机中以筒壁温度控制出口烟丝含水率对产品质量稳定性造成一定影响的问题,对滚筒式烘丝机叶丝干燥去湿控制方法进行了改进:在现有筒壁温度控制模式的基础上增设一套以调节入口热风风量来实现出口含水率自动控制的热风风量控制模式,并且对两种控制模式进行了试验对比,结果表明:①采用热风风量控制模式,出口叶丝含水率和出口叶丝温度的稳定性较好,且含水率和温度的波动范围较小;②采用热风风量控制模式,对叶丝特征尺寸(de)的下降影响程度较小,而叶丝特征尺寸(de)的稳定性较差,且叶丝特征尺寸(de)的波动范围比采用筒壁温度控制模式的波动范围略大;③两种控制模式下的叶丝感官质量差别不大,香气风格一致,在烟气风格特征上略有差别.     

白肋烟烘焙关键工艺参数设置与加工质量

为研究白肋烟烘焙过程中干燥气流温度与干燥终端含水率之间的关系,选择确定适宜的热风风量和排潮风门开度、铺叶厚度、烘焙时间等配套参数,进行了白肋烟叶组不同干燥模式、干燥气流温度及干燥终端含水率等关键工艺参数与烘焙处理后白肋烟物理指标和感官质量的关系研究。结果表明,在试验范围内,采用“先高后低”的干燥气流温度模式,选择130℃、130℃、110℃、110℃的干燥气流温度和4%～6%干燥终端含水率的参数设置,最适于F白肋烟叶组感官质量的改善。     

制丝重点工序工艺参数对卷烟在制品色泽的影响

采用色差仪定量测定卷烟在制品色泽的方法,研究了真空回潮、贮叶、切丝和叶丝滚筒干燥工序中加工参数对叶片和叶丝色泽的影响,结果表明:采用两周期真空回潮,叶片色泽比一周期真空回潮明显变差;采用一周期真空回潮,随着增湿温度的升高,保温和反抽时间的延长,叶片色泽逐渐变差.随着贮存环境温度和相对湿度的升高,贮存时间的延长,贮后叶片明度下降,色差增大,叶片的色泽变差.随着切丝时叶片含水率和刀门压力的增大,切后叶丝明度下降,色差增大,色泽变差.不同叶丝滚筒干燥强度对叶丝的色泽影响不大.试验确定的保持叶片和叶丝色泽的较佳工艺条件为:一周期真空回潮,较轻的处理强度(增湿温度≤55℃,保温时间≤50 s,反抽时间≤70 s),叶片贮存环境温度26℃,相对湿度63%,贮存时间2~8 h,切丝含水率低于18.5%,刀门压力控制在0.2 MPa以下,滚筒干燥热风温度105℃,筒壁温度125℃.     

叶丝干头干尾判定标准及处置方法

为填补叶丝干头干尾判定标准的空白,使检测和处置叶丝干头干尾具备可操作性,比较含水率低于11.5%的干燥叶丝性能、化学成分。结果显示:一般情况下以含水率8%为临界点,叶丝置于车间后将分别出现放湿和吸湿现象,因此,将含水率低于8%作为"干头干尾"的判定标准;干头干尾自动放出后经现场吸湿或专门增湿,可改善耐加工性能并实现在线掺加;干头干尾总糖、烟碱相对较低,以降级掺配为宜。